DE102009033544B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine (3) eines Kraftfahrzeugs, wobei die Verbrennungskraftmaschine (3) ein Antriebsmoment in einer Vorzugsrichtung der Verbrennungskraftmaschine auf eine Kurbelwelle ausübt, wobei ein Anlassmotor (9) in einem Anlassvorgang ein Anlassmoment (7) auf die Kurbelwelle ausübt um eine Mindestdrehzahl der Verbrennungskraftmaschine (3) zu erreichen,wobei eine Steuereinheit das Anlassmoment regelt, wobei
die Steuereinheit in dem Anlassvorgang das Anlassmoment (7) zeitabhängig zwischen einem positiven maximalen Anlassmoment (27) und einem negativen minimalen Anlassmoment (28) regelt, wobei ein positives Anlassmoment in Richtung und ein negatives Anlassmoment entgegen der Vorzugsrichtung auf die Kurbelwelle wirkt, wobei eine mechanische Verbindung zwischen der Verbrennungskraftmaschine (3) und dem Anlassmotor (9) drehelastisch ausgeführt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit bei der drehelastischen Verbindung den Anlassvorgang in einen ersten Teilvorgang zur Überwindung eines Losbrechmoments und einen zweiten Teilvorgang zur Überwindung eines Kompressionsmoments und Gleitreibungsmoments unterteilt, wobei der erste Teilvorgang in einer ersten Betriebsart und der zweite Teilvorgang in einer zweiten Betriebsart geregelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine.
  • Verbrennungsmotoren können in der Regel nicht selbständig anlaufen, sondern benötigen zum Anlaufen eine Mindestdrehzahl von beispielsweise 60 bis 200 U/min. Zu diesem Zweck wird normalerweise ein aus einer Batterie gespeister Anlassmotor eingesetzt, der auch bei einem Fahrzeugstillstand ein Anlassmoment abgeben kann. Die wesentlichen Momente, die von dem Anlassmoment während eines Anlassvorgangs überwunden werden müssen, sind das Losbrechmoment, das Reibmoment und das Kompressionsmoment. Zu Beginn des Anlassvorgangs steht eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors still. Durch vorhandene Reibstellen, beispielsweise die Zylinderlaufbahnen und/oder Lager der Kurbelwelle, liegt eine Haftreibung vor. Damit die Kurbelwelle sich überhaupt dreht, muss in einer ersten Phase zunächst diese Haftreibung überwunden werden. An der Kurbelwelle muss hierzu ein entsprechendes Moment, welches auch als Losbrechmoment bezeichnet wird, aufgebracht werden. Das erforderliche Losbrechmoment nimmt insbesondere bei großer Kälte und langer Standzeit des Fahrzeugs große Werte an. Falls das auf die Kurbelwelle aufgebrachte Anlassmoment des Anlassmotors nicht größer als das Losbrechmoment ist, bleibt die Kurbelwelle stehen und der Verbrennungskraftmotor kann nicht gestartet werden.
  • Sofern das Losbrechmoment überwunden wurde, tritt an den vorbenannten Reibstellen anstatt der Haftreibung nun eine Gleitreibung auf. Diese ist zwar gegenüber der Haftreibung reduziert, verursacht jedoch ebenfalls eine Abbremsung der Drehbewegung der Kurbelwelle. Die zwischen den Kolben und den Zylinderlaufbahnen wirkenden Gleitreibkräfte werden dabei über einen Kurbeltrieb in ein Gleitreibungsmoment umgewandelt, welches im Verlauf eines Arbeitsspiels schwankt. Hinzu kommt weiterhin ein von der Kolbenbewegung unabhängiges, direkt mit der Drehung der Kurbelwelle verknüpftes Reibmoment, z.B. durch Reibung in den Kurbelwellenlagern. In dieser zweiten Phase des Anlassvorgangs muss daher ein gewisser Teil des Anlassmoments für die Kompensation der Gleitreibung zur Verfügung gestellt werden. Generell lässt sich dabei feststellen, dass sich, analog zur Haftreibung, besonders große Werte des Gleitreibungsmoments bei großer Kälte und langer Standzeit des Fahrzeugs ergeben.
  • Mit dem effektiv wirksamen Anlassmoment soll die Kurbelwelle beschleunigt und eine für das Anspringen des Verbrennungskraftmotors erforderliche Drehzahl erreicht werden. Zusätzlich zur Gleitreibung muss dabei auch die bei Drehung der Kurbelwelle regelmäßig stattfindende Kompression der Luftmasse in den Zylindern berücksichtigt werden. Die Kompression der Luftmasse wirkt an der Kurbelwelle als so genanntes Kompressionsmoment. Innerhalb eines Arbeitsspiels des Verbrennungskraftmotors wechselt dieses Kompressionsmoment mehrfach das Vorzeichen. Bei einem Vierzylinder-Viertaktmotor beträgt das Arbeitsspiel 720°, also zwei volle Umdrehungen, auf denen insgesamt acht Vorzeichenwechsel stattfinden. Die Winkel, bei denen ein Vorzeichenwechsel stattfindet, werden dabei als Gleichgewichtslagen bezeichnet. Dabei wird zwischen stabilen und instabilen Gleichgewichtslagen, die auch Totpunkte genannt werden, unterschieden. Versucht man beispielsweise, die Kurbelwelle aus einer stabilen Gleichgewichtslage zu größeren Winkeln hin zu verdrehen, ergibt sich durch die Kompression ein negatives Rückstellmoment. Bei einer Verdrehung zu kleineren Winkeln hin ergibt sich ein positives Rückstellmoment. Bei instabilen Gleichgewichtslagen sorgt schon eine geringfügige Auslenkung der Kurbelwelle im Zusammenwirken mit dem Kompressionsmoment dafür, dass sich die Kurbelwelle zu einer stabilen Gleichgewichtslage hin verdreht.
  • Befindet sich die Kurbelwelle zu Beginn eines Anlassvorgangs in einer stabilen Gleichgewichtslage, so wirkt das Kompressionsmoment bis zum Überschreiten eines ersten Totpunkts bremsend, d.h. dem Anlassmoment entgegengerichtet. Anschließend wirkt das Kompressionsmoment abwechselnd antreibend und abbremsend. Antreiben bedeutet, dass das Kompressionsmoment in gleiche Richtung wie das Anlassmoment wirkt. Somit ergibt sich aus der Summe des effektiv wirksamen Anlassmoments und des Kompressionsmoments das zur Beschleunigung der Kurbelwelle wirksame Drehmoment, während das vorhergehend geschilderte Gleitreibungsmoment immer abbremsend wirkt.
  • Wenn das effektiv wirksame Anlassmoment zu klein ist, kann es demzufolge vorkommen, dass die zum Erreichen einer notwendigen Drehzahl des Verbrennungsmotors erforderliche Drehzahl nicht erreicht wird oder sogar der erste Totpunkt nicht überschritten wird. Somit kommt die Kurbelwelle wieder zum Stillstand. Ein solcher Fall liegt insbesondere dann vor, wenn das Anlassmoment in Folge einer falschen Auslegung des Anlassmotors zu klein ist und/oder das Gleitreibungsmoment aufgrund zu großer Kälte und/oder zu langer Standzeit und/oder anderen Ursachen zu groß ist.
  • Die zuvor geschilderten Herausforderungen sorgen dafür, dass für den Start eines Verbrennungsmotors, insbesondere bei großer Kälte und/oder langer Standzeit, ein hohes Drehmoment erforderlich ist. Als Größenordnung können für einen Vierzylinder-Dieselmotor etwa 200 Nm als erforderliches Anlassmoment angesetzt werden.
  • Um ein erforderliches Anlassmoment zu erzeugen, wird in konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmotoren zumeist ein Anlassmotor oder so genannter Anlasser verwendet. In der Regel ist der Anlasser als Elektromaschine ausgebildet. Diese weist jedoch einige nachteilige Effekte auf. Steigt das erforderliche Anlassmoment eines Verbrennungsmotors, so steigen auch näherungsweise linear auch die Kosten, das Gewicht und der Bauraum der Elektromaschine. Eine weitere, nachteilige Eigenschaft der verwendeten Elektromaschinen ist, dass diese in der Regel für Drehzahlen im vierstelligen Bereich ausgelegt sind. Diese Drehzahlen sind also weitaus höher als zum Start von Verbrennungsmotoren erforderlich. Ein schnell drehender Anlasser bzw. eine schnell drehende Elektromaschine benötigt daher eine Übersetzungseinheit. Die Übersetzungseinheit übersetzt eine hohe Drehzahl der Elektromaschine in eine niedrige Drehzahl, die dem Verbrennungsmotor angepasst ist. Für ein Übersetzungsverhältnis kann größenordnungsmäßig 1:50 angesetzt werden. Der Anker dreht sich also 50 mal schneller als die Kurbelwelle. Jedoch gibt der Anker auch nur ein 50stel des an der Kurbelwelle wirksamen Drehmoments ab. Die Integration der Übersetzungseinheit wirkt sich wiederum nachteilig auf Kosten, Gewicht und Bauraum aus.
  • Da der Verbrennungsmotor im Betrieb seinerseits hohe Drehzahlen (größenordnungsmäßig 4000 bis 7000 U/min) erreicht, darf die Elektromaschine zusätzlich nicht dauerhaft mit der Kurbelwelle gekoppelt sein. In Folge der mechanischen Kupplung über die Übersetzungseinheit würde ansonsten die maximal zulässige Drehzahl für den Anker überschritten werden, was zu einer Beschädigung der Elektromaschine führt. Um ein Überschreiten der maximal zulässigen Drehzahl des Ankers im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs zu verhindern, wird ein Kraftfluss zwischen der Elektromaschine und dem Verbrennungsmotor nur für die Dauer des Anlassvorgangs hergestellt. Hierzu werden Elemente wie beispielsweise ein Freilauf oder ein Schraubtrieb oder ähnliches verwendet. Diese sorgen dafür, dass bei dem zwischen der Elektromaschine und dem Verbrennungsmotor übertragenen Moment kein Vorzeichenwechsel stattfinden kann. Betrachtet man nur eine Vorzugsdrehrichtung des Verbrennungsmotors (meist rechts herum), so kann der Anlasser ausschließlich die Kurbelwelle antreiben (also den Verbrennungsmotor nicht bremsen) und der Verbrennungsmotor ausschließlich angetrieben werden (also den Anlasser nicht in Überdrehzahl bringen).
  • In einem Kraftfahrzeug mit Hybrid-Antrieb kann eine zum Antrieb des Fahrzeugs vorgesehene Elektromaschine gegebenenfalls die Funktion des Anlassers vollständig übernehmen. Wie zuvor bereits deutlich gemacht wurde, ist hierzu insbesondere erforderlich, dass die Elektromaschine ein ausreichend hohes Drehmoment für den Anlassvorgang abgeben kann. Dies führt aber zu einem Auslegungskonflikt insbesondere für so genannte Mild-Hybrid-Fahrzeuge, die mit verhältnismäßig schwachen Elektromaschinen und kleinen Energiespeichern ausgestattet sind. Die verhältnismäßig schwachen Elektromaschinen erzeugen dabei größenordnungsmäßig ein maximales Drehmoment von 100 Nm.
  • Eine bekannte Lösung bei Mild-Hybrid-Fahrzeugen besteht darin, einen konventionellen Anlasser, also eine zweite Elektromaschine, mitzuführen, die insbesondere bei extrem tiefen Temperaturen und/oder langer Standzeit des Fahrzeugs zum Einsatz kommt. Ein anderer Lösungsansatz besteht darin, eine stärkere Elektromaschine einzusetzen, die ein höheres maximales Drehmoment erzeugen kann. Abgesehen vom Entfall des Anlassers bzw. der zweiten Elektromaschine sind die erzielbaren Vorteile hierbei jedoch begrenzt, wenn nicht gleichzeitig eine Vergrößerung der Kapazität der elektrischen Energiespeicher vorgenommen wird, wodurch ein so genannter Voll-Hybrid-Antrieb entstehen würde.
  • Die genannten Alternativen „Mild-Hybrid-Fahrzeug mit konventionellem Anlasser“, „Mild-Hybrid-Fahrzeug mit überdimensionierter Elektromaschine“ und „Voll-Hybrid-Fahrzeug“ sind aus technischen und/oder wirtschaftlichen Gründen (Kosten, Gewicht und/oder Bauraum) in vielen Hybrid-Fahrzeugen nicht sinnvoll umsetzbar. Hiervon sind insbesondere kleine und mittelgroße Fahrzeuge betroffen. Dennoch wird auch für diese Fahrzeuge mittelfristig eine Hybridisierung angestrebt oder zumindest in Betracht gezogen.
  • Die EP 1 106 823 A1 offenbart eine Antriebsvorrichtung mit einer Verbrennungsmaschine und einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Starter-Generator.
  • Die FR 2 805 571 A1 offenbart einen Startermotor, der ein Drehmoment zum Drehen einer Welle in eine erste Position aus einer Ruheposition zwischen einer hinteren Kompressionsstellung und einer vorderen Kompressionsstellung ausübt.
  • Die DE 100 07 956 A1 offenbart ein System zum Starten und/oder Positionieren eines Verbrennungsmotors.
  • Es stellt sich daher das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anlassen eines Verbrennungsmotors zu schaffen, bei der ein maximales Anlassmoment eines Anlassmotors im Vergleich zu konventionellen Anlassern bzw. Elektromotoren reduziert ist, wodurch Kosten, Bauraum und Energiebedarf des Anlassers reduziert werden. Insbesondere stellt sich dieses technische Problem für so genannte Mild-Hybrid-Fahrzeuge, bei denen die zum Antrieb vorhandene Elektromaschine gleichzeitig als Anlasser fungieren soll.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich aus den Merkmalen der Ansprüche 1 und 13. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei die Verbrennungskraftmaschine ein Antriebsmoment in einer Vorzugsrichtung der Verbrennungskraftmaschine auf eine Kurbelwelle ausübt, wobei ein Anlassmotor in einem Anlassvorgang ein Anlassmoment auf die Kurbelwelle ausübt, um eine Mindestdrehzahl der Verbrennungskraftmaschine zu erreichen, regelt eine Steuereinheit das Anlassmoment, wobei die Steuereinheit in dem Anlassvorgang das Anlassmoment zeitabhängig zwischen einem positiven maximalen Anlassmoment und einem negativen minimalen Anlassmoment regelt, wobei ein positives Anlassmoment in Richtung und ein negatives Anlassmoment entgegen der Vorzugsrichtung auf die Kurbelwelle wirkt.
  • Die Regelung des Anlassmoments im Anlassvorgang durch die Steuereinheit, wobei das Anlassmoment zeitabhängig zwischen einem positiven maximalen Anlassmoment und einem negativen minimalen Anlassmoment geregelt wird, wird im Folgenden auch als Modulation des Anlassmoments bezeichnet. Durch diese Modulation wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass das Anlassmoment und eine Drehrichtung der Kurbelwelle während des Anlassvorgangs nicht nur in die Vorzugsrichtung orientiert sind, sondern während des Anlassvorgangs auch umgekehrt werden können. Die Vorzugsrichtung der Verbrennungskraftmaschine ist dabei beispielsweise die Richtung, in der die Verbrennungskraftmaschine die Kurbelwelle antreibt, um eine Fortbewegung des Fahrzeugs zu bewirken. Durch das offenbarte Verfahren kann also während des Anlassvorgangs die Richtung des Drehmoments und gegebenenfalls der Drehbewegung der Kurbelwelle ein oder mehrere Male umgekehrt werden. Im Gegensatz zu einem konventionellen Anlasser wird dabei das dynamische Eigenverhalten eines mechanischen Systems, bestehend aus mindestens der Verbrennungskraftmaschine inklusive der Kurbelwelle und dem Anlassmotor hinsichtlich der Drehbewegung der Kurbelwelle gezielt genutzt und somit die Wirkung des Anlassmotors verstärkt.
  • In der Regel ist davon auszugehen, dass die Gehäuse von Verbrennungskraftmaschine und Anlassmotor verhältnismäßig steif mit der Karosserie verbunden sind. Dabei sind die Gehäuse zunächst unter sich und dann mit der Karosserie oder jeweils mit der Karosserie verbunden. Bei der Modulation des Anlassmoments werden daher nur die für den Anlassvorgang wesentlichen Bewegungen (z.B. von Wellen, Kolben und Riemen) betrachtet. Dabei beziehen sich die Begriffe Drehwinkel, Drehzahl, Drehbeschleunigung, Drehmasse und Reibung des Anlassmotors bzw. der Elektromaschine auf den sich bewegenden (sich drehenden) Teil des Anlassmotors bzw. der Elektromaschine, der auch als Anker oder Rotor bezeichnet wird. Analog beziehen sich die Begriffe Drehwinkel, Drehzahl, Drehbeschleunigung, Drehmasse und Reibung der Verbrennungskraftmaschine auf den sich bewegenden (sich drehenden) Teil der Verbrennungskraftmaschine, also die Kurbelwelle.
  • Die Modulation des Drehmoments erfolgt im Hinblick auf drei wesentliche Ziele:
    1. 1. Durch das offenbarte Verfahren wird ermöglicht, einen Anlassmotor zu verwenden, der ein kleineres maximales Anlassmoment besitzt als ein konventioneller Anlassmotor, wobei konventionelle Anlassmotoren ein Anlassmoment nur in der Vorzugsrichtung der Verbrennungskraftmaschine auf die Kurbelwelle ausüben können. Somit ergibt sich eine verbesserte Effektivität des Anlassmotors.Beispielsweise kann eine Verbrennungskraftmaschine, die zum Anlassen einen konventionellen Anlassmotor mit einem maximalen Anlassmoment von 200 Nm benötigt, gemäß dem offenbarten Verfahren mit einem Anlassmotor angelassen werden, der ein kleineres maximales Anlassmoment, beispielsweise 100 Nm, aufweist.
    2. 2. Mit Hilfe des offenbarten Verfahrens wird zum Anlassen der Verbrennungskraftmaschine nicht mehr elektrische Energie als notwendig benötigt.
    3. 3. Das offenbarte Verfahren ermöglicht einen verbesserten Schutz von Systemkomponenten hinsichtlich Überlastung bzw. Beschädigung und/oder Zerstörung. Diese damit erreichte Betriebssicherheit dient auch dem Schutz der Insassen vor Folgeerscheinungen bei einem Versagen der Systemkomponenten.
  • Wird eine Elektromaschine eines Hybridfahrzeugs, welche auch zum Antrieb des Hybridfahrzeugs dient, als Anlassmotor genutzt, so ermöglicht das offenbarte Verfahren, dass kein separater Anlassmotor mehr im Hybrid-Fahrzeug vorzusehen ist.
  • Insbesondere dann erlaubt das offenbarte Verfahren, dass keine Einheit zur Übersetzung, beispielsweise eine Getriebeeinheit, zwischen dem Anlassmotor bzw. einem Rotor des Anlassmotors und der Kurbelwelle angeordnet werden muss. Ist jedoch eine Einheit zur Übersetzung zwischen Anlassmotor und Kurbelwelle angeordnet, so ist diese nur noch dahingehend auszulegen, dass sie unter Berücksichtigung von Drehzahlgrenzen der Verbrennungskraftmaschine und des Anlassmotors einen gleichzeitigen Betrieb von Verbrennungskraftmaschine und Anlassmotor ermöglicht.
  • Weiterhin ermöglicht das offenbarte Verfahren, dass keine Freilaufvorrichtung zwischen Anlassmotor und Kurbelwelle angeordnet werden muss.
  • Die offenbarte Regelung bzw. Modulation des Anlassmoments kann dabei auf Basis von lokalen Informationen des Anlassmotors erfolgen. Hierzu wird beispielsweise ein Bewegungs- und/oder Betriebszustand des Anlassmotors durch Sensoren erfasst. Vorzugsweise ist der Anlassmotor eine Elektromaschine. Sensoren zum Erfassen des Bewegungs- und/oder Betriebszustands umfassen dabei beispielsweise Strom- und/oder Spannungssensoren für die der Elektromaschine zugeführten Ströme bzw. Spannungen, Winkelsensoren und/oder Winkelbeschleunigungssensoren für die Abtriebsachse bzw. den Rotor der Elektromaschine und weitere Sensoren.
  • Alternativ oder kumulativ ist eine Modulation des Drehmoments ebenfalls auf Basis von globalen Informationen vorstellbar, wobei globale Informationen Bewegungs- und/oder Betriebszustände weiterer Elemente des Kraftfahrzeugs bezeichnen. Beispielsweise kann die Modulation des Anlassmoments auf Basis von Drehwinkel, Winkelgeschwindigkeit und/oder Winkelbeschleunigung der Verbrennungskraftmaschine erfolgen, wobei diese durch geeignete Sensoren erfasst und gegebenenfalls über ein Kommunikationssystem des Fahrzeugs übermittelt werden.
  • Durch die Modulation des Anlassmoments müssen folgende Momente überwunden werden: In einer ersten Phase muss das Losbrechmoment der Verbrennungskraftmaschine überwunden werden. In einer zweiten Phase, nach Überwindung des Losbrechmoments, müssen das Gleitreibungsmoment und das Kompressionsmoment überwunden werden. Die Modulation des Anlassmoments bewirkt hierzu eine gezielte Zwischenspeicherung von kinetischer und/oder elastischer Energie in dem mechanischen System, welches durch Verbrennungskraftmaschine, Anlassmotor und deren mechanischer Verbindung gebildet wird. Weiterhin können durch die Modulation des Anlassmoments Resonanzeffekte bzw. Resonanzeigenschaften des mechanischen Systems ausgenutzt werden.
  • Weiter ist eine mechanische Verbindung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Anlassmotor drehsteif oder drehelastisch ausgeführt. Erfindungsgemäß unterteilt die Steuereinheit bei der drehelastischen Verbindung den Anlassvorgang in einen ersten und einen zweiten Teilvorgang, wobei der erste Teilvorgang in einer ersten Betriebsart und der zweite Teilvorgang in einer zweiten Betriebsart geregelt wird.
  • Dabei wird unter Verbindung bzw. Kopplung die mechanische Verbindung von Verbrennungskraftmaschine und Anlassmotor verstanden bzw. eine Verbindung zwischen Kurbelwelle und Rotor des Anlassmotors, welche eine wechselseitige Übertragung von Drehmomenten ermöglicht. Der wesentliche Unterschied zwischen einer drehsteifen und einer drehelastischen Verbindung besteht darin, dass bei der drehsteifen Verbindung vor der Überwindung des Losbrechmoments kein schwingungsfähiges mechanisches System vorliegt, dessen Resonanzeigenschaften ausgenutzt werden können. Bei einer drehelastischen Verbindung liegt auch vor der Überwindung des Losbrechmoments ein schwingungsfähiges mechanisches System vor, wodurch durch Ausnutzung von Resonanzeigenschaften bzw. der Speicherung von kinetischer und/oder elastischer Energie ein geringeres maximales Anlassmoment des Anlassmotors notwendig ist. Hierbei besteht das mechanische System, in welchem eine gezielte Zwischenspeicherung von kinetischer und/oder elastischer Energie erreicht wird, aus mindestens der Verbrennungskraftmaschine, der Kurbelwelle, der drehelastischen Kopplung und dem Anlassmotor.
  • Im Fall einer drehsteifen Verbindung muss das maximale Anlassmoment des Anlassmotors größer sein als das erforderliche Losbrechmoment.
  • Im Fall einer drehelastischen Verbindung wird der Anlassvorgang in einen ersten und in einen zweiten Teilvorgang unterteilt. Der erste Teilvorgang dient dabei zur Überwindung des Losbrechmoments, während der zweite Teilvorgang der Überwindung des Kompressionsmoments und des Gleitreibungsmoments dient. Die Teilvorgänge beschreiben also zwei aufeinander folgende Phasen eines Anlassvorgangs für eine drehelastisch angebundene Verbrennungskraftmaschine. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass das maximale Anlassmoment des Anlassmotors kleiner sein kann als das erforderliche Losbrechmoment, da durch gezielte Modulation des Anlassmoments der Elektromaschine kinetische Energie in einer Drehmasse und elastische Energie in der drehelastischen Kopplung gespeichert und ein gegebenenfalls vorhandenes Resonanzverhalten des mechanischen Systems auch im ersten Teilvorgang ausgenutzt werden kann.
  • Ist der Anlassmotor eine Elektromaschine eines (Mild-)Hybrid-Fahrzeugs, die auch zum Antrieb des Hybrid-Fahrzeugs dient, so ergibt sich weiterhin die Möglichkeit, ein Drehmoment der Elektromaschine im Fahrbetrieb des Hybrid-Fahrzeugs so zu modulieren, dass ein Summendrehmoment aus Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine und Drehmoment der Elektromaschine und damit auch die Drehzahl der Kurbelwelle gleichförmig sind. Dieser Vorteil basiert auf dem charakteristischen Verhalten einer Verbrennungskraftmaschine, bei dem in der Regel Drehzahl und abgegebenes Drehmoment nicht gleichförmig sind, sondern zumeist erhebliche, meist periodische Schwankungen um einen momentanen Mittelwert aufweisen. Maßgeblich hierfür sind Massenkräfte infolge eines unvollständigen Massenausgleichs des Kurbeltriebs sowie Gaskräfte infolge einer zyklischen Arbeitsweise der Verbrennungskraftmaschine. Durch die Modulation des Drehmoments der Elektromaschine können die resultierenden Schwingungsphänomene, die in der Regel zu gemindertem Geräusch- und Schwingungskomfort führen, aber auch Bauteilversagen zur Folge haben können, gemindert werden. Der Anlassmotor erfüllt somit eine Zusatzfunktion als aktiver Schwingungstilger, wozu jedoch permanent eine elektrische Leistung in der Größenordnung der verbrennungsmotorischen Leistung erforderlich ist. Aufgrund unvermeidbarer Verluste führt dies zu einem hohen Verbrauch an elektrischer Energie und erhöhtem Kühlbedarf.
  • Bei einer drehsteifen Verbindung zwischen der Elektromaschine und der Verbrennungskraftmaschine muss für eine aktive Schwingungstilgung die Auslegung der Elektromaschine hinsichtlich eines Spitzen-Wechselmoments der Verbrennungskraftmaschine erfolgen, welches ein Vielfaches des statischen Mittelwerts betragen kann. Damit ergeben sich nachteilige Bedingungen für Bauraum, Gewicht und Kosten der Elektromaschine. Ferner erfordert die aktive Schwingungstilgung eine hohe Dynamik der Ansteuerung der Elektromaschine und damit der verwendeten Leistungselektronik. Aufgrund dieser Nachteile und Herausforderungen wird das Potential zur aktiven Schwingungstilgung durch die Elektromaschine bisher überhaupt nicht oder nur in begrenztem Umfang genutzt. Eine drehelastische Verbindung bietet daher den Vorteil, dass durch sie aus Sicht der Schwingungstechnik ein mechanisches Tiefpass-Filter in das mechanische System eingeführt wird, was eine passive Schwingungsisolation bewirkt. Dies hat, insbesondere in einer bevorzugten Variante, bei der die drehelastische Verbindung reibungsarm ausgeführt ist, zur Folge, dass die von der Verbrennungskraftmaschine in den Antriebsstrang eingeleiteten hochfrequenten Schwingungen in der Amplitude reduziert werden. Damit sinken die Anforderungen an die Dynamik der Leistungselektronik sowie für die Dimensionierung der Elektromaschine. Dies hat auch zur Folge, dass die Realisierung einer aktiven Schwingungsdämpfung durch die Elektromaschine erleichtert oder überhaupt erst ermöglicht wird.
  • Die nachfolgenden Ausführungen gelten für die drehsteifen und drehelastischen Verbindungen, Unterschiede und/oder Ausnahmen werden hierbei ausdrücklich hervorgehoben.
  • Die Modulation des Anlassmoments kann beispielsweise dabei derart erfolgen, dass zwischen dem maximalen positiven Anlassmoment und dem minimalen, negativen Anlassmoment hin- und hergeschaltet wird. Hierdurch wird eine rechteckförmige Anregung hinsichtlich des Anlassmoments auf die Kurbelwelle ausgeübt. Durch diesen so genannten Zweipunktbetrieb wird der Energieeintrag in das mechanische System maximiert und damit die Effektivität des Anlassvorgangs erhöht.
  • Eine weitere Möglichkeit, die Modulation des Anlassmomentes durchzuführen, besteht in einem so genannten Direktstart. Hierbei wird zu Beginn des Anlassvorgangs ein positives Moment (also in Vorzugsdrehrichtung der Verbrennungskraftmaschine) erzeugt. In einem günstigen Fall ist das aufgebrachte Anlassmoment erstens größer als das erforderliche Losbrechmoment und zweitens größer als das Kompressions- und Gleitreibungsmoment der Verbrennungskraftmaschine, wodurch das Losbrechmoment überwunden wird und der erste Totpunkt überschritten wird. Insbesondere bei der drehelastischen Verbindung wird im ersten Teilvorgang das Losbrechmoment (die Haftreibung der Verbrennungskraftmaschine) überwunden und im zweiten Teilvorgang die Kompressions- und Gleitreibungsmomente.
  • In einer weiteren Modulationsart oder falls der erste Totpunkt nicht durch den vorhergehend beschriebenen Direktstart überschritten wird, erfolgt die Modulation des Anlassmoments derart, dass jeweils bei einem Vorzeichenwechsel der Drehgeschwindigkeit des Anlassmotors auch ein Vorzeichenwechsel des Anlassmoments vorgenommen wird. Hierdurch wird ein Aufschwingen des mechanischen Systems erreicht (anregendes Resonanzverhalten) und somit die Gesamtenergie des schwingungsfähigen Systems fortlaufend erhöht. Diese Modulationsart wird auch als Resonanzstart bezeichnet. Für den Resonanzstart ist im Fall einer drehsteifen Verbindung Voraussetzung, dass das Losbrechmoment überwunden wurde. Im Fall einer drehelastischen Verbindung kann der Resonanzstart auch für die Überwindung des Losbrechmoments durchgeführt werden. Auch im zweiten Teilvorgang kann, bei einer drehelastischen Verbindung, ein Resonanzstart durchgeführt werden, wobei sich jedoch die dynamischen Eigenschaften des mechanischen Systems im Vergleich zum ersten Teilvorgang ändern. Hierbei wird analog zur vorhergehenden Beschreibung des Resonanzstarts das Anlassmoment der Elektromaschine abhängig vom Bewegungszustand des mechanischen Systems moduliert, wobei in einer einfachen Ausprägung jeweils bei einem Vorzeichenwechsel der Drehgeschwindigkeit des Anlassmotors auch ein Vorzeichenwechsel des Anlassmoments vorgenommen wird. Führt der Resonanzstart im zweiten Teilvorgang nicht zum maximalen Aufschwingen des mechanischen Systems, kann der Vorzeichenwechsel des Anlassmoments geringfügig vorgezogen oder verzögert werden.
  • Im Falle eines Resonanzstarts kann auch eine Drehrichtungsabsicherung erfolgen. Bei drehsteifer Verbindung wird, um die Vorzugsdrehrichtung der Verbrennungskraftmaschine zu berücksichtigen, das Vorzeichen des Anlassmoments vorzeitig gewechselt, wenn ansonsten ein Totpunkt entgegen der Vorzugsdrehrichtung überschritten würde. Im ersten Teilvorgang bei drehelastischer Verbindung wird das Vorzeichen des Anlassmoments vorzeitig gewechselt, damit ein Überwinden des Losbrechmoments in eine bestimmte Drehrichtung erreicht wird. Die bestimmte Drehrichtung kann dabei die Vorzugsdrehrichtung der Verbrennungskraftmaschine sein, sie kann aber auch die der Vorzugsrichtung entgegengesetzte Richtung sein. Analog zur drehsteifen Verbindung wird im zweiten Teilvorgang das Vorzeichen des Anlassmoments durch die Modulation des Anlassmoments derart vorzeitig gewechselt, dass ein Totpunkt nicht entgegen der Vorzugsdrehrichtung der Verbrennungskraftmaschine überschritten wird.
  • Bei einem Resonanzstart mit oder ohne Drehrichtungsabsicherung kann auch eine so genannte Entprellfunktion durch die Modulation des Anlassmoments durchgeführt werden. Dabei wird bei jedem Vorzeichenwechsel des Anlassmoments, also wenn eine Schaltbedingung erfüllt ist, das nun entgegengesetzte Anlassmoment für eine vorbestimmte, gegebenenfalls von äußeren Parametern abhängige, Zeitspanne aufrecht erhalten. Alternativ oder kumulativ unterliegt die Schaltbedingung einer Hysteresekurve. Dabei ist eine Schaltbedingung für das Schalten des Anlassmoments in eine erste Richtung, z.B. die Vorzugsrichtung, von einer Schaltbedingung für das Schalten des Anlassmoments in die der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung verschieden.
  • Im Fall der drehelastischen Verbindung ist auch eine Bauteilschutz-Modulation möglich. Hierfür wird das Vorzeichen des Anlassmoments derart vorzeitig gewechselt, dass die maximal zulässige Verdrehung der drehelastischen Verbindung nicht überschritten wird. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine eventuelle Beschädigung der drehelastischen Verbindung, beispielsweise einer Drehfeder, vermieden. Diese Bauteilschutz-Modulation kann beispielsweise durch die erste Betriebsart und die zweite Betriebsart implementiert sein, wobei sich die Bauteilschutz-Modulation in beiden Betriebsarten unterscheidet.
  • Im Fall einer drehsteifen Verbindung und im zweiten Teilvorgang kann weiterhin ein fortgeführter Modulationsbetrieb erfolgen. Dabei wird der vorhergehend beschriebene Resonanzstart fortgeführt, wenn nach Überschreiten eines ersten Totpunkts in Vorzugsdrehrichtung ein folgender Totpunkt nicht überschritten wird.
  • In einer weiteren Variante der Modulation des Anlassmoments wird eine sich aus der Ansteuerungskette ergebende Totzeit- und/oder Tiefpass-Wirkung kompensiert, indem bei jeder Vorzeichenumkehr des Anlassmoments die Schaltbedingung um die Totzeit und/oder den Phasenverzug korrigiert ausgelöst wird.
  • Ebenfalls ist durch eine geeignete Modulation des Anlassmoments eine Leistungsreduktion der vom Anlassmotor für den Anlassvorgang beanspruchten Leistung möglich. Mit den bisher beschriebenen Modulationsarten wird gegebenenfalls (insbesondere bei widrigen Bedingungen) die maximale Systemleistung für einen Zeitraum abgerufen, der länger ist als eine solche Leistung tatsächlich zur Verfügung steht. Z.B. kann infolge von Überhitzung des Anlassmotors bzw. einer Leistungselektronik des Anlassmotors oder bei Spannungsabfall der Batterie nicht mehr genügend Leistung für den Anlassvorgang zur Verfügung stehen. Es kann daher erforderlich sein, die Leistung zu begrenzen bzw. Leistungsreserven vorzuhalten und genau dann einzusetzen, wenn diese für den Anlassvorgang besonders vorteilhaft sind, beispielsweise zum Überwinden des ersten Totpunkts. Zur Leistungsreduktion werden zwei Verfahren vorgeschlagen, die insbesondere zur Reduktion der mittleren für den Anlassvorgang benötigten Leistung dienen.
  • In einem ersten Verfahren wird im Zweipunktbetrieb nicht ausschließlich zwischen dem maximalen, positiven Anlassmoment und dem minimalen, negativen Anlassmoment hin- und hergeschaltet. Vielmehr können Anlassmomente geschaltet werden, die unter bzw. über dem maximalen bzw. minimalen Anlassmoment liegen. Vorzugsweise wird die Verringerung des Anlassmomentes in eine solchen Maße durchgeführt, dass die mittlere Leistung um einen aus den vorhergehend geschilderten Überlegungen begründeten Betrag reduziert wird. Die mit dieser Modulationsart einhergehende Verringerung der Schalthäufigkeit senkt zusätzlich die Verluste innerhalb einer Leistungselektronik.
  • Ein zweites Verfahren zur Reduktion der mittleren Leistung besteht darin, nicht die Amplitude des Anlassmoments zu reduzieren, sondern die Einschaltzeit des Anlassmoments. Hierfür wird z.B. in einer Halbperiode zunächst das maximale, positive Anlassmoment geschaltet, jedoch noch vor Ende der Halbperiode wieder abgeschaltet. Für die Zeit zwischen der Abschaltung des Anlassmoments und dem Ende der Halbperiode wird kein Moment geschaltet. Somit entsteht eine so genannte Dreipunktregelung, die in Einzelfällen gegenüber der Zweipunktregelung mit Amplitudenreduktion vorteilhaft sein kann. Weiterhin ist möglich, die Amplitude und/oder die Einschaltzeit während eines Anlassvorgangs zu variieren.
  • Bei einer drehelastischen Verbindung sind zusätzlich noch die nachfolgend beschriebenen Modulationsarten möglich.
  • Ist z.B. der Bauteilschutz aktiviert, so kann im Zweipunktbetrieb das geschaltete Moment unter dem maximalen, positiven bzw. über dem maximalen, negativen Anlassmoment der Elektromaschine liegen. Ist ein Bauteilschutz bei einem Zweipunktbetrieb mit den reduzierten Amplituden des Anlassmoments nicht gewährleistet, so wird die Amplitude des Anlassmoments weiter abgesenkt, ansonsten wieder erhöht. Auf diese Weise wird der Energieverbrauch des Anlassvorgangs reduziert, wobei gleichzeitig die maximal mögliche Einwirkung auf die Kurbelwelle gewährleistet ist. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die mit dieser Modulationsart einhergehende Verringerung der Schalthäufigkeit in der Regel vorteilhaft ist, da kleinere effektive Belastungen der drehelastischen Verbindung auftreten, größere effektive Wirkungen an der Kurbelwelle erreicht werden und geringere Anforderungen an die für den Anlassmotor verwendete Leistungselektronik gestellt werden. Sofern diese Kriterien im Anwendungsfall nicht zutreffen, wird die Amplituden-Reduktion nicht eingesetzt, sondern im Zweifelsfall ausschließlich die vorhergehend beschriebene Bauteilschutz-Modulation angewandt.
  • Eine weitere Modulationsart ist die so genannte Intervallschachtelung. Dabei wird eine Reduktion der Amplitude bzw. der Einschaltdauer des Anlassmoments schrittweise durchgeführt. Die dazu verwendete Schrittweite der Amplitude bzw. der Einschaltdauer wird ausgehend von einer definierten Grundschrittweite verkleinert, beispielsweise halbiert, bis eine definierte Minimalschrittweite erreicht ist. Falls bei zwei aufeinander folgenden Anpassungen der Amplitude bzw. der Einschaltdauer keine Umkehr der Richtung der Anpassung stattfindet, wird die Schrittweite vergrößert (beispielsweise verdoppelt), bis die z.B. die Grundschrittweite wieder erreicht ist. Ausschließlich im ersten Teilvorgang des Anlassvorgangs bei drehelastischer Verbindung ist auch ein Start entgegen der Vorzugsrichtung möglich. Hierbei wird der vorhergehende Resonanzstart mit einem Moment durchgeführt, der ein Losbrechen der Verbrennungskraftmaschine entgegen der Vorzugsrichtung der Verbrennungskraftmaschine bewirkt.
  • Wiederum für die drehsteife und die drehelastische Verbindung, insbesondere für den ersten und den zweiten Teilvorgang, kann ein Startabbruch erfolgen, wenn eine Wahrung der Betriebssicherheit bzw. ein Absinken der Leistungsfähigkeit des Systems, beispielsweise des Anlassmotors, der Leistungselektronik oder der Batterie, dies erfordert bzw. nahe legt. Eine entsprechende Bedingung kann sich beispielsweise auf die Gesamtdauer seit Beginn des Anlassvorgangs beziehen, die Anzahl der Schaltvorgänge oder die Überschreitung definierter Maximaltemperaturen an mindestens einer Stelle des Systems.
  • Im Fall einer drehelastischen Verbindung ist vorstellbar, dass das Rückstellmoment der drehelastischen Kopplung linear oder nichtlinear mit der Verdrehung zusammenhängt. Weiterhin ist vorstellbar, dass das Rückstellmoment begrenzt ist. Die Begrenzung kann dabei beispielsweise durch konstruktive Maßnahmen (Endanschlag) oder aus Festigkeitsgründen (Elastizitätsgrenze) gegeben sein. Im Modulationsbetrieb sollte die drehelastische Verbindung daher nur innerhalb eines zulässigen Verdrehbereichs betrieben werden, wodurch auch das maximal an der Kurbelwelle wirkende Drehmoment begrenzt ist. Die drehelastische Verbindung kann dabei beispielsweise als Drehfeder ausgeführt sein, die z.B. nur innerhalb eines Verdrehbereichs von -60° bis +60° betrieben werden kann. Bei den angeführten Überlegungen wird davon ausgegangen, dass das maximale Torsionsmoment der drehelastischen Verbindung, beispielsweise 500 Nm, größer ist als das maximale, positive Anlassmoment der Elektromaschine (100 Nm). Weiterhin muss das maximale Torsionsmoment der drehelastischen Verbindung in jedem Fall größer sein als das erforderliche Losbrechmoment.
  • In einer weiteren Ausführungsform erfolgt ein Betriebsartwechsel zwischen der ersten und der zweiten Betriebsart modellbasiert und/oder auf Basis einer Auswertung von Sensorinformationen. Ein Betriebsartwechsel zwischen der ersten und der zweiten Betriebsart erfolgt, wenn das Losbrechmoment überwunden ist. Ein Überwinden des Losbrechmoments lässt sich beispielsweise feststellen, wenn mindestens eine der Größen Drehwinkel, Winkelgeschwindigkeit oder Winkelbeschleunigung der Verbrennungskraftmaschine für die Regelung des Anlassmotors zur Verfügung steht. Die genannten Größen können dabei beispielsweise über bereits vorhandene Sensoren im Kraftfahrzeug erfasst werden. Alternativ oder kumulativ kann eine Modellierung des Losbrechmoments erfolgen. Dabei wird das zu überwindende Losbrechmoment in Abhängigkeit von äußeren Parametern, beispielsweise Kurbelwellenwinkel, Temperatur, Verschleiß, Alterung gespeichert, was z.B. in Form von Kennfeldern erfolgen kann. Ein Betriebsartwechsel findet in diesem Fall beispielsweise dann statt, wenn durch Sensoren erfasste Daten beispielsweise mit im Kennfeld abgespeicherten Daten zu einem Betriebsartwechsel übereinstimmen.
  • Ein Betriebsartwechsel wird auch dann vorgenommen, falls ein erneuter Eintritt in die Haftreibung der Verbrennungskraftmaschine erfolgt. Hierdurch wird ein Wechsel von der zweiten Betriebsart in die erste Betriebsart notwendig. Ein solcher Fall lässt sich beispielsweise dann feststellen, wenn mindestens eine der Größen Drehwinkel, Winkelgeschwindigkeit oder Winkelbeschleunigung der Verbrennungskraftmaschine für die Regelung des Anlassmotors zur Verfügung steht. Bei detektierter Haftreibung wird das Anlassmoment des Anlassmotors zunächst aufrechterhalten und dann ein Resonanzstart des Anlassmotors durchgeführt. Gleichzeitig wird bestimmt, in welcher Richtung das Überwinden der Haftreibung für den Anlassvorgang günstiger ist. Dabei kann einerseits ein fortgeführter Resonanzstart oder alternativ ein Direktstart durchgeführt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform führt die Steuereinheit vor dem Anlassvorgang eine Vorpositionierung der Kurbelwelle durch, wobei die Kurbelwelle in oder entgegen der Vorzugsdrehrichtung gedreht wird. Hierbei wird, bei drehsteifer und bei drehelastischer Verbindung, die Kurbelwelle in eine Gleichgewichtslage gebracht, aus der ein Anlassvorgang hinsichtlich Dauer und/oder Energiebedarf günstiger ist als eine momentane Gleichgewichtslage der Kurbelwelle. Hierzu wird die Kurbelwelle durch den Anlassmotor und eine entsprechende Regelung des Anlassmoments zunächst gezielt in die günstigere Gleichgewichtslage gebracht, wobei gegebenenfalls die Kurbelwelle entgegen der Vorzugsdrehrichtung der Verbrennungskraftmaschine gedreht wird.
  • Ebenfalls ist vorstellbar, dass die Kurbelwelle in eine andere, erreichbare Gleichgewichtslage gebracht wird, wenn bei einer Modulation des Anlassmoments das Überschreiten des in Vorzugsdrehrichtung liegenden Totpunkts innerhalb einer definierten Zeitspanne bzw. bei Erreichen einer stationären Dauerschwingung nicht möglich ist. Hierzu kann die Kurbelwelle wiederum bewusst entgegen der Vorzugsdrehrichtung die Kurbelwelle in eine andere Gleichgewichtslage gebracht werden.
  • Dabei ist vorstellbar, dass günstige Gleichgewichtslagen in Abhängigkeit beispielsweise des Kurbelwellenwinkels abgespeichert werden. Ist ein Anlassvorgang aus einer Gleichgewichtslage nicht erfolgreich, so kann dies ebenfalls abgespeichert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Anlassmotor eine Elektromaschine eines Hybrid-Fahrzeugs, wobei die Elektromaschine das Hybrid-Fahrzeug antreibt. Hierdurch ergibt sich vorteilhaft, dass die Elektromaschine, die das Hybrid-Fahrzeug antreibt, ebenfalls zum Starten der ebenfalls im Hybrid-Fahrzeug vorhandenen Verbrennungskraftmaschine genutzt werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform regelt die Steuereinheit eine Drehzahl des Anlassmotors zeitabhängig. Eine zeitabhängige Drehzahlregelung wird dabei insbesondere im Fall einer drehsteifen Verbindung und für den zweiten Teilvorgang des Anlassvorgangs bei einer drehelastischen Verbindung durchgeführt. Dabei wird nach dem Überschreiten des Totpunkts in Vorzugsdrehrichtung das maximale, positive Anlassmoment des Anlassmotors aufrechterhalten. Gegebenenfalls wird beim Erreichen einer definierten Zieldrehzahl die Drehzahl des Anlassmotors entsprechend eines Sollverlaufs geregelt. Hierfür kann beispielsweise die Leerlaufdrehzahl konstant gehalten werden. Im Fall eines Hybrid-Fahrzeugs wird nach dem Anspringen der Verbrennungskraftmaschine in den regulären Hybrid-Betrieb gewechselt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform regelt die Steuereinheit das Anlassmoment und/oder die Drehzahl des Anlassmotors bei der Vorpositionierung und/oder im Anlassvorgang auf Basis eines statischen oder dynamischen Modells einer mechanischen Übertragungsstrecke zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Anlassmotor, wobei das Modell fest, adaptiv oder rekonfigurierbar ist.
  • Im Falle der drehsteifen Verbindung wird das mechanische System beispielsweise als nicht linearer, gedämpfter Einmassenschwinger aufgefasst. Als Eingangsgrößen des Systems wird dabei mindestens eine der Größen Drehwinkel, Winkelgeschwindigkeit oder Winkelbeschleunigung des Anlassmotors dem Modell zugeführt. Die Ausgangsgröße ist beispielsweise das vom Anlassmotor zu erzeugende Anlassmoment, welches zeitabhängig variieren kann. Ein Parametersatz des gedämpften Einmassenschwingers kann beispielsweise in Form von Kennlinien abgelegt sein. Die Kennlinien geben dabei beispielsweise den Verlauf des an dem Anlassmotor wirksamen Trägheitsmoments, der Dämpfung und/oder der Reibung und des Rückstellmoments über einem Arbeitsspiel an. Falls nicht alle drei Größen (Drehwinkel, Winkelgeschwindigkeit, Winkelbeschleunigung) zur Verfügung stehen, werden diese, sofern erforderlich, durch numerische Differenziationen bzw. Integration berechnet. Im Fall der drehsteifen Verbindung können die Parameter des Modells weiterhin von äußeren Parametern wie z.B. Temperatur, Verschleiß oder Alterung abhängig gemacht werden. Dies kann beispielsweise in Form von Kennfeldern erfolgen.
  • Weiterhin können die Parameter des Modells rekonfiguriert werden, wobei die Abhängigkeit der Parameter des Modells von den äußeren Parametern fortlaufend und/oder durch gelegentlich durchgeführte, gezielte Funktionstests überprüft und gegebenenfalls korrigiert wird.
  • Die Verwendung eines Modells des mechanischen Systems erlaubt im Fall der drehsteifen Verbindung eine Schaltpunkt-Optimierung. Dabei wird das Modell des mechanischen Systems genutzt, um den Vorzeichenwechsel der Drehgeschwindigkeit bei einem Resonanzstart zu prädizieren.
  • Weiterhin kann bei einem vorhandenen Modell des mechanischen Systems eine Abhängigkeitsbeziehung zwischen den Parametern des Modells und äußeren Parametern korrigiert werden, falls der Totpunkt entgegen der Vorzugsdrehrichtung überschritten wird, d.h. sofern eine Drehrichtungsabsicherung fehlgeschlagen ist. Mit einer korrigierten Abhängigkeitsbeziehung kann dann wiederum ein Resonanzstart durchgeführt werden. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine verbesserte Drehrichtungsabsicherung.
  • Die Verwendung eines Modells des mechanischen Systems erlaubt ebenfalls eine verbesserte Dynamik-Kompensation, wobei die Totzeit und/oder die Tiefpass-Wirkung der Ansteuerungskette im Modell des mechanischen Systems berücksichtigt werden kann, und eine Verbesserung der Entprell-Funktion. Weiterhin erlaubt ein Modell des mechanischen Systems eine verbesserte Leistungs-Reduktion. Hierbei kann, insbesondere bei einer hohen Dynamik der Ansteuerungskette, eine ausreichend schnelle Prädiktion mit Hilfe eines Modells des mechanischen Systems durchgeführt werden, was eine verbesserte Korrektur der Amplitude bzw. der Schaltzeit während eines Anlassvorgangs und/oder während einer Halbperiode ermöglicht.
  • Auch bei drehelastischer Verbindung ergeben sich Vorteile im Betrieb bei Verwendung eines Modells des mechanischen Systems. Analog zur drehsteifen Verbindung kann im ersten Teilvorgang das mechanische System beispielsweise als nichtlinearer, gedämpfter Einmassenschwinger aufgefasst werden. Ein Parametersatz des Schwingungssystems kann in Form von charakteristischen Einzelgrößen (z.B. Drehmasse des Anlassmotors) abgelegt werden. Weiterhin kann ein Parametersatz in Form von Kennlinien, die beispielsweise den Verlauf der Dämpfung und/oder Reibung und/oder des Rückstellmoments der drehelastischen Verbindung angeben, verwendet werden. Falls nicht alle drei Eingangsgrößen (Drehwinkel, Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung) zur Verfügung stehen, werden diese, sofern erforderlich, durch numerische Differenziationen bzw. Integration berechnet. Analog zur drehsteifen Verbindung kann eine Adaption und/oder Rekonfiguration und/oder Schaltpunkt-Optimierung des Modells des mechanischen Systems erfolgen.
  • Das Modell des mechanischen Systems wird vorzugsweise für eine Prädiktion der Verdrehung der drehelastischen Verbindung genutzt, um die Funktion des Bauteilschutzes zu verbessern und eine maximal zulässige Verdrehung der drehelastischen Verbindung einzuhalten.
  • Analog zur drehsteifen Verbindung ergeben sich bei einem Modell des mechanischen Systems für den ersten Teilvorgang bei einer drehelastischen Verbindung eine verbesserte Drehrichtungsabsicherung, eine verbesserte Entprell-Funktion, eine verbesserte Dynamikkompensation und/oder eine verbesserte Leistungsreduktion.
  • Auch für den zweiten Teilvorgang bei drehelastischer Verbindung ermöglicht ein Modell des mechanischen Systems mit mindestens einer Eingangsgröße der Größen Drehwinkel, Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung des Anlassmotors eine verbesserte Drehrichtungsabsicherung, eine verbesserte Entprell-Funktion, eine verbesserte Dynamikkompensation und/oder eine verbesserte Leistungsreduktion.
  • In einer ersten Alternative wird das Modell des mechanischen Systems im zweiten Teilvorgang als dynamisches Modell festgelegt. Das dynamische Modell modelliert dabei vorzugsweise einen nichtlinearen, gedämpften Zweimassenschwinger. Ein Parametersatz dieses Schwingungssystems kann in Form von charakteristischen Einzelgrößen (z.B. Drehmasse, Absolutdämpfung, Absolutreibung des Anlassmotors) oder in Form von Kennlinien, abgelegt werden. Die Kennlinien modellieren dabei beispielsweise den Verlauf des Trägheitsmoments, der Dämpfung und/oder der Reibung der Verbrennungskraftmaschine über einem Arbeitsspiel sowie den Verlauf der Dämpfung bzw. Reibung und des Rückstellmoments der drehelastischen Verbindung. Mit Hilfe eines solchen Modells lässt sich eine optimale Schaltfrequenz und damit auch der jeweils optimale Schaltzeitpunkt im Rahmen der Modellierungs- und Parametrisierungsgenauigkeit berechnen. Eine solche Berechnung kann oder sollte, insbesondere bei begrenzter Rechenleistung im Fahrzeug, ganz oder teilweise vor Betrieb des Fahrzeugs durchgeführt werden, wobei z.B. die Ergebnisse der Berechnung in Form von Kennfeldern bzw. hochdimensionalen Matrizen abgelegt werden.
  • In einer zweiten Alternative kann das mechanische System als statisches Modell modelliert werden. Ein statisches Modell kann dabei beispielsweise eine Funktion F (X1, X2, X3, X4, X5, X6) sein, deren Funktionswert fortlaufend betrachtet und zur Entscheidung über einen Vorzeichenwechsel des Anlassmoments herangezogen wird. Die Eingangswerte X1, X2, X3, X4, X5, X6 der Funktion sind dabei beispielsweise Drehwinkel, Drehzahl und Drehbeschleunigung von Verbrennungskraftmaschine und/oder Anlassmotor. Beispielsweise ist die Funktion ein multivariantes Polynom, dessen Koeffizienten beispielsweise aus einem Parametersatz des Schwingungssysystem abgeleitet und derart bestimmt werden, dass ein bei einem Nulldurchgang des Funktionswerts vorgenommener Vorzeichenwechsel des Anlassmoments zu einer größeren Schwingungsamplitude der Kurbelwelle führt. Dies hat den Vorteil, dass die Berechnung eines Nulldurchgangs einer Funktion einen verhältnismäßig kleinen Rechenaufwand erfordert. Durch die Nutzung eines statischen Modells muss weder große Rechenleistung im Fahrzeug vorhanden sein, noch ist ein größerer vorgelagerter Rechenaufwand wie für die Berechnung eines dynamischen Modells notwendig, noch besteht ein hoher Speicherplatzbedarf. Da ein tatsächlicher Parametersatz des mechanischen Systems nie exakt bekannt ist und im Betrieb variiert, beispielsweise in Folge von Temperaturen oder Verschleiß, werden die Koeffizienten des multivarianten Polynoms so bestimmt, dass sich durch die Ausgangsgröße eine im Mittel größere Schwingungsamplitude ergibt. Ohne näheres Wissen werden hierzu für alle Parameter des Schwingungssystems zugehörige Wertebereiche angenommen. Dies bewirkt eine gegenüber Parametervariationen robuste Modulation des Anlassmoments. Je weiter die Wertebereiche des Parametersatzes eingeschränkt werden können, desto optimaler ist die modellgestützte Modulation des Anlassmoments.
  • Vorzugsweise ist daher ein Modellbildungsansatz zu wählen, bei dem nur für stark streuende und im Betrieb variierende Parameter, beispielsweise die Dämpfung, tatsächlich Wertebereiche festgelegt werden, während die übrigen Parameter (z.B. konstruktiv bedingte Parameter) als konstant angesehen werden. Hierdurch sinkt der Berechnungsaufwand, jedoch ist auch bei diesem Ansatz eine Berechnung im Vorfeld angebracht.
  • Neben dem im Mittel optimalen Koeffizientensatz können auch solche für konkrete Parametrierungen berechnet werden, die dann im Fahrzeug eingesetzt werden, wenn der Parametersatz des Schwingungssystems nahe einem berechneten Fall eingeschätzt wird. Auch im zweiten Teilvorgang kann eine Adaption und/oder eine Rekonfiguration des Modells des mechanischen Systems vorgenommen werden. Im Fall der drehelastischen Verbindung und des zweiten Teilvorgangs wird das Modell des mechanischen Systems insbesondere dazu genutzt, eine verbesserte Schaltpunkt-Optimierung zu erreichen, bei der das Vorziehen oder die Verzögerung des Vorzeichenwechsels des Anlassmoments geschätzt wird. Weiterhin erlaubt die Modellbildung eine verbesserte Drehrichtungsabsicherung, eine verbesserte Entprell-Funktion, eine verbesserte Dynamikkompensation und eine verbesserte Leistungsreduktion.
  • Im Fall der drehelastischen Verbindung wird durch ein Modell des mechanischen Systems auch ein modellgestützter Betriebsartwechsel möglich. Hierbei wird das Modell des mechanischen Systems genutzt, um ein Überwinden des Losbrechmoments festzustellen. Beispielsweise wird hierzu die tatsächliche Beschleunigung der Kurbelwelle mit einer prädizierten Beschleunigung der Kurbelwelle verglichen. Da beim Überwinden des Losbrechmoments die feste Einspannung der drehelastischen Verbindung aufgehoben wird, entspannt sich die drehelastische Verbindung sehr rasch, wodurch das Drehmoment an der drehelastischen Verbindung sinkt und die Beschleunigung des Anlassmotors deutlich von einem prädizierten Wert der Beschleunigung des Anlassmotors abweicht. Wird eine solche Abweichung detektiert, kann eine Überwindung des Losbrechmoments festgestellt werden.
  • Weiterhin kann durch ein Modell des mechanischen Systems auch eine verbesserte Modellierung des Losbrechmoments erfolgen. Weicht das bei einem Betriebsartenwechsel vorliegende Anlassmoment, welches beispielsweise auf Basis der momentanen Verdrehung der drehelastischen Verbindung ermittelt wird, von einem prädizierten Losbrechmoment ab, so wird mindestens eine der Abhängigkeitsbeziehungen zwischen dem zu überwindenden Losbrechmoment und äußeren Parametern korrigiert.
  • Ebenfalls kann ein Modell des mechanischen Systems genutzt werden, um ein Wiedereintreten des mechanischen Systems in die Haftreibung der Verbrennungskraftmaschine festzustellen. Beispielsweise wird hierzu die tatsächliche Beschleunigung der Kurbelwelle mit der unter Annahme von Gleitreibung prädizierten Beschleunigung verglichen. Da das Wiedereintreten von Haftreibung wie eine feste Einspannung der drehelastischen Verbindung wirkt, spannt sich die drehelastische Verbindung sehr rasch, wodurch das Moment an der drehelastischen Verbindung steigt und die Beschleunigung des Anlassmotors deutlich von einem prädizierten Wert der Beschleunigung abweicht. Wird eine solche Abweichung detektiert, kann ein Übergang vom zweiten Teilvorgang in den ersten Teilvorgang festgestellt werden.
  • Weiterhin erlaubt ein Modell des mechanischen Systems eine verbesserte lokale Regelung des Anlassmoments, insbesondere während des zweiten Teilvorgangs. Dabei werden fehlende Messgrößen innerhalb des Modells des mechanischen Systems rekonstruiert. Hierdurch wird insbesondere eine Verbesserung für die Totpunkt-Erkennung, die Drehzahlregelung, den fortgeführten Modulationsbetrieb sowie den Bauteilschutz erreicht. Für eine Ausgangslage des mechanischen Systems im Fall einer lokalen Regelung wird beispielsweise davon ausgegangen, dass der Anlassmotor und die Verbrennungskraftmaschine zu Beginn jeweils eine Position einnehmen, in der die drehelastische Verbindung entspannt ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform führt die Steuereinheit vor dem Anlassvorgang oder der Vorpositionierung eine Bewertung einer Ausgangslage der Kurbelwelle durch und führt auf Basis der Bewertung den Anlassvorgang oder die Vorpositionierung durch. Im Fall einer drehsteifen Verbindung wird hierfür beispielsweise das Modell des mechanischen Systems genutzt, um für jede Gleichgewichtslage eine Bewertung vorzunehmen. Das Ergebnis der Bewertung gibt an, ob es hinsichtlich der Dauer und/oder des Energiebedarfs des Anlassvorgangs günstiger ist, anstatt eines Anlassversuchs aus der aktuellen Gleichgewichtslage die Kurbelwelle zunächst in eine andere Gleichgewichtslage zu bringen. Befindet sich die Kurbelwelle zu Beginn des Startvorgangs in einer ungünstigen Gleichgewichtslage, so kann die Kurbelwelle durch den Anlassmotor gezielt in eine günstigere Gleichgewichtslage gebracht werden. Analog hierzu kann eine modellgestützte Bewertung der Ausgangslage der Kurbelwelle auch im Fall einer drehelastischen Verbindung vorgenommen werden, wobei ein entsprechendes Modell zu verwenden ist.
  • Weiterhin kann ein Modell des mechanischen Systems genutzt werden, um eine Ausgangslage oder eine Drehrichtung oder eine Kombination aus Ausgangslage und Drehrichtung zu bewerten. Das Ergebnis der Bewertung gibt z.B. an ob es günstiger ist, den Anlassvorgang aus einer Ausgangslage entgegen der Vorzugsdrehrichtung der Verbrennungskraftmaschine zu beginnen. In diesem Fall wird beispielsweise ein Resonanzstart mit einem der Vorzugsrichtung entgegengesetzten Anlassmoment begonnen. Auch im Fall einer drehelastischen Verbindung, insbesondere vor dem ersten Teilvorgang, kann ein Modell oder eine Kombination von Modellen genutzt werden, um für verschiedene Ausgangslagen der Kurbelwelle, beispielsweise gradweise über dem Arbeitsspiel, zu bewerten, ob es für die Überwindung des Kompressions- und Gleitreibungsmoments im zweiten Teilvorgang günstiger ist, dass Losbrechmoment im ersten Teilvorgang in eine bestimmte Richtung zu überwinden. Falls es beispielsweise für die Überwindung des Kompressions- und Gleitreibungsmoments im zweiten Teilvorgang günstiger ist, dass Losbrechmoment im ersten Teilvorgang in eine der Vorzugsrichtung entgegengesetzte Richtung zu überwinden, wird ein Resonanzstart mit einem der Vorzugsrichtung entgegengesetzten Anlassmoment begonnen.
  • Es ist auch möglich, die Gleichgewichtslagen bzw. die Ausgangslagen der Kurbelwelle nicht bei jedem Anlassvorgang erneut zu bewerten, sondern diese z.B. in Form von Kennfeldern zu speichern. Eine Bewertung wird beispielsweise nur dann durchgeführt, wenn sich beispielsweise die Parameter des Modells des mechanischen Systems in Abhängigkeit von äußeren Parametern geändert haben. Im Fall einer drehelastischen Verbindung wird eine positive Bewertung einer Ausgangslage dann korrigiert, falls die Haftreibung der Verbrennungskraftmaschine entgegen einer vorher positiv bewerteten Drehrichtung zur Überwindung des Losbrechmoments überwunden wurde. Es ist auch möglich, eine negativ bewertete Ausgangslage der Kurbelwelle und eine entsprechende Drehrichtung positiv zu bewerten, falls die Haftreibung der Verbrennungskraftmaschine in dieser Drehrichtung überwunden wurde.
  • In einer weiteren Ausführungsform regelt eine weitere Steuereinheit in einem Anhaltevorgang ein Anhaltemoment des Anlassmotors zeitabhängig zwischen einem positiven maximalen Anhaltemoment und einem negativen minimalen Anhaltemoment, um die Verbrennungskraftmaschine in einem vorbestimmten Zustand der Verbrennungskraftmaschine anzuhalten. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass bei einem Abstellen der Verbrennungskraftmaschine diese mit Hilfe des Anlassmotors bei einer als günstig bewerteten Ausgangslage der Kurbelwelle angehalten wird, um so einen erneuten Anlassvorgang zu vereinfachen. Alternativ oder zusätzlich kann die Verbrennungskraftmaschine bei eingelegtem, möglichst hohem Gang und eingelegter Parksperre und/oder angezogener Parkbremse durch das Schließen einer im weiteren Triebstrang liegenden Kupplung abgebremst werden. Im Fall einer drehelastischen Verbindung wird die Verbrennungskraftmaschine mit Hilfe des Anlassmotors beispielsweise in einer Position angehalten, bei der sich bei einem erneuten Anlassvorgang ein möglichst kleines Losbrechmoment ergibt. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass bestimmte Ausgangspositionen bzw. Ausgangslagen der Kurbelwelle ein unterschiedlich großes Losbrechmoment erfordern, da bei gleich großer Haftreibung ein Losbrechmoment abhängig vom Kurbelwellen-Winkel ist.
  • Vorzugsweise wird die Verbrennungskraftmaschine aber mit Hilfe des Anlassmotors in einer Position angehalten, aus der sich im zweiten Teilvorgang ein vereinfachte Überwindung des Kompressions- und Gleitreibungsmoments ergibt. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass mehrere Ausgangslagen der Kurbelwelle für einen erneuten Anlassvorgang günstig sein können. Vorteilhafterweise wird auch die Regelung des Anhaltemoments modellgestützt durchgeführt.
  • In einer weiteren Ausführungsform regelt die Steuereinheit in dem Anlassvorgang und/oder bei der Vorpositionierung das Anlassmoment und/oder die weitere Steuereinheit in dem Anhaltevorgang das Anhaltemoment des Anlassmotors in Kombination mit weiteren Stelleinrichtungen des Kraftfahrzeugs. Das Anhalten der Verbrennungskraftmaschine bzw. der Kurbelwelle in einer günstigen Ausgangslage kann weiterhin durch eine aktive Optimierung des Anhaltevorgangs verbessert werden. Weist die Verbrennungskraftmaschine geeignete Stelleinrichtungen beispielsweise auf dem Luftpfad auf, so kann durch diese beim Abstellen der Verbrennungskraftmaschine der Verlauf des Kompressionsmoments derart verändert werden, dass eine einzelne Gleichgewichtslage besonders günstig für einen erneuten Anlassvorgang ist. Geeignete Stelleinrichtungen umfassen dabei z.B. einen variablen Ventiltrieb, einen Drosselklappen-Steller, einen Abgasklappen-Steller und/oder Abgasrückführ-Ventile, wobei diese in einem Luftpfad ansaugseitig und/oder auspuffseitig angeordnet sind. Die Verbrennungskraftmaschine wird dann mit Hilfe des Anlassmotors in dieser einzelnen Gleichgewichtslage angehalten. Alternativ oder kumulativ kann dieses gezielte Anhalten mit gezielter Gemischbildung bzw. Einspritzung beim Abstellen kombiniert werden. Dies bietet den Vorteil, dass eine derart eingestellte Ausgangssituation tendenziell auch nach längerer Standzeit noch vorgefunden wird.
  • Die genannten Maßnahmen, insbesondere die Regelung geeigneter Stelleinrichtungen zur Erzeugung eines Kompressionsmoments, können in jedem Fall auch während des Startvorgangs, insbesondere während eines Resonanzstarts, eingesetzt werden. Damit können z.B. gezielt Kompressionsflanken des Kompressionsmoments verändert werden.
  • Weiterhin kann die erste Zündung einer Verbrennungskraftmaschine gezielt mit der Modulation des Anlassmoments kombiniert werden.
  • Eine Maßnahme, die ausschließlich während des Resonanzstarts bzw. direkt zu Beginn des Resonanzstarts in Betracht gezogen werden kann, ist das Schließen einer weiteren im Antriebsstrang liegenden Kupplung, ohne dass hierbei ein Gang eingelegt ist. Diese Kupplung kuppelt den Antriebsstrang beispielsweise mit einer weiteren, beispielsweise durch die Drehmasse einer Getriebeeingangswelle gebildeten, Hilfsmasse, die die dynamischen Eigenschaften des mechanischen Systems verändert. Damit wird eine gezielte Erhöhung der mit dem Anlassmotor verbundenen Drehmasse bewirkt, die in Einzelfällen vorteilhaft genutzt werden kann, um hierdurch das Schwingungsverhalten des mechanischen Systems zu verändern. Die bisher geschilderte aktive Optimierung gilt in analoger Weise für eine drehsteife und eine drehelastische Verbindung.
  • Bei einer drehelastischen Verbindung besteht eine weitere Maßnahme im Schließen einer Kupplung bei eingelegtem und möglichst hohem Gang, wobei eine Sicherung des Fahrzeugs gegen Wegrollen durch eine eingelegte Parksperre und/oder eine angezogene Parkbremse gewährleistet wird. Die Kupplung ist dabei als weitere Stelleinrichtung des Fahrzeugs aufzufassen. Tritt im Rahmen der durch den Anlassmotor angeregten Drehschwingung eine maximale Verdrehung nur kurzzeitig auf und wird in einem solchen Moment die Kupplung wie oben beschrieben geschlossen, so wird die maximale Verdrehung aufrechterhalten und damit verbunden auch das maximale Moment an der nun eingespannten drehelastischen Verbindung. Dies kann vorteilhaft sein, falls es zum Überwinden der Haftreibung erforderlich ist, das Losbrechmoment nicht nur kurzzeitig, sondern für eine gewisse Mindestzeitspanne zu überschreiten. Ein gleichwertiger Effekt wird erzielt, wenn zunächst die Kupplung geschlossen und dann im Zeitpunkt der größten Auslenkung der drehelastischen Verbindung ein möglichst hoher Gang eingelegt wird.
  • Zur Regelung des Anlassmoments bzw. des Anhaltemoments kommuniziert die Steuereinheit bzw. die weitere Steuereinheit beispielsweise über ein Kommunikationssystem des Fahrzeugs (z.B. über CAN-Bus) mit den weiteren Stelleinrichtungen, z.B. der Kupplung, des Kraftfahrzeugs. Somit regelt die Steuereinheit bzw. die weitere Steuereinheit ein kombiniertes Anlass- bzw. Anhaltemoment, welches sich aus dem Anhalte- bzw. Anlassmoment des Anlassmotors und dem Anlass- bzw. Anhaltemoment der weiteren Stelleinrichtungen zusammensetzt.
  • Ist bei einer drehelastischen Verbindung das Losbrechmoment überwunden und wird die Kupplung in einem Moment geschlossen, in dem das Torsionsmoment der drehelastischen Verbindung größer ist als das Anlassmoment des Anlassmotors, so wird der momentane Winkel der drehelastischen Verbindung und auch das momentane Torsionsmoment der drehelastischen Verbindung aufrechterhalten. Dies kann vorteilhaft sein, da nun über einen längeren Zeitraum das Torsionsmoment der drehelastischen Verbindung auf die Kurbelwelle wirkt und diese in Richtung des momentanen Drehwinkels des Anlassmotors treibt. Wenn der Drehwinkel des Anlassmotors zuvor groß genug war überschreitet die Kurbelwelle dabei den Totpunkt. Mit kleiner werdender Differenz von Kurbelwellen-Winkel und dem Winkel des Anlassmotors sinkt dann auch das Torsionsmoment der drehelastischen Verbindung. In erster Näherung ist es sinnvoll, die Kupplung wieder zu öffnen bzw. den Gang herauszunehmen, sobald das Torsionsmoment kleiner ist als das Drehmoment des Anlassmotors. Zur Bestimmung des optimalen Zeitpunkts (kurz vor oder kurz nach der Momentengleichheit) kann beispielsweise das Modell des mechanischen Systems einer drehelastischen Verbindung eingesetzt werden. So lange die Kupplung geschlossen ist bzw, das Drehmoment über den eingelegten Gang abgestützt ist, kann der Anlassmotor zur Einsparung von elektrischer Energie abgeschaltet werden.
  • Die Erläuterungen hinsichtlich des Verfahrens zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschinen gelten ebenfalls für eine Vorrichtung zum Anlassen der Verbrennungskraftmaschine.
  • Die Erfindung wird anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Fig. zeigen:
    • 1 beispielhafter Verlauf eines Reibmoments (Stand der Technik),
    • 2 beispielhafter Verlauf eines Rückstellmoments (Stand der Technik),
    • 3 Verlauf eines erfolgreichen Anlassvorgangs (Stand der Technik),
    • 4 Verlauf eines missglückten Anlassvorgangs (Stand der Technik),
    • 5 schematische Darstellung eines Schwingungssystems,
    • 6 Simulation eines Anlassvorgangs mit drehsteifer Anbindung,
    • 7 schematische Darstellung eines Hybrid-Antriebsstrangs,
    • 8 Simulation zur Überwindung des Losbrechmoments,
    • 9 schematische Darstellung eines Schwingungssystems,
    • 10 Simulation eines Anlassvorgangs mit drehelastischer Verbindung,
    • 11 schematische Darstellung eines Hybrid-Antriebsstrangs,
    • 12 schematische Darstellung eines Hybrid-Antriebsstrangs und
    • 13 schematische Darstellung eines Hybrid-Antriebsstrangs.
  • Bevor die Ausführungsbeispiele näher erläutert werden, wird zunächst der Stand der Technik dargestellt.
  • 1 zeigt den Verlauf des Gleitreibungsmoments 1 über einem Arbeitsspiel eines Vierzylinder-Viertaktmotors. Das Arbeitsspiel umfasst dabei einen Winkelbereich von 0° bis 720° des beispielsweise auch in 3 dargestellten Kurbelwellenwinkels 2. Das Gleitreibungsmoment 1 setzt sich dabei im Wesentlichen aus zwei Beiträgen zusammen. Ist ein Losbrechmoment überwunden, so herrscht an Reibstellen einer in 7 dargestellten Verbrennungskraftmaschine 3, insbesondere an den Zylinder-Laufbahnen und den Lagern, eine Gleitreibung. Diese verursacht prinzipiell eine Abbremsung der Drehbewegung der Kurbelwelle. Die zwischen den Kolben und den Zylinder-Laufbahnen wirkenden Reibkräfte werden über den Kurbeltrieb in ein Reibmoment umgewandelt, welches im Verlauf des Arbeitsspiels schwankt. Hieraus resultiert die in 1 dargestellte, annähernd sinusförmige Schwankung des Gleitreibungsmoments 1.
  • Weiterhin muss nach dem Überwinden des Losbrechmoments zur Drehung der Kurbelwelle die Kompression der Luftmasse in den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine 3 berücksichtigt werden. Innerhalb des Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine 3 wechselt dieses Kompressionsmoment 4 mehrfach das Vorzeichen. In 2 ist der Verlauf des Kompressionsmoments 4 für einen Vierzylinder-Viertaktmotor über dem Arbeitsspiel dargestellt. Insgesamt finden acht Vorzeichenwechsel statt. In 2 sind die Punkte des Vorzeichenwechsels durch einen Kreis und ein Kreuz markiert. Dabei stellen die mit einem Kreis markierten Positionen stabile Gleichgewichtslagen 5 dar. In stabilen Gleichgewichtslagen 5 gleicht sich die Kompression der Luftmassen in den einzelnen Zylindern gegenseitig aus. Die mit einem Kreuz markierten Positionen stellen hingegen instabile Gleichgewichtslagen 6 dar. Die instabilen Gleichgewichtslagen 6 werden auch als Totpunkte bezeichnet. Diese treten auf, wenn einer der vier Kolben einen so genannten oberen Totpunkt einnimmt, an dem normalerweise eine Zündung bzw. Einspritzung stattfindet. Schon bei einer geringfügigen Auslenkung der Kurbelwelle aus einer instabilen Gleichgewichtslage 6 sorgt das Kompressionsmoment dafür, dass sich die Kurbelwelle zu einer stabilen Gleichgewichtslage 5 hin verdreht.
  • Befindet sich die Kurbelwelle zu Beginn eines Anlassvorgangs beispielsweise in einer ersten stabilen Gleichgewichtslage 5', so wirkt bis zum Überschreiten eines ersten Totpunkts 6' das Kompressionsmoment 4 bremsend. Es ist daher einem Anlassmoment 7 (siehe z.B. 3) entgegengerichtet. Nach Überschreiten des ersten Totpunkts 6' wirkt das Kompressionsmoment 4 abwechselnd antreibend und abbremsend.
  • In 3 ist eine Simulation eines erfolgreichen Anlassvorgangs dargestellt. Eine durchgezogene Linie stellt den Verlauf des Anlassmoments 7, eine gestrichelte Linie den Verlauf eines Kurbelwellenwinkels 2 und eine Strichpunktlinie die Drehzahl 8 der Kurbelwelle dar. Das Anlassmoment 7 ist dabei auch mit M, der Kurbelwellenwinkel 2 mit φ und die Drehzahl 8 mit n bezeichnet. Die Verläufe sind dabei über der Zeit t in Sekunden dargestellt. In einer Ausgangsposition, beispielsweise der ersten stabilen Gleichgewichtslage 5', beträgt der Kurbelwellenwinkel 2 etwa 90°. Ein z.B. in 7 dargestellter Anlassmotor 9 prägt, beginnend zu einem Zeitpunkt t1 = 0,5 s ein maximales, positives Anlassmoment 27 von 167 Nm auf die Kurbelwelle auf. Anschließend wird das Anlassmoment 7 konstant gehalten. Hierbei ist das erforderliche Losbrechmoment als verhältnismäßig klein angenommen, so dass die Kurbelwelle unmittelbar beginnt, sich zu drehen. Hierbei steigt die Drehzahl 8 der Kurbelwelle an. Das Gleitreibungsmoment 1 und das Kompressionsmoment 4 sind in dieser Phase der Drehbewegung der Kurbelwelle entgegen gerichtet und bremsen die Kurbelwelle ab, so dass diese bei einem zweiten Zeitpunkt t2 = 0,63 s fast zum Stillstand kommt. Jedoch wird der bei 180° des Kurbelwellenwinkels 2 liegende erste Totpunkt 6' zum Zeitpunkt t3 = 0,65 s überschritten. Anschließend addieren sich das Kompressionsmoment 4, welches jetzt antreibend wirkt, und das Anlassmoment 7, so dass die Kurbelwelle weiter beschleunigt wird. Die Drehzahl 8 der Kurbelwelle schwankt letztlich zwischen etwa 600 und 800 U/min, die mittlere Drehzahl liegt bei etwa 700 U/min. Die kurzzeitigen Schwankungen der Drehzahl 8 der Kurbelwelle stammen dabei aus dem Kompressionsmoment 4, welches abwechselnd antreibend und abbremsend wirkt. Das vergleichsweise konstante Gleitreibungsmoment 1 verhindert eine höhere mittlere Drehzahl 8 der Kurbelwelle.
  • 4 zeigt die Simulation eines nicht erfolgreichen Anlassvorgangs. In diesem Fall wird angenommen, dass das aufgeprägte Anlassmoment 7 nur 100 Nm beträgt. Die Kurbelwelle wird anfangs beschleunigt, jedoch wird sie durch das Gleitreibungsmoment 1 und das Kompressionsmoment 4 so stark abgebremst, dass der erste Totpunkt 6' nicht überschritten wird. Das Anlassmoment 7 des Anlassmotors ist daher nicht groß genug, um die Verbrennungskraftmaschine 3 zu starten. Die Kurbelwelle bleibt letztlich bei etwa 123° des Kurbelwellenwinkels 2 stehen. Dort herrscht ein Gleichgewicht zwischen dem in diesem Fall abbremsenden Kompressionsmoment 4 und dem Anlassmoment 7.
  • In einem ersten Ausführungsbeispiel soll nun das Verfahren zum Anlassen der Verbrennungskraftmaschine 3 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs für eine drehsteife Verbindung zwischen Verbrennungskraftmaschine 3 und dem Anlassmotor 9 beschrieben werden. Im Fall einer drehsteifen Verbindung kann das mechanische System, welches aus der Verbrennungskraftmaschine 3, der nicht dargestellten Kurbelwelle und dem Anlassmotor 9 besteht, aus Sicht der Schwingungstechnik als Einmassenschwinger modelliert werden. In 5 sind die Bestandteile eines Modells eines Einmassenschwingers schematisch dargestellt. Die Drehmasse 10 modelliert dabei die Drehmasse der Verbrennungskraftmaschine 3 (inklusive der Drehmasse der Kurbelwelle) und des Anlassmotors 9. Die Feder 11 modelliert dabei eine Federwirkung, die durch die Kompression der Luft in den Zylindern hervorgerufen wird. Die im mechanischen System herrschende Reibung, insbesondere das Gleitreibungsmoment 1 der Verbrennungskraftmaschine 3, ist als ein (nichtlinearer) Dämpfer 12 dargestellt. Unter dem Begriff Dämpfer wird hier allgemein eine Einheit zur Umwandlung von Schwingungs- bzw. Bewegungsenergie in Wärme verstanden. Je größer die Gleitreibung in der Verbrennungskraftmaschine 3 ist, desto mehr kinetische Energie geht zwischen zwei Punkten der Umkehr der Drehrichtung verloren, so dass der in diesen Punkten erreichte Kurbelwellenwinkel 2 hierdurch begrenzt wird. In dem in 5 dargestellten System kann durch gezielte Modulation des Anlassmoments 7 kinetische Energie in der Drehmasse 10 und potenzielle Energie in der Feder 11 gespeichert werden. Die auf diese Weise erzielbare Auslenkung der Kurbelwelle ist in der Regel größer als bei statischer Aufprägung eines maximalen Anlassmoments 27 (siehe z.B. 6). Dies ist allerdings nur dann der Fall, wenn der in 5 dargestellte Einmassenschwinger ein Resonanzverhalten aufweist. Hierfür darf die Dämpfung des Dämpfers 12 nicht zu groß sein.
  • Ein exemplarischer Anlassvorgang für den Fall einer drehsteifen Verbindung ist in 6 dargestellt. Analog zu 3 ist hierbei ein zeitlicher Verlauf des Anlassmoments 7, des Kurbelwellenwinkels 2 und der Drehzahl 8 der Kurbelwelle dargestellt. Hierbei wird angenommen, dass sich die Kurbelwelle zu Beginn des Startvorgangs, hier bei t1 = 2 s, sich in der Nähe der ersten Gleichgewichtslage 5' befindet. Bei einer Auslenkung aus dieser ersten Gleichgewichtslage 5' ergibt sich ein Rückstellmoment ähnlich einer nichtlinearen Drehfeder, die beispielsweise in 5 als Drehfeder 11 dargestellt ist. Beim Verdrehen der Kurbelwelle aus der ersten Gleichgewichtslage 5' wird Luft in den Zylindern komprimiert bzw. die Drehfeder 11 aufgezogen. Wenn das maximale Anlassmoment 27 kleiner ist als das zum Überwinden des ersten Totpunkts 6' erforderliche Kompressionsmoment 4, bleibt die Kurbelwelle in einer Lage stehen, in der ein Momentengleichgewicht herrscht. Dies ist z.B. im Zeitpunkt t2 = 2,12 s der Fall. Hier herrscht ein Momentengleichgewicht zwischen dem Anlassmoment 7 und dem Rückstellmoment, welches sich aus Kompressionsmoment 4 und Gleitreibungsmoment 1 zusammensetzt. Die Kurbelwelle nimmt hierbei einen Kurbelwellenwinkel 2 von 140° ein. Zu diesem Zeitpunkt ist in der komprimierten Luft bzw. der Drehfeder 11 potenzielle Energie gespeichert. Kehrt man nun das Anlassmoment 7 um, z.B. auf ein maximales, negatives Anlassmoment 28 von -100 Nm, so wird die Kurbelwelle durch die Summe von Kompressionsmoment 4 und Anlassmoment 7 zurück in Richtung der ersten Gleichgewichtslage 5' verdreht und fortlaufend beschleunigt. Je größer die Geschwindigkeit der Kurbelwelle ist, um so mehr kinetische Energie ist in der Drehbewegung bzw. in der Drehmasse 10 gespeichert. Nachdem die erste Gleichgewichtslage 5' erneut erreicht ist, hier bei einem Zeitpunkt von t3 = 2,17 s, wird die Kurbelwelle jedoch weiter in Richtung kleinerer Kurbelwellenwinkel 2 verdreht, wobei erneut Luft komprimiert bzw. die Drehfeder 11 aufgezogen wird. Die bei Durchschreiten der ersten Gleichgewichtslage 5' in der Drehmasse 10 gespeicherte kinetische Energie wandelt sich dabei in potenzielle Energie der Drehfeder 11. Da gleichzeitig der Anlassmotor 9 weiter das maximale, negative Anlassmoment 28 aufprägt, wird letztlich eine betragsmäßig größere Kompression erreicht als bei der ersten Aufprägung des maximalen, positiven Anlassmoments 27. Somit ist auch die in der Drehfeder 11 gespeicherte potenzielle Energie größer als bei dem zuerst aufgeprägten, maximalen positiven Anlassmoment 27. Da das maximale, negative Anlassmoment 28 kleiner ist als das in dieser Situation herrschende Kompressions- und Gleitreibungsmoment 4,1 , kehrt sich die Drehrichtung der Kurbelwelle zwangsläufig um. Wenn jeweils in dem Punkt dieser natürlich gegebenen Drehrichtungsumkehr auch die Richtung des Anlassmoments 7 umgekehrt wird, addieren sich wieder das Anlassmoment 7 und das Kompressionsmoment 4. Somit entsteht eine Drehschwingung um die erste Gleichgewichtslage 5' herum, wobei der maximale Kurbelwellenwinkel 2 fortlaufend wächst.
  • Das Verhalten der Drehfeder 11 ändert sich bei einem Überschreiten des ersten Totpunkts 6', da hierdurch ein antreibendes Moment für die Kurbelwelle entsteht. Das Überschreiten des ersten Totpunkts 6' ist in 6 bei einem Zeitpunkt von t4 = 2,64 s dargestellt. Somit wird ermöglicht, dass, auch wenn das maximale positive Anlassmoment 27 nicht groß genug ist, um den ersten Totpunkt 6' durch statische Aufprägung zu überwinden, eine notwendige Auslenkung der Kurbelwelle aus der ersten Gleichgewichtslage 5' durch geeignete Modulation des Anlassmoments 7 erreicht wird.
  • Bei der Modulation des Anlassmoments 7 ist jedoch stets Sorge zu tragen, dass letztlich die korrekte Drehrichtung der Verbrennungskraftmaschine 3 eingehalten wird. In 6 ist beispielsweise dargestellt, dass schon bei einem Zeitpunkt von t5 = 2,46 s die Richtung des Anlassmoments 7 umgekehrt wird. Dies geschieht, um zu verhindern, dass der bei 0° liegende Totpunkt, der in 2 nicht dargestellt ist, entgegen der Vorzugsdrehrichtung der Verbrennungskraftmaschine 3, die hier als positiv bzw. rechts herum angenommen wird, überschritten wird.
  • Aus den Fig. 1 und 2 lässt sich weiterhin folgern, dass der Verlauf des wirksamen Kompressions- und Gleitreibungsmoments 4, 1 sich mit jedem vollständigen Arbeitsspiel der Verbrennungskraftmaschine 3 wiederholt. Innerhalb eines Arbeitsspiels können mehrere stabile Gleichgewichtslagen 5 existieren, beim Vierzylinder-Viertaktmotor sind es beispielsweise vier. Je nachdem bei welcher Gleichgewichtslage 5, 6 die Verbrennungskraftmaschine 3 beim Anhalten zum Stehen kommt, kann die Ausgangssituation für einen erneuten Anlassvorgang mehr oder weniger günstig sein.
  • In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird das Verfahren zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine 3 für eine drehelastische Verbindung zwischen der Verbrennungskraftmaschine 3 und dem Anlassmotor 9 beschrieben. In 7 ist eine schematische Darstellung eines Hybrid-Antriebsstranges 13 dargestellt. Hierbei ist eine Verbrennungskraftmaschine 3 über eine Drehfeder 14 mit einem Anlassmotor 9 verbunden. Weiterhin umfasst der Hybrid-Antriebsstrang 13 weitere Komponenten 15 und ist abschließend mit dem Abtrieb 16, beispielsweise Rädern, gekoppelt.
  • In diesem Fall kann das mechanische System, nun bestehend aus der Verbrennungskraftmaschine 3, der nicht dargestellten Kurbelwelle, der Drehfeder 14 und dem Anlassmotor 9, bereits vor Überwindung des Losbrechmoments als Einmassenschwinger betrieben werden, wobei die Verbrennungskraftmaschine 3 bzw. die nicht dargestellte Kurbelwelle wegen der Haftreibung stillstehen und nicht an der Schwingung teilnehmen. Der Einmassenschwinger wird dabei analog zu 5 modelliert, wobei die Drehmasse 10 in diesem Fall die Drehmasse von Anlassmotor 9 modelliert, die Feder 11 die Steifigkeit und der Dämpfer 12 die Dämpfung der drehelastischen Verbindung modelliert.
  • Im Gegensatz zu der drehsteifen Verbindung kann in diesem Fall das maximale, positive Anlassmoment 27 des Anlassmotors 9 durchaus kleiner sein als das erforderliche Losbrechmoment, da in analoger Weise zur drehsteifen Verbindung durch gezielte Modulation des Anlassmoments 7 kinetische Energie in der Drehmasse 10 und potenzielle Energie in der Drehfeder 11 gespeichert werden kann. Gegebenenfalls kann durch gezielte Modulation des Anlassmoments 7 auch ein vorhandenes Resonanzverhalten des Einmassenschwingers ausgenutzt werden. Die auf diese Weise erzielbare Verdrehung der drehelastischen Verbindung und damit auch das an der Kurbelwelle wirkende Moment ist in der Regel größer als bei statischer Aufprägung des maximalen Anlassmoments 27 auf die drehelastische Verbindung.
  • In 8 ist eine entsprechende Modulation des Anlassmoments 7 dargestellt. Die Modulation des Anlassmoments 7 realisiert dabei einen so genannten Resonanzstart. In dem gewählten Beispiel kann ein Losbrechmoment von mehr als 300 Nm mit einem Anlassmotor 9 überwunden werden, welcher ein maximales Anlassmoment 27 von 100 Nm aufweist. In 8 ist dabei der zeitliche Verlauf des Anlassmoments 7, des Kurbelwellenwinkels 2 und eines an der Kurbelwelle wirkenden Torsionsmoments 29 der drehelastischen Verbindung dargestellt.
  • Sobald das Losbrechmoment der Verbrennungskraftmaschine 3 überwunden ist, steigt die Anzahl der Bewegungsfreiheitsgrade und die Speicherkapazität des Energiespeichers des Schwingungssystems. Dieses kann nun als (nichtlinearer) Zweimassenschwinger aufgefasst werden, der schematisch in 9 dargestellt ist. Hierbei modelliert eine Drehmasse 17 die Drehmasse der Verbrennungskraftmaschine 3. Eine Drehmasse 18 modelliert die Drehmasse des Anlassmotors 9. Eine Feder 19 modelliert die Kompressionseigenschaften der Verbrennungskraftmaschine 3. Ein Dämpfer 20 modelliert die Gleitreibungskräfte in der Verbrennungskraftmaschine 3. Eine Feder 21 modelliert die Steifigkeit der drehelastischen Verbindung, ein Dämpfer 22 die Dämpfung der drehelastischen Verbindung. Eine Dämpfung 23 modelliert die Reibung des Anlassmotors 9. Insbesondere wenn die drehelastische Verbindung reibungsarm ausgeführt ist, werden die zuvor beschriebenen Möglichkeiten zur Zwischenspeicherung von kinetischer bzw. potenzieller Energie und die Möglichkeiten zur Ausnutzung des Resonanzverhaltens mittels gezielter Modulation des Anlassmoments 7 deutlich erweitert. Im gleichen Maß wird jedoch auch die Regelung des Anlassmoments 7 durch eine steigende Komplexität des Schwingungssystems erschwert. Insbesondere ist dabei kritisch, dass nur eine begrenzte Belastbarkeit der drehelastischen Verbindung möglich ist. Dabei macht es einen Unterschied, ob für die Regelung des Anlassmoments 7 nur lokale Informationen, beispielsweise Bewegungs- und Betriebszustand des Anlassmotors 9 , genutzt werden können oder ob zusätzlich mindestens eine der Größen Drehwinkel, Winkelgeschwindigkeit oder Winkelbeschleunigung der Verbrennungskraftmaschine 3 zur Verfügung steht.
  • Als Minimal-Szenario wird nur die Erfassung einer Drehzahl und/oder eines Drehwinkels des Anlassmotors 9 angenommen. Dies ist für gewöhnlich bereits in den grundlegenden Ansteuerungsmechanismen für Elektromaschinen vorausgesetzt, ein entsprechender Sensor ist somit bereits vorhanden. Günstiger ist jedoch, dass ebenfalls eine über einen Sensor erfasste Drehzahl und/oder ein Drehwinkel der Verbrennungskraftmaschine 3 ebenfalls zur Regelung des Anlassmoments 7 herangezogen werden kann. Hierdurch entsteht eine so genannte Mehrgrößenregelung (MISO).
  • Ein exemplarischer Anlassvorgang unter Anwendung des offenbarten Verfahrens ist in 10 dargestellt. Dabei ist wiederum der zeitliche Verlauf des Anlassmoments 7, des Kurbelwellenwinkels 2 und der Drehzahl 8 der Kurbelwelle dargestellt. Der zeitliche Ablauf des Anlassvorgangs ist grundsätzlich ähnlich zu dem in 6 dargstellten Anlassvorgang mit drehsteifer Anbindung. Die Drehzahl 8 bzw. der Kurbelwellenwinkel 2 weichen jedoch geringfügig von dem in 6 dargestellten Verlauf ab. Weiterhin ist ein Winkel 24 des Anlassmotors 9 und eine Drehzahl 25 des Anlassmotors 9 dargestellt. Das Anlassmoment 7 wirkt zunächst nur auf die Drehmasse 18 des Anlassmotors 9. Daher eilt zunächst der Drehwinkel 24 des Anlassmotors 9 dem Drehwinkel 8 der Verbrennungskraftmaschine 3 voraus. Die Differenz der beiden Drehwinkel 8, 24 speichert Energie in der Feder 21 und kann insofern vorteilhaft genutzt werden. Andererseits muss beachtet werden, dass eine Überschreitung einer maximal zulässigen Differenz der Drehwinkel 8, 24 zu einer Beschädigung der drehelastischen Verbindung führen kann und daher vermieden werden muss.
  • In 11 ist eine weitere Alternative der Anordnung von Bestandteilen eines Hybrid-Antriebsstrangs 13 dargestellt. Hierbei ist eine Verbrennungskraftmaschine 3 über eine Einheit zur Übersetzung 26 und die Drehfeder 14 mit dem Anlassmotor 9 gekoppelt. Der Anlassmotor 9 ist weiterhin über die weiteren Komponenten 15 mit dem Abtrieb 16 gekoppelt.
  • In einer weiteren Alternative sind die Einheit zur Übersetzung 26 und die Drehfeder 12 vertauscht angeordnet. Diese Alternative ist in 12 dargestellt.
  • Eine weitere Alternative der Ausführung der Vorrichtung zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine 3 ist in 13 dargestellt. Hierbei ist die Verbrennungskraftmaschine 3 über die Drehfeder 14 und die weiteren Komponenten 15 mit dem Abtrieb 16 verbunden, der Anlassmotor 9 ist über die Einheit 26 zur Übersetzung und die weiteren Komponenten 15 mit dem Abtrieb 16 verbunden.
  • Die Einheit 26 zur Übersetzung ermöglicht dabei eine für die Antriebsaufgabe günstige, kombinierte Antriebskennung von Verbrennungskraftmaschine 3 und Anlassmotor 9. Unter dem Gesichtspunkt einer Drehzahlanpassung kann die Integration der Einheit 26 zur Übersetzung sogar unbedingt notwendig sein, beispielsweise falls sich aus der Antriebskennung der Verbrennungskraftmaschine 3 und des Anlassmotors 9 eine maximale Antriebsdrehzahl ergibt, die oberhalb der maximal zulässige Drehzahl der jeweils anderen Kraftmaschine liegt.
  • In einem solchen Fall besteht eine alternative Ausführungsform der offenbarten Erfindung darin, die drehelastische Verbindung, beispielsweise die Drehfeder 14, oder die Einheit 26 zur Übersetzung trennbar zu gestalten, beispielsweise mit einer Trennkupplung. Ebenfalls ist vorstellbar, den Kraftfluss auf eine andere Art, beispielsweise mittels eines Freilaufs, zu unterbrechen.
  • Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile bleiben im Übrigen großteils erhalten, wenn die Positionen der Verbrennungskraftmaschine 3 und des Anlassmotors 9 im Hybrid-Antriebsstrang 13 vertauscht werden. Zwar ergeben sich Einschränkungen für die aktive Schwingungsdämpfung, die Vorteile in Bezug auf die Anlasser-Funktion können jedoch in vollem Umfang genutzt werden.

Claims (16)

  1. Verfahren zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine (3) eines Kraftfahrzeugs, wobei die Verbrennungskraftmaschine (3) ein Antriebsmoment in einer Vorzugsrichtung der Verbrennungskraftmaschine auf eine Kurbelwelle ausübt, wobei ein Anlassmotor (9) in einem Anlassvorgang ein Anlassmoment (7) auf die Kurbelwelle ausübt um eine Mindestdrehzahl der Verbrennungskraftmaschine (3) zu erreichen,wobei eine Steuereinheit das Anlassmoment regelt, wobei die Steuereinheit in dem Anlassvorgang das Anlassmoment (7) zeitabhängig zwischen einem positiven maximalen Anlassmoment (27) und einem negativen minimalen Anlassmoment (28) regelt, wobei ein positives Anlassmoment in Richtung und ein negatives Anlassmoment entgegen der Vorzugsrichtung auf die Kurbelwelle wirkt, wobei eine mechanische Verbindung zwischen der Verbrennungskraftmaschine (3) und dem Anlassmotor (9) drehelastisch ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit bei der drehelastischen Verbindung den Anlassvorgang in einen ersten Teilvorgang zur Überwindung eines Losbrechmoments und einen zweiten Teilvorgang zur Überwindung eines Kompressionsmoments und Gleitreibungsmoments unterteilt, wobei der erste Teilvorgang in einer ersten Betriebsart und der zweite Teilvorgang in einer zweiten Betriebsart geregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebsartwechsel zwischen der ersten und der zweiten Betriebsart modellbasiert und/oder auf Basis einer Auswertung von Sensorinformationen erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der vorangeganenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit vor dem Anlassvorgang eine Vorpositionierung der Kurbelwelle durchführt, wobei die Kurbelwelle in oder entgegen der Vorzugsdrehrichtung gedreht wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlassmotor (9) eine Elektromaschine eines Hybrid-Fahrzeugs ist, wobei die Elektromaschine das Hybridfahrzeug antreibt.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit eine Drehzahl (25) des Anlassmotors (9) zeitabhängig regelt.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit das Anlassmoment (7) und/oder die Drehzahl (25) des Anlassmotors im Anlassvorgang auf Basis eines statischen oder dynamischen Modells einer mechanischen Übertragungsstrecke zwischen der Verbrennungskraftmaschine (3) und dem Anlassmotor (9) regelt, wobei das Modell fest, adaptiv oder rekonfigurierbar ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit das Anlassmoment (7) und/oder die Drehzahl (25) des Anlassmotors bei der Vorpositionierung auf Basis eines statischen oder dynamischen Modells einer mechanischen Übertragungsstrecke zwischen der Verbrennungskraftmaschine (3) und dem Anlassmotor (9) regelt, wobei das Modell fest, adaptiv oder rekonfigurierbar ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit vor dem Anlassvorgang oder der Vorpositionierung eine Bewertung einer Ausgangslage der mechanischen Übertragungsstrecke durchführt und auf Basis der Bewertung den Anlassvorgang oder die Vorpositionierung durchführt.
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Steuereinheit in einem Anhaltevorgang ein Anhaltemoment des Anlassmotors zeitabhängig zwischen einem positiven maximalen Anhaltemoment und einem negativen minimalen Anhaltemoment regelt, um die Verbrennungskraftmaschine (3) in einem vorbestimmten Zustand der Verbrennungskraftmaschine (3) anzuhalten.
  10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit in dem Anlassvorgang das Anlassmoment (7) des Anlassmotors in Kombination mit weiteren Stelleinrichtungen des Kraftfahrzeugs regelt.
  11. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit in der Vorpositionierung das Anlassmoment (7) des Anlassmotors in Kombination mit weiteren Stelleinrichtungen des Kraftfahrzeugs regelt.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Steuereinheit in dem Anhaltevorgang das Anhaltemoment des Anlassmotors in Kombination mit weiteren Stelleinrichtungen des Kraftfahrzeugs regelt.
  13. Vorrichtung zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine (3) eines Kraftfahrzeugs, umfassend mindestens eine Verbrennungskraftmaschine (3), mindestens eine Kurbelwelle, mindestens einen Anlassmotor (9) und mindestens eine Steuereinheit, wobei die Verbrennungskraftmaschine (3) ein Antriebsmoment in einer Vorzugsrichtung der Verbrennungskraftmaschine (3) auf die Kurbelwelle ausübt, wobei der Anlassmotor (9) in einem Anlassvorgang ein Anlassmoment (7) auf die Kurbelwelle ausübt um eine Mindestdrehzahl der Verbrennungskraftmaschine (3) zu erreichen,wobei die Steuereinheit das Anlassmoment (7) regelt, wobei die Steuereinheit in dem Anlassvorgang das Anlassmoment (7) zeitabhängig zwischen einem positiven maximalen Anlassmoment (27) und einem negativen minimalen Anlassmoment (28) regelt, wobei ein positives Anlassmoment in Richtung und ein negatives Anlassmoment entgegen der Vorzugsrichtung auf die Kurbelwelle wirkt, wobei eine mechanische Verbindung zwischen der Verbrennungskraftmaschine (3) und dem Anlassmotor (9) drehelastisch ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit bei der drehelastischen Verbindung den Anlassvorgang in einen ersten Teilvorgang zur Überwindung eines Losbrechmoments und einen zweiten Teilvorgang zur Überwindung eines Kompressionsmoments und Gleitreibungsmoments unterteilt, wobei der erste Teilvorgang in einer ersten Betriebsart und der zweite Teilvorgang in einer zweiten Betriebsart geregelt wird.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, umfassend mindestens eine drehelastische Kopplungsvorrichtung, die in einer mechanischen Übertragungsstrecke zwischen der Verbrennungskraftmaschine (3) und dem Anlassmotor (9) angeordnet ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, umfassend mindestens eine weitere Steuereinheit, die in einem Anhaltevorgang ein Anhaltemoment des Anlassmotors zeitabhängig zwischen einem positiven maximalen Anhaltemoment und einem negativen minimalen Anhaltemoment regelt, um die Verbrennungskraftmaschine (3) in einem vorbestimmten Zustand der Verbrennungskraftmaschine (3) anzuhalten.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, umfassend mindestens eine Übersetzungseinheit (26), wobei die Übersetzungseinheit (26) in einer mechanischen Übertragungsstrecke zwischen der Verbrennungskraftmaschine (3) und dem Anlassmotor (9) angeordnet ist.
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