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Den meisten Kraftfahrern ist bekannt, dass beim Warten vor einem Hindernis wie etwa einer Ampel oder einer Schranke durch Ausschalten des Motors Kraftstoff gespart werden kann, selbst wenn die Ausschaltzeit nur wenige Sekunden beträgt. Dennoch schaltet nur eine kleine Minderheit der Kraftfahrer in einer solchen Situation tatsächlich den Motor aus. Die meisten Fahrer lassen ihn laufen, weil sie den Zeitverlust beim Wiederanlassen vermeiden wollen oder die Ungeduld der anderen Verkehrsteilnehmer fürchten. Es besteht daher nach wie vor Bedarf nach Techniken, mit denen der Anlassvorgang eines Verbrennungsmotors verkürzt werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, diesen Bedarf zu befriedigen.
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Die Aufgabe wird zum einen gelöst durch ein Hilfsaggregat für einen Verbrennungsmotor mit einer Steuereinheit und einem Hilfsmotor zum Drehantreiben des Verbrennungsmotors, bei dem die Steuereinheit mit einem Sensor zum Erfassen einer Bewegungsphase des Verbrennungsmotors verbunden und eingerichtet ist, bei einem Ausschalten des Verbrennungsmotors den Hilfsmotor so anzusteuern, dass der Verbrennungsmotor in einer vorgegebenen Phase seiner Bewegung zum Stehen kommt.
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Welche Bewegungsphase eines Verbrennungsmotors für ein schnelles Wiederanlassen günstig ist, kann von der Bauart des Verbrennungsmotors abhängen. Eine bevorzugte Phase ist das Ende der Ansaugphase eines Zylinders des Verbrennungsmotors. In dieser Phase enthält der Zylinder die vollständige Ansaugluftmenge (oder eventuell sogar noch eine etwas größere Luftmenge als die Ansaugluftmenge im Normalbetrieb), und es kann, wenn der Verbrennungsmotor wieder in Gang gesetzt wird, sofort mit dem Verdichten begonnen werden.
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Ein Kraftstoffversorgungssystem des Verbrennungsmotors ist zweckmäßigerweise eingerichtet, um dem Zylinder Kraftstoff jeweils nach dem Ende seiner Ansaugphase zuzuführen. So kann die Kraftstoffzufuhr bis zum Wiederanlassen des Motors aufgeschoben werden, und eine Entmischung von Luft und Kraftstoff während des Stillstands des Verbrennungsmotors ist ausgeschlossen.
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Eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Hilfsmotor und dem Verbrennungsmotor ist zweckmäßigerweise fliehkraftabhängig selbstschließend, so dass, wenn der Verbrennungsmotor beim Ausschalten verlangsamt, die Verbindung selbsttätig schließt, so dass der Hilfsmotor den Verbrennungsmotor bis in die vorgegebene Phase schieben kann.
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Eine solche Verbindung kann insbesondere ein an den Hilfsmotor direkt gekoppeltes erstes Element, ein an den Verbrennungsmotor drehgekoppeltes zweites Element und wenigstens ein an dem zweiten Element schwenkbar befestigtes Überbrückungselement umfassen, das unter dem Einfluss der Fliehkraft aus einer am ersten Element eingreifenden Stellung in eine nicht eingreifende Stellung schwenkbar ist.
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Die bei der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors erzeugte Fliehkraft sollte ausreichen, um das Überbrückungselement in die nicht eingreifende Stellung zu schwenken; dann ist sichergestellt, dass, wenn der Verbrennungsmotor normal läuft, Hilfs- und Verbrennungsmotor vollständig entkoppelt sind.
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Das Überbrückungselement und das erste Element können einen Freilauf bilden, der eine Drehmomentübertragung in nur einer Richtung, vom Hilfsmotor zum Verbrennungsmotor, erlaubt. So ist sichergestellt, dass, wenn der Verbrennungsmotor anläuft und auf Touren kommt, der Hilfsmotor nicht mitgezogen wird und eine hohe Drehzahl erreicht, bei der eine Beschädigung des Hilfsmotors möglich ist.
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Um die Entkopplung unter Fliehkrafteinfluss zu realisieren, ist vorzugsweise das erste Element um das zweite Element und das Überbrückungselement herum angeordnet, und der Schwerpunkt und eine an dem Ring kraftschlüssig eingreifende Kontur des Überbrückungselements liegen auf zwei verschiedenen Seiten einer Ebene, die durch die Drehachse des ersten und zweiten Elements und durch die Schwenkachse des Überbrückungselements verläuft.
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Um die Stillstandsphase des Verbrennungsmotors zu kontrollieren, genügt eine geringe Leistung und eine niedrige Drehzahl des Hilfsmotors. Um die Struktur des erfindungsgemäßen Motorsystems einfach zu halten, ist jedoch vorzugsweise der Hilfsmotor großzügig genug dimensioniert, um auch als Anlassermotor für den Verbrennungsmotor brauchbar zu sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Motorsystem entlang einer zur Kurbelwellenachse parallelen Ebene;
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2 einen schematischen Schnitt durch einen Zylinder des Motorsystems aus 1 entlang einer zur Kurbelwellenachse senkrechten Ebene; und
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3 einen schematischen Schnitt entlang der Ebene III-III der 1.
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1 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Viertaktmotor 6 mit vier Zylindern. Die Zylinder werden im Folgenden, sofern nicht ein bestimmter, einzelner Zylinder gemeint ist, mit 1 bezeichnet; zur Bezeichnung eines einzeln bestimmten Zylinders werden die Bezugszeichen 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 verwendet.
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Die Zylinder 1 treiben eine Kurbelwelle 2 an. Ein zu der Kurbelwelle 2 koaxiales Ringrad 3 steht im Eingriff mit einem von einem Elektromotor 5 angetriebenen Starterritzel 4.
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Der Betriebszyklus des Viertaktmotors wiederholt sich nach je zwei Umdrehungen der Kurbelwelle 2, so dass den verschiedenen Phasen des Motorbetriebs Phasenwinkel von 0 bis 720 Grad der Kurbelwelle 2 eindeutig zugeordnet werden können. Von den vier Zylindern 1 befinden sich je zwei in gleichen Positionen, deren Phasenwinkel sich allerdings um je 360 Grad unterscheiden. Während zum Beispiel der linke Zylinder 1-1 sich in der in 1 gezeigten Konfiguration gerade in einer Ansaugphase abwärts bewegt, befindet sich der zweite Zylinder 1-2 von links gerade in einer Verdichtungsphase, der dritte von links 1-3 in einer Ausstoßphase und der rechte Zylinder 1-4 in einer Arbeitsphase.
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An der Kurbelwelle 2 ist ein Winkelsensor 7 angeordnet, um Daten zur Stellung der Kurbelwelle 2 an eine Steuerschaltung 8 für den Elektromotor 5 zu liefern. Der Winkelsensor 7 ist nicht in der Lage, die ersten 360 Grad des Betriebszyklus des Motors 6 von den zweiten 360 Grad zu unterscheiden. Dies ist im Rahmen der Erfindung allerdings auch nicht nötig, da die einzelnen Zylinder 1 mit einem Phasenversatz von 180° zueinander arbeiten. D. h. wenn der Winkelsensor 7 einen Winkel der Kurbelwelle 2 misst, der zum Beispiel dem Ende der Ansaugphase des linken Zylinders 1-1 entspricht, dann könnte sich der linke Zylinder 1-1 stattdessen auch in einer Ausstoßphase befinden, doch falls dies der Fall ist, dann ist es der rechte Zylinder 1-4, für den die Ansaugphase soeben zu Ende ist.
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2 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen der Zylinder 1 in einer zur Achse der Kurbelwelle 2 senkrechten Ebene. Man erkennt hier ein Einlassventil 9 für Frischluft, ein Auslassventil 10 zum Ausstoßen des Abgases sowie ein Kraftstoffeinspritzventil 11 zum Einspritzen von Kraftstoff jeweils im Anschluss an die Ansaugphase, wenn die Ventile 9, 10 geschlossen sind und der Kolben 12 des Zylinders 1 sich in der Nähe seinen oberen Totpunktes befindet. Eine Pleuelstange 13 verbindet den Kolben 12 mit einem gegen die Drehachse versetzten Abschnitt 14 der Kurbelwelle 2. Der Abschnitt 14 bewegt sich auf einer kreisförmigen Bahn 15 im Uhrzeigersinn, wie durch einen Pfeil neben der Bahn 15 dargestellt. Bei jedem zweiten Umlauf des Abschnitts 14 findet eine Ansaugphase statt, die in der Zeichnung durch einen dick durchgezogen dargestellten Abschnitt der Bahn 15 symbolisiert ist. Die Ansaugphase beginnt bei einem Phasenwinkel 16, kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes, und erstreckt sich über die gesamte Abwärtsbewegungsphase des Kolbens 12 bis zu einem Phasenwinkel 17 kurz hinter dem unteren Totpunkt.
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Die Steuerschaltung 8 ist eingerichtet, um bei jedem Abschalten des Viertaktmotors 6 mit Hilfe der Messwerte von Winkelsensor 7 dessen Phase zu überwachen und den Hilfsmotor 5 anzusteuern, so dass dieser ihn, wenn nötig, bis in ein Winkelintervall 18 weiterdreht, das mit einer gewissen Toleranz dem Ende 17 der Ansaugphase eines der Zylinder 1 entspricht. Wenn der Viertaktmotor 6 aus dieser Stellung wieder startet, genügt knapp eine halbe Umdrehung der Kurbelwelle 2, um die Luft in dem betreffenden Zylinder 1 zu verdichten und so die Bedingungen herzustellen, unter denen Kraftstoff in den Zylinder 1 eingespritzt und aus seiner Verbrennung Antriebsenergie gewonnen werden kann.
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Die Verdichtungsphase des in 2 gezeigten Zylinders 1 entspricht bei den anderen Zylindern jeweils einer Ausstoßphase, einer Ansaugphase und einer Arbeitsphase, wobei die Arbeitsphase, da ihr im entsprechenden Zylinder keine Verbrennung vorangegangen ist, noch keine Antriebsenergie liefert. Sobald jedoch die erste Einspritzung und Verbrennung in Zylinder 1 stattgefunden hat, ist – mit minimaler Verzögerung nach dem Start – normaler Viertaktbetrieb möglich.
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Welcher der Zylinder des Viertaktmotors 6 im Einzelfall am Ende seiner Ansaugphase angehalten wird, ist ohne Bedeutung. Der Sensor 7 muss daher nicht zwischen dem Ende der Ansaugphase und dem Beginn einer Ausstoßphase z. B. des Zylinders 1-1 unterscheiden können. Wenn das Ausgangssignal des Sensors 7 sich nach jeder Umdrehung der Kurbelwelle 2 wiederholt und der Motor 6 deshalb unter der Kontrolle der Steuerschaltung 8 am Beginn der Ausstoßphase des Zylinders 1-1 zum Stehen kommt, dann befindet sich der Zylinder 1-4 am Ende seiner Ansaugphase und kann wie oben beschrieben einen schnellen Neustart des Motors 6 unterstützen.
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Grundsätzlich genügt sogar, wenn sich das Signal des Sensors nach jeder halben Umdrehung der Kurbelwelle 2 wiederholt, damit die Steuerschaltung eine Stellung der Kurbelwelle 2 einstellen kann, bei der sich irgendeiner der Zylinder 1 in der gewünschten Phase befindet.
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Um den Motor 6 mit minimalem Zeitverlust anlassen zu können, ist es ferner wünschenswert, dass, sobald der Fahrer durch Drehen eines Zündschlüssels oder einer damit gleichwertigen Handlung seinen Wunsch zu erkennen gegeben hat, das Fahrzeug zu starten, die Kraft des Elektromotors 5 mit minimaler Zeitverzögerung auf die Kurbelwelle 2 übertragen werden kann. 3 zeigt in einem axialen Querschnitt den Aufbau einer Verbindung zwischen dem Elektromotor 5 und der Kurbelwelle 2. Der Schnitt zeigt in vergrößertem Maßstab das Ringrad 3 und einen Teil des mit ihm kämmenden Starterritzels 4. In einem ringförmigen Zwischenraum 19 zwischen dem Ringrad 3 und der Kurbelwelle 2 ist eine Mehrzahl von Freilaufkörpern 20 jeweils um eine fest mit der Kurbelwelle 2 verbundene und mit dieser drehbare Welle 21 schwenkbar.
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Auf die Freilaufkörper 20 wirkt ständig, zum Beispiel aufgrund einer elastischen Torsion der Welle 21, ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn. Durch dieses Drehmoment ist, wie in der oberen Hälfte von 3 gezeigt, ein Oberflächenabschnitt 22 jedes Freilaufkörpers 20, der gegen eine durch die Drehachse der Kurbelwelle 2 und die Welle 21 verlaufende Ebene 23 im Uhrzeigersinn versetzt ist, gegen die innere Oberfläche des Ringrades 3 angedrückt. Wenn der Elektromotor 5 im Betrieb ist und das Starterritzel 4 das Ringrad 3 bezogen auf 3 im Gegenuhrzeigersinn drehantreibt, verstärkt die zwischen dem Oberflächenabschnitt 22 und der inneren Oberfläche des Ringrades 3 wirkende Reibung noch den Druck des Oberflächenabschnitts 22 gegen das Ringrad 3, so dass ein beträchtliches Drehmoment vom Elektromotor 5 über das Starterritzel 4, das Ringrad 3 und die Freilaufkörper 20 auf die Kurbelwelle 2 übertragen werden kann.
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Um diesen Effekt zu verstärken, können abweichend von der Darstellung der 3 der Oberflächenabschnitt 22 und die innere Oberfläche des Ringrades 3 mit zueinander komplementären Sägezahnprofilen versehen sein.
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Wenn in Folge dieser Drehung der Kurbelwelle 2 der Viertaktmotor 6 anspringt, beschleunigt die Kurbelwelle 2 und mit ihr die Freilaufkörper 20. Sobald die Antriebskraft des Viertaktmotors 6 ausreicht, um die Kurbelwelle 2 genauso schnell zu drehen wie das vom Elektromotor 5 angetriebene Ringrad 3, verschwindet die Reibungskraft zwischen den Oberflächenabschnitten 22 und der Innenfläche des Ringrades 3, die Oberflächenabschnitte 22 schwenken leicht von der Innenfläche ab, und die Kurbelwelle 2 kann über die Geschwindigkeit des Ringrades 3 hinaus beschleunigt werden, ohne letzteres mitzuziehen.
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Sobald die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle 2 in die Nähe der Leerlaufdrehzahl des Motors 4 kommt, bewirkt die Fliehkraft, die auf die jeweils auf der dem Oberflächenabschnitt 22 gegenüberliegenden Seite der Ebene 23 liegenden Schwerpunkt 24 der Freilaufkörper 20 einwirkt, ein Schwenken jedes Freilaufkörpers 20 im Uhrzeigersinn um seine Welle 21. Die Freilaufkörper 20 schwenken nur um wenige Grad, bis, wie in der unteren Hälfte von 3 gezeigt, Anschläge 25 der Freilaufkörper 20 gegen die Kurbelwelle 2 stoßen und so eine weitere Drehung der Freilaufkörper 2 verhindern. In der so erreichten Anschlagstellung berühren die Freilaufkörper 20 das Ringrad 3 nicht. Sobald der Viertaktmotor 6 also mit der Leerlaufdrehzahl oder einer höheren Drehzahl läuft, ist der Elektromotor 5 von der Kurbelwelle 2 abgekoppelt. Er kann daher nach erfolgreichem Start des Viertaktmotors 6 ausgeschaltet werden und führt, da er vom Viertaktmotor 6 nicht angetrieben wird, zu keinerlei Energieverlusten.
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Sobald der Viertaktmotor 6 wieder ausgeschaltet wird und die Geschwindigkeit der Kurbelwelle 2 deutlich unter die Leerlaufdrehzahl abfällt, stellt sich der kraftschlüssige Kontakt zwischen den Freilaufkörpern 20 und dem Ringrad 3 automatisch wieder her. In dieser Phase kann nun folglich der Elektromotor 5 die Kurbelwelle 2 so lange antreiben, bis die gewünschte Startstellung der Kurbelwelle 2 im Winkelintervall 18 erreicht ist. Sobald dies der Fall ist, schaltet die Steuerschaltung 8 den Elektromotor 5 aus, und die Kurbelwelle 2 bleibt stehen. Bei einem erneuten Start des Fahrzeugs geht zum Herstellen eines Kraftschlusses zwischen Elektromotor 5 und Kurbelwelle 2 keine Zeit verloren, da dieser Kraftschluss schon seit dem Ausschalten besteht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinder
- 2
- Kurbelwelle
- 3
- Ringrad
- 4
- Starterritzel
- 5
- Elektromotor
- 6
- Viertaktmotor
- 7
- Winkelsensor
- 8
- Steuerschaltung
- 9
- Einlassventil
- 10
- Auslassventil
- 11
- Kraftstoffeinspritzventil
- 12
- Kolben
- 13
- Pleuelstange
- 14
- Abschnitt
- 15
- Bahn
- 16
- Phasenwinkel
- 17
- Phasenwinkel
- 18
- Winkelintervall
- 19
- Zwischenraum
- 20
- Freilaufkörper
- 21
- Welle
- 22
- Oberflächenabschnitt
- 23
- Ebene
- 24
- Schwerpunkt
- 25
- Anschlag
