DE102011075221A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine Download PDF

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Udo Sieber
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine (14), insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine (14) mit Direkteinspritzung, wobei die Verbrennungskraftmaschine (14) eine Kolbenzylinderanordnung und eine Kurbelwelle (18) aufweist, wobei die Kurbelwelle (18) drehfest mit einer Antriebswelle einer elektrischen Maschine (26) und mit einer Torsionsschwingungsdämpfungsanordnung (24) verbunden oder verbindbar ist, wobei die Kurbelwelle (18) entgegen einer Antriebsrichtung der Verbrennungskraftmaschine (14) rotiert wird, um einen Kolben (44) eines Zylinders (36) in eine Zündposition zu bewegen, wobei durch Einspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder (36) und durch Zünden eines dadurch in dem Zylinder (32, 34, 36, 38) entstehenden Kraftstoff-Sauerstoff-Gemisches eine Drehrichtungsumkehr der Kurbelwelle (18) bewirkt und die Kurbelwelle (18) in der Antriebsrichtung (52) rotiert wird, wobei nach der Zündung durch die elektrische Maschine (26) ein Drehmoment in der Antriebsrichtung (52) auf die Kurbelwelle (18) ausgeübt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine mit Direkteinspritzung, wobei die Verbrennungskraftmaschine eine Kolbenzylinderanordnung und eine Kurbelwelle aufweist, wobei die Kurbelwelle drehfest mit einer Antriebswelle einer elektrischen Maschine und mit einer Torsionsschwingungsdämpfungsanordnung verbunden oder verbindbar ist, wobei die Kurbelwelle entgegen einer Antriebsrichtung der Verbrennungskraftmaschine rotiert wird, um einen Kolben eines Zylinders in eine Zündposition zu bewegen, wobei durch Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder und durch Zünden eines dadurch in dem Zylinder entstehenden Kraftstoff-Sauerstoff-Gemisches eine Drehrichtungsumkehr der Kurbelwelle bewirkt und die Kurbelwelle in einer Antriebsrichtung rotiert wird.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine mit Direkteinspritzung, wobei die Verbrennungskraftmaschine eine Kolbenzylinderanordnung und eine Kurbelwelle aufweist, mit einer elektrischen Maschine, die mit der Kurbelwelle und einer Torsionsschwingungsanordnung verbunden oder verbindbar ist, wobei die elektrische Maschine dazu ausgebildet ist, die Kurbelwelle zu rotieren, wobei die Verbrennungskraftmaschine dazu ausgebildet ist, durch Einspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder und durch Zünden des dadurch in dem Zylinder entstehenden Kraftstoff-Sauerstoff-Gemisches gestartet zu werden, um ein Moment an die Kurbelwelle anzulegen und die Kurbelwelle zu rotieren.
  • Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung einen Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer Vorrichtung der oben beschriebenen Art.
  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik ist ein Verfahren zum Direktstart eines Verbrennungsmotors beispielsweise bekannt aus der DE 103 51 891 A1 . Bei diesem bekannten Verfahren wird der Direktstart über ein Einspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder und anschließendes Zünden des eingeschlossenen Kraftstoff-Luft-Gemisches durchgeführt. Bei diesem Verfahren zum Starten von Verbrennungsmaschinen über den sogenannten Direktstart wird kurz vor dem Start die verwendete Kolbenzylinderanordnung in einer der Antriebsrichtung entgegengesetzten Richtung gedreht, um eine optimale Stellung kurz vor einem oberen Totpunkt zu erhalten, damit die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches sicher erfolgen kann.
  • Es ist ferner aus dem Stand der Technik allgemein bekannt, die Kurbelwelle über einen Torsionsschwingungsdämpfer und insbesondere über ein Zwei-Massenschwungrad mit einem Getriebe zu verbinden, um zu verhindern, dass Torsionsschwingungen von dem Verbrennungsmotor auf das Getriebe übertragen werden.
  • Sofern Verbrennungsmotoren, die mit einem Torsionsschwingungsdämpfer verbunden sind, mittels Direktstart gestartet werden, können insbesondere durch eine Drehrichtungsumkehr der Kurbelwelle in dem Torsionsschwingungsdämpfer Schwingungen auftreten, die sich negativ auf die Drehmomentübertragung auswirken. Ferner kann die Rotationsenergie in dem Torsionsschwingungsdämpfer absorbiert werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird das eingangs genannte Verfahren dahingehend verbessert, dass nach der Zündung durch die elektrische Maschine ein Drehmoment in der Antriebsrichtung auf die Kurbelwelle ausgeübt wird.
  • Ferner wird die eingangs genannte Vorrichtung dahingehend verbessert, dass eine Steuerungsanordnung vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
  • Schließlich stellt die vorliegende Erfindung einen Kraftfahrzeugabtriebstrang mit einer Vorrichtung zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine der oben genannten Art bereit.
  • Vorteile der Erfindung
  • Durch die vorliegende Erfindung kann eine optimale Startzeit der Verbrennungskraftmaschine erzielt werden, weil durch das zusätzliche Drehmoment der elektrischen Maschine ein größeres Drehmoment auf den Torsionsschwingungsdämpfer ausgeübt wird und somit nicht die gesamte Energie, die durch die Verbrennungskraftmaschine erzeugt wird, in den Torsionsschwingungsdämpfer absorbiert wird. Im Ergebnis kann somit eine optimale Startzeit und ein verbessertes Vibrationsverhalten beim Start, insbesondere bei einem Direktstart, erzielt werden.
  • Vorzugsweise ist das Drehmoment, das von der elektrischen Maschine auf die Kurbelwelle ausgeübt wird, so gewählt, dass die Absorption durch den Torsionsschwingungsdämpfer kompensiert wird, wodurch die Verbrennungskraftmaschine besonders schnell und zuverlässig gestartet werden kann.
  • Vorzugsweise ist die Torsionsschwingungsdämpfungsanordnung ein Zwei-Massenschwungrad.
  • Dadurch kann eine Torsionsschwingung besonders effektiv und kostengünstig gedämpft werden.
  • Weiterhin ist bevorzugt, wenn das Drehmoment der elektrischen Maschine über wenigstens eine Umdrehung der Kurbelwelle ausgeübt wird.
  • Dadurch kann die Torsionsschwingungsdämpfungsanordnung effektiv tordiert werden, um Torsionsschwingungen beim Anlaufen der Verbrennungskraftmaschine effektiv zu dämpfen.
  • Es ist ferner bevorzugt, wenn die Torsionsschwingungsdämpfungsanordnung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und einem Getriebe angeordnet ist.
  • Dadurch kann effektiv verhindert werden, dass eventuell auftretende Torsionsschwingungen auf das Getriebe übertragen werden und das Getriebe schädigen.
  • Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die elektrische Maschine dazu ausgebildet ist, die Verbrennungskraftmaschine zu starten, zusätzliche Antriebsleistung an der Kurbelwelle bereitzustellen und generatorisch betrieben zu werden.
  • Dadurch kann die elektrische Maschine für unterschiedliche Funktionen in dem Antriebsstrang genutzt werden, wodurch der Gesamtantrieb kostengünstiger und konstruktiv einfacher herzustellen ist.
  • Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die elektrische Maschine eine Lichtmaschine ist. Dadurch kann die Lichtmaschine gleichzeitig zur Unterstützung des Starts, insbesondere des Direktstarts, verwendet werden.
  • Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Antriebswelle der elektrischen Maschine entgegen der Antriebsrichtung angetrieben wird, um den Kolben des Zylinders in die Zündposition zu bewegen.
  • Dadurch kann der Start schnell und zuverlässig eingeleitet werden. Es ist alternativ bevorzugt, wenn die Antriebswelle der elektrischen Maschine in der Antriebsrichtung angetrieben wird, um einen Kolben eines zweiten Zylinders in eine Zündposition zu bewegen, wobei die Rotation der Kurbelwelle entgegen der Antriebsrichtung durch eine Zündung in dem zweiten Zylinder bewirkt wird.
  • Dadurch wird der Start besonders effektiv, da die Zündung des ersten Zylinders bereits für eine Vorkompression in dem zweiten Zylinder genutzt werden kann und somit weniger Leistung von der elektrischen Maschine auf die Verbrennungskraftmaschine übertragen werden muss und durch die zweite Zündung ein größeres Drehmoment von der Verbrennungskraftmaschine auf die Kurbelwelle ausgeübt wird.
  • Unter einem Direktstart wird vorliegend das Anlaufen einer Verbrennungskraftmaschine verstanden, bei dem ein Kraftstoff-Sauerstoff-Gemisch in einem Zylinder gezündet wird, ohne dass ein vollständiger Kompressionstakt durchlaufen wird.
  • Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auch entsprechend auf die erfindungsgemäße Vorrichtung zutreffen bzw. anwendbar sind.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt in schematischer Form ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine;
  • 2a bis c eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine während verschiedener Zeitpunkte eines Direktstarts.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist ein Kraftfahrzeug schematisch dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Das Kraftfahrzeug 10 weist einen Antriebsstrang 12 auf, der im vorliegenden Fall einen Verbrennungsmotor 14 zur Bereitstellung von Antriebsleistung beinhaltet. Der Antriebsstrang 12 dient zum Antreiben von angetriebenen Rädern 16L, 16R des Fahrzeugs 10.
  • Der Verbrennungsmotor 14 ist über eine Kurbelwelle 18 mit einer Getriebeeinheit 20 verbunden oder verbindbar, wobei der Verbrennungsmotor 14 an der Kurbelwelle 18 ein Drehmoment t bereitstellt, die mit einer einstellbaren Drehzahl dreht. Die Kurbelwelle 18 ist über eine Kupplung 22 und einen Torsionsschwingungsdämpfer 24 mit der Getriebeeinheit 20 verbindbar, um das Drehmoment t auf die angetriebenen Räder 16R, 16L zu übertragen. Der Torsionsschwingungsdämpfer 24 dient dazu, Torsionsschwingungen des Verbrennungsmotors 14 zu dämpfen und ist vorzugsweise als Zwei-Massenschwungrad ausgebildet.
  • Der Verbrennungsmotor 14 ist ferner über die Kurbelwelle 18 mit einer elektrischen Maschine 26 verbunden. Die elektrische Maschine 26 wird über eine Steuereinheit 28 angesteuert und durch eine elektrische Energieversorgungseinheit 30 mit elektrischer Energie versorgt. Die elektrische Maschine 26 dient dazu, den Verbrennungsmotor 14 über die Kurbelwelle 18 anzutreiben und dadurch zu starten. Ferner kann die elektrische Maschine 26 dazu dienen, ein zusätzliches Drehmoment auf die Kurbelwelle 18 zu übertragen, um ein zusätzliches Antriebsmoment an der Kurbelwelle 18 bereitzustellen. Ferner kann die elektrische Maschine 26 im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs 10 als Generator dienen und elektrische Energie erzeugen, die in dem elektrischen Energiespeicher 30 gespeichert wird.
  • Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf einen derartigen Antriebsstrang beschränkt ist. In einer besonderen Ausführungsform kann der Antriebsstrang 12 auch als Hybridantriebsstrang ausgebildet sein und eine elektrische Maschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung aufweisen.
  • In 2a ist der Verbrennungsmotor 14 schematisch dargestellt. Der Verbrennungsmotor 14 weist vier Zylinder 32, 34, 36, 38 auf mit jeweils einem Kolben 40, 42, 44, 46. In 2 ist ferner schematisch die Kurbelwelle 18 und die elektrische Maschine 26 dargestellt zur Erläuterung einer Rotationsposition der Kurbelwelle 18. Es versteht sich, dass der Verbrennungsmotor 14, der in 2 als Vierzylindermotor ausgebildet ist, auch eine beliebige andere Anzahl von Zylindern aufweisen kann, wie zum Bespiel fünf, sechs, acht oder zehn Zylinder.
  • Zum Einleiten eines Direktstarts wird die Kurbelwelle 18 durch die elektrische Maschine 26 zunächst entgegen einer Antriebsrichtung angetrieben bzw. rotiert, was in 2a durch einen Pfeil 48 angedeutet ist.
  • In Abhängigkeit einer Rotationsstellung 50 der Kurbelwelle 18 bzw. einer Stellung der Kolben 40, 42, 44, 46 in den Zylindern 32 bis 38 wird der Direktstart auf unterschiedliche Arten eingeleitet.
  • Sofern sich ein Kolben, wie in 2a der Kolben 42, nahe des oberen Totpunktes befindet, wird die Kurbelwelle 18 zunächst entgegen der Antriebsrichtung rotiert, um den Kolben 42 aus einem Expansionstakt in einen Kompressionstakt zu bewegen. Die Stellung des Kolbens 42 in den Kompressionstakt ist in 2b gezeigt. Der Pfeil 50 in 2b zeigt die Rotationsstellung der Kurbelwelle 18 relativ zu der Rotationsstellung aus 2a. Durch diese Rotation der Kurbelwelle 18 in Rückwärtsrichtung 48 wird der Kolben 44 von dem Kompressionstakt aus 2a in den Expansionstakt bewegt, wie es in 2b gezeigt ist. Dadurch wird die Luft in dem Zylinder 36 in der Rückwärtsdrehrichtung 48 komprimiert. In 2c sind lediglich die Zylinder 34 und 36 gezeigt, wobei in dem nächsten Schritt Kraftstoff in den Zylinder 36 eingespritzt wird und das entstehende Kraftstoff-Sauerstoff-Gemisch gezündet wird. Durch die Verbrennung wird der Kolben 44 im Expansionstakt nach unten bewegt und die Kurbelwelle 18 in der Antriebsrichtung rotiert, wie es durch einen Pfeil 52 in 2c angedeutet ist.
  • Auf die nun in der Antriebsrichtung 52 rotierende Kurbelwelle 18 wird nach der Zündung ein zusätzliches Drehmoment in der Antriebsrichtung 52 ausgeübt, um eine optimale Startzeit zu erzielen und Vibrationen des Torsionsschwingungsdämpfers 24 zu reduzieren.
  • Der Torsionsschwingungsdämpfer 24 ist als Zwei-Massenschwungrad ausgebildet und weist zwei Schwungmassen auf, die mittels eines Federelementes miteinander verbunden sind. Die Kurbelwelle ist mit einer ersten Schwungmasse verbunden, die über eine Feder mit der zweiten frei schwingenden Schwungmasse verbunden ist. Durch die Drehrichtungsumkehr zwischen dem Takt, der in 2b dargestellt ist, zu dem Takt, der in 2c dargestellt ist, schwingt unmittelbar nach der Zündung die erste Schwungmasse in der Antriebsrichtung 52 und die zweite Schwungmasse entgegen der Antriebsrichtung bzw. in der Rückwärtsrichtung 48. Dadurch wird zum einen die Energie, die durch die Verbrennung in dem Zylinder 36 bereitgestellt wird, absorbiert und es können Vibrationen in dem Torsionsschwingungsdämpfer 24 auftreten. Da nach der Zündung in dem Zylinder 36 ein zusätzliches Drehmoment von der elektrischen Maschine 26 auf die Kurbelwelle 18 ausgeübt wird, können derartige Schwingungen reduziert werden und zusätzliche Energie zur Absorption durch den Torsionsschwingungsdämpfer 24 bereitgestellt werden.
  • Alternativ kann zum Starten des Verbrennungsmotors bei gleicher Kolbenstellung die elektrische Maschine 26 die Kurbelwelle 18 in der Antriebsrichtung 52 rotieren, um die Luft in dem Kolben 42, der sich im Kompressionstakt befindet, zu komprimieren. Das durch Einspritzen von Kraftstoff entstehende Kraftstoff-Sauerstoff-Gemisch wird in dem Zylinder 34 gezündet, wodurch die Kurbelwelle 18 entgegen der Antriebsrichtung 48 rotiert wird. Diese Variante des Direktstarts unterscheidet sich von der aus 2a bis c dadurch, dass die Rotation der Kurbelwelle 18 entgegen der Antriebsrichtung nicht durch die elektrische Maschine 26, sondern durch die Zündung des Zylinders 34 im Kompressionstakt bewirkt wird. Diese Rotation entgegen der Antriebsrichtung bewirkt, dass der Kolben 44 von dem Kompressionstakt in den Expansionstakt bewegt wird, wobei die Luft in dem Zylinder 36 komprimiert wird, wie es bereits in den 2a und b gezeigt ist. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird wie in 2c gezündet, wodurch eine Drehrichtungsumkehr der Kurbelwelle 18 bewirkt wird und die Kurbelwelle 18 in Antriebsrichtung 50 rotiert wird. Danach wird durch die elektrische Maschine 26 ein zusätzliches Drehmoment auf die Kurbelwelle 18 ausgeübt, um eine optimale Startzeit zu erzielen und Vibrationen des Torsionsschwingungsdämpfers 24 zu reduzieren, wie es oben erläutert ist.
  • Alternativ kann bei geeigneter Kolbenstellung bei stillstehender Kurbelwelle Kraftstoff eingespritzt und gezündet werden, um die Rotation der Kurbelwelle entgegen der Antriebsrichtung zu bewirken.
  • Sofern vor dem Direktstart keiner der Kolben 40 bis 46 in der Nähe des oberen Totpunktes steht, wird die Kurbelwelle 18 entgegen der Antriebsrichtung 48 bewegt, bis der Zylinder 36, der sich in dem Expansionstakt befindet, komprimiert wird und durch Einspritzen von Kraftstoff gezündet werden kann. Dadurch wird die Kurbelwelle 18 in der Antriebsrichtung 52 rotiert. Nach Zündung des entsprechenden Zylinders 36 wird die Rotation der Kurbelwelle 18 durch die elektrische Maschine 25 unterstützt, um eine optimale Startzeit zu erzielen und Vibrationen des Torsionsschwingungsdämpfers 24 zu reduzieren, wie es oben erläutert ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10351891 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine (14), insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine (14) mit Direkteinspritzung, wobei die Verbrennungskraftmaschine (14) eine Kolbenzylinderanordnung und eine Kurbelwelle (18) aufweist, wobei die Kurbelwelle (18) drehfest mit einer Antriebswelle einer elektrischen Maschine (26) und mit einer Torsionsschwingungsdämpfungsanordnung (24) verbunden oder verbindbar ist, wobei die Kurbelwelle (18) entgegen einer Antriebsrichtung der Verbrennungskraftmaschine (14) rotiert wird, um einen Kolben (44) eines Zylinders (36) in eine Zündposition zu bewegen, wobei durch Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder (36) und durch Zünden eines dadurch in dem Zylinder (32, 34, 36, 38) entstehenden Kraftstoff-Sauerstoff-Gemisches eine Drehrichtungsumkehr der Kurbelwelle bewirkt und die Kurbelwelle (18) in der Antriebsrichtung (52) rotiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Zündung durch die elektrische Maschine (26) ein Drehmoment in der Antriebsrichtung (52) auf die Kurbelwelle (18) ausgeübt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Torsionsschwingungsdämpfungsanordnung (24) ein Zwei-Massenschwungrad (24) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Drehmoment der elektrischen Maschine (26) über wenigstens eine Umdrehung der Kurbelwelle (18) ausgeübt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Torsionsschwingungsanordnung (24) zwischen der Verbrennungskraftmaschine und einem Getriebe (20) angeordnet ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die elektrische Maschine (26) dazu ausgebildet ist, die Verbrennungskraftmaschine (14) zu starten, zusätzliche Antriebsleistung an der Kurbelwelle (18) bereitzustellen und generatorisch betrieben zu werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die elektrische Maschine (26) eine Lichtmaschine ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Antriebswelle der elektrischen Maschine (26) entgegen der Antriebsrichtung angetrieben wird, um den Kolben (44) des Zylinders (36) in die Zündposition zu bewegen.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, wobei die Antriebswelle der elektrischen Maschine (26) in der Antriebsrichtung (52) angetrieben wird, um einen Kolben (42) eines zweiten Zylinders (34) in eine Zündposition zu bewegen, wobei die Rotation der Kurbelwelle (18) entgegen der Antriebsrichtung durch eine Zündung in dem zweiten Zylinder bewirkt wird, um einen Kolben (44) eines zweiten Zylinders (36) in eine Zündposition zu bewegen.
  9. Vorrichtung zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine (14), insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine (14) mit Direkteinspritzung, wobei die Verbrennungskraftmaschine (14) eine Kolbenzylinderanordnung und eine Kurbelwelle (18) aufweist, mit einer elektrischen Maschine (26), die mit der Kurbelwelle (18) und einer Torsionsschwingungsanordnung (24) verbunden oder verbindbar ist, wobei die elektrische Maschine (26) dazu ausgebildet ist, die Kurbelwelle (18) zu rotieren, wobei die Verbrennungskraftmaschine (14) dazu ausgebildet ist, durch Einspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder (32, 34, 36, 38) und durch Zünden eines dadurch in dem Zylinder (32, 34, 36, 38) entstehenden Kraftstoff-Sauerstoff-Gemisches gestartet zu werden, um ein Moment an die Kurbelwelle (18) anzulegen und die Kurbelwelle (18) zu rotieren, und mit einer Steuerungsanordnung (28), die dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
  10. Kraftfahrzeugantriebsstrang (12) mit einer Verbrennungskraftmaschine (14) und einer Vorrichtung zum Starten der Verbrennungskraftmaschine (14) nach Anspruch 11.
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