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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Starten einer Kraftmaschine unter Verwendung geringer elektrischer Leistung.
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HINTERGRUND
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In einem Kraftfahrzeug wird die Kraftmaschine des Fahrzeugs, etwa eine Brennkraftmaschine, typischerweise mit Hilfe eines Starters oder Anlassers gedreht, um zu veranlassen, dass die Kraftmaschine anfängt, sich selbst mit Leistung zu versorgen. Ein derartiger Starter wird typischerweise elektrisch erregt und entnimmt seine Leistung aus einer Energiespeichereinrichtung, die an Bord des Fahrzeugs angeordnet ist.
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Bei einigen Fahrzeuganwendungen wird ein Stopp-Start-System eingesetzt, wobei die Kraftmaschine automatisch gestoppt oder ausgeschaltet wird, um Kraftstoff zu sparen, wenn ein Fahrzeugantrieb nicht benötigt wird, und dann von einem Starter automatisch neu gestartet wird, wenn der Fahrzeugantrieb wieder benötigt wird. Ein derartiges Stopp-Start-System kann in einem herkömmlichen Fahrzeug mit einem einzigen Antriebsaggregat oder in einer Hybridfahrzeuganwendung eingesetzt werden, welche sowohl eine Brennkraftmaschine als auch einen Motor/Generator zum Antreiben des Fahrzeugs enthält.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es wird hier ein Verfahren offenbart, um eine Kraftmaschine zu stauen, die zum Vortrieb eines Fahrzeugs eingesetzt wird. Das Verfahren umfasst, dass ermittelt wird, dass ein Kraftmaschinenstart mit Hilfe eines Starters gewünscht wird, wobei der Starter von einer Energiespeichereinrichtung erregt wird, die im Fahrzeug angeordnet ist. Das Verfahren umfasst auch, dass ein Ladezustand der Energiespeichereinrichtung ermittelt wird. Das Verfahren umfasst zusätzlich, dass der Starter angewiesen wird, die Kraftmaschine mit einer ersten vorbestimmten Drehzahl anzukurbeln, wenn sich die Energiespeichereinrichtung bei oder über einem vorbestimmten Ladezustand befindet, und dass ein Kraftstoff an die Kraftmaschine für eine erste vorbestimmte Anzahl von Kraftstoffzufuhrereignissen geliefert wird. Ein Ladezustand der Energiespeichereinrichtung, der sich bei oder über dem vorbestimmten Ladezustand befindet, zeigt an, dass die Energiespeichereinrichtung in der Lage ist, ein vorbestimmtes Leistungsniveau bereitzustellen. Außerdem umfasst das Verfahren, dass der Starter angewiesen wird, die Kraftmaschine mit einer zweiten vorbestimmten Drehzahl anzukurbeln, die niedriger als die erste vorbestimmte Drehzahl ist, und dass der Kraftstoff an die Kraftmaschine für eine zweite vorbestimmte Anzahl von Kraftstoffzufuhrereignissen geliefert wird, wenn sich die Energiespeichereinrichtung unter dem vorbestimmten Ladezustand befindet. Ein Ladezustand der Energiespeichereinrichtung, der sich unter dem vorbestimmten Ladezustand befindet, zeigt an, dass die Energiespeichereinrichtung nicht in der Lage ist, das vorbestimmte Leistungsniveau bereitzustellen.
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Gemäß dem Verfahren können die Aktionen des Ermittelns und Anweisens jeweils mit Hilfe eines Controllers in funktionaler Kommunikation mit sowohl dem Starter als auch der Energiespeichereinrichtung ausgeführt werden. Außerdem kann gemäß dem Verfahren die zweite vorbestimmte Anzahl von Kraftstoffzufuhrereignissen größer als die erste vorbestimmte Anzahl von Kraftstoffzufuhrereignissen sein.
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Zudem kann das Verfahren umfassen, dass ein Ethanolgehalt im Kraftstoff ermittelt wird. Darüber hinaus kann das Verfahren umfassen, dass der Starter angewiesen wird, die Kraftmaschine mit der ersten vorbestimmten Drehzahl anzukurbeln, wenn sich die Energiespeichereinrichtung bei oder über dem vorbestimmten Ladezustand befindet, ob sich der Ethanolgehalt im Kraftstoff nun bei, über oder unter einem vorbestimmten Niveau befindet. Darüber hinaus kann das Verfahren umfassen, dass der Starter angewiesen wird, die Kraftmaschine mit der zweiten vorbestimmten Drehzahl anzukurbeln, wenn der Ethanolgehalt bei oder über dem vorbestimmten Niveau liegt und sich die Energiespeichereinrichtung unter dem vorbestimmten Ladezustand befindet.
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Die Kraftmaschine kann eine Stopp-Start-Fähigkeit enthalten und das Fahrzeug kann vom Hybridelektrotyp sein, der einen Motor/Generator enthält, der zum Vortrieb des Fahrzeugs eingesetzt wird.
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Es wird auch ein System zum Starten einer Kraftmaschine offenbart, die zum Vortrieb eines Fahrzeugs eingesetzt wird.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugantriebsstrangs, der ein System zum Starten einer Kraftmaschine enthält; und
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2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Starten einer Kraftmaschine, die zum Vortrieb eines Fahrzeugs eingesetzt wird, darstellt.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten bezeichnen, zeigt 1 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Startersystems 5, auch bekannt als ein System zum Starten einer Brennkraftmaschine 10. Das Startersystem 5 enthält die Kraftmaschine 10, die zum Vortrieb eines Fahrzeugs eingesetzt wird. Die Kraftmaschine 10 empfängt eine Kraftstoffzufuhr in diskreten Kraftstoffzufuhrereignissen, wobei dieser Kraftstoff mit Luft zu einem Kraftstoff-Luft-Gemisch zur anschließenden Zündung über eine (nicht gezeigte) Zündkerze kombiniert wird, um dadurch eine Verbrennung zu erzeugen und Leistung zu produzieren. Obwohl das Startersystem 5 laut Darstellung in einem Hybridelektrofahrzeug-Antriebsstrang eingesetzt wird, kann das System in jedem Fahrzeugantriebsstrang verwendet werden, der die Kraftmaschine 10 aufweist.
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Die Kraftmaschine 10 enthält ein Schwungrad (oder eine flexible Platte) 12, das an einer (nicht gezeigten) Kurbelwelle der Kraftmaschine befestigt ist und daher mit der gleichen Drehzahl wie die Kraftmaschine rotiert. Das Schwungrad 12 ist an der Kurbelwelle typischerweise über Befestigungselemente wie etwa Bolzen oder Schrauben (nicht gezeigt) befestigt. Ein Zahnkranz 14 mit einem speziellen Zahnradprofil und Zahnabstand ist am Außenumfang des Schwungrads 12 angeordnet. Der Zahnkranz 14 weist typischerweise einen Außendurchmesser auf, der so konstruiert ist, dass ein effektives Starten der Kraftmaschine 10 erleichtert wird, wie der Fachmann versteht. Ein Starter 16 ist relativ zu der Kraftmaschine 10 nahe beim Zahnkranz 14 angeordnet, um die Kraftmaschine zu starten. Der Starter 16 kann direkt an der Kraftmaschine montiert sein, um die Auswirkung von Fertigungstoleranzen zu verringern, wie in 1 gezeigt ist.
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Der Starter 16 enthält einen Elektromotor 18, der eingesetzt wird, um ein Antriebsritzel 20 zu drehen. Das Antriebsritzel 20 enthält für ein genaues Kämmen und einen genauen Eingriff mit dem Zahnkranz 14 ein Zahnradprofil und einen Zahnabstand, die denjenigen des Zahnkranzes 14 entsprechen. Der Starter 16 enthält auch eine Ritzeleingriff-Solenoidanordnung 22, die ein Motorsolenoid 24 und ein Ritzelverschiebungssolenoid 26 enthält. Der Elektromotor 18 wird vom Motorsolenoid 24 über eine elektrische Verbindung 28 oder über eine geeignete Hebelanordnung (nicht gezeigt) aktiviert, um das Antriebsritzel 20 bis hinauf zu einer vorbestimmten Drehzahl zu drehen. Das Ritzelverschiebungssolenoid 26 ist ausgestaltet, um eine Hebelanordnung 30 zu erregen. Wenn die Hebelanordnung 30 durch das Ritzelverschiebungssolenoid 26 erregt wird, verschiebt sie wiederum das Antriebsritzel 20 in einen kämmenden Eingriff mit dem Zahnkranz 14, um die Kraftmaschine 10 zu starten.
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Eine Energiespeichereinrichtung 32, etwa eine Batterie, ist im Fahrzeug angeordnet, um eine elektrische Ladung selektiv aufzunehmen/zu speichern und um auf Anfrage verschiedene Einrichtungen einschließlich des Starters 16 mit Leistung zu versorgen. Während die Energiespeichereinrichtung 32 für ihren beabsichtigten Zweck verwendet wird, kann ihre elektrische Ladung entleert werden, sodass die Energiespeichereinrichtung unfähig zum Bereitstellen eines vorbestimmten notwendigen Leistungsniveaus wird. Hinsichtlich des Starters 16 wird ein derartiges vorbestimmtes Leistungsniveau auf der Grundlage der ersten vorbestimmten Ankurbeldrehzahl der Kraftmaschine 10, mit der die Kraftmaschine während einer spezifischen Anzahl von Ankurbelumdrehungen gestartet werden kann, festgelegt. Während des Startens der Kraftmaschine 10 wird jede Kraftmaschinenankurbelumdrehung von einem Kraftstoffzufuhrereignis begleitet, das ausgelegt ist, um eine angemessene Kraftstoffmenge an die Kraftmaschine zu liefern, um die Zündung, Verbrennung und anhaltende Rotation der Kraftmaschine zu bewirken.
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Die erste vorbestimmte Ankurbeldrehzahl, die zum Zünden und Starten der Kraftmaschine notwendig ist, wird typischerweise während des Tests und der Kalibrierung der Kraftmaschine 10 empirisch bestimmt. In einer Situation, wenn die Energiespeichereinrichtung 32 von ihrer elektrischen Ladung entleert wird, kann der Starter 16 unfähig sein, die Kraftmaschine 10 mit der ersten vorbestimmten Ankurbeldrehzahl anzukurbeln. In einer derartigen Situation kann der Ladezustand der Energiespeichereinrichtung 32 nur ausreichen, um genügend Leistung an den Starter 16 zum Ankurbeln der Kraftmaschine 10 mit einer zweiten vorbestimmten Ankurbeldrehzahl zu liefern, welche niedriger als die erste vorbestimmte Ankurbeldrehzahl ist. Wenn die Kraftmaschine 10 angekurbelt wird, wobei sich die Energiespeichereinrichtung 32 unter ihrem vorbestimmten Ladezustand befindet, kann die gleiche Anzahl von Kraftmaschinenumdrehungen wie beim höheren Ladezustand nicht ausreichend zum Starten der Kraftmaschine sein. Wenn die Kraftmaschine 10 gestartet werden muss, während sich die Energiespeichereinrichtung 32 unter dem vorbestimmten Ladezustand befindet, wird daher die Drehzahl des Starters 16 auf die zweite vorbestimmte Ankurbeldrehzahl abgesenkt, während die Anzahl von Kraftstoffzufuhrereignissen möglicherweise erhöht werden muss.
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Von einem Kraftstofftank 34 wird Kraftstoff über eine Kraftstoffpumpe 36 an die Kraftmaschine 10 geliefert. Die Kraftstoffpumpe 36 kann durch die Energiespeichereinrichtung 32 erregt werden, um die Kraftmaschine 10 bei Bedarf zu betreiben. Der Energiegehalt eines Kraftstoffs, der verwendet wird, um die Kraftmaschine 10 zu betreiben, beeinflusst die Liefermenge des speziellen Kraftstoffs, die während jeder Kraftmaschinenumdrehung, die durch den Starter 16 angekurbelt wird, bereitgestellt werden muss. Im Speziellen ist ein Ethanolgehalt im Kraftstoff ein signifikanter Faktor beim Starten der Kraftmaschine 10, da Ethanol etwa 34% weniger Energie pro Volumeneinheit als Benzin enthält. Wenn ein verwendeter Kraftstoff folglich einen signifikanten Prozentsatz an Ethanol enthält, muss die Kraftstoffmenge bei jedem Kraftstoffzufuhrereignis, speziell bei Kraftmaschinenstartbedingungen mit geringer elektrischer Leistung, zusammen mit der Anzahl von Kraftmaschinenumdrehungen, die vom Starter 16 erzeugt werden, erhöht werden.
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Das System 5 kann in jedem Fahrzeug eingesetzt werden, das eine Kraftmaschine 10 aufweist, aber es ist besonders nützlich in einem Fahrzeug, bei dem die Kraftmaschine 10 ein Stopp-Start-Merkmal aufweist. Wie dem Fachmann bekannt ist, ist ein Stopp-Start-Merkmal in einer Kraftmaschine dann vorhanden, wenn die Kraftmaschine in der Lage ist, ausgeschaltet zu werden, wenn eine Kraftmaschinenleistung nicht benötigt wird, welche aber auch unmittelbar neu gestartet werden kann, wenn die Kraftmaschinenleistung wieder angefordert wird, um das Fahrzeug anzutreiben. Wie in 1 gezeigt ist, kann das System 5 auch ein Getriebe 38 enthalten, das mit der Kraftmaschine 10 verbunden ist, um Kraftmaschinenleistung an Antriebsräder (nicht gezeigt) des betreffenden Fahrzeugs zu übertragen. Das Getriebe 38 enthält eine geeignete Getriebezuganordnung, die nicht gezeigt ist, aber deren Vorhandensein vom Fachmann festgestellt wird. Innerhalb des Getriebes 38 ist ein Motor/Generator 44 angeordnet. Der Motor/Generator 44 wird zum Vortrieb des betreffenden Fahrzeugs entweder in Verbindung mit oder ahne Unterstützung durch die Kraftmaschine 10 eingesetzt. Die Kraftmaschine 10 kann ausgeschaltet werden, wenn der Motor/Generator 44 läuft, sodass das System 5 sogar eingesetzt werden kann, während sich das betreffende Fahrzeug bewegt.
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Ein Controller 42 ist am Fahrzeug relativ zur Kraftmaschine 10 und zum Getriebe 38 angeordnet und ausgestaltet, um den Betrieb sowohl der Kraftmaschine als auch des Getriebes zu steuern, was das Ausschalten und Neustarten der Kraftmaschine während der Stopp-Start-Prozedur beinhaltet. Zudem steht der Controller 42 in funktionaler Kommunikation sowohl mit dem Starter 16 als auch der Energiespeichereinrichtung 32. Der Controller 42 ist programmiert, um den Starter 16 auf der Grundlage vorbestimmter Fahrzeugbetriebsparameter auf Anforderung zu aktivieren, um das Antriebsritzel 20 auszufahren und die Kraftmaschine 10 neu zu starten. Die geeigneten Fahrzeugbetriebsparameter können während Kalibrierungs- und Testphasen der Fahrzeugentwicklung mit dem Ziel des Optimierens der Leistung, der Fahrbarkeit und der Effizienz des betreffenden Fahrzeugs empirisch vorbestimmt werden.
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Ein Verfahren 50 zum Starten der Kraftmaschine 10, die zum Vortrieb eines Fahrzeugs eingesetzt wird, ist in 2 gezeigt und nachstehend mit Bezug auf die in 1 gezeigte Struktur beschrieben. Das Verfahren 50 beginnt bei Kästchen 52 mit der Ermittlung, dass ein Start der Kraftmaschine 10 mit Hilfe des Starters 16 gewünscht wird. Ein derartiger Kraftmaschinenstart kann bewirkt werden, während das betreffende Fahrzeug entweder steht oder sich in Bewegung befindet und ist gleichermaßen für entweder einen gewöhnlichen Kraftmaschinenstart oder für einen Kraftmaschinenneustart während eines Stopp-Start-Manövers anwendbar. Im Anschluss an Kästchen 52 geht das Verfahren zu Kästchen 54 weiter, bei dem das Ermitteln eines Ladezustands der Energiespeichereinrichtung 32 enthalten ist.
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Wenn sich der Ladezustand der Energiespeichereinrichtung 32, der im Kästchen 54 ermittelt wurde, bei oder über dem vorbestimmten Ladezustand befindet, und sie folglich in der Lage ist, das vorbestimmte Leistungsniveau an den Starter 16 zu liefern, geht das Verfahren zu Kästchen 56 weiter. In Kästchen 56 enthält das Verfahren, dass der Starter 16 angewiesen wird, die Kraftmaschine 10 durch ein Drehen des Schwungrads 12 mit der ersten vorbestimmten Drehzahl automatisch anzukurbeln. Wie vorstehend beschrieben wurde, stellt die erste vorbestimmte Drehzahl die Kraftmaschinendrehzahl dar, die benötigt wird, um die Kraftmaschine 10 während der ersten vorbestimmten Anzahl von Kraftstoffzufuhrereignissen anzukurbeln, zu zünden und zu starten. Wenn sich der im Kästchen 54 ermittelte Ladezustand der Energiespeichereinrichtung 32 unter dem vorbestimmten Ladezustand befindet und sie daher unfähig zur Lieferung eines vorbestimmten Leistungsniveaus an den Starter 16 ist, geht das Verfahren nach dem Kästchen 54 zu Kästchen 58.
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In Kästchen 58 umfasst das Verfahren, dass der Starter 16 angewiesen wird, die Kraftmaschine 10 mit der zweiten vorbestimmten Drehzahl, die niedriger als die erste vorbestimmte Drehzahl ist, automatisch anzukurbeln. Wie vorstehend beschrieben wurde, stellt die zweite vorbestimmte Drehzahl diejenige Drehzahl dar, die verwendet werden kann, um die Kraftmaschine 10 anzukurbeln, zu zünden und zu starten, wenn dies von der zweiten vorbestimmten Anzahl von Kraftstoffzufuhrereignissen begleitet wird, während sich der Ladezustand der Energiespeichereinrichtung 32 unter dem vorbestimmten Ladezustand befindet. Folglich ermöglicht das Verfahren, dass die Kraftmaschine trotz des entleerten Ladezustands von dem Starter 16 gestartet werden kann, indem die Kraftmaschine 10 mit der zweiten vorbestimmten Drehzahl angekurbelt wird. Das Verfahren wird typischerweise im Kästchen 60 nach dem Zünden und Starten der Kraftmaschine 10 enden.
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Das Verfahren 50 kann zusätzlich umfassen, dass ein Ethanolgehalt im Kraftstoff ermittelt wird und der Starter 16 geregelt wird, um die Kraftmaschine 10 mit der ersten vorbestimmten Kraftmaschinendrehzahl anzukurbeln, wenn sich die Energiespeichereinrichtung 32 bei oder über dem vorbestimmten Ladezustand befindet. In einer derartigen Situation wird der Starter 16 eingesetzt, um die Kraftmaschine 10 mit der ersten vorbestimmten Kraftmaschinendrehzahl anzukurbeln, egal ob der Ethanolgehalt im Kraftstoff bei, über, oder unter einem vorbestimmten Niveau liegt. Darüber hinaus kann das Verfahren dann, wenn der Ethanolgehalt bei oder über dem vorbestimmten Niveau liegt und sich die Energiespeichereinrichtung 32 unter denn vorbestimmten Ladezustand befindet, fortfahren, indem es den Starter 16 anweist, die Kraftmaschine 10 mit der zweiten vorbestimmten Drehzahl automatisch anzukurbeln.
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Der vorbestimmte, d. h. Schwellenwert-Ethanolgehalt im Kraftstoff, bei und über welchem ein leichtes Starten und Zünden der Kraftmaschine 10 ausreichend beeinträchtigt wird, wird beim Testen und Kalibrieren der Kraftmaschine typischerweise empirisch festgelegt. Die zweite vorbestimmte Drehzahl des Starters 16 kann mit der zweiten vorbestimmten Anzahl von Kraftstoffzufuhrereignissen einhergehen, welche größer er als die erste Anzahl von Kraftstoffzufuhrereignissen sein kann, um das Zünden und Starten der Kraftmaschine 10 zu ermöglichen. Alle vorstehenden Aktionen zum Ermitteln und Anweisen können vom Controller 42 ausgeführt werden, um das effektivste Starten der Kraftmaschine 10 trotz einer Bedingung mit niedriger Leistung der Energiespeichereinrichtung 32 und/oder eines hohen Ethanolgehalts im Kraftstoff, der von der Kraftstoffpumpe 36 geliefert wird, bereitzustellen.
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Insgesamt kann es sein, dass die Anzahl von Umdrehungen und Kraftstoffzufuhrereignissen, die benötigt wird, um die Kraftmaschine 10 mit Kraftstoff zu versorgen, zu zünden und zu starten, wenn sich der Ladezustand der Energiespeichereinrichtung 32 unter dem vorbestimmten Ladezustand befindet, erhöht werden muss, wenn der Starter 16 mit der zweiten vorbestimmten Drehzahl arbeitet. Zudem kann das Kombinieren der verringerten Starterdrehzahl mit einer erhöhten Anzahl von Kraftstoffzufuhrereignissen besonders vorteilhaft werden, wenn der Ethanolgehalt im Kraftstoff hoch genug ist, um das Starten der Kraftmaschine 10 zusätzlich negativ zu beeinflussen.
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Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche erkennen.
