DE102011110979A1 - Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors und entsprechender Antrieb - Google Patents

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Abstract

Zum Starten eines Verbrennungsmotors (1) eines Fahrzeugs (10), welches den Verbrennungsmotor (1) und mindestens einen Elektromotor (3) zum Antrieb des Fahrzeugs (10) umfasst, wird mittels des mindestens einen Elektromotors (3) eine Rotationsenergie aufgebaut während das Fahrzeug (10) durch den mindestens Elektromotor (3) mit einem Drehmoment angetrieben wird. Indem der Verbrennungsmotor (1) mit zumindest einem Teil der aufgebauten Rotationsenergie gestartet wird, wird bei dem Start des Verbrennungsmotors (1) das Drehmoment, mit welchem das Fahrzeug (10) von dem mindestens einen Elektromotor (3) angetrieben wird, innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs konstant gehalten.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, um bei einem Fahrzeug, welches einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs umfasst, den Verbrennungsmotor (wieder) zu starten, sowie einen entsprechend ausgestalteten Antrieb.
  • Die DE 10 2006 042 922 A1 offenbart ein Verfahren, bei welchem mittels einer Schwungmasse beim Abkoppeln eines Verbrennungsmotors kinetische Energie gespeichert wird, welche dann zum Wiederstart des Verbrennungsmotors genutzt wird.
  • Die DE 10 2004 023 673 A1 beschreibt ein Verfahren, bei welchem eine Schwungmasse mittels eines Elektromotors zum Aufbau eines Überschuss-Drehimpulses beschleunigt wird. Zum Starten eines Verbrennungsmotors wird eine Trennkupplung zwischen dem Elektromotor und dem Verbrennungsmotor geschlossen, wodurch der Überschuss-Drehimpuls abgebaut und der Verbrennungsmotor gestartet wird.
  • Nach dem Stand der Technik wird zum Start eines Verbrennungsmotors bei einem Parallelhybridfahrzeug in der Regel ein Teil des von einem Elektromotor verfügbaren Drehmoments als Startreserve (zum Start des Verbrennungsmotors) zurückgehalten und steht daher nachteiligerweise nicht zum Antrieb des Fahrzeugs zur Verfügung. Dabei wirken bei einem Parallelhybridfahrzeug sowohl der Verbrennungsmotor als auch der Elektromotor auf das Getriebe bzw. die Antriebswelle des Fahrzeugs und können auch unabhängig voneinander verwendet werden. Beim Betrieb des Verbrennungsmotors kann der Elektromotor als Generator wirken und lädt dann die Batterie. Mit Rekuperation wird im Allgemeinen eine Bremsenergierückgewinnung bezeichnet. Dabei ist der Verbrennungsmotor in der Regel abgekoppelt und zumindest ein Teil des vom Fahrer eingestellten Bremsmoments wird elektrisch durch den Elektromotor erzeugt, welcher in diesem Fall als Generator arbeitet und so einen Energiespeicher bzw. eine Batterie lädt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, diesen Nachteil nach dem Stand der Technik zumindest zu verringern, indem einen größerer Prozentsatz des von einem Elektromotor verfügbaren Drehmoments zum Antrieb eines Fahrzeugs eingesetzt wird und dennoch mit Hilfe des Elektromotors ein Verbrennungsmotor des Fahrzeugs gestartet werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, durch einen Antrieb nach Anspruch 7 und durch ein Fahrzeug nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs bereitgestellt. Dabei umfasst das Fahrzeug neben dem Verbrennungsmotor mindestens einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs. Während das Fahrzeug mit einem vorbestimmten Drehmoment, welches von dem Elektromotor erzeugt wird, angetrieben wird, wird mittels des Elektromotors eine rotatorische Energie bzw. Rotationsenergie aufgebaut. Der Verbrennungsmotor wird mit zumindest einem Teil der aufgebauten Rotationsenergie gestartet, ohne dass dabei das vorbestimmte Drehmoment, mit welchem das Fahrzeug von dem Elektromotor angetrieben wird, wesentlich verändert wird.
  • Indem vor dem eigentlichen Starten des Verbrennungsmotors mittels des mindesten einen Elektromotors die Rotationsenergie aufgebaut wird, wird zusätzlich zu der von dem mindestens einen Elektromotor vorgehaltenen Startreserve ein weiteres Drehmoment (in Form der Rotationsenergie) bereitgestellt, welches dann beim eigentlichen Starten des Verbrennungsmotors zusätzlich zu dem von dem Elektromotor erzeugten Drehmoment zum Andrehen oder Anschleppen des Verbrennungsmotors eingesetzt werden kann. Wenn der Start des Verbrennungsmotors planbar ist, was z. B. der Fall ist, wenn der Verbrennungsmotor zum Laden eines Energiespeichers gestartet wird, dann kann der Aufbau der Rotationsenergie vorteilhafterweise über einen längeren Zeitraum (beispielsweise 10 bis 30 s) erfolgen. In diesem Fall ist eine für den Aufbau der Rotationsenergie benötigte Drehmomentreserve des mindestens einen Elektromotors insbesondere im Vergleich zu der nach dem Stand der Technik benötigten Drehmomentreserve zum Starten des Verbrennungsmotors entsprechend klein. Wird dagegen der Verbrennungsmotor aufgrund eines Beschleunigungswunsches gestartet, muss die von dem mindestens einen Elektromotor zum Starten des Verbrennungsmotors bereitgestellte Rotationsenergie in kurzer Zeit (< 1 s) bereitgestellt werden. Dazu muss die von dem mindestens einen Elektromotor vorgehaltene Startreserve bzw. Momentenreserve so groß sein, dass sie in der Phase vor dem Start des Verbrennungsmotors ausreicht, eine Rotationsenergie aufzubauen und im Anschluss bei der Durchführung des Starts des Verbrennungsmotors zusammen mit der aufgebauten Rotationsenergie den Verbrennungsmotor anzudrehen, ohne dass dabei ein Verlust des Vortriebs auf der Getriebeabtriebseite auftritt.
  • Dass bei dem erfindungsgemäßen Starten des Verbrennungsmotors das Drehmoment, mit welchem das Fahrzeug von dem mindestens einen Elektromotor angetrieben wird, nicht wesentlich verändert wird, bedeutet, dass das Drehmoment während des Starts des Verbrennungsmotors in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegt. Wenn dieser Toleranzbereich ±15% (bevorzugt ±10% oder besser ±5%) beträgt, bedeutet dies, dass sich das Drehmoment beim Starten des Verbrennungsmotors um nicht mehr als entsprechend der Prozentzahl erhöht oder verringert.
  • Damit die Rotationsenergie aufgebaut werden kann, wobei das Drehmoment in dem Toleranzbereich konstant bleibt, wird insbesondere ein Schlupf, welcher zwischen dem mindestens einen Elektromotor und einem Getriebe des Fahrzeugs existiert, entsprechend erhöht.
  • Durch die Erhöhung des Schlupfes kann vorteilhafterweise die Drehzahl und auch das Drehmoment des mindestens einen Elektromotors und damit die Rotationsenergie erhöht werden, ohne dass dadurch die Drehzahl und damit das Drehmoment des Getriebes erhöht werden muss.
  • Zum Starten (Andrehen) des Verbrennungsmotors kann dann ein Teil dieser aufgebauten Rotationsenergie eingesetzt werden. Um dabei dennoch das Drehmoment, mit welchem das Fahrzeug von dem mindestens einen Elektromotor angetrieben wird, im vorgegebenen Toleranzbereich konstant zu halten, wird vorteilhafterweise der Schlupf zwischen dem mindestens einen Elektromotor und dem Getriebe beim Start des Verbrennungsmotors entsprechend verringert.
  • Während der Aufbau der Rotationsenergie über einen längeren Zeitraum erfolgen kann, erfolgt das Starten des Verbrennungsmotors mit zumindest einem Teil dieser Rotationsenergie in einem vergleichsweise kurzen Zeitraum (z. B. weniger als 1 s). Aus diesem Grund kann vorteilhafterweise des von dem mindestens einen Elektromotor benötigte Drehmoment (die Drehmomentreserve) zum Aufbau der Rotationsenergie wesentlich kleiner sein, als das Drehmoment, welches mittels der Rotationsenergie zum Starten des Verbrennungsmotors bereitgestellt wird.
  • Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Schlupf in einem Drehmomentwandler erzeugt, welcher sich zwischen dem mindestens einen Elektromotor und dem Getriebe des Fahrzeugs befindet.
  • Dabei wird unter einem Drehmomentwandler ein hydraulisches Bauelement verstanden, welches eine Kraftübertragung zwischen dem mindestens einen Elektromotor und dem Getriebe, welche sich mit unterschiedlichen Drehzahlen drehen, ermöglicht. Ein Drehmomentwandler umfasst mehrere Räder, welche in einem gemeinsamen flüssigkeitsdichten Gehäuse vorhanden sind. Dabei wird zur hydrodynamischen Kraftübertragung eine Flüssigkeit (z. B. Öl) von den Schaufeln eines dieser Räder, welches von dem mindestens einen Elektromotor angetrieben wird, erfasst und beschleunigt. Dabei wird die mechanische Energie von mindestens einem Elektromotor in Strömungsenergie umgewandelt, mit welcher ein weiteres dieser Räder angetrieben wird. Dieses weitere Rad nimmt die Strömungsenergie auf und stellt diese als mechanische Energie bereit, um das Getriebe anzutreiben.
  • Vorteilhafterweise entsteht durch eine Erhöhung des Drehmoments an dem mindestens einen Elektromotor und eine gleichzeitig reduzierte Kraftübertragung auf den Abtrieb des Getriebes eine Drehzahlüberhöhung des mindestens einen Elektromotors, wodurch eine kinetische Energiereserve für den Start des Verbrennungsmotors aufgebaut wird.
  • Beim Einsatz eines Drehmomentwandlers gewährleistet dabei die hohe Differenz zwischen der Drehzahl des mindestens einen Elektromotors und der Drehzahl des Getriebes, dass beim Starten des Verbrennungsmotors die Eingangsdrehzahl (Pumpendrehzahl) des Drehmomentwandlers nicht unter die Ausgangsdrehzahl (Turbinendrehzahl) fällt, wodurch das Drehmoment, mit welchem das Fahrzeug von dem mindestens einen Elektromotor angetrieben wird, im Wesentlichen konstant gehalten wird.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Antrieb für ein Fahrzeug bereitgestellt, welcher mindestens einen Elektromotor und einen Verbrennungsmotor umfasst. Dabei ist der Antrieb derart ausgestaltet, dass der Antrieb mittels des mindestens einen Elektromotors eine Rotationsenergie aufbaut während der mindestens eine Elektromotor das Fahrzeug mit einem vorbestimmten Drehmoment antreibt. Darüber hinaus ist der Antrieb derart ausgestaltet, dass er den Verbrennungsmotor mit zumindest einem Teil der Rotationsenergie startet, ohne dabei das vorbestimmte Drehmoment, mit welchem der mindestens eine Elektromotor das Fahrzeug antreibt, wesentlich zu ändern.
  • Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst der Antrieb einen Drehmomentwandler, welcher zwischen dem mindestens einen Elektromotor und einem Getriebe des Fahrzeugs angeordnet ist. Mit Hilfe des Drehmomentwandlers wird das vorbestimmte Drehmoment, mit welchem der mindestens eine Elektromotor das Fahrzeug antreibt, auch dann konstant gehalten, wenn die Rotationsenergie aufgebaut oder abgebaut wird. Dazu stellt der Antrieb einen Schlupf des Drehmomentwandlers, mit welchem der Drehmomentwandler die Drehzahl des Elektromotors auf die Drehzahl des Getriebes überträgt, entsprechend ein.
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Antriebs entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche vorab im Detail ausgeführt worden sind, so dass hier auf eine Wiederholung verzichtet wird.
  • Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitgestellt, welches einen erfindungsgemäßen Antrieb umfasst.
  • Durch die vorliegende Erfindung kann die Startmomentreserve oder Wiederstartmomentreserve im Vergleich zum Stand der Technik deutlich (z. B. um 50%) abgesenkt werden, so dass ein größerer Teil des von mindestens einem Elektromotor erzeugbaren Drehmoments zum Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt werden kann. Mit anderen Worten wird der E-Fahrbereich unter Beibehaltung einer guten Wiederstartqualität vergrößert.
  • Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für Hybridfahrzeuge geeignet, welche mindestens einen Elektromotor mit einer vergleichsweise geringen Leistung aufweisen. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich eingeschränkt, da die Erfindung auch bei Hybridfahrzeugen eingesetzt werden kann, welche mindestens einen Elektromotor mit einer vergleichsweise hohen Leistung aufweisen. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung auch bei Schiffen, Flugzeugen sowie gleisgebundenen oder spurgeführten Fahrzeugen einsetzbar.
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu der Zeichnung beispielhaft im Detail beschrieben.
  • Die einzige Figur stellt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antrieb dar.
  • In der einzigen Figur ist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10 dargestellt, welches einen erfindungsgemäßen Antrieb 20 und ein damit gekoppeltes Getriebe 6 umfasst. Der Antrieb 20 umfasst seinerseits einen Verbrennungsmotor 1 und einen Elektromotor 3, wobei sowohl mit dem Verbrennungsmotor 1 als auch mit dem Elektromotor 3 das Fahrzeug 10 angetrieben werden kann. Zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und dem Elektromotor 3 befindet sich eine Trennkupplung 2, welche beispielsweise geöffnet ist, wenn der Verbrennungsmotor 1 nicht läuft. Zwischen dem Elektromotor 3 und dem Getriebe 6 befindet sich ein Drehmomentwandler 4 (z. B. eines Automatikgetriebes des Fahrzeugs 10) und eine Wandlerüberbrückungskupplung 5. Während der Drehmomentwandler 4 eingesetzt wird, wenn sich die Drehzahlen des Elektromotors 3 und des Getriebes 6 wesentlich unterscheiden, wird die Wandlerüberbrückungskupplung 5 eingesetzt, wenn die Drehzahlen des Elektromotors 3 und des Getriebes 6 im Wesentlichen übereinstimmen. Darüber hinaus kann mit der Wandlerüberbrückungskupplung ein Zustand eines geregelten Wandlerschlupfes realisiert werden. Bei diesem Zustand handelt es sich um einen Zwischenzustand zwischen der geöffneten Wandlerüberbrückungskupplung und der geschlossenen Wandlerüberbrückungskupplung, wobei dieser Zustand insbesondere bei Starts eingesetzt wird.
  • Um im laufenden Betrieb, in welchem das Fahrzeug 10 allein durch den Elektromotor 3 angetrieben wird, den Verbrennungsmotor 1 zu starten, wird der Antrieb 20 in einen besonderen Betriebsmodus geschaltet. Das Fahrzeug 10 kann auch in einer alternativen Ausführungsform durch zwei Elektromotoren 3 angetrieben werden. Darüber hinaus können auch drei oder mehr Elektromotoren 3 für den Antrieb im Fahrzeug 10 vorgesehen sein. In diesem Betriebsmodus, in welchem das Drehmoment des Elektromotors 3 mit Hilfe des Drehmomentwandlers 4 auf das Getriebe 6 übertragen wird, stellt der Antrieb 20 die Drehzahl des Elektromotors 3 derart ein (was in der Regel durch die Erhöhung der Drehzahl bewerkstelligt wird), dass der Elektromotor 3 sein maximal verfügbares Drehmoment aufweist. Erst wenn dies der Fall ist, wird der Verbrennungsmotor angeschleppt, indem die Trennkupplung 2 geschlossen wird. Da dazu die von dem Elektromotor 3 aufgebaute Rotationsenergie eingesetzt werden kann und da der Elektromotor 3 zu diesem Zeitpunkt sein maximal verfügbares Drehmoment aufweist, kann der Verbrennungsmotor 1 gestartet bzw. angeschleppt werden, ohne dass dabei das von dem Elektromotor 3 über den Drehmomentwandler 4 am Getriebe 6 bereitgestellte Drehmoment zum Antrieb des Fahrzeugs 10 geändert (abgesenkt) werden muss. Um dieses Drehmoment konstant zu halten, wird der Schlupf des Drehmomentwandlers 4 abhängig vom Eingangsdrehmoment am Drehmomentwandler 4 entsprechend eingestellt, um dadurch den durch das Anschleppen des Verbrennungsmotors 1 verursachten Drehzahleinbruch des Elektromotors 3 auszugleichen. Dazu muss die Eingangsdrehzahl des Drehmomentwandlers 4 während des gesamten Startablaufs höher sein als die Ausgangsdrehzahl des Drehmomentwandlers 4 (positiver Wandlerschlupf), was aufgrund der aufgebauten Rotationsenergie und des zum Startzeitpunkt maximalen Drehmoments des Elektromotors 3 der Falls ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006042922 A1 [0002]
    • DE 102004023673 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors (1) eines Fahrzeugs (10), wobei das Fahrzeug (10) den Verbrennungsmotor (1) und mindestens einen Elektromotor (3) zum Antrieb des Fahrzeugs (10) umfasst, wobei mittels des mindestens einen Elektromotors (3) eine Rotationsenergie aufgebaut wird während das Fahrzeug (10) durch den mindestens einen Elektromotor (3) mit einem Drehmoment angetrieben wird, und wobei mit zumindest einem Teil der aufgebauten Rotationsenergie der Verbrennungsmotor (1) gestartet wird, wobei bei dem Start des Verbrennungsmotors (1) das Drehmoment, mit welchem das Fahrzeug (10) von dem Elektromotor (3) angetrieben wird, innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs konstant gehalten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Toleranzbereich ±15% beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsenergie aufgebaut wird, indem ein Schlupf zwischen dem mindestens einen Elektromotor (3) und einem Getriebe (6) des Fahrzeugs (10) derart erhöht wird, dass das Drehmoment konstant bleibt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Starten des Verbrennungsmotors (1) mit zumindest einem Teil der Rotationsenergie ein Schlupf zwischen dem mindestens einen Elektromotor (3) und einem Getriebe (6) des Fahrzeugs (10) derart verringert wird, dass das Drehmoment konstant bleibt.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlupf in einem Drehmomentwandler erzeugt wird, welcher zwischen dem mindestens einen Elektromotor (3) und dem Getriebe (6) des Fahrzeugs (10) angeordnet ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Starten des Verbrennungsmotors (1) mit zumindest einem Teil der Rotationsenergie eine Drehzahl des mindestens einen Elektromotors (3) derart erhöht wird, dass der mindestens eine Elektromotor (3) sein maximal verfügbares Drehmoment aufweist.
  7. Antrieb für ein Fahrzeug (10), wobei der Antrieb (20) mindestens einen Elektromotor (3) und einen Verbrennungsmotor (1) umfasst, wobei der Antrieb (20) ausgestaltet ist, um mittels des mindestens einen Elektromotors (3) eine Rotationsenergie aufzubauen während der mindestens eine Elektromotor (3) das Fahrzeug (10) mit einem Drehmoment antreibt, und wobei der Antrieb (20) ausgestaltet ist, den Verbrennungsmotor (1) mit zumindest einem Teil der Rotationsenergie zu starten, wobei der Antrieb (20) bei dem Start des Verbrennungsmotors (1) das Drehmoment, mit welchem der mindestens eine Elektromotor (3) das Fahrzeug (10) antreibt, innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs konstant hält.
  8. Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (20) zudem einen Drehmomentwandler (4) umfasst, welcher zwischen dem mindestens einen Elektromotor (3) und einem Getriebe (6) des Fahrzeugs (10) angeordnet ist, dass der Antrieb (20) ausgestaltet ist, des Drehmoment, mit welchem der mindestens eine Elektromotor (3) das Fahrzeug (10) antreibt, mittels des Drehmomentwandlers (4) auch während eines Aufbaus oder eines Abbaus der Rotationsenergie konstant zu halten, indem der Antrieb (20) einen Schlupf des Drehmomentwandlers (4), mit welchem der Drehmomentwandler (4) eine Drehzahl des mindestens einen Elektromotors (3) auf eine Drehzahl des Getriebes (6) überträgt, entsprechend einstellt.
  9. Antrieb nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (20) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–6 ausgestaltet ist.
  10. Fahrzeug mit einem Antrieb (20) nach einem der Ansprüche 7–9.
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