DE102013209022B4

DE102013209022B4 - Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zum Betreiben der Starteranordnung.

Info

Publication number: DE102013209022B4
Application number: DE102013209022.6A
Authority: DE
Inventors: Eckhard KIRCHNER; Tobias Eckl; Hartmut Faust
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2016-07-07
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: DE102013209022A1; WO2014183756A1

Abstract

Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor umfassend einen Startermotor (10), ein Starterritzel (20) und ein Planetengetriebe (30) umfassend ein Sonnenrad (31), ein Hohlrad (32) und eine Mehrzahl von Planeten, wobei die Starteranordnung mindestens zwei Freiläufe (36, 37) umfasst und die Planeten mindestens einen ersten Planetensatz (34) und einen zweiten Planetensatz (35) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Startermotor (10) mit Mitteln zur Umkehr der Drehrichtung des Startermotors (10) versehen ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betreiben der Starteranordnung, die besonders vorteilhaft während einer aktivierten Motor-Start-Stopp-Funktion angewendet werden kann.
Hintergrund der Erfindung
Für die Verbrauchs- und Schadstoffemissionsreduzierung von herkömmlichen Verbrennungsmotoren existieren diverse Fahrzeugkonzepte zur Abschaltung des Verbrennungsmotors in bestimmten Betriebszuständen.
Derartige Funktionen werden unter anderem als (Motor-)Start-Stopp-Funktionen bezeichnet, die abhängig von den Betriebsanforderungen des Fahrzeugs aktiviert oder deaktiviert werden können. Im aktivem Zustand schalten diese den Verbrennungsmotor selbst bei kurzzeitigem Stillstand des Fahrzeugs ab bzw. nehmen diesen wenn erforderlich wieder in Betrieb.
Gewöhnlich werden Verbrennungskraftmaschinen im Kraftfahrzeug mittels eines elektrischen Starters auf die zur Zündung erforderliche Drehzahl gebracht. Eine solche E-Maschine hat eine feste Übersetzung und bringt unabhängig von den Umgebungsbedingungen und den Betriebsparametern des Kraftfahrzeugs immer das gleiche Drehmoment für den Start auf. Dies gilt sowohl für den Ritzelstarter als auch für Riemenstartsysteme.
Bislang war es notwendig, dass von Motor-Start-Stopp-Funktionen angesteuerte Starteinrichtungen für Verbrennungsmotoren für Startvorgänge in ungünstigen Betriebsbereichen ausgelegt sein mussten, um auch bei niedrigen Betriebstemperaturen den Verbrennungsmotors jederzeit sicher starten zu können. Das bedeutet, dass herkömmliche Starteinrichtungen aber auch in vielen Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors ein Antriebsmoment zur Verfügung stellen, das ein zum Starten des Verbrennungsmotors erforderliches Startantriebsmoment übersteigt.
Der Nachteil derartiger Starter-Systeme liegt also darin, dass der Starter immer für die Anforderungen eines Kaltstarts ausgelegt sein muss und damit ein hohes Drehmoment bei niedriger Maximaldrehzahl bereitgestellt wird. Auch bei den geringeren Lasten im Warmstart-Betrieb erhöht sich dann trotz geringeren notwendigen Drehmoments die Maximaldrehzahl nicht signifikant, was jedoch wünschenswert wäre.
Die US 2 600 762 A beschreibt einen Startergenerator für einen Verbrennungsmotor mit einem Startermotor, einem Starterritzel, einem Hohlrad und einer Mehrzahl von Planeten und zwei Freiläufen. Die Planeten umfassen zwei Planetensätze.
Um die wünschenswerten unterschiedlichen Drehmomente aufzubringen, könnte man zwei Starterritzel verwenden, was jedoch nicht die erwünschte Kostenersparnis mit sich brächte. Der Einbau von zwei Startern mit unterschiedlichem Leistungsspektrum oder auch die Anwendung eines Starters mit einer schaltbaren Übersetzung, beispielsweise mit einem schaltbaren Planetengetriebe, wofür ein separater Aktuator notwendig wäre, stellt ebenso keine kostengünstige Lösung dar.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Starteranordnung zu schaffen, die mit nur einem Starterritzel auskommt und dennoch zwei unterschiedliche Übersetzungen bereitstellt, um sowohl den Bedarf eines hohen Drehmoments bei niedriger erreichbarer Drehzahl für einen Kaltstart bereitstellen zu können, als auch eine hohe Drehzahl bei nur niedrigem notwendigen Drehmoment für einen Warmstart zu ermöglichen.
Um eine kostengünstige Systemlösung zu erzielen und bauliche Veränderungen an bestehenden Fahrzeugkonzepten zu minimieren, soll das aus dem Stand der Technik bekannte Konzept eines eingängigen Ritzelstarters beibehalten werden.
In derartigen bekannten eingängigen Ritzelstartern ist bislang ein einstufiges, einfaches Planetengetriebe verbaut, um bei Drehzahlerhaltung zwischen dem elektrischen Motor und dem Antrieb der Ritzel-Mechanik eine Übersetzung ins Langsame (Untersetzung) zu realisieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Starteranordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einem Verfahren zum Betrieb der Starteranordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
Der erfindungsgemäßen Starteranordnung liegt eine Konstruktionsidee für einen Ritzelstarter zugrunde, der es erlaubt, entweder ein höheres Startmoment für den Kaltstart zu erzeugen oder bei einem Warmstart den Motor auf eine höhere Drehzahl vor der ersten Zündung zu beschleunigen. Dafür wird ein aus dem Stand der Technik bekannter Starter um einige Komponenten erweitert:
Als Startermotor wird ein drehrichtungsvariabel zu betreibender Elektromotor verwendet, der für beide Drehrichtungen mit derselben Drehgeschwindigkeit geschaltet werden kann. Die Drehrichtungsumkehr kann dabei bespielsweise durch ein Wenderelais erfolgen. Ferner wird ein aus dem Stand der Technik bekannter einfacher Planetensatz durch einen doppelten Planetensatz ersetzt.
Je ein Planetenrad des ersten Planetensatzes steht dabei im Eingriff mit einem Planetenrad des zweiten Planetensatzes. Die Planeten des ersten Satzes greifen außerdem in das Sonnenrad, und die Planenten des zweiten Satzes greifen in das Hohlrad.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat das erfindungsgemäße Planetengetriebe eine positive Standübersetzung, übersetzt also bei feststehendem Steg/Planetenträger in eine niedrigere Drehzahl. Bevorzugt werden ferner zwei einfache Freiläufe an geeigneter Stelle integriert. Ein erster Freilauf befindet sind vorzugsweise zwischen Hohlrad und Startermotor und ein zweiter Freilauf befindet sich vorzugsweise zwischen Sonnenrad und Steg.
Die damit erzielbaren zwei verschiedenen Übersetzungen des Planetengetriebes sind einerseits geeignet für einen Start mit großem Drehmoment, also für einen Erststart oder Kaltstart, und andererseits für einen Start mit hoher Drehzahl, also für einen Wiederstart aus dem Stopp-Modus im Start-Stopp-Betrieb.
Erfindungsgemäß wird diese Anordnung somit in einer bevorzugten Ausführungsform folgendermaßen betrieben:
Im Kaltstart-Modus (Hochmomentenstart) wird die elektrische Maschine in einer Drehrichtung betrieben, die entgegengesetzt gerichtet ist zu der Drehrichtung des Starterritzels. Durch die Ausführung des Planetensatz wird bei stehendem Hohlrad der Steg in gegensinnige Richtung wie das treibende Sonnenrad gedreht. Dabei sperrt der erste Freilauf zwischen Hohlrad und Startermotor. Der zweite Freilauf, der zwischen Sonnenrad und Steg angeordnet ist, rutscht in diesem Betriebszustand durch. Durch die damit erreichte Übersetzung in eine geringere Drehzahl wird das Drehmoment verstärkt und der Verbrennungsmotor kann wie im Stand der Technik bei etwa 250 1/min gestartet werden. Für diese Anordnung sind keine baulichen Änderungen an den Schnittstellen zum Starterritzel, zum Getriebe oder zum Verbrennungsmotor verglichen mit bekannten Konstruktionen notwendig.
Lediglich der Elektromotor des Starters muss durch die Integration geeigneter Mittel zur Drehrichtungsumkehr – also beispielsweise durch ein Wenderelais – in wechselnder Drehrichtung betreibbar ausgestattet werden.
Im Warmstart-Modus (Hochdrehzahlstart) wird die elektrische Maschine durch derartige Mittel zur Drehrichtungsumkehr in entgegengesetzter Richtung – nunmehr also in der beabsichtigen Drehrichtung des Starterritzels – betrieben. In diesem Betriebsmodus sperrt der zweite Freilauf, der zwischen Sonnenrad und Steg angeordnet ist, und der Planetensatz wird in einer Einheitsübersetzung betrieben. Der erste Freilauf zwischen dem Hohlrad und dem Startergehäuse rutscht dabei durch. Aufgrund der hierbei also fehlenden Übersetzung in eine langsamere Drehzahl kann der Verbrennungsmotor nun bei hoher Drehzahl, gestartet werden, was den Startkomfort deutlich erhöht. Das gegenüber dem ersten Betriebsmodus deutlich geringere Drehmoment reicht für einen Warmstart aus.
Die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in besonderem Maße für den Einbau in Fahrzeugen mit konventionellen Verbrennungskraftmaschinen, bei denen über die Möglichkeit eines Hochdrehzahlstarts der Komfort beim Wiederstart des Verbrennungsmotors ohne Einsatz eines Riemen-Starter-Generators gesteigert werden soll, ohne dass dabei jedoch die notwendige Kaltstart-Fähigkeit eingebüßt wird.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung besteht die Möglichkeit, ein ausreichend großes Drehmoment für die wenigen „echten” Kaltstartvorgänge aufzubringen, ohne die Starteranordnung zu groß dimensionieren zu müssen. Gleichzeitig kann damit ein kostengünstiges Basis-Start-Stopp System realisiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt, die nachfolgend detailliert beschrieben sind, wobei sich die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung des Planetengetriebes in einem Standard-Ritzelstarter des Standes der Technik,
2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäß modifizierten Planetengetriebes,
3 eine Seitenansicht des Planetengetriebes,
4 eine Schnittdarstellung des Planetengetriebes
5 eine weitere Schnittdarstellung des Planetengetriebes
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In 1 ist das Prinzip eines Planetengetriebes in einem Standard-Ritzelstarter des Standes der Technik dargestellt. Erkennbar ist zwischen dem Startermotor 10 und dem Starterritzel 20 ein Planetengetriebe 30'.
2 zeigt schematisch eine Anordnung mit dem erfindungsgemäß modifizierten Planetengetriebe. Erkennbar sind zwischen dem Startermotor 10 und dem Starterritzel 20 eine Ausführung des erfindungsgemäßen Planetengetriebes 30. Dieses umfasst das Sonnenrad 31, das Hohlrad 32, den ersten Planetensatz 34, den zweiten Planetensatz 35, den ersten Freilauf 36, den zweiten Freilauf 37. Je ein Planet des ersten Planetensatzes 34 steht mit einem Planeten des zweiten Planetensatzes 35 in Eingriff. Die Planeten des ersten Planetensatzes 34 stehen außerdem mit dem Sonnenrad 31 in Eingriff, und die Planeten des zweiten Planetensatzes 35 stehen mit dem Hohlrad 32 in Eingriff. Nicht dargestellt ist in dieser Darstellung das Wenderelais, mit Hilfe dessen die Drehrichtung des Startermotors 10 geändert werden kann.
3 zeigt eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Planetengetriebes 30 mit Hohlrad 32, Steg 33, erstem Planetensatz 34 und zweitem Planetensatz 35.
4 zeigt eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Planetengetriebes 30 mit Sonnenrad 31, Hohlrad 32, Steg 33, erstem Planetensatz 34 und zweitem Planetensatz 35.
5 zeigt eine weitere Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Planetengetriebes 30 mit Sonnenrad 31, Hohlrad 32, Steg 33, erstem Planetensatz 34 und zweitem Planetensatz 35.
Bezugszeichenliste

10: Startermotor
20: Starterritzel
30: Planetengetriebe
31: Sonnenrad
32: Hohlrad
33: Steg
34: erster Planetensatz
35: zweiter Planetensatz
36: erster Freilauf
37: zweiter Freilauf

Claims

Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor umfassend einen Startermotor (10), ein Starterritzel (20) und ein Planetengetriebe (30) umfassend ein Sonnenrad (31), ein Hohlrad (32) und eine Mehrzahl von Planeten, wobei die Starteranordnung mindestens zwei Freiläufe (36, 37) umfasst und die Planeten mindestens einen ersten Planetensatz (34) und einen zweiten Planetensatz (35) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Startermotor (10) mit Mitteln zur Umkehr der Drehrichtung des Startermotors (10) versehen ist.
Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Freilauf (36) zwischen Hohlrad (32) und Startermotor (10) angeordnet ist.
Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Freilauf (37) zwischen Sonnenrad (31) und Steg (33) angeordnet ist.
Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Planetensatz (34) mit dem Sonnenrad (31) in Eingriff steht.
Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Planetensatz (35) mit dem Hohlrad (32) in Eingriff steht.
Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Planet des ersten Planetensatzes (34) mit einem Planeten des zweiten Planetensatzes (35) in Eingriff steht.
Verfahren zum Betreiben der Starteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Startermotor (10) in einer ersten Drehrichtung entgegen der Drehrichtung des Starterritzels (20) betrieben wird, wobei der erste Freilauf (36) sperrt und der zweite Freilauf (37) durchrutscht.
Verfahren zum Betreiben der Starteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Startermotor (10) in einer zweiten Drehrichtung betrieben wird, wobei der erste Freilauf (36) durchrutscht und der zweite Freilauf (37) sperrt.