DE102013219948A1

DE102013219948A1 - Verfahren zum Betreiben einer Starteranordnung

Info

Publication number: DE102013219948A1
Application number: DE102013219948.1A
Authority: DE
Inventors: Eckhard KIRCHNER; Sebastian Sommerkorn
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-10-01
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2015-04-23
Anticipated expiration: 2033-10-02
Also published as: DE102013219948B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor, das besonders vorteilhaft während einer aktivierten Motor-Start-Stopp-Funktion angewendet werden kann.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor, das 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.
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.
Als Betriebsstrategie der sogenannten Motor-Start-Stopp-Funktion ist es bekannt, dass zur Einsparung von Kraftstoff und Emissionen der Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug in Standphasen wenn möglich abgeschaltet wird. Beispielsweise wird eine solche Methode bei kurzen Stopps, wie an Ampeln oder Verkehrsbehinderungen angewendet. Zum Wiederstart des Verbrennungsmotors ist in den meisten Fahrzeugen ein Ritzelstarter nötig, der in den Zahnkranz des Verbrennungsmotors eingreift und den Motor startet.
Eine bekannte Betriebsstrategie folgt beispielsweise dem Ablaufschema der 1b, dass der Quelle www.opel-blog.com entnommen wurde. Aus dieser geht hervor, dass mehrere Parameter nötig sind, um in den Zustand des Autostopp zu gelangen. Wiederum wird beim Wiederstart unterschieden, ob der Motor durch den Fahrer oder durch das System erfolgt:
Der Nachteil eines solchen Systems liegt darin, dass der Starter und dessen Betriebsstrategie auf die Anforderungen eines Kaltstarts ausgelegt ist und somit den Verbrennungsmotor immer mit dem gleichen Drehmoment startet.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren für den Betrieb einer Starteranordnung aufzuzeigen, das nur ein Starterritzel mit zwei unterschiedlichen Übersetzungen nutzt, 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 Verfahren das aus dem Stand der Technik bekannte Konzept eines eingängigen Ritzelstarters nutzen. 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. Nunmehr soll ein zweigängiger Ritzelstarter verwendet werden, der entweder ein höheres Startmoment bei niedriger Drehzahl für den Kaltstart bereitstellt oder beim Warmstart den Motor auf eine höhere Drehzahl bei geringerem Startmoment vor der ersten Zündung beschleunigt.
Dabei soll eine Verschleißschutz-Funktion für den Elektromotor der Starteranordnung realisiert werden, jedoch das Verhalten der konventionellen Betriebsstrategie eines Start-Stopp Systems nicht beeinflusst werden und dabei weder in die Vorbereitung der Stopp-Phase noch in den Wiederstartprozess eingegriffen werden, um eine kostengünstige und kundenunabhängige Systemintegration zu realisieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren zum Betrieb einer Starteranordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt zunächst die Verwendung einer 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 verwendet das Verfahren einen Ritzelstarter, der den aus dem Stand der Technik bekannten 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 beispielsweise 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 kann sich vorzugsweise zwischen Hohlrad und Startermotor und ein zweiter Freilauf bevorzugsweise zwischen Sonnenrad und Steg befinden.
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.
Durch die Integration zweier Steuerungsparameter und unabhängiger Steuerungsverfahrenschritte in dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich die angestrebte Verschleißschutz-Funktion für den Elektromotor der Starteranordnung und der Umstand, dass das Verhalten einer konventionellen Betriebsstrategie eines Start-Stopp Systems nicht beeinflusst wird und weder in die Vorbereitung der Stopp-Phase noch in den Wiederstartprozess eingegriffen wird, so dass eine kostengünstige und kundenunabhängige Systemintegration zu realisiert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch 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.
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:
1a eine Prinzipdarstellung des Planetengetriebes in einem Standard-Ritzelstarter des Standes der Technik,
1b ein Ablaufschema einer bekannten Betriebsstrategie,
2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäß modifizierten Planetengetriebes,
3 eine Seitenansicht des Planetengetriebes,
4 eine Schnittdarstellung des Planetengetriebes
5 eine weitere Schnittdarstellung des Planetengetriebes,
6 Ablaufschema der erfindungsgemäßen Betriebsstrategie für eine Anordnung nach einer der 2 bis 5.
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'.
1b zeigt ein Ablaufschema einer bekannten Betriebsstrategie Quelle: www.opel-blog.com).
2 zeigt schematisch eine Anordnung mit dem für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete 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 Planetengetriebes 30 mit Hohlrad 32, Steg 33, erstem Planetensatz 34 und zweitem Planetensatz 35.
4 zeigt eine Schnittdarstellung des Planetengetriebes 30 mit Sonnenrad 31, Hohlrad 32, Steg 33, erstem Planetensatz 34 und zweitem Planetensatz 35.
5 zeigt eine weitere Schnittdarstellung des Planetengetriebes 30 mit Sonnenrad 31, Hohlrad 32, Steg 33, erstem Planetensatz 34 und zweitem Planetensatz 35.
5 zeigt ein Ablaufschema der erfindungsgemäßen Betriebsstrategie für eine Anordnung nach einer der 2 bis 5. Mit dem Schlüsselstart wird durch den initialisierten Kaltstart der Verbrennungsmotor gestartet. Dabei werden zwei mitlaufende Rechenparameter i und j auf einen vordefinierten Wert (im vorliegenden Beispiel: i = 0 und j = 10) gesetzt. Die Abfrage nach den Bedingungen für den Start-Stopp Modus wird wie im Stand der Technik bekannt abgefragt. Sind die Bedingungen erfüllt, schaltet das Motorsteuergerät in die Stopp-Phase. Eine Einschaltaufforderung wird entweder durch den Fahrer selbst oder durch vorab definierte Systemparameter eingeleitet.
Danach besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, dass das Motorsteuergerät eine Abfrage auslöst, ob ein Kaltstart für den Verschleißschutz notwendig ist. Diese Abfrage ist nach jedem Zyklus (Start-Fahren-Stop) aktiv. Sind die Rechenparameter noch nicht erreicht (d. h. für das vorliegende Beispiel: ist i kleiner als 10 oder j noch größer als 0, dann wird der Verbrennungsmotor mit einem Warmstart gestartet. Die Rechenparameter werden mit jedem Zyklus verändert. Im vorliegenden Beispiele wird i um 1 nach oben gesetzt und j um 1 nach unten gesetzt) und der Fahrbetrieb kann wieder aufgenommen werden.
Wenn ein Kaltstart aufgrund von Verschleißschutzgründen notwendig ist, also wenn die Rechenparameter vorgegebene Verschleißparameter (für i ist der Verschleißparameter im Beispiel 10 und für j ist er im Beispiel 0) erreicht haben, wird der Verbrennungsmotor mit einem Kaltstart gestartet. Dabei werden die Rechenparameter wieder auf die Ausgangswerte (hier i = 0 und j = 10) gesetzt und der Fahrbetrieb kann wieder fortgeführt werden. Dieser Verschleißschutz sorgt für einen regelmäßigen Drehrichtungsumkehr des Startermotors, so dass ein Einschleifen des Motors bzw. Einlaufen von Kohlebürsten in kostengünstigen Elektromotorbauformen vermieden werden kann.
Diese erfindungsgemäße Betriebsstrategie basiert auf der Abfrage um einen Wiederstart im Start-Stopp-Modus und greift somit nicht in die bestehenden Betriebsparameter der Stopp-Phase ein. Dadurch bleibt die Grundlage des bekannten Start-Stopp Systems erhalten, erweitert diese jedoch um eine verschleißarme Nutzung eines zweigängigen Ritzelstarters.
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

Verfahren zum Betreiben einer Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor umfassend einen Startermotor (10), ein Starterritzel (20) und ein Planetengetriebe (30), wobei der Verbrennungsmotor durch einen Kaltstart oder einen Warmstart gestartet werden kann, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte Dabei werden zwei mitlaufende Rechenparameter i und j auf einen vordefinierten Wert (im vorliegenden Beispiel: i = 0 und j = 10) gesetzt. i. Kaltstart des Verbrennungsmotors ii. Abfrage einer Bedingungen für einen Motorstopp des Verbrennungsmotors während eines Fahrzeugstillstands iii. gemäß dem Ergebnis der Abfrage Verbrennungsmotorbetrieb aufrechterhalten oder Verbrennungsmotor stoppen iv. falls Verbrennungsmotor im Motor-Stopp-Zustand: Aufforderung zum Start des Verbrennungsmotors entgegennehmen v. Abfrage, ob mindestens ein Kaltstartparameter eine vorgegebene Kaltstart-Bedingung erfüllt vi. falls mindestens eine Kaltstart-Bedingung erfüllt ist: Kaltstart und Schritte i. bis v. durchführen vii. falls keine Kaltstart-Bedingung erfüllt ist: Warmstart Veränderung des mindestens einen Kaltstartparameters und Schritte ii. bis v. durchführen
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Kaltstartparameter 0 ist und die vorgegebene Kaltstart-Bedingung n ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein weiterer Kaltstartparameter n ist und die vorgegebene Kaltstart-Bedingung 0 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Startermotor (10) in einer ersten Drehrichtung entgegen der Drehrichtung des Starterritzels (20) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die erste Drehrichtung für den Kaltstart vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Startermotor (10) in einer zweiten Drehrichtung betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die zweite Drehrichtung für den Warmstart vorgesehen ist.