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Die Erfindung betrifft einen Anlasser und ein Verfahren zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges.
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Zum Start einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges werden heute typischerweise Elektrostarter verwendet. Weitverbreitet ist beispielsweise die Verwendung eines Anlassers mit einem Starterritzel, das axial verschiebbar ist und so in Eingriff mit einem Schwungrad der Verbrennungskraftmaschine gelangen kann. Zum Starten der Verbrennungskraftmaschine wird das Starterritzel durch einen Schiebeanker eingespurt und der Elektromotor bestromt. Durch die so erwirkte Drehung des Schwungrads wird die Verbrennungskraftmaschine gezündet. Läuft die Verbrennungskraftmaschine, so wird das Starterritzel durch den Schiebeanker wieder vom Schwungrad zurückgezogen.
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Derartige Anlasser haben kurzzeitig einen Energiebedarf von 2 kW und mehr. In klassischen 12-Volt-Bordnetzen führt dies dazu, dass die Batterie so sehr belastet wird, dass für andere Verbraucher zu wenig Spannung zur Verfügung steht. Bei einem Kaltstart, bei dem das Fahrzeug nach einer längeren Abstellphase wieder in Betrieb genommen wird, ist dies meist akzeptabel, da viele Systeme im Stillstand nicht benötigt werden (beispielsweise das ABS-System) oder die einmalige kurze Komforteinbuße (zum Beispiel beim Radio) als nicht weiter störend empfunden wird.
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Bei einem Warmstart können derartige Unterbrechungen jedoch die Fahrsicherheit und auch den Fahrtkomfort beeinträchtigen, vor allem, wenn sie häufig vorkommen. Warmstarts während des Fahrbetriebs treten beispielsweise auf, wenn das Fahrzeug über eine Start-Stop-Automatik verfügt, einen Hybridmotor hat, bei dem die Verbrennungskraftmaschine im laufenden Fahrbetrieb zugeschaltet wird, oder auch beim sogenannten Segeln, wo zum Treibstoffsparen der Motor während einer Rollphase abgeschaltet wird.
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Um die beim Warmstart entstehende Lastspitze abzudecken, ist bisher beispielsweise eine zusätzliche zweite Batterie vorgesehen, die zum Starten des Fahrzeugs verwendet wird. Dies ist aber aufgrund des zusätzlichen Gewichts und zusätzlichen Platzbedarfs nachteilig.
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Andere Arten von Anlasser, die beispielsweise pneumatisch arbeiten, sind von Großdieselmotoren bekannt, haben sich aber bei Kraftfahrzeugen nicht durchgesetzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Anlasser bezüglich des Platzbedarfs und des Gewichts zu optimieren und ein Verfahren zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine zu optimieren.
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Erfindungsgemäß weist hierzu ein Anlasser für eine Verbrennungskraftmaschine einen Elektromotor, einen Hydraulik-/Pneumatikwandler, der mit dem Elektromotor gekoppelt ist, sowie einen Druckspeicher auf, der an den Hydraulik-/Pneumatikwandler angeschlossen ist. Erfindungsgemäß wird also ein Elektrostarter mit einem Hydraulikstarter kombiniert, um die Vorteile aus beiden Systemen zu nutzen. Die im Druckspeicher gespeicherte Energie wird in einem Starterbetrieb über den Hydraulik-/Pneumatikwandler in eine Drehbewegung übersetzt, die die Wirkung des Elektromotors verstärken oder ersetzen kann. Da durch die der Verbrennungsmaschine über den Hydraulik-/Pneumatikwandler zugeführte Energie das Bordnetz entlastet wird, können so auf einfache Weise störende Lastspitzen vermieden werden.
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Vorzugsweise wird in einem Ladebetrieb der Elektromotor eingesetzt, um den Druckspeicher wieder aufzuladen. Der Hydraulik-/Pneumatikwandler kann beispielsweise so mit einer Abtriebswelle des Elektromotors verbunden sein, dass er von dieser in einem Ladebetrieb angetrieben wird. Im Starterbetrieb treibt hingegen der Hydraulik-/Pneumatikwandler die Abtriebswelle an.
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Im Ladebetrieb kann der Hydraulik-/Pneumatikwandler die Rotationsbewegung der Abtriebswelle des Elektromotors verwenden, um Druck im Druckspeicher zu erzeugen. Umgekehrt kann im Starterbetrieb das im Druckspeicher gespeicherte, unter Druck stehende Arbeitsfluid genutzt werden, um über den Hydraulik-/Pneumatikwandler die Abtriebswelle in Drehung zu versetzen.
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Der Hydraulik-/Pneumatikwandler kann beispielsweise ein Turbinenrad aufweisen, das auf der Abtriebswelle des Elektromotors sitzt und ein Arbeitsfluid, beispielsweise eine Hydraulikflüssigkeit oder ein Gas, bewegt bzw. durch dieses bewegt wird. Es kann auch eine Kolbenmaschine verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hydraulik-/Pneumatikwandler ein Hydraulikwandler, der mit einem Hydraulikfluid arbeitet. Es wäre aber auch möglich, einen pneumatischen, also mit einem Arbeitsgas betriebenen Wandler vorzusehen.
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Der Druckspeicher steht vorteilhaft in Fluidkontakt mit dem Hydraulik-/Pneumatikwandler, sodass das Arbeitsfluid vom Hydraulik-/Pneumatikwandler zum Druckwandler transportiert werden kann und umgekehrt vom Druckwandler zurück zum Hydraulik-/Pneumatikwandler fließen kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Druckspeicher ein Druckgas, das im Ladebetrieb durch das Arbeitsfluid komprimiert wird bzw. das im Starterbetrieb das Arbeitsfluid verdrängt, wenn es sich entspannt.
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Der Druckspeicher kann beispielsweise einen Hohlraum aufweisen, der durch ein bewegliches Trennmittel, insbesondere durch eine Membran, in zwei Fluidräume unterteilt ist, wobei der erste Fluidraum vorzugsweise abgeschlossen ist und ein Gas enthält, während der zweite Fluidraum mit dem Hydraulik-/Pneumatikwandler in Fluidkontakt steht und mit dem Arbeitsfluid befüllbar ist.
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Um ein geschlossenes System zu erhalten, ist vorzugsweise ein Vorratsbehälter vorgesehen, der an den Hydraulik-/Pneumatikwandler angeschlossen ist, und aus dem das in den Druckspeicher eingebrachte Arbeitsfluid entnommen wird bzw. in den das aus dem Druckspeicher abfließende Arbeitsfluid zurückfließt.
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Zwischen dem Hydraulik-/Pneumatikwandler und dem Druckspeicher ist bevorzugt ein Ventil vorgesehen, das ein Rückströmen von Arbeitsfluid aus dem Druckspeicher und damit ein Entspannen des Druckgases im Druckspeicher verhindert. So lässt sich der Druckspeicher nach dem Befüllen (Aufladen) auf einfache Weise abkoppeln, um die dort gespeicherte Energie für den nächsten Startvorgang zu speichern.
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Es ist auch möglich, das Ventil dazu einzusetzen, eine Bewegung des Hydraulik-/Pneumatikwandlers nach dem Starten der Verbrennungskraftmaschine zu stoppen, indem das Ventil geschlossen und so der Arbeitsfluidstrom unterbrochen wird.
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Vorzugsweise ist der Anlasser nach dem bekannten Prinzip aufgebaut, bei dem im Starterbetrieb ein Schiebeanker ein mit diesem verbundenes Starterritzel in Eingriff mit dem Schwungrad der Verbrennungskraftmaschine bringt. Im Ladebetrieb hält jedoch der Schiebeanker das Starterritzel außer Eingriff mit dem Schwungrad.
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Zwischen der Abtriebswelle des Elektromotors und dem Starterritzel sollte ein Freilauf angeordnet sein, der verhindert, dass die laufende Verbrennungskraftmaschine das noch eingespurte Starterritzel und somit den Elektromotor und den Hydraulik-/Pneumatikwandler mit einer zu hohen Drehzahl dreht.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine, das mit einem der oben beschriebenen Anlasser durchgeführt werden kann, ist ein in Fluidkontakt mit einem Druckspeicher stehender Hydraulik-/Pneumatikwandler mit einem Elektromotor gekoppelt, wobei der Druckspeicher in einem Ladebetrieb über den Elektromotor geladen wird und in einem Starterbetrieb der Hydraulik-/Pneumatikwandler den Elektromotor zumindest unterstützt.
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Beim Ladebetrieb dreht die Abtriebswelle des Elektromotors vorzugsweise in einer ersten Drehrichtung, die entgegen einer Startrichtung der Verbrennungskraftmaschine gerichtet ist. Der Elektromotor kann dabei mit geringer Leistung bei niedriger Drehgeschwindigkeit, aber mit hohem Drehmoment betrieben werden, um ohne starke Lastspitzen am Bordnetz den Hydraulik-/Pneumatikwandler anzutreiben und das Arbeitsfluid in den Druckspeicher zu fördern. im niedrigen Drehzahlbereich braucht der Elektromotor dabei ein höheres Drehmoment als der Hydraulik-/Pneumatikwandler, um diesen im Ladebetrieb antreiben zu können.
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Wenn der Anlasser ein Starterritzel aufweist, so sollte dieses im Ladebetrieb außer Eingriff mit dem Schwungrad der Verbrennungskraftmaschine sein, sodass der Elektromotor unabhängig von der Verbrennungskraftmaschine betrieben werden kann.
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Beim Starterbetrieb dreht hingegen die Abtriebswelle des Elektromotors in einer zweiten Drehrichtung, die in eine Startrichtung der Verbrennungskraftmaschine gerichtet ist, was dem normalen Betrieb eines Anlassers entspricht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform fördert der Hydraulik-/Pneumatikwandler im Ladebetrieb das Arbeitsfluid in den Druckspeicher, wobei das Druckgas komprimiert wird. Im Starterbetrieb strömt hingegen Arbeitsfluid aus dem Druckspeicher zum Hydraulik-/Pneumatikwandler und treibt diesen an.
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Im Starterbetrieb wirkt der Hydraulik-/Pneumatikwandler vorzugsweise zusätzlich zum Elektromotor und verhindert das Auftreten von Lastspitzen, die das Bordnetz in störendem Maß belasten würden. Es wäre jedoch auch denkbar, beispielsweise bei einem Warmstart die Verbrennungskraftmaschine ausschließlich über den Hydraulik-/Pneumatikwandler zu starten oder zumindest den Elektromotor mit einer geringeren Leistung zu betreiben als bei einem Kaltstart.
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Zur Optimierung des Anlassvorgangs kann die Verbrennungskraftmaschine zunächst langsam durch den Elektromotor an eine optimale Stelle gefahren werden, bevor der Elektromotor auf seine volle Startleistung beschleunigt und der Hydraulikwandler zugeschaltet wird. So lässt sich ein definierter, reproduzierbarer Startablauf schaffen.
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Der erfindungsgemäße Anlasser ist gut mit Lithium-Ionen-Batterien einsetzbar, die bei niedrigeren Temperaturen weniger Leistung liefern als bei normalen Umgebungstemperaturen, da die Leistungsdifferenz über das Zuschalten des Hydraulik-/Pneumatikwandlers ausgeglichen werden kann.
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Das Zusammenwirken des Elektromotors mit dem Hydraulik-/Pneumatikwandler kann auf vielfältige Weise gestaltet werden, was die Dauer, die (zeitabhängige) Leistung und Drehzahl des Elektromotors sowie einen Zeitversatz zwischen den beiden Antrieben angeht, um ein optimiertes Anlassverhalten für eine Vielzahl von Situationen zu erreichen. Hierzu ist vorteilhaft eine Steuereinheit vorgesehen, die den Elektromotor ansteuert sowie das Ventil schaltet, das den Hydraulik-/Pneumatikwandler kontrolliert, in der Steuerparameter für die jeweiligen Situationen abgelegt sind.
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Durch den erfindungsgemäßen Anlasser kann beispielsweise der Startvorgang gegenüber einem herkömmlichen Elektroanlasser beschleunigt werden, da bei höheren Drehzahlen insgesamt ein höheres Drehmoment aufgebracht werden kann und somit die Verbrennungskraftmaschine schneller anspringt. Daher werden auch Verluste durch eine zu hohe Belastung des Energiespeichers des Bordnetzes vermieden. Es kann unter Umständen auch ein kleiner ausgelegter Elektromotor verwendet werden.
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Aufgrund der Unterstützung des Elektromotors durch den Hydraulikwandler ist ein sicherer Startvorgang der Verbrennungskraftmaschine auch bei nachlassender Leistungsfähigkeit der Bordnetzbatterie noch gegeben.
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Durch eine entsprechende zeitabhängige Ansteuerung des Elektromotors durch die Steuereinheit lässt sich der Startkomfort erhöhen, indem die Unwucht einzelner Kompressionen durch eine mit der Zeit variierende Drehzahl des Elektromotors ausgeglichen wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Anlassers;
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2 bis 4 schematische Darstellungen des erfindungsgemäßen Anlassers während eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Anfassen einer Verbrennungskraftmaschine;
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5 eine schematische Darstellung des Verlaufs des Drehmoments über die Drehzahl für die einzelnen Komponenten eines erfindungsgemäßen Anlassers; und
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6 Kennlinien eines konventionellen Elektrostarters.
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1 zeigt einen Anlasser 10 für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, von der nur ein Schwungrad 12 angedeutet ist. Der Anlasser 10 weist einen Elektromotor 14 sowie einen Hydraulik-/Pneumatikwandler 16 auf, der auf einer Abtriebswelle 18 des Elektromotors 14 angeordnet ist. Auf der Abtriebswelle 18 sitzt auch ein herkömmliches Starterritzel 20, wobei dieses auf bekannte Weise über einen Freilauf 22 mit der Abtriebswelle 18 verbunden ist. Wie von herkömmlichen Elektrostartern bekannt, ist ein Schiebeanker 24 vorgesehen, der das Starterritzel 20 axial verschieben kann, um dieses in Eingriff mit dem Schwungrad 12 zu bringen oder von diesem zurückzuziehen.
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Die Ansteuerung des Schiebeankers 24 erfolgt hier über eine Steuereinheit 26, die über eine elektrische Leitung 28 mit einem nicht näher dargestellten Bordnetz und dessen Energiespeicher, beispielsweise einer herkömmlichen 12-Volt-Batterie, verbunden ist. Die Steuereinheit 26 ist auch mit dem Elektromotor 14 verbunden und regelt dessen Stromversorgung und Drehzahl.
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Der Hydraulik-/Pneumatikwandler 16 ist hier als Hydraulikwandler ausgebildet, der mit einer Hydraulikflüssigkeit als Arbeitsfluid 30 arbeitet. Im Folgenden wird der Hydraulik-/Pneumatikwandler 16 deshalb als Hydraulikwandler 16 bezeichnet. Es wäre aber auch möglich, einen Pneumatikwandler einzusetzen, der Luft oder ein anderes Gas als Arbeitsfluid verwendet.
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Der Hydraulikwandler 16 ist so mit der Abtriebswelle 18 des Elektromotors 14 verbunden, dass er von dieser angetrieben werden kann (Ladebetrieb) und diese antreiben kann (Starterbetrieb).
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Überschüssiges Arbeitsfluid 30 (siehe 2 bis 4) wird in einem Vorratsbehälter 32 gesammelt.
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Über Hydraulikleitungen 34 stehen der Vorratsbehälter 32 und der Hydraulikwandler 16 in Fluidkontakt mit einem Druckspeicher 36. Dieser weist in diesem Beispiel einen inneren Hohlraum auf, der durch ein verschiebbares Trennmittel, hier eine Membran 38, in zwei Fluidräume 40, 42 mit variablen Volumina unterteilt ist. Der Fluidraum 42 ist mit einem Gas gefüllt und gegenüber der Umgebung, auch gegenüber der Hydraulikleitung 34, abgeschlossen. Der Fluidraum 40 hingegen steht in Kontakt mit der Hydraulikdleitung 34, sodass Hydraulikflüssigkeit vom Fluidraum 40 zum Hydraulikwandler 16 strömen kann und umgekehrt. Durch Befüllen des Fluidraums 42 mit Hydraulikfluid wird die Membran 38 in Richtung des Fluidraums 40 bewegt und das Gas komprimiert. Entspannt sich hingegen das Gas im Fluidraum 40, so bewegt es die Membran 38 in Richtung des Fluidraums 42, und Hydraulikflüssigkeit wird aus dem Fluidraum 42 verdrängt.
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In der Hydraulikleitung 34 ist zwischen dem Druckspeicher 36 und dem Hydraulikwandler 16 ein Ventil 44 angeordnet, das den Fluss von Hydraulikflüssigkeit zulassen oder unterbinden kann. Das Ventil 44 wird über die Steuereinheit 26 geschaltet.
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Der Anlasser 10 kann als kompakte Baugruppe in einer Einheit zusammengefasst werden.
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Die Funktion des Anlassers 10 ist in den 2 bis 4 dargestellt.
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2 zeigt den Ladebetrieb, bei dem der Druckspeicher 36 aufgeladen wird. Die Steuereinheit 26 steuert den Elektromotor 14 so, dass dieser in einer ersten Drehrichtung dreht, die einer Drehrichtung zum Start der Verbrennungskraftmaschine entgegengesetzt ist. Das Starterritzel 20 ist dabei nicht in Eingriff mit dem Schwungrad 12.
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Der Elektromotor 14 läuft mit einer geringen Leistung mit einer niedrigen Drehgeschwindigkeit, jedoch mit einem hohen Drehmoment, und treibt den Hydraulikwandler 16 an. Das Ventil 44 ist geöffnet, sodass der Hydraulikwandler 16 aus dem Vorratsbehälter 32 Hydraulikfluid in den Fluidraum 40 des Druckspeichers 36 fördert, wodurch die Membran 38 verformt oder verschoben und das Gas im Fluidraum 42 komprimiert wird. Ist die gewünschte Kompression des Druckgases erreicht, wird der Ladevorgang beendet, indem das Ventil 44 geschlossen und der Elektromotor 14 abgestellt wird. Dieser Zustand ist in 3 dargestellt.
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4 zeigt die Situation im Starterbetrieb beim Starten der Verbrennungskraftmaschine. Die Steuereinheit 26 veranlasst den Schiebeanker 24 dazu, das Starterritzel 20 in das Schwungrad einzuspuren. Der Elektromotor 14 dreht die Antriebswelle 18 in Startrichtung, jedoch mit relativ geringer Leistung. Die Steuereinheit 26 veranlasst das Öffnen des Ventils 44, sodass unter Druck stehendes Hydraulikfluid aus dem Druckspeicher 36 zum Hydraulikwandler 16 strömt und diesen antreibt. Die Drehung des Hydraulikwandlers 16 unterstützt die Drehbewegung der Abtriebswelle 18, sodass genügend Energie zur Verfügung steht, um die Verbrennungskraftmaschine zu starten. Die maximale Leistung des Anlassers 10 ergibt sich beim Zusammenwirken des Elektromotors 14 mit dem Hydraulikwandler 16.
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Die Steuereinheit 26 sorgt stets dafür, dass die Leistungsaufnahme durch den Elektromotor 14 sich nicht störend auf das Bordnetz und die Versorgung von wichtigen Verbrauchern auswirkt.
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In einer möglichen Betriebsweise wird der Hydraulikwandler 16 hauptsächlich zur Beschleunigung des Schwungrades 12 eingesetzt, während der Elektromotor 14 die erreichte Drehzahl bis zum Einsetzen ausreichender Zündvorgänge der Verbrennungskraftmaschine hält. Der Druckspeicher 36 kann dann bereits vor Ende des Anlassvorgangs erschöpft sein. In diesem Fall ist zwischen dem Hydraulikwandler 16 und der Abtriebswelle 18 einen Freilauf vorgesehen, der den Hydraulikwandler 16 abkoppelt, wenn die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 14 die des Hydraulikwandlers 16 überschreitet (nicht dargestellt).
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Für einen Kaltstart kann der Elektromotor 14 optional auch mit höherer Leistung betrieben werden, wenn eine höhere Belastung des Bordnetzes im jeweiligen Fall akzeptabel ist. Dies kann durch die Steuereinheit 26 entschieden werden.
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Bei einem Warmstart ist es hingegen möglich, die Leistung des Elektromotors 14 zu reduzieren, wenn eine geringere Gesamtleistung von Elektromotor 14 und Hydraulikwandler 16 ausreicht, um die Verbrennungskraftmaschine zu starten.
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5 zeigt den Verlauf des Drehmoments über die Drehzahl des Verbrennungsmotors, wobei die Kurve 46 das Drehmoment des Elektromotors 14 beschreibt, die Kurve 48 das Drehmoment des Hydraulikwandlers 16 und die Kurve 50 die Summe der Drehmomente von Elektromotor 14 und Hydraulikwandler 16 (Kurve 46 plus Kurve 48). Die Kurve 52 stellt den Drehmomentverlauf für einen konventionellen Elektrostarter dar.
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In diesem Beispiel sind die Drehmomente so gewählt, dass das Gesamtdrehmoment, das vom Anlasser 10 bereitgestellt wird, stets über dem Drehmoment eines konventionellen Anlassers liegt oder dem zumindest gleichkommt. Ist bei einem Warmstart nur eine verringerte Startleistung notwendig, könnte durch eine Reduktion der Leistung des Elektromotors 14 die Leistung auch unter die eines herkömmlichen Elektrostarters reduziert werden.
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6 zeigt Kennlinien eines herkömmlichen Anlassers für eine Stromstärke I und eine erste bzw. eine zweite, an unterschiedlichen Stellen abgegriffene Spannung U1, U2, ohne Start der Verbrennungskraftmaschine. Hier wird deutlich, dass die maximale Anlasserleistung Pmax nur zu bestimmten Zeitpunkten erforderlich ist, insbesondere um die Kompressionsvorgänge in der Verbrennungskraftmaschine zu erzielen. Dieser stark schwankende Leistungs- bzw. Drehmomentenverlauf ruft oft Drehschwingungen hervor. Mit dem erfindungsgemäßen Anlasser 10 kann auch dem begegnet werden, indem beispielsweise über die Steuereinheit 26 die Leistung des Elektromotors 14 während des Startvorgangs variiert, um maximale Leistung Pmax nur zum benötigten Zeitpunkt zu liefern. Der Hydraulikwandler 16 liefert hingegen stets ein konstantes Drehmoment.
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Da das maximale Drehmoment nur zu wenigen Zeitpunkten benötigt wird, kann die Leistung des Elektromotors 14 so variiert werden, dass das maximale Drehmoment nicht mit dem Drehzahlbereich des Anlassers zusammenfällt, in dem vor allem der Elektromotor 14 nur wenig Drehmoment liefert.
