DE102013226999A1

DE102013226999A1 - Verfahren zum Einspuren eines axial verschieblichen Andrehritzels einer Startvorrichtung in einen Zahnkranz einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102013226999A1
Application number: DE102013226999.4A
Authority: DE
Inventors: Markus Roessle; Stefan Tumback; Ewald Mauritz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2033-12-21
Also published as: DE102013226999B4

Abstract

Verfahren zum Einspuren eines verlagerbaren Andrehritzels (25) einer Startvorrichtung (13) in einen Zahnkranz (19) einer Brennkraftmaschine (10), wobei nach einem Schritt, in dem die Brennkraftmaschine (10) ausgeschaltet wurde, ein weiterer Schritt erfolgt, in dem die Brennkraftmaschine (10) wieder eingeschaltet werden soll, und eine Antriebswelle (16) der Brennkraftmaschine (10) dabei eine von Null verschiedene Drehzahl (nmot) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ermittelt wird, ob eine erste Bedingung für eine Drehzahl (nmot) der Antriebswelle (16) erfüllt sein wird, wenn ein Andrehritzel (25) an den Zahnkranz (19) verlagert sein wird, wonach die Drehzahl (nmot) der Antriebswelle (16) ein erstes zulässiges Drehzahlmaximum (nmot, f) nicht überschreitet.

Description

Stand der Technik
Es wurden bereits zwei mögliche grundsätzliche Strategien für das Einspuren des Starterritzels in den auslaufenden Verbrennungsmotor beschrieben. Bei den bisherigen Ausführungen ging man davon aus, dass bereits zum Zeitpunkt der ersten Starteraktion (z.B. Starterandrehen) der angestrebte Berührzeitpunkt zwischen Zahnkranz und Ritzel, sowie die angestrebte Drehzahl des Starters zu diesem Zeitpunkt bekannt sein muss (z.B. aus einer Prognose), um daraus rückwärts die Zeitpunkte geeigneter Ansteueraktionen berechnen zu können. Entweder man wählte die Abfolge der Ansteueraktion so zeitnah wie möglich und blieb bei dem einmal gewählten angestrebten Berührzeitpunkt und der entsprechenden Drehzahl oder man sah Pausenzeiten zwischen den Ansteueraktionen vor, um den Ablauf der Ansteueraktionen bei einem sich ändernden Berührzeitpunkt und/oder einer sich ändernden Drehzahl noch verändern zu können. Dieses verlängerte damit den Gesamtablauf um die entsprechenden Pausenzeiten. (siehe EM 2009/3258 ). Des Weiteren sind die Dokumente DE 10 2008 040 830 A1 , EP 2 159 410 A2 , DE 10 2010 000 709 A1 und DE 10 2011 090 158 A1 bekannt.
Nachteilig bei diesem Vorgehen erweist sich der Bedarf nach einer weit in die Zukunft gerichteten und sehr genauen Prognose. Änderungen im Motorauslauf z.B. durch Zu- und Wegschalten von externen Lasten oder durch aktive Beeinflussung des Motorauslaufs mittels Drosselklappenansteuerung oder durch sogenannte „Soft Shut Off“-Funktionen (nachträgliches Einspritzen von Kraftstoff) führen zu ungenügend genauen Prognosen und somit zu Drehzahlabweichungen zwischen Starterritzel und Motorzahnkranz zum Berührzeitpunkt. Die vorliegende Erfindung löst diesen Nachteil, durch eine Regelung des Ablaufs während der Laufzeit.
Kern der Erfindung ist ein geregelter Ablauf für das Einspuren des Starterritzels in den Zahnkranz des Verbrennungsmotors unter Benutzung kurzfristiger Prognosen für die Drehzahl des Verbrennungsmotors. Wesentlicher Vorteil ist, dass dieses Verfahren Änderungen im Motorauslauf aufgrund von Motorfunktionen (z.B. Soft Shut-off) oder Störungen (z.B. Abschalten Klimakompressor) ausgleichen kann.
Das Vorgehen gliedert sich dabei in folgende Schritte:

1. Nach dem Vorliegen einer Aufforderung zum Einspuren in den auslaufenden Verbrennungsmotor, wird geprüft, ob ein Einspuren mit Vorandrehen des Starters noch möglich ist. Dies ist dann der Fall, wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors zum Berührzeitpunkt zwischen Zahnkranz und Ritzel noch hoch genug ist, wenn der Starter mit der technisch minimal möglichen Andrehdauer angedreht wird.
2. Ist dies nicht der Fall, so wird der Starter ohne Vorandrehen eingespurt. Evtl. muss dafür noch eine kurze Zeit gewartet werden, bis der Verbrennungsmotor noch etwas an Drehzahl verloren hat, um die Drehzahldifferenz zwischen Verbrennungsmotor und Starter nicht zu groß werden zu lassen.
3. Ist auch nach einer technisch minimal möglichen Andrehdauer und der Vorspurdauer des Starterritzels die Drehzahl des Verbrennungsmotor noch hoch genug, so wird mit dem Andrehen des Starters begonnen, ohne zunächst zu wissen, wie lange dies andauern wird.
4. Das Andrehen wird dann abgebrochen, wenn die Drehzahl des Starters, würde man noch einen Berechnungszyklus warten, zu groß wäre. Zur Beurteilung dieses Sachverhalts wird die für diesen Zeitpunkt prognostizierte Drehzahl des Verbrennungsmotors mit der des Starters zu diesem Zeitpunkt (inklusive Andrehen bis zum nächsten Rechenzyklus und anschließendem Auslauf des Starters) verglichen.
5. Der optimale Abschaltzeitpunkt des Starters und der Beginnzeitpunkt für die Bestromung des Einpurrelais kann sodann über Interpolation der Gradienten von Verbrennungsmotor und Starter zwischen dem aktuell ermittelten Berührzeitpunkt zwischen Zahnkranz und Ritzel und dem Zeitpunkt einen Rechenzyklus später ermittelt werden. Optimal ist der Zeitpunkt dann, wenn sich eine vordefinierte Drehzahldifferenz zwischen Verbrennungsmotorzahnkranz und Starterritzel einstellt.

Die Drehzahl des Verbrennungsmotors zu verschiedenen zukünftigen Zeitpunkten wird mittels eines Prognosealgorithmus berechnet oder mit einem anderen geeigneten Verfahren bestimmt. Unter anderem können hier Algorithmen zur Anwendung kommen, wie sie in den DE 10 2010 009 648 A1 , DE 10 2010 001 762 A1 , DE 10 2011 090 077 A1 und DE 10 2010 012 57 A1 beschrieben sind, oder auch Kombinationen dieser. Alternativ ist denkbar, eine Prognose anhand einer gemessenen Ist-Drehzahl und einer angenommenen Steigung des Motorauslaufs abzuschätzen. Die Steigung kann alternativ als Applikationsparameter vorgegeben werden, oder auf Basis der letzten zumindest zwei Drehzahlwerte geschätzt werden.
Ein zusätzlicher Vorteil dieses Verfahrens ist es, dass mit dem Andrehen des Startermotors bereits begonnen werden kann, ohne eine verlässliche Prognose der Drehzahl des Verbrennungsmotors zum Zeitpunkt des Einspurens des Startermotorritzels in den Verbrennungsmotorzahnkranz zu kennen. Dies ist möglich, da der Abschaltzeitpunkt während des Starterhochlaufs aufgrund der dann vorliegenden aktuellen Prognosen berechnet werden kann. Dies ist insbesondere bei Motoren mit steilen Auslaufgradienten und für das Einspuren bei höheren Drehzahlen des Verbrennungsmotors von Vorteil.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine Brennkraftmaschine 10 und eine Startvorrichtung 13 in schematischer Weise dargestellt. Eine Antriebswelle 16 der Brennkraftmaschine 10 trägt an ihrem einen Ende einen üblichen Zahnkranz 19. Die Startvorrichtung 13 hat einen Startermotor 22 und ein Andrehritzel 25. Das Andrehritzel 25 ist verlagerbar. Vorzugsweise ist das Andrehritzel 25 in axialer Richtung verlagerbar. Hierzu wir ein angesteuerter Vorspuraktuator 28 verwendet, der mittels eines Getriebeelements 31, welches vorzugsweise als Gabelhebel ausgeführt ist, eine Verlagerkraft (Vorspurkraft) auf das Andrehritzel 25 ausübt. Das Andrehritzel 25 wird dadurch in den Zahnkranz 19 eingespurt. Gemäß der Erfindung soll dies nach speziellen Verfahrensschritten in den drehenden Zahnkranz 19 erfolgen.
Voraussetzungen für das hier in verschiedenen Varianten vorgeschlagene Verfahren sind zum Beispiel, dass sich die Antriebswelle 16 der Brennkraftmaschine 10 dreht, die Brennkraftmaschine 10 ausgeschaltet wurde und diese wieder eingeschaltet werden soll. „Ausgeschaltete“ Brennkraftmaschine 10 bedeutet hier beispielsweise, ein Stillstand der Antriebswelle 16 angestrebt wird. Dies kann beispielsweise bei Ottomotoren durch Abstellen der Zündung und/oder Abstellen der Kraftstoffzufuhr und/oder der Luftzufuhr erfolgen. Auslöser für die entsprechende Absicht kann beispielsweise ein im Fahrzeug implementiertes Start-Stopp-Verfahren sein. Solche Verfahren sind hinlänglich bekannt und werden hier nicht im Einzelnen erläutert. Dass die Brennkraftmaschine 10 wieder eingeschaltet werden soll (Startanforderung), kann beispielsweise dadurch ausgelöst werden, dass der Fahrzeugführer das Fahrpedal betätigt und dadurch eine Beschleunigung des Fahrzeugs einleiten will.
Es werden hier verschiedene Verfahrensbeispiele beschrieben, wie dies im Einzelnen erfolgen kann, 2.
Ein im Hintergrund des Geschehens ablaufendes Verfahren stellt beispielsweise fest, ob eine Startanforderung S1 vorliegt oder nicht. Liegt diese vor, so wird ermittelt, welche Drehzahl nmot die Antriebswelle 16 der Brennkraftmaschine 10 hat. Ist die Drehzahl nmot größer als eine vom Motortyp oder dem individuellen Motor abhängige Motordrehzahl nmot, f (S2), so ist die Brennkraftmaschine 10 in einem dynamischen Zustand, der durch Einschalten der Zündung und/oder Wiederzufuhr von Kraftstoff und/oder der Luft wieder in einen Selbstlauf überführt werden kann (Wiederbefeuerung, S3), ohne die Startvorrichtung 13 z u betätigen. Nach der Wiederbefeuerung gehrt die Brennkraftmaschine 10 in den Selbstlauf über, S4.
Ist die Drehzahl nmot kleiner als eine vom Motortyp oder dem individuellen Motor abhängige Motordrehzahl nmot, f, so ist durch diese Motordrehzahl nmot, f bestimmt, dass ein Selbstlauf der Brennkraftmaschine 10 nur durch eine Betätigung der Startvorrichtung 13 wieder erreicht werden kann, S2.
Verfahrensbeispiel
Nachdem festgestellt wurde, dass ein Selbstlauf der Brennkraftmaschine 10 nur durch eine Betätigung der Startvorrichtung 13 wieder erreicht werden kann, wird eine weitere Bedingung geprüft. Im Rahmen dieser weiteren Bedingung wird geprüft, ob ein Einsatz der Startvorrichtung 13 und damit ein Einspuren mit drehendem Andrehritzel 25 in den drehenden Zahnkranz 19 möglich ist, S5.

A. Für diese erste Bedingung werden zwei verschiedene Vorgehensweisen vorgeschlagen: a) Ein zulässiges zuvor bestimmtes Drehzahlmaximum nmot, max1 ist unterschritten. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Drehzahl nmot, max1 = 400/min (Drehzahl der Antriebswelle, Einspurdrehzahl) ist. Das heißt, dass im Falle, dass die Drehzahl unterschritten wird, ein Andrehen mit drehendem Andrehritzel 25 in den drehenden Zahnkranz 19 möglich sein kann. Ob dies möglich ist, ist jedoch noch von einer weiteren Bedingung abhängig. b) Ein zulässiges zuvor bestimmte Drehzahlmaximum nmot, max2 wäre unterschritten, nachdem unter Berücksichtigung einer Aktivierungszeit das drehende Andrehritzel 25 in den Zahnkranz 25 eingedrückt würde. Die Aktivierungszeit kann sich beispielsweise ab einem Signal, wonach die Startvorrichtung 13 eingeschaltet werden soll, aus einer Zeit tdreh1, innerhalb derer der Startermotor 22 das Andrehritzel 25 auf eine gewünschte Drehzahl n25 bringt und einer Zeit ts zusammensetzen, innerhalb derer das Andrehritzel 25 an den Zahnkranz 25 vorgespurt wird. Eine solche Zeit kann beispielsweise 150ms betragen. nmot, max2 kann beispielsweise 300/min betragen. Ein Andrehen mit drehendem Andrehritzel 25 in den drehenden Zahnkranz 19 kann möglich sein. Ob dies möglich ist, ist jedoch noch von einer weiteren Bedingung abhängig.

Abhängig von einer zweiten Bedingung (S6) wird entschieden, ob ein Einspuren des Andrehritzels 25 in den Zahnkranz 25 mit drehendem oder nicht drehendem Andrehritzel 25 erfolgt.

B. Für diese zweite Bedingung werden zwei verschiedene Vorgehensweisen vorgeschlagen: a) Ein zulässiges zuvor bestimmtes Drehzahlmaximum nmot, max3 ist unterschritten. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Drehzahl nmot, max3 = 100/min (Drehzahl der Antriebswelle) ist. Das heißt, dass im Falle, dass die Drehzahl unterschritten wird, ein Andrehen mit drehendem Andrehritzel 25 in den drehenden Zahnkranz 19 nicht angestrebt wird. b) Ein zulässiges zuvor bestimmte Drehzahlmaximum nmot, max4 wäre unterschritten, nachdem unter Berücksichtigung einer Aktivierungszeit das drehende Andrehritzel 25 in den Zahnkranz 25 eingedrückt würde. Die Aktivierungszeit kann sich beispielsweise ab einem Signal, wonach die Startvorrichtung 13 eingeschaltet werden soll, aus einer Zeit tdreh2, innerhalb derer der Startermotor 22 das Andrehritzel 25 auf eine gewünschte Drehzahl n25 bringt und einer Zeit ts zusammensetzen, innerhalb derer das Andrehritzel 25 an den Zahnkranz 25 vorgespurt wird. Eine solche Zeit kann beispielsweise 60ms betragen. nmot, max4 kann beispielsweise 50/min betragen. Führt das Ergebnis dieser Berechnung zu einer Drehzahl unter nmot, max4, so wird ein Andrehen mit drehendem Andrehritzel 25 in den drehenden Zahnkranz 19 nicht angestrebt
C) Weiteres Verfahren, nach dem Entschieden wurde mit drehendem Andrehritzel 25 in den drehenden Zahnkranz 19 einzuspuren (S7).

Das Andrehritzel 25 wird durch den eingeschalteten Startermotor 22 angetrieben.
Für diesen Fall wird eine weitere Bedingung formuliert. Es wird dabei entschieden, unter welchen Umständen der Startermotor 22 ausgeschaltet wird und daher das Andrehritzel 25 nicht mehr weiter angetrieben wird. Dabei wird das auslaufende Andrehritzel 25 in den Zahnkranz 19 eingespurt (S8). Unter Berücksichtigung einer zuvor gewählten Zeitdauer t3 wird ermittelt, ob eine Umfangsgeschwindigkeit des Zahnkranzes 25 kleiner als eine Umfangsgeschwindigkeit des Andrehritzels 25 ist. Die Umfangsgeschwindigkeit des Zahnkranzes 25 ist das Produkt aus dessen Nenndurchmesser, der Kreiszahl PI und der Drehzahl nmot. Die Umfangsgeschwindigkeit des Andrehritzels 25 ist das Produkt aus dessen Nenndurchmesser, der Kreiszahl PI und der Drehzahl n25. Ist die Umfangsgeschwindigkeit des Zahnkranzes 25 erwartungsgemäß zum vorausberechneten Zeitpunkt nach t3 kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit des Andrehritzels 25, wird der Startermotor 22 ausgeschaltet. Typischerweise wird für t3 angenommen, dass t3 die Summe aus der Vorspurdauer und einem festen Zeitraum, hier 30ms, ist. Unter Berücksichtigung der oben genannten Zeit für einen solchen Vorgang kann t3 damit z. B. 90ms betragen.

a) In einer ersten Variante wird errechnet, wie hoch die Umfangsgeschwindigkeit des Andrehritzels 25 unter Berücksichtigung der weiteren Zeitdauer t3 ist, nach dem das Antreiben des Andrehritzels 25 bereits begonnen hat. Ist die so ermittelte Umfangsgeschwindigkeit des Andrehritzels 25 größer als die Umfangsgeschwindigkeit des Zahnkranzes 25, wird der Startermotor 22 ausgeschaltet.
b) In einer zweiten Variante wird errechnet, wie hoch die Umfangsgeschwindigkeit des Andrehritzels 25 ist, nach dem das Antreiben des Andrehritzels 25 bereits begonnen hat. Ist die so ermittelte Umfangsgeschwindigkeit des Andrehritzels 25 nach einer Zeitdauer t3 viel größer als die Umfangsgeschwindigkeit des Zahnkranzes 25, wird der Startermotor 22 ausgeschaltet und der erwartete Drehzahlverlust des Startermotors 22 nach einer Zeitdauer t3 berücksichtigt.

D) Weiteres Verfahren, nach dem Entschieden wurde mit nicht drehendem Andrehritzel 25 in den drehenden Zahnkranz 19 einzuspuren (Alternative zu C)). a) Es wird ermittelt, ob die Drehzahl nmot der Brennkraftmaschine 10 kleiner als eine obere Drehzahlgrenze nmot, max5 (bspw. 100/min) und größer als eine untere Drehzahlgrenze nmot, max6 (bspw. –50/min) ist, S11. Falls dem so ist, wird eingespurt, S12, die Startvorrichtung 13 eingeschaltet, S13, und die Brennkraftmaschine 10 gestartet, S14. b) Alternativ wird die Drehzahl nmot der Brennkraftmaschine 10 für einen angenommenen Zeitpunkt in der Zukunft nach der Zeitdifferenz t5 ermittelt. Ist die erwartete Drehzahl nmot der Brennkraftmaschine 10 für einen angenommenen Zeitpunkt in der Zukunft kleiner als eine obere Drehzahlgrenze nmot, max7 (bspw. 80/min) und größer als eine untere Drehzahlgrenze nmot, max8 (bspw. –100/min), wird ohne das Andrehritzel 25 durch den Startermotor 22 anzutreiben das Andrehritzel 25 in den Zahnkranz 19 eingespurt, S12. Eine typische Zeitdifferenz t5 beträgt 20ms. Diese Zeitdifferenz t5 steht für eine angenommene Zeit zum Vorspuren des Andrehritzels 25. Danach wird die Startvorrichtung 13 eingeschaltet, S13, und die Brennkraftmaschine 10 gestartet, S14.

Im Rahmen der hier vorgestellten Verfahrensvarianten wird vorzugsweise eine Startvorrichtung verwendet, deren Vorspuraktuator 28 von einem Schalter zum Einschalten des Startermotors 22 so entkoppelt ist, dass der betätigte Vorspuraktuator 28 nicht direkt den Startermotor 22 einschaltet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EM 2009/3258 [0001]
DE 102008040830 A1 [0001]
EP 2159410 A2 [0001]
DE 102010000709 A1 [0001]
DE 102011090158 A1 [0001]
DE 102010009648 A1 [0005]
DE 102010001762 A1 [0005]
DE 102011090077 A1 [0005]
DE 10201001257 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Einspuren eines verlagerbaren Andrehritzels (25) einer Startvorrichtung (13) in einen Zahnkranz (19) einer Brennkraftmaschine (10), wobei nach einem Schritt, in dem die Brennkraftmaschine (10) ausgeschaltet wurde, ein weiterer Schritt erfolgt, in dem die Brennkraftmaschine (10) wieder eingeschaltet werden soll, und eine Antriebswelle (16) der Brennkraftmaschine (10) dabei eine von Null verschiedene Drehzahl (nmot) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ermittelt wird, ob eine erste Bedingung für eine Drehzahl (nmot) der Antriebswelle (16) erfüllt sein wird, wenn ein Andrehritzel (25) an den Zahnkranz (19) verlagert sein wird, wonach die Drehzahl (nmot) der Antriebswelle (16) ein erstes zulässiges Drehzahlmaximum (nmot, f) nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste zulässige Drehzahlmaximum (nmot, f) durch eine vorgegebene Drehzahl (nmot) der Antriebswelle (16) bestimmt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer aktuell bestimmten Drehzahl (nmot) der Antriebswelle (16) ermittelt wird, ob das erste zulässige Drehzahlmaximum (nmot, f) unterschritten sein wird, wenn ein Sinken der Drehzahl nach einer Aktivierungszeit der Startvorrichtung (13) ausreichend groß ist und dadurch die Drehzahl der Antriebswelle (16) kleiner gleich einer zulässigen Einspurdrehzahl ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahl (nmot) der Antriebswelle (16) bestimmt wird, die unter einem zweiten zulässigen Drehzahlmaximum liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites zulässiges Drehzahlmaximum unterhalb des ersten zulässigen Drehzahlmaximums bestimmt ist, a) unterhalb dessen ein Einspuren des Andrehritzels ohne Antrieb durch einen Startermotor möglich ist, oder b) oberhalb dessen ein Einspuren des Andrehritzels mit Antrieb durch einen Startermotor möglich ist
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle, dass die Drehzahl der Brennkraftmaschine (10) größer als das zweite zulässige Drehzahlmaximum ist, die Startvorrichtung (13) mit einem drehenden Andrehritzel (25) in den Zahnkranz (19) eingespurt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle, dass die Drehzahl der Brennkraftmaschine (10) kleiner als das zweite zulässige Drehzahlmaximum ist, die Startvorrichtung (13) mit einem nicht drehenden Andrehritzel (25) in den Zahnkranz (19) eingespurt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) nach einem Unterschreiten einer Schwelle einer Drehzahl der Brennkraftmaschine (nmot) eine Erhöhung der Drehzahl (nmot) durch innermotorische Verfahrensschritte (Veränderung Gas-Luft-Gemisch, Veränderung des Zündzeitpunkts, ...) nicht möglich ist