DE102014217455A1

DE102014217455A1 - Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors durch einen riemengetriebenen Startergenerator

Info

Publication number: DE102014217455A1
Application number: DE102014217455.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Henger; Benjamin Klein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2034-09-03
Also published as: DE102014217455B4; CN105386917B; CN105386917A; US10202956B2; US20160065107A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors (300) durch einen Startergenerator (100), die mittels eines Riementriebs aufweisend eine Riemenscheibe (11) des Startergenerators (100), eine Riemenscheibe (301) des Verbrennungsmotors (300) und einen die Riemenscheiben drehmomentübertragend verbindenden Riemen (301) verbunden sind, wobei der Startergenerator (100) so betrieben wird, dass sein an die Riemenscheibe (11) des Startergenerators abgegebenes Antriebsmoment einen bestimmten Antriebsmomentverlauf hat, so dass zeitweise ein Abtriebsmoment an der Riemenscheibe (301) des Verbrennungsmotors (300) erzeugt wird, das unter Berücksichtigung eines Übersetzungsverhältnisses des Riementriebs über dem Antriebsmoment des Startergenerators (100) liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors durch einen riemengetriebenen Startergenerator sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen können in Kraftfahrzeugen als sog. Startergeneratoren eingesetzt werden, um einerseits den Verbrennungsmotor im Motorbetrieb der elektrischen Maschine zu starten und andererseits Strom für das Bordnetz und zum Laden der Kraftfahrzeugbatterie im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine zu erzeugen. Startergeneratoren können über einen Riementrieb mit dem Verbrennungsmotor bzw. der Kurbelwelle verbunden sein.
Für den Einsatz als riemengetriebene Startergeneratoren (RSG) eignen sich besonders fremderregte Drehstrom-Synchronmaschinen, da deren motorisches Moment besonders gut regelbar ist. Ein erwünschtes Drehmoment kann durch entsprechende Ansteuerung der Läuferwicklung (Erregerspule) und/oder der Ständerwicklung (üblich sind z.B. drei oder fünf Ständerphasen) eingestellt werden. Es kann eine zeitliche Modulation des Drehmoments bevorzugt sein, um einen möglichst geräusch- und vibrationsarmen Startvorgang zu erzielen.
Zum Starten des Verbrennungsmotors wird das Antriebsmoment des Startergenerators über den Riemen an die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors übertragen, um die Kurbelwelle auf eine Mindestdrehzahl zu beschleunigen. Ist die Mindestdrehzahl erreicht, wird ein zündfähiges Gemisch im Brennraum zu einem definierten Zeitpunkt gezündet.
Zum Starten des Verbrennungsmotors müssen leistungsfähige Startergeneratoren eingesetzt werden, die groß, schwer und teuer sind. Es ist daher wünschenswert, Platz, Gewicht und Kosten einzusparen.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von diesem Stand der Technik wird nun ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors durch einen riemengetriebenen Startergenerator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgestellt, bei dem durch Vorgabe eines bestimmten Antriebsmomentverlaufs (d.h. Abhängigkeit des Antriebsmoments von der Zeit) für das vom Startergenerator abgegebene Antriebsmoment ein wirksames Abtriebsmoment an der Kurbelwelle erzeugt werden kann, das zeitweise über dem übersetzten (d.h. unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des Riementriebs) Antriebsmoment des Startergenerators liegt. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung erlaubt, an der Kurbelwelle ein Abtriebsmoment zu erzeugen, das zeitweise größer als das übersetzte Antriebsmoment des Startergenerators ist, vorzugsweise mindestens um 10%, 20%, 30%, 40% 50% oder 60% größer. Entspricht das Antriebsmoment dem Spitzenmoment (d.h. maximales Kurzzeit-Drehmoment), kann dementsprechend an der Kurbelwelle ein Abtriebsmoment erzeugt werden, welches zeitweise größer als das übersetzte Spitzenmoment des Startergenerators ist, und insbesondere dazu verwendet werden kann, ein Losbrechmoment des Verbrennungsmotors zu überwinden. Das erforderliche Drehmoment zum Starten des Verbrennungsmotors ist einerseits vom sog. Losbrechmoment und andererseits vom zur Überwindung der Kompressionen des Verbrennungsmotors erforderlichen Kompressionsmoment abhängig. Das Losbrechmoment entsteht an der Kurbelwelle, da bei der Überführung des ruhenden in ein rotierendes System die Haftreibung überwunden werden muss. Es ist bekannt, dass die Haftreibung i.d.R. größer als die Gleitreibung ist. Ist die Haftreibung überwunden, so "bricht" die Kurbelwelle los (daher Losbrechmoment) und es sinkt im Anschluss daran das benötigte Moment zur weiteren Beschleunigung der Kurbelwelle.
Mittels der Erfindung ist es möglich, durch Ausnutzung der dynamischen Eigenschaften des Riementriebs das Abtriebsmoment an der Kurbelwelle über das übersetzte Spitzenmoment des Startergenerators hinaus zu erhöhen. Hierdurch kann das Losbrechmoment der Kurbelwelle auch dann überwunden werden, wenn das übersetzte Spitzenmoment des Startergenerators allein nicht ausreichen würde. Durch den Einsatz von Startergeneratoren mit kleinerem Spitzenmoment können Platz, Gewicht und Kosten eingespart werden.
Ein über das übersetzte Antriebsmoment hinaus vergrößertes Abtriebsmoment wird erreicht, indem der Startergenerator beim Starten mit einem bestimmten Antriebsmomentverlauf beschleunigt wird. Vorzugsweise wird der Antriebsmomentverlauf in Abhängigkeit von der ersten Eigenfrequenz bzw. der ersten Eigenperiodendauer des Riementriebs vorgegeben, insbesondere so, dass die Beschleunigungsdauer, in der das Antriebsmoment an der Riemenscheibe des Startergenerators von Null auf den erwünschten Antriebsmomentwert erhöht wird, höchstens der doppelten, einfachen oder halben ersten Eigenperiodendauer entspricht.
Die DE 10 2012 203 374 A1 beschreibt ein Verfahren zum Vorspannen des Riemens vor dem Starten, wobei der Startergenerator allmählich und nicht wie sonst ruckartig Drehmoment aufbaut. Der Drehmomentverlauf wird dort jedoch im Gegensatz zur Erfindung nicht so vorgegeben, dass das Abtriebsmoment größer als das übersetzte Antriebsmoment ist. Vielmehr wird so beschleunigt, dass sich der Riemen allmählich spannt.
Vorzugsweise ist der Drehmomentverlauf zumindest abschnittsweise im Wesentlichen (d.h. im Rahmen üblicher Toleranzen) linear, d.h. hat einen bestimmten Drehmomentgradienten (d.h. Veränderung des Drehmoments pro Zeiteinheit) bzw. folgt einer Drehmomentrampe. Insbesondere bevorzugt ist der Drehmomentverlauf insgesamt, d.h. zwischen Null und dem erwünschten Antriebsmomentwert, im Wesentlichen linear.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch eine Anordnung aus einem Verbrennungsmotor, einem riemengetriebenen Startergenerator und einem Bordnetz, wie sie der Erfindung zugrunde liegen kann.
2 zeigt einen beispielhaften vom Startergenerator an der Riemenscheibe des Startergenerators erzeugten Antriebsmomentverlauf.
3 zeigt einen beispielhaften Abtriebsmomentverlauf an der Kurbelwelle bzw. Riemenscheibe des Verbrennungsmotors von Beginn des Startens über das Losbrechen der Kurbelwelle bis zum anschließenden Beschleunigungsvorgang.
4 zeigt unterschiedliche Abtriebsmomentverläufe an der Kurbelwelle bzw. Riemenscheibe des Verbrennungsmotors, die sich für unterschiedliche Antriebsmomentverläufe ergeben.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch eine Anordnung 200 aus einem Verbrennungsmotor 300, einem riemengetriebenen Startergenerator 100 als elektrische Maschine und einem Bordnetz 30 dargestellt, anhand derer eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutert wird.
Der Startergenerator weist eine Generatorkomponente 10 und eine Stromrichterkomponente 20 auf. Die Stromrichterkomponente wird im generatorischen Betrieb der Maschine üblicherweise als Gleichrichter, im motorischen Betrieb als Wechselrichter betrieben.
Der Verbrennungsmotor 300 ist an seiner Kurbelwelle 301 mit einer Riemenscheibe 302 ausgestattet und über einen Riemen 310 mit einer Riemenscheibe 11 des Startergenerators 100 verbunden, wobei hier ein als Pendelriemenspannsystem 320 ausgebildeter (optionaler) Riemenspanner vorgesehen ist, der den Riemen 310 im Betrieb unabhängig von der Momentenrichtung spannen kann. Der Riementrieb aufweisend die Riemenscheibe 301, die Riemenscheibe 11 und den üblicherweise als Keilriemen oder Keilrippenriemen ausgebildeten Riemen 11 stellt in Abhängigkeit vom Umfang der Riemenscheiben ein entsprechendes Übersetzungsverhältnis i bereit. Dementsprechend wird auch ein vom Startergenerator an die Riemenscheibe 11 abgegebenes Antriebsmoment M₀ in ein von der Riemenscheibe 302 an die Kurbelwelle 31 abgegebenes Abtriebsmoment M₁ = M₀·i übersetzt und umgekehrt.
Zum Starten des Verbrennungsmotors 300 wird der Startergenerator 100 motorisch betrieben. Das elektrische Antriebsmoment M₀ des Startergenerators (siehe 2) teilt sich dabei in das Beschleunigungsmoment zur Überwindung der Trägheit der rotierenden Elemente (Rotor des Generators und daran angeschlossene Riemenscheibe 11 des Riementriebs) sowie das über die Riemenscheibe 11 in den Riemen 310 eingebrachte Moment. Bis zum Losbrechen der Kurbelwelle 301 wird der Riemen 310 durch seine Elastizität gespannt und die Kurbelwelle 301 bleibt in Ruhe. Nimmt der Rotor mit Riemenscheibe 11 keine Beschleunigungsarbeit mehr auf, ergibt sich ein Überschwingen des Abtriebsmoments M₁, wie in 3 gezeigt, da die Trägheit der rotierenden Elemente nun ihrerseits ein Moment in das System einbringt.
In 2 ist in einem Diagramm ein beispielhafter linearer Verlauf des Antriebsmoments M₀ des Startergenerators 100 abgebildet. Zu einem Zeitpunkt t₀ wird das Antriebsmoments M₀ linear bis zu einem Zeitpunkt t₁ auf den erwünschten maximalen Antriebsmomentwert M_max erhöht. Der erwünschte Antriebsmomentwert M_max ist hier das Spitzenmoment, kann aber auch das maximale Dauermoment sein. Die Steigung, d.h. der Drehmomentgradient, bestimmt die Höhe des Überschwingens des Abtriebsmoments M₁, wie in 3 gezeigt.
In 3 ist in einem Diagramm ein beispielhafter Verlauf des auf das übersetzte maximale Antriebsmoment i·M_max normierten Abtriebsmoments M₁ an der Kurbelwelle 301 des Verbrennungsmotors 300 abgebildet. Beginnend mit dem Zeitpunkt 0 (entspricht t₀ in 2) steigt das Abtriebsmoment M₁ an. Das maximale Antriebsmoment M_max wird hier in etwa bei t = 0,01 erreicht. Bedingt durch die Dynamik des Riementriebs steigt jedoch das Abtriebsmoment weiter an und schwingt bis zum ca. 1,6-fachen des übersetzten Antriebsmoments (i·M_max) über. Dies reicht aus, dass die Kurbelwelle losbricht und beschleunigt. Das Abtriebsmoment nimmt entsprechend wieder ab und schwingt in Abhängigkeit von der Dämpfung des Systems (Riementrieb zusammen mit Verbrennungsmotor) aus.
In 4 sind drei Verläufe 401, 402 und 403 des auf das übersetzte maximale Antriebsmoment i·M_max normierten Abtriebsmoments M₁ gegen die auf die 1. Eigenperiodendauer T₀ des Riementriebs normierte Zeit t aufgetragen. Dabei entspricht der Verlauf 401 einem Drehmomentgradienten von M_max/(0,2 T₀), der Verlauf 402 einem Drehmomentgradienten von M_max/(0,5 T₀) und der Verlauf 403 einem Drehmomentgradienten von M_max/(1,5 T₀). Es wird deutlich, dass die Höhe der Überschwinger mit dem Drehmomentgradienten abnimmt, d.h. je stärker beschleunigt wird, desto höher ist das erzielbare Spitzenabtriebsmoment. Insbesondere sollte bei einem linearen Antriebsmomentverlauf der Drehmomentgradient daher zumindest M_max/(0,5 T₀) betragen. Ein bevorzugter maximaler Drehmomentgradient kann z.B. mit M_max/(0,5 µs) angegeben werden, da bei noch stärkerer Beschleunigung keine signifikante Zunahme des Spitzenabtriebsmoments zu erwarten ist, und noch stärker beschleunigbare Motoren relativ robust sein müssen, was wiederum zu erhöhtem Platzbedarf und Kosten führt. Weiterhin kann eine derart schlagartige Beschleunigung ein Nachspannen eines vorzugsweise eingesetzten Riemenspanners verhindern und somit zum "Durchrutschen" des Keilrippenriemens und damit zum vorzeitigen Verschleiß des Keilrippenriemens führen.
Die Überhöhung ist abhängig von verschiedenen Größen des Riementriebs, die bei der Vorgabe des Antriebsmomentverlaufs, d.h. bei der Ansteuerung des Startergenerators, sinnvollerweise berücksichtigt werden.
Die Haupteinflussgrößen auf die Überhöhung sind:

– Länge L_R des Riementrums zwischen Startergenerator 100 und Kurbelwelle 301
– Dehnsteifigkeit E·A des eingesetzten Riemens, wobei E dem E-Modul des Riemens und A dessen Querschnittsfläche entspricht.
– Trägheitsmoment J_RSG des Rotors des Startergenerators mit Riemenscheibe 11 und
– Gradient M_max/(t₁ – t₀) des Antriebsmoments

In einer Ausgestaltung dieser Erfindung gilt, dass die Beschleunigungsdauer (t₁ – t₀) kleiner oder gleich dem Doppelten der Periodendauer T₀ der 1. Eigenfrequenz des Riementriebs sein soll. Eine untere Grenze für die Beschleunigungsdauer (t₁ – t₀) kann beispielsweise, wie oben bereits erwähnt, 5 µs sein.
Die 1. Eigenfrequenz des Riementriebs hängt von den o.g. Parametern des Riementriebs ab.
Die Trägheitsmomente der Kurbelwelle bzw. des Verbrennungsmotors brauchen nicht berücksichtigt zu werden, da nur die Zeit bis zum Losbrechen der Kurbelwelle betrachtet wird.
Zur Ermittlung der Eigenfrequenz wird die Differentialgleichung des Riementriebs unter Vernachlässigung von Dämpfungseffekten aufgestellt:
mit

r_RSG:: Radius der Riemenscheibe 11
α_RSG:: Winkelbeschleunigung

Die Eigenfrequenz f₀ ergibt sich hieraus zu:
Sind gemäß alternativer Ausführungsformen im Riementrieb weitere Komponenten, wie z.B. Wasserpumpe oder Klimakompressor, angeordnet, kann dies durch Anpassung des Terms 2L_R berücksichtigt werden. Er kann beispielsweise auf die Summe der Trumlängen von Leer- und Lasttrum angepasst werden. Das entspricht in vielen Anwendungen näherungsweise der Gesamtlänge des Riemens.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012203374 A1 [0010]

Claims

Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors (300) durch einen Startergenerator (100), die mittels eines Riementriebs aufweisend eine Riemenscheibe (11) des Startergenerators (100), eine Riemenscheibe (301) des Verbrennungsmotors (300) und einen die Riemenscheiben drehmomentübertragend verbindenden Riemen (301) verbunden sind, wobei der Startergenerator (100) so betrieben wird, dass sein an die Riemenscheibe (11) des Startergenerators abgegebenes Antriebsmoment einen bestimmten Antriebsmomentverlauf hat, so dass zeitweise ein Abtriebsmoment an der Riemenscheibe (301) des Verbrennungsmotors (300) erzeugt wird, das unter Berücksichtigung eines Übersetzungsverhältnisses des Riementriebs über dem Antriebsmoment des Startergenerators (100) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Startergenerator (100) so betrieben wird, dass das Abtriebsmoment an der Riemenscheibe (301) des Verbrennungsmotors (300) zeitweise das Antriebsmoment des Startergenerators (100) unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses um mehr als 10%, 20%, 30%, 40% oder 50% übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Startergenerator (100) so betrieben wird, dass sein an die Riemenscheibe (11) des Startergenerators abgegebenes Antriebsmoment in einer bestimmten Beschleunigungsdauer von einem Nullmoment auf einen erwünschten Antriebsmomentwert ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Beschleunigungsdauer in Abhängigkeit von der ersten Eigenperiodendauer des Riementriebs vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Beschleunigungsdauer höchstens der doppelten, einfachen oder halben ersten Eigenperiodendauer des Riementriebs entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Beschleunigungsdauer mindestens 0,5 µs beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Antriebsmomentverlauf zumindest abschnittsweise oder insgesamt linear ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der bestimmte Antriebsmomentverlauf in Abhängigkeit von wenigstens einer Größe vorgegeben wird, die ausgewählt ist aus der Gruppe, die eine Länge (L_R) eines Riementrums zwischen Riemenscheibe (11) des Startergenerators (100) und Riemenscheibe (301) des Verbrennungsmotors (300); eine Dehnsteifigkeit des Riemens (310); ein Trägheitsmoment der rotierenden Elemente des Startergenerators (100) und der Riemenscheibe (11) des Startergenerators (100) und einen Radius der Riemenscheibe (11) des Startergenerators (100) umfasst.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 10.