DE102015224102A1

DE102015224102A1 - Antriebsstrang

Info

Publication number: DE102015224102A1
Application number: DE102015224102.5A
Authority: DE
Inventors: Marco Grethel; Markus Baehr; Hyung Wook CHOI
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2017-06-08
Also published as: US10738752B2; CN108291520B; US20180335006A1; CN108291520A; DE112016005505A5; WO2017092745A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einer nach einem vorgegebenen Arbeitsprinzip arbeitenden Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle, einer vorgegebenen Anzahl von Zylindern und einer durch das Arbeitsprinzip und die Anzahl der Zylinder vorgegebenen Hauptschwingungsordnung mit einer Anregerfrequenz, einer die Brennkraftmaschine durch Drehantrieb der Kurbelwelle in einem Drehzahlbereich der Anregerfrequenz startenden Starteinrichtung (1) mit einer Elektromaschine (2) mit einer Momentenkennlinie über die Drehzahl und einer der Kurbelwelle nachgeschalteten, auf die Hauptschwingungsordnung der Brennkraftmaschine ausgelegten Schwingungsisolationseinrichtung mit einer Resonanzkennlinie unterhalb einer Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine in einem ersten Drehzahlbereich auftretenden Resonanzbereich, wobei der Resonanzbereich bei angekoppelter Elektromaschine (2) in einen zweiten, niedrigeren Drehzahlbereich verlagert ist. Um Startschwierigkeiten insbesondere bei zu höheren Frequenzen verlagerten Resonanzen der Schwingungsisolationseinrichtung zu vermeiden, stellt die Elektromaschine (2) ein über den zweiten Drehzahlbereich hinaus wirksam erstrecktes Moment bereit.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einer nach einem vorgegebenen Arbeitsprinzip arbeitenden Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle, einer vorgegebenen Anzahl von Zylindern und einer durch das Arbeitsprinzip und die Anzahl der Zylinder vorgegebenen Hauptschwingungsordnung mit einer Anregerfrequenz, einer die Brennkraftmaschine durch Drehantrieb der Kurbelwelle in einem Drehzahlbereich der Anregerfrequenz startenden Starteinrichtung mit einer Elektromaschine mit einer Momentenkennlinie über die Drehzahl und einer der Kurbelwelle nachgeschalteten, auf die Hauptschwingungsordnung der Brennkraftmaschine ausgelegten Schwingungsisolationseinrichtung mit einer Resonanzkennlinie unterhalb einer Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine in einem ersten Drehzahlbereich auftretenden Resonanzbereich, wobei der Resonanzbereich bei angekoppelter Elektromaschine in einen zweiten, niedrigeren Drehzahlbereich verlagert ist.
Antriebsstränge mit Brennkraftmaschinen, die mittels eines Anlassers wie Starters gestartet werden, sind seit langem bekannt. Beispielsweise werden zum Start der Brennkraftmaschine sogenannte Ritzelstarter mit einem permanent erregten Elektromotor verwendet, bei denen ein Ritzel in einen mit der Kurbelwelle drehschlüssig verbundenen Anlasserzahnkranz einspurt, wobei zwischen dem Rotor des Elektromotors der Kurbelwelle ein Freilauf angeordnet ist, um nach dem Start der Brennkraftmaschine hohe Drehzahlen des Elektromotors und einen Generatorbetrieb zu vermeiden. Weiterhin sind Schwingungsisolationseinrichtungen zur Schwingungsisolation von Drehschwingungen der Brennkraftmaschine, beispielsweise Drehschwingungsdämpfer wie beispielsweise Zweimassenschwungräder, Drehschwingungstilger wie beispielsweise Fliehkraftpendel oder dergleichen sowie deren Kombinationen bekannt. Die Resonanzstellen derartiger Schwingungsisolationseinrichtungen werden in bevorzugter Weise auf Drehzahlen unterhalb der Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine ausgelegt, um Störungen während des regulären Betriebs des Antriebsstrangs weitgehend zu unterbinden. Allerdings müssen derartige Resonanzstellen bei jedem Start der Brennkraftmaschine überwunden werden, wobei die Schwingungsisolationseinrichtungen den Start der Brennkraftmaschine erschweren können und selbst unter hoher Belastung stehen
Aus der DE 10 2011 117 395 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der die Schwingungsisolationseinrichtung in Form eines Zweimassenschwungrads während des Starts der Brennkraftmaschine mittels einer Verriegelungseinrichtung außer Kraft gesetzt ist.
Aufgabe der Erfindung ist die vorteilhafte Weiterbildung eines Antriebsstrangs mit einer Starteinrichtung zum Start der Brennkraftmaschine und einem Schwingungsisolationssystem. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, einen Start der Brennkraftmaschine bei sich bauartbedingt zu höheren Resonanzen verschiebender Schwingungen der Schwingungsisolationseinrichtung zu verbessern. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, einen Antriebsstrang vorzuschlagen, bei dem eine bauartbedingte Resonanzverschiebung der Schwingungsisolationseinrichtung zu höheren Frequenzen durch Ausgestaltung der Starteinrichtung kompensiert wird.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von diesem abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.
Der vorgeschlagene Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug weist eine nach einem vorgegebenen Arbeitsprinzip, beispielsweise dem Viertaktprinzip eines Otto- oder Diesel-Motors oder dem Zweitaktprinzip arbeitende Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle auf. Die Brennkraftmaschine weist eine vorgegebene Anzahl von Zylindern, beispielsweise einen bis acht Zylinder auf. Die Brennkraftmaschine kann insbesondere während des Starts oder in wenig Leistung erfordernden Betriebszuständen eine vorgegebene Anzahl abschaltbarer Zylinder aufweisen. Mit oder ohne diese Zylinderabschaltung können während des Starts bevorzugt ein, zwei oder drei Zylinder aktiv sein. Die Brennkraftmaschine ist bedingt durch ihr Arbeitsprinzip, beispielsweise durch punktuelle Momentenstöße zündender Zylinder drehschwingungsbehaftet, die durch das Arbeitsprinzip und die Anzahl der Zylinder eine vorgegebene Hauptschwingungsordnung mit einer Anregerfrequenz erzeugen.
Zum Start der Brennkraftmaschine ist eine Starteinrichtung vorgesehen, die diese durch Drehantrieb der Kurbelwelle in einem Drehzahlbereich der Anregerfrequenz startet. Die Starteinrichtung enthält eine Elektromaschine mit einer vorgegebenen Momentenkennlinie. Die Elektromaschine kann ein Elektromotor sein, dessen Rotor beispielsweise über einen Anlasserzahnkranz mit der Kurbelwelle drehschlüssig verzahnt ist. Die Starteinrichtung kann einen separaten Anlasser mit zumindest einem Elektromotor oder einen Startergenerator oder eine hybridisch in den Antriebsstrang eingebundene Elektromaschine enthalten.
Der Kurbelwelle ist eine über die Drehzahl der Brennkraftmaschine wirksame Schwingungsisolationseinrichtung, in bevorzugter Weise ein Zweimassenschwungrad, ein Einmassenschwungrad, ein Fliehkraftpendel oder dergleichen sowie gegebenenfalls deren Kombination nachgeschaltet, die in bevorzugter Weise auf die Hauptschwingungsordnung der Brennkraftmaschine ausgelegt ist. Die Resonanzkennlinie der Schwingungsisolationseinrichtung ist bevorzugt bei Drehzahlen kleiner als die Leerlaufdrehzahl wirksam. Hierbei kann der Resonanzbereich in einem ersten Drehzahlbereich auftreten, wenn die Elektromaschine abgekoppelt ist, wobei der Resonanzbereich bei angekoppelter Elektromaschine in einen zweiten, niedrigeren Drehzahlbereich verlagert sein kann. Zur Verbesserung der Resonanzeigenschaften während des Starts stellt die Elektromaschine ein über den zweiten Drehzahlbereich hinaus wirksam erstrecktes Moment bereit. Dieses Moment kann zwar Null sein, vermeidet aber negative Momente beispielsweise zur Ausbildung eines Generatorbetriebs der Starteinrichtung.
Das bereitgestellte Moment kann mittels eines Dämpfungsmittels bedämpft sein. Dies bedeutet, dass sowohl die Masse beziehungsweise das Massenträgheitsmoment des Rotors der Elektromaschine und ein Dämpfungsmittel solange erhalten bleiben, bis die Resonanzkurve auf ein den Startvorgang nur noch unwesentlich störendes Maß abgeklungen ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die gegebenenfalls dämpfende Wirkung der Elektromaschine solange aufrechterhalten wird, bis zumindest das Maximum der durch die Elektromaschine bedämpften Resonanzkurve überschritten ist. Ein entsprechender Sicherheitszuschlag kann vorgesehen sein.
In vorteilhafter Weise wird die Starteinrichtung als Dämpfungsmittel für den Antriebsstrang vorgesehen, solange diese mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine drehschlüssig verbunden ist. Hierzu kann die Momentenkennlinie der Elektromaschine so ausgelegt sein, dass diese über Drehzahlen, die maßgeblich für das Resonanzverhalten sind, beispielsweise zumindest über den zweiten und gegebenenfalls über den ersten Drehzahlbereich hinaus ein Restmoment bereitstellen, wobei das über die Drehzahl abfallende Moment der Elektromaschine die dämpfende Wirkung erzielt und quasi mit einem viskosen Dämpfer gleichgestellt werden kann.
Zur in beide Drehrichtungen drehschlüssigen Verbindung der Starteinrichtung mit der Kurbelwelle kann diese beispielsweise als Ritzelstarter ohne Freilauf ausgebildet sein, der beispielsweise von einer entsprechenden Steuerung später ausgespurt wird. Der Ritzelstarter kann hierzu mittels einer Kupplung, beispielsweise einer Schalt- oder Reibungskupplung gesteuert sein. Ein Startergenerator oder eine hybridische Elektromaschine können entsprechend später generatorisch geschaltet sein.
Der vorgeschlagene Antriebsstrang kann durch die dämpfende Wirkung der Starteinrichtung während des Starts der Brennkraftmaschine mit einer Brennkraftmaschine versehen sein, die durch ihre Eigenschaften eine Schwingungsisolationseinrichtung erfordert, deren Resonanzkurve zu größeren Drehzahlen verlagert ist. Eine derartige Brennkraftmaschine kann beispielsweise mittels des Viertaktprinzips betrieben sein, die ein bis drei Zylinder aufweist oder bei der während des Starts weniger als vier Zylinder aktiviert sind.
Die Aufgabe wird insbesondere dadurch gelöst, dass die Momentenkennlinie der Starteinrichtung beziehungsweise der Elektromaschine zu größeren Drehzahlen ausgedehnt ist. Die bedämpfte oder unbedämpfte Starteinrichtung stellt daher bei größeren Drehzahlen als ein Maximum des Resonanzmaximums der Schwingungsisolationseinrichtung ein Moment zu Verfügung und bleibt damit dem Antriebsstrang solange gekoppelt, bis das Maximum und gegebenenfalls ein Sicherheitszuschlag überschritten ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des vorgeschlagenen Antriebsstrangs kann die Elektromaschine zumindest bis zum Durchschreiten des zweiten Drehzahlbereichs in beide Drehrichtungen drehschlüssig mit der Kurbelwelle verbunden sein. Ein Drehschluss zwischen dem Rotor der Elektromaschine und der Kurbelwelle kann als Schräg- der Geradverzahnung ausgebildet sein. Hierdurch bleiben die Masse des Rotors und der mit diesem drehenden Bauteile als Masse über den relevanten Teil der Resonanzkurve wirksam, die Momentenkennlinie wird zu größeren Drehzahlen verlängert.
Beispielsweise zur Bereitstellung eines elektrischen Freilaufs kann ein Stromfluss von der Elektromaschine in eine die Stromversorgungseinrichtung der Elektromaschine und damit ein schädlicher generatorischer Betrieb der Elektromaschine unterbunden sein. Beispielsweise kann hierzu eine Diode in den Stromkreis zwischen Stromversorgungseinrichtung, beispielsweise einen Bleiakkumulator, eine Starterbatterie oder dergleichen geschaltet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Antriebsstrangs kann die Momentenkennlinie zu größeren Drehzahlen erweitert werden, indem die Starteinrichtung zwei parallel geschaltete Elektromotoren unterschiedlicher Motorkonstanten aufweist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine die Spannungsversorgung während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine steigernde Stromversorgungseinrichtung vorgesehen sein, so dass sich die Momentenkennlinie der Elektromaschine wegen der mit zunehmender Drehzahl steigenden Betriebsspannung der Elektromaschine hin zu größeren Drehzahlen erweitern lässt. Die Betriebsspannung kann beispielsweise mittels eines in den Stromkreis eingeschalteten DC/DC-Wandlers erhöht werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein fremderregter Gleichstrommotor vorgesehen sein, bei dem die Motorkonstante mittels einer Feldschwächung abgesenkt werden kann. Hierdurch steigt die Spannung bei fallender Motorkonstante, wodurch insgesamt zwar über die Drehzahl kleinere, jedoch zu größeren Drehzahlen erweiterte Motormomente erzielt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Elektromaschine als Reihenschlussmotor mit einem über den zweiten Drehzahlbereich hinaus verbleibenden Drehschluss gegenüber der Kurbelwelle ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Elektromaschine als Gleichstrommotor oder als Synchrondrehstrommotor mit Frequenzwandler ausgebildet sein. Alternativ kann die Elektromaschine als Asynchronmotor mit Frequenzumrichter ausgebildet sein.
Mit anderen Worten muss die Momentenkennlinie einer Elektromaschine wegen der vorgegebenen oder sich über die Betriebszeit ergebenden Dämpfung bis zu höheren Drehzahlen ein Restmoment bereithalten, dass im gesamten Resonanzbereich bei drehschlüssig mit der Kurbelwelle verbundener Starteinrichtung eine ausreichende Dämpfung gesichert ist. Das Lösen der Verbindung zwischen Starteinrichtung und Kurbelwelle erfolgt daher erst bei Drehzahlen oberhalb des Resonanzbereichs des Antriebsstrangs ohne angekoppelte Masse der Starteinrichtung. Die Drehfestigkeit der Starteinrichtung wird hierzu entsprechend ausgelegt. Das Ausspuren kann entweder über eine Steuerlogik erfolgen, die die aktuelle Drehzahl der Brennkraftmaschine, einen zeitlichen Ablauf des Startvorgangs und/oder dergleichen auswertet.
Das Ankoppeln der Starteinrichtung an die Kurbelwelle zur Schwingungsdämpfung beziehungsweise Resonanzbeeinflussung kann bei den höheren Drehzahlen zum Teil zu hohen Momenten an der drehschlüssigen Verbindung, beispielsweise Verzahnung führen. Es kann daher sinnvoll sein, das An- und Abkoppeln der Starteinrichtung anstatt einer axialen Verschiebung eines Ritzels entsprechend einem Ritzelstarter mittels einer Klauenkupplung vorzusehen. Hierdurch kann das Ein- und Ausspuren dynamischer erfolgen, da weniger Weg erforderlich ist. Zudem kann die Klauengeometrie so gewählt werden, dass auch ein Ausspuren unter hoher Last beziehungsweise hohem Moment möglich ist.
Ein Startvorgang kann beispielsweise erfolgen, indem der Fahrer oder ein Steuergerät den Start der Brennkraftmaschine anfordert. Im Fall eines sogenannten Ritzelstarters spurt das Anlasserritzel wie üblich ein. Alternativ hierzu könnte ein gerad- oder bevorzugt schrägverzahntes Ritzel permanent eingespurt sein und über eine Klauenkupplung mit der Elektromaschine verbunden werden.
Der Rotor der Elektromaschine beginnt zu drehen, um den Startvorgang einzuleiten. Die Momentenkennlinie der Starteinrichtung ist derart ausgelegt, dass es möglich ist, den Startvorgang durch alle auftretenden kritischen Situationen wie Ungleichförmigkeiten oder Resonanzen zu unterstützen. Das heißt, die Momentenkennlinie ist bezogen auf die Drehzahl „lang genug“.
Diese erforderliche Momentenkennlinie kann – wie oben und in den Figuren beschrieben – auf verschiedene Art und Weise ausgelegt und umgesetzt werden. Hierbei ist vorgesehen, dass die Starteinrichtung unabhängig vom Startsignal so lange den Startvorgang unterstützt, bis dieser vollständig abgeschlossen ist.
Die Erfindung wird anhand der in den 1 bis17 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein Resonanzverhalten eines Antriebsstrangs während der Startphase der Brennkraftmaschine,
2 ein vereinfachtes Schaltbild einer Starteinrichtung,
3 ein Diagramm der Momentenkennlinie der Starteinrichtung der 1,
4 ein vereinfachtes Schaltbild einer gegenüber der Starteinrichtung der 1 erweiterten Starteinrichtung,
5 ein Diagramm der Momentenkennlinie der Starteinrichtung der 4,
6 ein vereinfachtes Schaltbild einer gegenüber der Starteinrichtung der 1 und 2 mit ansteigender Spannung betriebenen Starteinrichtung,
7 ein Diagramm der Momentenkennlinie der Starteinrichtung der 6,
8 ein vereinfachtes Schaltbild einer Starteinrichtung mit einer zweigeteilten Elektromaschine,
9 ein Diagramm der Momentenkennlinie der Starteinrichtung der 8,
10 ein vereinfachtes Schaltbild einer Starteinrichtung mit einem Reihenschlussmotor,
11 ein Diagramm der Momentenkennlinie der Starteinrichtung der 10,
12 ein vereinfachtes Schaltbild einer Starteinrichtung mit einem fremderregten Gleichstrommotorschlussmotor,
13 ein Diagramm der Momentenkennlinie der Starteinrichtung der 12,
14 ein vereinfachtes Schaltbild einer Starteinrichtung mit einem synchrongesteuerten Drehstrommotor,
15 ein Diagramm der Momentenkennlinie der Starteinrichtung der 14,
16 ein vereinfachtes Schaltbild einer Starteinrichtung mit einem asynchrongesteuerten Drehstrommotor
und
17 ein Diagramm der Momentenkennlinie der Starteinrichtung der 16.
Die 1 zeigt das Diagramm 100 mit dem Resonanzverhalten R, beispielsweise einem zu übertragenden Moment der Brennkraftmaschine auf den restlichen Antriebsstrang überlagerte Drehmomentspitzen über die Drehzahl n der Kurbelwelle während eines Startvorgangs der Brennkraftmaschine mittels einer Starteinrichtung. Die Resonanzkennlinien 101, 102, 103 geben das Resonanzverhalten des Antriebsstrangs mit Schwingungsisolationseinrichtung bei unterschiedlichen Bedingungen wieder. Die Schwingungsisolationseinrichtung ist beispielsweise als Zweimassenschwungrad ausgebildet, dessen Resonanz unterhalb der Leerlaufdrehzahl n_L liegt. Die Resonanzkennlinie 101 gibt das Resonanzverhalten des Antriebsstrangs ohne den Einfluss der Starteinrichtung wieder. Insbesondere bei nach dem Viertaktprinzip betriebenen Brennkraftmaschinen mit weniger als vier Zylindern verlagert sich das Maximum der Resonanzkennlinie 101 über einen durch die Drehzahl n₁ begrenzten Drehzahlbereich Δn₁ hinaus zu größeren Drehzahlen, in dem eine Momentenkennlinie einer herkömmlichen Starteinrichtung nicht mehr ausreicht, einen sicheren Start durchzuführen, da deren Freilauf bereits innerhalb des Drehzahlbereichs Δn₁ überrollt wird.
Die Resonanzkennlinie 102 zeigt das Verhalten des Antriebsstrangs bei noch angekoppelter Starteinrichtung. Durch die Masse beziehungsweise das Trägheitsmoment des Rotors beziehungsweise aller drehenden Bauteile der Starteinrichtung wird die Resonanzabstimmung der Schwingungsisolationseinrichtung verstimmt und zu niedrigeren Drehzahlen verschoben, so dass das Maximum der Resonanzkennlinie 102 im Drehzahlbereich Δn₁ verbleibt. Allerdings geht die Resonanzkennlinie 102 in die Resonanzkennlinie 101 über, sobald die Starteinrichtung durch Überrollen des Freilaufs abgekoppelt wird.
Die Resonanzkennlinie 103 zeigt das Resonanzverhalten des Antriebsstrangs bei mittels eines Dämpfungsmittels bedämpft angekoppelter Starteinrichtung. Durch die Dämpfung, die durch zunehmende Betriebsdauer verursacht oder verstärkt werden kann, erniedrigt sich das Maximum der Resonanzkennlinie 103 und verbreitert sich, wobei dessen Maximum zu höheren Drehzahlen verschoben wird.
Um alle diese Einflüsse auf das Startverhalten zu vermeiden oder zu vermindern, ist der Wirkungsbereich der Starteinrichtung bis in den Drehzahlbereich Δn₂ verlängert. Dies bedeutet, dass eine Momentenkennlinie der vorgeschlagenen Starteinrichtung gegenüber herkömmlichen Starteinrichtungen, die bereits im Drehzahlbereich Δn₁ von der Kurbelwelle beispielsweise durch den mechanischen Freilauf zwischen Rotor und Kurbelwelle abkoppeln, ein Moment bis in den ersten Drehzahlbereich Δn₂ oder noch höheren Drehzahlen bereitstellt beziehungsweise an die Kurbelwelle angekoppelt bleibt, ohne in den Generatorbetrieb zu wechseln.
Die 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 zeigen jeweils schematisch vorteilhafte Starteinrichtungen 1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, die eine zu höheren Drehzahlen verlängerte Momentkennlinie aufweisen. Die 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 zeigen dabei die entsprechenden Diagramme deren Momentenkennlinien über die Drehzahl der Kurbelwelle während eines Startvorgangs. Die Starteinrichtungen 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f,
1g der 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 weisen jeweils über die Drehzahlen n₁ und gegebenenfalls n₂ erweiterte Restmomente auf, so dass diese aufgrund des über die Drehzahl abfallenden Moments viskosen Dämpfern entsprechende Dämpfungsmittel bereitstellen, die auf den Antriebsstrang dämpfend wirken, solange die jeweilige Starteinrichtung 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g drehschlüssig mit der Kurbelwelle verbunden ist.
Die 2 zeigt in schematischer Darstellung die Starteinrichtung 1 mit der Elektromaschine 2, die als permanent erregter Elektromotor 3 in herkömmlicher Weise ausgebildet ist. Im Unterschied zu herkömmlichen Ritzelstartern ist der Elektromotor 3 bis über die Drehzahl n₂ hinaus drehschlüssig beispielsweise mittels einer Gerad- oder Schrägverzahnung mit der Kurbelwelle, beispielsweise mit einem Anlasserzahnkranz der Schwingungsisolationseinrichtung wie Zweimassenschwungrad verbunden. Die Starteinrichtung kann anschließend als Generator betrieben werden oder beispielsweise mittels einer Schaltkupplung von der Kurbelwelle getrennt werden, um deren Schädigung bei fehlender Auslegung für hohe Drehzahlen zu vermeiden. Um den Generatorbetrieb bei startender Brennkraftmaschine zu verhindern, ist in der Zuleitung 4 der Starteinrichtung 1 zwischen der Stromversorgungseinrichtung 6 mit der Spannung U die Diode 5 geschaltet, die sozusagen als elektrischer Freilauf der Verhinderung einer Generatorwirkung des Elektromotors 3 dient.
Das Diagramm 104 der 3 zeigt die Momentenkennlinie 105 des Moments der Starteinrichtung 1 der 2 über die Drehzahl n. Durch den über die Drehzahlen n₁ und n₂ hinausgehende drehschlüssige Ankoppelung der Starteinrichtung 1 bleibt die Masse des Rotors des Elektromotors 3 an die Kurbelwelle und damit die Schwingungsisolationseinrichtung gekoppelt, so dass das Maximum des Resonanzverhaltens des Antriebsstrangs bei geringeren Drehzahlen verbleibt und daher trotz früh abfallendem Moment M des Elektromotors 3 ein sicherer Start der Brennkraftmaschine gewährleistet ist. Durch Einbau einer Dämpfung, beispielsweise eines Dämpfungsmittels wie viskose Reibung und dergleichen, kann das Maximum des Resonanzverhaltens zudem erniedrigt werden.
In Abänderung zu der Starteinrichtung 1 der 2 ist die Starteinrichtung 1a der 4 mit der Elektromaschine 2a versehen, deren permanent erregter Elektromotor 3a einen geringeren Motorwiderstand mit abgesenktem Widerstand aufweist. Dies führt bei gleichem Anlaufmoment zu einem höheren Anlaufstrom und zu einer höheren Leerlaufdrehzahl. Die höhere Leistung führt entsprechend dem Diagramm 106 mit der Momentenkennlinie 107 der 5 zu Restmomenten zwischen den Drehzahlen n₁, n₂, so dass ein sicherer Start gewährleistet ist.
In Abänderung zu den Starteinrichtungen 1, 1a der 2 und 4 ist die Starteinrichtung 1b der 6 zwischen der Stromversorgungseinrichtung 6b und der Elektromaschine 2b bei ansonsten ähnlichem Elektromotor 3b mit dem in die Zuleitungen 4b geschalteten DC/DC-Wandler 7b versehen. Der DC/DC-Wandler 7b kompensiert den Spannungsabfall an dem Elektromotor 3b während des Startbetriebs, so dass höhere Leerlaufdrehzahlen erzielt werden.
Die 7 zeigt das Diagramm 108 mit den Momentenkennlinien 109, 110, 111 der Starteinrichtung 1b der 6. Die Momentenkennlinie 109 zeigt das ursprüngliche Verhalten des Elektromotors 3b. Mit zunehmender, durch den DC/DC-Wandler 7b aufgeprägter Spannung werden die Leerlaufdrehzahlen des Elektromotors 3b – wie in den Momentenkennlinien 110, 111 gezeigt – erhöht, bis diese in der Momentenkennlinie 111 die Drehzahl n₁ überschreitet.
In der 8 ist die Starteinrichtung 1c gezeigt, welche eine zweigeteilte Elektromaschine 2c mit den beiden die Kurbelwelle gemeinsam, das heißt beispielsweise auf einer gemeinsamen Rotorwelle antreibenden, permanent erregten Elektromotoren 3c ₁ und 3c ₂ gebildet ist. Hierbei sind die Zuleitungen 4c beider Elektromotoren 3c ₁, 3c ₂ mit Dioden 5 versehen. Die beiden Elektromotoren 3c ₁, 3c ₂ unterscheiden sich in ihrer Motorkonstante, so dass unterschiedliche Anlaufmomente und Leerlaufdrehzahlen resultieren. Hierzu zeigt die 9 das Diagramm 112 mit der Momentenkennlinie 113 der Starteinrichtung 1c der 8. Aufgrund der unterschiedlichen Motorkonstanten der Elektromotoren 3c ₁, 3c ₂ ist die Momentenkennlinie 113 zweistufig ausgebildet, wobei der Elektromotor mit dem höheren Anlaufmoment die Brennkraftmaschine im Wesentlichen startet und der Elektromotor mit der höheren Leerlaufzahl die Erweiterung der Momentenkennlinie über die Drehzahl n₁ hinaus bewirkt. Durch die drehschlüssige Ankoppelung der Starteinrichtung 1c über die Drehzahl n₂ hinaus wird das Startverhalten der Brennkraftmaschine weiter verbessert.
Die 10 zeigt die Starteinrichtung 1d, deren Elektromaschine 2d als Elektromotor in Form des Reihenschlussmotors 3d ausgebildet ist. Der Reihenschlussmotor 3d weist ein hohes Anlaufmoment auf. Die 11 zeigt das Diagramm 114 mit der Momentenkennlinie 115 des Reihenschlussmotors 3d. Die kontinuierlich über die Drehzahl n abfallende Momentenkennlinie 115 weist ein Restmoment auf, welches bei entsprechender Auslegung des Reihenschlussmotors 3d über die Drehzahlen n₁, n₂ erstreckt ist, so dass mit der Starteinrichtung 1d ein sicheres Startverhalten der Brennkraftmaschine erzielt wird.
Die 12 zeigt die Starteinrichtung 1e in schematischer Darstellung. Die Elektromaschine 2e enthält den fremderregten Gleichstrommotor 3e, dessen Motorkonstante mittels der Feldschwächungseinrichtung 8e gesteuert durch Steuerung der Spannung U_A der Spannungsversorgungseinrichtung auf die erregte Spannung U_E abgesenkt wird. Durch die Feldschwächung wird ein Restmoment bei größeren Drehzahlen erzielt. Das Diagramm 116 mit den Momentenkennlinie 117, 118, 119, 120 der 13 zeigt das Verhalten des Gleichstrommotors abhängig von dessen Fremderregung. Die Momentenkennlinie 117 zeigt das ungestörte Verhalten. Mit zunehmender Störung nimmt die erregte Spannung ab, so über die Momentenkennlinien 118, 119, 120 zunehmend über die Drehzahlen n₁, n₂ hinausgehende Restmomente erzielt werden. Die 14 zeigt die Starteinrichtung 1f, bei der die Elektromaschine 2f den Synchrondrehstrommotor 3f enthält. Der Synchrondrehstrommotor 3f, beispielsweise ein elektronisch kommutierter Elektromotor wird mittels des DC/AC-Wandlers 7f kommutiert. Durch entsprechende drehzahlabhängige Verschiebung der Kommutierung wie Vorkommutierung kann eine einer Feldschwächung entsprechende Wirkung bei höheren Drehzahlen erzielt werden. Die 15 zeigt hierzu das Diagramm 121 mit den entsprechenden Momentenkennlinien 122, 123, 124, 125 des Synchrondrehstrommotors 3f. Die Momentenkennlinie 122 zeigt die ungestörte Kommutierung. Die Momentenkennlinien 123, 124, 125 zeigen die Entwicklung des Moments bei zunehmender Vorkommutierung mit zunehmendem Restmoment über die Drehzahlen n₁, n₂ hinaus. Die 16 zeigt die Starteinrichtung 1g, bei der die Elektromaschine 2g den Asynchrondrehstrommotor 3g enthält. Durch entsprechende Ansteuerung der Drehstromamplituden und der Frequenz mittels des DC/AC-Wandlers 7g kann ein leistungsbegrenztes Motorkennfeld erzeugt werden, welches bei größeren Drehzahlen ein Restmoment bereitstellt. Die 17 zeigt hierzu das Diagramm 126 mit der Momentenkennlinie 127 mit einem über die Drehzahlen n₁, n₂ hinaus ausgebildeten Restmoment.
Bezugszeichenliste

1: Starteinrichtung
1a: Starteinrichtung
1b: Starteinrichtung
1c: Starteinrichtung
1d: Starteinrichtung
1e: Starteinrichtung
1f: Starteinrichtung
1g: Starteinrichtung
2: Elektromaschine
2a: Elektromaschine
2b: Elektromaschine
2c: Elektromaschine
2d: Elektromaschine
2e: Elektromaschine
2f: Elektromaschine
2g: Elektromaschine
3: Elektromotor
3a: Elektromotor
3b: Elektromotor
3c₁: Elektromotor
3c₂: Elektromotor
3d: Reihenschlussmotor
3e: Gleichstrommotor
3f: Synchrondrehstrommotor
3g: Asynchrondrehstrommotor
4: Zuleitung
4b: Zuleitung
4c: Zuleitung
5: Diode
6: Stromversorgungseinrichtung
6b: Stromversorgungseinrichtung
7b: DC/DC-Wandler
7f: DC/AC-Wandler
7g: DC-AC-Wandler
8e: Feldschwächungseinrichtung
100: Diagramm
101: Resonanzkennlinie
102: Resonanzkennlinie
103: Resonanzkennlinie
104: Diagramm
105: Momentenkennlinie
106: Diagramm
107: Momentenkennlinie
108: Diagramm
109: Momentenkennlinie
110: Momentenkennlinie
111: Momentenkennlinie
112: Diagramm
113: Momentenkennlinie
114: Diagramm
115: Momentenkennlinie
116: Diagramm
117: Momentenkennlinie
118: Momentenkennlinie
119: Momentenkennlinie
120: Momentenkennlinie
121: Diagramm
122: Momentenkennlinie
123: Momentenkennlinie
124: Momentenkennlinie
125: Momentenkennlinie
126: Diagramm
127: Momentenkennlinie
M: Moment
n: Drehzahl
n₁: Drehzahl
n₂: Drehzahl
n_L: Leerlaufdrehzahl
R: Resonanzverhalten
U: Spannung
U_A: Spannung
U_E: Spannung
Δn1: Drehzahlbereich
Δn2: Drehzahlbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011117395 A1 [0003]

Claims

Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einer nach einem vorgegebenen Arbeitsprinzip arbeitenden Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle, einer vorgegebenen Anzahl von Zylindern und einer durch das Arbeitsprinzip und die Anzahl der Zylinder vorgegebenen Hauptschwingungsordnung mit einer Anregerfrequenz, einer die Brennkraftmaschine durch Drehantrieb der Kurbelwelle in einem Drehzahlbereich der Anregerfrequenz startenden Starteinrichtung (1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g) mit einer Elektromaschine (2, 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g) mit einer Momentenkennlinie (105, 107, 109, 110, 111, 113, 115, 117, 118, 119, 120, 122, 123, 124, 125, 127) über die Drehzahl (n) und einer der Kurbelwelle nachgeschalteten, auf die Hauptschwingungsordnung der Brennkraftmaschine ausgelegten Schwingungsisolationseinrichtung mit einer Resonanzkennlinie (101, 102, 103) unterhalb einer Leerlaufdrehzahl (n_L) der Brennkraftmaschine in einem ersten Drehzahlbereich (Δn₂) auftretenden Resonanzbereich, wobei der Resonanzbereich bei angekoppelter Elektromaschine (2, 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g) in einen zweiten, niedrigeren Drehzahlbereich (Δn₁) verlagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (2, 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g) ein über den zweiten Drehzahlbereich (Δn₁) hinaus wirksam erstrecktes Moment bereitstellt.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Starteinrichtung (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g) zumindest in dem zweiten Drehzahlbereich (Δn₁) als Dämpfungsmittel wirksam ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittels des Viertaktprinzips betriebene Brennkraftmaschine mit zumindest während des Starts mit weniger als vier betriebenen Zylindern vorgesehen ist.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (2, 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g) zumindest bis zum Durchschreiten des ersten Drehzahlbereichs (Δn₂) in beide Drehrichtungen drehschlüssig mit der Kurbelwelle verbunden ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromfluss von der Elektromaschine (2, 2a, 2c) in eine die Stromversorgungseinrichtung (6, 6b) der Elektromaschine (2, 2a, 2c) unterbunden ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Starteinrichtung (1c) zwei parallel geschaltete Elektromotoren (3c ₁, 3c ₂) unterschiedlicher Motorkonstanten aufweist.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Spannungsversorgung der Elektromaschine eine eine abfallende Spannung während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine zumindest kompensierende Vorrichtung vorgesehen ist.
Antriebstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (2d) als Reihenschlussmotor (3d) mit einem über den ersten Drehzahlbereich (Δn₂) hinaus verbleibenden Drehschluss gegenüber der Kurbelwelle ausgebildet ist.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (2e) mit einer mittels einer Feldschwächungseinrichtung (8e) veränderbaren Motorkonstante ausgebildet ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (2e, 2f) als Gleichstrommotor (3e), als Synchrondrehstrommotor (3f) mit Frequenzwandler oder als Asynchrondrehstrommotor (3g) mit Frequenzumrichter ausgebildet ist.