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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Startvorgangs einer Brennkraftmaschine eines hybridischen Antriebsstrangs mittels eines in einem Riementrieb mit einem Entkoppler angeordneten Startergenerators.
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Hybridische Antriebsstränge weisen eine Brennkraftmaschine auf, welche von einer Elektromaschine unterstützt und auch gestartet wird. Die Elektromaschine ist dabei als Elektromotor wirksam und kann auch beispielsweise zur Rekuperation oder zum Laden eines Akkumulators mittels der Brennkraftmaschine als Generator betrieben werden. Beispielsweise kann eine derartige, als Startergenerator bezeichnete Elektromaschine in einem Riementrieb in einer Riemenscheibenebene der Brennkraftmaschine angeordnet sein. Zur Dämpfung von Drehschwingungen in dem Riementrieb kann ein beispielsweise aus der Druckschrift
WO 2014/094 760 A1 bekannter Entkoppler integriert sein, der bevorzugt direkt als Riemenscheibe an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine aufgenommen ist und beispielsweise über den Umfang verteilt Bogenfedern aufweist, die zwischen eingangs- und ausgangsseitigen Beaufschlagungsmitteln des Entkopplers beaufschlagt werden.
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Um unterschiedliche Momentenanforderungen an den Startergenerator in den einzelnen Betriebssituationen erfüllen zu können, ist beispielsweise aus den Druckschriften
DE 10 2011 087 697 A1 und
DE 10 2014 207 720 A1 ein Verfahren zur Steuerung eines Riementriebs bekannt, bei dem mittels eines schaltbaren Planetengetriebes zwei unterschiedliche Übersetzungen zwischen der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und dem Rotor des Startergenerators einstellbar sind.
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Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines Verfahrens zur Durchführung eines Startvorgangs einer Brennkraftmaschine mittels eines in einem Riementrieb aufgenommenen Startergenerators, gegebenenfalls ohne Planetengetriebe. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren derart zu verbessern, dass auf den Riementrieb wirkende Belastungen während des Starts verringert werden. Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von dem Anspruch 1 abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.
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Das vorgeschlagene Verfahren dient der Steuerung eines Startvorgangs einer Brennkraftmaschine eines hybridischen Antriebsstrangs mittels eines in einem Riementrieb mit einem Entkoppler angeordneten Startergenerators. Hierbei kann eine schaltbare Übersetzung zwischen dem Startergenerator und der Brennkraftmaschine oder lediglich eine Übertragung der anstehenden Momente ohne Übersetzung eines Getriebes wie Planetengetriebes zwischen der Kurbelwelle und dem Rotor des Startergenerators vorgesehen sein. Der Entkoppler kann direkt an der Kurbelwelle aufgenommen sein und über den Umfang verteilt angeordnete Bogenfedern enthalten die jeweils stirnseitig von eingangs- und ausgangsseitigen Beaufschlagungsmitteln des Entkopplers, beispielsweise Flanschteilen, Anschlägen in der Riemenscheibe oder dergleichen beaufschlagt werden. Hierbei kann zwischen dem Eingangsteil und dem Ausgangsteil vor einem Wirkeingriff der Bogenfedern ein Freiwinkel ausgebildet sein.
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Um einen sicheren, schnellen und guten Start der Brennkraftmaschine mittels des Startergenerators zu erzielen, muss zuerst gegebenenfalls ein Freiwinkel abgebaut und das Losbrechmoment der Brennkraftmaschine überwunden werden. Hierzu werden Startmomente mit hohen Gradientenverläufen eingestellt. Es hat sich hierbei gezeigt, dass verglichen mit einem linearen Gradientenverlauf des Startmoments mit beispielsweise 600Nm/s des Startergenerators vom Beginn des Starts bis zum Abschluss des Startvorgangs, der zu Überschwingern und hohen Belastungen des Entkopplers im Bereich dessen Nabe und anderen Bauteilen des Riementriebs führen kann, eine Steuerung des Gradientenverlaufs eines Startmoments des Startergenerators zumindest zweistufig vorteilhaft ist. Dies bedeutet, dass während des Startvorgangs der Gradientenverlauf innerhalb beispielsweise einer halben Sekunde zumindest zweimal geändert wird. Die Gradientenänderung erfolgt mittels einer entsprechenden Steuerung des Startergenerators.
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Die Einstellung der Stufen beziehungsweise ein Stufenwechsel des Gradientenverlaufs kann zeitabhängig vorgenommen werden. Hierbei kann beispielsweise ein typisches Startverhalten der Brennkraftmaschine, ein zeitabhängiges Verhalten des Riementriebs samt Entkoppler und dergleichen empirisch erfasst und/oder simuliert und in dem Steuergerät zur Steuerung des Startverhaltens hinterlegt werden. Die entsprechenden Stufen werden dann anhand dieses abgespeicherten Startverhaltens eingestellt.
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Alternativ oder zusätzlich kann ein Stufenwechsel des Gradientenverlaufs drehzahlabhängig vorgenommen werden. Hierzu können die Drehzahlen der Brennkraftmaschine und/oder des Startergenerators interaktiv erfasst und ausgewertet werden. Beispielsweise kann zur Vermeidung einer großen Vorspannung der Bogenfedern und dadurch entstehenden Achslasten im Entkoppler und im Riementrieb, zur Überwindung des Losbrechmoments der Brennkraftmaschine und/oder dergleichen ein Gradientenverlauf eingestellt werden, der unterhalb eines maximalen Startmomentgradienten bleibt, so dass ein hoher Überschwinger des Startergenerators vermieden und die auf den Entkoppler bei noch stehender oder sich gegenüber der Drehzahl des Startergenerators langsam drehender Kurbelwelle einwirkenden Kräfte vermindert bleiben, bis sich die aufgrund der hohen Massen träge beschleunigende Kurbelwelle im Wesentlichen mit der Drehzahl des Rotors des Startergenerators bewegt. Hierbei kann eine erste Stufe eines Gradienten des Startmoments eingestellt werden, bis eine Drehzahl der Kurbelwelle im Wesentlichen gleich dem Rotor erfasst wird und/oder eine entsprechende Zeit ab Bestromung des Startergenerators vergangen ist.
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In einer zweiten Stufe kann anschließend an die erste Stufe ein Startmomentgradient mit maximal vorgesehenem Startmomentgradienten eingestellt werden. Die zweite Stufe kann beispielsweise eingestellt werden, sobald die Kurbelwelle sich mit gleicher Drehzahl wie der Rotor des Startergenerators dreht und/oder eine entsprechende Zeit ab Bestromung oder seit der Einstellung der zweiten Stufe vergangen ist. Ausgehend von dem maximalen Startmomentgradient von beispielsweise 800Nm/s kann ein Verhältnis der Startmomentgradienten der ersten Stufe zur zweiten Stufe beispielsweise im Wesentlichen zwischen 0,4 und 0,7, bevorzugt 0,56 betragen. Eine Dauer des Startmomentgradienten der ersten Stufe bis zu einem Start der zweiten Stufe kann zwischen 0,05s und 0,07s, bevorzugt 0,06s eingestellt werden. Insbesondere bei einem Einsatz eines Entkopplers mit Freiwinkel kann eine der ersten Stufe vorgeschaltete Vorstufe zum Aufbrauch eines gegebenenfalls vorhandenen Freiwinkels eingestellt werden. Der Startmomentgradient dieser Vorstufe kann gegenüber dem Startmomentgradienten der ersten Stufe erhöht, beispielsweise auf den maximalen Startmomentgradienten eingestellt werden, da keine hohen Gegenkräfte des Entkopplers zu erwarten sind. Die Dauer der Vorstufe kann beispielsweise 0,01s betragen oder beendet werden, sobald die Drehzahl der Kurbelwelle ungleich Null ist.
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Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 ein Diagramm der Drehzahlen an einem Entkoppler und einer Brennkraftmaschine sowie einem Startmoment eines Startergenerators über die Zeit während eines Startvorgangs der Brennkraftmaschine,
- 2 ein Diagramm eines Verdrehwinkels des Entkopplers der 1 über die Zeit während eines Startvorgangs der Brennkraftmaschine
und
- 3 ein Diagramm der Axialbelastung ausgewählter Komponenten eines Riementriebs über die Zeit während eines Startvorgangs der Brennkraftmaschine.
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Die 1 zeigt das Diagramm 100 mit der Drehzahl n des Startergenerators, der Brennkraftmaschine und eines an der Kurbelwelle angeordneten Entkopplers sowie das Startmoment des Startergenerators über die Zeit t in einer für den Start der Brennkraftmaschine ungünstigen Stellung des Riementriebs. Die Kurve 101 zeigt die Drehzahl n(STG) des Startergenerators, die Kurve 102 zeigt die Drehzahl n(E) des Entkopplers und die Kurve 103 die Drehzahl n(BR) der Brennkraftmaschine. Der Entkoppler ist mit einem Freiwinkel versehen, so dass der Gradientenverlauf des Startmoments M des Startergenerators, welches in der Kurve 104 gezeigt ist, zwischen dem Zeitpunkt t=0 zu Beginn der Bestromung des Startergenerators bis zum Zeitpunkt t3 in drei Startmomentgradienten unterteilt ist.
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In der Vorstufe Δt(V) zwischen dem Zeitpunkt t=0 und dem Zeitpunkt t1 wird der Startmomentgradient aufgrund des in Nulllage des Freiwinkels stehenden Entkopplers auf einen für den vorliegenden Riementrieb maximalen Startmomentgradienten von beispielsweise 800Nm/s unter Aufbrauch des Freiwinkels gebracht. Der Entkoppler enthält dabei eine Federeinrichtung, die beispielsweise Bogenfedern enthält, welche nach Aufbrauch des Freiwinkels entsprechend einer vorgegebenen Kennlinie komprimiert werden. Aufgrund der durch die Bewegung des Entkopplers ohne Federeinwirkung geringen Belastung des Riementriebs kann hier der maximale Startmomentverlauf eingestellt werden. Die Dauer der Vorstufe Δt(V) kann beispielsweise zeitgesteuert 0,1s betragen oder anhand einer Drehzahlumkehr des Startergenerators und/oder bei beginnender Drehzahlentwicklung der Drehzahl n(BR) beendet werden.
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In der ersten Stufe Δt1 wird das Losbrechmoment der Brennkraftmaschine mit seinen hohen Trägheitsmomenten überwunden und die Federeinrichtung bei einem Startmoment M(St) von beispielsweise 25Nm in der gezeigten Ausführungsform des Riementriebs vorgespannt. Hierbei nehmen die Drehzahlen n(STG), n(E) des Startergenerators und des Entkopplers ab. Bei überwundenem Losbrechmoment fängt die Drehzahl n(BR) der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine an zu steigen und die Drehzahlen n(STG), n(E), n(BR) gleichen sich an. Aufgrund der hohen Belastung durch das Losbrechmoment und die Federvorspannung wird der Startmomentgradient in der ersten Stufe Δt1 gegenüber dem maximalen Startergradienten beispielsweise auf einen Startergradienten 450Nm/s abgesenkt. Die erste Stufe Δt1 kann zeitgesteuert beispielsweise abhängig von der Auslegung des Riementriebs nach 0,06s oder drehzahlgesteuert bei Drehzahlgleichheit der Drehzahlen n(STG), n(E), n(BR) beendet werden.
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An die erste Stufe Δt1 schließt sich die zweite Stufe Δt2 an, die sich zwischen den Zeitpunkten t2, t3 erstreckt. Der Zeitpunkt t3 ist durch das maximale Startmoment M(max) begrenzt. In der zweiten Stufe Δt2 wird aufgrund der geringeren Belastung des Riementriebs durch die gegenüber dem Losbrechmoment kleinere Gleitreibung der Brennkraftmaschine wieder der maximale Startmomentgradient eingestellt.
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Die 2 zeigt das Diagramm 200 mit dem in der Kurve 201 gezeigten Verdrehwinkel α des Entkopplers entgegen der Wirkung seiner Federeinrichtung über die Zeit t während eines Starts der Brennkraftmaschine entsprechend 1. Der Wirkbereich der Federeinrichtung liegt zwischen den Maximalwinkeln α(max) und -α(max). In der Vorstufe Δt(V) wird der Entkoppler aus seiner Nulllage α = 0 unter nahezu vollständigem Aufbrauch des Freiwinkels α(Fr) verdreht und in der ersten Stufe Δt1 bis zum maximalen Winkel -α(max) unter Zug verdreht. Am maximalen Winkel -α(max) verbleibt der Entkoppler bis zu einem nachlassenden Startermoment bei größeren Zeiten t und pendelt nach dem Start wieder in die Nulllage α = 0 ein.
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Die 3 zeigt das Diagramm 300 der Achskräfte F einzelner Komponenten des Riementriebs während eines Startvorgangs der Brennkraftmaschine entsprechend 1. Die Kurve 301 zeigt die auf den Entkoppler und den Startergenerator wirkende Achskraft. Die Kurve 302 zeigt die auf eine in den Riementrieb integrierte Wasserpumpe wirkende Achskraft. Die Kurve 303 zeigt die auf einen ersten Riemenspanner wirkende Achskraft. Die Kurve 304 zeigt die auf einen in den Riementrieb integrierten Klimakompressor wirkende Achskraft und die Kurve 305 zeigt die auf einen zweiten Riemenspanner wirkende Achskraft.
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Durch die stufenweise Anwendung der Startmomentgradienten kann ein wesentliches Überschwingen der auf die Komponenten, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere auf die Wasserpumpe wirkenden Achskräfte über eine tolerierbare Belastungsgrenze F(lim) verhindert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Diagramm
- 101
- Kurve
- 102
- Kurve
- 103
- Kurve
- 104
- Kurve
- 200
- Diagramm
- 201
- Kurve
- 300
- Diagramm
- 301
- Kurve
- 302
- Kurve
- 303
- Kurve
- 304
- Kurve
- 305
- Kurve
- F
- Achskraft
- F(lim)
- Belastungsgrenze
- M
- Startmoment
- M(max)
- maximales Startmoment
- M(St)
- Startmoment am Zeitpunkt t1
- M(STG)
- Startmoment des Startergenerators
- n
- Drehzahl
- n(BR)
- Drehzahl Brennkraftmaschine
- n(E)
- Drehzahl Entkoppler
- n(STG)
- Drehzahl Startergenerator
- t
- Zeit
- t1
- Zeitpunkt
- t2
- Zeitpunkt
- t3
- Zeitpunkt
- α
- Verdrehwinkel
- α(max)
- maximaler Verdrehwinkel
- α(Fr)
- Freiwinkel
- Δt1
- erste Stufe
- Δt2
- zweite Stufe
- Δt(V)
- Vorstufe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/094760 A1 [0002]
- DE 102011087697 A1 [0003]
- DE 102014207720 A1 [0003]
