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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Wiedereinbindung eines Verbrennungsmotors in einen Antriebsstrang sowie ein Kraftfahrzeug.
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Fahrzeuge mit einem Hybridantrieb umfassen einen Verbrennungsmotor und eine Elektromaschine, so dass beispielsweise Rekuperation, Drehmomentverstärkung (engl. torque boosting), elektrisches Fahren, also Antreiben des Fahrzeugs mittels der als Elektromotor arbeitenden Elektromaschine, und/oder Hybridfahren, also Antreiben des Fahrzeugs mittels des Verbrennungsmotors und der als Elektromotor arbeitenden Elektromaschine, ermöglicht werden. Zudem kann eine Elektromaschine zum Starten des Verbrennungsmotors genutzt werden. Außerdem sind Fahrzeuge mit einem Start-Stopp-System bekannt, bei denen in bestimmten Fahrsituationen der Verbrennungsmotor abgeschaltet wird, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.
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Im Allgemeinen ist nach der Rekuperation, dem elektrischen Fahren oder einem Rollen mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor (engl. coasting) ein schneller und sanfter Neustart des Verbrennungsmotors bei Betätigung des Fahrpedals wünschenswert, der vom Fahrer nicht oder nur beiläufig bemerkt wird und nicht als störend empfunden wird.
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In bestimmten Fahrsituationen gestaltet sich die Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors in den Antriebsstrang, umfassend Starten des Verbrennungsmotors, Synchronisation der Motordrehzahl mit der Drehzahl der Getriebeeingangswelle und Aufbauen eines Drehmoments, jedoch problematisch, da diese nicht schnell genug erfolgt, um vom Fahrer als nicht störend empfunden zu werden.
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Solche Situationen können sich insbesondere dann ergeben, wenn das elektrische System des Hybridantriebs vergleichsweise schwach ist, z. B. bei 12 V oder 48 V Systemen. Bei Hochspannungssystemen (U > 48 V) mit starken Elektromaschinen und einem starken Batteriesystem ist die Verzögerung hingegen deutlich geringer. Unter einer starken Elektromaschine ist in diesem Zusammenhang eine Elektromaschine zu verstehen, die in der Lage ist, sofort mit Zugkraft auf eine Beschleunigungsanforderung reagieren zu können. Bei einem Kraftfahrzeug mit einer Masse von ca. 1450 kg wird bei 50 km/h eine Leistung von mindestens 30 kW benötigt. Außerdem sollte die Elektromaschine in der Lage sein, den Verbrennungsmotor anzuschleppen und zu beschleunigen, wofür kurzfristig eine weitere Leistung von ca. 5 kW zur Verfügung gestellt werden muss. Insofern wäre dann eine Elektromaschine mit einer Leistung ab ca. 35 kW als starke Elektromaschine für das genannte Kraftfahrzeug anzusehen.
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In Fahrsituationen, in denen ein Neustart mit hoher Wahrscheinlichkeit erfolgen wird, kann der Neustart vor seiner eigentlichen Anforderung anhand von Triggersignalen initiiert werden. Als Triggersignale kommen u. a. Signale von Systemen außerhalb des Antriebsstrangs in Frage, z. B. die Detektion des Umschaltens einer Ampel von Rot auf Grün mittels eines Kamerasystems wie in der
US 9 046 047 B2 /
DE 10 2014 203 989 A1 beschrieben. Ein weiteres Triggersignal kann das Herunterschalten in einen niedrigeren Gang, eine Änderung des Lenkradwinkels oder ein bestimmtes Signal eines Neigungssensors sein.
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Eine größere Herausforderung stellen dynamische Fahrsituationen dar, z. B. das Rollen mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor hinter einem anderen Fahrzeug, das plötzlich beschleunigt. In einer solchen Situation ist es sehr wahrscheinlich, dass auch der Fahrer des betrachteten Fahrzeugs beschleunigen möchte. Hierfür sollte der Verbrennungsmotor bei Erkennen des Beschleunigens des vorausfahrenden Fahrzeugs gestartet werden, um die Zeitdauer bis zum Beschleunigen des Fahrzeugs bei Betätigung des Fahrpedals zu verkürzen.
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Das vorausschauende Starten des Verbrennungsmotors verkürzt die Zeitdauer jedoch nur um die für das Starten des Verbrennungsmotors benötigte Zeitdauer. Eine Verzögerung tritt jedoch weiterhin aufgrund der Zeitdauer ein, die für die Synchronisation der Motordrehzahl mit der Drehzahl der Getriebeeingangswelle und das Aufbauen des Drehmoments, d. h. das Zurverfügungstellen der Luftmenge, die für den Aufbau des Drehmoments benötigt wird, benötigt wird.
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Außerdem ist aus der
DE 198 06 665 A1 ein Verfahren bekannt, mit denen durch Änderung des Zündwinkels und der Luftzufuhr ein Reservedrehmoment für das Anfahren eines Fahrzeugs aufgebaut werden kann. Auch in der
DE 10 2011 111 226 A1 wird das Erhöhen einer Drehmomentreserve mittels Einstellung der Zündung auf spätere Zündwinkel und das Erhöhen der in den Motor eingesaugten Luft offenbart. Die
DE 10 2016 011 069 A1 sieht vor, bei einem Solllastsprung einer Brennkraftmaschine von einem Istdrehmoment auf ein Solldrehmoment durch vollständiges Öffnen der Drosselklappe und durch Einstellen eines ersten Sollzündzeitpunkts, der später ist als der Vorgabezündzeitpunkt, der aus der Brennkraftmaschinenistdrehzahl ermittelt wird, eine Drehmomentreserve aufzubauen. Gleichzeitig wird das Istdrehmoment vergrößert, wobei die Drehmomentreserve vor dem Erreichen des Solldrehmoments durch das Istdrehmoment durch Einstellen eines zweiten Sollzündzeitpunkts, der früher ist als der erste Sollzündzeitpunkt, zum weiteren Erhöhen des Istdrehmoments verwendet wird.
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In der
DE 10 2007 040 727 A1 wird ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors beschrieben, bei dem der Verbrennungsmotor mittels einer an diesen gekoppelten Elektromaschine ohne Kraftstoffeinspritzung solange beschleunigt wird, bis ein vom Verbrennungsmotor umsetzbares Motordrehmoment dem Wunschdrehmoment entspricht. Erst dann wird die Einspritzung von Kraftstoff freigegeben. Dies erfordert allerdings eine Elektromaschine mit hoher Leistungsfähigkeit sowie einen leistungsfähigen elektrischen Energiespeicher.
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Die
DE 102 21 701 A1 offenbart ein Verfahren, mit dem ein Kupplungsvorgang am Ende eines Segelmodus mit Motor im Leerlauf oder abgeschaltetem Motor schnell und weitgehend ruckfrei ausgeführt werden kann, indem vor dem Schließen der Kupplung zur Beendigung des Segelmodus die Drehzahl der Antriebswelle des Getriebes mit der Motordrehzahl in Übereinstimmung gebracht wird. Die Angleichung der Drehzahlen kann z. B. durch gezielte Kraftstoffzufuhr, Drosselklappensteuerung, Zündzeitpunktsteuerung, Zündwinkelsteuerung, Ventilsteuerung erreicht werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mit der die genannten Nachteile verringert werden können. Bevorzugt sollen Möglichkeiten angegeben werden, mit denen eine Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors in einen Antriebsstrang nach einer entsprechenden Anforderung schnell und mit möglichst geringer Störung des Antriebsverhaltens bzw. des Fahrverhaltens eines Fahrzeugs erfolgen kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände des Hauptanspruchs und der nebengeordneten Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Grundgedanke der Erfindung ist es, basierend auf einem Triggersignal für eine Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors in einen Antriebsstrang nicht nur den Verbrennungsmotor zu starten, sondern auch die für die Synchronisation der Motordrehzahl mit der Drehzahl der Getriebeeingangswelle und das Aufbauen des Drehmoments benötigte Zeitdauer zu reduzieren.
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Die Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors in den Antriebsstrang umfasst das Starten des Verbrennungsmotors, die Synchronisation der Motordrehzahl mit der Drehzahl der Getriebeeingangswelle und das Aufbauen eines Drehmoments.
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Hierfür wird nach dem Starten des Verbrennungsmotors eine Drosseleinrichtung geöffnet, um die Luftzufuhr zum Verbrennungsmotor zu erhöhen. Ggf. kann sogar ein Ladedruck aufgebaut werden. Dem dadurch erzeugten überschüssigen Drehmoment wird durch Spätverstellung der Zündung entgegengewirkt.
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Betätigt der Fahrer das Fahrpedal, wird also die Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors in den Antriebsstrang angefordert, wird der Zündzeitpunkt wieder nach vorn, d. h. zu wirkungsgradoptimierten Zündwinkeln, verschoben und es kann sofort die Momentenanforderung oder zumindest ein möglichst großer Teil davon erzeugt werden.
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Da die Verschiebung des Zündzeitpunkts deutlich schneller realisierbar ist als das Aufbauen eines geeigneten Drucks im Verbrennungsmotor, wird die Zeitdauer zwischen Anforderung der Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors in den Antriebsstrang und der Reaktion des Fahrzeugs, also des Wirksamwerdens des vom Verbrennungsmotor erzeugten Drehmoments, verkürzt.
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Mit anderen Worten erfolgen die Synchronisation der Motordrehzahl mit der Drehzahl der Getriebeeingangswelle und das Aufbauen des Drehmoments des Verbrennungsmotors durch die beschriebenen Maßnahmen schneller bzw. zu einem früheren Zeitpunkt, so dass die Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors in den Antriebsstrang vom Fahrer als weniger störend empfunden werden kann, indem er eine schnellere Rückmeldung des Fahrzeugs, z. B. durch eine entsprechende Beschleunigung, nach Betätigung des Fahrpedals erhält. Dadurch wird die Fahrbarkeit des Fahrzeugs insgesamt verbessert.
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Besonders vorteilhaft kann die Erfindung für Hybridantriebsstränge genutzt werden, nämlich bei einem Umschalten von Nichtverbrennungsbetrieb, also z. B. Elektrobetrieb, auf Verbrennungsbetrieb oder bei einem Zuschalten des Verbrennungsantriebs, da eine Verzögerung des Drehmomentaufbaus während des Fahrens besonders störend wäre. Dies trifft insbesondere auf Fahrzeuge mit einem schwachen elektrischen System des Hybridantriebs zu, bei denen es zu einer besonders starken Verzögerung des tatsächlichen Aufbaus des Drehmoments des Verbrennungsmotors kommen würde.
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Die Spätverstellung der Zündung kann sich zudem positiv auf die Emission von Luftschadstoffen auswirken. Die Spätverstellung kann nämlich zu einer Erhöhung der Abgastemperatur führen, so dass im Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtungen, z. B. Katalysatoren, schneller erwärmt oder auf einer Mindesttemperatur gehalten werden können und folglich die Abgasnachbehandlung effektiver erfolgen kann. Dieser Effekt kommt besonders zum Tragen, sofern die Abgasnachbehandlungseinrichtungen während der „Motor aus“-Phase stark abkühlen, so dass z. B. die Light-off-Temperatur eines Katalysators unterschritten wird.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Wiedereinbindung eines Verbrennungsmotors in einen Antriebsstrang weist ein Starten des vom Antriebsstrang entkoppelten und abgeschalteten Verbrennungsmotors bei Vorliegen eines Triggersignals, ein Erhöhen der Luftzufuhr zum Verbrennungsmotor, ein Verschieben des Zündzeitpunkts zu späteren Zündwinkeln und bei Anforderung der Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors in den Antriebsstrang ein Verschieben des Zündzeitpunkts zu wirkungsgradoptimierten Zündwinkeln auf.
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Der Verbrennungsmotor kann in den Antriebsstrang eingekoppelt werden, so dass anschließend Bauteile, z. B. die Räder eines Kraftfahrzeugs, mittels des Verbrennungsmotors angetrieben werden können. Die Einkopplung bzw. Wiedereinkopplung des Verbrennungsmotors in den Antriebsstrang kann durch Einrücken einer Kupplung, die die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors mit einer weiteren Welle des Antriebsstrangs, z. B. einer Getriebeeingangswelle eines Getriebes verbindet, erfolgen. Der Antriebsstrang kann ein Getriebe aufweisen, um das vom Verbrennungsmotor erzeugte Drehmoment und die Drehzahl der Kurbelwelle an die Bedürfnisse der anzutreibenden Bauteile anzupassen.
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Unter einem Verbrennungsmotor, teilweise auch als Brennkraftmaschine bezeichnet, ist eine Verbrennungskraftmaschine zur Umwandlung von im Kraftstoff enthaltener chemischer Energie in mechanische Arbeit zu verstehen. Für die Durchführung des Verbrennungsvorgangs wird dem Verbrennungsmotor über einen Zuluftstrang Luft zugeführt, die zusammen mit dem Verbrennungsmotor zugeführtem Kraftstoff ein Luft-Kraftstoff-Gemisch bildet. Der Verbrennungsmotor kann beispielsweise als selbstzündender oder fremdgezündeter Verbrennungsmotor ausgebildet sein. Bei einem fremdgezündeten Verbrennungsmotor erfolgt die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs mittels einer Zündeinrichtung. Bei einer Selbstzündung erfolgt die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs ohne Zündquelle, sondern aufgrund einer Verdichtung des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Verbrennungsraum und den dadurch initiierten chemischen und physikalischen Vorgängen. Als Kraftstoff kann Motorbenzin oder Diesel genutzt werden.
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Ausgangspunkt des Verfahrens ist ein vom Antriebsstrang entkoppelter und abgeschalteter Verbrennungsmotor. Die Antriebswelle kann entweder weiterhin eine Drehbewegung ausführen oder stillstehen. Letztgenannte Situation kann beispielsweise auftreten, wenn der Antriebsstrang nicht von dem Verbrennungsmotor, sondern von einem ebenfalls zum Antreiben der Antriebswelle ausgebildeten Elektromotor angetrieben wird oder wenn die Antriebswelle durch das (Aus)rollen von Rädern eines Kraftfahrzeugs angetrieben wird oder der Verbrennungsmotor ausläuft.
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In einem ersten Verfahrensschritt wird der Verbrennungsmotor gestartet, falls ein Triggersignal vorliegt. Hierfür wird der Verbrennungsmotor angeschleppt, dem Verbrennungsmotor wird Kraftstoff zugeführt und das entstehende Kraftstoff-Luft-Gemisch wird gezündet. Der Verbrennungsmotor dreht anschließend mit der Leerlaufdrehzahl, z. B. einer Drehzahl von 800 Umdrehung pro Minute, oder einer leicht erhöhten Drehzahl von beispielsweise 1200 Umdrehungen pro Minute. Bevorzugt kann die Drehzahl des Verbrennungsmotors möglichst schnell mit einer Drehzahl der Getriebeeingangswelle synchronisiert werden, d. h. der Leerlaufpunkt wird lediglich durchlaufen, die Drehzahl des Verbrennungsmotors verharrt jedoch nicht bei der Leerlaufdrehzahl.
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Bei dem Triggersignal kann es sich beispielsweise um ein Ampelsignal (z. B. Umschalten von Rot auf Grün), eine Änderung der Fahrwegsituation (z. B. Erreichen eines Kreisverkehrs) oder das Beschleunigen eines vorausfahrenden Fahrzeugs, das Herunterschalten in einen niedrigeren Gang, eine Änderung des Lenkradwinkels oder ein bestimmtes Signal eines Neigungssensors handeln.
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Das Triggersignal kann beispielsweise mit einem Sensorsystem, z. B. einem Kamerasystem, einem Neigungssensor, einem Lenkradwinkelsensor etc. detektiert werden. Auch Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikationssysteme und/oder „over the air“ bzw. elektronische Verkehrsleitsysteme können in die Erzeugung und Detektion des Triggersignals mit einbezogen werden. Dies ermöglicht eine automatisierte Detektion des Triggersignals und folglich eine automatisierte Überprüfung des Vorliegens des Triggersignals.
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Die Verwendung eines Triggersignals ermöglicht vorteilhaft eine Verkürzung der Zeitdauer der Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors in den Antriebsstrang, da der Verbrennungsmotor bereits bei einer erwarteten Wiedereinbindung und nicht erst bei deren tatsächlicher Anforderung gestartet und Last aufgebaut wird. Zudem kann mittels des Triggersignals im Vergleich zur menschlichen Wahrnehmung sehr früh eine Situation erkannt werden, in der eine Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors voraussichtlich erforderlich sein wird, also z. B. noch bevor der Fahrer einen möglichen Beschleunigungswunsch via Gaspedal an die Fahrzeugsteuerung übermittelt hat.
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In einem nächsten Verfahrensschritt wird die Luftzufuhr zum Verbrennungsmotor erhöht, so dass der Verbrennungsmotor mehr Kraftstoff verbrennt und folglich eine höhere Leistung bzw. bei gleichbleibender Drehzahl ein höheres Drehmoment erzeugen könnte. Dem wird entgegengewirkt, indem der Zündzeitpunkt zu späteren Zündwinkeln verschoben wird, die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs also zu einem späteren Zeitpunkt erfolgt.
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Mit anderen Worten wird absichtlich ein solcher Zündzeitpunkt gewählt, bei dem der Verbrennungsmotor nicht seine volle Leistung bzw. das größtmögliche Drehmoment unter den vorliegenden Bedingungen erzeugen kann, da sich der Kolben bereits zu weit in seiner Abwärtsbewegung befindet, wenn der Verbrennungsdruck sein Maximum erreicht. Es wird also der thermische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors durch die Spätzündung herabgesetzt. Die Verschiebung des Zündzeitpunkts zu einem späteren Zeitpunkt kann beispielsweise wie bei der Zündpunktverschiebung im Rahmen einer Strategie zum Erwärmen von Katalysatoren im Abgasstrang des Verbrennungsmotors, z. B. nach einem Kaltstart, erfolgen. Auch hierbei wird der Zündzeitpunkt zu einem späteren Zeitpunkt verschoben, um dem Abgas mehr Energie zuzuführen, so dass sich dieses folglich stärker erwärmt.
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Ist der Verbrennungsmotor als Ottomotor ausgebildet, so kann der Zündzeitpunkt durch entsprechende Steuerung der Zündeinrichtung verschoben werden. Ist der Verbrennungsmotor hingegen als selbstzündender Dieselmotor ausgebildet, kann der Zündzeitpunkt durch Änderung der eingespritzten Kraftstoffmenge und/oder des Zeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung verschoben werden. Der Begriff Zündzeitpunkt betrifft also je nach Ausbildung des Verbrennungsmotors als selbstzündender oder fremdgezündeter Verbrennungsmotor den Zeitpunkt der Selbstzündung bzw. den Zeitpunkt der Zündung durch die externe Zündeinrichtung.
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Erfolgt nun eine Anforderung der Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors in den Antriebsstrang, z. B. indem das Fahrpedal betätigt wird, wird der Zündzeitpunkt wieder zu wirkungsgradoptimierten Zündwinkeln verschoben wird, die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs also zu einem früheren Zeitpunkt erfolgt.
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Zur Wiedereinkopplung des Verbrennungsmotors in den Antriebsstrang kann nun eine den Verbrennungsmotor vom restlichen Antriebsstrang trennende Kupplung eingerückt, d. h. geschlossen, werden.
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Der Zündwinkel gibt an, bei wieviel Grad°-Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt das Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet wird und ist damit ein Maß für den Zeitpunkt, zu dem das Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet wird.
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Vorteilhaft wird durch das Verfahren die Zeitdauer zwischen Anforderung der Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors in den Antriebsstrang und der Reaktion des Fahrzeugs, also des Wirksamwerdens des vom Verbrennungsmotor erzeugten Drehmoments, verkürzt. Das Fahrverhalten des Fahrzeugs verbessert sich dadurch.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Luftzufuhr derart erhöht werden, dass dem Verbrennungsmotor eine für einen Vollastbetrieb erforderliche Luftmenge zur Verfügung gestellt wird.
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Erfolgt eine Anforderung der Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors in den Antriebsstrang bei hoher Last, z. B. beim Bergauffahren, so kann auch unter solchen Bedingungen eine schnelle Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors in den Antriebsstrang mit allenfalls geringer Verzögerung des Fahrverhaltens erreicht werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Luftzufuhr derart erhöht werden, dass der Verbrennungsmotor aufgeladen wird. Mit anderen Worten kann die Luft im Zuluftstrang verdichtet werden, z. B. mittels eines Verdichters eines Turboladers oder eines elektrisch betriebenen Kompressors.
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Vorteilhaft kann dadurch die Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors weiter verbessert werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann bei einer Ausbildung des Verbrennungsmotors als Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs das Verfahren während einer Fahrbewegung des Fahrzeugs ausgeführt werden.
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Mit anderen Worten kann das Verfahren auch im rollenden Verkehr ausgeführt werden, z. B. bei Beschleunigung des vorausfahrenden Fahrzeugs, wobei die Beschleunigung als Triggersignal dienen kann. Somit kann das Fahrverhalten auch im rollenden Verkehr verbessert werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Luftzufuhr mittels Öffnen einer Drosseleinrichtung, z. B. einer Drosselklappe, erhöht werden.
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Die Drosseleinrichtung kann im Zuluftstrang angeordnet sein, wobei ein Öffnen der Drosseleinrichtung sowohl einen Übergang von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand als auch den Übergang von einem leicht geöffneten Zustand in einen stärker geöffneten Zustand umfasst.
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Mittels der Drosseleinrichtung lässt sich die Luftzufuhr auf einfache Weise erhöhen, da eine solche Drosseleinrichtung zumeist aus anderen Gründen bereits im Zuluftstrang des Verbrennungsmotors angeordnet ist.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann eine Drehzahl des Verbrennungsmotors unmittelbar nach dem Starten des Verbrennungsmotors mit einer Drehzahl einer Getriebeeingangswelle des Antriebsstrangs synchronisiert werden.
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Indem also die Drehzahlen von Verbrennungsmotor und Getriebeeingangswelle vor der Anforderung der Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors synchronisiert werden, kann das Fahrverhalten weiter verbessert werden, da die Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors vom Fahrer als weniger störend empfunden wird.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Wiedereinbindung eines Verbrennungsmotors in einen Antriebsstrang weist einen Verbrennungsmotor, einen Zuluftstrang zur Luftzufuhr zum Verbrennungsmotor, eine im Zuluftstrang angeordnete Drosseleinrichtung und eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, Steuersignale zur Durchführung eines Verfahrens zur Wiedereinbindung eines Verbrennungsmotors in einen Antriebsstrang gemäß vorstehender Beschreibung an den Verbrennungsmotor und die Drosseleinrichtung auszugeben, auf. Optional kann die Anordnung eine Zündeinrichtung zur Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs im Verbrennungsmotor aufweisen.
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Die Steuereinheit kann also Steuersignale zum Starten des Verbrennungsmotors, also z. B. zur Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors, zur Verschiebung des Zündzeitpunkts, also z. B. bei einem Ottomotor des Zeitpunkts der externen Zündung mittels einer Zündeinrichtung oder bei einem Dieselmotor des Zeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung, und zur Veränderung der Luftzufuhr ausgeben. Hierfür steht die Steuereinheit in einer signaltechnischen Wirkverbindung mit dem Verbrennungsmotor und der Drosseleinrichtung.
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Die Ausgabe der Steuersignale erfolgt in Reaktion auf Signale wie z. B. ein Triggersignal, welches das Starten des Verbrennungsmotors initiieren kann, und/oder ein Signal, das durch Betätigen des Fahrpedals erzeugt wird und das Verschieben des Zündzeitpunkts zu höheren Zündwinkel auslöst.
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Die Steuereinheit kann hardware- und/oder softwaremäßig realisiert sein und physisch ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Die Steuereinheit kann Teil einer Motorsteuerung sein oder in diese integriert sein. In einer typischen Ausgestaltung fungiert die Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs als Steuereinheit.
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Zur Detektion von Triggersignalen kann die Anordnung ein Sensorsystem aufweisen, z. B. ein Kamerasystem, einen Neigungssensor, einen Lenkradwinkelsensor etc. Das Sensorsystem kann signalübertragend mit der Steuereinheit verbunden sein, so dass Sensorsignale an die Steuereinheit übertragen und von dieser verarbeitet werden können.
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Ist der Verbrennungsmotor als Ottomotor ausgebildet, so kann die Anordnung eine Zündeinrichtung zur Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs im Verbrennungsmotor aufweisen. In diesem Fall kann das Verschieben des Zündzeitpunkts durch Ausgabe eines entsprechenden Steuersignals an die Zündeinrichtung erfolgen, wobei die Zündeinrichtung ebenfalls signaltechnisch mit der Steuereinheit verbunden ist.
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Ist der Verbrennungsmotor hingegen als selbstzündender Dieselmotor ausgebildet, kann der Zündzeitpunkt durch Änderung der eingespritzten Kraftstoffmenge und/oder des Zeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung verschoben werden. In diesem Fall kann das Verschieben des Zündzeitpunkts durch Ausgabe eines entsprechenden Steuersignals an die Kraftstoffeinspritzeinrichtung erfolgen, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung ebenfalls signaltechnisch mit der Steuereinheit verbunden ist.
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Die Vorteile der Anordnung entsprechen denen des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen entsprechender Ausführungsvarianten.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Anordnung einen im Zuluftstrang angeordneten Verdichter aufweisen.
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Der Verdichter dient der Verdichtung der dem Verbrennungsmotor zugeführten Luft. Er kann Teil eines dem Verbrennungsmotor zugeordneten Turboladers sein.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist eine der vorstehend beschriebenen Anordnungen auf.
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Unter einem Kraftfahrzeug ist ein durch einen Motor angetriebenes Fahrzeug, z. B. ein Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug zu verstehen. Das Kraftfahrzeug kann als Hybridelektrokraftfahrzeug, z. B. als Mildhybridelektrofahrzeug oder Vollhybridelektrofahrzeug, ausgebildet sein. Bei Hybridelektrokraftfahrzeugen wirkt sich die Erfindung besonders vorteilhaft aus, da bei solchen Fahrzeugen ein häufiges Wiedereinbinden des Verbrennungsmotors in den Antriebsstrang erforderlich ist.
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Die Vorteile des Kraftfahrzeugs entsprechen denen der Anordnung und deren Ausführungsvarianten.
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Der Begriff Fahrer bezeichnet vorliegend sowohl einen menschlichen Fahrer als auch einen virtuellen Fahrer. Mit anderen Worten kann das Verfahren auch von einer autonomen oder teilautonomen Anordnung ausgeführt werden, bei der die Funktion des menschlichen Fahrers von einer Steuereinheit übernommen wird.
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Die Erfindung wird anhand der Abbildungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung in einer beispielhaften Ausgestaltung; und
- 2 ein beispielhaftes Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist eine beispielhafte Anordnung 1 dargestellt, mit der der Verbrennungsmotor 2 in den Antriebsstrang wiedereingebunden werden kann, z. B. im Rahmen einer Start-Stopp-Automatik, bei der in bestimmten Fahrsituationen, z. B. bei roter Ampel, der Verbrennungsmotor 2 vom Antriebsstrang 3 entkoppelt und abgeschaltet und zu einem späteren Zeitpunkt wieder gestartet und in den Antriebsstrang 3 eingebunden wird.
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Die Anordnung 1 weist einen Verbrennungsmotor 2 mit einer Zündeinrichtung 6 auf, mit der ein Kraftstoff-Luft-Gemisch im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 2 gezündet werden kann. Der Verbrennungsmotor 2 kann beispielsweise als ein mit Motorbenzin betriebener Ottomotor ausgebildet sein und über zwei, drei, vier, sechs oder acht Zylinder verfügen. Die Anordnung 1 kann Teil eines Kraftfahrzeugs sein und zum Antreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Alternativ kann der Verbrennungsmotor 2 als Dieselmotor ausgebildet sein. In diesem Fall weist die Anordnung 1 keine Zündeinrichtung 6 auf.
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Der Verbrennungsmotor 2 wird über den Zuluftstrang 4 mit Luft 13 versorgt. Während des Verbrennungsvorgangs gebildetes Abgas wird vom Verbrennungsmotor 2 über den Abgasstrang 10 abgeführt. Im Zuluftstrang 4 ist ein Verdichter 9 angeordnet, mit dem die Luft 13 verdichtet werden kann. Der Verdichter 9 kann beispielsweise Teil eines Turboladers sein, d. h. mittels einer Turboladerwelle mit einer im Abgasstrang 10 angeordneten Abgasturbine (nicht dargestellt) verbunden sein.
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Stromabwärts des Verdichters 9 ist im Zuluftstrang 4 eine Drosseleinrichtung 5 angeordnet, die im Ausführungsbeispiel als Drosselklappe ausgebildet ist und mit der die dem Verbrennungsmotor 2 zugeführte Luftmenge gesteuert oder geregelt werden kann.
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Der Verbrennungsmotor 2 kann mittels Aus- bzw. Einrücken der Kupplung 12 vom Antriebsstrang 3 getrennt oder in diesen wiedereingebunden werden. Der Antriebsstrang 3 weist des Weiteren ein Getriebe 11 auf. Optional kann der Antriebsstrang 3 über eine Elektromaschine (nicht dargestellt) verfügen, die parallel und/oder seriell zu dem Verbrennungsmotor 2 zum Antreiben des Antriebsstrangs 3 ausgebildet ist. In diesem Fall handelt es sich um einen Hybridelektroantriebsstrang.
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Die Anordnung 1 weist weiterhin eine Steuereinheit 7 auf. Die Steuereinheit 7 ist signaltechnisch mit der Zündeinrichtung 6, dem Verbrennungsmotor 2 und der Drosseleinrichtung 5 verbunden und kann an diese Steuersignale 8a, 8b, 8c ausgeben. Optional kann die Steuereinheit 7 mit weiteren Sensoren und/oder Aktoren signaltechnisch verbunden sein. Die Art und Weise der Ausgabe der Steuersignale 8a, 8b, 8c wird nachfolgend anhand eines Verfahrens zur Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors 2 in den Antriebsstrang 3 erläutert.
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2 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens zur Wiedereinbindung eines Verbrennungsmotors 2 in einen Antriebsstrang 3. Ausgangspunkt ist ein abgeschalteter Verbrennungsmotor 2, der vom Antriebsstrang 3 getrennt ist, indem sich z. B. die Kupplung 12 in einem ausgerückten Zustand befindet.
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Das Verfahren beginnt mit dem Schritt S1, indem ein Triggersignal detektiert wird. Bei Vorhandensein des Triggersignals ist zu erwarten, dass der Verbrennungsmotor 2 demnächst wieder in den Antriebsstrang 3 eingebunden werden soll. Das Triggersignal kann beispielsweise das Umschalten einer roten Ampel auf Grün sein.
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Das Triggersignal wird von der Steuereinheit 7 verarbeitet, die daraufhin Steuersignale 8a, 8b an den Verbrennungsmotor 2 und die Zündeinrichtung 6 aussendet, die in den Verfahrensschritten S2 und S3 ein Ankurbeln des Verbrennungsmotors 2 sowie ein Einspritzen von Kraftstoff und ein Zünden des entstehenden Kraftstoff-Luft-Gemischs bewirken. Folglich wird der Verbrennungsmotor 2 im Schritt S4 mit der Leerlaufdrehzahl, z. B. mit 800 Umdrehungen pro Minute, oder einer erhöhten Drehzahl, z. B. mit 1200 Umdrehungen pro Minute, betrieben.
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Im Schritt S5 wird anschließend geprüft, ob eine Anforderung der Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors 2 in den Antriebsstrang 3 vorliegt. Eine solche Anforderung kann beispielsweise das Betätigen des Fahrpedals durch den Fahrer eines mit der Anordnung 1 ausgestatteten Kraftfahrzeugs sein.
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Wird im Schritt S5 festgestellt, dass eine solche Anforderung bereits vorliegt, geht das Verfahren weiter zu Schritt S6. Die Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 wird erhöht und mit der Drehzahl der Getriebeeingangswelle synchronisiert. Im nachfolgenden Schritt S7 wird die Kupplung 12 geschlossen und der Verbrennungsmotor 2 wieder in den Antriebsstrang 3 eingekoppelt. Das Einrücken der Kupplung 12 kann mittels eines von der Steuereinheit 7 ausgegebenen Steuersignals (nicht dargestellt) initiiert werden.
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Wird im Schritt S5 hingegen festgestellt, dass eine Anforderung der Wiedereinbindung (noch) nicht vorliegt, geht das Verfahren weiter zu Schritt S8.
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Um die Wiedereinbindung vorzubereiten und die dafür nötige Zeitdauer bei tatsächlichem Vorliegen der Anforderung zu verkürzen, wird im Schritt S8 die Drosseleinrichtung 5 geöffnet, so dass die Luftzufuhr zum Verbrennungsmotor 2 erhöht wird. Außerdem wird der Zündzeitpunkt zu einem späteren Zeitpunkt als es für die zur Verfügung stehende Luftmenge eigentlich optimal wäre und einer Erhöhung des Drehmoments und/oder der Drehzahl wird entgegengewirkt. Beide Maßnahmen werden durch entsprechende von der Steuereinheit 7 an die Zündeinrichtung 6 und die Drosseleinrichtung 5 ausgegebene Steuersignale 8a, 8c bewirkt.
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Anschließend geht das Verfahren weiter zu Schritt S9, in dem erneut geprüft wird, ob eine Anforderung der Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors 2 in den Antriebsstrang 3 vorliegt.
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Liegt eine solche Anforderung vor, geht das Verfahren weiter zu Schritt S10. Im Schritt S10 wird der Zündzeitpunkt zu wirkungsgradoptimierten Zündwinkeln verschoben. Hierfür kann ein entsprechendes Steuersignal 8a von der Steuereinheit 7 an die Zündeinrichtung 6 ausgegeben werden. Folglich wird der Zündzeitpunkt in Bezug auf die zur Verfügung stehende Luftmenge optimiert und ein hohes Drehmoment, entsprechend der zur Verfügung stehenden Luftmenge, steht nahezu sofort zur Verfügung. Die Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 wird im Schritt S11 mit der Drehzahl der Getriebeeingangswelle synchronisiert, was auch durch eine schlupfend geregelte Kupplung 12 erfolgen bzw. unterstützt werden kann. Im nachfolgenden Schritt S12 wird die Kupplung 12 geschlossen und der Verbrennungsmotor 2 wieder in den Antriebsstrang 3 eingekoppelt. Da das angeforderte Drehmoment des Verbrennungsmotors 2 nahezu sofort aufgebaut wird, kann die Wiedereinbindung des Verbrennungsmotors 2 in den Antriebsstrang 3 schneller abgeschlossen werden. Mittels einer Zündwinkelregelung kann außerdem der Einkuppelvorgang komfortabel, d. h. ruckelfrei, durchgeführt werden, indem das Drehmoment entsprechend geregelt wird.
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Wird im Schritt S9 festgestellt, dass eine Anforderung der Wiedereinbindung nicht vorliegt, so geht das Verfahren weiter zu Schritt S13, in dem geprüft wird, ob der Verbrennungsmotor 2 abgeschaltet werden kann. Hierfür kann beispielsweise geprüft werden, ob ein Triggersignal für das Abschalten des Verbrennungsmotors 2 vorliegt (S14). Ist dies der Fall, so wird im Schritt S15 der Verbrennungsmotor 2 abgeschaltet.
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Anderenfalls geht das Verfahren zurück zu Schritt S8. Die Drosseleinrichtung 5 bleibt geöffnet und der Zündzeitpunkt bleibt zwecks „Drehmomentabbau“ zu späten Zündwinkeln verschoben.
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Ist der Verbrennungsmotor 2 als Dieselmotor ausgebildet und keine Zündeinrichtung 6 vorhanden, so erfolgt die Änderung des Zündzeitpunkts in den Schritten S8 und S10 durch Änderung der eingespritzten Kraftstoffmenge und/oder des Zeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung. Die Steuereinheit 7 gibt in diesem Fall ein entsprechendes Steuersignal 8b an die Kraftstoffeinspritzeinrichtung des Verbrennungsmotors 2 aus.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 2
- Verbrennungsmotor
- 3
- Antriebsstrang
- 4
- Zuluftstrang
- 5
- Drosseleinrichtung
- 6
- Zündeinrichtung
- 7
- Steuereinheit
- 8a, 8b, 8c
- Steuersignale
- 9
- Verdichter
- 10
- Abgasstrang
- 11
- Getriebe
- 12
- Kupplung
- 13
- Luft
- S1 bis S15
- Verfahrensschritte
