DE19632074C2 - Verfahren zum Betrieb eines mit einem Starter-Generator kupplungslos gekoppelten ventilgesteuerten Verbrennungsmotors und ventilgesteuerter Verbrennungsmotor zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines mit einem Starter-Generator kupplungslos gekoppelten ventilgesteuerten Verbrennungsmotors gemäß Patentanspruch 1 und einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor zur Durchfüh­ rung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 4.

Zur Reduzierung der Emission und des Kraftstoffverbrauchs in durch Verbrennungsmotore angetriebene Kraftfahrzeuge ist es bekannt, in Betriebsphasen ohne Leistungsanforderung den Ver­ brennungsmotor von der Kraftfübertragung zu den Antriebsrä­ dern zu trennen und vollständig abzuschalten oder einen Teil der Zylinder ohne Zündung und Kompression nur mitlaufen zu lassen. Bei erneuter Leistungsanforderung erfolgt der Start­ vorgang im ersten Fall durch die nichtabgeschalteten Zylinder und im letzten Fall insbesondere über eine sogenannte Schwungnutzautomatik, bei der ein zuvor mit einem hinreichen­ den Schwungmoment ausgestattetes und dazu ausgekuppeltes Schwungrad wieder an die Kurbelwelle angekuppelt wird und durch Abgabe einer kinetischen Energie ein Neustarten des Verbrennungsmotors ermöglicht. Bei zu langen Betriebspausen wird das Schwungrad vor seinem Startankoppeln an den Verbren­ nungsmotor zunächst wieder hinreichend beschleunigt. Zur Be­ schleunigung dient ein sogenannter Starter-Generator in Form einer sowohl als Motor als auch als Generator einsetzbaren elektrischen Maschine, die im motorischen Betrieb aus einer Batterie gespeist das hinreichende Schwungmoment erzeugt und im generatorischen Betrieb von dem dann arbeitenden Verbren­ nungsmotor angetrieben die elektrische Energie zur Nachladung der Batterie erzeugt.

Durch die EP 0 103 821 B1 ist es bekannt, bei einer Verbren­ nungsmaschine mit einer Schwungnutzautomatik das auch für den Gleichlauf der Verbrennungsmaschine notwendige Schwungmoment durch ein auskuppelbares Schwungrad aufzubringen, das zu­ gleich als Rotor des Starter-Generators ausgebildet ist. Ein derartiger Starter-Generator übernimmt also einerseits die Funktion des üblichen Direktstartens über einen Anlasser als auch die Funktion einer Lichtmaschine zur Ladung der Batterie und erlaubt durch die Ausnutzung der in ihm gespeicherten ki­ netischen Energie wiederum eine Reduzierung der Emission und des Kraftstoffverbrauchs aufgrund der Abschaltungsmöglichkeit des Verbrennungsmotors in den Zwischenbetriebssphasen ohne Leistungsaufwand.

Bei einem durch die WO 94/07025 A1 bekannten Verfahren zum Be­ trieb eines mit einem Starter-Generator über eine Schwung­ automatik und eine gesonderte Schwungnutzkupplung koppelbaren mehrzylindrigen Verbrennungsmotors soll der konstruktive Auf­ wand und die Baugröße des mit der Schwungnutzautomatik ausge­ rüsteten Verbrennungsmotor dadurch verringert werden, daß beim Startvorgang des Verbrennungsmotors mittels des Schwung­ rades nur ein Teil der Zylinder des Verbrennungsmotors gezün­ det und zugeschaltet wird und die verbleibenden Zylinder ent­ weder vollständig abgekoppelt werden oder lediglich kompres­ sionslos mitlaufen.

Durch die DE 43 36 162 A1 ist ein Fahrzeug mit einem als Elektromotor ausgebildeten Starter und einem damit zu einer einzigen Maschine vereinigten Generator bekannt, die auf der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angeordnet ist.

Durch die EP 0 555 805 A1 ist ein durch einen normalen Anlas­ ser startbarer Motorrad-Antrieb bekannt, dessen Kompression mittels eines Fliehkraftreglers jeweils beim Starten vermin­ dert und ab einer Mindestdrehzahl voll reproduzierbar ist. Die Zündung ist vom Startbeginn eingeschaltet; eine Schwung­ massenunterstützung wird nicht angesprochen.

Gemäß Aufgabe vorliegender Erfindung soll ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines mit einem Starter-Generator kupp­ lungslos gekoppelten ventilgesteuerten Verbrennungsmotors an­ gegeben und ein ventilgesteuerter Verbrennungsmotor mit ver­ einfachtem Aufbau, kleinerer Baugröße und geringerem Gewicht, geschaffen werden.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein Verfahren zum Be­ trieb eines mit einem Starter-Generator kupplungslos gekop­ pelten ventilgesteuerten Verbrennungsmotor gemäß Patentan­ spruch 1 und einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor gemäß Patentanspruch 4; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zweckmäßigerweise wird die Schwungmasse des Rotors des Star­ ter-Generators lediglich hinsichtlich eines gewährleisteten Rundlaufs des Verbrennungsmotors ausgelegt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in schematischer Dar­ stellung in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Die Figur zeigt mit ausgezogener Linienkontur ein erstes und mit gestrichelter Linienkontur ein zweites Ausführungsbei­ spiels eines mit einem ventilsteuerbaren Verbrennungsmotor 1 koppelbaren Starter-Generators 2 bzw. 3. In beiden Fällen ist der Starter-Generator 2 bzw. 3 ohne gesonderte Schwungnutzau­ tomatik und Schwungnutz-Zwischenkupplung an die Kurbelwelle 1.1 des ventilsteuerbaren Verbrennungsmotors 1 angekoppelt.

Beim ersten Ausführungsbeispiel ist nach einer ersten Ausge­ staltung der Erfindung der Rotor 2.1 des Starter-Generators 2 unmittelbar auf der Kurbelwelle 1.1 des ventilsteuerbaren Verbrennungsmotors 1 derart angeordnet, daß die Rotorwelle 2.11 des Starter-Generators 2 gleichzeitig die Kurbelwelle 1.1 des ventilsteuerbaren Verbrennungsmotors 1 bildet. Der Stator 2.2 des Starter-Generators 2 ist an einem Flansch des ventilsteuerbaren Verbrennungsmotors 1 gehalten. Der Abtrieb des Verbrennungsmotors 1 und des Starter-Generators 2 erfolgt über eine Getriebekupplung 4 und ein nachgeschaltetes Ge­ triebe 5 an den hier nicht näher dargestellten Radantrieb eines Kraftfahrzeuges; selbstverständlich kann anstelle von gesonderter Getriebekupplung und gesondertem Getriebe auch eine Automatik-Schaltung mit integrierter Kupplung treten.

Nach dem zweiten Ausführungsbeispiel ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ein Starter-Generator 3 am Außen­ umfang des Verbrennungsmotors 1 derart angeordnet, daß seine Rotorwelle 3.1 parallel zur Kurbelwelle 1.1 des Verbrennungs­ motors 1 verläuft. Zum Antrieb zwischen der Rotorwelle 3.1 einerseits und der Kurbelwelle 1.1 andererseits ist - wiede­ rum unter Verzicht auf eine Schwungnutzautomatik und eine Schwungnutz-Zwischenkupplung - ein Getriebe 9 mit zwei in­ einander kämmenden Getrieberädern 9.1 bzw. 9.2 im Sinne einer Übersetzung vorgesehen; anstelle von kämmenden Getrieberädern kann auch z. B. eine an sich bekannte Zahnriemenübersetzung oder dergleichen treten.

Vor dem Starten bzw. Beschleunigen des ventilsteuerbaren Ver­ brennungsmotors 1 werden dessen Ventile über einen Ventil- Stellantrieb 1.2 von einer Steuereinheit 1.3 so verstellt, daß im Verbrennungsmotor 1 praktisch keine Kompression ent­ steht. Der Starter-Generator 2 kann dann im Motorbetrieb mit relativ kleiner Leistung bei Speisung aus einer Batterie 8 über eine Frequenzumrichter 7 die Kurbelwelle 1.1 des Ver­ brennungsmotors 1 mit geringer Leistung hochbeschleunigen. Dabei hat der Starter-Generator lediglich das Trägheitsmoment des Verbrennungsmotors 1 und dessen Reibung zu überwinden. Erfindungsgemäß sind bei diesem Hochfahren des Verbrennungs­ motors dessen sämtliche Zylinder mit minimaler oder total re­ duzierter Kompression sowie demgemäß bei abgeschalteter Zün­ dung bzw. Einspritzung bzw. Gemischaufbereitung betrieben; die Verstellung der Ventile selbst erfolgt in an sich bekann­ ter Weise, insbesondere durch direkte entsprechende Ventil­ hubsteuerung oder durch entsprechende Veränderung des Steuer­ winkels zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle.

Bei Erreichen einer durch einen Drehzahlsensor 2.3 erfaßten und dann an einer Hauptsteuereinheit 6 abgegebenen Mindest­ drehzahl, vorteilhafterweise einer Mindestdrehzahl von ca. 1000 U/min, werden die Ventile des Verbrennungsmotors 1 über die Steuereinheit 1.3 und dem Ventil-Stellantrieb 1.2 so ver­ stellt, daß der betriebsmäßige Verbrennungsvorgang nach nun­ mehr eingeschaltetem Zündvorgang des Verbrennungsmotors 1 eingeleitet werden kann, wobei die zuvor durch den Starter- Generator in seinem Motorbetrieb aufgebrachte Schwungenergie dazu mithilft, den Verbrennungsmotor 1 kurzzeitig zu starten und zu beschleunigen. Der Zündvorgang des Verbrennungsmotors 1 wird dabei durch den Antrieb über den Starter-Generator un­ terstützt. Sobald der Verbrennungsmotor 1 gezündet hat, wird der Starter-Generator aus dem Motorbetrieb abgeschaltet und in vorteilhafter Weise auf Generatorbetrieb umgeschaltet, in dem er die Batterie 8 nachladen kann.

In vorteilhafter Weise wird für den ventilsteuerbaren Ver­ brennungsmotor 1 ein an sich bereits bekannter und für den Antrieb eines Kraftfahrzeuges vorgesehener Motor mit einer variablen Ventilhub- bzw. Nockenwellensteuerung vorgesehen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Betrieb eines mit einem Starter-Generator kupplungslos gekoppelten ventilgesteuerten Verbrennungsmotors mit den Merkmalen:

• a) Vor dem Starten werden die Ventile über einen Ventil- Stellantrieb (1.2) von einer Steuereinheit (1.3) derart verstellt, daß der Verbrennungsmotor (1) praktisch kom­ pressionslos ist;
• b) der Starter-Generator (2) arbeitet im Motorbetrieb und beschleunigt die Kurbelwelle (1.1) des Verbrennungsmotors (1) auf eine Mindestdrehzahl;
• c) nach Erreichen der Mindestdrehzahl werden die Zylinder des Verbrennungsmotors im Sinne eines weiterführenden Verbrennungsmotor-Betriebes (1) gezündet;
• d) der Starter-Generator (2) unterstützt den Zündvorgang aufgrund seiner zuvor im Motorbetrieb gespeicherten Schwungenergie und wird nach dem Zünden des Verbrennungs­ motors (1) aus seinem Motorbetrieb abgeschaltet.

2. Verfahren nach Anspruch 1 mit dem Merkmal:

• a) Der Starter-Generator (2) wird nach dem Zündvorgang des Verbrennungsmotors (1) auf Generatorbetrieb umgeschaltet.

3. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden An­ sprüche mit dem Merkmal:

• a) Oberhalb einer Mindestdrehzahl von ca. 1000 u/min werden die Ventile im Sinne einer betriebsmäßigen Kompression rückgestellt und die Zylinder im Sinne eines Eigenantrie­ bes des Verbrennungsmotors (1) gezündet.

4. Ventilgesteuerter Verbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem Merkmal:

• a) Der Rotor (2.1) des Starter-Generators (2) ist unmittel­ bar auf der Kurbelwelle (1.1) des Verbrennungsmotors (1) angeordnet.

5. Ventilgesteuerter Verbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1-3 mit dem Merkmal:

• a) Der Starter-Generator (2) ist mit seiner Rotorwelle (3.1) parallel zur Kurbelwelle (1.1) des Verbrennungsmotors (1) angeordnet.

6. Ventilgesteuerter Verbrennungsmotor nach dem vorhergehen­ den Anspruch mit dem Merkmal:

• a) Der Starter-Generator (3) steht über eine Übersetzung (9) in Antriebsverbindung mit dem Verbrennungsmotor (1).

7. Ventilgesteuerter Verbrennungsmotor nach dem vorhergehen­ den Anspruch mit dem Merkmal:

• a) Der Starter-Generator (2) ist am Außenumfang des Verbren­ nungsmotors (1) angeordnet.

8. Ventilgesteuerter Verbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem Merkmal:

• a) Die Schwungmasse des Rotors (2.1) des Starter-Generators (2) ist lediglich hinsichtlich eines gewährleisteten Rundlaufs des Verbrennungsmotors (1) ausgelegt.

9. Ventilgesteuerter Verbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem Merkmal:

• a) Die Kopplung mit dem Starter-Generator (2) ist für einen Kraftfahrzeug-Antrieb mit verstellbaren Ventilen vorge­ sehen.

10. Ventilgesteuerter Verbrennungsmotor nach dem vorherge­ henden Anspruch:

• a) Die Ventile sind über eine verstellbare Nockenwelle ver­ stellbar.