DE19645943A1 - Startereinheit für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf eine Startereinheit für eine Brennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs. Eine derartige Startereinheit ist aus der DE 30 48 972 C2 be­ kannt.

Für ein Startsystem gibt es im wesentlichen drei Lösungsan­ sätze:

1. konventioneller elektrischer Starter (Anlasser)

Eine solche Bauart führt heutzutage aus Gründen der verhält­ nismäßig kurzen erreichbaren Gesamtbetriebsdauer des Star­ termotors, insbesondere seines Ritzels, seines Zahnkranzes und seiner Überholkupplung und auch aus Geräuschgründen nicht mehr zu einer Lösung mit Zukunftsaussichten.

2. Startergenerator mit Direktstart

Dabei ist der Startergenerator fest mit der Kurbelwelle ver­ bunden. Er bildet im Startfalle den Startermotor der von ei­ ner Batterie gespeist wird und im Betriebsfalle einen Gene­ rator zum Laden der Batterie.

Diese Lösung ist aus Gründen notwendiger Startenergie und Startleistung (ca. 150 Nm bis 200 Nm Kaltstartdrehmoment bei einem Mittelklassefahrzeug) mit einer üblichen Starter- Bleibatterie von 12 bis 24 V nicht darstellbar. Außerdem müßte der Elektromotor des Startergenerators um mehr als den Faktor 3 gegenüber dem Bedarf für die Generatorleistung ver­ größert werden, was u. a. auch bauraummäßig zu Schwierigkei­ ten führen würde. Zum Starten einer betriebswarmen Brenn­ kraftmaschine wäre ein solcher Startgenerator eindeutig überdimensioniert.

3. Startergenerator mit Impulsstart

Für einen Impulsstart wird bei abgekuppelter Brennkraftma­ schine (samt Getriebe) die Schwungmasse zunächst auf eine Aufziehdrehzahl hochgedreht. Bei schnell schließender Kupp­ lung wirft die Schwungmasse dann die Brennkraftmaschine mit Rotationsenergie an.

Neue Fahrzeugkonzepte, die insbesondere hinsichtlich Umwelt­ schutz und Kraftstoffverbrauch optimiert werden, erfordern ein Abschalten der Brennkraftmaschine an der Ampel; die gängige Bezeichnung dafür ist "Start-Stopp-Betrieb". Außer­ dem soll die Brennkraftmaschine entweder nur ausgekuppelt, vorzugsweise aber ganz abgeschaltet werden, wenn das Fahr­ zeug in einer Schubphase ist, letzterem dient eine "Schwung- Nutz-Automatik".

Eine Anwendung dieser modernen Technik bedeutet aber eine etwa um den Faktor 10 erhöhte Anzahl von Startzyklen, wo­ durch ein früher auf 40000 Startzyklen ausgelegter Starter nun 400000 bis 600000 Startzyklen aushalten müßte. Anderer­ seits haben moderne Fahrzeuge aus Gründen des Komforts und weil auch eine immer größere Zahl elektrisch betätigter Nebenaggregate zum Einsatz kommen, eine um bis zum Faktor 5 erhöhte Generatorleistung (bisher 1 bis 1,5 kW, künftig 5 kW und mehr). Wenn die Schwung-Nutz-Automatik häufig einschal­ tet, entstehen weitere Probleme in der Versorgung des elek­ trischen Bordnetzes.

Bei einer Ausführung nach der DE 30 48 972 C2 ist das Problem der Generatorleistung zum Teil gelöst durch eine Ge­ nerator-Installation auf der Kurbelwelle zwischen der Brenn­ kraftmaschine und der Schwungmasse, wobei dann bei Verwen­ dung eines Handschaltgetriebes zwei Kupplungen notwendig sind, die vorteilhafter Weise vor und hinter der Schwung­ masse angeordnet werden. Mit einer solchen Einrichtung ist es dann mit einer Schwung- Nutz- Automatik möglich, Genera­ torleistung zu erzeugen.

Für normale Kaltstarts ist dort ein solcher "Impulsstart" geeignet. Er ist aber aus Gründen des Zeitbedarfs ungünstig für Wiederholstarts, wie sie mit warmer Brennkraftmaschine an der Ampel oder am Ende einer Schubphase durchgeführt wer­ den.

Das gleiche Problem liegt auch bei einer Bauart vor, wie sie in der DE 29 17 139 A1 beschrieben ist. Bei dieser bekannten Startereinheit ist die Schwungmasse der Kurbelwelle zu- und abkoppelbar und kann die Brennkraftmaschine beim Verzögern, beim Bremsen oder beim Schubbetrieb durch Unterbrechen des Antriebsstranges mit einer Minimum-Drehzahl, beispielsweise mit der Leerlauf-Drehzahl, weiterlaufen lassen. Bei kurzzei­ tigen Stillständen, wie z. B. bei Ampelstopps, wird der An­ triebsstrang zwar ebenfalls unterbrochen, hierbei wird aber die Brennkraftmaschine stillgesetzt, während die Schwung­ masse weiterdreht und dann zum Wiederstarten der Brennkraft­ maschine dieser über die Kupplung wieder zugekoppelt wird. Dabei ist es auch möglich, bei zu stark abgefallener Schwungmassen-Drehzahl einen Elektromotor zu verwenden, um die Drehzahl der Schwungmasse wieder anzuheben.

Insgesamt waren bisher bei einem Konzept Kurbelwellen-Star­ ter-Generator entweder als Direkt-Start-System ein zu hohes Startmoment für den Kaltstart maßgebend für die Auslegung der elektrischen Maschine und verschiedener anderer elektri­ scher Komponenten, so daß insgesamt kein sinnvoller Kompro­ miß zu finden war, oder bei Verwendung eines klassischen Startes (Anlasser) oder eines Impulsstarts waren die Forde­ rungen für den Wiederholstart bezüglich Startzeit, Ge­ räuscharmut, Verschleiß und Lebensdauer für die hohe, gefor­ derte Zyklenzahl von 400000 und mehr in der Summe nicht er­ füllbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden und eine Startereinheit für eine Brennkraftma­ schine zu schaffen, die bei allen Startphasen selbsttätig die optimale Startmethode auswählt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs.

Bei der erfindungsgemäßen Aufteilung in unterschiedliche Startmethoden über die Brennkraftmaschinen-Temperatur sind alle Forderungen an ein auf eine hohe Zyklenzahl von 400000 und mehr ausgelegtes Startsystem gut erfüllbar. Von besonde­ rem Vorteil ist hierbei, daß sich eine wirtschaftliche Ge­ samtlösung ergibt durch einen schnellen, geräuscharmen Direktstart einerseits und andererseits einen zwar etwas zeitaufwendigeren aber sicher beherrschbaren Alternativ­ start, wobei in Verbindung mit einem automatischen Schalt­ getriebe auch bei der vorgeschlagenen Lösung eine Gesamt­ anordnung mit nur einer Kupplung darstellbar ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes des An­ spruchs 1 ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche sowie aus der Beschreibung und der Zeichnung.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Startereinheit bei Anwen­ dung in einem Fahrzeug mit Handschaltgetriebe und Fig. 2 eine Startereinheit bei Anwendung in einem Fahrzeug mit automatisiertem Schaltgetriebe.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Eine Startereinheit 1 für eine Brennkraftmaschine 2 greift an einer Kurbelwelle 3 (Triebwelle) an und hat einen Schwungmasse-Starter-Generator 4, 5 mit einer nicht näher dargestellten aus Stator und Rotor bestehendenden elek­ trischen Maschine. Zwischen der Brennkraftmaschine 2 und dem Schwungmasse-Starter-Generator 4, 5 ist eine erste (normale) Kupplung 6 vorgesehen. Eine zweite Kupplung 7 (Fahrkupplung) liegt zwischen dem Schwungmasse-Starter-Generator 4, 5 und einem Handschaltgetriebe 8. Die Kupplung 6 ist mit einem schnellschließenden Servo 9 ausgerüstet.

An der Brennkraftmaschine 2 ist ein Temperaturfühler 10 an­ gebracht, der die jeweilige Temperatur an eine elektrische oder elektronische Umschalteinrichtung 11 meldet. Die Um­ schalteinrichtung 11 gibt temperaturabhängige Befehle an den Starter-Generator 4, um diesen entweder auf Direktstart oder auf Alternativstart (Impulsstart) mit Schwungmassenenergie einzustellen. An der Brennkraftmaschine 2 kann ein Latent­ wärmespeicher 12 zur Vorwärmung des Motoröls vorgesehen sein.

Die Alternativstarts werden bei stillstehender Brennkraftma­ schine bei deren Temperatur unter beispielsweise 50°C und die Direktstarts für Temperaturen über beispielsweise 50°C vorgenommen. Für die sehr viel kleinere Zahl der Alternativ­ starts (Zyklenzahl unter 20000) wird ein Impulsstart durch­ geführt, bei dem der Starter-Generator 4 bei abgekoppelter Brennkraftmaschine 2 die Schwungmasse 5 zunächst auf eine sogenannte "Aufziehdrehzahl" von etwa 1200 U/min. hochdreht und dann bei schnellschließender Kupplung 6 die Brennkraft­ maschine über die Rotationsenergie der Schwungmasse 5 an­ wirft, wobei das Schaltgetriebe 8 abgekuppelt bleibt.

Das erforderliche Startmoment bei den Wiederholstarts wird durch die bei hohen Temperaturen relativ kleinen Reibmomente und im Verhältnis dazu hohen Kompressions- und Beschleuni­ gungsmomente bestimmt. Das Startmoment kann durch eine vor­ gelagerte, kurze Dekompressionsphase reduziert werden. Da die Startzeit bei einem Direktstart sehr kurz ist (=< 0,5 sec.), kann die elektrische Maschine (Starter-Generator) kurzzeitig überlastet werden, so daß sich eine masse- und bauraumoptimierte Lösung ergibt. Der jeweilige Startvorgang wird durch Anlegen eines Startsignals am Eingang 15 ausge­ löst.

Die Fig. 2 zeigt mit gleichen Bezugszahlen für ent­ sprechende Teile eine ähnliche Startereinheit 13 wie die Fig. 1. Hier fällt jedoch die zweite Kupplung 7 weg, weil das Schaltgetriebe als automatisches Schaltgetriebe 14 aus­ gebildet ist. Dabei muß die jetzt einzige Kupplung 6 mit dem dynamischen Servo 9 für den Impulsstart ausgerüstet sein. Die Steuerung muß eine Getriebesynchronisation und beim automatisierten Umschalten der Gänge eine Stabilisierung der Motordrehzahl beinhalten, d. h., die ohnehin im automa­ tischen Schaltgetriebe 14 verwendeten Komponenten müssen lediglich anders angeordnet sein und etwas aufwendiger ange­ steuert werden.

Für die beiden Bauarten nach den Fig. 1 und 2 gilt, daß für den Alternativstart bzw. Impulsstart die Umschaltung auf Direktstart von der Temperatur des Motoröles abhängig ist und durch eine Ölvorwärmung des Motoröls beeinflußt werden kann mit der Folge, die Anzahl der Alternativstarts zu redu­ zieren. Eine solche Ölvorwärmung könnte mittels des Latent­ wärmespeichers 12 durchgeführt werden.

Auch ist es denkbar, daß zur Erleichterung eines Direktstar­ tes eine kurze Dekompressionsphase eingeführt wird. Des wei­ teren ist es auch möglich, als Alternativstart bei kaltem Motor das Andrehen der Kurbelwelle 3 über den Impulsstart, also mit der Schwungmasse 5, durchzuführen und den nachfol­ genden Hochlauf über den Direktstart zu unterstützen.

Vorteilhaft ist es auch, eine Aufziehdrehzahl für den Im­ pulsstart, abhängig von der Umgebungstemperatur der Brenn­ kraftmaschine 2 oder von der Öltemperatur zu machen.

Dazu kommt, daß eine Grenzbedingung für das Umschalten von einer Startmethode auf die andere adaptiv ermittelbar sein kann.

Schließlich ist es bei Verwendung der erfindungsgemäßen Um­ schalteinrichtung 11 auch wichtig, daß in Verbindung mit den Komponenten eines automatischen Schaltgetriebes 14 zur Er­ stellung der Startereinheit 13 nur eine einzige Kupplung 6 notwendig ist.

Claims (11)

1. Startereinheit für eine Brennkraftmaschine (2) mit zwei Startmethoden, einerseits mit einem Starter-Generator (4) und andererseits mit einer Schwungmasse (5), die mit minde­ stens einer Kupplung (6, 7) an einer Kurbelwelle (3) der Brennkraftmaschine (2) an- bzw. von dieser abkoppelbar ist, wobei die Schwungmasse (5) die Brennkraftmaschine (2) mit Rotationsenergie anwerfen kann, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschalteinrichtung (11) vorgesehen ist, die abhängig von der Temperatur der Brennkraftmaschine (2) die Star­ tereinheit (1; 13) von der einen Startmethode auf die andere Startmethode umschaltet.

2. Startereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei niedriger Temperatur der Brennkraftmaschine (2) durchgeführte Startmethode eine mit Hilfe der Schwung­ masse (5) darstellbare, Impuls-Startmethode ist, bei der der Starter-Generator (4) die Schwungmasse (5) zuvor hochdreht.

3. Startereinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die bei hoher Temperatur der Brennkraftma­ schine (2) durchgeführte Startmethode eine Direktstart­ methode ist, bei der der Starter-Generator (4) die Schwung­ masse (5) mit angekoppelter Kurbelwelle (3) antreibt.

4. Startereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung von der Temperatur des Motoröles abhängig ist und daß durch eine Ölvorwärmung des Motoröls die Anzahl der Alternativstarts zu reduzieren ist.

5. Startereinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölvorwärmung mittels Latentwärmespeicher (12) durch­ geführt ist.

6. Startereinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Direktstart eine kurze Dekom­ pressionsphase einstellbar ist.

7. Startereinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Startmethode eine Kombination aus Impuls- und Direktstart ist und derweise erfolgt, daß das Andrehen der Kurbelwelle (3) über den Impulsstart erfolgt und daß der Impulsstart und/oder der nachfolgende Hochlauf über den Direktstart unterstützbar ist.

8. Startereinheit nach einem der Ansprüche 1 und 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufziehdrehzahl des Impuls­ starts abhängig von Umgebungsbedingungen der Brennkraftma­ schine (2) einstellbar ist.

9. Startereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grenzbedingung für das Umschalten von einer Startmethode auf die andere adaptiv ermittelbar ist.

10. Startereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in Ver­ bindung mit Komponenten eines automatischen Schaltgetriebes, dadurch gekennzeichnet, daß für die Einrichtung nur eine einzige Kupplung (6) vorgesehen ist.

11. Startereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß durch geeignete Ansteuerung des Startermotors die Synchronisation des Schaltgetriebes unter­ stützbar ist.