DE19645943A1 - Startereinheit für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
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Description
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:
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.
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.
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.
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.
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.
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