DE19741294A1

DE19741294A1 - Antrieb eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE19741294A1
Application number: DE19741294A
Authority: DE
Inventors: Ferdinand Grob; Gerhard Koelle; Peter Ahner; Klaus Dr Harms; Manfred Ackermann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-09-19
Filing date: 1997-09-19
Publication date: 1999-03-25
Also published as: DE59807064D1; KR20000068870A; EP0939859A1; WO1999015787A1; BR9806180A; JP4152449B2; JP2001506727A; EP0939859B1; KR100739353B1; US6202614B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb eines Kraftfahr zeuges mit einem Verbrennungsmotor mit den im Oberbe griff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Es ist bekannt, Kraftfahrzeuge über Brennkraftmaschi nen (nachfolgend Verbrennungsmotoren) anzutreiben. Diese müssen zum Starten hochgedreht werden, bis infolge einsetzender Verbrennungsmomente ein Selbst lauf des Verbrennungsmotors erfolgt. Zum Andrehen des Verbrennungsmotors ist bekannt, diesen mit einem elektrischen Starter hochzudrehen, dessen Ritzel in ein drehfest mit einer Kurbelwelle des Verbrennungs motors angeordneten Zahnkranz einspurt und diesen andreht. Diese Andrehvorrichtung ist bewährt, hat jedoch den Nachteil, daß neben einer Geräuschentwick lung aufgrund mechanischer Verschleißteile nur eine begrenzte Anzahl von Startvorgängen durchführbar ist.

Durch die Verwirklichung neuer Fahrzeugkonzepte, die insbesondere auf eine Reduzierung eines Kraftstoff verbrauches zielen, müssen Verbrennungsmotoren einer hohen Zahl von Startzyklen unterworfen werden. So wird zur Kraftstoffeinsparung beim sogenannten Start- Stop-Betrieb der Verbrennungsmotoren, dieser bei Stillstand des Kraftfahrzeuges, beispielsweise bei einem Ampelhalt, ausgeschaltet und bei gewollter Weiterfahrt des Fahrzeuges automatisch wieder ange dreht und gestartet.

Bekannt ist der Einsatz elektrischer Maschinen, die im Motorbetrieb und im Generatorbetrieb betrieben werden und die mit einer Kurbelwelle des Verbren nungsmotors kraftschlüssig verbunden sind. Im Motor betrieb kann ein Direktstart des Verbrennungsmotors erfolgen, wobei nach dessen Hochlaufen die elektri sche Maschine in einen Generatorbetrieb umgeschaltet wird und der Bereitstellung einer Versorgungsspannung des Kraftfahrzeuges dient. Hierbei ist nachteilig, daß insbesondere bei einem Kaltstart, zum Erbringen der notwendigen Startleistung eine übermäßige Dimen sionierung der elektrischen Maschine erfolgen muß.

Bekannt ist ferner ein sogenannter interner Direkt start, bei dem die Kurbelwelle über eine Positionier einrichtung in eine definierte Position gebracht wird, so daß der Kolben eines Startzylinders - ein aus der Gesamtzahl der Kolben des Verbrennungsmotors definierter Kolben - in eine Startposition gebracht wird, in dieser verharrt, und dann durch Einspritzen und Zünden von Kraftstoff ein erstes Verbrennungsmo ment erzeugt wird, das zum Andrehen des Verbrennungs motors ausgenutzt wird. Hierbei ist nachteilig, daß wegen der Vorpositionierungszeit nur eine relativ schlechte Startdynamik erzielbar ist, so daß ein Selbstlauf des Verbrennungsmotors erst nach relativ langer Zeit erreicht wird.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Antrieb eines Kraftfahrzeuges mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß in einfacher Weise ein schneller Selbstlauf eines Verbrennungsmotors erziel bar ist. Dadurch, daß zum Start des Verbrennungsmo tors die Kurbelwelle über eine in Motorbetrieb ge schaltete elektrische Maschine, die mit einer Kurbel welle des Verbrennungsmotors kraftschlüssig gekoppelt ist, in eine vorgebbare Startposition bringbar ist, bei Erreichen der Startposition der Kurbelwelle die Direkteinspritzung und Zündung des Kraftstoffes er folgt, wobei über die elektrische Maschine während des gesamten Startvorganges ein Drehmoment auf die Kurbelwelle ausübbar ist, ist vorteilhaft möglich, über eine koordinierte Drehwinkel-, Drehzahl- und Einspritzsteuerung des Verbrennungsmotors und der Überlagerung des über die elektrische Maschine elek trisch erzeugten Drehmomentes mit infolge einer er sten Zündung des Verbrennungsmotors erzeugten Ver brennungsmomentes einen kontinuierlich beschleunigten Hochlauf des Verbrennungsmotors zu erzielen, so daß dieser selbsttätig nahtlos in den Selbstlauf über geht. Insbesondere durch das Aufbringen des Drehmo mentes über die elektrische Maschine ist die Drehzahl der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors während des ersten Direkteinspritzens von Kraftstoff und dessen anschließenden Zünden von Null unterschiedlich, so daß über das aufgebrachte Verbrennungsmoment durch die erste Zündung der Verbrennungsmotor ein deutlich höheres Drehmoment beim Start, gegenüber bei Start mit stehender Kurbelwelle, entwickelt. Dieses Ver brennungsmoment wird durch die sich weiter im Motor betrieb befindende elektrische Maschine unterstützt, so daß die Kurbelwelle rasch beschleunigt und späte stens ab der zweiten Einspritzung und Zündung ein Selbstlauf des Verbrennungsmotors erfolgt. Hierdurch wird ein hochdynamischer Start und hochdynamischer Hochlauf des Verbrennungsmotors erreicht. Innerhalb kurzer Zeit, die insbesondere bei einem Start-Stop- Betrieb des Verbrennungsmotors erforderlich ist, kann für eine hohe Startzyklenzahl, die beispielsweise bei mehreren 100 000 Startzyklen liegen kann, ein Hoch beziehungsweise Selbstlauf des Verbrennungsmotors erzielt werden.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorge sehen, daß zur Einleitung des Startvorganges die aktuelle Kurbelwellenposition ermittelt wird, und die Kurbelwelle unabhängig von der Drehrichtung auf kür zestem Wege von der aktuellen Kurbelwellenposition in die Startposition gebracht wird und anschließend - ab dem Zündzeitpunkt - drehrichtig weitergedreht wird. Hierdurch wird vorteilhaft möglich, daß, gegebenen falls auch durch Rückdrehung der Kurbelwelle, auf kürzestem Wege und damit innerhalb kürzester Zeit, die Startposition der Kurbelwelle erreicht wird. Ferner ergibt sich der Vorteil, daß insbesondere bei Rückdrehung der Kurbelwelle im Startzylinder eine Kompression erfolgt, die zur Erhöhung des Verbren nungsmomentes der ersten Verbrennung führt, ohne daß wie konventionell ein oberer Totpunkt durchlaufen werden muß, so daß die Startdynamik beziehungsweise Hochlaufdynamik des Verbrennungsmotors weiterverbes sert ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs beispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die sche matisch eine Antriebsanordnung eines Kraftfahrzeuges zeigt, näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Figur ist schematisch eine Anordnung eines Antriebes 10 eines Kraftfahrzeuges gezeigt. Der An trieb 10 umfaßt einen Verbrennungsmotor 12, der bei spielsweise vier Zylinder 14 aufweist. Den Zylindern 14 ist eine Kurbelwelle 16 zugeordnet, die in bekann ter Weise die Bewegung von in den Zylindern 14 ange ordneten Kolben in eine Drehbewegung einer Abtriebs welle 18 umsetzt. Die Abtriebswelle 18 ist über ein Getriebe 20 mit einer elektrische Maschine 22 kraft schlüssig gekoppelt. Der Antrieb 10 umfaßt ferner ein nicht dargestelltes Hauptgetriebe, über das eine Drehbewegung der Abtriebswelle 18 auf die Antriebsrä der des Kraftfahrzeuges übertragbar ist. Gegebenen falls ist das hier dargestellte Getriebe 20 Bestand teil des nicht dargestellten Hauptgetriebes.

Der Kurbelwelle 16 ist ein Drehwinkelsensor 24 zuge ordnet, über den die Position der Kurbelwelle 16 ermittelbar ist. Hierbei erfolgt eine vorhergehende Kodierung, so daß beispielsweise der Drehwinkel 0° eine definierte Position der Kurbelwelle 16 bedeutet. Die Zylinder 14 besitzen eine im einzelnen nicht dargestellte Direkteinspritzung und Zündung, die über ein Steuergerät 26 ansteuerbar sind. Hierzu sind die hier angedeuteten Verbindungsleitungen 28 zwischen dem Steuergerät 26 und der Einspritzung und Zündung vorgesehen. Das Steuergerät 26 ist ferner über der Verbindungsleitung 30 mit dem Drehwinkelsensor 24 verbunden. Eine weitere Verbindungsleitung 32 dient der Ansteuerung der elektrischen Maschine 22 über das Steuergerät 26.

Ein Starten des Verbrennungsmotors 12 erfolgt folgen dermaßen:
Die elektrische Maschine 22 wird im Motorbetrieb betrieben, wobei eine Regelung über das Steuergerät 26 erfolgt. Durch Motorbetrieb der elektrischen Ma schine 22 wird über das Getriebe 20 und die Abtriebs welle 18 die Kurbelwelle 16 in Drehbewegung versetzt. Die aktuelle Kurbelwellenposition wird über den Drehwinkelsensor 24 erfaßt und dem Steuergerät 26 gemeldet. Erreicht die Kurbelwelle 16 eine Winkelpo sition, die einer vorher festgelegten Startposition entspricht, wird in einen der Zylinder 14, der abhän gig von der Anfangslage als Startzylinder ausgewählt wird, über das Steuergerät 26 die Einspritzung von Kraftstoff und dessen nachfolgende Zündung veranlaßt. Der elektromotorische Antrieb der Kurbelwelle 16 über die elektrische Maschine 22 wird hierbei nicht unter brochen. Das heißt, mit Beginn des Startvorganges, wird die Kurbelwelle 16 über die elektrische Maschine 22 in Drehbewegung versetzt, die mit Erreichen der definierten Startposition und der nachfolgenden Ein spritzung und Zündung im Startzylinder anhält. Wäh rend des Einspritzens und Zündens und des nachfolgen den Verbrennungsvorganges im Startzylinder hat also die Kurbelwelle 16 eine von Null verschiedene Dreh zahl. Mit Zünden des Startzylinders erfolgt somit eine Überlagerung eines über die elektrische Maschine 22 aufgebrachten elektrischen beziehungsweise mecha nischen Drehmomentes mit einem durch die Verbrennung im Startzylinder hervorgerufenen Verbrennungsmoment. Hierdurch ergibt sich eine rasche Beschleunigung der Kurbelwelle 16, wobei - sofern vorhanden - mit Errei chen der den jeweils anderen Zylindern 14 zugeordne ten Kolben ihrer jeweiligen Startposition in die entsprechenden Zylinder 14 ebenfalls, über das Steu ergerät 26 gesteuert, eine direkte Einspritzung von Kraftstoff und dessen nachfolgende Zündung erfolgt.

Während der gesamten Startphase bleibt die elektri sche Maschine 22 im Motorbetrieb geschaltet, so daß sich eine entsprechende Drehmomentüberlagerung auf grund des nacheinanderfolgenden Zündens der einzelnen Zylinder 14 (Verbrennungsmomente) mit dem elektromo torisch aufgebrachten Drehmoment ergibt. Der durch die Verbrennungsmomente in den einzelnen Zylindern 14 bewirkte Hochlauf des Verbrennungsmotors 12 wird durch die als Elektromotor arbeitende elektrische Maschine 22 unterstützt. Hierbei führt die durch das Steuergerät 26 koordinierte Steuerung von Einsprit zung und Zündung zu einer Überlagerung von elektrisch und thermodynamisch erzeugten Drehmomenten und damit zu einem kontinuierlich beschleunigten Bewegungsab lauf der Kurbelwelle 16, der nahtlos in den Selbst lauf des Verbrennungsmotors 12 übergeht.

Die Ansteuerung der elektrischen Maschine 22 über das Steuergerät 26 kann hierbei so ausgelegt sein, daß in der Nähe einer Kaltstartgrenztemperatur, bei noch nicht betriebswarmem Verbrennungsmotor 12, nur ein elektrisch erzeugtes Drehmoment benötigt wird, das geringfügig höher ist, als die Summe der Reibmomente des Verbrennungsmotors. Dies wird möglich, da bis zum Erreichen der ersten Startposition der Kurbelwelle 16, das heißt bis zu dem Zeitpunkt, zu dem sich ein Kolben einer der Zylinder 14 in einer günstigen Startposition befindet, nur eine minimal notwendige Winkeldrehung der Kurbelwelle 16 notwendig ist, und innerhalb dieser kurzen Zeit die Kurbelwelle 16 ein im Verhältnis geringe Drehzahl aufweist, bei der noch keine nennenswerten Kompressionsmomente in den weite ren Zylindern 14 erzeugt werden müssen. Es erfolgt quasi die Einspritzung und Zündung eines ersten Zy linders 14, der dann Startzylinder ist, bei einer relativ kleinen Drehzahl der Kurbelwelle 16. Entspre chend der Stellung der Kurbelwelle 16 bei stillste hendem Verbrennungsmotor 12 kann der Zylinder 14 als Startzylinder dienen, dessen Kolben über die elektro motorische Drehung der Kurbelwelle 16 als erstes in die günstige Startposition gelangt. Eine günstige Winkelstellung der Kurbelwelle 16 ist beispielsweise erreicht, wenn der Kolben des Startzylinders 14 eine Winkelstellung deutlich nach dem oberen Totpunkt, beispielsweise 30 bis 70 Grad, besitzt. Einer der Zylinder 14 wird über das Steuergerät 26 als Startzy linder ausgewählt, dessen Kolben entsprechend der Ausgangsstellung der Kurbelwelle 16 als erstes die vorgebbare Startposition erreicht.

Nach einer bevorzugten Ansteuerung kann vorgesehen sein, daß entsprechend der über den Drehwinkelsensor 24 ermittelten aktuellen Position der Kurbelwelle 16 zum Startzeitpunkt ein Rückdrehen der Kurbelwelle 16 derart erfolgt, indem der Kolben des ausgewählten Zylinders 14 rückwärts in die Startposition, das heißt in die Position von beispielsweise 30 bis 70 Grad nach dem oberen Totpunkt des Verbrennungsmotors 12 gebracht wird. Hierdurch erfolgt eine Kompression in dem Startzylinder, die bei der nachfolgenden Di rekteinspritzung und Zündung des Kraftstoffes zu einer deutlichen Erhöhung des Verbrennungsmomentes der Startverbrennung führt. Hierdurch wird die Dyna mik des Startvorganges nochmals deutlich erhöht.

Insgesamt kann durch die mit der Direkteinspritzung verbundene verbesserte Gemischaufbereitung des Kraft stoffes und das erläuterte Startregime des Verbren nungsmotors 12 bereits von der ersten Verbrennung an eine Beschleunigung der Kurbelwelle erreicht werden. Die weiteren, der Startverbrennung folgenden Verbren nungen sind dann progressiv verbessert, so daß auch unter Kaltstartgrenzbedingungen ein zügiger Start erfolgt.

Eine weitere Optimierung des Startvorganges kann erfolgen, indem die Ventilsteuerung zur Einspritzung des Kraftstoffes in die Zylinder 14 während des Startvorganges auf die während des Startes auf zubrin genden Verbrennungsmomente optimierbar ist. Dies kann beispielsweise durch eine elektromagnetische Ventil ansteuerung über das Steuergerät 26 erfolgen.

Insgesamt kann, insbesondere da keine zusätzlichen mechanischen Verschleißteile benötigt werden, eine sehr hohe Startzyklenzahl von beispielsweise <500 000 für den Verbrennungsmotor 12 erreicht werden. Darüber hinaus entfällt eine zeit- und regelungsaufwendige Vorpositionierung beziehungsweise ein gezieltes Aus laufen der Kurbelwelle 16 in eine bestimmte Position. Mit gewünschtem Start wird die Kurbelwelle 16 über die elektrische Maschine 22 gedreht, wobei die gün stige Startposition über den Drehwinkelgeber 24 abge griffen wird, der eine entsprechende Rückmeldung an das Steuergerät 26 liefert, das daraufhin die Ein spritzung und Zündung steuert. Bei einer weiteren Vereinfachung kann auf die winkelgenaue Einhaltung einer Startposition der Kurbelwelle 16 zu der das Einspritzen und Zünden im Startzylinder 14 erfolgt, verzichtet werden, so daß die Kurbelwelle 16 langsam motorisch hochgedreht wird und die Zylinder 14 in einer vorher festgelegten Reihenfolge nacheinander jeweils zum ersten Mal gezündet werden. Hierdurch wird ebenfalls das über die Verbrennungsmomente auf gebrachte Drehmoment auf die Kurbelwelle durch die elektrische Maschine 22 unterstützt. Durch das Drehen der Kurbelwelle 16 während des ersten Verbrennungs vorganges ist das erste Drehmoment aus der Verbren nung höher als bei einem bekannten internen Direkt start, bei dem die Kurbelwelle 16 aus dem Stillstand gestartet wird. Das Drehmoment der elektrischen Ma schine 22 und das Verbrennungsmoment der ersten Ver brennung unterstützen sich, so daß die zweite Ver brennung bereits eine deutliche Kompression, verbes serte thermodynamische Bedingungen und somit die Voraussetzung für einen selbständigen Hochlauf des Verbrennungsmotors 12 gewährleisten.

Nach erfolgtem Hochlauf des Verbrennungsmotors 12 kann bei einer wählbaren Drehzahl der Kurbelwelle 16 und das mit der Abtriebswelle 18 die elektrische Maschine 22 vom Motor- in den Generatorbetrieb umge schaltet werden. Ein Zurückschalten der elektrischen Maschine 22 vom Generator- in den Motorbetrieb kann ebenfalls drehzahlabhängig erfolgen. Entsprechend der wählbaren Umschaltdrehzahl ist hierbei ein Generator betrieb der elektrischen Maschine 22 bei relativ niedrigen Drehzahlen der Kurbelwelle 16 möglich, ohne daß die Gefahr eines Startabbruches besteht, da der Verbrennungsmotor 12 bei niederen Drehzahlen durch Umschalten der elektrischen Maschine 22 problemlos abgefangen werden kann.

Claims

1. Antrieb eines Kraftfahrzeuges, mit einem Verbren nungsmotor und einer mit einer Kurbelwelle des Ver brennungsmotors gekoppelten oder koppelbaren elektri schen Maschine, wobei die elektrische Maschine in Motor- und Generatorbetrieb schaltbar ist, sowie einer Steuerelektronik zur Steuerung einer Direktein spritzung und Zündung des Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß zum Start des Verbrennungsmotors (12) die Kurbelwelle (16) über die in Motorbetrieb geschaltete elektrische Maschine (22) in eine vorgeb bare Startposition bringbar ist, bei Erreichen der Startposition der Kurbelwelle (16) die Zündung des in einem Startzylinder (14) eingespritzten Kraftstoffes erfolgt, und über die elektrische Maschine (22) wäh rend des gesamten Startvorganges ein Drehmoment auf die Kurbelwelle (16) ausübbar ist.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einleitung des Startvorganges die aktuelle Position der Kurbelwelle (16) und/oder der Nocken welle ermittelbar ist, und die Kurbelwelle (16) unab hängig von der Drehrichtung auf kürzestem Wege von der aktuellen Kurbelwellenposition in die Startposi tion gebracht und anschließend drehrichtig weiterge dreht wird.

3. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Startposition der Kurbelwelle (16) durch die einem ausgewählten Start zylinder (14) zugeordnete Kurbel-Winkelposition be stimmt ist.

4. Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelposition der Kurbelwelle (16) in einem Winkelbereich nach dem oberen Totpunkt und deutlich vor dem unteren Totpunkt des Verbrennungsmotors (12) liegt.

5. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben des Startzy linders (14) durch Rückdrehen der Kurbelwelle (16) in die Startposition bringbar ist.

6. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehrzylindrigen Ver brennungsmotoren (12) der Zylinder (14) der Start zylinder (14) ist, dessen Kolben auf kürzestem Wege (Winkeldrehung der Kurbelwelle 16) in die Startposi tion bringbar ist.

7. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch erzeugte Drehmoment der elektrischen Maschine (22) nur gering fügig höher ist, als die Summe der Reibmomente des Verbrennungsmotors (12).

8. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Startzylinder (14) so ausgewählt wird, daß sich durch die Positionierung in die Startposition vor der Zündung eine möglichst hohe Verdichtung ergibt.

9. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abstellen des Ver brennungsmotors (12) durch geeignete Maßnahmen eine günstige Position des Startzylinders (14) erreicht wird.