DE19858992A1 - Start-/Antriebseinheit für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Start-/Antriebseinheit für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges

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Abstract

Die Erfindung betrift eine Start-/Antriebseinheit für eine Brennkraftmaschine (VM) eines Kraftfahrzeuges mit mindestens zwei Startmethoden, die eine Schaltkupplung (K) zwischen der Kurbelwelle (KW), der Brennkraftmaschine (VM) und dem Fahrzeuggetriebe (FG) sowie eine elektrische Maschine aufweist, die über die Schaltkupplung (K) mit der Brennkraftmaschine (VM) verbunden ist. Mit der elektrischen Maschine lassen sich die beiden Startmethoden allein dadurch optimal durchführen, daß jeder Startmethode durch Drehen der Kurbelwelle mittels der elektrischen Maschine eine Startklärungsphase vorausgeht, in der bei geschlossener Schaltkupplung die Startverhältnisse erfaßt, eine Entscheidung über die nachfolgenden Betriebsphasen (Direktstartphase, Positionierphase, Voreinspritzphase, Impulsstartphase) getroffen und deren Startparameter festgelegt werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Start-/Antriebseinheit für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mit mindestens zwei Startmethoden, die eine Schaltkup­ plung zwischen der Kurbelwelle, der Brennkraftmaschine und dem Fahrzeugge­ triebe sowie eine elektrische Maschine aufweist, die direkt und bzw. die Schalt­ kupplung mit der Brennkraftmaschine verbunden ist.
Eine derartige Start-/Antriebseinheit für zwei Startmethoden ist aus der DE 197 05 610 A1 bekannt. Dabei erfolgt die Auswahl der Startmethode in Abhängig­ keit von der Temperatur der Brennkraftmaschine. Für die Startmethoden sind zwei Startsysteme erforderlich. Die als Motor und Generator verwendete elektrische Maschine wird zum Starten des warmen Motors verwendet, während bei kaltem Motor ein üblicher Starter zusammen mit der elektrischen Maschine für den Start benützt wird. Die beiden Startsysteme bedingen einen hohen Aufwand, um auch im Start-Stop-Betrieb und im Schwung-Netz-Betrieb arbeiten zu können.
Konventionelle Starter haben aus verschiedenen Gründen Nachteile. Aus der Sicht der Standzeit des Startermotors, der Lebensdauer von Ritzel und Zahn­ kranz sowie Überholkupplung und der Geräuschentwicklung führen derartige Starter nicht zum Ziel, wenn die Anzahl der Startzyklen aufgrund der Wie­ derholstarts bei warmen Motor z. B. im Start-Stop-Betrieb an Ampeln, im Stau oder nach einer Schubphase, sich dadurch erhöht, wobei ein schneller und geräuscharmer Start verlangt wird. Auch wenn die Starter mit verbesserten Elektronik versehen werden, was zu einer erhöhten Startzykluszahl führt, reicht dies nicht aus, um geforderte Startzyklenzahlen von < 200 000 zu erreichen. Mit dem so verbesserten Startsystem ist die gewünschte Startzeit und eine Ge­ räuscharmut nicht erreichbar.
Es ist auch schon aus der WO 98/05882 bekannt, einen Startgenerator für Di­ rektstart vorzusehen. Diese Lösung ist aus Gründen der Startenergie und der Startleistung bei Kaltstart mit einer üblichen Starter-Bleibatterie von 12 V bis 24 V nicht realisierbar. Außerdem müßte der Elektromotor um mehr als Faktor 3 gegenüber dem Bedarf für die Generatorleistung vergrößert werden, was unter anderem auch zu Schwierigkeiten bei der Baugröße führen kann. Zum Start des warmen Motors sind jedoch extrem hohe Startmomente und Batterieleistungen nicht erforderlich.
Der Einsatz eines Startgenerators für einen Impulsstart gemäß DE 197 45 995 A1, wobei ein Startgenerator über eine Startkupplung zwischen der Kurbelwelle und einem Schwungrad zusätzlich oder anstatt der üblichen Kupplung zwischen Schwungrad und Fahrzeuggetriebe mit der Kurbelwelle verbunden ist, funk­ tioniert so, dass der Elektromotor bei abgekoppelter Brennkraftmaschine (und Getriebe) die Schwungmasse zunächst auf die Antriebsdrehzahl (z. B. 1000 1/min) hochdreht und dann bei schnell schließender Startkupplung bzw. Schalt­ kupplung die Brennkraftmaschine über die Rotationsenergie antreibt. Dieser Im­ pulsstart ist für normale Kaltstarts geeignet, jedoch für Wiederholstarts bei ei­ nem warmen Motor an Ampeln sowie nach dem Ende von Schubphasen aus Gründen des Zeitbedarfs ungünstig.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Start-/Antriebseinheit der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die ohne üblichen Starter allein mit einer elektrischen Maschine für hohe Startzykluszahlen geeignet ist, geräuscharm arbeitet und im Energie­ bedarf im Rahmen bleibt.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass jeder Startmethode eine Startklärungsphase vorausgeht, in der bei geschlossener Schaltkupplung zwischen der Kurbelwelle, der Brennkraftmaschine und dem Fahrzeuggetriebe sowie eine elektrische Maschine aufweist, die und über die Schaltkupplung mit der Brennkraftmaschine verbunden ist.
In der Startklärungsphase werden bei geschlossener Schaltkupplung die vorlie­ genden Startverhältnisse erfaßt und aufgrund der vorliegenden Startverhältnisse die nachfolgenden Betriebsphasen gewählt und die Startparameter dafür fest­ gelegt. Als elektrische Maschine wird vorzugsweise ein Startgenerator verwen­ det.
Eine einfache Erfassung der vorliegenden Startverhältnisse wird dadurch er­ reicht, dass in der Startklärungsphase das Startsteuergerät über einen Drehzahlgeber den Drehzahlverlauf der Kurbelwelle erfaßt und daraus die Startmethode und die Startparameter ableitet. Im Drehzahlverlauf wirkt sich das beim Start vorliegende Schleppmoment aus. Bei großem Schleppmoment ist die Verbrennungsmaschine kalt, bei kleinem ist bereits warm. Über eine Temperatur­ messung kann alternativ die Startmethode ermittelt werden oder es kann eine Plausibilitätskontrolle damit durchgeführt werden. In der Regel wird der Dreh­ zahlverlauf schon über einen Kurbelwellen-Drehzahlgeber erfaßt, so dass dieser auch für die Ableitung der vorliegenden Startverhältnisse verwendet werden kann. Über vorgegebene Grenzwerte des gemessenen Schleppmomentes wird die jeweils richtige Startmethode erkannt.
Deutliche Unterschiede im Drehzahlverlauf ergeben sich nach einer Ausge­ staltung dadurch, dass die Entscheidung über die Startmethode aus dem Bereich des Drehzahlverlaufes zwischen dem 1. und/oder 2. Maximum und/oder dem 1. und/oder 2. Minimum der Drehzahl ableitbar ist. Daraus lassen sich eindeutige Rückschlüsse auf das vorliegende Schleppmoment ableiten und zur richtigen Wahl der Startmethode ausnützen.
Bei großem Schleppmoment wird als Betriebsphase der Impulsstart gewählt. Bei einem noch größeren Schleppmoment, das für den normalen Impulsstart zu hoch ist, wird vor der Impulsstartphase eine sogenannte Trockenimpulsstartphase, d. h. ohne Zündung und Einspritzung, eingeführt, in der mittels eines elektro­ nischen Motorsteuergeräts (Motronik) die Synchronisation und gegebenenfalls eine Kraftstoff-Voreinspritzung vorgenommen wird. Dies ist ein Vorlauf-Impuls­ start, bei dem zunächst bei geöffneter Schaltkupplung das Schwungrad vom Startgenerator auf die notwendige Drehzahl hochgezogen wird, um dann mit dem Schließen der Schaltkupplung eine Positionserkennung/Synchronisierung zu erzielen.
Die elektrische Maschine kann mit oder ohne Untersetzungsgetriebe ausgelegt sein und direkt mit der Getriebewelle und über eine schnell schließende Start­ kupplung mit der Brennkraftmaschine verbunden sein.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung als Prinzipschaltbild wieder­ gegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert:
Wie die Figur zeigt, ist das Fahrzeuggetriebe FG über ein Zwischengetriebe ZG und über eine als Startkupplung dienende Schaltkupplung K mit der Brenn­ kraftmaschine VM verbunden. Eine als Startgenerator S/G dienende elektrische Maschine ist direkt mit der Getriebewelle verbunden sowie über ein Schwungrad SR und die Schaltkupplung K mit der Brennkraftmaschine VM. Über bereits für andere Funktionen vorgesehene Drehzahlgeber DG1 und DG2 werden in einem elektrischen Startsteuergerät STG der Drehzahlverlauf eingangs- und ausgangs­ seitig der Schaltkupplung K erfaßt und daraus in einer Startklärungsphase eine Entscheidung über die zu treffende Startmethode getroffen und die Startpara­ meter dafür festgelegt.
Gegenüber bisher vorgeschlagenen Lösungen erfolgt ein Kaltstart mit vergleichs­ weise niedrigem Drehmoment der elektrischen Maschine durch eine dem Impuls­ start vorgelagerte Startklärungsphase, in der bei einer ersten Startmethode bei geschlossener Schaltkupplung K und bei einer zweiten Startmethode durch einen Trockenimpulsstart die Kurbelwelle KW positioniert, bzw. eine die Kurbelwel­ len/Nockenwellen-Position voll erkannt wird, so dass gegebenenfalls eine Vor­ einspritzung in den als nächsten zündenden Zylinder abgesetzt werden kann. Ein nachfolgender Impulsstart läuft dann auch bei einem Otto-Motor absolut sicher und sehr schnell ab. Voreinspritzung und Zündung erfolgt, wie bekannt, über ein Motorsteuergerät MSG, welches mit dem Startsteuergerät STG korrespondiert (Synchronisierung).
Die erfindungsgemäße Start-/Antriebseinheit bietet somit eine optimale Kom­ bination von "synchronisiertem" Impulsstart im Extrem-Kaltstartbereich und Direktstart bis zu einem relativ niedrigen Temperaturgrenzwert, wobei sich die Temperaturen im Drehzahlverlauf niederschlagen. Bei der zweiten Startmethode ergibt sich ein genau abgestimmter Impulsstart, so dass bei betriebswarmer Brennkraftmaschine VM eine minimale Aufziehzeit und damit eine hohe Start­ dynamik erreicht wird.
Die bei der Kaltstartgrenztemperatur für den (Impuls)-Start der ersten Start­ methode benötigten Drehmomente des Startgenerators S/G können um einen Faktor bis zu 2 niedriger sein, als beim entsprechenden Direktstart, bei der zweiten Startmethode sogar um einen Faktor bis zu 4.
Die entscheidende Verbesserung wird durch einen nahezu unterbrechungsfreien, drehzahlgesteuerten Startablauf erreicht. Für die Entscheidung, welche Startme­ thode und welche Startparameter zu wählen sind, wird kein zusätzlicher Sensor benötigt, da dazu der bereits vorhandene Kurbelwellen-Drehzahlgeber DG1 ver­ wendet werden kann.
Eine Auslauferkennung und eine Positionierung beim Auspendeln der Brenn­ kraftmaschine ist nicht erforderlich. Damit entfallen auch Maßnahmen zur Si­ cherung der Kurbelwellen-Position bei abgestellter Brennkraftmaschine.
Abhängig von den Zielschwerpunkten des Fahrzeugkonzeptes ergeben sich die beiden Startmethoden als besonders vorteilhaft:
Startmethode 1: (Zielsetzung ist kleine Batterieleistung)
Phase 1 (Startkupplung K geschlossen): Durchdrehen der Kurbelwelle KW mittels Startgenerator S/G mit vorgegebener Spannung oder Leistung und mit Feststellung der Startverhältnisse mittels Schlep­ pmomentmessung mit Sensor DG1, mit Entscheidung für die Startmethode durch Vergleich mit vorgegebenem Grenzwert,
Festlegung der Startparameter, z. B. Aufziehdrehzahl oder Aufzieh­ zeit (Startklärungsphase).
Phase 2A (Startkupplung K geschlossen): Direktstart bei kleinem Schlepp­ moment der Maschine in Phase 1 (Warmstart).
Phase 2B (Startkupplung K geschlossen): Positionierung, Winkelerkennung, gegebenenfalls Voreinspritzung bei großem Schleppmoment in Phase 1.
Phase 3B (Schaltkupplung K geöffnet): Aufziehen des Schwungrades SR mit dem Startgenerator
Phase 4B (Schaltkupplung K geschlossen): "synchronisierter" schneller Im­ pulsstart (Kaltstart).
Die Phasen 1 und 2A bzw. 1 und 2B sind sich überschneidende Teile des Direkt­ starts bzw. vor dem nachfolgenden Impulsstart.
Startmethode 2: (Zielsetzung sind kleine Ströme im Startgenerator)
Phase 1 (Schaltkupplung K geschlossen): Durchdrehen der Kurbelwelle KS mittels Startgenerator S/G.
Feststellung der Startverhältnisse und Entscheidung für die Startme­ thode, Festlegung der Startpara­ meter (Startklärungsphase).
Phase 2A (Schaltkupplung K zu): Direktstart (wie 2A bei Startme­ thode 1) = Warmstart.
Phase 2B (Schaltkupplung K zu): Impulsstart (wie 2B bis 4B bei Startmethode 1) = Kaltstart.
Phase 2C (Schaltkupplung K offen): Schwungrad SR durch Startgene­ rator S/G hochziehen auf kleine Drehzahl.
Phase 3C (Schaltkupplung K zu): Trockenimpulsstart mit Positio­ nierung, Winkelerkennung, gege­ benenfalls Voreinspritzung.
Phase 4C (Schaltkupplung K offen): Aufziehen des Schwungrades SR mit bedarfsgesteuerter Aufzieh­ zeit/Aufziehdrehzahl.
Phase 5C (Schaltkupplung K zu): "Synchronisierter" schneller Im­ pulsstart = Tiefkaltstart.
Der Startablauf erfolgt drehzahlgesteuert und durchgängig mit folgenden Funk­ tionen.
  • - Moment am Schwungrad SR allein oder am Schwungrad SR mit Brennkraftmaschine VM über Drehzahl messen.
  • - Kurbelwelle/Nockenwelle-Drehwinkeldetektion
  • - Detektion der Startverhältnisse und Festlegung der Startparameter
  • - bedarfsabhängiges, automatisches Umschalten von Direktstart auf Impulsstart mit bedarfsabhängigem Aufziehen bzw. Hochziehen des Schwungrades.
Bei einem Trockenimpulsstart ist es alternativ auch möglich, das Schwungrad SR durch den Startgenerator S/G soweit aufzuziehen, dass nach kurzzeitigem Schließen der Schaltkupplung die Synchronisierung und Voreinspritzung vorge­ nommen wird und dass danach mit der Restenergie des Schwungrades SR der Impulsstart durchgeführt wird.

Claims (8)

1. Start-/Antriebseinheit für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mit mindestens zwei Startmethoden, die eine Schaltkupplung zwischen der Kurbelwelle, der Brennkraftmaschine und dem Fahrzeuggetriebe sowie eine elektrische Maschine aufweist, die über die Schaltkupplung mit der Brennkraftmaschine verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Startmethode eine Startklärungsphase vorausgeht, in der bei geschlossener Schaltkupplung (K) die Kurbelwelle (KW) der Brennkraft­ maschine (VM) von der elektrischen Maschine gedreht und dabei mittels der Drehzahl in einen Startsteuergerät (STG) die Startverhältnisse erfaßt, eine Entscheidung über die nachfolgenden Betriebsphasen (Direktstart­ phase, Positionierphase, Voreinspritzphase, Impulsstartphase) getroffen und deren Startparameter festgelegt werden.
2. Start-/Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Maschine ein Startgenerator (S/G) verwendet ist.
3. Start-/Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Startklärungsphase das Startsteuergerät (STG) über einen Drehzahlgeber (DG1) den Drehzahlverlauf der Kurbelwelle (KW) erfaßt und daraus die Startmethode und die Startparameter ableitet.
4. Start-/Antriebseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlverlauf am vorhandenen Kurbelwellen-Drehzahlgeber (DG1) abgreifbar ist.
5. Start-/Antriebseinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Entscheidung über die Startmethode aus dem Bereich des Dreh­ zahlverlaufes zwischen dem 1. und/oder 2. Maximum und/oder dem 1. und/oder 2. Minimum der Drehzahl ableitbar ist.
6. Start-/Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei großem Schleppmoment die Impulsstartphase wählbar ist, wobei nach der Startklärungsphase die elektrische Maschine ein Schwungrad (SR) bei geöffneter Schaltkupplung (K) aufzieht bevor die Schaltkupplung (K) schließt.
7. Start-/Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei kleinem Schleppmoment unterbrechungsfrei in die Direktstart­ phase übergegangen wird.
8. Start-/Antriebseinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Schleppmoment, das für die Impulsstartphase nicht aus­ reicht, vor der Impulsstartphase eine Trockenimpulsstartphase (ohne Zün­ dung und Einspritzung) eingeführt ist, in der mittels eines Motorsteuergerätes (MSG) die Synchronisation und gegebenenfalls eine Voreinspritzung vornehmbar ist.
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