DE19949931A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren dient zum Starten einer Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Start/Stop-System für die Brennkraftmaschine, mittels einer mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbundenen Elektromaschine, welche als Starter/Generator-Einheit betrieben wird. Vor dem Startvorgang der Brennkraftmaschine wird die Kurbelwelle gezielt auf eine Startausgangs-Winkelstellung bewegt, wobei der Startvorgang danach von der Startausgangs-Winkelstellung aus erfolgt. DOLLAR A Eine Vorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine, insbesondere nach dem oben genannten Verfahren, weist eine mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbundene, als Starter/Generator-Einheit betreibbare Elektromaschine auf. Die Elektromaschine ist über ein vorgespanntes, biegeschlaffes Verbindungselement mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden, wobei das Verbindungselement durch wenigstens eine Spanneinrichtung in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Elektromaschine spannbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von An­ spruch 1 näher definierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von An­ spruch 12 näher definierten Art.

Aus der gattungsgemäßen DE 197 05 610 A1 ist eine Start- bzw. Antriebseinheit für eine Brennkraftmaschi­ ne bzw. einen Motor eines Kraftfahrzeuges bekannt. Dabei wird eine Antriebseinheit vorgeschlagen, welche beim kalten Motor eine andere Startmethode durchführt als beim warmen Motor. Die Antriebseinheit ist dabei mit einem Starter und mit einer Starter/Generator- Maschine ausgerüstet. Zum Starten des kalten Motors wird der Starter gemeinsam mit der Starter/Generator- Maschine aktiviert. Zum Starten des warmen Motors, wie z. B. im Falle eines Start/Stop-Systems bzw. eines Schwung-Nutz-Betriebs, wird die Starter/Generator- Maschine allein aktiviert.

Bei der Kraftübertragung zwischen der Starter/Genera­ tor-Maschine und der Kurbelwelle der Brennkraftmaschi­ ne mittels eines Riemens muß beim Wechsel zwischen dem Generatorbetrieb und dem Starterbetrieb bei dem im Eingriff befindlichen Riemen jeweils zwischen Lasttrum und Leertrum gewechselt werden. Um dies ohne einen übermäßigen Schlupf oder ein Durchrutschen des Riemens bei der Leistungsübertragung realisieren zu können, muß der Reimen dazu sehr stark vorgespannt werden. Die hohe Vorspannung wirkt sich negativ auf den Wirkungs­ grad der übertragbaren Leistung aus und verkürzt au­ ßerdem die Lebensdauer des Riemens nachteilhaft.

Aus der DE 197 45 997 A1 ist die Anordnung einer elek­ trischen Maschine an einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der die elektrische Maschine zum Starten der Brennkraftmaschine als Startermotor arbeitet, wobei danach umgeschaltet wird, so daß während des Laufs der Brennkraftmaschine die elektrische Maschine als Gene­ rator zur elektrischen Bordnetzversorgung genutzt wer­ den kann. Um die oben beschriebenen Probleme bezüglich des Riemens zu vermeiden, wurde hier eine Kegelradver­ zahnung gewählt, wodurch permanent hohe mechanische Leistungen übertragbar sind.

Der Aufbau weist deshalb jedoch die Nachteile eines außerordentlich hohen Gewichts und eines großen mecha­ nischen Aufwandes bezüglich der Zahnräder und der Ke­ gelradverzahnungen auf. Ein weiterer Nachteil liegt darin begründet, daß der vorhandene Bauraum ver­ gleichsweise groß sein muß, um die senkrecht zueinan­ der angeordneten Achsen der Elektromaschine und der Kurbelwelle konstruktiv sinnvoll anordnen zu können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum sehr schnellen Starten einer Brennkraft­ maschine, insbesondere bei einem Start/Stop-System für die Brennkraftmaschine, mittels einer mit einer Kur­ belwelle der Brennkraftmaschine verbundenen Elektroma­ schine, welche als Starter/Generator-Einheit betrieben wird, sowie eine einfache und kostengünstige Vorrich­ tung für die oben beschriebene Starterlösung, zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannte Verfahren gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Startvor­ gang dadurch unterstützt, daß die Kurbelwelle vor dem eigentlichen Startvorgang gezielt auf eine Startaus­ gangs-Winkelstellung bewegt wird, von welcher aus dann gestartet wird. Damit ist die in diesem Fall als Star­ ter betriebene Elektromaschine in der Lage, durch den größeren Winkel der vor dem Erreichen eines oberen Kompressionstotpunkts der Zylinder der Brennkraftma­ schine zurückgelegt werden kann, Schwung zu holen und ein schnelleres Starten zu ermöglichen.

Nach dem Start, also während des Laufs der Brennkraft­ maschine, kann die Elektromaschine dann in der bekann­ ten und üblichen Art als Generator bzw. Lichtmaschine betrieben werden.

In einer besonders günstigen Ausführungsform der Er­ findung handelt es sich bei der Startausgangs-Winkel­ stellung um eine instabile Winkelstellung der Kurbel­ welle, also eine Winkelstellung bei der die Kurbelwel­ le aufgrund von Kompressionskräften in dem Zylindern der Brennkraftmaschine nicht selbstständig zu Ruhe kommt. In einer solchen instabilen Winkelstellung lie­ gen also andauernd Kräfte an der Kurbelwelle an, so daß sie zum Verbleib in der instabilen Winkelstellung ständig aktiv gehalten oder gebremst werden muß.

Durch den Start aus einer instabilen Winkelstellung der Kurbelwelle heraus wird die Kurbelwelle durch Kräfte, welche von der Kompression in den Zylindern verursacht werden, und welche die Kurbelwelle in Rich­ tung einer stabilen Winkelstellung beschleunigen, zu­ sätzlich zu den ebenfalls in diese Richtung wirkenden Kräften, der zu diesem Zeitpunkt als Starter betriebe­ nen Elektromaschine, beschleunigt.

Das heißt in der ersten Phase des Startvorgangs, also vor dem Durchlaufen der stabilen Winkelstellung der Kurbelwelle, wird die Kurbelwelle von den durch die Elektromaschine aufgebrachten Kräften und von den aus der Kompression in der instabilen Winkelstellung der Kurbelwelle resultierenden Kräften gemeinsam beschleu­ nigt. Für die Elektromaschine steht somit auch mehr Winkelstrecke zur Verfügung, um Schwung zu holen, mit dem der erste Kompressionshub überwunden werden kann. Der Vorteil liegt hier überwiegend in der erst dadurch ermöglichten, kleineren Dimensionierung der Elektroma­ schine, gegenüber den bisherigen Verfahren, was wie­ derum konstruktiven Aufwand, Bauraum und Kosten ein­ spart.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungs­ form der Erfindung kann die Kurbelwelle der Brenn­ kraftmaschine durch die Elektromaschine mit Schwung in die rückwärtige Startausgangs-Winkelstellung bewegt werden. Damit findet, durch die als Starter betriebene Elektromaschine, das oben beschriebene "Schwungholen" direkt vor dem Beginn des eigentlichen Startvorgangs statt und geht von dieser Startausgangswinkelstellung direkt in die Vorwärtsschwungbewegung über. Die Elek­ tromaschine stellt also eine Art "Pendelschwungstar­ ter" dar. Durch den Rückwärtsschwung kann noch ein größerer Startschwungwinkel erreicht werden, als es mit den statischen Momenten der Elektromaschine mög­ lich wäre. Bei sehr tiefen Temperaturen kann dieser Pendelschwung mehrfach durchgeführt werden.

Der Vorteil über eine sehr kleine Elektromaschine ei­ nen sehr großen Motor, also eine Brennkraftmaschine mit großen Zylindervoluminas, starten zu können, wird hierbei noch besser genutzt.

In einer weiteren, alternativen Ausführungsform der Erfindung ist es denkbar, daß die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bereits beim Abstellen der Brenn­ kraftmaschine gezielt in der Art abgebremst wird, daß die Kurbelwelle bereits in der Startausgangs-Winkel­ stellung zum Stillstand kommt und über den Zeitraum bis zum Startvorgang dort festgehalten wird. Entspre­ chend dem oben genannten Verfahren könnte dann direkt von dieser Startausgangs-Winkelstellung aus gestartet werden.

Durch diese alternative, erfindungsgemäße Ausführung kann die Brennkraftmaschine extrem schnell gestartet werden, was insbesondere bei einem Start/Stop-System sehr vorteilhaft ist.

Je nach Anwendungsfall, z. B. im Rahmen eines Start/­ Stop-Systems, kann sowohl die erste Alternative, z. B. für einen Start bei eher kalter Brennkraftmaschine, als auch die zweite Alternative, z. B. für einen sehr schnellen Warmstart an einer gerade auf "grün" schal­ tenden Ampel, eingesetzt werden. Die Koordination der beiden Alternativen zueinander könnte ein bei einem Start/Stop-System meist ohnehin vorhandenes Start/­ Stop-Steuergerät mit übernehmen.

Eine Vorrichtung zur Lösung der erfindungsgemäßen Auf­ gabe, insbesondere zur Durchführung des oben genannten Verfahrens, beschreibt der kennzeichnende Teil des Anspruchs 12.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht vor, daß die Elektromaschine über ein Verbindungs- oder Umschlin­ gungselement oder über einen Riementrieb mit der Kur­ belwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist. Dabei ist wenigstens eine Spanneinrichtung vorgesehen, wel­ che das Verbindungselement vorspannt und welche das Verbindungselement in Abhängigkeit des Betriebszu­ stands der Elektromaschine zusätzlich spannen kann.

Dies ist besonders vorteilhaft, da nach dem Wechsel von dem Generatorbetrieb der Elektromaschine auf den Starterbetrieb der Elektromaschine in dem leertrumsei­ tigen Verbindungselement, welches in einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung als Riemen ausgebildet sein kann, ein Wechsel des Leertrums zum Lasttrum erfolgt. Um ein Durchrutschen und eine früh­ zeitige Beschädigung des Verbindungselements zu ver­ meiden, wird bei diesem Betriebszustand der Elektroma­ schine das Verbindungselement auf geeignete Weise ge­ spannt.

Ein weiterer besonderer Vorteil der Erfindung liegt dabei in der Tatsache, daß die erforderliche hohe Vor­ spannung des Verbindungselementes nur während des Startens erfolgt und in der restlichen Zeit die für das Verbindungselement eher schädliche hohe Spannung auf das Niveau der wesentlich geringeren Vorspannung für den Generatorbetrieb reduziert wird.

In einer besonders günstigen Ausführungsform der er­ findungsgemäßen Vorrichtung erfolgt das Spannen, wie auch das Vorspannen des biegeschlaffen Verbindungsele­ ments, durch die Elektromaschine und deren Art der Lagerung mit einem Spannelement, wobei diese Elemente dann eine Spanneinrichtung für das biegeschlaffe Ver­ bindungselement bilden.

Durch die Lagerung der Elektromaschine bzw. eines Ge­ häuses der Elektromaschine, bei der sich eine Achse der Lagerung in einem radialen Abstand parallel zu einer Mittelachse der Elektromaschine befindet, kann die Elektromaschine zusammen mit dem Trägerelement zur Lösung von zwei konstruktiven Aufgaben genutzt werden. Durch ein zwischen dem Trägerelement und dem Gehäuse der Elektromaschine angeordnetes Spannelement, z. B. ein Federelement, kann die Elektromaschine um die Ach­ se ihrer Lagerung in der Art bewegt werden, daß auf das über eine Laufrolle der Elektromaschine laufende Verbindungselement eine Vorspannung ausgeübt wird, wenn die Elektromaschine im Generatorbetrieb läuft. Andererseits kann beim Einsatz der Elektromaschine im Starterbetrieb das durch den aktiven Antrieb der Elek­ tromaschine, also durch ein durch die Elektromaschine selbst erzeugtes Drehmoment, auf das Gehäuse der Elek­ tromaschine zurückwirkende Reaktionsmoment in der Art genutzt werden, daß die durch das Spannelement ausge­ übte Kraft verstärkt wird und sich so die Spannung in dem Verbindungselement während des Betriebs der Elek­ tromaschine als Starter verstärkt.

Dabei hängt die zusätzlich eingebrachte "Spannkraft" von dem Abstand zwischen der Mittelachse der Elektro­ maschine, also der Drehachse des Rotors der Elektroma­ schine, und der Achse der Lagerung der Elektromaschi­ ne, also die Achse, um die sich das Gehäuse der Elek­ tromaschine drehen kann, in dem Lagerelement ab. Je kleiner dieser Abstand wird, desto größer wird die zusätzlich eingebrachte Kraft.

Je nach Ausführungsform der Brennkraftmaschine kann für einen Start bei kalter Brennkraftmaschine, also einen Erststart der Brennkraftmaschine, ein weiterer herkömmlicher und an sich bekannter Starter zusätzlich eingesetzt werden. Dadurch, daß dieser herkömmliche Starter dann jedoch gemeinsam mit dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrieben wird, kann dieser besonders klein, einfach und kostengünstig ausgeführt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsge­ mäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnungen prinzipmäßig darge­ stellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 eine prinzipmäßige Seitenansicht einer Brenn­ kraftmaschine;

Fig. 2 eine Ansicht der Brennkraftmaschine gemäß dem Pfeil II in Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Elektromaschine in der Verwendung als Spanneinrichtung; und

Fig. 4 eine Seitenansicht gemäß der Linie IV-IV in Fig. 3.

Fig. 1 zeigt eine prinzipmäßige Seitenansicht einer Brennkraftmaschine 1. Weiterhin ist ein Hilfsaggregat 2, hier ein Klimakompressor 2 mit einer Riemenscheibe 2a, welche von einem Riemen 3 als biegeschlaffes Ver­ bindungselement 3 angetrieben wird, dargestellt. Wei­ terhin ist eine Kurbelwelle 4 der Brennkraftmaschine 1 erkennbar, welche an einem ihrer Enden ebenfalls eine Riemenscheibe 4a aufweist. An ihrem anderen Ende weist die Kurbelwelle 4 ein Schwungrad 4b mit einem Anlas­ serzahnkranz auf, welcher in an sich bekannter Art gemäß dem Stand der Technik ausgeführt ist. Die in Fig. 1 nicht sehr gut zu erkennende Lage der Riemen­ scheiben 2a, 4a zueinander und der Verlauf des Riemens 3 ist in Fig. 2 deutlicher dargestellt.

In das Schwungrad 4b mit dem Anlasserzahnkranz greift ein herkömmlicher Anlasser 5 ein, welcher ebenfalls im Bereich der Brennkraftmaschine 1 angeordnet ist. Zu­ sätzlich dient der Anlasserzahnkranz des Schwungrads 4b dazu, über einen Lagesensor 6 die genaue Lage, also die Winkellage bzw. Winkelstellung des Schwungrads 4b und damit der Kurbelwelle 4 zu erfassen. Die von dem Lagesensor 6 erfaßten Daten gelangen zur Weiterverwer­ tung zu einem Steuergerät 7. Das Steuergerät 7 kann dabei auch direkt das die Start- und Stopvorgänge in einem Start/Stop-System koordinierende Start/Stop- Steuergerät 7 sein.

Eine Elektromaschine 8 mit einer Riemenscheibe 8a dient, gemäß dem Verfahren zum Starten der Brennkraft­ maschine 1, überwiegend als Lichtmaschine und zur Durchführung eines schnellen Warmstarts der Brenn­ kraftmaschine 1.

In Fig. 2 ist in einer Draufsicht auf die Brennkraft­ maschine 1 der Riemen 3 bzw. das biegeschlaffe Verbin­ dungselement 3 deutlicher dargestellt. Neben der be­ reits erwähnten Riemenscheibe 2a des Klimakompressors 2 und der Riemenscheibe 4a der Kurbelwelle 4 ist eine Riemenscheibe 9a eines weiteren Hilfsaggregats 9, z. B. einer Wasserpumpe, erkennbar. Dabei treibt bei laufen­ der Brennkraftmaschine 1 die Kurbelwelle 4 über ihre Riemenscheibe 4a und den Riemen 3 die Hilfsaggregate, wie hier den Klimakompressor 2, die Elektromaschine 8 als Generator bzw. Lichtmaschine, die Wasserpumpe 9 und gegebenenfalls auch noch weitere Hilfsaggregate (hier nicht dargestellt) an.

Die Elektromaschine 8 mit ihrer Riemenscheibe 8a ist mit einem Gehäuse 10 versehen und über dasselbe an einem Trägerelement 11 angebracht. Eine Achse 12, an der das Gehäuse 10 drehbeweglich, also um die Achse 12 axial beweglich, zwischen zwei Armen 11a und 11b des Trägerelements 11 aufgehängt ist, ist dabei in einem radialen Abstand parallel zu einer Mittelachse 13 der Elektromaschine 8, die mittig durch die Elektromaschi­ ne 8 und die Riemenscheibe 8a verläuft, angeordnet. Die Mittlachse 13 ist gleichzeitig die Rotationsachse des Rotors (nicht erkennbar) der Elektromaschine 8 und einer damit verbundenen die Riemenscheibe 8a antrei­ benden Antriebswelle 14 der Elektromaschine 8. Zwi­ schen dem Trägerelement 11 und dem Gehäuse 10 der Elektromaschine 8 ist ein Spannelement 15 angeordnet, welches den Riemen 3 vorspannt. Der Riemen 3 bzw. die Riemenscheibe 8a erfahren dazu eine Vorspannkraft, welche sie auf die dem der Riemenscheibe 2a des Klima­ kompressors 2 abgewandten Seite drückt und damit den Riemen 3 spannt.

Der oben beschriebene Gesamtaufbau mit der Elektroma­ schine 8, dem Trägerelement 11 und dem Spannelement 15 kann also auch als eine Spanneinrichtung 16 verstanden werden.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen den Aufbau der Spanneinrich­ tung 16 nochmals detaillierter.

In der Draufsicht gemäß Fig. 3 ist zu erkennen, daß die Achse 12 der Lagerung des Gehäuses 10 der Elektro­ maschine 8 in dem Trägerelement 11, wie bereits oben erwähnt, in einem radialen Abstand A parallel zu der Mittelachse 13 der Elektromaschine 8 und der Riemen­ scheibe 8a verläuft.

Das Spannelement 15 ist im hier dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel mit einer Feder 15a und einem Dämpfungs­ element 15b realisiert worden. Damit kann durch die Feder 15a eine entsprechende Kraft zur Erzeugung der Vorspannung aufgebracht werden und die Dämpfung des Dämpfungselements 15b verhindert ein oszillierendes Aufschaukeln der Spanneinrichtung 16, aufgrund von nicht durchgehend konstanten Kräfteverhältnissen in dem Riemen 3.

Gemäß des Verfahrens zum Starten der Brennkraftmaschi­ ne 1, wird die Brennkraftmaschine 1 normalerweise über die Elektromaschine 8 und den Riemen 3 gestartet. Le­ diglich im Falle eines Kaltstarts, also eines Erst­ starts einer kalten Brennkraftmaschine 1, kann der Anlasser 5 als zusätzliche Hilfe beim Start herangezo­ gen werden, sofern dies bezüglich der Aggregateausle­ gung überhaupt erforderlich ist.

In allen anderen Fällen, also insbesondere beim Warm­ start der Brennkraftmaschine 1, welcher vor allem bei sogenannten Start/Stop-Systemen häufig vorkommt, die zum Zwecke der Kraftstoffeinsparung seit geraumer Zeit diskutiert werden und die vorsehen, die Brennkraftma­ schine 1 während Fahrzeugstillstandsphasen z. B. einem Ampelstop etc. abzuschalten und bei Fahrtbeginn mög­ lichst schnell wieder zu starten, erfolgt der Start der Brennkraftmaschine 1 ausschließlich über die Elek­ tromaschine 8.

Die in den Figuren dargestellte Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren erlauben es dabei, diese Aufgabenstellung sehr einfach und günstig zu realisie­ ren. Insbesondere kann dazu ein aktiv bestrombarer Klauenpolgenerator 8 als Elektromaschine 8 verwendet werden. Beim normalen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird dieser Klauenpolgenerator 8 als Generator bzw. Lichtmaschine von dem Riemen 3 angetrieben und kann so den Strom für das elektrische Bordnetz des mit der Brennkraftmaschine 1 ausgerüsteten Fahrzeuges liefern. Beim Abstellen der Brennkraftmaschine 1 wird der Klau­ enpolgenerator 8 "umgeschaltet", also aktiv bestromt, und kann beim Wiederstart der Brennkraftmaschine 1 als Starter eingesetzt werden.

Da hierbei jedoch das bisherige Leertrum des Riemens 3 zum Lasttrum wird und relativ hohe Kräfte übertragen werden müssen, erfährt der über die Spanneinrichtung 16 vorgespannte Riemen 3 durch die Lagerung der Elek­ tromaschine 8 bzw. deren Gehäuse 10 an dem Trägerele­ ment 11 eine Erhöhung der Spannung auf den Riemen 3, zusätzlich zu der Spannung des Spannelements 15. Dies erfolgt, da das Gehäuse 10 ein Reaktionsmoment auf den sich um die Mittelachse 13 aktiv bewegenden Rotor der Elektromaschine 8 erfährt. Durch die Lagerung mittels der Achse 12 des Gehäuses 10 der Elektromaschine 8 in dem Trägerelement 11 wird erreicht, daß sich dieses Reaktionsmoment auf die anlaufende Elektromaschine 8 bzw. deren Gehäuse 10 in der Art auswirkt, daß es zu einer Erhöhung der Spannung in dem Riemen 3 kommt. Die Spannung steigt mit dem Drehmoment der Elektromaschi­ ne.

Der Riemen 3 wird dabei aber lediglich während der Funktion der Elektromaschine 8 als Starter auf diese hohe Vorspannung gebracht. In Generatorbetrieb der Elektromaschine 8 wirkt die Gehäusereaktion in die Gegenrichtung und somit der Spanneinrichtung 15 entge­ gen. Der Betrag dieses Moments ist aber wesentlich geringer.

Alternativ dazu könnte auch ein ansteuerbares, akti­ ves, von der obigen Beschreibung völlig verschiedenes Spannelement eingesetzt werden, welches in Abhängig­ keit des Betriebszustands der Elektromaschine 8, also wenn diese entweder als Generator oder als Starter eingesetzt wird, die Spannung in dem Riemen 3 entspre­ chend erhöht. Ein solches Spannelement könnte z. B. eine über einem Hydraulik- oder Pneumatikzylinder oder einen elektrischen Stellmotor aktiv angesteuerte Spannrolle sein.

Die prinzipiell auch denkbare Lösung, die Spannung in dem Riemen 3 grundsätzlich während des gesamten Be­ triebs auf einem so hohen Niveau zu halten, daß dies auch für die Starterfunktion der Elektromaschine 8 ausreichend sein würde, würde zu einer Beeinträchti­ gung des Wirkungsgrads und der Lebensdauer des Riemens 3 führen sowie zu einer Überdimensionierung der Aggre­ gatelager und wäre somit nicht unbedingt anzustreben.

Um den Startvorgang zeitlich möglichst schnell ausfüh­ ren zu können, und um mit der vergleichsweise kleinen Elektromaschine 8 den Start der Brennkraftmaschine 1 realisieren zu können, erfolgt der Startvorgang nicht, wie allgemein üblich, aus einer stabilen Winkelstel­ lung der Kurbelwelle 4 heraus, sondern der Startvor­ gang beginnt bei einer instabilen Winkelstellung der Kurbelwelle 4. Zum Erreichen dieser instabilen Winkel­ stellung der Kurbelwelle 4 sind mehrere Möglichkeiten gegeben. Der Lagesensor 6 kann dabei jeweils zum Er­ mitteln und Überwachen der Winkelstellung eingesetzt werden.

In einer ersten Ausführungsform kann die Kurbelwelle 4 durch die Elektromaschine 8 von ihrer stabilen Winkel­ stellung zu der instabilen Winkelstellung bewegt wer­ den. Die Elektromaschine 8 bewegt die Kurbelwelle 4 dazu entgegen der späteren Drehrichtung des Startvor­ gangs auf die Startausgangs-Winkelstellung. Die Elek­ tromaschine 8 holt mit der Kurbelwelle 4 praktisch Schwung.

Die Rückwärtsbewegung der Kurbelwelle 4 wird zeitlich, also direkt, mit dem Start der Brennkraftmaschine 1 verbunden. Dabei kann zur Vergrößerung der Rückwärts­ bewegung ein Überschwingen in eine Rückwärtskompres­ sion genutzt werden, so daß der betreffende Kolben so weit "den Kompressionsberg hinaufläuft", daß dieser beim anschließenden Schwungholen mithelfen kann, die Kurbelwelle zu beschleunigen. Eine solche Maßnahme empfiehlt sich insbesondere beim Erststart bzw. beim Start mit noch kalter Brennkraftmaschine 1.

Bei den nachfolgend erfolgenden Warmstarts wird dann nicht mehr so viel Schwung für die Kurbelwelle 4 benö­ tigt. Der gemäß einer zweiten Ausführungsform alterna­ tiv dazu erfolgende Startvorgang ist hier, insbesonde­ re bei einem Start/Stop-System, jedoch sehr zeitkri­ tisch. Die Starts werden dabei im allgemeinen von dem Start/Stop-Steuergerät 7 veranlaßt, welches die ge­ samten Start/Stop-Vorgänge koordiniert. Dieses Start/Stop-Steuergerät 7 sorgt dann dafür, daß nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine 1 bzw. nach dem Stillstand der Kurbelwelle 4 sofort eine Rückwärtsbe­ wegung der Kurbelwelle 4 in die Startausgangs- Winkelstellung eingeleitet wird. Die Kurbelwelle 4 wird dann über ein ständig an der Elektromaschine 8 anliegendes Drehmoment so lange in der Startausgangs- Winkelstellung festgehalten, bis der Start der Brenn­ kraftmaschine 1 erfolgt. Hierbei kann das Start/Stop- Steuergerät 7 die Lage der Kurbelwelle 4 über den La­ gesensor 6 überwachen und zur Rückwärtsdrehbewegung der Kurbelwelle 4 auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzen. Dies kann insbesondere dann erforderlich werden, wenn Kolbenringe und Ventile nicht ausreichend gasdicht sind und dem von der Elektromaschine 8 aufge­ brachten Haltedrehmoment kein Gegenmoment bieten kön­ nen.

Bei dieser oben beschriebenen Vorgehensweise kann zwar kein Rückwärtsschwung der Kurbelwelle 4 genutzt wer­ den, um eine möglichst große Anlaufstrecke zu gewin­ nen, dafür läuft der gesamte Startvorgang jedoch sehr viel schneller ab, weil sofort in der richtigen Dreh­ richtung der Kurbelwelle 4 gestartet wird.

Der Haltevorgang der Kurbelwelle 4 mittels der Elek­ tromaschine 8 gegen die rückwärts vorgespannte Kom­ pressionskraft, benötigt verhältnismäßig wenig elek­ trische Leistung, weil hier keine mechanische Arbeit aufgewendet wird, sondern lediglich die Verluste in der Elektromaschine 8 und der Elektronik, z. B. einem Wechselrichter, ausgeglichen werden müssen. Es kann hier jedoch sinnvoll sein, über das Start/Stop- Steuergerät, die Rückwärtsvorspannung zeitlich zu be­ grenzen, so daß bei längeren Standzeiten des Kraft­ fahrzeugs der Start wieder analog einem Erststart er­ folgt.

Alternativ oder parallel zu dem Halten der Kurbelwelle 4 über die Elektromaschine 8, können hier auch nicht dargestellte Bremseinrichtungen, welche z. B. elektro­ mechanisch oder elektromagnetisch ausgebildet sein können, eingesetzt werden.

Eine weitere, alternative Möglichkeit zum Erreichen der Startausgangs-Winkelstellung liegt darin, die Kur­ belwelle 4 der Brennkraftmaschine 1 entsprechend ge­ zielt zu bremsen, so daß sie über nicht dargestellte Bremseinrichtungen, welche z. B. elektro-mechanisch oder elektromagnetisch ausgebildet sein können, oder über ein von der Elektromaschine 8 aufzubringendes Haltemoment in der Startausgangs-Winkelstellung ge­ stoppt und gehalten wird. Ein Warmstart der Brenn­ kraftmaschine 1 kann auch dann direkt aus der Start­ ausgangs-Winkelstellung heraus sehr schnell erfolgen.

Bei sehr tiefen Temperaturen und entsprechend kriti­ schen Brennkraftmaschinen 1, wie z. B. Dieselmotoren mit großem Einzelzylindervolumen oder Brennkraftma­ schinen 1 mit Aluminiumlagerstühlen, welche bei extrem tiefen Temperaturen ein "Einklemmen" der Kurbelwelle 4 bewirken können, sowie bei sehr großvolumigen Motoren mit verlustreichen Hilfsaggregaten 2, 9, kann es er­ forderlich sein, daß weiterhin ein herkömmlicher An­ lasser 5 eingesetzt wird. Dieser kann jedoch, da er lediglich als Unterstützung der Elektromaschine 8 aus­ gelegt werden muß, sehr viel kleiner und kostengünsti­ ger als bisher üblich geplant werden.

Außerdem können durch den Start der Brennkraftmaschine 1 über den Riemen 3 und die Elektromaschine 8, insbe­ sondere im Fall eines Warmstarts, die Startgeräusche bei der Verwendung in Start/Stop-Systemen gegenüber dem herkömmlichen Anlasser 5 erheblich reduziert wer­ den.

Das Verfahren zum Starten läßt sich mit sehr kleinen Elektromaschinen 8 als Lichtmaschinen bereits bei re­ lativ niedrigen Temperaturen der Brennkraftmaschine 1 einsetzen, so daß der Start/Stop-Betrieb des Start/­ Stop-Systems bereits frühzeitig aufgenommen werden kann. Dies ermöglicht es, daß bei verschiedenen Vari­ anten von Brennkraftmaschinen 1 sehr effektiv und ko­ stengünstig Kraftstoff eingespart werden kann, insbe­ sondere auch bei "halbwarmen" Brennkraftmaschinen 1 und in dem sehr häufig auftretenden und für eine Start/Stop-System besonders effektiven Kurzstreckenbe­ trieb z. B. in einer Stadt.

Claims (19)

1. Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Start/Stop-System für die Brennkraftmaschine, mittels einer mit einer Kur­ belwelle der Brennkraftmaschine verbundenen Elek­ tromaschine, welche als Starter/Generator-Einheit betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Startvorgang der Brennkraftmaschine (1) die Kurbelwelle (4) gezielt auf eine Startaus­ gangs-Winkelstellung bewegt wird, wobei der Start­ vorgang danach von der Startausgangs-Winkel­ stellung aus erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Startausgangs-Winkelstellung der Kurbelwelle (4) eine instabile Winkelstellung der Kurbelwelle (4) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (4) der Brennkraftmaschine (1) durch die Elektromaschine (8) auf die Startaus­ gangs-Winkelstellung bewegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (4) entgegen der Bewegungsrichtung des Startvorgangs auf die Startausgangs-Winkel­ stellung bewegt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (4) beim Abstellen der Brennkraft­ maschine (1) derart abgebremst wird, daß die Kur­ belwelle (4) in der Startausgangs-Winkelstellung zum Stillstand kommt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (4) durch ein aktives Ansteuern der Elektromaschine (8) derart abgebremst wird, daß die Kurbelwelle (4) in der Startausgangs- Winkelstellung zum Stillstand kommt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (4) durch mechanische Bremsmittel derart abgebremst wird, daß die Kurbelwelle (4) in der Startausgangs-Winkelstellung zum Stillstand kommt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (4) durch die Elektromaschine (8) in der Startausgangs-Winkelstellung festgehalten wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (4) in der Startausgangs-Winkel­ stellung durch eine elektro-mechanische oder elek­ tromagnetische Bremseinrichtung festgehalten wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (4) der Brennkraftmaschine (1) durch ein vorgespanntes, biegeschlaffes Verbin­ dungselement (3) mit der Elektromaschine (8) ver­ bunden wird, wobei während des Startvorgangs die Vorspannung auf das biegeschlaffe Verbindungs­ element (3) erhöht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Verbindungselement (3) wenigstens einen Teil der Hilfsaggregate (2, 9) der Brennkraftma­ schine (1) angetrieben werden.

12. Vorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine, insbesondere nach dem Verfahren gemäß der Ansprü­ che 1 bis 11, welche eine mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbundene, als Star­ ter/Generator-Einheit betreibbare Elektromaschine aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine (8) über ein Verbindungsele­ ment (3) mit der Kurbelwelle (4) der Brennkraftma­ schine (1) verbunden ist, wobei wenigstens eine Spanneinrichtung (16) für das Verbindungselement (3) vorgesehen ist, durch welche das Verbindungs­ element (3) in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Elektromaschine (8) spannbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanneinrichtung (26) ein Trägerelement (11), die Elektromaschine (8) und ein Spannelement (15) aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine (8) auf dem Trägerelement (11) drehbeweglich gelagert ist, wobei das Spannelement (15), durch welches das Verbindungselement (3) vorgespannt ist, zwischen dem Trägerelement (11) und der Elektromaschine (8) angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung der Elektromaschine (8) in dem Trä­ gerelement (11) in einem radialen Abstand (A) von der Mittelachse (13) der Elektromaschine (8) zu dem Trägerelement (11) hin in der Art ausgeführt ist, daß das beim Starterbetrieb der Elektroma­ schine (8) auftretende Reaktionsmoment eines Ge­ häuses (10) der Elektromaschine (8) das Verbin­ dungselement (3) zusätzlich zu dem das Verbin­ dungselement (3) vorspannenden Spannelement (15) spannt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanneinrichtung (16) ein aktives ansteuerba­ res Spannelement aufweist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement als Riemen (3) ausgebildet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Riemen (3) zahnlos ausgebildet ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine (8) über ein biegeschlaffes, vorgespanntes Verbindungselement (3) mit der Kur­ belwelle (4) der Brennkraftmaschine (1) verbunden ist.