DE60005914T2

DE60005914T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Anlassen eines Verbrennungsmotors mit Turbolader

Info

Publication number: DE60005914T2
Application number: DE60005914T
Authority: DE
Inventors: Gurinder Singh Kahlon; Ning Liu; Robert Joseph Mohan
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 1999-12-07
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2020-12-02
Also published as: DE60005914D1; JP2001193614A; EP1106822A1; US6233935B1; EP1106822B1; USRE38671E1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge, und spezieller ein Kraftfahrzeug das einen Anlasser/eine Lichtmaschine und einen Turbolader an den Motor gekoppelt aufweist.
Hintergrund
Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren werden typischerweise sowohl mit einem Anlassermotor wie auch mit einer Lichtmaschine bereitgestellt. In jüngeren Jahren wurde ein kombinierter Lichtmaschinen- und Startermotor vorgeschlagen. Derartige Systeme weisen einen direkt an der Kurbelwelle des Motors montierten Rotor und einen zwischen dem Motorblock und dem Glockengehäuse des Getriebes eingeschobenen Stator auf. Währen der anfänglichen Inbetriebnahme des Fahrzeugs fungiert der Anlasser/die Lichtmaschine als Anlasser. Während er als Anlasser fungiert dreht der Anlasser/die Lichtmaschine die Kurbelwelle, während die Zylinder gezündet werden.
Nachdem der Motor gestartet ist wird der Anlasser/die Lichtmaschine als ein Generator benutzt, um das elektrische System des Fahrzeuges zu laden.
Viele Fahrzeuge weisen Turbolader innerhalb des Motors integriert auf. Auf diese Turbolader wird allgemein als Abgas-Turbolader Bezug genommen. Ein Turbolader besteht aus zwei Maschinen: einer Turbine und einem auf einer gemeinsamen Welle montierten Verdichter. Die Turbine ist an das Abgassystem gekoppelt und nutzt die im Strom des Abgassystems enthaltene Energie um den Verdichter anzutreiben. Der Verdichter saugt wiederum Außenluft an, verdichtet sie und liefert sie zu den Zylindern. Die verdichtete Luft steigert die Leistungsabgabe des Motors.
Abgas-Turbolader arbeiten unter Verwendung des Massenstroms des Abgases. Folglich steht eine gewisse Zeit damit in Zusammenhang genug Abgas bereitzustellen, um den Turbolader mit einer ausreichenden Drehzahl zu drehen, um am Ausgang des Turboladers eine Verdichtung bereitzustellen. Auf eine solche Zeit wird typischerweise als Turbo-Verzögerung Bezug genommen. Während der Turbo-Verzögerung ist die Motor-Abgabeleistung niedriger als jene wenn der Turbolader arbeitet.
In vorhersehbaren Automobilanwendungen wird der Motor während Stops (z. B. rote Ampeln) möglicherweise abgeschaltet. Wenn das Gaspedal niedergedrückt wird startet der Anlasser/die Lichtmaschine den Motor und der Motor wird die Zündung wieder aufnehmen. Folglich können im Verlauf einer Fahrt viele Starts auftreten.
Aus US-A-5 704 323, welches als die nächstliegende bisherige Technik darstellend angesehen wird, sind eine Anordnung und ein Verfahren für einen Verbrennungsmotor bekannt, durch welches) vor dem Starten ein Zusatz-Elektromotor anfänglich einen Turbolader antreibt, um Ansaugluft vorzuheizen. Während dieser anfänglichen Vorheizung dreht der Motor nicht.
Es wäre daher wünschenswert den Betrag der Turboverzögerung zu vermindern, und so den Leistungsbetrag des Motors während des Starts zu steigern.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher ein Gegenstand der Erfindung die Leistungsabgabe des Motors während des Starts zu steigern.
In einem Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Regelung des Starts eines Verbrennungsmotors, der einen an die Kurbelwelle des Motors gekoppelten Anlasser und einen Turbolader aufweist, der einen Turbinenteil besitzt, die Schritte:

i) Drehen der Kurbelwelle mit dem Anlasser, um an die Kurbelwelle gekoppelte Kolben zu bewegen;
ii) Verwenden von durch die Kolben unter Wirkung des Anlassers verdrängter Luft, um den Turbinenteil auf eine vorherbestimmte Drehzahl zu drehen; und
iii) Starten des Motors, wenn der Turbolader die vorherbestimmte Drehzahl erreicht.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein System für ein Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor auf, der eine an Kolben gekoppelte Kurbelwelle besitzt; einen Turbolader mit einem Turbinenteil, der über ein Fluid mit den Kolben gekoppelt ist; einen Anlasser, der an die Kurbelwelle gekoppelt ist; und einen Regler, der an den Anlasser gekoppelt ist, um Luft von den Kolben zu verdrängen und den Turbinenteil zu drehen; und der angeordnet ist um den Motor daraufhin zu starten, daß der Turbolader eine vorherbestimmte Drehzahl erreicht.
Ein Vorteil ist es daß Leistung vom Motor beim Start gesteigert werden kann.
Andere Gegenstände und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich werden, wenn Sie im Lichte der genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen und angehängten Ansprüchen, betrachtet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
1 eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeuges ist, das ein Anlasser/Lichtmaschinen-System gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist; und
2 eine schematische Ansicht eines Kolbens des Motors mit einem über ein Fluid damit gekoppelten Turbolader ist.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezug auf eine besondere Konfiguration eines Anlassers/einer Lichtmaschine beschrieben. Die Lehren der vorliegenden Erfindung können jedoch auf verschiedene Anlasser für Verbrennungsmotoren angewandt werden.
Unter Bezug auf 1 wird ein Kraftfahrzeug 10 als einen Verbrennungsmotor 12 aufweisend veranschaulicht, der Zylinder 14 mit darin angeordneten Kolben 16 besitzt. Jeder Zylinder 14 ist durch eine Kraftstoffeinspritzung (nicht gezeigt) oder ein anderes Kraftstoffzufuhr-System an eine Kraftstoffpumpe 18 gekoppelt. Jeder Zylinder 14 weist außerdem eine Zündkerze 20 oder eine andere Zündquelle auf, die an eine Antriebsstrang-Regeleinheit gekoppelt ist. Eine Antriebsstrang-Regeleinheit 22 regelt die Zündungseinstellung und den Kraftstoffpumpen-Betrieb 18 in einer herkömmlichen Art und Weise, die den Verbesserungen der vorlegenden Erfindung unterliegt.
Motor 12 besitzt einen an das Abgassystem (unten in 2 gezeigt) von Motor 12 gekoppelten Turbolader 24. Folglich wird auf Turbolader 24 allgemein als Abgas-Turbolader Bezug benommen. Außerdem gilt die vorliegende Erfindung auch für Auflademotoren. Turbolader, wie hierin verwendet, nimmt auf beides Bezug.
Motor 12 ist an Getriebe 26 gekoppelt. Getriebe 26 kann automatisch, manuell oder kontinuierlich variabel sein. Getriebe 26 ist an ein Differential 28 gekoppelt, um eine Achse 30 anzutreiben, um Leistung zu Rädern 32 zu liefern. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung auch auf Vierradantrieb-Systeme anwendbar, in welchen alle der Räder 32 angetrieben sind. Ein Anlasser/Lichtmaschinen-System 40, das einen Anlasser/eine Lichtmaschine 42 und seine/ihre zugehörigen Regelelektronikers einschließt, ist an Motor 12 gekoppelt. In der vorliegenden Erfindung ist Anlasser/Lichtmaschine 42 zwischen einem Gehäuse 44 von Getriebe 26 und dem Motor 12 positioniert.
Anlasser/Lichtmaschine 42 weist einen fest an Glockengehäuse 44 angebrachten Stator und einen an Kurbelwelle 50 von Motor 12 gekoppelten Rotor 48 auf. Eine Kupplung 52 wird verwendet um Motor 12 mit Getriebe 26 zu verbinden oder von ihm zu lösen. Wie unten weiter beschrieben wird, wird Anlasser/Lichtmaschine 42 während Motorstart als ein Anlasser und als eine Lichtmaschine verwendet, um Spannung zum Nachladen der Batterien des Fahrzeugs zu liefern und um elektrische Lasten zu versorgen. Kupplung 52 erlaubt es Anlasser/Lichtmaschine 42 den Motor vor Eingriff des Getriebes zu starten.
Das Anlasser/Lichtmaschinen-System 40 besitzt einen Systemregler 54, der an Antriebsstrang-Regeleinheit 22 und an einen Spannungswandler 56 gekoppelt ist. In der Praxis können der Spannungswandler 56 und Systemregler 54 in einem einzigen Gehäuse enthalten sein. Der Wandler 56 wird verwendet um im Start-Modus Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln; und im Stromerzeugungs-Modus Wechselstrom in Gleichstrom, wie unten weiter beschrieben wird.
Spannungswandler 56 ist an eine Energie-Speichervorrichtung 58 – wie etwa einen Superkondensator –, einen ersten Gleichstrom-Gleichstom-Wandler 60 und an einen zweiten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 62 gekoppelt. Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 60 ist an eine 36 Volt Batterie 64 gekoppelt. Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 62 ist an eine 12 Volt Batterie gekoppelt. Selbstverständlich hängt die tatsächliche Batteriespannung von dem speziellen System ab, an welchem sie angebracht wird.
Unter Bezug auf 2 ist nun ein Turbolader 24 gezeigt, an ein Abgassystem 70 von Motor 12 mit Zylindern 14 und einem Kolben 16 gekoppelt. Zur Einfachheit ist nur ein Zylinder 14 und ein Kolben 16 gezeigt. Kolben 16 ist an Kurbelwelle 50 gekoppelt. Gase werden entsprechend durch Ventile 71, 72 in die Zylinder 14 eingebracht und aus ihnen ausgestoßen. Obwohl zwei Ventile veranschaulicht sind, gilt die vorliegende Erfindung für Mehrventil-Motoren. Turbolader 24 ist außerdem an ein Luft-Ansaugsystem 74 gekoppelt. Ein Ladedruck-Regelventil 76, das einen Kolben 78 aufweist, kann verwendet werden um den Druck in Turbolader 24 hinein zu regeln, indem eine Menge an Abgas umgeleitet wird, wie in der Technik allgemein bekannt.
Turbolader 24 besitzt eine gemeinsame Rotorwelle 80, die den Turbinenteil 82 mit Verdichterteil 84 von Turbolader 24 koppelt. Während sich Gase von innerhalb des Zylinders 14 durch Abgassystem 70 hindurch bewegen wird der Turbinenteil 82 dazu gebracht sich zu drehen, was wiederum durch Rotorwelle 80 den Kompressorteil 84 dazu bringt sich zu drehen. Verdichterteil 84 saugt durch ein Filterelement 86 eines Luft-Ansaugsystems Außenluft an und verdichtet die Luft, um die Luft in Zylinder 14 hinein zu zwingen. Diese Verdichtung bringt die Leistungsabgabe des Motors dazu anzusteigen. Die Leistung wird jedoch nicht gesteigert bis ein ausreichender Betrag an Luftstrom durch Abgassystem 70 hindurch geschaffen wird. In früheren Systemen bestand der Luftstrom aus Abgasen.
In bestimmten Betriebszuständen eines Motorfahrzeugs kann es wünschenswert sein auf den Start hin einen höheren Leistungsbetrag vom Motor her bereitzustellen. Die vorliegende Erfindung ist besonders auf Systeme anwendbar in welchen der Motor vollständig abgeschaltet wird, wenn sich das Fahrzeug in Ruhe befindet, wie etwa an einer Ampel. In einem derartigen System wird auf das unmittelbare Niederdrücken des Gaspedals hin ein großer Leistungsbetrag benötigt. Der Anlasser/die Lichtmaschine liefert die benötigte Leistung in einer wesentlich kürzeren Zeit als der Motor zündet.
Im Betrieb wird die Rotorwelle 80 des Turboladers 24 gedreht, um auf den Start des Fahrzeuges hin Leistung bereitzustellen. Die. Rotorwelle 80 von Turbolader 24 wird auf eine vorherbestimmte Drehzahl gedreht, die es dem Verdichterteil 84 erlaubt die Leistung des Motors zu steigern. Der Startvorgang von Motor 12 wird durch einen Schlüssel eingeleitet, der in Zündstellung plaziert wird, oder durch Niederdrücken des Gaspedals (nicht gezeigt). Sechsunddreißig-Volt-Batterie 64 liefert elektrische Leistung für Anlasser/Lichtmaschine 42, welche durch Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 60 auf 300 Volt auftransformiert wird. Die 300 Volt werden verwendet um Energiespeicher 58 zu laden. Wandler 56 wandelt den Gleichstrom in Drei-Phasen-Wechselspannung um. Die Wechselspannung wird an den Stator 46 von Anlasser/Lichtmaschine 42 geliefert. Der Anlasser/die Lichtmaschine 42 dreht Rotor 48, welcher wiederum Kurbelwelle 50 von Motor 12 dreht. Während des Startvorgangs werden die Ventile 71, 72 – abhängig von der Stellung der Kurbelwelle, welche wiederum an jene die Ventile antreibende Nockenwelle (nicht gezeigt) gekoppelt ist – abwechselnd in der offenen und geschlossenen Stellung positioniert. Die Drehung von Kurbelwelle 50, und folglich die Bewegung der Kolben 16, bewirkt daß eine Luftmenge in Abgassystem 70 hinein verdrängt wird.
Der Anlasser/die Lichtmaschine 42 wird verwendet um eine ausreichende Luftmenge (d. h. Luftmassenstrom) zu verdrängen, um Rotorwelle 80 durch Drehung des Turbinenteils 82 von Turbolader 24 zu drehen. Der Verdichterteil 84 verdichtet wiederum Ansaugluft und liefert sie zu Zylinder 14. Während Rotorwelle 80 dreht wird der Leistungseintrag zu Motor 12 auf den Start des Motors hin gesteigert werden. Wenn die Rotorwelle 80 von Turbolader 24 eine vorherbestimmte Drehzahl erreicht wird der Motor 12 gestartet, indem durch Kraftstoffpumpe 16 Kraftstoff geliefert wird, und indem man die Zündungseinstellung durch Zündkerzen 20 durch Antriebsstrang-Regeleinheit 22 regelt. Folglich steigert der Turbolader die Leistung zu Motor 12, während der Motor gestartet wird. Die Drehzahl von Rotorwelle 80 kann direkt gemessen werden, indem man einen an Rotorwelle 80 gekoppelten Sensor 90 verwendet. Somit kann der Regler 54 daraufhin, daß Rotorwelle 80 eine ausreichende Drehzahl erreicht, den Start des Verbrennungsvorgangs in dem Motor auslösen.
Ein anderes Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl von Rotorwelle 80 ist es die Drehzahl durch die Zeitdauer zu folgern, die der Motor – und folglich die Kolben 16 – Luft in das Abgassystem 70 hinein ausgestoßen hat. Weil die Zylinder 14 ein vorherbestimmtes Volumen enthalten, kann das Volumen und folglich der Massenstrom an Luft in den Turbinenteil 82 von Turbolader 24 hinein gefolgert werden. Die Zeit kann durch Systemregler 54 gemessen werden.
Dreht der Turborotor einmal bei einer ausreichenden Drehzahl und der Verbrennungsvorgang des Motors ist gestartet, so wird der Anlasser/die Lichtmaschine in einem Generatormodus verwendet. In dem Generatormodus werden das Energie-Speichersystem 58 und die Batterien 64, 66 überwacht, um zu bestimmen ob sie vollständig geladen sind. Wenn irgendeine der Energiespeicher-Quellen unter einen vorherbestimmten Bereich abfällt, so wird Drei-Phasen-Strom von Anlasser/Lichtmaschine 42 durch Spannungswandler 56 zu 300 Volt Gleichstrom umgewandelt. Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 60, 62 werden benutzt um die 300 Volt Gleichstrom entsprechend in 42 Volt und 14 Volt umzuwandeln. Man sollte bemerken daß die Superkondensatoren von Energiespeicher 58 direkt durch Spannungswandler 56 geladen werden.
Während besondere Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, werden sich den Fachleuten zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen zeigen. Dementsprechend ist beabsichtigt daß die Erfindung nur was die angefügten Ansprüche angeht beschränkt ist.

Claims

Ein Verfahren zur Regelung des Starts eines Verbrennungsmotors (12), der einen an die Kurbelwelle (50) des Motors gekoppelten Anlasser (42) und einen Turbolader (24) aufweist, der einen Turbinenteil (82) besitzt, wobei dieses Verfahren die Schritte einschließt: i) Drehen der Kurbelwelle (50) mir dem Anlasser (42), um an die Kurbelwelle (50) gekoppelte Kolben (16) zu bewegen; ii) Verwenden von durch die Kolben (16) unter Wirkung des Anlassers (42) verdrängter Luft, um den Turbinenteil (82) auf eine vorherbestimmte Drehzahl zu drehen; und iii) Starten des Motors (12), wenn der Turbolader (24) die vorherbestimmte Drehzahl erreicht.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, das weiterhin den Schritt umfaßt die Drehzahl des Turboladers (24) von der Kurbelwelle (50) zu folgern.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, das weiterhin den Schritt einschließt die Drehzahl des Turboladers (24) zu folgern, indem die Zeitdauer gemessen wird, für welche die Kolben (16) Luft verdrängt haben.
Ein Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem der Anlasser ein(e) Anlasser/Lichtmaschine (42) ist, das weiterhin den Schritt umfaßt nach dem Schritt des Startens des Motors (12) aus diesem/dieser Anlasser/Lichtmaschine (42) Energie zu erzeugen.
Ein Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem der Schritt des Startens des Motors (12) den Schritt einschließt eine Kraftstoffpumpe (18) zu betreiben und Kraftstoff zu Zylindern (14) des Motors (18) zu liefern.
Ein System für ein Kraftfahrzeug (10), das einen Verbrennungsmotor (12) aufweist, der eine an Kolben (16) gekoppelte Kurbelwelle (50) besitzt; einen Turbolader (24) mit einem Turbinenteil (82), der über ein Fluid mit den Kolben (16) gekoppelt ist; einen Anlasser (42), der an die Kurbelwelle (50) gekoppelt ist; und einen Regler (10), der an den Anlasser (42) gekoppelt (56) ist, um Luft von den Kolben (16) zu verdrängen den Turbinenteil (82) zu drehen; und der angeordnet ist um den Motor (12) daraufhin zu starten, nachdem der Turbolader (24) eine vorherbestimmte Drehzahl erreicht.
Ein System gemäß Anspruch 6, in welchem der Regler (10) angeordnet ist um die Dauer der Zeit zu messen welche der Motor (12), und folglich die Kolben (16), vor dem Starten des Motors (12) Luft verdrängt hat/haben.
Ein System gemäß Anspruch 6 oder Anspruch 7, in welchem der Anlasser ein(e) Anlasser/Lichtmaschine (42) zur Erzeugung von Energie ist, nachdem der Motor (12) gestartet wurde.
Ein System gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, in welchem der Motor (12) eine Kraftstoffpumpe (18) einschließt, die Kraftstoff zu Zylindern (14) des Motors (12) liefert, wenn der Motor gestartet wird.