EP0990094A1 - Start-/antriebseinheit für eine brennkraftmaschine eines kraftfahrzeuges - Google Patents

Start-/antriebseinheit für eine brennkraftmaschine eines kraftfahrzeuges

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EP0990094A1
EP0990094A1 EP99927677A EP99927677A EP0990094A1 EP 0990094 A1 EP0990094 A1 EP 0990094A1 EP 99927677 A EP99927677 A EP 99927677A EP 99927677 A EP99927677 A EP 99927677A EP 0990094 A1 EP0990094 A1 EP 0990094A1
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EP
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phase
starting
clutch
internal combustion
combustion engine
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EP99927677A
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Peter Ahner
Manfred Ackermann
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a starting / drive unit for an internal combustion engine of a motor vehicle with at least two starting methods, which has a clutch between the crankshaft, the internal combustion engine and the vehicle transmission and an electrical machine which is directly connected and the clutch is connected to the internal combustion engine.
  • Such a start / drive unit for two starting methods is known from DE 197 05 610 A1.
  • the start method is selected depending on the temperature of the internal combustion engine.
  • Two starting systems are required for the starting methods.
  • the electric machine used as the motor and generator is used to start the warm engine, while when the engine is cold, a common starter is used together with the electric machine to start.
  • the two start systems require a lot of effort in order to be able to work in start-stop mode and in swing network mode.
  • Conventional starters have disadvantages for various reasons.
  • a start generator for a pulse start according to DE 197 45 995 A1, a start generator being connected to the crankshaft via a start clutch between the crankshaft and a flywheel, or in addition to the usual clutch between the flywheel and vehicle transmission, works in such a way that the electric motor is disconnected Internal combustion engine (and gearbox) first rotates the flywheel to the drive speed (e.g. 1000 1 / min) and then drives the internal combustion engine via the rotational energy when the clutch or clutch closes quickly.
  • This im- pulsstart is suitable for normal cold starts, but unfavorable for re-starts with a warm engine at traffic lights and after the end of overrun phases due to the time required.
  • each starting method is preceded by a start clarification phase, in which, when the clutch is closed, there is an electrical machine between the crankshaft, the internal combustion engine and the vehicle transmission, which is connected to the internal combustion engine via the clutch.
  • a start generator r is preferably used as the electrical machine.
  • a simple detection of the existing starting conditions is achieved in that in the start clarification phase the starting control device detects the speed curve of the crankshaft via a speed sensor and derives the starting method and the starting parameters from this.
  • the drag torque at the start affects the speed curve.
  • the internal combustion engine is cold when there is a large drag torque, and warm when it is small.
  • the starting method can be determined via a temperature measurement or a plausibility check can be carried out with it.
  • the rotary Number history already recorded via a crankshaft speed sensor so that it can also be used to derive the existing starting conditions.
  • the correct starting method is recognized via predefined limit values of the measured drag torque.
  • the decision about the starting method is made from the range of the speed curve between the 1st and / or 2nd maximum and / or the 1st and / or 2.
  • the minimum speed can be derived. From this, clear conclusions can be drawn about the present drag torque and used for the correct choice of the starting method.
  • the pulse start is selected as the operating phase.
  • a so-called dry pulse start phase ie. H. without ignition and injection, in which the synchronization and, if necessary, a fuel pre-injection is carried out by means of an electronic engine control unit (Motronik).
  • This is a forward impulse start, in which the flywheel is first pulled up to the required speed by the start generator when the clutch is open, and then position detection / synchronization is achieved when the clutch is closed.
  • the electric machine can be designed with or without a reduction gear and can be connected directly to the gear shaft and to the internal combustion engine via a quick-closing starting clutch.
  • the vehicle transmission FG is connected to the internal combustion engine VM via an intermediate transmission ZG and via a clutch K serving as a starting clutch.
  • An electrical machine serving as a start generator S / G is connected directly to the transmission shaft and via a flywheel SR and the clutch K to the internal combustion engine VM.
  • the speed curve on the input and output sides of the clutch K is recorded in an electrical start control device STG and a decision is made in a start clarification phase about the start method to be taken and the start parameters for this are determined.
  • a cold start with a comparatively low torque of the electrical machine is carried out by a start clarification phase preceding the pulse start, in which the crankshaft KW is positioned in a first starting method with the clutch K closed and in a second starting method by a dry pulse start, or the crankshafts / Camshaft position is fully recognized, so that, if necessary, a pre-injection can be placed in the next firing cylinder.
  • a subsequent pulse start then runs absolutely safely and very quickly even with an Otto engine.
  • pre-injection and ignition take place via an engine control unit MSG, which corresponds to the start control unit STG (synchronization).
  • the start / drive unit according to the invention thus offers an optimal combination of "synchronized" pulse start in the extreme cold start area and direct start up to a relatively low temperature limit, the temperatures being reflected in the speed curve.
  • the second start method results in a precisely coordinated pulse start, so that when the engine is warm Internal combustion engine VM a minimal wind-up time and thus a high start dynamic is achieved.
  • the torques required by the start generator S / G at the cold start limit temperature for the (impulse) start of the first start method can be up to 2 times lower than with the corresponding direct start, and even up to 4 times for the second start method.
  • the decisive improvement is achieved by an almost uninterrupted, speed-controlled starting process. No additional sensor is required to decide which starting method and which starting parameters to choose, as the existing crankshaft speed sensor DG1 can be used.
  • Start method 1 (The goal is low battery power)
  • Phase 1 (start clutch K closed) Cranking the crankshaft KW using the S / G start generator with the specified voltage or power and determining the starting conditions using drag torque measurement with a sensor DG 1, mi ⁇ decision for the siarx method by comparing the limits specified by the mix,
  • start parameters e.g. B. Wind-up speed or wind-up time (start-up phase).
  • Phase 2A (S ⁇ artkupplu ⁇ g K closed) Direct start with a small drag torque of the machine in phase 1 (warm start).
  • Phase 2 ⁇ start clutch K closed positioning, angle detection, if necessary pre-injection with large pushing torque in phase 1.
  • Phases 1 and 2A or 1 and 2B are overlapping parts of the direct starter or before the subsequent impulse start.
  • Phase 1 Cranking the crankshaft KS using the start generator S / G.
  • Phase 2C (clutch K open, flywheel SR pulled up by start generator S / G to low speed.
  • Phase 3C (clutch K closed) dry pulse start with positioning, angle detection, if necessary pre-injection.
  • Phase 4C switching clutch K open

Abstract

Die Erfindung betrifft 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 is. 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

Start-ZAntriebseinheit für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine 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 direkt und bzw. die Schaltkupplung 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 Abhängigkeit 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 Zahnkranz sowie Überholkupplung und der Geräuschentwicklung führen derartige Starter nicht zum Ziel, wenn die Anzahl der Startzyklen aufgrund der Wiederholstarts 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 Geräuscharmut nicht erreichbar.
Es ist auch schon aus der WO 98/05882 bekannt, einen Startgenerator für Direktstart 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, funktioniert 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. Schaltkupplung die Brennkraftmaschine über die Rotationsenergie antreibt. Dieser Im- pulsstart ist für normale Kaltstarts geeignet, jedoch für Wiederhoistarts bei einem warmen Motor an Ampeln sowie nach dem Ende von Schubphasen aus Gründen des Zeitbedarfs ungünstig.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Start-/Aπtriebseinheit der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die ohne üblichen Starter allein mit einer elektrischen Maschine für hohe Startzykluszahien geeignet ist, geräuscharm arbeitet und irn Energiebedarf 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 vorliegenden Startverhältnisse erfaßt und aufgrund der vorliegenden Startverhältnisse die nachfolgenden Betriebsphasen gewählt und die Startparameter dafür festgelegt. Als elektrische Maschine wird vorzugsweise ein Startgenerato r verwendet.
Eine einfache Erfassung der vorliegenden Startverhältnisse wird dadurch erreicht, 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 Temperaturmessung kann alternativ die Startmehtode ermittelt werden oder es kann eine Plausibilitätskontrolle damit durchgeführt werden. In der Regel wird d er 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 Drehzahlveriauf ergeben sich nach einer Ausgestaltung 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 Schleppmomeπt, 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 elektronischen Motorsteuergeräts (Motronik) die Synchronisation und gegebenenfalls eine Kraftstoff-Voreinspritzung vorgenommen wird. Dies ist ein Voriauf-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 Startkupplung mit der Brennkraftmaschine verbunden sein.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung als Prinzipschaltbild wiedergegebenen 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 Brennkraftmaschine 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 DG 1 und DG2 werden in einem elktrischen 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 Startparameter dafür festgelegt.
Gegenüber bisher vorgeschlagenen Lösungen erfolgt ein Kaltstart mit vergleichsweise niedrigem Drehmoment der elektrischen Maschine durch eine dem Impulsstart 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 Kurbelwellen/Nockenwellen-Position voll erkannt wird, so dass gegebenenfalls eine Voreinspritzung 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 Kombination von "synchronisiertem" Impulsstart im Extrem-Kaltstartbereich und Direktstart bis zu einem relativ niedrigen Temperaturgreπzwert, wobei sich die Temperaturen im Drehzahiverlauf niederschlagen. Bei der zweiten Startmethode ergibt sich ein genau abgestimmter Impulsstart, so dass bei betriebswarmer Brennkraftmaschine VM eine minimale Aufziehzeit und damit eine hohe Startdynamik erreicht wird.
Die bei der Kaltstartgrenztemperatur für den (Impuls)-Start der ersten Startmethode 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 uπterbrechungsfreien, drehzahlgesteuerten Startablauf erreicht. Für die Entscheidung, welche Startmethode und welche Startparameter zu wählen sind, wird kein zusätzlicher Sensor benötigt, da dazu der bereits vorhandene Kurbelwellen-Drehzahlgeber DG1 verwendet werden kann.
Eine Auslauferkennung und eine Positionierung beim Auspendeln der Brennkraftmaschine ist nicht erforderlich. Damit entfallen auch Maßnahmen zur Sicherung 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 vorgege bener Spannu ng od er Leistung und mit Feststellung der Startverhältnisse mittels Schleppmomentmessung mit Sensor DG 1 , miτ Enτscheidung für die Siarxmsthode d urch Vergleicn mix vorgegebenem Grenzwen,
Fesτtlegung der Starτparameter, z. B. Aufziehdrehzahi oder Aufziehzeit (StartkiärungsDhase) .
Phase 2A (Sτartkuppluπg K geschlossen) Direkτstart bei kleinem Schlepp- momeπτ der Maschine in Phase 1 (Warmstart) .
Phase 2Ξ (Startkupplung K geschlossen) Positionierung, Winkelerkennung, gegebenenfalls Vorein≤pritzung bei großem Schieppmomeπt in Phase 1 .
Phase 3B ( Schaltkupplung K geöffnet) Aufziehen des Schwung rades SR miτ dem Starτgenerator
Phase 4B (Schaltkupplung K geschlossen) "synchronisierter" schneller Im- puisΞtarτ (Kaltstart) .
Die Phasen 1 und 2A bzw. 1 und 2B sind sich ü berschneidende Teiie d es Direkt- starτs bzw. vor dem nachfolgenden Impuiεstart.
Startmetnode 2:
(Zielsetzung sind kleine Ströme im Suartgenerator) Phase 1 (Schaltkupplung K geschlossen) Durchdrehen der Kurbelwelle KS mittels Startgenerator S/G.
Feststellung der Startverhältnisse und Entscheidung für die Startmethode, Festlegung der Startparameter (Startklärungsphase).
Phase 2A (Schaltkupplung K zu) Direktstart (wie 2A bei Startmethode 1 ) = Warmstart.
Phase 2B (Schaltkupplung K zu) Impulsstart (wie 2B bis 4B bei Startmethode 1 ) = Kaltstart.
Phase 2C (Schaltkupplung K offen Schwungrad SR durch Startgenerator S/G hochziehen auf kleine Drehzahl.
Phase 3C (Schaltkupplung K zu) Trockenimpulsstart mit Positionierung, Winkelerkennung, gegebenenfalls Voreinspritzung.
Phase 4C (Schaltkuplung K offen) Aufziehen des Schwungrades SR mit bedarfsgesteuerter Aufzieh- zeitZAufziehdrehzahl.
Phase 5C (Schaltkupplung K zu) "Synchronisierter" schneller Impulsstart = Tiefkaltstart. Der Startablauf erfolgt drehzahlgesteuert und durchgängig mit folgenden Funktionen.
• Moment am Schwungrad SR allein oder am Schwungrad SR mit Brennkraftmaschine VM über Drehzahl messen.
• Kurbel welle/Nockenwelle-Dreh winkeldetektion
• 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 vorgenommen wird und dass danach mit der Restenergie des Schwungrades SR der Impulsstart durchgeführt wird.

Claims

10
Ansprüche
Start-/Antriebseinheit für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mit mindestens zwei Startmethoden, die eine Schaltkupplung zwischen der Kurbeiwelle, 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 Brennkraftmaschine (VM) von der elektrischen Maschine gedreht und dabei mittels der Drehzahl in einen Startsteuergerät (STG) die Startverhältnisse erfaßt, eine Entscheidung über die nachfolgenden Betriebsphasen (Direktstartphase, Positionierphase, Voreinspritzphase, Impulsstartphase) getroffen und deren Startparameter festgelegt werden.
Start-/Antriebseinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Maschine ein Startgenerator (S/G) verwendet ist.
Star Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, 1 1
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 Drehzahlverlaufes, 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 Direktstartphase übergegangen wird.
8. Start-/Antriebseinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, 12
dass bei einem Schleppmoment, das für die Impulsstartphase nicht ausreicht, vor der Impulsstartphase eine Trockenimpulsstartphase (ohne Zündung und Einspritzung) eingeführt ist, in der mittels eines Motorsteuergerätes (MSG) die Synchronisation und gegebenenfalls eine Voreinspritzung vornehmbar ist.
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