EP1046811A1 - Elektrische Antriebsanordnung für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen - Google Patents

Elektrische Antriebsanordnung für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen Download PDF

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EP1046811A1
EP1046811A1 EP00103675A EP00103675A EP1046811A1 EP 1046811 A1 EP1046811 A1 EP 1046811A1 EP 00103675 A EP00103675 A EP 00103675A EP 00103675 A EP00103675 A EP 00103675A EP 1046811 A1 EP1046811 A1 EP 1046811A1
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EP
European Patent Office
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generator
internal combustion
combustion engine
motor
drive arrangement
Prior art date
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Application number
EP00103675A
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English (en)
French (fr)
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EP1046811B1 (de
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Roland Dr. Blümel
Hermann Bosch
Anton Heni
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1046811B1 publication Critical patent/EP1046811B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N11/00—Starting of engines by means of electric motors
    • F02N11/006—Starting of engines by means of electric motors using a plurality of electric motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N11/00—Starting of engines by means of electric motors
    • F02N11/04—Starting of engines by means of electric motors the motors being associated with current generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N19/00—Starting aids for combustion engines, not otherwise provided for
    • F02N19/005—Aiding engine start by starting from a predetermined position, e.g. pre-positioning or reverse rotation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N19/00—Starting aids for combustion engines, not otherwise provided for
    • F02N19/005—Aiding engine start by starting from a predetermined position, e.g. pre-positioning or reverse rotation
    • F02N2019/008—Aiding engine start by starting from a predetermined position, e.g. pre-positioning or reverse rotation the engine being stopped in a particular position

Definitions

  • the invention relates to an electric drive arrangement for Internal combustion engines in motor vehicles, with one to the internal combustion engine connectable electric starter and one in Drive connection with the internal combustion engine standing electrical Generator.
  • the drive arrangement according to the invention has in particular the Advantage that the drive torques in combined operation of generator and starter effectively overlay, since the active Generator with its torque just where the starter starts to wear off.
  • the crankshaft of the internal combustion engine it goes far beyond those with one today Starter achievable speed accelerated very quickly, so that even at low temperatures a faster and safer Start is guaranteed.
  • the task is therefore divided on a cold start between conventional starters (overcoming the Breakaway torque) and the generator (increase of the starting torque) in the area of higher crankshaft speeds).
  • An oversize of the generator including power electronics and a unwanted intervention in the drive train can be avoided which today is optimized in terms of cost and size Starter can be used almost unchanged.
  • the Solution according to the invention thus represents a cost optimum in Solution to the task at hand.
  • the starting process can only be done with the Generator take place, which then makes it particularly quiet and comfortable start is made possible.
  • at least one temperature sensor decides the electronic one Control device in an advantageous manner as the Start process should be carried out.
  • the semiconductor circuit is advantageous for the motor Operation of the as an AC or three-phase generator trained generator as an inverter and for the generator Operation as a rectifier switchable, so that a single Semiconductor circuit used for both modes can be achieved with a corresponding improvement in efficiency active rectification in generator mode.
  • the decision as to whether the starting process is solely by means of the motor operated generator or by means of this generator in In combination with the starter, the electronic one Control device in an optimal manner depending on the Engine oil temperature and / or the outside temperature and / or the shutdown time the internal combustion engine.
  • the generator and the starter overlapping at the same time or in succession or cannot be switched on overlapping.
  • the electronic control device can also be advantageous Way to set a defined angular position of the crankshaft the engine when turning it off with the help of the motor-driven generator. For this is the generator, for example, as a full four-quadrant positioning drive educated.
  • the next startup can be done from a defined starting position, which significantly accelerates the starting process and pollutant emissions is significantly reduced.
  • one the previously common sensors either the OT sensor or the camshaft sensor can be saved. Very cheap are resources for consumption and low pollutant emissions to activate ignition and / or injection at Starting process of the internal combustion engine only at speeds close to the starting speed, for example at 80% of the starting speed.
  • the electronic control device can advantageously also to support deceleration processes of the internal combustion engine by switching on the generator Generators and / or to support acceleration processes the internal combustion engine by switching on the motor operated generator are used.
  • the motor operation of the generator with the internal combustion engine running be used to support driving dynamics, i.e. as supportive intervention of the active generator in all Start-up processes of the internal combustion engine.
  • rotational energy of the internal combustion engine with a generator operated generator are recovered, especially in Thrust and brake operation, so that the generator additionally supports the desired deceleration process. this happens expediently depending on the speed of the internal combustion engine.
  • the active generator can also be used advantageously when changing gears in manual transmissions with for the synchronization of engine and Gear speeds are used.
  • the energy which implemented in the synchronizer rings of the transmission for speed adjustment can be recovered by the generator with faster gear changes, which, with the appropriate design, even synchronizer rings and one Can make the clutch unnecessary.
  • With a pending gear change the engine is controlled with the help of the generator that no moment is transmitted in the drive train. Then you can remove the respective gear. Then there is another Speed adjustment using an electronic accelerator pedal or with the help of an electronic throttle and electronic Support.
  • the new gear can be without Insert shift shock.
  • FIG. 1 is one schematically illustrated internal combustion engine 10 one in the rest Motor vehicle, not shown, with a starter 11 and an electric generator 12 (alternator), wherein the electrical generator 12 in a manner not shown coupled to internal combustion engine 10 via a belt drive is.
  • the starter 11 is direct and the electric generator 12 via a semiconductor circuit arrangement 13 with a supply battery 14 connected.
  • An electronic control device 15 controls the starter 11 and the semiconductor circuit arrangement 13 as a function of Sensor signals and starter control signals that the control device 15 by means of a starter switch 16, which is in the ignition lock integrated and / or designed as a separate starter switch can be.
  • the control device 15 sensor signals of an outside temperature sensor 17, an oil temperature sensor 18 and an intake manifold pressure sensor 19 fed.
  • the control device 15 can, however
  • sensor signals can also be supplied on the battery state of charge, on the battery voltage, on the battery and vehicle electrical system current, on the engine speed, on pedal positions or parameter switches are dependent.
  • the semiconductor circuit arrangement 13 receives from the control device 15 depending on the operating state control signals for a motor (active) or generator operation of the generator 12.
  • the semiconductor switch arrangement is used for generator operation 13 switched as a rectifier or rectifier bridge, while for motor operation as an inverter for those trained as AC or three-phase generators Generator 12 is switched.
  • the starter 11 and the generator 12 work together the starting process of the internal combustion engine 10.
  • the torques and mechanical power of the starter 11 and generator 12 shown on the crankshaft wherein the solid lines the torques and the dashed lines Lines the outputs depending on the crankshaft speed represent.
  • This illustration shows that initially high starter torque quickly and steadily with increasing Speed drops to vanishingly low values and the initially increasing output also below 300 RPM drops to a value of essentially zero.
  • the torque of the generator 12 is constant and the performance increases essentially linearly.
  • the diagram thus shows that the active generator with its torque straight starts where the starter's starts to wear off. The superposition of both drive torques is on the crankshaft effective and speeds it up far more than today speed achievable by a starter.
  • the cold start and the warm start are in the control device 15 as an algorithm depending on the corresponding sensor signals.
  • the cold start be that the engine oil temperature and the outside temperature are below a predeterminable value and / or that the shutdown time larger than one since the last operation of the internal combustion engine predeterminable time interval is.
  • Warm start defined, which means at engine oil temperatures and outside temperatures above definable values and / or in the case of downtime is less than a predeterminable time interval.
  • Two different starting methods can be used for the cold start can be realized, with the one starting procedure the motor-operated generator works in parallel to the starter 11. The starter is then deactivated at a certain speed, and the motor-driven generator accelerates the crankshaft continues to the starting speed.
  • starter 11 is first switched on and only after reaching a certain speed this deactivates and the motor-driven generator is activated.
  • a speed value which corresponds to 80% of the starting speed, for example, no injection and no ignition, so that the internal combustion engine 10 only starts at this point, which then very quickly he follows.
  • This is done by means of an electronic, not shown Motor control, which is in operative connection with the electronic Control device 15 can stand. This delayed Ignition and injection start accordingly even when starting alone by the generator 12.
  • Usual starters 11 have a total gear ratio of approx. 60: 1 resulting from the translation of starter pinion to crankshaft and results from the transmission ratio. In the case of the invention Arrangement can significantly reduce this translation can be omitted, for example that there is a total translation of 15: 1.
  • the electronic control device 15 even with the engine 10 running Control generator 12 for example to support driving dynamics.
  • the Internal combustion engine 10, the motor-driven generator 12 support these acceleration processes.
  • the electronic control device 15 can he also supports deceleration processes in generator mode, i.e., it becomes regenerative in overrun and braking operation operated, so that not only depending on the driving situation electrical energy is recovered, but also the deceleration process is actively supported.
  • the electronic control device 15 switching operations when changing the gear of the internal combustion engine 10 actively support and to synchronize engine and Gear speeds are used.
  • the motor-operated generator 12 and for speed reduction the generator 12 operated as a generator become. This leads to faster gear changes, which results in under Circumstances even a clutch can be omitted.
  • the electronic control device 15 for prevention a belt slip of the drive belt for the generator 12 serve.
  • a measuring device, not shown Belt slip detection transmits its measurement signals to the electronic Control device 15 further, by means of the active Generator 12 additional moments causing the belt slip Belt-friendly coupling and uncoupling on the belt drive or compensated.
  • This measuring device for the detection of belt slip can also be part of the electronic control device 15 where the speeds of generator 12 and internal combustion engine 10 are compared with each other.
  • For belt slip detection can, for example, on the forward run and return run of the Drive belt each have a measuring roller articulated, the the expansion of the Detect drive belt.
  • the detection of the belt slip allows preventive belt diagnosis and an impending belt problem can inform the driver of a motor vehicle in good time be, for example by an optical and / or acoustic Warning device or a display.
  • the electronic control device 15 can also be used for positioning the crankshaft are used.
  • the generator is for this purpose, for example fully-fledged four-quadrant positioning drive.
  • the next starting process of the internal combustion engine can thereby take place from a defined starting position, whereby the Starting process is accelerated considerably.
  • the arrangement according to the invention is also suitable for control or influencing the outlet of the internal combustion engine 10.
  • Es is a problem that often undefined amounts of fuel after switching off the internal combustion engine 10 in the intake system and remain in the cylinders. The volatile parts of the fuel evaporate while doing so at the heavy flammable proportions is not the case. You worsen the exhaust gas when the internal combustion engine is started again. This will circumvented in one embodiment of the invention in that when Switching off the internal combustion engine 10, the fuel supply or Fuel injection is switched off.
  • the internal combustion engine 10 is then in generator mode by the generator 12 kept in rotation for a period of time, causing the internal combustion engine flushed and fuel residues that are also in the catalytic converter can be disposed of.
  • the engine control unit can restart the internal combustion engine or the control device 15 of an "empty" internal combustion engine run out, which facilitates a defined start.
  • the Internal combustion engine 10 After flushing and disposing of the fuel residues, the Internal combustion engine 10 is defined with the aid of generator 12 regenerative operation are braked to a standstill, because a long post-run phase is undesirable.
  • Another application of the drive arrangement according to the invention consists of start-stop processes of the internal combustion engine 10, to improve at traffic lights, for example.
  • the chances for one Realization improve especially when the start of the Internal combustion engine or the motor vehicle in each case without delay he follows. Even the slightest delays occur subjectively extremely disturbing.
  • the start then also takes place without Actuation of a clutch by "electrical" starting what is possible without any delay. This can be taken for granted also take place with the internal combustion engine disengaged.
  • the purely electrical start-up takes place in motor operation of the generator 12 with any support from the Starter 11, especially when the engine is cold or very low temperatures. Coupling or starting the Internal combustion engine 10 can then be delayed somewhat, in particular also take place in pulses. Because when starting the Internal combustion engine the vehicle is already in motion, becomes the kinetic energy of the entire vehicle and not only individual drive train parts for starting the internal combustion engine shared, so that a safe start is guaranteed.
  • Such a start-stop system preferably works in conjunction with a road condition detection system, such as an electronic one Stabilization system or anti-slip control system.

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Abstract

Es wird eine elektrische Antriebsanordnung für Brennkraftmaschinen (10) in Kraftfahrzeugen vorgeschlagen, mit einem an die Brennkraftmaschine (10) ankoppelbaren elektrischen Anlasser (11) und einem in Antriebsverbindung mit der Brennkraftmaschine (10) stehenden elektrischen Generator (12), der über eine Halbleiterschaltungsanordnung (13) mit einer Versorgungsbatterie (14) verbunden ist, wobei der Generator (12) mittels der Halbleiterschaltungsanrodnung (13) wahlweise generatorisch oder motorisch betreibbar ist. Eine elektronische Steuereinrichtung (15) dient zur Steuerung des Startvorgangs der Brennkraftmaschine (10), wobei dieser Startvorgang in Abhängigkeit des Signals wenigstens eines Temperatursensors (16, 17) mit Hilfe des motorisch betriebenen Generators (12) allein oder zusammen mit dem Anlasser (11) erfolgt. Hierdurch lassen sich schnellere und komfortablere Anlaßvorgänge bei geringeren Schadstoffemissionen erreichen, die auch noch bei sehr tiefen Temperaturen sicher durchführbar sind. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsanordnung für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen, mit einem an die Brennkraftmaschine ankuppelbaren elektrischen Anlasser und einem in Antriebsverbindung mit der Brennkraftmaschine stehenden elektrischen Generator.
Das Starten von Brennkraftmaschinen in Straßenfahrzeugen geschieht seit Jahrzehnten mittels eines elektrischen Anlassers, welcher nur während der Startphase über sein Anlasserritzel und den Zahnkranz auf dem Schwungrad mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine mechanisch verbunden ist. Alle Anlassermotoren haben heute die Drehmomentcharakteristik einer Hauptschlußmaschine, welche im wesentlichen durch ein mit steigender Drehzahl stetig auf Null abfallendes Abgabemoment gekennzeichnet ist, beginnend mit dem maximal möglichen Drehmoment bei Stillstand. Diese Charakteristik führt beim Startvorgang zum Drehmomentengleichgewicht zwischen Startermoment und Schleppmoment der Brennkraftmaschine bei Kurbelwellendrehzahlen zwischen 80 und 200 U/min, welche nach bisher gültigen Anforderungen zum Starten ausreichen. Um diese Anlassermotoren möglichst klein, leicht und billig zu realisieren, werden nach bisherigen Anforderungen Gleichstrommaschinen in Reihenschlußbauweise oder mit permanentmagnetischer Erregung und einer möglichst großen mechanischen Übersetzung zur Kurbelwelle verwendet. Die Gesamtübersetzung von Vorgelege im Anlasser sowie Übersetzung vom Starterritzel zur Kurbelwelle beträgt ca. 60:1. Diese hohe Übersetzung macht eine Einrückvorrichtung erforderlich, welche nur bei Betätigung des Starters eine antreibende Verbindung zur Kurbelwelle herstellt und damit den Anlassermotor für Extremdrehzahlen schützt.
Zukünftige Abgasvorschriften lassen erwarten, daß die beschriebene Auslegung einer Startanlage nicht mehr ausreicht. Die Vorgabe der bisherigen Mindeststartdrehzahlen an der Kurbelwelle bedingen hohe Schadstoffemissionen beim heutigen Startvorgang, und es ist bekannt, daß eine Anhebung der Startdrehzahl auf Werte im Bereich der Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine erhebliches Verbesserungspotential in diesem Punkt besitzt.
Ein weiterer Nachteil der heutigen Startanlagen besteht darin, daß bedingt durch die hohe Übersetzung des Anlassers zur Kurbelwelle und das notwendige Ein- und Ausrücken des Starterritzels Anlaßvorgänge relativ lang dauern und relativ laut sind. Dies wird von den Kunden immer weniger akzeptiert zumal zukünftige Betriebskonzepte der Fahrzeuge zur Einhaltung von Flottenverbrauchszielen wesentlich mehr Anlaßvorgänge nötig machen werden. Hierbei ergeben sich Probleme mit der Lebensdauer heutiger Startanlagen.
Aus der EP 0 793 013 A1 ist es bekannt, den Startvorgang durch einen riemengetriebenen Generator (Lichtmaschine) anstelle mit Hilfe eines konventionellen Starters durchzuführen. Probleme ergeben sich bei sehr niedrigen Temperaturen, da das Höchstdrehmoment einer solchen Anordnung nicht mehr ausreicht, den Motor dann sicher zu starten. Die Nutzung ist daher allenfalls auf Brennkraftmaschinen mit kleinen Hubräumen beschränkt. Würde man eine Auslegung für große Brennkraftmaschinen durchführen, die auch noch bei niedrigen Temperaturen sicher arbeitet, so würde dies zu nicht akzeptablen großen, schweren und teuren Generatoren führen.
Aus der EP 0 406 182 B1 wird versucht, dieses Problem dadurch zu lösen, daß mittels einer Boost-Schaltung zum Starten eine höhere Spannung erzeugt werden kann, welche im motorisch betriebenen Generator kurzzeitig höhere Ströme bewirkt und damit das Moment steigert. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, daß der Riementrieb bei tiefen Temperaturen an Haftung verliert und zum Durchrutschen neigt. Außerdem stört die Aufladezeit des Startspeichers, wodurch kurz nacheinander erfolgende Startvorgänge nicht möglich sind. Weiterhin ist die Lebensdauer einer solchen Anordnung für die viele Startvorgänge erforderlich machenden zukünftigen Konzepte unzureichend.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine elektrische Antriebsanordnung für Brennkraftmaschinen zu schaffen, durch die auf kostengünstige Weise ein schnellerer und komfortablerer Anlaßvorgang möglich ist, der auch noch bei tiefen Temperaturen sicher erfolgt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Antriebsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung hat insbesondere den Vorteil, daß sich bei kombiniertem Betrieb die Antriebsmomente von Generator und Anlasser wirkungsvoll überlagern, da der aktive Generator mit seinem Drehmoment gerade dort einsetzt, wo der Anlasser nachzulassen beginnt. Die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine wird dadurch weit über die heutzutage mit einem Starter erzielbare Drehzahl hinaus sehr schnell beschleunigt, so daß auch bei tiefen Temperaturen ein schneller und sicherer Start gewährleistet ist. Beim Kaltstart erfolgt daher eine Aufgabenteilung zwischen konventionellen Anlasser (Überwindung des Losbrechmoments) und dem Generator (Erhöhung des Andreh-Drehmoments im Bereich höherer Kurbelwellendrehzahlen). Eine Überdimensionierung des Generators samt Leistungselektronik sowie ein unerwünschter Eingriff in den Triebstrang kann vermieden werden, wobei der heutzutage im Hinblick auf Kosten und Größe optimierte Anlasser nahezu unverändert verwendet werden kann. Die erfindungsgemäße Lösung stellt somit ein Kostenoptimum bei der Lösung der gestellten Aufgabe dar. Bei höheren Außentemperaturen und/oder warmer Motor kann der Startvorgang allein mit dem Generator erfolgen, wodurch dann ein besonders geräuscharmer und komfortabler Start ermöglicht wird. In Abhängigkeit des Signals wenigstens eines Temperatursensors entscheidet die elektronische Steuereinrichtung in vorteilhafter Weise, wie der Startvorgang durchgeführt werden soll.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Antriebsanordnung möglich.
Die Halbleiterschaltung ist in vorteilhafter Weise für den motorischen Betrieb des als Wechselstrom- oder Drehstromgenerator ausgebildeten Generators als Wechselrichter und für den generatorischen Betrieb als Gleichrichter schaltbar, so daß eine einzige Halbleiterschaltung für beide Betriebsarten eingesetzt werden kann mit entsprechender Wirkungsgradverbesserung durch aktive Gleichrichtung im Generatorbetrieb.
Die Entscheidung, ob der Startvorgang allein mittels des motorisch betriebenen Generators oder mittels dieses Generators in Kombination mit dem Anlasser erfolgen soll, trifft die elektronische Steuereinrichtung in optimaler Weise in Abhängigkeit der Motoröltemperatur und/oder der Außentemperatur und/oder der Abstellzeit der Brennkraftmaschine. Zum Starten der Brennkraftmaschine bei niedriger Temperatur sind der Generator und der Anlasser gleichzeitig oder nacheinander zeitlich überlappend oder nicht überlappend einschaltbar. Diese Varianten können beispielsweise alternativ in Abhängigkeit bei jeweiligen Startparameter gewählt werden.
Die elektronische Steuereinrichtung kann auch in vorteilhafter Weise zur Einstellung einer definierten Winkellage der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine beim Abstellen derselben mit Hilfe des motorisch betriebenen Generators ausgebildet sein. Hierzu ist der Generator beispielsweise als vollwertiger Vier-Quadranten-Positionierantrieb ausgebildet. Der nächste Startvorgang kann dadurch aus einer definierten Anfangslage heraus erfolgen, wodurch der Startvorgang erheblich beschleunigt und die Schadstoffemission erheblich reduziert wird. Darüberhinaus kann einer der bisher üblichen Sensoren, entweder der OT-Sensor oder der Nockenwellen-Sensor eingespart werden. Besonders günstig für den Verbrauch und eine geringe Schadstoffemission sind Mittel zum Aktivieren von Zündung und/oder Einspritzung beim Startvorgang der Brennkraftmaschine erst bei Drehzahlen nahe der Startdrehzahl, beispielsweise bei 80% der Startdrehzahl.
In vorteilhafter Weise kann die elektronische Steuereinrichtung auch zur Unterstützung von Verzögerungsvorgängen der Brennkraftmaschine durch Einschalten des generatorisch betriebenen Generators und/oder zur Unterstützung von Beschleunigungsvorgängen der Brennkraftmaschine durch Einschalten des motorisch betriebenen Generators eingesetzt werden. Beispielsweise kann der motorische Betrieb des Generators bei laufender Brennkraftmaschine zur Fahrdynamikuntersützung genutzt werden, also als unterstützender Eingriff des aktiven Generators bei allen Hochlaufvorgängen der Brennkraftmaschine. Andererseits kann auch Rotationsenergie der Brennkraftmaschine bei generatorisch betriebenen Generator rückgewonnen werden, insbesondere im Schub- und Bremsbetrieb, so daß der Generator zusätzlich noch den gewünschten Verzögerungsvorgang unterstützt. Dies erfolgt zweckmäßigerweise in Abhängigkeit der Drehzahl der Brennkraftmaschine.
Der aktive Generator kann auch in vorteilhafter Weise bei Gangwechseln in Schaltgetrieben mit zur Synchronisierung von Motor- und Getriebedrehzahlen eingesetzt werden. Die Energie, welche in den Synchronringen des Getriebes zur Drehzahlangleichung umgesetzt werden muß, kann durch den Generator wiedergewonnen werden, wobei sich zusätzlich schnellere Gangwechsel ergeben, die bei entsprechender Auslegung sogar Synchronringe und eine Kupplung entbehrlich machen können. Bei anstehendem Gangwechsel wird der Motor mit Unterstützung des Generators so gesteuert, daß im Triebstrang kein Moment übertragen wird. Dann läßt sich der jeweilige Gang herausnehmen. Danach erfolgt eine erneute Drehzahlangleichung mit Hilfe eines elektronischen Gaspedals bzw. mit Hilfe einer elektronischen Drosselklappe und elektronische Unterstützung. Wenn die Motordrehzahl auf die neue Getriebedrehzahl synchronisiert ist, läßt sich der neue Gang ohne Schaltstoß einlegen.
Weiterhin kann in vorteilhafter Weise auch durch Einschalten des generatorisch betriebenen Generators oder des motorisch betriebenen Generators ein zu großer Riemenschlupf beim (Durchrutschen) des Antriebsriemens zwischen Brennkraftmaschine und Generator verhindert werden. Zusätzliche Momente am Riementrieb können dadurch riemenfreundlich ein- und ausgekoppelt werden bzw. kompensiert werden, so daß sich die Lebensdauer des Antriebsriemens erhöht und Defekte weitgehend verhindert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1
eine schematische Darstellung einer mit einem Anlasser und einem elektrischen Generator versehenen Brennkraftmaschine und
Figur 2
ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 10 eines im übrigen nicht dargestellten Kraftfahrzeugs mit einem Anlasser 11 und einem elektrischen Generator 12 (Lichtmaschine) versehen, wobei der elektrische Generator 12 in nicht näher dargestellter Weise über einen Riemenantrieb mit der Brennkraftmaschine 10 gekoppelt ist.
Der Anlasser 11 ist direkt und der elektrische Generator 12 über eine Halbleiterschaltungsanordnung 13 mit einer Versorgungsbatterie 14 verbunden.
Eine elektronische Steuereinrichtung 15 steuert den Anlasser 11 und die Halbleiterschaltungsanordnung 13 in Abhängigkeit von Sensorsignalen und Anlaßsteuersignalen, die die Steuereinrichtung 15 mittels eines Anlasserschalters 16 erhält, der im Zündschloß integriert und/oder als separater Anlasserschalter ausgebildet sein kann. Im Ausführungsbeispiel werden der Steuereinrichtung 15 Sensorsignale eines Außentemperatursensors 17, eines Öltemperatursensors 18 und eines Saugrohrdrucksensors 19 zugeführt. Zusätzlich können der Steuereinrichtung 15 jedoch beispielsweise auch noch Sensorsignale zugeführt werden, die vom Batterieladezustand, von der Batteriespannung, vom Batterie- und Bordnetzstrom, von der Motordrehzahl, von Pedalstellungen oder Parameterschaltern abhängig sind.
Die Halbleiterschaltungsanordnung 13 erhält von der Steuereinrichtung 15 je nach Betriebszustand Steuersignale für einen motorischen (aktiven) oder generatorischen Betrieb des Generators 12. Für den generatorischen Betrieb wird die Halbleiterschalteranordnung 13 als Gleichrichter bzw. Gleichrichterbrücke geschaltet, während sie für den motorischen Betrieb als Wechselrichter für den als Wechselstrom- oder Drehstromgenerator ausgebildeten Generator 12 geschaltet wird.
Auf ein Anlaßsignal durch den Anlasserschalter 16 hin aktiviert die elektronische Steuereinrichtung 15 den Anlasser 11 und schaltet die Halbleiterschaltungsanordnung 13 als Wechselrichter. Dadurch bewirken der Anlasser 11 und der Generator 12 gemeinsam den Anlaßvorgang der Brennkraftmaschine 10. In der Figur 2 sind die Drehmomente und die mechanische Leistung von Anlasser 11 und Generator 12 an der Kurbelwelle dargestellt, wobei die durchgezogenen Linien die Drehmomente und die gestrichelten Linien die Leistungen in Abhängigkeit der Kurbelwellendrehzahl darstellen. Diese Darstellung zeigt, daß das anfänglich hohe Drehmoment des Anlassers schnell und stetig bei steigender Drehzahl auf verschwindend geringe Werte absinkt und die zunächst ansteigende Leistung ebenfalls noch unterhalb von 300 U/min auf einen Wert von im wesentlichen Null abfällt. Im Gegensatz dazu ist das Drehmoment des Generators 12 konstant und die Leistung steigt im wesentlichen linear an. Das Diagramm zeigt somit, daß der aktive Generator mit seinem Drehmoment gerade dort einsetzt, wo das des Anlassers nachzulassen beginnt. Die Überlagerung beider Antriebsmomente wird auf der Kurbelwelle wirksam und beschleunigt diese weit über die heutzutage mit einem Anlasser erzielbare Drehzahl hinaus.
Dieser kombinierte Betrieb ist vor allem beim Kaltstart und tiefen Außentemperaturen erforderlich, da der konventionelle Anlasser 11 ein anfänglich sehr hohes Antriebsmoment besitzt, das auch noch bei niedrigen Temperaturen wirksam ist.
Bei warmer Brennkraftmaschine 10 oder hohen Außentemperaturen wird für den Startvorgang nur der elektrische Generator 12 benötigt, so daß lediglich die Halbleiterschaltungsanordnung 13 entsprechend als Wechselrichter geschaltet wird.
Diese beiden unterschiedlichen Startabläufe, also der Kaltstart und der Warmstart sind in der Steuereinrichtung 15 als Algorithmus in Abhängigkeit von entsprechenden Sensorsignalen hinterlegt. Beispielsweise kann der Kaltstart dadurch definiert sein, daß die Motoröltemperatur und die Außentemperatur unterhalb einem vorgebbaren Wert liegt und/oder daß die Abstellzeit seit dem letzten Betrieb der Brennkraftmaschine größer als ein vorgebbarer Zeitintervall ist. Entsprechend umgekehrt wird der Warmstart definiert, der somit bei Motoröltemperaturen und Außentemperaturen oberhalb festlegbarer Werte und/oder bei Abstellzeiten kleiner als einem vorgebbaren Zeitintervall liegt. Diese Sensorgrößen können auch in einer bestimmten Funktion zueinander stehen.
Für den Kaltstart können noch zwei unterschiedliche Startverfahren realisiert werden, wobei beim einen Startverfahren der motorisch arbeitende Generator parallel zum Anlasser 11 arbeitet. Der Anlasser wird dann bei einer bestimmten Drehzahl deaktiviert, und der motorisch betriebene Generator beschleunigt die Kurbelwelle weiter auf die Startdrehzahl.
Bei der zweiten Variante wird zunächst der Anlasser 11 eingeschaltet und erst nach Erreichen einer bestimmten Drehzahl wird dieser deaktiviert und der motorisch betriebene Generator aktiviert. Zur Verbrauchsreduzierung und zur Verminderung schädlicher Abgase erfolgt bis zum Erreichen von einem Drehzahlwert, der beispielsweise 80% der Startdrehzahl entspricht, keine Einspritzung und keine Zündung, so daß die Brennkraftmaschine 10 erst zu diesem Zeitpunkt gestartet wird, was dann sehr schnell erfolgt. Dies erfolgt mittels einer nicht dargestellten elektronischen Motorsteuerung, die in Wirkverbindung mit der elektronischen Steuereinrichtung 15 stehen kann. Dieses verzögerte Einsetzen von Zündung und Einspritzung erfolgt entsprechend auch bei einem Startvorgang allein durch den Generator 12.
Übliche Anlasser 11 besitzen eine Gesamtübersetzung von ca. 60:1, die sich aus der Übersetzung von Starterritzel zur Kurbelwelle und aus der Vorgelegeübersetzung ergibt. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann diese Übersetzung deutlich reduziert werden, beispielsweise kann das Vorgelege entfallen, so daß sich eine Gesamtübersetzung von 15:1 ergibt.
Unabhängig vom Anlaßvorgang kann die elektronische Steuereinrichtung 15 auch noch bei laufender Brennkraftmaschine 10 den Generator 12 beispielsweise zur Fahrdynamikunterstützung steuern. Beispielsweise kann bei allen Beschleunigungsvorgängen der Brennkraftmaschine 10 der motorisch betriebene Generator 12 diese Beschleunigungsvorgänge unterstützen. Andererseits kann er im generatorischen Betrieb auch Verzögerungsvorgänge unterstützen, d.h., im Schubbetrieb und Bremsbetrieb wird er generatorisch betrieben, so daß nicht nur fahrsituationsabhängig elektrische Energie rückgewonnen wird, sondern auch der Verzögerungsvorgang aktiv unterstützt wird.
Weiterhin kann die elektronische Steuereinrichtung 15 Schaltvorgänge bei Gangwechseln des Getriebes der Brennkraftmaschine 10 aktiv unterstützen und zur Synchronisierung von Motor- und Getriebedrehzahlen eingesetzt werden. Zur Drehzahlerhöhung wird dabei der motorisch betriebene Generator 12 und zur Drehzahlreduzierung der generatorisch betriebene Generator 12 eingesetzt werden. Dies führt zu schnelleren Gangwechseln, wodurch unter Umständen sogar eine Kupplung entfallen kann.
Weiterhin kann die elektronische Steuereinrichtung 15 zur Verhinderung eines Riemenschlupfes des Antriebsriemens für den Generator 12 dienen. Eine nicht dargestellte Meßeinrichtung zur Erkennung des Riemenschlupfes gibt ihre Meßsignale an die elektronische Steuereinrichtung 15 weiter, die mittels des aktiven Generators 12 den Riemenschlupf verursachende zusätzliche Momente am Riementrieb riemenfreundlich ein- und auskuppelt bzw. kompensiert. Diese Meßeinrichtung zur Erkennung des Riemenschlupfes kann auch Teil der elektronischen Steuereinrichtung 15 sein, wo Drehzahlen von Generator 12 und Brennkraftmaschine 10 miteinander verglichen werden. Zur Riemenschlupferkennung kann beispielsweise am Vorlauftrum und Rücklauftrum des Antriebsriemens je eine Meßrolle federnd angelenkt sein, die die aufgrund unterschiedlicher Momente erfolgende Dehnung des Antriebsriemens erfassen. Die Erkennung des Riemenschlupfes erlaubt eine präventive Riemendiagnose, und ein drohendes Riemenproblem kann dem Fahrer eines Kraftfahrzeugs frühzeitig mitgeteilt werden, beispielsweise durch eine optische- und/oder akustische Warneinrichtung oder ein Display.
Die elektronische Steuereinrichtung 15 kann weiterhin zur Positionierung der Kurbelwelle eingesetzt werden. Beim Abstellen der Brennkraftmaschine wird der Kurbelwelle durch den motorisch betriebenen Generator 12 eine günstige wohldefinierte Ausgangslage aufgeprägt. Der Generator ist hierzu beispielsweise als vollwertiger Vier-Quadranten-Positionierantrieb ausgebildet. Der nächste Startvorgang der Brennkraftmaschine kann dadurch aus einer definierten Anfangslage heraus erfolgen, wodurch der Startvorgang erheblich beschleunigt wird.
Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich auch zur Steuerung bzw. Beeinflussung des Auslaufs der Brennkraftmaschine 10. Es stellt ein Problem dar, daß oft undefinierte Mengen an Kraftstoff nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine 10 im Ansaugsystem und in den Zylindern verbleiben. Die leicht flüchtigen Anteile des Kraftstoffes verdunsten, während dies bei den schwer entflammbaren Anteilen nicht der Fall ist. Sie verschlechtern das Abgas beim erneuten Start der Brennkraftmaschine. Dies wird in einer Ausgestaltung der Erfindung dadurch umgangen, daß beim Abstellen der Brennkraftmaschine 10 die Kraftstoffzufuhr bzw. Kraftstoffeinspritzung abgeschaltet wird. Die Brennkraftmaschine 10 wird dann durch den Generator 12 im motorischen Betrieb für eine gewisse Zeit in Rotation gehalten, wodurch die Brennkraftmaschine gespült und Kraftstoffreste, die sich auch im Katalysator befinden können, unschädlich entsorgt werden. Bei einem erneuten Start der Brennkraftmaschine kann das Motorsteuergerät bzw. die Steuereinrichtung 15 von einer "leeren" Brennkraftmaschine ausgehen, was einen definierten Start erleichtert.
Nach dem Spülen und der Entsorgung der Kraftstoffreste kann die Brennkraftmaschine 10 definiert mit Hilfe des Generators 12 bei generatorischem Betrieb bis zum Stillstand abgebremst werden, da eine lange Nachlaufphase unerwünscht ist.
Eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung besteht darin, Start-Stop-Vorgänge der Brennkraftmaschine 10, beispielsweise an Ampeln zu verbessern. Die Chancen für eine Realisierung verbessern sich vor allem dann, wenn der Start der Brennkraftmaschine bzw. des Kraftfahrzeugs jeweils ohne Verzögerung erfolgt. Bereits geringste Verzögerungen machen sich hier vor allem subjektiv äußerst störend bemerkbar. Mit Hilfe der elektronischen Steuereinrichtung 15 ist es in Verbindung mit dem Generator 12 möglich, ohne Auskupplung der Brennkraftmaschine das Fahrzeug anzuhalten. Eventuell sonst vorhandene Drehmomentstöße können durch den Generator komfortabel ausgeglichen werden. Der Start erfolgt dann ebenfalls wieder ohne Betätigung einer Kupplung durch "elektrisches" Anfahren, was gänzlich ohne zeitlichen Verzug möglich ist. Dies kann selbstverständlich auch bei ausgekuppelter Brennkraftmaschine erfolgen. Das rein elektrische Anfahren erfolgt im motorischen Betrieb des Generators 12 bei eventueller Unterstützung durch den Anlasser 11, insbesondere bei kalter Brennkraftmaschine oder sehr tiefen Temperaturen. Das Zukuppeln bzw. Anlassen der Brennkraftmaschine 10 kann dann zeitlich etwas verzögert, insbesondere auch impulsförmig erfolgen. Da sich beim Anlassen der Brennkraftmaschine das Fahrzeug dann bereits in Bewegung befindet, wird die Bewegungsenergie des gesamten Fahrzeugs und nicht nur einzelner Triebstrangteile zum Anlassen der Brennkraftmaschine mitgenutzt, so daß ein sicherer Start gewährleistet ist.
Ein solches Start-Stop-System funktioniert bevorzugt in Verbindung mit einem Straßenzustandserkennungssystem, wie einem elektronischen Stabilisierungssystem oder Antischlupfregelungsystem.

Claims (16)

  1. Elektrische Antriebsanordnung für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen, mit einem an die Brennkraftmaschine (10) ankoppelbaren elektrischen Anlasser (11) und einem in Antriebsverbindung mit der Brennkraftmaschine (10) stehenden elektrischen Generator (12), der über eine Halbleiterschaltungsanordnung (13) mit einer Versorgungsbatterie (14) verbunden ist, wobei der Generator (12) mittels der Halbleiterschaltungsanordnung (13) wahlweise generatorisch oder motorisch betreibbar ist, und mit einer elektronischen Steuereinrichtung (15) zur Steuerung des Startvorgangs der Brennkraftmaschine (10), der in Abhängigkeit des Signals wenigstens eines Temperatursensors (17, 18) mit Hilfe des motorisch betriebenen Generators (12) allein oder zusammen mit dem Anlasser (11) erfolgt.
  2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltungsanordnung (13) für den motorischen Betrieb des als Wechselstrom- oder Drehstromgenerator ausgebildeten Generators (12) als Wechselrichter und für den generatorischen Betrieb als Gleichrichter schaltbar ist.
  3. Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Startvorgang in Abhängigkeit der Motoröltemperatur und/oder der Außentemperatur und/oder der Abstellzeit der Brennkraftmaschine (10) steuerbar ist.
  4. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinrichtung (15) zum Starten der Brennkraftmaschine (10) bei niedrigen Temperaturen mittels des Generators (12) und des Anlassers (11) und bei höheren Temperaturen mittels des Generators (12) allein ausgebildet ist.
  5. Antriebsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Starten der Brennkraftmaschine (10) bei niedrigeren Temperaturen (Kaltstart) der Generator (12) und der Anlasser (11) gleichzeitig oder nacheinander zeitlich überlappend oder nicht überlappend einschaltbar sind.
  6. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinrichtung (15) zur Einstellung einer definierten Winkellage der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine (10) beim Abstellen derselben mit Hilfe des motorisch betriebenen Generators (12) ausgebildet ist.
  7. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Aktivieren von Zündung und/oder Einspritzung beim Startvorgang der Brennkraftmaschine erst bei Drehzahlen nahe der Startdrehzahl vorgesehen sind.
  8. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinrichtung (15) zur Unterstützung von Verzögerungsvorgängen der Brennkraftmaschine (10) durch Einschalten des generatorisch betriebenen Generators (12) und/oder zur Unterstützung von Beschleunigungsvorgängen der Brennkraftmaschine (10) durch Einschalten des motorisch betriebenen Generators (12) ausgebildet ist.
  9. Antriebsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschalten des generatorisch betriebenen Generators (12) in Abhängigkeit der Drehzahl der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, insbesondere oberhalb einer vorgebbaren Einschaltdrehzahl.
  10. Antriebsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschalten des generatorisch betriebenen und/oder des motorisch betriebenen Generators (12) zur Synchronisation von Motor- und Getriebedrehzahl bei Gangwechseln vorgesehen ist.
  11. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschalten des generatorisch betriebenen und/oder des motorisch betriebenen Generators zum Ausgleich von unterschiedlichen Momenten am Riementrieb des Generators (12) vorgesehen ist.
  12. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinrichtung (15) oder andere Mittel zum einschalten des motorisch betriebenen Generators (12) nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine (10) und Abschalten der Kraftstoffzufuhr ausgebildet sind, um die Brennkraftmaschine (10) während einer Nachbetriebsphase noch in Rotation zu halten, bis in der Brennkraftmaschine (10) und/oder in einem Katalysator noch enthaltene Kraftstoffreste im wesentlichen entfernt sind.
  13. Antriebsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Umschalten des Generators (12) nach der Nachbetriebsphase vom motorischen Betrieb auf den generatorischen Betrieb vorgesehen sind.
  14. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinrichtung (15) zur Steuerung des Startvorgangs der Brennkraftmaschine (10) bei im wesentlich gleichzeitigem Anfahren des Kraftfahrzeugs wenigstens mittels des motorisch betriebenen Generators (12) ausgebildet ist.
  15. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß beim rein elektronischen Anfahren des Kraftfahrzeugs wenigstens mittels des motorisch betriebenen Generators (12) das Zukuppeln der Brennkraftmaschine (10) verzögert, insbesondere impulsartig, erfolgt.
  16. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinrichtung (15) zur Steuerung des Anhaltevorgangs des Kraftfahrzeugs auch ohne Auskuppeln der Brennkraftmaschine (10) mittels des Generators (12) ausgebildet ist.
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