EP1221553A2 - Verfahren zur Steuerung von Startmoment und Startleistung einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Steuerung von Startmoment und Startleistung einer Verbrennungskraftmaschine Download PDF

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EP1221553A2
EP1221553A2 EP01126825A EP01126825A EP1221553A2 EP 1221553 A2 EP1221553 A2 EP 1221553A2 EP 01126825 A EP01126825 A EP 01126825A EP 01126825 A EP01126825 A EP 01126825A EP 1221553 A2 EP1221553 A2 EP 1221553A2
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EP
European Patent Office
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electrical
power
internal combustion
torque
starter generator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01126825A
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English (en)
French (fr)
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EP1221553A3 (de
Inventor
Manfred Ackermann
Beqir Pushkolli
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1221553A2 publication Critical patent/EP1221553A2/de
Publication of EP1221553A3 publication Critical patent/EP1221553A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02N11/08—Circuits specially adapted for starting of engines
    • F02N11/0859—Circuits specially adapted for starting of engines specially adapted to the type of the starter motor or integrated into it
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02N2300/10—Control related aspects of engine starting characterised by the control output, i.e. means or parameters used as a control output or target
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    • F02N2300/10—Control related aspects of engine starting characterised by the control output, i.e. means or parameters used as a control output or target
    • F02N2300/106—Control of starter current

Definitions

  • Start / stop systems for the automatic shutdown of internal combustion engines from EP 0 233 738 A1, DE 33 43 018 C1 and DE 44 21 512 C1. Even though Drive systems with automatic start / stop systems are suitable for everyday use have proven, they still have some disadvantages. Also includes the loud starter noise, mainly from the gear noise of the pinion ratio of the high-ratio starter motor comes from (pinion-tooth cross gear ratio 1: 9 to 1:15, reduction ratio 1: 3 to 1: 6, total ratio 1:30 to 1:60). by virtue of the starter actuation for the internal combustion engine that frequently occurs in city traffic there is increased noise pollution for the vehicle occupants and residents of traffic light and intersection areas in the inner-city area.
  • FR-A-2563280 can be found in a drive system for a motor vehicle Do not stop the internal combustion engine during drive breaks, but rather with the help of a continue to crank the electrical machine in order to continue with mechanical To supply drive energy.
  • the electrical machine according to this solution serves also as a starter for the internal combustion engine.
  • US-A-4,797,602 discloses a starter / generator which is associated with a Start / stop control works.
  • the starter / generator is opposite the internal combustion engine translated in a ratio of 4: 1.
  • the starter / generator runs on one opposite a vehicle electrical system increased voltage, being an energy store at the increased voltage level is provided.
  • EP 0 847 494 B1 relates to a drive system, in particular for a motor vehicle as well as an operating procedure.
  • the proposed drive system comprises an internal combustion engine as a drive unit, also one directly with the drive shaft of the drive unit Coupled or couplable electrical induction machine. This rotates with the same speed as the drive shaft and is designed so that it as a drive unit can start in one run from a standing start.
  • At least one inverter is provided the voltages required for the magnetic fields of the electrical machine and / or currents of variable frequency, amplitude and / or phase are generated.
  • the inverter has an intermediate circuit with an on-board electrical system of the motor vehicle increased voltage level, with an energy storage for Storage of electrical energy is provided.
  • a further energy store is also provided, from which energy is taken to start and which is one on the increased voltage level of the intermediate circuit electrical energy storage and / or by connecting them in parallel to one at the elevated voltage level lying intermediate circuit capacitor electrically connected to the intermediate circuit, electrically operated flywheel storage. Furthermore, an automatic Start / stop control is provided, in the framework of which the drive unit through the electrical Machine is started.
  • the advantage that can be achieved with the method proposed according to the invention lies primarily in the fact that, under the boundary conditions of achieving a safe start function on cold start and a fast, largely silent warm start, the required electrical power to be applied by the vehicle battery by up to 20% can be reduced.
  • the electrical machine used as a starter / generator which can be operated on an inverter or on a pulse inverter, is reached before a fictitious corner point, that is, the intersection of the characteristic curve for the mechanical power of the starter generator with the starting torque characteristic by limiting the phase current of the electrical machine.
  • the limitation ensures that the electrical power that is to be provided with the aid of the vehicle battery never exceeds the electrical power P el required at the stationary operating point.
  • the result is that the energy store can be optimally matched to the electrical power P el of the starter generator in its stationary operating point.
  • the timely curtailment of the electrical machine at a curtailment point and the operation of the same on an electrical limit power curve determined as a function of the state parameters of a motor vehicle battery prevents the electrical machine serving as a starter generator from being operated at a fictitious operating point at which a much higher electrical power P el is required is compared to the electrical power P el actually required in the stationary operating point of the electrical machine. Leaving the torque characteristic of the starter generator and operating it along the electrical limit power curve result in a reduction in the starting torque in a narrow speed range of the internal combustion engine. Above a speed of approx. 50 min -1 , the necessary starting torque is below the value at the stationary working point and always above the torque requirement, so that the starting function of the internal combustion engine is ensured even under cold start conditions.
  • the control / regulation of the power limitation of the electrical machine is carried out by that the maximum electrical battery power from a measurement of the battery terminal voltage in connection with limit value regulation of the phase current at the lower voltage limit is made.
  • the maximum electrical battery power received determines the course of the electrical limit power curve and the position of the cut-off point on the torque characteristic of the starter generator.
  • a claw pole machine is used as a starter generator, the phase current can be switched on this can be reduced when a certain speed is reached.
  • Another possibility The power limitation of a claw pole machine with pulse inverter is the angle (load angle) between phase voltage and phase current space vector from reaching it to influence a certain speed of the internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows a diagram in which the starting torque curves a conventional starter and a starter generator over the speed are juxtaposed.
  • the diagram according to FIG. 1 shows the starting torque curve 3 of a conventional one Starters, plotted against the speed 2.
  • the characteristic of the starting torque curve is 3 characterized by a linear curve 9 and shows a linear decrease in the starting torque with increasing speed 2.
  • the maximum power 8 of the conventional Starters coincides with the position of the working point 6 at which the load characteristic 5 an internal combustion engine intersects the characteristic curve 3 of the starting torque curve.
  • the load characteristic curve 5 represents the characteristic curve 3 of an internal combustion engine with 3 l displacement and 6 cylinders.
  • the working point 7 of the starter generator is defined by the point of intersection of its starting torque characteristic curve 4 with the load characteristic curve 5 of the internal combustion engine. Compared to the working point 5 of a conventional starter, the working point 7 of the starter generator is at a higher speed 2, since the significantly lower starting moment of inertia of the starter generator requires an increased mean speed 10. This makes it possible to achieve an increased maximum speed 10, which, like the value of the conventional starter, is above a minimum speed, so that the requirements for cold start capability are met.
  • the minimum speed 10 is in the range of about 80 min -1 .
  • working point 5 of the conventional starter there is an increased load torque 1 at working point 7 of the starter generator. This is caused by increased frictional moments and the speed change amplitude at a higher speed, at which increased wall heat losses and leakage losses occur on the internal combustion engine.
  • FIG. 2 shows the torque requirement for a starter generator as a function of Take the speed curve.
  • the diagram according to FIG. 2 illustrates the course 20 of the starting torque, which to be provided by the starter generator when starting the internal combustion engine is.
  • the starting torque to be generated by the starter generator must be one Frictional torque cover 22 torque components, which are made up of acceleration torques and Gas spring moments due to the different mixture filling levels of the individual Cylinder of an internal combustion engine originate.
  • these torque components can be subject to fluctuations, which are generated by the starting torque of the starter generator.
  • the smaller moment of inertia and the missing one Compensation of the compression moments by decompression moments differ from Top dead center in the bottom dead center moving piston of the cylinders to an increase of these moments.
  • high compression loss moments occur.
  • the courses of the loss moments 22, 23 and Compression losses 28 are dependent on the increasing speed 2 of the internal combustion engine played.
  • the torque components 22, 23 and the compression losses 28 of the internal combustion engine are dependent on the starting system of an internal combustion engine, be it an Otto engine or a diesel engine.
  • the moments 22, 23 and the compression losses 28 are also dependent on leakage or wall heat losses, which are on the cylinder / piston assemblies of the internal combustion engine to adjust.
  • a maximum 21 of the starting torque is set at a speed 2 of the internal combustion engine of approximately 50 min -1 . At this speed 2 there are already high compression pressures, on the other hand the compression losses take their maximum at maximum 21 of the torque 20 to be applied.
  • the course of the friction torque over the speed 2 is shown with reference number 22.
  • the friction torque is essentially proportional to the total stroke volume of the internal combustion engine.
  • the frictional torque of the diesel engine is inherent to the principle approx. 30% higher than comparable petrol engines, which is due to the diesel engine occurring higher compression pressure level and the more closely tolerated piston ring / cylinder wall fit place.
  • the course 20 of the starting torque to be applied by the starter generator results from the superposition of the torque components 22, 23 and the compression losses 28.
  • a characteristic torque requirement profile results, which is characterized by a maximum 21 at a speed 2 of approximately 50 min -1 and a relative minimum in the range between 120 and 180 min -1 .
  • a further criterion for the torque request according to the torque curve 20 according to FIG. 1 is the fact that the starting torque which is to be generated by the starter generator must be above the necessary quasi-stationary drag torque 27 at all times.
  • the starting torque is to be designed such that the "top dead center" speed required for the starting ability of an internal combustion engine can be achieved even under the most unfavorable conditions, ie during a cold start.
  • FIG 3 shows a design example of a crankshaft starter generator with minimized electrical power consumption.
  • the torque 20 to be applied can be obtained by superimposing the one described in FIG Determine moments 22, 23 and compression losses 28, whereby to take into account whether the internal combustion engine to be started is a gasoline engine or is a diesel engine; furthermore, when determining the torque request to the Starter generator the number of cylinders is critical.
  • the electrical limit power curve is drawn in with the reference symbol 30 in the representation of the diagram according to FIG. This can be determined from the maximum electrical battery power by measuring the battery terminal voltage in conjunction with limit value regulation of the phase current at the lower voltage limit of the electrical machine functioning as a starter generator.
  • the electrical limit power curve 30 intersects the characteristic curve of the starting torque curve 4 and the characteristic curve 27 of the drag torque.
  • the cut-off point which lies before the fictitious corner point 31, at which the starter-generator requires a higher electrical output. If the starter generator is controlled in the cut-off point 32 in accordance with the electrical limit curve 30, it reaches its stationary operating point 25, which in the design example shown in FIG.
  • the starter-generator receives the electrical power P el which can be made available according to the electrical limit power curve 30 and which never becomes greater than in the stationary operating point 25 of the starter-generator. This ensures that the energy store used in the motor vehicle is only to be designed for the electrical power consumption in the stationary operating point 25 of the starter generator and that there is no overdimensioning of the energy store. In the stationary operating point 25 it is ensured that the torque 4 to be applied by the starter generator is just above the curve of the drag torque identified by reference numeral 27. Thus, on the one hand, optimal operation of a starter generator within a starter system for an internal combustion engine is achieved with regard to the electrical power P el consumed and the starting torque to be output.
  • the starting torque effective at the stationary operating point 25 is only smaller than the starting torque in a very narrow speed range and is always above the torque requirement represented by curve 20 in a speed range of n> 50 min -1 , so that the starting function remains guaranteed.
  • an increased torque below the electrical limit power curve 30 can be set at low speeds in coordination with the thermal design of the inverter with which the machine serving as the starter generator is operated. This increased torque is available as a reserve in cold starts to ensure that the internal combustion engine starts safely even below the design temperatures (- 25 ° C).
  • the power limitation in the cut-off point 32 as follows can be realized.
  • the maximum specified target phase current in a claw pole machine can, for example, from a certain speed, that existing in the cut-off point 32 Speed 2 can be reduced.
  • a power limitation of the Claw pole machine can be realized in that the angle (load angle) between String voltage and string current space pointers from a certain speed 2 at the cut-off point 32 is influenced. The torque delivered by the claw pole machine is depending on this angle.
  • the electrical limit power curve 30 can also be under Determine influence of a power reserve so that the function of other parts and components remains guaranteed in the electrical system of a motor vehicle and is dependent on the power reserve measured for the loads on the vehicle electrical system is made available can.
  • the decisive factor is always to ensure the start function in cold start and the realization of a quick, silent warm start of the internal combustion engine with the starter generator optimized according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Optimierung des Startmomentes und zur Reduzierung der elektrischen Leistungsaufnahme eines Starter-Generators einer Verbrennungskraftmaschine. Der Starter-Generator ist als eine elektrische Maschine ausgebildet, die mit einem Wechselrichter oder einem Puls-Wechselrichter betrieben wird, wobei die elektrische Leistung Pel durch eine Fahrzeugbatterie bereitgestellt wird. Vor Erreichen eines fiktiven Eckpunktes (31) auf der Momentenkennlinie (4) des Starter-Generators wird der Phasenstrom der elektrischen Maschine begrenzt. Die elektrische Maschine wird ab Erreichen eines Abregelpunktes (32) entlang einer elektrischen Grenzleistungskurve (30) (P=const) derart gesteuert, daß die elektrische Leistung Pel derjenigen im stationären Arbeitspunkt (25) der elektrischen Maschine entspricht.

Description

Technisches Gebiet
An Kraftfahrzeugen eingesetzte Verbrennungsmotoren werden laufend hinsichtlich der Abgasemission und des Kraftstoffverbrauches optimiert. Eine Quelle vermeidbaren Kraftstoffverbrauches sowie vermeidbarer Abgas- und Geräuschemission stellt der Stadtverkehr dar. Im Stadtverkehr laufen Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen aufgrund häufigen Anhaltens an Ampeln und Kreuzungen einen nicht unerheblichen Teils ihrer Betriebszeit im Leerlauf. Dies stellt eine erhebliche Ressourcenverschwendung und Umweltbelastung dar, da es einen unnützen Mehrverbrauch an Kraftstoff und damit einhergehender Emission giftiger, klimarelevanter und schädlicher Abgase mit sich bringt. Um diesen unnötigen Leerlaufphasen abzuhelfen, sind Kraftfahrzeuge mit Start/Stop-Automatik ausgerüstet worden, wobei der Verbrennungsmotor bei Vorliegen bestimmter Stoppbedingungen abgestellt und bei Vorliegen bestimmter Startbedingungen elektrisch wieder angelassen wird. Mittels solcher Start/Stop-Systeme lassen sich die Leerlaufphasen von Verbrennungskraftmaschinen im Stadtverkehr erheblich reduzieren.
Stand der Technik
Start/Stop-Systeme zum automatischen Abstellen von Verbrennungskraftmaschinen sind aus EP 0 233 738 A1, DE 33 43 018 C1 sowie DE 44 21 512 C1 bekannt geworden. Obwohl Antriebssysteme mit Start/Stop-Automatik ihre grundsätzliche Alltagstauglichkeit unter Beweis gestellt haben, sind sie dennoch mit einigen Nachteilen behaftet. Dazu zählt das laute Startergeräusch, was hauptsächlich von den Getriebegeräuschen der Ritzelübersetzung des hochübersetzten Startermotors herrührt (Ritzel-Zahnkreuz-Übersetzung 1:9 bis 1:15, Vorgelege-Übersetzung 1:3 bis 1:6, Gesamt-Übersetzung 1:30 bis 1:60). Aufgrund der im Stadtverkehr häufig auftretenden Starterbetätigung für die Verbrennungskraftmaschine entsteht eine erhöhte Geräuschbelästigung für die Fahrzeuginsassen sowie der Anwohner von Ampeln- und Kreuzungsbereichen im innerstädtischen Bereich. Ferner unterliegen die Komponenten wie Magnetschalter, Ritzel, Einspurmittel sowie Elektromotor bei häufiger Betätigung im Stadtverkehr einem enormen Verschleiß. Um den Verschleiß zu begrenzen, werden bei bekannten Antriebssystemen überdimensionierte Anlasser eingesetzt, die viel Bauraum beanspruchen und aufgrund ihres hohen Eigengewichtes einen Teil der erzielten Kraftstoffeinsparung durch Abschalten der Verbrennungskraftmaschine wieder egalisieren.
FR-A-2563280 ist zu entnehmen, bei einem Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug dessen Verbrennungsmotor in Antriebspausen nicht stillzusetzen, sondern ihn mit Hilfe einer elektrischen Maschine weiter durchzudrehen, um Zusatzaggregate weiterhin mit mechanischer Antriebsenergie zu versorgen. Die elektrische Maschine gemäß dieser Lösung dient außerdem als Starter für den Verbrennungsmotor.
US-A-4,797,602 offenbart einen Starter/Generator, der im Zusammenhang mit einer Start/Stop-Steuerung arbeitet. Der Starter/Generator ist gegenüber dem Verbrennungsmotor im Verhältnis 4:1 übersetzt. Der Starter/Generator läuft auf einer gegenüber einem Fahrzeugbordnetz erhöhten Spannung, wobei ein Energiespeicher auf dem erhöhten Spannungsniveau vorgesehen ist.
EP 0 847 494 B1 bezieht sich auf ein Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug sowie auf ein Betriebsverfahren. Das vorgeschlagene Antriebssystem umfaßt einen Verbrennungsmotor als Antriebsaggregat, ferner eine direkt mit der Triebwelle des Antriebsaggregates gekoppelte oder koppelbare elektrische Drehfeldmaschine. Diese dreht mit der gleichen Drehzahl wie die Triebwelle und ist so ausgebildet, daß sie als Antriebsaggregat im Zusammenlauf aus dem Stand starten kann. Es ist wenigstens ein Wechselrichter vorgesehen, der die für die magnetischen Felder der elektrischen Maschine benötigten Spannungen und/oder Ströme variabler Frequenz, Amplitude und/oder Phase erzeugt. Der Wechselrichter weist einen Zwischenkreis mit einem gegenüber einem Bordnetz des Kraftfahrzeuges erhöhten Spannungsniveau auf, wobei in diesem Bordnetz ein Energiespeicher zum Speichern elektrischer Energie vorgesehen ist. Ferner ist ein weiterer Energiespeicher vorgesehen, dem zum Starten Energie entnommen wird und bei dem es sich um einen auf dem erhöhten Spannungsniveau des Zwischenkreises liegenden elektrischen Energiespeicher und/oder um einen durch Parallelschaltung zu einem auf dem erhöhten Spannungsniveau liegenden Zwischenkreiskondensator elektrisch mit dem Zwischenkreis verbundenen, elektrisch betriebenen Schwungradspeicher handelt. Ferner ist eine automatische Start/Stop-Steuerung vorgesehen, in deren Rahmen das Antriebsaggregat durch die elektrische Maschine gestartet wird.
Darstellung der Erfindung
Der mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erzielbare Vorteil liegt vor allem darin, daß unter den Randbedingungen, eine sichere Startfunktion bei Kaltstart und einen schnellen, weitestgehend geräuschlosen Warmstart zu erzielen, die benötigte elektrische Leistung, die von der Fahrzeugbatterie aufzubringen ist, um bis zum 20% reduziert werden kann. Die als Starter/Generator eingesetzte elektrische Maschine, die an einem Wechselrichter oder an einem Puls-Wechselrichter betrieben werden kann, wird vor Erreichen eines fiktiven Eckpunktes, d.h. dem Schnittpunkt der Kennlinie für die mechanische Leistung des Starter-Generators mit der Startmomentkennlinie durch Begrenzung des Phasenstromes der elektrischen Maschine abgeregelt. Durch die Abregelung wird erreicht, daß die elektrische Leistung, die mit Hilfe der Fahrzeugbatterie bereitzustellen ist, die am stationären Arbeitspunkt benötigte elektrische Leistung Pel zu keinem Zeitpunkt überschreitet. So wird erreicht, daß der Energiespeicher in optimaler Weise auf die elektrische Leistung Pel des Starter-Generators in dessen stationärem Arbeitspunkt abgestimmt werden kann.
Das rechtzeitige Abregeln der elektrischen Maschine an einem Abregelpunkt und das Betreiben derselben an einer abhängig von den Zustandsparametern einer Kraftfahrzeugbatterie ermittelten elektrischen Grenzleistungskurve verhindert ein Betreiben der als Starter-Generator dienenden elektrischen Maschine in einem fiktiven Arbeitspunkt, an welchem eine weit höhere elektrische Leistung Pel erforderlich ist, verglichen mit der im stationären Arbeitspunkt der elektrischen Maschine tatsächlich benötigten elektrischen Leistung Pel. Das Verlassen der Momentenkennlinie des Starter-Generators und dessen Betrieb entlang der elektrischen Grenzleistungskurve bewirken eine Verringerung des Startmomentes in einem schmalen Drehzahlbereich der Verbrennungskraftmaschine. Oberhalb einer Drehzahl von ca. 50 min-1 liegt das notwendige Startmoment unterhalb dem Wert am stationären Arbeitspunktes und stets oberhalb der Momentenanforderung, so daß die Startfunktion der Verbrennungskraftmaschine auch bei Kaltstartbedingungen gesichert ist.
Eine Verbesserung der Kaltstartfunktion bzw. eine Leistungsreduktion kann in Abstimmung mit der thermischen Auslegung des Wechselrichters der elektrischen Maschine erzielt werden, indem bei kleinen Drehzahlen ein erhöhtes Drehmoment unterhalb der elektrischen Grenzleistungskurve eingestellt wird.
Die Steuerung/Regelung der Leistungsbegrenzung der elektrischen Maschine erfolgt dadurch, daß die maximale elektrische Batterieleistung aus einer Messung der Batterieklemmenspannung in Verbindung mit einer Grenzwertregelung des Phasenstromes an der Spannungsuntergrenze vorgenommen wird. Die erhaltene maximale elektrische Batterieleistung bestimmt den Verlauf der elektrischen Grenzleistungskurve und die Lage des Abregelpunktes auf der Momentenkennlinie des Starter-Generators.
Wird eine Klauenpolmaschine als Starter-Generator eingesetzt, kann der Strangstrom an dieser ab Erreichen einer bestimmten Drehzahl reduziert werden. Eine andere Möglichkeit der Leistungsbegrenzung einer Klauenpolmaschine mit Puls-Wechselrichter besteht darin, den Winkel (Lastwinkel) zwischen Strangspannungs- und Strangstromraumzeiger ab Erreichen einer bestimmten Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine zu beeinflussen.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
Figur 1
ein Diagramm, in welchem die Verläufe der Startmomente eines konventionellen Starters und eines Starter-Generators über der Drehzahl aufgetragen sind.
Figur 2
die vom aufzubringenden Startmoment abzudeckenden Verlustmomentanteile wie Kompressionsverluste, Reibung und Beschleunigungsmomentenanteil und
Figur 3
ein Auslegungsbeispiel eines Kurbelwellen-Starter-Generators mit minimierter elektrischer Leistungsaufnahme im stationären Arbeitspunkt.
Ausführungsvarianten
Der Darstellung gemäß Figur 1 ist ein Diagramm zu entnehmen, in welchem die Startmomentverläufe eines konventionellen Starters und eines Starter-Generators über der Drehzahl einander gegenübergestellt sind.
Das Diagramm gemäß Figur 1 zeigt den Startmomentenverlauf 3 eines konventionellen Starters, aufgetragen über der Drehzahl 2. Die Kennlinie des Startmomentverlaufes 3 ist durch einen linearen Verlauf 9 gekennzeichnet und zeigt eine lineare Abnahme des Startmomentes mit zunehmender Drehzahl 2. Das Leistungsmaximum 8 des konventionellen Starters fällt mit der Lage des Arbeitspunktes 6 zusammen, an welchem die Lastkennlinie 5 einer Verbrennungskraftmaschine die Kennlinie 3 des Startmomentenverlaufes schneidet. Im Diagramm gemäß Figur 1 repräsentiert die Lastkennlinie 5 die Kennlinie 3 einer Verbrennungskraftmaschine mit 3 l Hubraum und 6 Zylindern.
Mit Bezugszeichen 4 ist die Startmomentenkennlinie eines Starter-Generators bezeichnet, welche ausgehend von einem Antriebpunkt 13 (n=0) ein konstantes Moment bis zu einem Eckpunkt 11 liefert. Ab dem Eckpunkt 11 ist der Starter-Generator auf eine konstante mechanische Leistung Pmech von etwa 3 KW ausgelegt. Der Arbeitspunkt 7 des Starter-Generators wird durch den Schnittpunkt seiner Startmoment-Kennlinie 4 mit der Lastkennlinie 5 der Verbrennungskraftmaschine definiert. Verglichen mit dem Arbeitspunkt 5 eines konventionellen Starters liegt der Arbeitspunkt 7 des Starter-Generators bei einer höheren Drehzahl 2, da das deutlich geringere Startträgheitsmoment des Starter-Generators eine erhöhte mittlere Drehzahl 10 verlangt. Damit läßt sich eine erhöhte maximale Drehzahl 10 realisieren, die ähnlich dessen Wert des konventionellen Starters oberhalb einer Mindestdrehzahl liegt, so daß die Anforderungen an die Kaltstartfähigkeit erfüllt sind. Die minimale Drehzahl 10 liegt im Bereich von etwa 80 min-1. Im Unterschied zum Arbeitspunkt 5 des konventionellen Starters liegt im Arbeitspunkt 7 des Starter-Generators ein erhöhtes Lastmoment 1 vor. Dies wird durch erhöhte Reibmomente sowie die bei einer höheren Drehzahl vorliegenden Drehzahlwechselamplitude verursacht, bei welcher erhöhte Wandwärmeverluste und Leckageverluste an der Verbrennungskraftmaschine auftreten.
Der Figur 2 ist die Momentenanforderung an einen Starter-Generator in Abhängigkeit vom Drehzahlverlauf zu entnehmen.
Das Diagramm gemäß Figur 2 verdeutlicht den Verlauf 20 des Startdrehmomentes, welches beim Anlassen der Verbrennungskraftmaschine vom Starter-Generator zu erbringen ist. Das vom Starter-Generator aufzubringende Startmoment muß zusätzlich zu einem Reibmoment 22 Momentenanteile abdecken, die aus Beschleunigungsdrehmomenten und Gasfedermomenten aufgrund der unterschiedlichen Gemischfüllungsgrade der einzelnen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine herrühren. Je nach Zylinderzahl der anzulassenden Verbrennungskraftmaschine können diese Momentenanteile Schwankungen unterliegen, die vom Startmoment des Starter-Generators aufzubringen sind. Bei Verbrennungskraftmaschinen mit kleiner Zylinderzahl führt das kleinere Trägheitsmoment und die fehlende Kompensation der Kompressionsmomente durch Dekompressionsmomente sich vom oberen Totpunkt in den unteren Totpunkt bewegender Kolben der Zylinder zu einer Erhöhung dieser Momentenanteile. Bei Verbrennungskraftmaschinen mit höherer Zylinderzahl treten hohe Kompressions-Verlustmomente auf.
Hat der Starter-Generator beim Durchdrehen der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine hingegen einen quasi-stationären Arbeitspunkt erreicht, entfallen Beschleunigungsmomentanteile sowie Gasfedermomentanteile; andererseits erhöhen sich die Reibmomentanteile aufgrund der erhöhten Drehzahl.
Das vom Starter-Generator aufzubringende Startmoment verläuft entsprechend der Kurve 20, ausgehend von der Drehzahl 2 n=0. Die Verläufe der Verlustmomente 22, 23 und die Kompressionsverluste 28 sind abhängig von der steigenden Drehzahl 2 der Verbrennungskraftmaschine wiedergegeben. Die Momentenanteile 22, 23 und die Kompressionsverluste 28 der Verbrennungskraftmaschine sind abhängig vom Startsystem einer Verbrennungskraftmaschine, sei es ein Otto-Motor oder ein Dieselmotor. Die Momentenanteile 22, 23 und die Kompressionsverluste 28 sind ferner abhängig von Leckage- oder Wandwärmeverlusten, die sich an den Zylinder/Kolbenanordnungen der Verbrennungskraftmaschine einstellen.
Ein Maximum 21 des Startmomentes stellt sich bei einer Drehzahl 2 der Verbrennungskraftmaschine von etwa 50 min-1 ein. Bei dieser Drehzahl 2 herrschen bereits hohe Kompressionsdrücke, andererseits nehmen die Kompressionsverluste bei Maximum 21 des aufzubringenden Drehmomentes 20 ihr Maximum ein.
Mit Bezugszeichen 22 ist der Verlauf des Reibmomentes über der Drehzahl 2 wiedergegeben. Das Reibmoment ist im wesentlichen proportional zum Gesamthubvolumen der Verbrennungskraftmaschine. Beim Dieselmotor liegen die Reibmomente prinzipbedingt um ca. 30% höher als bei vergleichbaren Otto-Motoren, was seine Ursache in den beim Dieselmotor auftretenden höheren Kompressionsdruckniveau und der enger tolerierten Kolbenring/Zylinderwandpassung findet.
Mit 23 ist der Verlauf des Beschleunigungsmomentes wiedergegeben, wobei gewährleistet sein muß, daß im Andrehpunkt 13, d.h. bei n=0, ein genügend hohes Moment zum Durchdrehen der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine verfügbar ist. Beim Maximum 24 erreicht die Drehbeschleunigungsmomentenanforderung ihren Maximalwert, da die Gasfedermomente durch das in den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine zu verdichtende Gemisch bereits 70% ihrer Maximalwerte erreichen, bei einer Drehzahl 2 der Verbrennungskraftmaschine von etwa 50 min-1.
Bei dieser geringen Drehzahl 2 der Verbrennungskraftmaschine steht jedoch noch keine ausreichende Reserve an Rotationsenergie der Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung. Sich an das Maximum 24 anschließend, nimmt das aufzubringende Beschleunigungsmoment 23 linear ab, während das Reibmoment entsprechend seines Verlaufes 23 kontinuierlich mit steigender Drehzahl 2 zunimmt.
Aus der Überlagerung der Momentenanteile 22, 23 und der Kompressionsverluste 28 resultiert der Verlauf 20 des vom Starter-Generator aufzubringenden Startmomentes. Gemäß des mit Bezugszeichen 20 in Figur 2 bezeichneten Kurvenzuges ergibt sich ein charakteristisches Momentenanforderungsprofil, welches durch ein Maximum 21 bei einer Drehzahl 2 von ca. 50 min-1 und einem relativen Minimum im Bereich zwischen 120 und 180 min-1 gekennzeichnet ist. Ein weiteres Kriterium für die Momentenanforderung gemäß des Momentenverlaufes 20 gemäß Figur 1 ist der Umstand, daß zu jedem Zeitpunkt das Startmoment, welches vom Starter-Generator aufzubringen ist, oberhalb des notwendigen quasi-stationären Schleppmomentes 27 liegen muß. Gemäß den Parametern einer Verbrennungskraftmaschine wie beispielsweise Trägheitsmomente und Zylinderanzahl ist das Startmoment so auszulegen, daß die für die Startfähigkeit einer Verbrennungskraftmaschine erforderliche "obere Totpunkt"-Drehzahl auch unter ungünstigsten Bedingungen, d.h. beim Kaltstart, erreicht werden kann.
Aus der Darstellung gemäß Figur 3 geht ein Auslegungsbeispiel eines Kurbelwellen-Starter-Generators mit minimierter elektrischer Leistungsaufnahme hervor.
Vom Andrehpunkt 13, d.h. einer Drehzahl n=0 der Verbrennungskraftmaschine verläuft der Startmomentenverlauf 4 des Starter-Generators bis zu einem fiktiven Eckpunkt auf einem konstanten Niveau. Im fiktiven Eckpunkt 31 des Startmomentverlaufes 4 des Starter-Generators erreicht dessen mechanische Leistung einen konstanten Wert, welcher dem Kennlinienabschnitt 12 für P=const im Diagramm gemäß Figur 3 entspricht. Die an die eingesetzte elektrische Maschine, die als Starter-Generator dient, gestellte Momentenanforderung verläuft gemäß des Kurvenzuges 20 entsprechend der Darstellung in Figur 2. Das aufzubringende Drehmoment 20 läßt sich aus einer Überlagerung der in Figur 2 beschriebenen Momentenanteile 22, 23 und Kompressionsverluste 28 ermitteln, wobei zu berücksichtigen ist, ob die anzulassende Verbrennungskraftmaschine ein Otto-Motor oder ein Dieselmotor ist; ferner ist bei der Ermittlung der Drehmomentenanforderung an den Starter-Generator die Zylinderzahl von entscheidender Bedeutung.
Der mit Bezugszeichen 27 identifizierte Wert des Schleppmomentes, welches unterhalb des vom Starter-Generators aufzubringenden Startmomentes liegt, würde nicht sicherstellen, daß auch unter ungünstigsten Bedingungen das Erreichen der OT-Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine gewährleistet ist.
Mit Bezugszeichen 30 ist in der Darstellung des Diagrammes gemäß Figur 3 die elektrische Grenzleistungskurve eingezeichnet. Diese läßt sich aus der maximalen elektrischen Batterieleistung durch eine Messung der Batterieklemmenspannung in Verbindung mit einer Grenzwert-Regelung des Phasenstromes an der Spannungsuntergrenze der als Starter-Generator fungierenden elektrische Maschine ermitteln. Die elektrische Grenzleistungskurve 30 schneidet die Kennlinie des Startmomentenverlaufes 4 sowie die Kennlinie 27 des Schleppmomentes. Im Schnittpunkt 32 von Startmomentenverlauf 4 und elektrischer Grenzkurve 30 liegt der Abregelpunkt, welcher vor dem fiktiven Eckpunkt 31 liegt, bei welchem der Starter-Generator eine höhere elektrische Leistung benötigt. Wird der Starter-Generator im Abregelpunkt 32 entsprechend der elektrischen Grenzkurve 30 gesteuert, erreicht dieser seinen stationären Arbeitspunkt 25, der im in Figur 3 dargestellten Auslegungsbeispiel bei einer Drehzahl von etwa n=150 min-1 liegt. Im stationären Arbeitspunkt 25 nimmt der Starter-Generator die gemäß der elektrischen Grenzleistungskurve 30 zur Verfügung stellbare elektrische Leistung Pel auf, die nie größer wird als im stationären Arbeitspunkt 25 des Starter-Generators. Dadurch ist sichergestellt, daß der im Kraftfahrzeug eingesetzte Energiespeicher lediglich auf die elektrische Leistungsaufnahme im stationären Arbeitspunkt 25 des Starter-Generators auszulegen ist und keine Überdimensionierung des Energiespeichers auftritt. Im stationären Arbeitspunkt 25 ist sichergestellt, daß das vom Starter-Generator aufzubringende Drehmoment 4 gerade noch oberhalb des mit Bezugszeichen 27 identifizierten Verlauf des Schleppmomentes liegt. So wird einerseits ein hinsichtlich der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel und des abzugebenden Startmomentes optimaler Betrieb eines Starter-Generators innerhalb eines Startsystems für eine Verbrennungskraftmaschine erzielt.
Das im stationären Arbeitspunkt 25 wirksame Startmoment ist nur in einem sehr schmalen Drehzahlbereich kleiner als das Startmoment und liegt in einem Drehzahlbereich von n> 50 min-1 immer über der durch den Kurvenverlauf 20 repräsentierten Momentenanforderung, so daß die Startfunktion gewährleistet bleibt. Zur Verbesserung der Kaltstartfunktion des Starter-Generators bzw. zur Leistungsreduzierung kann in Abstimmung mit der thermischen Auslegung des Wechselrichters, mit welchem die als Starter-Generator dienende Maschine betrieben wird, bei kleinen Drehzahlen ein erhöhtes Drehmoment unterhalb der elektrischen Grenzleistungskurve 30 eingestellt werden. Dieses erhöhte Drehmoment steht im Kaltstart als Reserve zur Verfügung, um einen sicheren Start der Verbrennungskraftmaschine auch unterhalb der Auslegungstemperaturen (- 25°C) zu gewährleisten.
Wird als Starter-Generator eine Klauenpolmaschine eingesetzt, welche mit einem Puls-Wechselrichter betrieben wird, so kann die Leistungsbegrenzung im Abregelpunkt 32 wie folgt realisiert werden. Der maximal vorgegebene Sollstrangstrom in einer Klauenpolmaschine kann ab einer bestimmten Drehzahl beispielsweise der im Abregelpunkt 32 vorliegenden Drehzahl 2 reduziert werden. Andererseits kann eine Leistungsbegrenzung der Klauenpolmaschine dadurch realisiert werden, daß der Winkel (Lastwinkel) zwischen Strangspannungs- und Strangstromraumzeiger ab einer bestimmen Drehzahl 2 im Abregelpunkt 32 beeinflußt wird. Das von der Klauenpolmaschine abgegebene Drehmoment ist von diesem Winkel abhängig. Die elektrische Grenzleistungskurve 30 läßt sich auch unter Einfluß einer Leistungsreserve ermitteln, so daß die Funktion anderer Bauteile und Komponenten im Bordnetz eines Kraftfahrzeuges gewährleistet bleibt und eine abhängig von den Belastungen des Bordnetzes bemessene Leistungsreserve zur Verfügung gestellt werden kann. Maßgeblich dabei ist stets die Sicherstellung der Startfunktion im Kaltstart sowie die Realisierung eines schnellen geräuschlosen Warmstartes der Verbrennungskraftmaschine mit dem erfindungsgemäß optimierten Starter-Generator.
Bezugszeichenliste
1
Drehmomentverlauf
2
Drehzahl
3
Startmomentverlauf konventioneller Starter
4
Startmomentverlauf Starter-Generator
5
Lastkennlinie Verbrennungskraftmaschine
6
Arbeitspunkt konventioneller Starter
7
Arbeitspunkt Starter-Generator
8
Leistungsmaximum
9
linearer Verlauf
10
mittlere Drehzahl
11
Eckpunkt
12
Kennlinienabschnitt Starter-Generator (P=const)
13
Andrehpunkt (n=0)
20
Aufzubringendes Drehmomentstarter-Generator
21
Drehmomentmaximum (50 min-1)
22
Reibmomenten-Verlauf
23
Beschleunigungsmomenten-Verlauf
24
Maximum (50 min-1)
25
stationärer Arbeitspunkt Starter-Generator (150 min-1)
26
relatives Minimum (120 bis 180 min-1)
27
Schleppmomentenwert im Thab. A.P.
28
Kompressionsverluste
30
elektrische Grenzleistungskurve
31
fiktiver Eckpunkt
32
Abregelpunkt Starter-Generator

Claims (10)

  1. Verfahren zur Optimierung des Startmomentes und zur Reduzierung der elektrischen Leistungsaufnahme eines Starter-Generators für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei der Starter-Generator als eine elektrische Maschine ausgebildet ist, die mit einem Wechselrichter betrieben wird und die die elektrische Leistung Pel durch eine Batterie aufgebracht wird, gekennzeichnet durch
    das Begrenzen des Phasenstromes der elektrischen Maschine für das Erreichen eines fiktiven Eckpunktes (31) auf einer Momentenkennlinie (4) der elektrischen Maschine,
    dem Steuern der elektrischen Maschine ab einem Abregelpunkt (32) entlang einer elektrischen Grenzleistungskurve (30) (Pel=const) derart,
    das die elektrische Leistung Pel derjenigen im stationären Arbeitspunkt (25) der elektrischen Maschine entspricht
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Starter-Generator vorgesehene elektrische Maschine an einem Wechselrichter betrieben wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Starter-Generator eine Klauenpolmaschine eingesetzt wird, die an einem Puls-Wechselrichter betrieben wird.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Grenzleistungskurve (30) durch Messung der Spannung der Batterieklemmen und einer Grenzwertregelung des Phasenstromes an der Spannungsuntergrenze erhalten wird.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Abregelpunkt (32) eine Begrenzung der elektrischen Leistung Pel des Starter-Generators entlang der elektrischen Grenzleistungskurve (30) mit Pel=const erfolgt, so daß stets Pel≤Pel im stationären Arbeitspunkt (25) erfüllt ist.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Kaltstartfunktion am der elektrischen Maschine zugeordneten Wechselrichter an diese ein erhöhtes Startmoment eingestellt werden kann.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leistungsbegrenzung der an einem Puls-Wechselrichter betriebenen Klauenpolmaschine im Abregelpunkt (32) ab der diesem entsprechenden Drehzahl (2) der Verbrennungskraftmaschine durch Reduktion des Sollstrangstromes der Klauenpolmaschine erfolgt.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen Strangspannungs- und Strangstromraumzeiger ab einer bestimmten, dem Abregelpunkt (32) entsprechenden Drehzahl (2) der Verbrennungskraftmaschine beeinflußt wird.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale elektrische Grenzleistung und der dieser entsprechende minimale Batteriespannungsverlauf als temperaturabhängiger Kennlinienzusammenhang abgespeichert wird.
  10. Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am stationären Arbeitspunkt (25) des Starter-Generators dessen elektrischer Wirkungsgrad ηel anstelle des Wirkungsgrades η am fiktiven Eckpunkt (31) der Momentenkennlinie (4) die maximale Batterieleistung bestimmt.
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