JP4152449B2 - 自動車の駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式の、内燃機関を備えた自動車の駆動装置に関する。
背景技術
内燃機関を介して自動車を駆動する事は公知である。内燃機関は始動するために、燃焼トルクの発生に基づき内燃機関の自己回転がおこなわれるまで高速回転されなければならない。内燃機関の回転開始のためには、内燃機関を電気的なスタータによって高速回転させることが公知であり、このスタータのピニオンは、内燃機関のクランク軸に相対回動不能に配置されたリングギヤに噛み合って内燃機関の回転を開始させる。この公知の回転開始装置は有利であることが判っているが、機械的な磨耗部品に基づくノイズ発生の他に、制限された始動過程数しか実施することができないという欠点を有している。
特に燃料消費量の減少を狙った新しい車両コンセプトの実現により、内燃機関は高い始動サイクル数を受け入れなければならない。従って、内燃機関のいわゆる「スタート・ストップ運転」における燃料節減のために、内燃機関は自動車の停止時、例えば信号待ちの時に遮断されて、所望の引き続く車両走行時に自動的に再び回転開始されて始動される。
モータ運転及び発電機運転で運転され、且つ内燃機関のクランク軸に摩擦接続的に結合されている電気的な機械を使用することは公知である。モータ運転では、内燃機関のダイレクトスタートを行うことができ、この場合、内燃機関の高速回転後に電気的な機械は発電機運転に切り換えられて、自動車の供給電圧を準備するために役立つ。この場合の欠点は、特にコールドスタートにおいて必要な始動出力を提供するために、電気的な機械の過剰な寸法決めを行わなければならないことである。
更に、クランク軸が位置決め装置を介して規定された位置にもたらされ、これにより始動シリンダのピストン（内燃機関のピストン総数に基づき規定された１つのピストン）が所定のスタート位置にもたらされてこの位置を維持し、次いで燃料の噴射及び点火により最初の燃焼トルクが発生され、この燃焼トルクが内燃機関の回転開始のために利用される、いわゆる「インターナルダイレクトスタート（ｉｎｔｅｒｎｅｒ Ｄｉｒｅｋｔｓｔａｒｔ）」が公知である。この場合、事前位置決め時間がかかるために比較的劣悪な始動動力しか得られないという欠点があり、これにより、内燃機関の自己回転は、比較的長い時間が経過した後でようやく達成される。
発明の利点
これに対して請求項１の特徴部に記載の本発明による自動車の駆動装置は、内燃機関の迅速な自己回転を簡単に得ることができるという利点を有している。内燃機関の始動のために、内燃機関のクランク軸に摩擦接続的に結合されている、モータ運転で接続された電気的な機械を介して、クランク軸を予め規定可能なスタート位置にもたらすことが可能であり、クランク軸のスタート位置への到達と同時に燃料の直接噴射及び点火が行われ、しかも、電気的な機械を介して、始動過程全体にわたって回転トルクをクランク軸に加えることができることにより、内燃機関の最初の点火にもとづき生ぜしめられた燃焼トルクによる、電気的な機械を介して電気的に生ぜしめられた回転トルクの重畳と、内燃機関との協調された回転角度制御、回転数制御及び噴射制御を介して、連続的に加速される内燃機関の高速回転を得ることが有利に可能であるので、この内燃機関の高速回転は、自動的に渾然一体となって自己回転に移行する。特に電気的な機械を介して回転トルクを付与することにより、燃料の最初の直接噴射、及びこれに引き続く点火の間の内燃機関のクランク軸の回転数は０とは異なっているので、内燃機関の最初の点火によって付与される燃焼トルクを介して、停止状態のクランク軸による始動時に比べて著しく高い回転トルクが始動時に生ぜしめられる。前記燃焼トルクは、引き続きモータ運転状態にある電気的な機械により助成されるので、クランク軸は迅速に加速され、遅くとも２回目の噴射及び点火から、内燃機関の自己回転が行われる。これにより、内燃機関の高推進性の始動と高推進性の高速回転とが得られる。特に内燃機関のスタート・ストップ運転において必要とされる短時間の内に、内燃機関の高速回転、若しくは自己回転が、例えば数十万回の始動サイクルになる可能性のある高い始動サイクル数のために得られる。
本発明の有利な構成では、始動過程の導入のために現時点のクランク軸位置が検出され、クランク軸が回転方向とは無関係に最短距離で現時点のクランク軸位置からスタート位置にもたらされ、次いで点火時点からは正回転で引き続き回転される。これにより、場合によってはクランク軸の逆回転によっても最短距離、延いては最短時間でクランク軸のスタート位置に到達することが有利に可能である。更に、特にクランク軸の逆転時に、コンベンショナルな型のように上死点を通過する必要無しに、最初の燃焼の燃焼トルクを増大させる圧縮が始動シリンダ内で行われるので、内燃機関の始動推進力、若しくは高速回転推進力が更に改善されているという利点が生ぜしめられる。
図面
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
図面には、自動車の駆動装置の配置形式が概略的に示されている。
実施例の説明
図面には、自動車の駆動装置１０の配置形式が概略的に示されている。この駆動装置１０は、例えば４つのシリンダ１４を備えた内燃機関１２を有している。前記シリンダ１４にはクランク軸１６が対応配置されており、このクランク軸１６は公知の形式で、シリンダ１４内に配置されたピストンの運動を出力軸１８の回転運動に変換する。出力軸１８は、伝動装置２０を介して電気的な機械２２に摩擦接続的に結合されている。更に、駆動装置１０は主要伝動装置（図示せず）を有しており、この主要伝動装置を介して、出力軸１８の回転運動が自動車の駆動輪に伝達可能である。場合によっては、図示の伝動装置２０は前記主要伝動装置（図示せず）の構成部材である。
クランク軸１６には、回転角度センサ２４が対応配置されており、この回転角度センサ２４を介してクランク軸１６の位置が検出可能である。この場合、事前にコード化が行われるので、例えば回転角度０°はクランク軸１６の規定された位置を意味する。シリンダ１４は、それぞれ直接噴射装置と点火装置（個別には図示せず）とを有しており、これらの直接噴射装置と点火装置とは、制御装置２６を介して制御可能である。このためには、図示の接続導線２８が、制御装置２６と、噴射装置及び点火装置との間に設けられている。更に、制御装置２６は接続導線３０を介して回転角度センサ２４に接続されている。別の接続導線３２は、制御装置２６を介して電気的な機械２２を制御するために働く。
内燃機関１２の始動は、以下のように行われる：
電気的な機械２２はモータ運転で運転され、制御装置２６を介して調整される。電気的な機械２２のモータ運転により、伝動装置２０と出力軸１８とを介して、クランク軸１６が回転運動させられる。現時点のクランク軸位置が回転角度センサ２４を介して検出されて、制御装置２６に送られる。クランク軸１６が予め規定されたスタート位置に相応する角度位置に達すると、スタート位置に関連して始動シリンダとして選択される、シリンダ１４の内の１つに、制御装置２６を介して燃料が噴射され、次いで燃料の点火が行われる。この場合、電気的な機械２２を介したクランク軸１６の電動モータ式駆動は中断されない。即ち、始動過程の開始に伴い、クランク軸１６が電気的な機械２２を介して回転運動させられ、この回転運動は、規定されたスタート位置に到達し、次いで始動シリンダ内で噴射及び点火が達成されることによって持続する。つまり、始動シリンダにおける噴射、点火及びこれに引き続く燃焼過程の間、クランク軸１６は０とは異なる回転数を有している。即ち、始動シリンダの点火に伴い、始動シリンダ内の燃焼に基づき惹起される燃焼トルクによって、電気的な機械２２を介して付与された電気的若しくは機械的な回転トルクの重畳が行われる。これにより、クランク軸１６の迅速な加速が生ぜしめられ、それぞれ別のシリンダ１４に対応配置されたピストンが存在する限りは、その各スタート位置への到達に伴い、制御装置２６を介して制御されて、対応するシリンダ１４への燃料の直接噴射、及びこれに引き続く燃料の点火が同様に行われる。
始動段階全体にわたって電気的な機械２２はモータ運転で接続され続けるので、電動モータ式に付与される回転トルクを介した、相前後して続く個々のシリンダ１４の点火（燃焼トルク）に基づき、相応の回転トルク重畳が生ぜしめられる。個々のシリンダ１４内の燃焼トルクによって生ぜしめられた内燃機関１２の高速回転は、電動モータとして働く電気的な機械２２により助成される。この場合、制御装置２６によりコード化された噴射及び点火制御は、電気的及び熱力学的に生ぜしめられる回転トルクの重畳をもたらし、延いては連続的に加速されて渾然一体となって内燃機関１２の自己回転に移行するクランク軸１６の運動経過を生ぜしめる。
この場合、制御装置２６を介した電気的な機械２２の制御は、コールドスタート境界温度付近で未だ運転暖機状態ではない内燃機関１２において、内燃機関の総摩擦トルクよりも僅かに高い、電気的に生ぜしめられた回転トルクしか必要とされないように規定されていてよい。このことは、以下の理由により可能となる。即ち、クランク軸１６が第１のスタート位置に達するまで、つまり、シリンダ１４の内の１つに設けられたピストンが適当なスタート位置に位置する時点までは、クランク軸１６の必要最低限の角度回転しか必要でなく、この短時間内にクランク軸１６は比較的少ない回転数を有しており、この回転数においては、別のシリンダ１４内に未だ大した圧縮トルクを生ぜしめずに済むからである。始動シリンダである第１のシリンダ１４の噴射及び点火は殆ど、クランク軸１６の回転数が比較的小さい時に行われる。停止状態の内燃機関１２におけるクランク軸１６の位置に対応して、前記第１のシリンダ１４は、ピストンがクランク軸１６の電動モータ式の回転を介してまず最初に適当なスタート位置に達する始動シリンダとして働くことができる。クランク軸１６の適当な角度位置は、例えば始動シリンダ１４のピストンが明らかに上死点通過後に、例えば３０〜７０度の角度位置を有する場合に得られる。シリンダ１４の内の１つが制御装置２６を介して始動シリンダとして選択され、この始動シリンダのピストンは、クランク軸１６の出発位置に対応して、まず最初に予め規定可能なスタート位置に到達する。
有利な制御では、回転角度センサ２４を介して検出されるクランク軸１６の現時点の位置に対応して、選択されたシリンダ１４のピストンが後戻りしてスタート位置へもたらされるように、つまり、例えば内燃機関１２の上死点通過後の３０〜７０度の位置にもたらされるように、始動時点でクランク軸１６の逆回転が行われるように設定することができる。これにより、始動シリンダ内で圧縮が行われ、この圧縮は、引き続く燃料の直接噴射及び点火時に、始動燃焼の燃焼トルクの著しい増大を生ぜしめる。これにより、始動過程の動力は更に著しく増大される。
全体的にみて、直接噴射に関連して改善された燃料の混合気調整と、上で述べた内燃機関１２の始動システムとに基づき、既に最初の燃焼からクランク軸の加速が達成され得る。これにより、始動燃焼に引き続く燃焼がプログレッシブに改善されるので、コールドスタート境界条件の下でも迅速な始動が行われる。
始動過程の別の最適化は、始動過程中にシリンダ１４に燃料を噴射するための弁制御が、始動中に付与される燃焼トルクに最適化可能であることにより行うことができる。このことは、例えば制御装置２６を介した電磁弁制御によって行うことができる。
特に、付加的な機械的な磨耗部品は不要なので、全体としては、内燃機関１２のための、例えば＞５０００００の極めて高い始動サイクル数が達成され得る。更に、クランク軸１６の規定された位置への時間及び調整手間のかかる前位置決め、若しくは所望の移行は考慮されずに済む。所望の始動に伴って、クランク軸１６は電気的な機械２２を介して回転される。この場合、適当なスタート位置が回転角度センサ２４を介して測定され、この回転角度センサ２４は対応する応答を制御装置２６に送り、更にこの制御装置２６は噴射及び点火を制御する。別の簡略化においては、始動シリンダ１４内で噴射及び点火の行われる、クランク軸１６のスタート位置の角度正確な維持は不要となるので、クランク軸１６はモータによって徐々に高速回転され、各シリンダ１４は予め規定された順序で順次、それぞれ初点火される。これにより、燃焼トルクを介して付与されるクランク軸への回転トルクはやはり、電気的な機械２２により助成される。最初の燃焼過程の最中のクランク軸１６の回転により、該燃焼に基づく最初の回転トルクは、クランク軸１６が停止状態からスタートされる公知のインターナルダイレクトスタートにおける回転トルクよりも高い。電気的な機械２２の回転トルクと最初の燃焼の燃焼トルクとは互いに助成しあうので、２回目の燃焼は既に、著しい圧縮、改善された熱力学的な条件、延いては内燃機関１２の自力高速回転のための前提条件を保証している。
内燃機関１２の高速回転が行われた後で、クランク軸１６、延いては出力軸１８の選択可能な回転数において電気的な機械２２は、モータ運転から発電機運転に切り換えることができる。発電機運転からモータ運転への電気的な機械２２の戻し切換えも、やはり回転数に関連して行うことができる。この場合、選択可能な切換え回転数に対応して、クランク軸１６の回転数が比較的低い場合の電気的な機械２２の発電機運転が、始動中止の危険が生じることなしに可能である。なぜならば、低い回転数における内燃機関１２を、電気的な機械２２の切換えによって問題なくコントロール・・・することができるからである。
始動過程の導入のために、クランク軸１６及び／又はカム軸の現時点の位置が検出可能であり、クランク軸１６が、回転方向とは無関係に最短距離で現時点のクランク軸位置からスタート位置にもたらされ、次いで正回転で引き続き回転される。
点火前のスタート位置への位置決めによって可能な限り高い圧縮が得られるように始動シリンダ１４が選択される。

Claims (8)

1. 自動車の駆動装置であって、マルチシリンダ式の内燃機関と、該内燃機関のクランク軸に結合された、又は結合可能な電気的な機械とが設けられており、前記電気的な機械が、モータ運転、及び発電機運転で接続可能であり、内燃機関の直接噴射、及び点火を制御するための電子制御装置が設けられており、内燃機関の始動のために、モータ運転で接続された電気的な機械を介して、クランク軸が予め規定可能なスタート位置にもたらされることが可能であり、クランク軸のスタート位置への到達と同時に、始動シリンダ内に噴射された燃料の点火が行われる形式のものにおいて、
   クランク軸の予め規定されたスタート位置に関連して、内燃機関の複数のピストンのうちの１つが始動シリンダとして選択され、該始動シリンダのピストンが、クランク軸（１６）の角度回転における最短距離でスタート位置にもたらされることができることを特徴とする、自動車の駆動装置。
2. 始動過程の導入のために、クランク軸（１６）及び／又はカム軸の現時点の位置が検出可能であり、クランク軸（１６）が、回転方向とは無関係に最短距離で現時点のクランク軸位置からスタート位置にもたらされ、次いで正回転で引き続き回転される、請求項１記載の駆動装置。
3. クランク軸（１６）のスタート位置が、選択された始動シリンダ（１４）に対応するクランク角度位置に基づき規定されている、請求項１又は２記載の駆動装置。
4. 選択された始動シリンダ（１４）に対応するクランク軸（１６）の角度位置が、内燃機関（１２）の上死点通過後、及び明らかに下死点の手前の角度領域に位置している、請求項３記載の駆動装置。
5. 始動シリンダ（１４）のピストンが、クランク軸（１６）の逆転によりスタート位置にもたらされることのできる、請求項１から４までのいずれか１項記載の駆動装置。
6. 電気的な機械（２２）の電気的に生ぜしめられる回転トルクが、内燃機関（１２）の総摩擦トルクよりも僅かに高い、請求項１から５までのいずれか１項記載の駆動装置。
7. 点火前のスタート位置への位置決めによって可能な限り高い圧縮が得られるように始動シリンダ（１４）が選択される、請求項１から６までのいずれか１項記載の駆動装置。
8. 内燃機関（１２）の停止時に、電気的な機械によって始動シリンダ（１４）の適当なスタート位置が得られる、請求項１から７までのいずれか１項記載の駆動装置。

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