WO2014095195A1 - Verfahren und vorrichtung zum anlassen einer verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum anlassen einer verbrennungskraftmaschine Download PDF

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WO2014095195A1
WO2014095195A1 PCT/EP2013/074061 EP2013074061W WO2014095195A1 WO 2014095195 A1 WO2014095195 A1 WO 2014095195A1 EP 2013074061 W EP2013074061 W EP 2013074061W WO 2014095195 A1 WO2014095195 A1 WO 2014095195A1
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WO
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crankshaft
rotation
starting
torque
internal combustion
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/074061
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English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Hinrichsen
Holger Lange
Henning Vogt
Original Assignee
Volkswagen Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Volkswagen Aktiengesellschaft filed Critical Volkswagen Aktiengesellschaft
Priority to EP13791837.1A priority Critical patent/EP2935864B1/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
    • F02N5/00—Starting apparatus having mechanical power storage
    • F02N5/02—Starting apparatus having mechanical power storage of spring type
    • 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
    • F02N11/08—Circuits or control means specially adapted for starting of engines
    • 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
    • F02N5/00—Starting apparatus having mechanical power storage
    • F02N5/04—Starting apparatus having mechanical power storage of inertia type

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for starting a
  • a starter motor applies a starting torque to the crankshaft in a starting operation to achieve a minimum speed of the internal combustion engine, with a control unit controlling the starting torque.
  • the control unit in the starting process controls the starting torque time-dependent between a positive maximum starting torque and a negative minimum starting torque, with a positive starting torque in the direction and a negative starting torque against the preferred direction acts on the crankshaft.
  • the document also discloses a drive train arrangement in which the rotor of the
  • a control of the starting process done in such a way that a maximum amount of the rotation angle is not exceeded.
  • a mechanical stress on end stops can be prevented.
  • a control variable for such a control for example, the starting torque generated by the starter motor, the torque generated by the internal combustion engine or, in an automatic transmission, a clutch capacity can be used as a control variable.
  • a disadvantage of such an arrangement is that in particular for the cold start of the internal combustion engine high torques must be generated by the starter motor, especially when there is no torque ratio between the crankshaft and the rotor.
  • DE 10 2012 201 102 A1 discloses a vehicle with an internal combustion engine and an electric machine, which kinematically to start the internal combustion engine with the
  • Internal combustion engine can be coupled and which is kinematically decoupled during operation of the internal combustion engine of the internal combustion engine.
  • the vehicle further comprises an energy recuperation and storage device, the energy recuperation and storage devices
  • Combustion engine is kinematically coupled to the internal combustion engine and at least part of the stored at the moment of switching off the engine in the engine kinetic energy stores and stores.
  • the technical problem is to provide a method and an apparatus for starting an internal combustion engine, the reliable start of the
  • Allow combustion engine wherein requirements for a height of a maximum to be generated starting torque can be reduced.
  • Rotary oscillator reaches a state in which a stored in the rotary oscillator energy, which is composed of a potential energy of the torsionally elastic coupling element and a kinetic energy of the rotor of the starter motor, sufficient to start the internal combustion engine.
  • the energy stored in the rotary oscillator is sufficient to produce e.g. by a static friction of the internal combustion engine required breakaway torque and compression and Gleitreibungsmomente the
  • Proposed is a method for starting an internal combustion engine, wherein a crankshaft is rotationally elastically coupled to a rotor of an electric machine, for example via an elastic coupling element.
  • the starter motor In a starting process, the starter motor generates a Starting torque, which is transmitted via the torsionally flexible coupling to the crankshaft.
  • the starter motor can be designed here as an electric machine.
  • a negative or positive starting torque is generated.
  • a positive starting torque denotes a starting torque, which acts in a preferred direction of rotation of the crankshaft to the crankshaft.
  • a negative starting torque refers to a torque which acts counter to the preferred direction of rotation on the crankshaft.
  • the preferred direction of rotation of the crankshaft corresponds to the direction of rotation of the crankshaft during operation of the internal combustion engine.
  • Starting process is at least a change of sign of the starting torque. Time after the start time so the starter motor is controlled such that on a for
  • Starting time negative starting torque following a positive starting torque or to a generated at the start time positive starting torque following a negative starting torque is generated.
  • several sign changes of the starting torque occur during the starting process. This can also be described as a modulation of the starting torque.
  • the modulation of the starting torque thus describes a control of the starting torque, wherein the starting torque between a positive starting torque and a negative
  • a sign change of the starting torque may e.g. time-dependent, so after a predetermined period of time.
  • a sign change of the starting torque may e.g. time-dependent, so after a predetermined period of time.
  • a sign change of the starting torque may e.g. time-dependent, so after a predetermined period of time.
  • a control device may be provided which regulates the starting torque according to the previously described modulation of the starting torque.
  • the starting torque between a positive maximum starting torque and a negative minimum starting torque can be controlled, with only the positive maximum starting torque or the negative minimum starting torque is generated by the starter motor.
  • a rotation of the crankshaft is mechanically blocked before or at the start time.
  • the mechanical blockage can in this case be carried out, for example, by a blocking agent.
  • the rotation of the crankshaft can be blocked with a crankshaft brake, ie by a frictional connection between the crankshaft and the blocking means.
  • the rotation of the crankshaft can be blocked by a crankshaft lock, ie a positive connection between the crankshaft and the blocking means.
  • crankshaft The rotation of the crankshaft is released again when or after energy stored in a torsional vibration system reaches a maximum allowable energy or energy necessary to start the internal combustion engine.
  • Rotational vibration system stored energy the maximum allowable energy or the
  • crankshaft Starting the internal combustion engine reaches necessary energy.
  • the rotation of the crankshaft can be released in time after the time at which the stored energy in the torsional vibration system, the maximum allowable energy or the
  • the time difference between reaching the maximum or necessary energy and the release may, for example, be a predetermined period of time, e.g. a period of time needed to achieve a desired phase of torsional vibration.
  • Torsional vibration system or a so-called rotary oscillator.
  • potential energy stored in torsionally elastic coupling is converted into kinetic energy of the rotor of the starter motor and vice versa.
  • kinetic energy of the rotor of the starter motor
  • the starting energy will increase the energy stored in the torsional vibration system, because the energy supplied by the starter motor is greater than the energy dissipated essentially by friction.
  • the energy required to start the internal combustion engine may be less than the maximum allowable energy.
  • the maximum allowable energy may be, for example, a potential Energy in a state amount of maximum torsions, wherein in the corresponding state, the torsionally flexible coupling is not damaged.
  • crankshaft rotation is released when the potential energy is zero and the kinetic energy of the torsional vibration system is maximum. In time, this may be the case a quarter of a period after passing through a minimum angle of rotation.
  • the rotation of the crankshaft can be released even if or after a stored in the torsionally flexible coupling of the rotary vibrator potential energy reaches a maximum allowable energy or in the torsionally flexible coupling of the
  • a maximum allowable energy in this case is e.g. reached when a twist angle a maximum amount
  • the angle of rotation describes the rotation of the rotor relative to the crankshaft.
  • An energy required for starting the internal combustion engine can be achieved, for example, if a predetermined angle of rotation is achieved which is smaller in magnitude than the maximum permissible angle of rotation. As a result, a power required for the starting process can be reduced in an advantageous manner.
  • the proposed method thus describes a swinging or swinging of the existing of the elastic coupling element and the rotating mass of the rotor mechanical system against a braked crankshaft. If the crankshaft is released again, the energy stored in the oscillated system can be used to drive the crankshaft.
  • Sign change e.g. occur in time according to the resonance frequency.
  • the proposed method advantageously makes it possible to use an electric motor with a very low maximum starting torque which can be generated as the starting motor, since no friction losses of the crankshaft during starting by the starter motor have to be compensated for by preventing rotation of the crankshaft.
  • the rotation of the crankshaft is released after a minimum allowable during application of a negative starting torque
  • Verrefusing or a predetermined angle of rotation has been achieved and / or a
  • the modulation of the starting torque can thus take place until a minimum permissible angle of rotation is reached, and preferably not exceeded, and a sign change of the negative starting torque to a positive starting torque takes place.
  • the stored in the rotary oscillator potential energy is transmitted to the crankshaft so that a rotation of the crankshaft takes place in the preferred direction of rotation.
  • the internal combustion engine can be started in an advantageous manner in the preferred direction of rotation.
  • the release of the rotation of the crankshaft, after a minimum permissible angle of rotation or a predetermined minimum angle of rotation has been achieved during a negative starting torque is applied, a change of sign of
  • Coupling element are transmitted to the crankshaft.
  • ignition of a fuel-air mixture takes place in a combustion chamber of at least one cylinder of the internal combustion engine.
  • an ignition occurs when a Piston of the internal combustion engine during a rotation of the crankshaft in the preferred direction of rotation reaches a top dead center in or after a compression stroke.
  • the ignition can be a spark ignition or auto-ignition.
  • an ignition timing of at least one of the at least one cylinder associated spark plug can be adjusted accordingly.
  • Ignition for example, a temperature and / or pressure in the combustion chamber can be adjusted accordingly.
  • an annulatory torque curve of the starting torque is generated such that a rotation of the crankshaft takes place.
  • the rotation of the crankshaft is mechanically released.
  • an Aniassmomentenveriauf be generated such that a static friction torque of the crankshaft and of elements, e.g. Piston, the internal combustion engine is overcome and a breakaway of the crankshaft takes place.
  • a static friction torque of the crankshaft and of elements, e.g. Piston the internal combustion engine is overcome and a breakaway of the crankshaft takes place.
  • Aniassmomentenveriiller be generated such that the crankshaft is positioned in a predetermined crankshaft position.
  • the predetermined position may for example be a blocking position, wherein the crankshaft is mechanically blocked only in the blocking position.
  • the Aniassmomentenveriiller can be generated such that it has at least one change of sign (modulation of the starting torque).
  • a start-cylinder describes a cylinder of the internal combustion engine, which in a (released) rotation of the crankshaft in
  • the starting torque curve can be generated such that a predetermined fuel pressure is built up.
  • the crankshaft mechanically or indirectly, for example via a camshaft, drive a pump of a fuel injection system. This is the case in particular in so-called common rail Otto or common rail diesel engines.
  • a desired fuel pressure can be built up, which is necessary for subsequent injection and ignition, in particular in diesel internal combustion engines.
  • the crankshaft is positioned at a predetermined blocking position prior to the starting time.
  • the blocking position may designate a position of the crankshaft in which rotation of the crankshaft may be blocked.
  • the blocking position can be predetermined by a mechanical design of the blocking agent.
  • the blocking means is designed such that it can mechanically block the rotation of the crankshaft in more than one crankshaft position.
  • the blocking position can also be adjusted depending on a desired start cylinder.
  • the crankshaft can be positioned such that, starting from the current position of the crankshaft, a desired cylinder during a rotation of the crankshaft in the preferred direction of rotation as the first of a plurality of cylinders the upper
  • Combustion chamber of the (start) cylinder can be adjusted.
  • a small volume of the (start) cylinder at the beginning of the starting process an overcoming of the following upper compression dead center, however, an ignition of the
  • Combustion chamber at the beginning of the tempering process requires a higher energy to overcome the first following upper compression dead center, however, facilitates the first combustion and thus the further starting process due to the higher working contribution due to the ignition.
  • Positioning of the crankshaft in a predetermined blocking position can also be achieved with a previous shutdown or shutdown of the internal combustion engine, e.g. by a suitable deceleration of the rotation of the crankshaft.
  • rotational energy of the crankshaft which is still present when the engine is switched off can advantageously be used to set the desired blocking position.
  • a regenerative operation mode of the starter motor is activated when a termination condition of the cranking operation is satisfied after the rotation of the crankshaft is blocked.
  • the regenerative operating mode is of the
  • Torsional oscillator generated kinetic energy converted by the operable as a generator starter motor into electrical energy As a result, the rotational oscillator energy can be withdrawn in an advantageous manner.
  • the blockage of the rotation of the crankshaft can be solved immediately or upon reaching a predetermined counter-torque, wherein the counter-torque denotes the torque exerted by the crankshaft on the elastic coupling torque.
  • the mechanical blockade can be solved upon reaching a lower threshold value of a fuel pressure, wherein the lower threshold value defines a fuel pressure, which is a start of the
  • a regenerative operation mode of the starter motor may also be activated when the condition (s) for releasing the blockage of the crankshaft is / are satisfied, but the release does not occur due to a malfunction.
  • the rotary oscillator can be actively deprived of energy, whereby operational reliability is increased.
  • An abort condition of the starting process can be met, for example, if a defect of the blocking agent and / or its activation is detected. This results in an advantageous manner that a reliability during the
  • a target torque of the starter motor increases continuously with decreasing difference between a current twist angle and the minimum allowable or the predetermined negative twist angle.
  • a reversal angle denotes a rotation angle at which a reversal of the direction of rotation of the rotor takes place. If the current angle of rotation approaches the minimum permissible angle of rotation, the difference described above decreases. At the same time, however, the nominal torque of the starter motor increases. Thus, the rotation of the rotor against the preferential direction of rotation, which is caused by a negative target torque, less supported with decreasing difference or, if the target torque is positive, this even counteracted.
  • the target torque of the starter motor may gradually increase in one or more steps as the difference between the actual twist angle and the minimum allowable or the predetermined negative twist angle decreases.
  • the target torque is suddenly set to a reference value of zero and when reversing the direction of rotation of the rotor or upon reaching the minimum allowable or predetermined negative rotation angle abruptly a positive target torque is set.
  • the target torque is suddenly set to a positive or negative target torque.
  • the target torque of the starter motor decreases with decreasing difference between the maximum permissible angle of rotation or a predetermined positive
  • Angle of rotation and a current angle of rotation continuously or in one or more Step by step This can be done in particular in a half-oscillation from a negative angle of return to a positive angle of reversal.
  • the predetermined negative angle of rotation or the predetermined angle of rotation in this case denote angle of rotation, when it reaches enough energy is stored in the rotary oscillator to start the internal combustion engine.
  • a defect of the torsional vibration system is detected if a frequency of the sign change of the starting torque deviates from a predetermined resonance frequency by more than a predetermined amount.
  • a defect of the torsional vibration system may be detected when a difference between amounts of the immediately during the starting process
  • an amount of the rotation angle may increase continuously. However, this increase is limited by dynamic properties of the rotary oscillator in height.
  • a defect of the torsional vibration system can be detected if a temporal twist angle course deviates from an expected course by more than a predetermined amount.
  • the expected course here denotes a temporal course of the
  • Twist angle which will adjust due to the dynamic properties of the rotary vibrator.
  • a linear torsion spring for example, can set as sinusoidal course as expected course.
  • a defect of the torsional vibration system can be detected when an amount ratio between reversing angles immediately following each other during the starting operation exceeds or falls below a predetermined amount.
  • a defect of the torsional vibration system can be detected if a ratio of the mechanical power generated by the starter motor exceeds the predetermined angle of rotation reaches a predetermined level.
  • a current twist angle and the mechanical power generated by the starter motor can be detected or determined.
  • the mechanical power generated by the starter motor can be determined, for example, as a function of an electric power required by the starter motor.
  • the device for starting an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the device comprises at least one internal combustion engine, at least one crankshaft, at least one starter motor, at least one torsionally flexible coupling element and at least one control device.
  • a rotor of the starter motor is mechanically connected via the torsionally flexible coupling element with the crankshaft.
  • a starting torque can be generated and transmitted via the elastic coupling element to the crankshaft.
  • the starting torque is adjustable.
  • the device comprises at least one locking means for the crankshaft, wherein by means of the blocking means a rotation of the crankshaft is mechanically blocked and released.
  • the blocking agent can, as previously explained, as
  • crankshaft brake or be designed as a crankshaft lock.
  • the proposed device allows this advantageously the execution of the previously described method.
  • crankshaft and / or the blocking means is / are configured and / or arranged such that a blockage of the rotation of the crankshaft in several crankshaft positions can be carried out.
  • This can advantageously a desired start cylinder and optionally a desired volume of a
  • Combustion chamber of the start cylinder to be set at the beginning of the starting process.
  • 1 is a schematic block diagram of a drive train
  • Fig. 2 is a schematic diagram of a blocking agent in a first
  • Fig. 3 is a schematic diagram of a blocking agent in a second
  • Fig. 4 is a schematic diagram of a blocking agent in a third
  • FIG. 5 shows a schematic time profile of a starting torque, a rotational speed of an internal combustion engine, a rotational speed of the starter motor and an angle of a torsionally flexible coupling element.
  • Fig. 1 is a schematic block diagram of an inventive device 1 for starting an internal combustion engine 2 is shown.
  • the device 1 comprises, in addition to the internal combustion engine 2, a crankshaft 3 of the internal combustion engine 2, a starter motor 4 and a torsionally elastic coupling element 5, by which the crankshaft 3 is mechanically connected to a rotor 6 of the starter motor 4.
  • the torsionally elastic torsionally elastic torsionally elastic torsionally elastic coupling element 5 by which the crankshaft 3 is mechanically connected to a rotor 6 of the starter motor 4.
  • Coupling element 5 in this case forms the inventive torsionally flexible coupling and may for example be a torsion spring.
  • the device 1 comprises a blocking means 7, by which a rotation of the crankshaft 3 can be mechanically blocked or released.
  • a transmission 8 Also shown is a transmission 8, a drive shaft 9 and a rotatable wheel 10 of a motor vehicle which can be driven by the drive shaft 9.
  • the starting torque AM generated by the starter motor 4 has at least one, but preferably several, sign changes.
  • the blocking means 7 can be activated, whereby a rotation of the crankshaft 3 is mechanically blocked.
  • Time or after this time can also be a reversal of direction.
  • a sign change of the starting torque AM the starter motor 4 generates from this point on a positive starting torque AM and the rotor 6 in the preferred direction of rotation 1 1 drives.
  • a further change of sign to a negative starting torque AM occurs when a renewed reversal of the direction of rotation of the rotor 6 from a direction of rotation in the preferred direction of rotation in a direction of rotation opposite
  • Rotational vibrator During the excitation energy is stored in the rotary oscillator, wherein at the time of reversal of rotation of the rotor 6, the stored energy in the rotary oscillator is completely stored as potential energy.
  • a minimum permissible angle of rotation W that is to say a maximum permissible angle of rotation W
  • a sign change of the starting torque AM takes place, as described above.
  • the blocking means 7 is deactivated, so that the rotation of the crankshaft 3 is released.
  • Internal combustion engine 2 be existing compression and sliding friction moments. Thus, the crankshaft 3 can be driven so that the internal combustion engine 2 can be started.
  • Blocking position are positioned.
  • Starting torque AM occur, so a temporal course of the starting torque AM are generated with at least one change of sign.
  • the described method for starting the internal combustion engine 2 may be combined with other methods of starting. So it is possible at one
  • the proposed method can be combined with a method in which energy of a rolling vehicle to start or to start the
  • Internal combustion engine 2 is used by a torque-transmitting connection between a wheel 10 of the vehicle and the internal combustion engine 2 is activated.
  • a control device may determine which method of starting is carried out as a function of input variables such as a temperature of the internal combustion engine 2, a state of the blocking means 7, a vehicle speed, a pedal position and / or a selector lever position.
  • the control device can also monitor the selected method and, if appropriate, stop it and subsequently carry out a different method.
  • Starting torque AM controlled such that in a last half period with a negative starting torque AM just a minimum allowable angle of rotation W is achieved, but to avoid damage to the elastic coupling element 5 is not exceeded. If the minimum permissible angle of rotation W of the elastic coupling element 5 is reached, there is a change of sign of the starting torque AM, which is now positive. If now, due to a malfunction, no deactivation of the blocking agent 7, so remains the
  • the starting torque AM can be changed immediately after detection of the malfunction to a minimum value and a regenerative operating mode of
  • Starter motor 4 are activated.
  • the starter motor 4 is operated until reaching a maximum angle of rotation W as a generator, whereby the rotary oscillator is actively deprived of energy.
  • a predetermined number of further deactivation attempts of the blocking agent can take place or it can be the starting process
  • Blocking means 7 a minimum allowable or a predetermined negative angle of rotation W is not reached after a predetermined period of time, a termination condition of the starting operation can be met.
  • An abort condition can also be met, for example, if an amount ratio of successive reversal angles is one or more times below a predetermined minimum value.
  • Crankshaft positions can be blocked, so the number of cylinders can be limited, which can be used as a starting cylinder.
  • a start cylinder is understood to be the one cylinder whose upper compression dead center is first overcome from a predetermined crankshaft position during a rotation of the crankshaft 3 in the preferred direction of rotation 1 1. This can usually, but not necessarily, be the cylinder that is also ignited first.
  • the number of starting cylinders may be two, for a three-cylinder engine the number is usually one. Is, e.g. due to an embodiment of the blocking means 7, not every cylinder can be used as a start cylinder, so can already when turning off the
  • the blocking means 7 is designed or designed such that it can block the rotation of the crankshaft 3 in more than one crankshaft position.
  • the blocking means 7 may be formed so as to equidistant the crankshaft 3 in FIG
  • Crankshaft positions can block, so every 10 ° crankshaft angle.
  • the blocking means 7 may be e.g. by a housing, not shown in the
  • Internal combustion engine 2 fastened radially displaceable bolt may be formed, which can be inserted into bores or recesses, which are introduced into the crankshaft 3.
  • the blocking means 7 does not directly block a rotation of the crankshaft 3, ie interacts directly with the crankshaft 3, but instead acts on a further shaft, which is coupled to the crankshaft 3, of the internal combustion engine 2, e.g. on a camshaft, acts.
  • Starting cylinder introduced air is more intense or starts earlier.
  • an ignition energy can be increased in an ignition of the starting cylinder to achieve a reliable ignition.
  • very early fuel pilot injections can take place in the starting cylinder, since, as explained above, the contents of the combustion chamber are no longer exchanged during the starting process and thus a longer time is available for vaporization of the fuel.
  • the proposed method for starting the internal combustion engine 2 advantageously allows a maximum starting torque AM of the starter motor 4 to be generated to be as small as possible. Under these conditions, it may be advantageous for the internal combustion engine 2 to be as early as possible during the starting process makes its own contribution to torque, possibly already with overcoming the first upper compression dead center.
  • crankshaft or camshaft angle is known.
  • (absolute) angle sensors can be used to detect such an angle. These can be improved at low resolution by existing incremental sensors. While maintaining conventional incremental sensors on the crankshaft 3 and / or camshaft, a number and a location of signal edges on an early detection of injection angles or
  • Internal combustion engine 2 may have information present at that time, e.g. a present crankshaft angle, are used as initial values for a new startup, possibly even after a non-volatile storage when the controllers were switched off in the meantime. It is also possible for information present locally in a control unit to be transmitted via a bus system, e.g. a CAN bus, transmitted
  • the crankshaft angle set at the time of activation of the blocking means 7 can be used as the initial value at the next start.
  • a rotor angle of the rotor 6, together with a specific crankshaft angle, can be used to determine the angle of rotation W between the crankshaft 3 and the rotor 6 and thus to determine the rotation of the elastic coupling element 5.
  • the angle of rotation W can be made plausible by predetermined and / or determined torques and / or detected rotational accelerations using mathematical models.
  • valve train such as camshaft phaser
  • a cylinder shutdown additionally or alternatively to set a predetermined
  • Control crankshaft position with activated blocking agent 7 such that a predetermined filling of a combustion chamber is set. Furthermore, a defect of the blocking means 7 and / or its activation can be detected. In this case, it can be detected, for example, whether in an activated state of the blocking means 7
  • Movements of the crankshaft 3 take place. These movements may e.g. be detected by the aforementioned crankshaft or camshaft sensor. In this case, an impermissible movement of the crankshaft 3 can be detected when an amplitude of the movement is above a predetermined value, wherein the predetermined value takes into account an elasticity of the crankshaft 3 and the blocking means 7.
  • the blocking means 7 may be provided with means for detecting an engagement path, e.g. of pins or a locking bar 18 (see, for example, Fig. 2), wherein in an engaged state, the rotation of the crankshaft 3 is blocked. Changes one
  • an electric motor as an actuator for the blocking means 7 can be detected whether a rotation of the rotor of the electric motor corresponds to a desired rotation upon activation of the blocking means 7, whether a voltage is induced in the electric motor or a current consumption of the electric motor deviates from a predetermined current consumption. It is also possible to detect whether there is no commutation in the case of a BLDC motor.
  • a defect of the blocking means 7 can also be detected if, after a deactivation of the blocking means 7, no or only a slight movement of the crankshaft 3 occurs for a predetermined period of time.
  • Fig. 2 shows a schematic diagram of a blocking means 7 in a first
  • the blocking means 7 comprises a gear 12, which is rotatably mounted about a central axis of rotation 13.
  • the gear 12 may be fixed in a torsionally rigid manner on the crankshaft 3 (see FIG. 1).
  • the teeth 14 in a cross section with a sectional plane perpendicular to the central axis of rotation 13 a quarter-circular cross-section.
  • the straight sections 16 in this case run in the radial direction with respect to a center 17 of the gear 12.
  • the blocking means 7 comprises a locking bar 18 which is rotatable about a
  • Rotation axis 19 of the locking bar 18 is mounted.
  • the latching bar 18 has at a gear-side end a latching lug 20, wherein the latching lug 20 can interact with the teeth 14.
  • the rounded portions 15 of the teeth 14 are in this case designed such that when the gear 12 rotates in the counterclockwise direction, which is relative to the central axis of rotation 13 rotates, a tip 21 of the locking tooth 20 along the rounded tooth surface of the teeth 14 can slide without latching with your teeth. In this case, a rotational movement of the gear 12 and thus also the crankshaft 3 is released.
  • the straight portions 16 of the teeth 14 are in this case designed such that when the gear 12 rotates clockwise, formed by the locking lug 20 abutment surface 22 abuts the straight portion 16, whereby the gear 12 is locked to the locking bar 18. In this case, a rotational movement of the gear 12 and thus also the crankshaft 3 is locked.
  • the blocking means 7 further comprises a first spring 23 and a further spring 24.
  • the further spring 24 is attached to a latching nose side portion of the locking bar 18, wherein the first spring with respect to the axis of rotation 19 of the locking bar 18 on a detent side portion opposite portion of Rastbalkens 18 is attached.
  • the blocking means 7 comprises an actuator 25, which can move the further spring 24 in or against a vertical direction, which is represented by an arrow 26.
  • the other spring 24 is positioned by the actuator 25 in a vertical direction 26 upper position.
  • this release position exercises, in particular exclusively, the first spring 23 a force on the locking bar 18, so that the locking lug 20 moves due to the rotation of the locking bar about the rotation axis 19 against the vertical direction 26 shown in FIG. 3 upwards and thus the Rotary movement of the gear 12 releases in both directions of rotation.
  • both the first spring 23 and the further spring 24 exerts a force in the vertical direction 26 on the latching bar 18. Since both forces, with respect to the axis of rotation 19, act on opposite portions of the locking bar 18, there is no rotation of the locking bar 18 and thus no release of
  • Fig. 3 shows a schematic diagram of a blocking means 7 in a second
  • the blocking means 7 comprises a gear 12, which is rotatably mounted about a central axis of rotation 13.
  • the gear 12 may be fixed in a torsionally rigid manner on the crankshaft 3 (see FIG. 1).
  • the gear 12 teeth 14, wherein the teeth 14 in a cross section with a sectional plane perpendicular to the central axis of rotation 13 have a trapezoidal cross-section.
  • the blocking means 7 comprises a locking bar 18 which is rotatably mounted about a rotation axis 19 of the locking bar 18.
  • the latching bar 18 has at a gear-side end on a locking lug 20 with also trapezoidal cross-section, wherein the latching lug 20 can interact with the teeth 14.
  • the blocking means 7 further comprises a first spring 23 and a further spring 24.
  • the further spring 24 is attached to a latching nose side portion of the locking bar 18, wherein the first spring 23 with respect to the axis of rotation 19 of the locking bar 18 on a detent side portion opposite section of the locking bar 18 is attached.
  • the blocking means 7 comprises an actuator 25, which can move the further spring 24 in a vertical direction, which is represented by an arrow 26.
  • the further spring 24 is positioned by the actuator 25 in a vertical direction 26 upper position.
  • the first spring 23 exerts a force on the latching bar 18, so that the latching lug 20 moves upward due to the rotation of the latching bar 18 about the rotation axis 19 against the vertical direction 26 shown in FIG. 3 and thus the rotational movement of the gear 12 releases in both directions of rotation.
  • both the first spring 23 and the further spring 24 exert a force in the vertical direction on the latching bar 18. Since both forces act on, with respect to the axis of rotation 19, opposite portions of the locking bar 18, there is no rotation of the locking bar 18 and thus no release of both rotational movement. Rather, the rotational movement of the gear 12 is locked in both directions of rotation in this blocking position.
  • 4 shows a schematic diagram of a blocking means 7 in a third
  • the blocking means 7 comprises two brake pads 27, the on
  • the blocking means 7 comprises an actuator 25, which can be moved in and against a longitudinal direction, which is symbolized by an arrow 28.
  • the blocking means 7 comprises the respective brake pads 27 associated lever arms 29 which are each rotatably mounted about rotation axes 30. In this case, the axes of rotation 30 extend perpendicular to the longitudinal direction 28.
  • FIG. 4 shows that the lever arms 29 have two arm sections. A first
  • Arm portion 31 extends from the axis of rotation 30 to the corresponding brake pad 27.
  • a second arm portion 32 extends away from the brake pad 27 and encloses an angle ⁇ with the first arm portion. At a free end of the second
  • the blocking means 7 comprises a spring 33 which is arranged between the brake pads 27.
  • the brake pads 27 are not in mechanical contact with the crankshaft 3. If now the actuator 25 moved in the longitudinal direction 28, the brake pads 27 due to the mechanical connection of the actuator 25th pressed with the lever arms 29 and due to the formation and storage of the lever arms 29 against the spring force generated by the spring 33 to the crankshaft 3, whereby a mechanical contact between the brake pads 27 and the crankshaft 3 is made and the crankshaft 3 is braked.
  • Blocking state a rotational movement of the crankshaft 3 is not possible. If the actuator 25 is moved counter to the longitudinal direction 28, the brake pads are moved away from the crankshaft 3 by the spring force generated by the spring 33. As a result, a release state is achieved in which a rotational movement of the crankshaft 3 is released.
  • Fig. 5 shows a schematic course of a starting torque AM by a
  • a modulation of the starting torque AM takes place such that the crankshaft 3 breaks loose. This takes place at the end time E_P1 of the first phase P1.
  • the starting torque AM is modulated in such a way that the crankshaft 3 is moved in a predetermined angular range in such a way that a fuel pump coupled to the crankshaft 3 can build up a desired injection pressure.
  • the starting torque AM is controlled such that the crankshaft 3 is positioned in a crankshaft position in which a blockage of the crankshaft 3 is possible.
  • a blocking time B the rotational movement of the crankshaft 3 is blocked.
  • a fourth phase P4 energy is now accumulated in the above-explained rotary oscillator, with maximum and minimum amplitudes of the speed DA and the angle W increase.
  • the fourth phase P4 takes place in a fifth phase P5, a release of the blockade, which increases at a release time L, the speed DV of the internal combustion engine 2 temporally fast, for example, jump-like.
  • side surfaces of the teeth 14 and the detent 20 may be frictionally engaged when a force acts on these surfaces, e.g. during a blockage of the crankshaft 3.
  • This force is essentially dependent on a twist angle W of the elastic coupling element 5.
  • the frictional force generated by the frictional connection can prevent release, for example when the frictional force is greater than the lifting force exerted by the springs 23, 24 on the detent bar 18.
  • the frictional force will be low when the elastic coupling element 5 is relaxed, that is, has a magnitude small angle of rotation W.
  • a period duration that is to say a time duration between two successive identical sign changes of the direction of rotation, can be for example approximately 120 ms.
  • a time interval for release can include periods of time from 0 ms to 20 ms.
  • the actuator 25 is e.g. designed as an electric motor, possibly with a gear, so this actuator 25 can be controlled even before the release time L, at the latest to the release time L, a movement of the locking bar 18 should be made. This control can be maintained until the end of the movement of the locking bar 18 or even beyond.
  • the actuator 25 may be actuated at a driving time which is a predetermined period, e.g. 70 ms, before the desired release time L is controlled such that a Aktor workedes end of the other spring 24 in a release direction, which is oriented in this case against the vertical direction 26, is moved. From this point on, e.g. a motor of the actuator 25 accelerates.
  • the spring force which builds up during this movement in the release direction, which accelerates the release element, that is to say the latching bar 18, likewise in the release direction, does not exceed the previously explained frictional force until a further point in time, which is later than the actuation time and before the release time L, which is generated by the angle of rotation W of the elastic coupling element 5 dependent frictional connection between the teeth 14 and the locking tooth 20.
  • the driving time and the driving force generated by the actuator 25 is selected in dependence on a time course of the angle of rotation W of the elastic coupling element 5, that the spring force exceeds the frictional force for the previously explained further time and thus accelerates the locking bar 18 in the release direction and thus moved.
  • the release time L is thus set virtually automatically.
  • the increasing angle of rotation W of the elastic coupling element 5 causes an increasing torque on the crankshaft 3, which is accelerated.
  • the locking bar 18 is now so far moved in the release direction 18 that no mechanical contact between the teeth 14 and the locking lug 20 may occur more.
  • the described method is also executable for further embodiments of the blocking means 7, in particular for embodiments in which the adjusting device of the blocking means 7 is connected via an elastic element with a release element.
  • the adjusting device in time before a blocking time B and / or before a desired release time L, the adjusting device can be controlled such that a device-side end of the elastic member is moved towards or in a release direction.
  • a control time and / or the force generated by the adjusting device can be selected depending on a time profile of the angle of rotation W of the elastic coupling element 5, that at a further time the force of the elastic element on the release element a frictional force between the release element and a crankshaft side corresponding element of the blocking agent exceeds.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine (2), wobei eine Kurbelwelle (3) drehelastisch mit einem Rotor (6) eines Anlassmotors (4) gekoppelt ist, wobei in einem Anlassvorgang der Anlassmotor (4) ein Anlassmoment (AM) erzeugt, welches über die drehelastische Kopplung auf die Kurbelwelle (3) übertragen wird, wobei zu einem Startzeitpunkt des Anlassvorgangs ein negatives oder positives Anlassmoment (AM) erzeugt wird, wobei während des Anlassvorgangs mindestens ein Vorzeichenwechsel des Anlassmomentes (AM) erfolgt, wobei vor oder zum Startzeitpunkt eine Rotation der Kurbelwelle (3) mechanisch blockiert wird, wobei die Rotation der Kurbelwelle (3) freigegeben wird, wenn oder nachdem eine in einem Drehschwingsystem gespeicherte Energie eine maximal zulässige Energie oder eine zum Anlassen der Verbrennungskraftmaschine (2) notwendige Energie erreicht, wobei das Drehschwingsystem zumindest aus der drehelastischen Kopplung und dem Rotor (6) des Anlassmotors (4) besteht.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anlassen einer
Verbrennungskraftmaschine.
Die DE 10 2009 033 544 A1 offenbart ein Verfahren zum Anlassen einer
Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei die Verbrennungskraftmaschine ein Antriebsmoment in einer Vorzugsrichtung der Verbrennungskraftmaschine auf eine Kurbelwelle ausübt. Ein Anlassmotor übt in einem Anlassvorgang ein Anlassmoment auf die Kurbelwelle aus, um eine Mindestdrehzahl der Verbrennungskraftmaschine zu erreichen, wobei eine Steuereinheit das Anlassmoment regelt. Hierbei regelt die Steuereinheit in dem Anlassvorgang das Anlassmoment zeitabhängig zwischen einem positiven maximalen Anlassmoment und einem negativen minimalen Anlassmoment, wobei ein positives Anlassmoment in Richtung und ein negatives Anlassmoment entgegen der Vorzugsrichtung auf die Kurbelwelle wirkt.
Die Druckschrift offenbart auch eine Triebstrang-Anordnung, bei der der Rotor des als
Elektromaschine ausgebildeten Anlassmotors drehelastisch mit der Kurbelwelle der
Verbrennungskraftmaschine verbunden ist. Eine solche Anordnung bietet eine Reihe von Vorteilen:
1 . Das einzige rotierende Element des Anlassmotors, nämlich der Rotor, kann eine
Sekundärmasse eines Zweimassenschwungrades (ZMS) ersetzen. Hierdurch kann sich für das mechanische Gesamtsystem aus Kurbelwelle und Anlassvorrichtung ein kleineres Trägheitsmoment ergeben, welches wiederum höhere Drehzahlgradienten bei
Drehzahl-Änderungen erlaubt und somit eine höhere Dynamik im Betrieb des
Kraftfahrzeugs ermöglicht.
2. Durch geeignete Ansteuerung des Anlassmotors können Dreh-Ungleichförmigkeiten der Kurbelwelle vollständig oder teilweise kompensiert werden. Die Anordnung erlaubt somit eine aktive Schwingungstilgung oder -dämpfung.
3. Da zur Ansteuerung des Anlassmotors in der Regel ein elektrischer Rotorwinkel erforderlich ist, kann dieser mit wenig mehr Aufwand in einen mechanischen Rotorwinkel umgerechnet werden. Ist auch ein Kurbelwellenwinkel bekannt, so kann aus der Differenz zwischen dem Kurbelwellenwinkel und dem mechanischen Rotorwinkel ein Verdrehwinkel eines elastischen Kopplungselements, beispielsweise einer Drehfeder, bestimmt werden. In Abhängigkeit dieses Verdrehwinkels kann ein aktuell übertragenes Drehmoment zwischen Rotor und Kurbelwelle bestimmt werden. Somit ergibt sich vorteilhaft, dass keine direkte Messung des Drehmoments erforderlich ist.
4. Ist, wie vorhergehend erläutert, der Drehwinkel bekannt, so kann in Abhängigkeit des
Drehwinkels eine verbesserte Lastwechselregelung erfolgen, bei der trotz des sich elastisch verhaltenen Triebstrangs schnelle und komfortable Laständerungen ausgeregelt werden können.
5. In Abhängigkeit des Drehwinkels kann ebenfalls eine Regelung des Anlassvorgangs derart erfolgen, dass ein maximaler Betrag des Verdrehwinkels nicht überschritten wird. Hierdurch kann z.B. eine mechanische Beanspruchung von Endanschlägen verhindert werden. Als Stellgröße für eine solche Regelung kann beispielsweise das von dem Anlassmotor erzeugte Anlassmoment, das von der Verbrennungskraftmaschine erzeugte Moment oder, bei einem Automatikgetriebe, eine Kupplungskapazität als Stellgröße verwendet werden.
6. Es fällt bei einer solchen Triebstrang-Anordnung kein Verschleiß von z.B. Riemen an.
7. Weiter werden in einer solchen Anordnung keine Riemen-Verluste erzeugt.
Nachteilig an einer solchen Anordnung ist dagegen, dass insbesondere zum Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine hohe Drehmomente vom Anlassmotor erzeugt werden müssen, insbesondere dann, wenn keine Drehmomenten-Übersetzung zwischen der Kurbelwelle und dem Rotor existiert.
Wird das in der DE 10 2009 033 544 A1 offenbarte Verfahren in einer derartigen
Triebstrang- Anordnung angewendet, so wird sich die Kurbelwelle der
Verbrennungskraftmaschine schon vor Erreichen eines maximal zulässigen Verdrehwinkels des drehelastischen Kopplungselements bewegen, d.h. mitschwingen. Durch das insbesondere bei niedrigen Temperaturen hohe Reibmoment der Kurbelwelle, einschließlich der mit der
Kurbelwelle gekoppelten weiteren Bauelemente, z.B. der Kolben und der Nockenwelle, wird der Anordnung Energie entzogen, die wünschenswerterweise zum Anlassen zur Verfügung stehen sollte. Insbesondere kann es zu einem Gleichgewicht kommen, bei dem die durch das Anlassmoment zugeführte Energie der abgeführten Reibenergie entspricht. In diesem Fall wäre ein Anlassen der Verbrennungskraftmaschine nicht möglich.
Die DE 10 2012 201 102 A1 offenbart ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine, die zum Starten des Verbrennungsmotors kinematisch mit dem
Verbrennungsmotor koppelbar ist und die während des Betriebs des Verbrennungsmotors von dem Verbrennungsmotor kinematisch entkoppelbar ist. Weiter umfasst das Fahrzeug eine Energierekuperations- und Speichereinrichtung, wobei die Energierekuperations- und
Speichereinrichtung während des Abschaltens bzw. während des Auslaufens des
Verbrennungsmotors kinematisch mit dem Verbrennungsmotor koppelbar ist und zumindest einen Teil der im Moment des Abschaltens des Verbrennungsmotors im Verbrennungsmotor gespeicherten kinetischen Energie aufnimmt und speichert.
Es stellt sich das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, die ein zuverlässiges Anlassen der
Verbrennungskraftmaschine ermöglichen, wobei Anforderungen an eine Höhe eines maximal zu erzeugenden Anlassmoments reduziert werden können.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Es ist eine Grundidee der Erfindung, eine Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine solange an einer Rotation zu hindern, bis ein aus der Kurbelwelle, einem Rotor des Anlassmotors und einem diese mechanisch verbindenden elastischen Kopplungselement gebildeter
Drehschwinger einen Zustand erreicht, in dem eine in dem Drehschwinger gespeicherte Energie, die sich aus einer potentiellen Energie des drehelastischen Kopplungselements und einer kinetischen Energie des Rotors des Anlassmotors zusammensetzt, ausreicht, um die Verbrennungskraftmaschine anzulassen. Insbesondere reicht die im Drehschwinger gespeicherte Energie aus, um ein z.B. durch eine Haftreibung der Verbrennungskraftmaschine erforderliches Losbrechmoment sowie Kompressions- und Gleitreibungsmomente der
Verbrennungskraftmaschine zu überwinden.
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine, wobei eine Kurbelwelle drehelastisch mit einem Rotor einer Elektromaschine gekoppelt ist, beispielsweise über ein elastisches Kopplungselement. In einem Anlassvorgang erzeugt der Anlassmotor ein Anlassmoment, welches über die drehelastische Kopplung auf die Kurbelwelle übertragen wird. Der Anlassmotor kann hierbei als Elektromaschine ausgebildet sein.
Zu einem Startzeitpunkt des Anlassvorgangs wird ein negatives oder positives Anlassmoment erzeugt. Hierbei bezeichnet ein positives Anlassmoment ein Anlassmoment, welches in einer Vorzugsdrehrichtung der Kurbelwelle auf die Kurbelwelle wirkt. Entsprechend bezeichnet ein negatives Anlassmoment ein Drehmoment, welches entgegen der Vorzugsdrehrichtung auf die Kurbelwelle wirkt. Die Vorzugsdrehrichtung der Kurbelwelle entspricht der Drehrichtung der Kurbelwelle während eines Betriebes der Verbrennungskraftmaschine. Somit kann der
Anlassvorgang entweder mit einem in Vorzugsdrehrichtung wirkenden Drehmoment oder einem entgegen der Vorzugsdrehrichtung wirkenden Drehmoment beginnen. Während des
Anlassvorgangs erfolgt mindestens ein Vorzeichenwechsel des Anlassmoments. Zeitlich nach dem Startzeitpunkt wird also der Anlassmotor derart angesteuert, dass auf ein zum
Startzeitpunkt negatives Anlassmoment folgend ein positives Anlassmoment oder auf ein zum Startzeitpunkt erzeugtes positives Anlassmoment folgend ein negatives Anlassmoment erzeugt wird. Vorzugsweise erfolgen mehrere Vorzeichenwechsel des Anlassmoments während des Anlassvorgangs. Dies kann auch als Modulation des Anlassmoments beschrieben werden. Die Modulation des Anlassmoments beschreibt somit eine Regelung des Anlassmoments, wobei das Anlassmoment zwischen einem positiven Anlassmoment und einem negativen
Anlassmoment wechselt. Ein Vorzeichenwechsel des Anlassmoments kann z.B. zeitabhängig, also nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer erfolgen. Vorzugsweise erfolgt ein
Vorzeichenwechsel des Anlassmoments zu einem Zeitpunkt oder kurz nach einem Zeitpunkt, an dem ein Vorzeichenwechsel der Drehbewegung des Rotors erfolgt.
Hierbei kann eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, die das Anlassmoment gemäß der vorhergehend beschriebenen Modulation des Anlassmoments regelt. Insbesondere kann das Anlassmoment zwischen einem positiven maximalen Anlassmoment und einem negativen minimalen Anlassmoment geregelt werden, wobei ausschließlich das positive maximale Anlassmoment oder das negative minimale Anlassmoment durch den Anlassmotor erzeugt wird.
Entspricht ein Vorzeichen des Anlassmoments immer dem Vorzeichen der Drehbewegung des Rotors des Anlassmotors, so wird dieser ausschließlich in einem motorischen Betriebsmodus betrieben. Erfindungsgemäß wird vor oder zum Startzeitpunkt eine Rotation der Kurbelwelle mechanisch blockiert. Die mechanische Blockade kann hierbei beispielsweise durch ein Blockiermittel durchgeführt werden. Z.B. kann die Rotation der Kurbelwelle mit einer Kurbelwellenbremse, d.h. durch eine reibschlüssige Verbindung zwischen der Kurbelwelle und dem Blockiermittel, blockiert werden. Alternativ kann die Rotation der Kurbelwelle durch eine Kurbelwellensperre, d.h. eine formschlüssige Verbindung zwischen der Kurbelwelle und dem Blockiermittel, blockiert werden.
Die Rotation der Kurbelwelle wird wieder freigegeben, wenn oder nachdem eine in einem Drehschwingsystem gespeicherte Energie eine maximal zulässige Energie oder eine zum Anlassen der Verbrennungskraftmaschine notwendige Energie erreicht. Somit kann die
Rotation der Kurbelwelle genau an dem Zeitpunkt freigegeben werden, zu dem die im
Drehschwingsystem gespeicherte Energie die maximal zulässige Energie oder die zum
Anlassen der Verbrennungskraftmaschine notwendige Energie erreicht. Alternativ kann die Rotation der Kurbelwelle zeitlich nach dem Zeitpunkt freigegeben werden, zu dem die im Drehschwingsystem gespeicherte Energie die maximal zulässige Energie oder die zum
Anlassen der Verbrennungskraftmaschine notwendige Energie erreicht hat. Die zeitliche Differenz zwischen Erreichen der maximalen oder notwendigen Energie und der Freigabe kann beispielsweise eine vorbestimmte Zeitdauer sein, z.B. eine Zeitdauer, die zum Erreichen einer gewünschten Phase der Drehschwingung benötigt wird.
Bei blockierter Kurbelwelle bilden die drehelastische Kopplung und der Rotor des Anlassmotors und gegebenenfalls weitere mit dem Rotor mechanisch verbundene Teile ein
Drehschwingsystem oder einen so genannten Drehschwinger. Während des Anlassvorgangs wird in drehelastischen Kopplung gespeicherte potentielle Energie in kinetische Energie des Rotors des Anlassmotors umgewandelt und umgekehrt. In jeder Periode zwischen zwei gleichartigen Vorzeichenwechseln der Rotordrehzahl gibt es somit zwei Zeitpunkte, zu denen die potentielle Energie maximal und die kinetische Energie Null ist, und zwei Zeitpunkte, zu denen die potentielle Energie Null und die kinetische Energie maximal ist. Während des
Anlassvorgangs wird bei blockierter Kurbelwelle die im Drehschwingsystem gespeicherte Energie ansteigen, da die vom Anlassmotor zu geführte Energie größer als die im Wesentlichen durch Reibung abgeführte Energie ist.
Die notwendige Energie zum Anlassen der Verbrennungskraftmaschine kann hierbei kleiner als die maximal zulässige Energie sein. Die maximal zulässige Energie kann z.B. eine potentielle Energie in einem Zustand betragsmäßig maximaler Verdrehungen sein, wobei in dem entsprechenden Zustand die drehelastische Kopplung nicht beschädigt wird.
Vorzugsweise wird die Rotation der Kurbelwelle freigegeben, wenn die potentielle Energie Null und die kinetische Energie des Drehschwingsystems maximal ist. Zeitlich kann dies eine Viertelperiode nach einem Durchlaufen eines minimalen Drehwinkels der Fall sein.
Z.B. kann die Rotation der Kurbelwelle auch dann freigegeben werden, wenn oder nachdem eine in der drehelastischen Kopplung des Drehschwingers gespeicherte potentielle Energie eine maximal zulässige Energie erreicht oder die in der drehelastischen Kopplung des
Drehschwingers gespeicherte potentielle Energie eine zum Anlassen der
Verbrennungskraftmaschine notwendige Energie erreicht. Eine maximal zulässige Energie wird in diesem Fall z.B. erreicht, wenn ein Verdrehwinkel einen betragsmäßig maximalen
Verdrehwinkel erreicht. Der Verdrehwinkel beschreibt hierbei die Verdrehung des Rotors relativ zur Kurbelwelle. Eine zum Anlassen der Verbrennungskraftmaschine notwendige Energie kann beispielsweise erreicht werden, wenn ein vorbestimmter Drehwinkel erreicht wird, der betragsmäßig kleiner als der betragsmäßig maximal zulässige Drehwinkel ist. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine für den Anlassvorgang benötigte Leistung reduziert werden.
Insbesondere ist nämlich bei kalten Verbrennungskraftmaschinen eine höhere Leistung beim Anlassen notwendig als bei warmen Verbrennungskraftmaschinen.
Das vorgeschlagene Verfahren beschreibt somit ein An- oder Aufschwingen des aus dem elastischen Kopplungselement und der Drehmasse des Rotors bestehenden mechanischen Systems gegenüber einer gebremsten Kurbelwelle. Wird die Kurbelwelle wieder freigegeben, so kann die in dem aufgeschwungenen System gespeicherte Energie zum Antrieb der Kurbelwelle genutzt werden.
Es ist auch möglich, dass ein Vorzeichenwechsel des Anlassmoments zeitlich derart erfolgt, dass eine Resonanzfrequenz des Drehschwingers angeregt wird. Hierbei kann der
Vorzeichenwechsel z.B. zeitlich entsprechend der Resonanzfrequenz erfolgen.
Es ist möglich, dass die Blockade der Kurbelwelle bereits bei einem vorhergehenden
Abschalten oder Ausstellen der Verbrennungskraftmaschine, z.B. beim Parken des Fahrzeugs, erfolgt. Somit können bei einem nachfolgenden Anschalten bzw. bei einem Aktivieren der Zündung der beschriebene Anlassvorgang unmittelbar beginnen. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass als Anlassmotor eine Elektromaschine mit einem sehr geringen maximal erzeugbaren Anlassmoment verwendet werden kann, da durch die Verhinderung der Rotation der Kurbelwelle keine Reibungsverluste der Kurbelwelle beim Anlassen durch den Anlassmotor kompensiert werden müssen.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Rotation der Kurbelwelle freigegeben, nachdem während einer Ausübung eines negativen Anlassmoments ein minimal zulässiger
Verdrehwinkel oder ein vorbestimmter Verdrehwinkel erreicht wurde und/oder ein
Vorzeichenwechsel des Anlassmoments erfolgte. Die Modulation des Anlassmoments kann also solange erfolgen, bis ein minimal zulässiger Verdrehwinkel erreicht, und vorzugsweise nicht überschritten, wurde und ein Vorzeichenwechsel des negativen Anlassmoments auf ein positives Anlassmoment erfolgt. In diesem Fall wird die in dem Drehschwinger gespeicherte potentielle Energie derart auf die Kurbelwelle übertragen, dass eine Rotation der Kurbelwelle in Vorzugsdrehrichtung erfolgt. Somit kann die Verbrennungskraftmaschine in vorteilhafter Weise in Vorzugsdrehrichtung angelassen werden.
Vorzugsweise erfolgt die Freigabe der Rotation der Kurbelwelle, nachdem während einer Ausübung eines negativen Anlassmoments ein minimal zulässiger Verdrehwinkel oder ein vorbestimmter minimaler Verdrehwinkel erreicht wurde, ein Vorzeichenwechsel des
Anlassmoments erfolgte und während der nachfolgenden Ausübung eines positiven
Anlassmoments ein Betrag einer Differenz zwischen einem aktuellen Verdrehwinkel und einem Nullwinkel einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet. Somit erfolgt die Freigabe in der Nähe des Nulldurchgangs des Verdrehwinkels.
Weiter vorzugsweise kann nach Freigabe der Rotation der Kurbelwelle ausschließlich ein positives Anlassmoment durch den Anlassmotor erzeugt und über das elastische
Kopplungselement auf die Kurbelwelle übertragen werden.
Hierdurch wird in vorteilhafter Weise ein auf die freigegebene Kurbelwelle wirkendes
Drehmoment maximiert, wodurch die vorhergehend erläuterte Haftreibung der
Verbrennungskraftmaschine sowie Kompressions- und Gleitreibungsmomente von Elementen der Verbrennungskraftmaschine überwunden werden können.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt nach Freigabe der Rotation der Kurbelwelle eine Zündung eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem Verbrennungsraum mindestens eines Zylinders der Verbrennungskraftmaschine. Vorzugsweise erfolgt eine Zündung, wenn ein Kolben der Verbrennungskraftmaschine während einer Rotation der Kurbelwelle in Vorzugsdrehrichtung einen oberen Totpunkt in oder nach einem Kompressionstakt erreicht.
Die Zündung kann hierbei eine Fremdzündung oder Selbstzündung sein. Bei einer
Fremdzündung kann beispielsweise ein Zündzeitpunkt von mindestens einer dem mindestens einen Zylinder zugeordneten Zündkerze entsprechend eingestellt werden. Bei einer
Fremdzündung kann beispielsweise eine Temperatur und/oder ein Druck im Verbrennungsraum entsprechend eingestellt werden.
Durch die Zündung, die insbesondere zum Zeitpunkt des Erreichens des oberen Totpunkts in oder nach einem Kompressionstakt erfolgt, wird ein weiteres, in Vorzugsdrehrichtung wirkendes, Moment auf die Kurbelwelle erzeugt, welches den Anlassvorgang unterstützt.
Hierdurch kann ein maximal erzeugbares Drehmoment des Anlassmotors weiter reduziert werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird vor der Blockade der Rotation der Kurbelwelle ein Aniassmomentenveriauf des Anlassmoments derart erzeugt, dass eine Rotation der Kurbelwelle erfolgt. Hierbei ist die Rotation der Kurbelwelle mechanisch freigegeben. Insbesondere kann ein Aniassmomentenveriauf derart erzeugt werden, dass ein Haftreibungsmoment der Kurbelwelle sowie von Elementen, z.B. Kolben, der Verbrennungskraftmaschine überwunden wird und ein Losbrechen der Kurbelwelle erfolgt. Z.B. kann das Anlassmoment in dem
Aniassmomentenveriauf derart erzeugt werden, dass die Kurbelwelle in eine vorbestimmte Kurbelwellenposition positioniert wird. Die vorbestimmte Position kann beispielsweise eine Blockierposition sein, wobei die Kurbelwelle ausschließlich in der Blockierposition mechanisch blockierbar ist. Der Aniassmomentenveriauf kann derart erzeugt werden, dass er mindestens einen Vorzeichenwechsel aufweist (Modulation des Anlassmoments).
Alternativ oder kumulativ kann der Aniassmomentenveriauf, z. B. mit mindestens einem
Vorzeichenwechsel des Anlassmoments, derart erfolgen, dass die Kurbelwelle in einer vorbestimmten Kurbelwellenposition vorpositioniert wird. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein Start-Zylinder und/oder ein Volumen des Verbrennungsraumes des Start-Zylinders vor dem Anlassvorgang eingestellt werden. Ein Start-Zylinder beschreibt hierbei einen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine, der bei einer (freigegebenen) Rotation der Kurbelwelle in
Vorzugsdrehrichtung als erster von mehreren Zylindern seinen oberen Kompressions-Totpunkt erreicht, wobei der obere Kompressions-Totpunkt den oberen Totpunkt in oder nach einem Kompressionstakt beschreibt. Auch kann der Anlassmomentenverlauf derart erzeugt werden, dass ein vorbestimmter Kraftstoffdruck aufgebaut wird. Hierzu kann die Kurbelwelle mechanisch unmittelbar oder mittelbar, z.B. über eine Nockenwelle, eine Pumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems antreiben. Dies ist insbesondere bei so genannten Common-Rail-Otto- oder Common-Rail-Diesel-Motoren der Fall. Somit kann in vorteilhafter Weise durch eine Rotation der Kurbelwelle vor Beginn des eigentlichen Anlassvorgangs ein gewünschter Kraftstoffdruck aufgebaut werden, der für eine nachfolgende Einspritzung und Zündung, insbesondere bei Diesel- Verbrennungskraftmaschinen, notwendig ist.
Hierbei wird also noch vor einer mechanischen Blockade der Rotation der Kurbelwelle, z. B. durch eine Modulation des Anlassmoments eine Drehbewegung der Kurbelwelle erzeugt. Diese Drehbewegung dient hierbei jedoch nicht zum Anlassen der Verbrennungskraftmaschine, sondern einem Druckaufbau und/oder einer Vorpositionierung der Kurbelwelle.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Kurbelwelle vor dem Startzeitpunkt in eine vorbestimmte Blockierposition positioniert. Hierbei kann die Blockierposition eine Position der Kurbelwelle bezeichnen, in welcher eine Rotation der Kurbelwelle blockiert werden kann.
Insbesondere kann die Blockierposition durch eine mechanische Ausbildung des Blockiermittels vorgegeben sein. Vorzugsweise ist daher das Blockiermittel derart ausgelegt, dass es in mehr als einer Kurbelwellenposition die Rotation der Kurbelwelle mechanisch blockieren kann.
Die Blockierposition kann auch in Abhängigkeit eines gewünschten Start-Zylinders eingestellt werden. Hierbei kann die Kurbelwelle derart positioniert werden, dass, ausgehend von der aktuellen Position der Kurbelwelle, ein gewünschter Zylinder während einer Rotation der Kurbelwelle in Vorzugsdrehrichtung als erster von mehreren Zylindern den oberen
Kompressions-Totpunkt erreicht.
Auch kann die Blockierposition in Abhängigkeit eines gewünschten Volumens eines
Verbrennungsraumes des (Start-)Zylinders eingestellt werden. So erleichtert z.B. ein kleines Volumen des (Start-)Zylinders zu Beginn des Anlassvorgangs eine Überwindung des folgenden oberen Kompressions-Totpunkts, jedoch wird gegebenenfalls eine Zündung des
Brennstoff-Luft-Gemisches erschwert, wodurch ein Arbeitsbeitrag zur Überwindung des zweiten oberen Kompressions-Totpunkts erschwert wird. Ein großes Volumen des
Verbrennungsraumes zu Beginn des Anlassvorgangs erfordert dagegen eine höhere Energie zur Überwindung des ersten folgenden oberen Kompressions-Totpunkts, erleichtert jedoch durch den aufgrund der Zündung erfolgenden höheren Arbeitsbeitrag die erste Verbrennung und somit den weiteren Startvorgang.
Eine Positionierung der Kurbelwelle in einer vorbestimmten Blockierposition kann auch bei einem vorhergehenden Abstellen oder Ausschalten der Verbrennungskraftmaschine, z.B. durch ein geeignetes Abbremsen der Rotation der Kurbelwelle, erfolgen. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise bereits beim Abstellen noch vorhandene Rotationsenergie der Kurbelwelle genutzt werden, um die gewünschte Blockierposition einzustellen.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein generatorischer Betriebsmodus des Anlassmotors aktiviert, wenn eine Abbruchbedingung des Anlassvorgangs erfüllt ist, nachdem die Rotation der Kurbelwelle blockiert wurde. In den generatorischen Betriebsmodus wird von dem
Drehschwinger erzeugte kinetische Energie durch den auch als Generator betreibbaren Anlassmotor in elektrische Energie umgewandelt. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise dem Drehschwinger Energie entzogen werden.
Ist eine Abbruch bedingung des Anlassvorgangs erfüllt, so kann die Blockade der Rotation der Kurbelwelle sofort oder bei Erreichen eines vorbestimmten Gegenmoments gelöst werden, wobei das Gegenmoment das von der Kurbeiwelle auf das elastische Kopplungsmoment ausgeübte Drehmoment bezeichnet. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine Amplitude der Drehschwingung möglichst rasch reduziert werden. Alternativ kann die mechanische Blockade bei Erreichen eines unteren Schwellwerts eines Kraftstoffdruckes gelöst werden, wobei der untere Schwellwert einen Kraftstoff druck definiert, der einen Start der
Verbrennungskraftmaschine nicht mehr sicher ermöglicht. Weiter alternativ kann das Lösen der Blockade erst zu Beginn eines erneuten Anlassvorgangs, jedoch vor dem vorgeschlagenen Startzeitpunkt, erfolgen, beispielsweise wenn die Verbrennungskraftmaschine nach einem vorhergehenden Abstellen der Verbrennungskraftmaschine erneut aktiviert wird.
Ein generatorischer Betriebsmodus des Anlassmotors kann auch aktiviert werden, wenn die Bedingung(en) für das Lösen der Blockade der Kurbelwelle erfüllt ist/sind, das Lösen jedoch aufgrund einer Fehlfunktion nicht erfolgt. Hierdurch kann dem Drehschwinger aktiv Energie entzogen werden, wodurch eine Betriebssicherheit erhöht wird.
Eine Abbruchbedingung des Anlassvorgangs kann beispielsweise dann erfüllt sein, falls ein Defekt des Blockiermittels und/oder dessen Ansteuerung detektiert wird. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine Betriebssicherheit während des
Anlassvorgangs auch dann gewährleistet ist, wenn bereits Energie im Drehschwinger gespeichert ist, der Anlassvorgang jedoch abgebrochen werden muss. Diese Energie kann in vorteilhafter Weise durch eine so genannte Rekuperation wieder in elektrische Energie gewandelt werden, wodurch z.B. eine Batterie des Fahrzeugs aufgeladen werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform steigt ein Sollmoment des Anlassmotors mit abnehmender Differenz zwischen einem aktuellen Verdrehwinkel und dem minimal zulässigen oder dem vorbestimmten negativen Verdrehwinkel kontinuierlich an. Hierbei erfolgt eine
vorzeichensensitive Betrachtung sowohl des Sollmoments als auch der Differenz. Dies kann insbesondere in einer Halbschwingung von einem positiven Umkehrwinkel zu einem negativen Umkehrwinkel erfolgen, wobei ein Umkehrwinkel einen Verdrehwinkel bezeichnet, an dem eine Umkehr der Drehrichtung des Rotors erfolgt. Nähert sich der aktuelle Verdrehwinkel dem minimal zulässigen Verdrehwinkel an, so nimmt die vorhergehend beschriebene Differenz ab. Gleichzeitig steigt jedoch das Sollmoment des Anlassmotors. Somit wird die Rotation des Rotors entgegen der Vorzugsdrehrichtung, welche durch ein negatives Sollmoment bewirkt wird, mit abnehmender Differenz weniger unterstützt oder, falls das Sollmoment positiv wird, dieser sogar entgegengesteuert.
Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine mechanische Beschädigung des elastischen Kopplungselements vermieden werden, da ein Unterschreiten des minimal zulässigen oder des vorbestimmten negativen Verdrehwinkels vermieden wird. Alternativ kann das Sollmoment des Anlassmotors mit abnehmender Differenz zwischen dem aktuellen Verdrehwinkel und dem minimal zulässigen oder dem vorbestimmten negativen Verdrehwinkel in einem oder mehreren Schritten schrittweise ansteigen. So ist z.B. vorstellbar, dass bei Unterschreiten einer vorbestimmten Differenz das Sollmoment sprungartig auf einen Sollwert von Null gestellt wird und bei Drehrichtungsumkehr des Rotors oder bei Erreichen des minimal zulässigen bzw. vorbestimmten negativen Verdrehwinkels sprungartig ein positives Sollmoment eingestellt wird. Weiter alternativ ist vorstellbar, dass bei Unterschreiten einer vorbestimmten Differenz das Sollmoment sprungartig auf ein positives bzw. negatives Sollmoment eingestellt wird.
Alternativ oder kumulativ sinkt das Sollmoment des Anlassmotors mit abnehmender Differenz zwischen dem maximal zulässigen Verdrehwinkel oder einem vorbestimmten positiven
Verdrehwinkel und einem aktuellen Verdrehwinkel kontinuierlich oder in einem oder mehreren Schritten schrittweise ab. Dies kann insbesondere in einer Halbschwingung von einem negativen Umkehrwinkel zu einem positiven Umkehrwinkel erfolgen.
Der vorbestimmte negative Verdrehwinkel bzw. der vorbestimmte Verdrehwinkel bezeichnen hierbei Verdrehwinkel, bei deren Erreichen genügend Energie im Drehschwinger gespeichert ist, um die Verbrennungskraftmaschine anzulassen.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine erhöhte Betriebssicherheit bei der Anregung des vorhergehend erläuterten Drehschwingers zum Anlassen der Verbrennungskraftmaschine, da zulässige Verdrehwinkel nicht unterschritten bzw. überschritten werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Defekt des Drehschwingsystems detektiert, falls eine Frequenz der Vorzeichenwechsel des Anlassmoments um mehr als ein vorbestimmtes Maß von einer vorbestimmten Resonanzfrequenz abweicht. Wird das Vorzeichen des
Anlassmoments immer dann gewechselt, wenn auch eine Drehrichtungsumkehr des Rotors des Anlassmotors erfolgt, so können Zeitpunkte der Vorzeichenwechsel erfasst und hieraus eine Frequenz der Vorzeichenwechsel bestimmt werden. Weicht diese Frequenz von einer bekannten, beispielsweise durch Versuche oder Modellierung bestimmten Resonanzfrequenz des Drehschwingsystems ab, so kann ein Defekt des Drehschwingers detektiert werden.
Alternativ oder kumulativ kann ein Defekt des Drehschwingsystems detektiert werden, wenn eine Differenz zwischen Beträgen der während des Anlassvorgangs unmittelbar
aufeinanderfolgenden Umkehrwinkel, beispielsweise der maximalen positiven und maximalen negativen Drehwinkeln, eine vorbestimmte Differenz überschreitet. Während des
Anlassvorgangs kann ein Betrag des Verdrehwinkels kontinuierlich ansteigen. Dieser Anstieg ist jedoch durch dynamische Eigenschaften des Drehschwingers in seiner Höhe begrenzt.
Überschreitet die Differenz von Beträgen von aufeinanderfolgenden Umkehrwinkeln ein vorbestimmtes Maß, steigt oder fällt der während des Anlassvorgangs aktuell erreichte
Verdrehwinkel also unverhältnismäßig an oder ab. Auch in diesem Fall kann ein Defekt des Drehschwingsystems detektiert werden.
Alternativ oder kumulativ kann ein Defekt des Drehschwingsystems detektiert werden, wenn ein zeitlicher Verdrehwinkel-Verlauf von einem erwarteten Verlauf um mehr als ein vorbestimmtes Maß abweicht. Der erwartete Verlauf bezeichnet hierbei einen zeitlichen Verlauf des
Verdrehwinkels, der sich aufgrund der dynamischen Eigenschaften des Drehschwingers einstellen wird. Bei einer drehelastischen Kopplung mit linearen Eigenschaften, beispielsweise einer linearen Drehfeder, kann sich z.B. als erwarteter Verlauf ein sinusförmiger Verlauf einstellen.
Alternativ oder kumulativ kann ein Defekt des Drehschwingsystems detektiert werden, wenn ein Betrags-Verhältnis zwischen während des Anlassvorgangs unmittelbar aufeinanderfolgenden Umkehrwinkeln einen vorbestimmten Betrag unter- oder überschreitet.
Weiter alternativ oder kumulativ kann ein Defekt des Drehschwingsystems detektiert werden, falls ein Verhältnis der vom Anlassmotor erzeugten mechanischen Leistung zum erreichten Verdrehwinkel ein vorbestimmtes Maß überschreitet. Hierfür kann ein aktueller Verdrehwinkel sowie die vom Anlassmotor erzeugte mechanische Leistung erfasst oder bestimmt werden. Die vom Anlassmotor erzeugte mechanische Leistung kann beispielsweise in Abhängigkeit einer vom Anlassmotor benötigten elektrischen Leistung bestimmt werden.
Wird ein Defekt des Drehschwingsystems detektiert, so kann eine Abbruchbedingung des Anlassvorgangs erfüllt sein.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Erhöhung der Betriebssicherheit während eines Anlassvorgangs, da die Funktionsfähigkeit des Drehschwingers überwacht werden kann.
Weiter vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung umfasst mindestens eine Verbrennungskraftmaschine, mindestens eine Kurbelwelle, mindestens einen Anlassmotor, mindestens ein drehelastisches Kopplungselement und mindestens eine Steuereinrichtung. Ein Rotor des Anlassmotors ist über das drehelastische Koppelelement mit der Kurbelwelle mechanisch verbunden. Mittels der Verbrennungskraftmaschine ist ein Antriebsmoment in einer Vorzugsrichtung der
Verbrennungskraftmaschine auf die Kurbelwelle ausübbar. Durch den Anlassmotor ist in einem Anlassvorgang ein Anlassmoment erzeugbar und über das elastische Koppelelement auf die Kurbelwelle übertragbar. Mittels der Steuereinrichtung ist das Anlassmoment regelbar.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung mindestens ein Blockiermittel für die Kurbelwelle, wobei mittels des Blockiermittels eine Rotation der Kurbelwelle mechanisch blockierbar und freigebbar ist. Insbesondere kann das Blockiermittel, wie vorhergehend erläutert, als
Kurbelwellenbremse oder als Kurbelwellensperre ausgeführt sein. Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht hierbei in vorteilhafter Weise die Ausführung der vorhergehend beschriebenen Verfahren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist/sind die Kurbelwelle und/oder das Blockiermittel derart ausgestaltet und/oder angeordnet, dass eine Blockade der Rotation der Kurbelwelle in mehreren Kurbelwellenpositionen durchführbar ist. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein gewünschter Start-Zylinder und gegebenenfalls ein gewünschtes Volumen einer
Verbrennungskammer des Start-Zylinders zu Beginn des Anlassvorgangs eingestellt werden.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Antriebstranges,
Fig. 2 ein schematisches Schaubild eines Blockiermittels in einer ersten
Ausführungsform,
Fig. 3 ein schematisches Schaubild eines Blockiermittels in einer zweiten
Ausführungsform.
Fig. 4 ein schematisches Schaubild eines Blockiermittels in einer dritten
Ausführungsform und
Fig. 5 einen schematischen zeitlichen Verlauf eines Anlassmoments, einer Drehzahl einer Verbrennungskraftmaschine, einer Drehzahl des Anlassmotors und eines Winkels eines drehelastischen Kopplungselements.
Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
In Fig. 1 ist ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine 2 dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst neben der Verbrennungskraftmaschine 2 eine Kurbelwelle 3 der Verbrennungskraftmaschine 2, einen Anlassmotor 4 und ein drehelastisches Kopplungselement 5, durch welches die Kurbelwelle 3 mit einem Rotor 6 des Anlassmotors 4 mechanisch verbunden ist. Das drehelastische
Kopplungselement 5 bildet hierbei die erfindungsgemäße drehelastische Kopplung aus und kann beispielsweise eine Drehfeder sein. Weiter umfasst die Vorrichtung 1 ein Blockiermittel 7, durch welches eine Rotation der Kurbelwelle 3 mechanisch blockiert oder freigegeben werden kann. Weiter dargestellt ist ein Getriebe 8, eine Antriebswelle 9 und ein durch die Antriebswelle 9 antreibbares drehbares Rad 10 eines Kraftfahrzeugs.
Nicht dargestellt ist eine Steuereinrichtung, welche den Anlassmotor 4 derart steuert, dass während eines Anlassvorgangs das von dem Anlassmotor 4 erzeugte Anlassmoment AM (siehe Fig. 5) mindestens einen, vorzugsweise jedoch mehrere, Vorzeichenwechsel aufweist. Zu einem Startzeitpunkt des Anlassvorgangs oder vor dem Startzeitpunkt kann das Blockiermittel 7 aktiviert werden, wodurch eine Rotation der Kurbelwelle 3 mechanisch blockiert wird.
Mechanisch blockiert bedeutet hierbei, dass eine Rotation der Kurbelwelle 3 nicht möglich ist. Zu dem Startzeitpunkt wird durch den Anlassmotor 4 z.B. ein negatives Anlassmoment AM erzeugt. Hierdurch wird der Rotor 6 des Anlassmotors 4 entgegen einer Vorzugsdrehrichtung, die durch einen Pfeil 1 1 dargestellt ist, verdreht. Da eine Rotation der Kurbelwelle 3 blockiert ist, spannt der Rotor 6 das drehelastische Kopplungselement 5. Somit wirkt das Anlassmoment AM entgegen der von dem drehelastischen Kopplungselement 5 erzeugten Rückstellmoment.
Dieses steigt mit einem abnehmenden, also vom Betrag her zunehmenden, Verdrehwinkel W an (siehe Fig. 5). Übersteigt das Rückstellmoment das von dem Anlassmotor 4 erzeugte Drehmoment vom Betrag her, so erfolgt eine Drehbeschleunigungsumkehr. Zu diesem
Zeitpunkt oder nach diesem Zeitpunkt kann auch eine Drehrichtungsumkehr erfolgen. Zu dem Zeitpunkt der Drehrichtungsumkehr erfolgt dann ein Vorzeichenwechsel des Anlassmoments AM, wobei der Anlassmotor 4 von diesem Zeitpunkt an ein positives Anlassmoment AM erzeugt und dem Rotor 6 in Vorzugsdrehrichtung 1 1 antreibt. Ein weiterer Vorzeichenwechsel zu einem negativen Anlassmoment AM erfolgt, wenn eine erneute Drehrichtungsumkehr des Rotors 6 von einer Drehrichtung in der Vorzugsdrehrichtung in eine Drehrichtung entgegen der
Vorzugsdrehrichtung erfolgt. Somit erfolgt ein Aufschwingen des durch die blockierte
Kurbelwelle 3, das drehelastische Kopplungselement 5 und den Rotor 6 gebildeten
Drehschwingers. Während der Anregung wird Energie im Drehschwinger gespeichert, wobei im Zeitpunkt einer Drehrichtungsumkehr des Rotors 6 die im Drehschwinger gespeicherte Energie vollständig als potentielle Energie gespeichert ist.
Wird ein minimal zulässiger Verdrehwinkel W, also ein vom Betrag her maximal zulässiger Verdrehwinkel W, bei einer Rotation des Rotors 6 entgegen der Vorzugsdrehrichtung erreicht, so erfolgt, wie vorhergehend beschrieben, ein Vorzeichenwechsel des Anlassmoments AM. In dem auf diesen Vorzeichenwechsel als zeitlich als nächstes folgenden Nulldurchgang des Verdrehwinkels W wird das Blockiermittel 7 deaktiviert, sodass die Rotation der Kurbelwelle 3 freigegeben wird. Somit wird die im Drehschwinger zu diesem Zeitpunkt als kinetische und potentielle Energie gespeicherte Energie zumindest teilweise eine Rotation der Kurbelwelle 3 in Vorzugsdrehrichtung 1 1 bewirken. Dass zu diesem Zeitpunkt auf die Kurbelwelle 3 übertragene Drehmoment kann in vorteilhafter Weise größer als ein Losbrechmoment und in der
Verbrennungskraftmaschine 2 vorhandene Kompressions- und Gleitreibungsmomente sein. Somit kann die Kurbelwelle 3 derart angetrieben werden, dass die Verbrennungskraftmaschine 2 angelassen werden kann.
Noch vor dem Blockieren der Kurbelwelle 3 kann die freigegebene Kurbelwelle 3 durch eine Erzeugung eines geeigneten Verlaufs des Anlassmoments AM in einer vorbestimmten
Blockierposition positioniert werden. Hierzu kann beispielsweise eine Modulation des
Anlassmoments AM erfolgen, also ein zeitlicher Verlauf des Anlassmoments AM mit mindestens einem Vorzeichenwechsel erzeugt werden.
Das beschriebene Verfahren zum Anlassen der Verbrennungskraftmaschine 2 kann mit anderen Verfahren zum Anlassen kombiniert werden. So ist es möglich, bei einer
betriebswarmen Verbrennungskraftmaschine ein bekanntes Schleppstart-Verfahren
durchzuführen, wobei der Anlassmotor 4 ohne Aktivierung des Blockiermittels 7 und ohne Vorzeichenwechsel ein Anlassmoment AM in Vorzugsdrehrichtung 1 1 , also ein positives Anlassmoment AM, erzeugt und somit die Verbrennungskraftmaschine 2 anlässt.
Auch kann das vorgeschlagene Verfahren mit einem Verfahren kombiniert werden, in welchem Energie eines rollenden Fahrzeugs zum Start bzw. zum Anlassen der
Verbrennungskraftmaschine 2 genutzt wird, indem eine drehmomentübertragende Verbindung zwischen einem Rad 10 des Fahrzeugs und der Verbrennungskraftmaschine 2 aktiviert wird. Eine Steuereinrichtung kann beispielsweise in Abhängigkeit von Eingangsgrößen wie einer Temperatur der Verbrennungskraftmaschine 2, einem Zustand des Blockiermittels 7, einer Fahrzeuggeschwindigkeit, einer Pedalstellung und/oder einer Wählhebelstellung bestimmen, welches Verfahren zum Anlassen durchgeführt wird. Auch kann die Steuereinrichtung das gewählte Verfahren überwachen und gegebenenfalls abbrechen und nachfolgend ein davon verschiedenes Verfahren durchführen.
Auch ist möglich, dass vor dem Blockieren der Kurbelwelle 3 durch das Blockiermittel 7 eine Modulation des von dem Anlassmotor 4 erzeugten Anlassmoments AM derart erfolgt, dass ein gewünschter Kraftstoff druck aufgebaut wird. Um eine maximal mögliche Energie im Drehschwinger speichern zu können, wird das
Anlassmoment AM derart gesteuert, dass in einer letzten Halbperiode mit einem negativen Anlassmoment AM gerade ein minimal zulässiger Verdrehwinkel W erreicht wird, aber, um eine Schädigung des elastischen Kopplungselements 5 zu vermeiden, nicht überschritten wird. Wird der minimal zulässige Verdrehwinkel W des elastischen Kopplungselements 5 erreicht, erfolgt ein Vorzeichenwechsel des Anlassmoments AM, welches nunmehr positiv ist. Erfolgt nun aufgrund einer Fehlfunktion keine Deaktivierung des Blockiermittels 7, bleibt also die
Kurbelwelle 3 gesperrt, so kann das Anlassmoment AM sofort nach Detektion der Fehlfunktion auf einen Minimalwert verändert werden und ein generatorischer Betriebsmodus des
Anlassmotors 4 aktiviert werden. Somit wird der Anlassmotor 4 bis zum Erreichen eines maximalen Verdrehwinkels W als Generator betrieben, wodurch dem Drehschwinger aktiv Energie entzogen wird. In diesem Fall kann beispielsweise eine vorbestimmte Anzahl weiterer Deaktivierungsversuche des Blockiermittels erfolgen oder es kann der Startvorgang
abgebrochen werden.
Wird, z.B. im Falle eines Defekts des Drehschwingers, des Anlassmotors 4 oder des
Blockiermittels 7, ein minimal zulässiger oder ein vorbestimmter negativer Verdrehwinkel W nach einer vorbestimmten Zeitdauer nicht erreicht, so kann eine Abbruchbedingung des Anlassvorgangs erfüllt sein. Eine Abbruchbedingung kann beispielsweise auch dann erfüllt sein, wenn ein Betrags-Verhältnis von aufeinanderfolgenden Umkehrwinkeln ein- oder mehrmals unterhalb eines vorbestimmten Mindestwertes liegt.
Ist das Blockiermittel 7 derart ausgebildet, dass die Kurbelwelle 3 nur in vorbestimmten
Kurbelwellenpositionen blockiert werden kann, so kann die Zahl von Zylindern beschränkt sein, die als Start-Zylinder verwendet werden können. Unter einem Start-Zylinder wird hierbei derjenige Zylinder verstanden, dessen oberer Kompressions-Totpunkt bei einer Verdrehung der Kurbelwelle 3 in Vorzugsdrehrichtung 1 1 aus dieser vorbestimmten Kurbelwellenposition heraus als erstes überwunden wird. Dies kann meist, aber nicht notwendigerweise, der Zylinder sein, der auch als erster gezündet wird. Bei einem Vier-Takt-Motor mit einer geraden Anzahl von Zylindern kann die Anzahl von Start-Zylindern Zwei betragen, bei einem Drei-Zylinder-Motor beträgt die Anzahl meist nur Eins. Ist, z.B. aufgrund einer Ausführung des Blockiermittels 7, nicht jeder Zylinder als Start-Zylinder nutzbar, so kann bereits beim Abstellen der
Verbrennungskraftmaschine 2 durch eine entsprechende Kurbelwellen-Lageregelung die Kurbelwelle 3 derart positioniert werden, dass ein gewünschter Start-Zylinder eingestellt ist. Vorteilhafterweise ist das Blockiermittel 7 derart ausgelegt oder ausgebildet, dass es in mehr als einer Kurbelwellenposition die Rotation der Kurbelwelle 3 blockieren kann. Z.B. kann das Blockiermittel 7 derart ausgebildet sein, dass es die Kurbelwelle 3 in 36 äquidistanten
Kurbelwellenpositionen blockieren kann, also alle 10° Kurbelwellenwinkel. In diesem Fall kann das Blockiermittel 7 z.B. durch einen an einem nicht dargestellten Gehäuse der
Verbrennungskraftmaschine 2 befestigten radial verschiebbaren Bolzen ausgebildet sein, der in Bohrungen oder Ausnehmungen eingeführt werden kann, die in die Kurbelwelle 3 eingebracht sind.
Es ist auch möglich, dass das Blockiermittel 7 nicht direkt eine Rotation der Kurbelwelle 3 blockiert, also direkt mit der Kurbelwelle 3 wechselwirkt, sondern auf eine mit der Kurbelwelle 3 gekoppelte weitere Welle der Verbrennungskraftmaschine 2, z.B. auf eine Nockenwelle, wirkt.
Für einen zuverlässigen Kaltstart von Dieselmotoren wird üblicherweise eine Vorwärmung von angesaugter Luft und z.B. von Teilen eines Verbrennungsraumes durch entsprechende Heizoder Glühmittel, z.B. Glühkerzen, durchgeführt. Das vorgeschlagene Verfahren zum Anlassen der Verbrennungskraftmaschine 2 ermöglicht in diesem Fall in vorteilhafter Weise, dass ein Inhalt eines Verbrennungsraums eines Zylinders im Gegensatz zu konventionellen
Startverfahren vor der ersten Kompression nicht ausgetauscht werden muss. Somit ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass die Heiz- oder Glühmittel über einen längeren Zeitraum verfügen, über den sie auf den Inhalt des Verbrennungsraumes wirken können. Selbstverständlich ist vorstellbar, dass eine zylinderabhängige Steuerung der Heiz- oder Glühmittel erfolgt, sodass z.B. eine Vorwärmung des Start-Zylinders bzw. der in den Verbrennungsraum des
Start-Zylinders eingeführten Luft intensiver erfolgt oder früher beginnt. Bei einem Motor mit Fremdzündung, z.B. bei einem Otto-Motor, kann eine Zündenergie in einem Zündvorgang des Start-Zylinders erhöht werden, um eine zuverlässige Zündung zu erreichen. Weiterhin können im Vergleich zu konventionellen Startverfahren sehr frühe Kraftstoff- Voreinspritzungen in den Startzylinder erfolgen, da, wie vorhergehend erläutert, der Inhalt des Verbrennungsraumes während des Anlassvorgangs nicht mehr ausgetauscht wird und somit eine längere Zeit für eine Verdampfung des Kraftstoffes zur Verfügung steht.
Das vorgeschlagene Verfahren zum Anlassen der Verbrennungskraftmaschine 2 ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass ein maximal zu erzeugendes Anlassmoment AM des Anlassmotors 4 möglichst gering dimensioniert sein kann. Unter diesen Vorraussetzungen kann es vorteilhaft sein, dass die Verbrennungskraftmaschine 2 während des Anlassvorgangs so früh wie möglich einen eigenen Drehmomentenbeitrag leistet, möglichst schon mit Überwindung des ersten oberen Kompressions-Totpunkts.
Zur Bestimmung eines Einspritz- oder Zündzeitpunkts ist in der Regel erforderlich, dass ein Kurbel- bzw. Nockenwellenwinkel bekannt ist. Zur Erfassung eines solchen Winkels können beispielsweise (Absolut-)Winkelsensoren verwendet werden. Diese können bei geringer Auflösung durch vorhandene Inkremental-Sensoren verbessert werden. Unter Beibehaltung üblicher Inkremental-Sensoren an der Kurbelwelle 3 und/oder Nockenwelle kann eine Anzahl und eine Lage von Signalflanken auf eine frühe Detektion von Einspritzwinkeln oder
Zündwinkeln optimiert werden. Eine derartige Detektion kann auch bei einem entgegen der Vorzugsdrehrichtung 1 1 drehenden Anlassmotor 4 erfolgen. Beim Abstellen der
Verbrennungskraftmaschine 2 können zu diesem Zeitpunkt vorliegende Informationen, z.B. ein vorliegender Kurbelwellenwinkel, als Anfangswerte für einen neuen Startvorgang verwendet werden, gegebenenfalls auch nach einer nicht volatilen Speicherung, wenn die Steuergeräte zwischenzeitlich abgeschaltet waren. Auch ist möglich, dass lokal in einem Steuergerät vorhandene Informationen mit über ein Bussystem, z.B. einen CAN-Bus, übertragenen
Informationen weiterer Steuergeräte abgeglichen werden und ausschließlich dann als
Anfangswerte verwendet werden, wenn keine Abweichung vorliegt.
Wird das Blockiermittel 7 schon beim Abstellen der Verbrennungskraftmaschine 2 betätigt und bleibt das Blockiermittel 7 bis zum nächsten Starten der Verbrennungskraftmaschine 2 aktiviert, so kann der zum Zeitpunkt der Aktivierung des Blockiermittels 7 eingestellte Kurbelwellenwinkel beim nächsten Start als Anfangswert verwendet werden.
Ein Rotorwinkel des Rotors 6 kann, zusammen mit einem bestimmten Kurbelwellenwinkel, zur Bestimmung des Verdrehwinkels W zwischen der Kurbelwelle 3 und dem Rotor 6 und somit zur Bestimmung der Verdrehung des elastischen Kopplungselements 5 verwendet werden. Der Verdrehwinkel W kann hierbei durch vorgegebene und/oder ermittelte Drehmomente und/oder erfasste Drehbeschleunigungen unter Verwendung von Rechenmodellen plausibilisiert werden.
Weiter ist es möglich, dass Mittel zum Ventiltrieb, beispielsweise Nockenwellen-Phasensteller, eine Zylinderabschaltung zusätzlich oder alternativ zur Einstellung einer vorbestimmten
Kurbelwellenposition bei aktiviertem Blockiermittel 7 derart steuern, dass eine vorbestimmte Füllung eines Verbrennungsraumes eingestellt wird. Weiter kann ein Defekt des Blockiermittels 7 und/oder dessen Ansteuerung detektiert werden. Hierbei kann z.B. erfasst werden, ob in einem aktivierten Zustand des Blockiermittels 7
Bewegungen der Kurbelwelle 3 erfolgen. Diese Bewegungen können z.B. durch den vorhergehend erwähnten Kurbelwellen- oder Nockenwellensensor erfasst werden. Hierbei kann eine unzulässige Bewegung der Kurbelwelle 3 detektiert werden, wenn eine Amplitude der Bewegung über einen vorbestimmten Wert liegt, wobei der vorbestimmte Wert eine Elastizität der Kurbelwelle 3 und des Blockiermittels 7 berücksichtigt.
Alternativ kann das Blockiermittel 7 über eine Einrichtung zur Erfassung eines Einrückweges, z.B. von Stiften oder eines Rastbalkens 18 (siehe z.B. Fig. 2) verfügen, wobei in einem eingerückten Zustand die Rotation der Kurbelwelle 3 blockiert ist. Verändert sich ein
Ausgangssignal der Einrichtung zur Erfassung des Einrückweges bei einer Aktivierung nicht in einer vorbestimmten Weise, so kann ein Defekt detektiert werden.
Im Fall eines Elektro-Magneten, der als Aktor für das Blockiermittel 7 verwendet wird, kann ein Stromverlauf in Wicklungen des Elektro-Magneten oder eine Veränderung einer Induktivität des Elektro-Magneten, z.B. in Abhängigkeit eines Stromgradienten bei einem gegebenen
Spannungssprung, erfasst werden, wobei ein Defekt detektiert wird, wenn diese Größen von vorbestimmten Größen abweichen.
Im Fall eines Elektromotors als Aktor für das Blockiermittel 7 kann erfasst werden, ob eine Drehung des Rotors des Elektromotors einer gewünschten Verdrehung bei Aktivierung des Blockiermittels 7 entspricht, ob eine Spannung im Elektromotor induziert wird oder eine Stromaufnahme des Elektromotors von einer vorbestimmten Stromaufnahme abweicht. Auch kann erfasst werden, ob im Falle eines BLDC-Motors keine Kommutierung erfolgt.
Auch kann ein Defekt des Blockiermittels 7 erfasst werden, falls nach einer Deaktivierung des Blockiermittels 7 für einen vorbestimmten Zeitraum keine oder eine nur geringe Bewegung der Kurbelwelle 3 erfolgt.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaubild eines Blockiermittels 7 in einer ersten
Ausführungsform. Das Blockiermittel 7 umfasst ein Zahnrad 12, welches um eine zentrale Rotationsachse 13 rotierbar gelagert ist. Das Zahnrad 12 kann an der Kurbelwelle 3 (siehe Fig. 1 ) drehstarr befestigt sein. Hierbei weist das Zahnrad 12 Zähne 14 auf, die jeweils eine abgerundeten Abschnitt 15 und einen geraden Abschnitt 16 aufweisen. Hierbei weisen die Zähne 14 in einem Querschnitt mit einer Schnittebene senkrecht zur zentralen Rotationsachse 13 einen viertelkreisförmigen Querschnitt auf. Die geraden Abschnitte 16 verlaufen hierbei in radialer Richtung bezogen auf einen Mittelpunkt 17 des Zahnrades 12.
Weiter umfasst das Blockiermittel 7 einen Rastbalken 18, der drehbar um eine
Rotationsachse 19 des Rastbalkens 18 gelagert ist. Der Rastbalken 18 weist an einem zahnradseitigen Ende eine Rastnase 20 auf, wobei die Rastnase 20 mit den Zähnen 14 wechselwirken kann. Die abgerundeten Abschnitte 15 der Zähne 14 sind hierbei derart ausgeführt, dass, wenn sich das Zahnrad 12 entgegen dem Uhrzeigersinn, der bezogen auf die zentrale Rotationsachse 13 definiert wird, dreht, eine Spitze 21 des Rastzahnes 20 entlang der abgerundeten Zahnoberfläche der Zähne 14 gleiten kann, ohne mit den Zähnen zu verrasten. In diesem Fall ist eine Drehbewegung des Zahnrades 12 und somit auch der Kurbelwelle 3 freigegeben. Die geraden Abschnitte 16 der Zähne 14 sind hierbei derart ausgeführt, dass, wenn sich das Zahnrad 12 im Uhrzeigersinn dreht, eine von der Rastnase 20 ausgebildete Anschlagfläche 22 an dem geraden Abschnitt 16 anschlägt, wodurch das Zahnrad 12 mit dem Rastbalken 18 verrastet. In diesem Fall ist eine Drehbewegung des Zahnrades 12 und somit auch der Kurbelwelle 3 gesperrt.
Das Blockiermittel 7 umfasst weiter eine erste Feder 23 und eine weitere Feder 24. Hierbei ist die weitere Feder 24 an einem rastnasenseitigen Abschnitt des Rastbalkens 18 befestigt, wobei die erste Feder bezogen auf die Rotationsachse 19 des Rastbalkens 18 an einem dem rastnasenseitigen Abschnitt gegenüberliegenden Abschnitt des Rastbalkens 18 befestigt ist. Weiter umfasst das Blockiermittel 7 einen Aktor 25, der die weitere Feder 24 in oder entgegen einer Vertikalrichtung, die durch einen Pfeil 26 dargestellt ist, bewegen kann. In einer
Freigabestellung wird die weitere Feder 24 durch den Aktor 25 in einer in Vertikalrichtung 26 oberen Position positioniert. In dieser Freigabestellung übt, insbesondere ausschließlich, die erste Feder 23 eine Kraft auf den Rastbalken 18 auf, so dass sich die Rastnase 20 aufgrund der Rotation des Rastbalkens um die Rotationsachse 19 entgegen der in Fig. 3 dargestellten Vertikalrichtung 26 nach oben bewegt und somit die Drehbewegung des Zahnrads 12 in beide Drehrichtungen freigibt.
In einer Blockierstellung wird die weitere Feder 24 durch den Aktor 25 in einer in
Vertikalrichtung 26 unteren Position positioniert. Hierbei übt sowohl die erste Feder 23 als auch die weitere Feder 24 eine Kraft in Vertikalrichtung 26 auf den Rastbalken 18 auf. Da beide Kräfte, in Bezug auf die Rotationsachse 19, auf gegenüberliegende Abschnitte des Rastbalkens 18 wirken, erfolgt keine Rotation des Rastbalkens 18 und somit keine Freigabe der
Drehbewegung in beide Drehrichtungen. Vielmehr ist in dieser Blockierstellung die Drehbewegung des Zahnrads 12 im Uhrzeigersinn gesperrt. Entgegen des Uhrzeigersinns ist die Drehbewegung, wie vorhergehend beschrieben, entgegen der Federkraft der weiteren Feder 24 möglich.
Fig. 3 zeigt ein schematisches Schaubild eines Blockiermittels 7 in einer zweiten
Ausführungsform. Das Blockiermittel 7 umfasst ein Zahnrad 12, welches um eine zentrale Rotationsachse 13 rotierbar gelagert ist. Das Zahnrad 12 kann an der Kurbelwelle 3 (siehe Fig. 1 ) drehstarr befestigt sein. Hierbei weist das Zahnrad 12 Zähne 14 auf, wobei die Zähne 14 in einem Querschnitt mit einer Schnittebene senkrecht zur zentralen Rotationsachse 13 einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.
Weiter umfasst das Blockiermittel 7 einen Rastbalken 18, der drehbar um eine Rotationsachse 19 des Rastbalkens 18 gelagert ist. Der Rastbalken 18 weist an einem zahnradseitigen Ende eine Rastnase 20 mit ebenfalls trapezförmigem Querschnitt auf, wobei die Rastnase 20 mit den Zähnen 14 wechselwirken kann. Das Blockiermittel 7 umfasst weiter eine erste Feder 23 und eine weitere Feder 24. Hierbei ist die weitere Feder 24 an einem rastnasenseitigen Abschnitt des Rastbalkens 18 befestigt, wobei die erste Feder 23 bezogen auf die Rotationsachse 19 des Rastbalkens 18 an einem dem rastnasenseitigen Abschnitt gegenüberliegenden Abschnitt des Rastbalkens 18 befestigt ist. Weiter umfasst das Blockiermittel 7 einen Aktor 25, der die weitere Feder 24 in einer Vertikalrichtung, die durch einen Pfeil 26 dargestellt ist, bewegen kann. In einer Freigabestellung wird die weitere Feder 24 durch den Aktor 25 in einer in Vertikalrichtung 26 oberen Position positioniert. In dieser Freigabestellung übt, insbesondere ausschließlich, die erste Feder 23 eine Kraft auf den Rastbalken 18 auf, so dass sich die Rastnase 20 aufgrund der Rotation des Rastbalkens 18 um die Rotationsachse 19 entgegen der in Fig. 3 dargestellten Vertikalrichtung 26 nach oben bewegt und somit die Drehbewegung des Zahnrads 12 in beide Drehrichtungen freigibt.
In einer Blockierstellung wird die weitere Feder 24 durch den Aktor 25 in einer in
Vertikalrichtung 26 unteren Position positioniert. In dieser Blockierstellung übt sowohl die erste Feder 23 als auch die weitere Feder 24 eine Kraft in Vertikalrichtung auf den Rastbalken 18 auf. Da beide Kräfte auf, in Bezug auf die Rotationsachse 19, gegenüberliegende Abschnitte des Rastbalkens 18 wirken, erfolgt keine Rotation des Rastbalkens 18 und somit keine Freigabe beider Drehbewegung. Vielmehr ist in dieser Blockierstellung die Drehbewegung des Zahnrads 12 in beiden Drehrichtungen gesperrt. Fig. 4 zeigt ein schematisches Schaubild eines Blockiermittels 7 in einer dritten
Ausführungsform. Das Blockiermittel 7 umfasst zwei Bremsklötze 27, die auf
gegenüberliegenden Seiten der Kurbelwelle 3 (siehe Fig. 1 ) angeordnet sind. Weiter umfasst das Blockiermittel 7 einen Aktor 25, der in und entgegen einer Längsrichtung, die durch einen Pfeil 28 symbolisiert ist, verfahren werden kann. Weiter umfasst das Blockiermittel 7 den jeweiligen Bremsklötzen 27 zugeordnete Hebelarme 29, die jeweils drehbar um Rotationachsen 30 gelagert sind. Hierbei verlaufen die Rotationsachsen 30 senkrecht zur Längsrichtung 28. In Fig. 4 ist dargestellt, dass die Hebelarme 29 zwei Armabschnitte aufweisen. Ein erster
Armabschnitt 31 erstreckt sich hierbei von der Rotationsachse 30 zu dem entsprechenden Bremsklotz 27. Ein zweiter Armabschnitt 32 erstreckt sich vom Bremsklotz 27 weg und schließt mit dem ersten Armabschnitt einen Winkel α ein. An einem freien Ende des zweiten
Armabschnitts 32 ist der Hebelarm 29 mechanisch mit dem Aktor 25, z.B. über eine Zugseil, verbunden. Weiter umfasst das Blockiermittel 7 eine Feder 33, die zwischen den Bremsklötzen 27 angeordnet ist. In einer Ausgangsstellung der Feder 33, in der die Feder nicht vorgespannt ist, sind die Bremsklötze 27 nicht in mechanischem Kontakt mit der Kurbelwelle 3. Wird nun der Aktor 25 in Längsrichtung 28 verfahren, so werden die Bremsklötze 27 aufgrund der mechanischen Verbindung des Aktors 25 mit den Hebelarmen 29 und aufgrund der Ausbildung und Lagerung der Hebelarme 29 entgegen der von der Feder 33 erzeugten Federkraft an die Kurbelwelle 3 angedrückt, wodurch ein mechanischer Kontakt zwischen den Bremsklötzen 27 und der Kurbelwelle 3 hergestellt wird und die Kurbelwelle 3 gebremst wird. In diesem
Blockierzustand ist eine Drehbewegung der Kurbelwelle 3 nicht möglich. Wird der Aktor 25 entgegen der Längsrichtung 28 verfahren, so werden die Bremsklötze durch die von der Feder 33 erzeugte Federkraft von der Kurbelwelle 3 wegbewegt. Hierdurch wird ein Freigabezustand erreicht, in dem eine Drehbewegung der Kurbelwelle 3 freigegeben ist.
Fig. 5 zeigt einen schematischen Verlauf eines Anlassmoments AM durch eine
durchgezogenen Linie, einer Drehzahl DV einer Verbrennungskraftmaschine 2 (siehe Fig. 1 ) durch eine Strichlinie, einer Drehzahl DA des Anlassmotors 4 durch eine Strich-Punkt-Linie und eines Verdrehwinkels W eines drehelastischen Kopplungselements 5 durch eine gepunktete Linie über einer Zeit t.
In einer ersten Phase P1 erfolgt eine Modulation des Anlassmoments AM derart, dass die Kurbelwelle 3 losbricht. Dies erfolgt zum Endzeitpunkt E_P1 der ersten Phase P1 . In einer zweiten Phase P2 erfolgt eine Modulation des Anlassmoments AM derart, dass die Kurbelwelle 3 in einem vorbestimmten Winkelbereich derart bewegt wird, dass eine mit der Kurbelwelle 3 gekoppelte Kraftstoffpumpe einen gewünschten Einspritzdruck aufbauen kann. Ab dem Endzeitpunkt E_P2 der zweiten Phase P2 wird das Anlassmoment AM derart geregelt, dass die Kurbelwelle 3 in eine Kurbelwellenposition positioniert wird, in welcher ein Blockade der Kurbelwelle 3 möglich ist. Zu einem Blockierzeitpunkt B wird die Drehbewegung der Kurbelwelle 3 blockiert. In einer vierten Phase P4 wird nun Energie im dem vorhergehend erläuterten Drehschwinger akkumuliert, wobei maximale und minimale Amplituden der Drehzahl DA und des Winkels W ansteigen. Nach einem Endzeitpunkt E_P4 der vierten Phase P4 erfolgt in einer fünften Phase P5 ein Lösen der Blockade, wodurch sich zu einem Lösezeitpunkt L die Drehzahl DV der Verbrennungskraftmaschine 2 zeitlich schnell, z.B. sprungartig, erhöht.
Es kann auch eine Ansteuerung des Blockiermittels 7 zeitlich vor dem Blockierzeitpunkt 3 und/oder vor dem Lösezeitpunkt L erfolgen.
So können Seitenflächen der Zähne 14 und der Rastnase 20 (siehe Fig. 2 und Fig. 3) reibschlüssig verbunden sein, wenn auf diese Flächen eine Kraft wirkt, z.B. während einer Blockade der Kurbelwelle 3. Diese Kraft ist im Wesentlichen von einem Verdrehwinkel W des elastischen Koppelelements 5 abhängig. Insbesondere kann die von der reibschlüssigen Verbindung erzeugte Reibkraft eine Freigabe verhindern, beispielsweise wenn die Reibkraft größer als die von den Federn 23, 24 auf den Rastbalken 18 ausgeübte anhebende Kraft ist. Die Reibkraft wird jedoch gering sein, wenn das elastische Kopplungselement 5 entspannt ist, also einen betragsmäßig kleinen Verdrehwinkel W aufweist.
Somit ist das Zeitintervall, in dem das Blockiermittel 7 die Rotation der Kurbelwelle 3 freigegeben sollte, klein. Während der vierten Phase P1 kann eine Periodendauer, also eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinander folgenden gleichartigen Vorzeichenwechseln der Drehrichtung, beispielsweise ca. 120ms betragen. Somit liegen auch zeitlich aufeinander folgende Betragsmaxima des Verdrehwinkels W nur etwa 60ms auseinander. Dies führt dazu, dass eine Zeitintervall zur Freigabe Zeitdauern von 0ms bis zu 20ms umfassen kann.
Im Allgemeinen steigt der Kostenaufwand und die Bauraumanforderungen einer Stelleinrichtung, z.B. des in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Aktors 25, des Blockiermittels 7 mit steigender Maximalleistung, die sich aus dem Produkt aus Kraft und Weg pro Stellzeit bestimmt. Wird also eine Stellzeit, die in diesem Fall der Zeitdauer der Freigabe der Rotation entspricht, vergrößert, so können Kosten und Bauraum reduziert werden.
In einer vorteilhaften Auslegung des Blockiermittels 7 wird also statt einer direkten mechanischen Kopplung des Aktors 25 mit dem Rastbalken 18 eine mechanische Kopplung über die weitere Feder 24 realisiert. Diese weitere Feder 24 dient praktisch als Zwischenspeicher für eine vom Aktor 25 erzeugte Stellenergie.
Ist der Aktor 25 z.B. als Elektromotor, gegebenenfalls mit einem Getriebe, ausgebildet, so kann dieser Aktor 25 schon vor dem Lösezeitpunkt L angesteuert werden, wobei spätestens zum Lösezeitpunkt L eine Bewegung des Rastbalkens 18 erfolgen soll . Diese Ansteuerung kann bis zum Ende der Bewegung des Rastbalkens 18 oder sogar darüber hinaus aufrecht erhalten werden.
Ist die Stelleinrichtung des Blockiermittels 7, also z.B. der Aktor 25, über eine Feder, beispielsweise die weitere Feder 24, mit einem Freigabeelement, z.B. dem Rastbalken 18, gekoppelt, so kann der Aktor 25 zu einem Ansteuerzeitpunkt, der eine vorbestimmte Zeitdauer, z.B. 70ms, vor dem gewünschten Lösezeitpunkt L liegt derart angesteuert werden, dass ein aktorseitiges Ende der weiteren Feder 24 in eine Freigaberichtung, die in diesem Fall entgegen der Vertikalrichtung 26 orientiert ist, bewegt wird. Ab diesem Zeitpunkt wird z.B. ein Motor des Aktors 25 beschleunigt. Die sich während dieser Bewegung in Freigaberichtung aufbauende Federkraft, die das Freigabeelement, also den Rastbalken 18, ebenfalls in Freigaberichtung beschleunigt, übersteigt hierbei bis zu einem weiteren Zeitpunkt, der zeitlich nach dem Ansteuerzeitpunkt und vor dem Lösezeitpunkt L liegt, nicht die vorhergehend erläuterte Reibkraft, die durch die vom Verdrehwinkel W des elastischen Kopplungselements 5 abhängige reibschlüssige Verbindung zwischen den Zähnen 14 und dem Rastzahn 20 erzeugt wird. Hierbei wird der Ansteuerzeitpunkt und die vom Aktor 25 erzeugte Ansteuerkraft derart in Abhängigkeit eines zeitlichen Verlaufs des Verdrehwinkels W des elastischen Kopplungselements 5 gewählt, dass zum vorhergehend erläuterten weiteren Zeitpunkt die Federkraft die Reibkraft übersteigt und somit der Rastbalken 18 in Freigaberichtung beschleunigt und folglich bewegt wird. In einem solchen Verfahren wird somit der Lösezeitpunkt L quasi automatisch eingestellt.
Hierbei muss nur der Rastbalken 18 und ein Teil der weiteren Feder 24 beschleunigt werden, wobei im Falle einer direkten mechanischen Kopplung des Aktors 25 mit dem Rastbalken 18 auch noch ein gegebenenfalls über ein Getriebe mit der weiteren Feder 24 verbundener Rotor des Aktors 25 zu beschleunigen und somit ein im Vergleich größeres Trägheitsmoment zu überwinden wäre. Dies würde eine höhere Leistung des Aktors 25 erfordern.
Bei den in Fig. 3 dargestellten trapezförmigen Querschnitten der Zähne 14 und der Rastnase 20 nimmt mit zunehmend zurückgelegten Weg des Rastbalkens 18 in Freigaberichtung der Abstand zwischen einem Zahn 14 und der Rastnase 20 kontinuierlich zu, so dass nach Beginn der Bewegung des Rastbalkens 18 die Wahrscheinlichkeit eines unerwünschten erneuten Kontakts der Seitenflächen, die eine reibkraftbasierte Bremsung des Rastbalkens 18 bewirken würde, sinkt. Der Rastbalken 18 wird also ungebremst beschleunigt. Die Federkraft nimmt hierbei kaum ab, da der Aktor 25 das aktorseitige Ende der weiteren Feder 24 jetzt entsprechend schneller bewegt.
Entsprechend kann eine Ansteuerung des Blockiermittels 7 vor dem Blockierzeitpunkt B erfolgen, wobei die Reibkraft beim Bewegen der Rastnase 20 entgegen der Freigaberichtung, also in Vertikalrichtung 26, überwunden wird.
Der zunehmende Verdrehwinkel W des elastische Kopplungselements 5 bewirkt ein zunehmendes Drehmoment auf die Kurbelwelle 3, die beschleunigt wird. Der Rastbalken 18 ist inzwischen soweit in Freigaberichtung 18 bewegt, dass kein mechanischer Kontakt zwischen den Zähnen 14 und der Rastnase 20 mehr auftreten kann.
Hiernach kann die Ansteuerung des Aktors 25 abgeschaltet werden.
Vorhergehend wurde das Verfahren einer vorzeitigen Ansteuerung einer Stelleinrichtung des Blockiermittels 7 für die in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Ausführungsformen erläutert. Selbstverständlich ist das erläuterte Verfahren auch für weitere Ausbildungen des Blockiermittels 7 ausführbar, insbesondere für Ausführungsformen, bei denen die Stelleinrichtung des Blockiermittels 7 über ein elastisches Element mit einem Freigabeelement verbunden ist. In diesem Fall kann zeitlich vor einem Blockierzeitpunkt B und/oder vor einem gewünschten Löszeitpunkt L die Stelleinrichtung derart angesteuert werden, dass ein stelleinrichtungsseitige Ende des elastischen Elements entgegen bzw. in eine Freigaberichtung bewegt wird. Hierbei kann ein Ansteuerzeitpunkt und/oder die von der Stelleinrichtung erzeugte Kraft derart in Abhängigkeit eines zeitlichen Verlaufs des Verdrehwinkels W des elastischen Kopplungselements 5 gewählt werden, dass zu einem weiteren Zeitpunkt die Kraft des elastischen Elements auf das Freigabeelement eine Reibkraft zwischen dem Freigabeelement und einem kurbelwellenseitigen korrespondierendem Element des Blockiermittels übersteigt. Bezugszeichenliste
Vorrichtung
Verbrennungskraftmaschine
Kurbelwelle
Anlassmotor
elastisches Kopplungselement
Rotor
Blockiermittel
Getriebe
Antriebswelle
Rad
Vorzugsdrehrichtung
Zahnrad
Rotationachse
Zahn
abgerundeter Abschnitt
gerader Abschnitt
Mittelpunkt
Rastbalken
Rotationsachse
Rastnase
Spitze
Anschlagfläche
erste Feder
weitere Feder
Aktor
Vertikalrichtung
Bremsklötze
Längsrichtung
Hebelarm
Rotationsachse
erster Armabschnitt
weiterer Armabschnitt
Feder
Anlassmoment DA Drehzahl des Anlassmotors
DV Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine
W Verdrehwinkel
P1 erste Phase
P2 zweite Phase
P3 dritte Phase
P4 vierte Phase
P5 fünfte Phase
E_P1 Endzeitpunkt der ersten Phase
E_P2 Endzeitpunkt der zweiten Phase
B Blockierzeitpunkt
E_P4 Endzeitpunkt der vierten Phase
L Lösezeitpunkt
t Zeit

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine (2), wobei eine
Kurbelwelle (3) drehelastisch mit einem Rotor (6) eines Anlassmotors (4) gekoppelt ist, wobei in einem Anlassvorgang der Anlassmotor (4) ein Anlassmoment (AM) erzeugt, welches über die drehelastische Kopplung auf die Kurbelwelle (3) übertragen wird, wobei zu einem Startzeitpunkt des Anlassvorgangs ein negatives oder positives
Anlassmoment (AM) erzeugt wird, wobei während des Anlassvorgangs mindestens ein Vorzeichenwechsel des Anlassmomentes (AM) erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, dass
vor oder zum Startzeitpunkt eine Rotation der Kurbelwelle (3) mechanisch blockiert wird, wobei die Rotation der Kurbelwelle (3) freigegeben wird, wenn oder nachdem eine in einem Drehschwingsystem gespeicherte Energie eine maximal zulässige Energie oder eine zum Anlassen der Verbrennungskraftmaschine (2) notwendige Energie erreicht, wobei das Drehschwingsystem zumindest aus der drehelastischen Kopplung und dem Rotor (6) des Anlassmotors (4) besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotation der
Kurbelwelle (3) freigegeben wird, nachdem während einer Ausübung eines negativen Anlassmoments (AM) ein minimal zulässiger Verdrehwinkel (W) oder ein vorbestimmter negativer Verdrehwinkel (W) erreicht wurde und/oder ein Vorzeichenwechsel des Anlassmoments (AM) erfolgte.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Freigabe der Rotation der Kurbelwelle (3) eine Zündung eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem Verbrennungsraum mindestens eines Zylinders der
Verbrennungskraftmaschine (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Blockade der Rotation der Kurbelwelle (3) ein Anlassmomentenverlauf des
Anlassmoments (AM) derart erzeugt wird, dass eine Rotation der Kurbelwelle (3) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Kurbelwelle (3) vor dem Startzeitpunkt in eine vorbestimmte Blockierposition positioniert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn eine Abbruchbedingung des Anlassvorgangs erfüllt ist, nachdem die Rotation der
Kurbelwelle (3) blockiert wurde, ein generatorischen Betriebsmodus des Anlassmotors (4) aktiviert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Sollmoment des Anlassmotors (4) mit abnehmender Differenz zwischen einem aktuellen Verdrehwinkel (W) und dem minimal zulässigen oder dem vorbestimmten negativen Verdrehwinkel (W) kontinuierlich ansteigt oder in einem oder mehreren Schritten schrittweise ansteigt und/oder dass das Sollmoment des Anlassmotors (4) mit
abnehmender Differenz zwischen dem maximal zulässigen Verdrehwinkel (W) oder einem vorbestimmten positiven Verdrehwinkel (W) und einem aktuellen Verdrehwinkel (W) kontinuierlich abnimmt oder in einem oder mehreren Schritten schrittweise abnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Defekt des Drehschwingsystems detektiert wird, falls eine Frequenz der Vorzeichenwechsei des Anlassmoments (AM) um mehr als ein vorbestimmtes Maß von einer vorbestimmten Resonanzfrequenz abweicht und/oder eine Differenz zwischen Beträgen der während des Anlassvorgangs unmittelbar aufeinander folgenden positiven und negativen
Umkehrwinkeln eine vorbestimmte Differenz überschreitet und/oder ein Abweichung eines zeitlichen Verdrehwinkel-Verlaufs von einem erwarteten Verlauf ein vorbestimmtes Maß überschreitet und/oder ein Betrags-Verhältnis zwischen während des Anlassvorgangs unmittelbar aufeinander folgenden positiven und negativen Umkehrwinkeln einen vorbestimmten Betrag unter- oder überschreitet und/oder ein Verhältnis der vom
Anlassmotor erzeugten mechanischen Leistung zum erreichten Verdrehwinkel (W) ein vorbestimmtes Maß überschreitet.
Vorrichtung zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs, umfassend mindestens eine Verbrennungskraftmaschine (2), mindestens eine
Kurbelwelle (3), mindestens einen Anlassmotor (4), mindestens ein drehelastisches Kopplungselement (5) und mindestens eine Steuereinrichtung,
wobei ein Rotor (6) des Anlassmotors (4) über das drehelastische Kopplungselement (5) mit der Kurbelwelle (3) mechanisch verbunden ist,
wobei mittels der Verbrennungskraftmaschine (2) ein Antriebsmoment in einer
Vorzugsrichtung der Verbrennungskraftmaschine (2) auf die Kurbelwelle (3) ausübbar ist, wobei durch den Anlassmotor (4) in einem Anlassvorgang ein Anlassmoment (AM) erzeugbar und über das elastische Kopplungselement (5) auf die Kurbelwelle (3) übertragbar ist, wobei mittels der Steuereinrichtung das Anlassmoment (AM) regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung (1 ) mindestens ein Blockiermittel (7) für die Kurbelwelle (3) umfasst, wobei mittels des Blockiermittels (7) eine Rotation der Kurbelwelle (3) mechanisch blockierbar und freigebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (3) und/oder das Blockiermittel (7) derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist/sind, dass eine
Blockade der Rotation der Kurbelwelle (3) in mehreren Kurbelwellenpositionen
durchführbar ist.
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