WO2014183756A1 - Starteranordnung für einen verbrennungsmotor und verfahren zum betreiben der starteranordnung - Google Patents

Starteranordnung für einen verbrennungsmotor und verfahren zum betreiben der starteranordnung Download PDF

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Tobias Eckl
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    • F02N2300/2002—Control related aspects of engine starting characterised by the control method using different starting modes, methods, or actuators depending on circumstances, e.g. engine temperature or component wear

Definitions

  • the invention relates to a starter assembly for an internal combustion engine and a method for operating the starter assembly, which can be applied particularly advantageously during an activated engine start-stop function.
  • Such functions are referred to inter alia as (engine) start-stop functions, which may be activated or deactivated depending on the operating requirements of the vehicle. In the active state, these switch off the internal combustion engine even when the vehicle is at a standstill for a short time or, if necessary, put it back into operation.
  • two starter pinions could be used, but this would not bring the desired cost savings.
  • the object is achieved with a starter arrangement according to the features of patent claim 1 and a method for operating the starter arrangement according to the features of patent claim 7.
  • the starter assembly according to the invention is based on a design idea for a pinion starter, which allows either to produce a higher starting torque for the cold start or to accelerate the engine to a higher speed before the first ignition in a warm start.
  • a starter known from the prior art is expanded by a few components:
  • the planetary gear according to the invention has a positive state translation, so translated at fixed land / planet carrier in a lower speed. Also preferred are two 4
  • a first freewheel are preferably located between ring gear and starter motor and a second freewheel is preferably located between the sun gear and the bridge.
  • the thus achievable two different translations of the planetary gear are both suitable for a start with high torque, ie for a first start or cold start, and on the other hand for a high-speed start, so for a restart from the stop mode in start-stop operation. According to the invention, this arrangement is thus operated in a preferred embodiment as follows:
  • the electric machine In cold start mode (high torque start), the electric machine is operated in a direction of rotation that is opposite to the direction of rotation of the starter pinion. Due to the design of the planetary gear set, the web is rotated in the opposite direction as the driving sun gear when the ring gear is stationary. The first freewheel locks between ring gear and starter motor. The second freewheel, which is arranged between the sun gear and the bridge, slips through in this operating state. By the translation achieved in a lower speed, the torque is increased and the engine can be started at about 250 1 / min as in the prior art. For this arrangement, no structural changes to the interfaces to the starter pinion gearbox or to the internal combustion engine compared with known constructions are necessary. Only the electric motor of the starter must be operable in an alternating direction of rotation by the integration of suitable means for reversing the direction of rotation - that is, for example, by a reversing relay.
  • the electric machine In the warm start mode (high speed start), the electric machine is operated by such means for reversing the direction of rotation in the opposite direction - ie now in the intended direction of rotation of the starter pinion.
  • the second free-wheel which is located between the sun gear and the bridge, blocks, and the planetary gear set is transmitted in a unitary gear. 5
  • the arrangement according to the invention and the method according to the invention are particularly suitable for installation in vehicles with conventional internal combustion engines, in which the possibility of a high-speed startup should increase comfort in the event of an engine recovery without the use of a belt starter generator,
  • the solution according to the invention makes it possible to apply a sufficiently large torque for the few " real" cold start operations without having to dimension the starter arrangement too large Stop system can be realized.
  • Figure 1 is a schematic diagram of the planetary gear in a standard pinion starter of the prior art
  • Figure 2 is a schematic representation of the invention modified planetary gear.
  • Figure 3 is a side view of the planetary gear. 6
  • Figure 4 is a sectional view of the planetary gear
  • Figure 5 is a further sectional view of the planetary gear
  • Figure 1 illustrates the principle of a planetary gear in a standard prior art pinion starter. It can be seen between the starter motor 10 and the starter pinion 20, a planetary gear 30 '.
  • FIG. 2 schematically shows an arrangement with the planetary gearing modified according to the invention.
  • a version of the planetary gearing 30 according to the invention can be seen between the starter motor 10 and the starter pinion 20. This comprises the sun gear 31, the ring gear 32, the first planetary gear set 34, the second planetary gear set 35 , the first freewheel 36, the second freewheel 37.
  • Each planet of the first planetary gear set 34 is in engagement with a planet of the second planetary gear set 35.
  • the planets of the first planetary gear set 34 are also engaged with the sun gear 31, and the planetary gears of the second planetary gear set 35 are engaged with the ring gear 32.
  • the turning relay is not shown in this illustration.
  • Figure 3 shows a side view of the planetary gear 30 according to the invention with ring gear 32, web 33, first Pianeiensatz 34 and second planetary gear 35th
  • Figure 4 shows a sectional view of the planetary gear 30 according to the invention with sun gear 31, ring gear 32, web 33, first planetary gear set 34 and second planetary gear set 35th
  • Figure 5 shows a further sectional view of the planetary gear 30 according to the invention with sun gear 31, ring gear 32, web 33 "first Pianeiensatz 34 and second planetary gear 35th 7

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betreiben der Starteranordnung, die besonders vorteilhaft während einer aktivierten Motor-Start-Stopp-Funktion angewendet werden kann.

Description

Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor und
Verfahren zum Betreiben der Starteranordnung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betreiben der Starteranordnung, die besonders vorteilhaft während einer aktivierten Motor-Start-Stopp-Funktion angewendet werden kann.
Hintergrund der Erfindung
Für die Verbrauchs- und Schadstoffemissionsreduzierung von herkömmlichen Verbrennungsmotoren existieren diverse Fahrzeugkonzepte zur Abschaltung des Verbrennungsmotors in bestimmten Betriebszuständea
Derartige Funktionen werden unter anderem als (Motor-)Start-Stopp- Funktionen bezeichnet, die abhängig von den Betriebsanforderungen des Fahrzeugs aktiviert oder deaktiviert werden können. Im aktivem Zustand schalten diese den Verbrennungsmotor selbst bei kurzzeitigem Stillstand des Fahrzeugs ab bzw. nehmen diesen wenn erforderlich wieder in Betrieb.
Gewöhnlich werden Verbrennungskraftmaschinen im Kraftfahrzeug mittels ei- nes elektrischen Starters auf die zur Zündung erforderliche Drehzahl gebracht. Eine solche E-Maschine hat eine feste Übersetzung und bringt unabhängig von den Umgebungsbedingungen und den Betriebsparametern des Kraftfahrzeugs immer das gleiche Drehmoment für den Start auf. Dies gilt sowohl für den Ritzelstarter als auch für Riemenstartsysteme .
Bislang war es notwendig, dass von Motor-Start-Stopp-Funktionen angesteuerte Starteinrichtungen für Verbrennungsmotoren für Startvorgänge in ungünstigen Betriebsbereichen ausgelegt sein mussten, um auch bei niedrigen 8e~ 2
triebstemperaturen den Verbrennungsmotors jederzeit sicher starten zu können. Das bedeutet, dass herkömmliche Starteinrichtungen aber auch in vielen Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors ein Antriebsmoment zur Verfügung stellen, das ein zum Starten des Verbrennungsmotors erforderliches Startan- triebsmoment übersteigt,
Oer Nachteil derartiger Starter-Systeme liegt also darin, dass der Starter immer für die Anforderungen eines Kaltstarts ausgelegt sein muss und damit ein hohes Drehmoment bei niedriger Maximaldrehzahl bereitgestellt wird. Auch bei den geringeren Lasten im Warmstart-Betrieb erhöht sich dann trotz geringeren notwendigen Drehmoments die Maximaldrehzahl nicht signifikant, was jedoch wünschenswert wäre.
Um die wünschenswerten unterschiedlichen Drehmomente aufzubringen, könn- te man zwei Starterritzel verwenden, was jedoch nicht die erwünschte Kostenersparnis mit sich brächte. Der Einbau von zwei Startern mit unterschiedlichem Leistungsspektrum oder auch die Anwendung eines Starters mit einer schaltbaren Übersetzung, beispielsweise mit einem schaltbaren Pianetengetriebe, wofür ein separater Aktuator notwendig wäre, stellt ebenso keine kostengünstige Lö- sung dar.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Starteranordnung zu schaffen, die mit nur einem Starterritzel auskommt und dennoch zwei unterschiedliche Übersetzungen bereitstellt, um sowohl den Bedarf eines hohen Drehmoments bei niedriger erreichbarer Drehzahl für einen Kaltstart bereitstellen zu können, als auch eine hohe Drehzahl bei nur niedrigem notwendigen Drehmoment für einen Warmstart zu ermöglichen.
Um eine kostengünstige Systemlösung zu erzielen und bauliche Veränderungen an bestehenden Fahrzeugkonzepten zu minimieren, soll das aus dem 3
Stand der Technik bekannte Konzept eines eingängigen Ritzelstarters beibehalten werden. in derartigen bekannten eingangigen Ritzelstartern ist bislang ein einstufiges, einfaches Planetengetriebe verbaut, um bei Drehzahlerhaltung zwischen dem elektrischen Motor und dem Antrieb der Ritzel-Mechanik eine Übersetzung ins Langsame (Untersetzung) zu realisieren,
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Starteranordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einem Verfahren zum Betrieb der Starteranordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Der erfindungsgemäßen Starteranordnung liegt eine Konstruktionsidee für einen Ritzelstarter zugrunde, der es erlaubt, entweder ein höheres Startmoment für den Kaltstart zu erzeugen oder bei einem Warmstart den Motor auf eine höhere Drehzahl vor der ersten Zündung zu beschleunigen. Dafür wird ein aus dem Stand der Technik bekannter Starter um einige Komponenten erweitert:
Als Startermotor wird ein drehrichtungsvariabei zu betreibender Elektromotor verwendet, der für beide Drehrichtungen mit derselben Drehgeschwindigkeit geschaltet werden kann. Die Drehrichtungsumkehr kann dabei bespielsweise durch ein Wenderelais erfolgen. Ferner wird ein aus dem Stand der Technik bekannter einfacher Planetensatz durch einen doppelten Planetensafe ersetzt. Je ein Pianetenrad des ersten Planetensatzes steht dabei im Eingriff mit einem Pianetenrad des zweiten Planetensatzes. Die Planeten des ersten Satzes greifen außerdem in das Sonnenrad, und die Planenten des zweiten Satzes greifen in das Hohlrad.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat das erfindungsgemäße Planetengetriebe eine positive Standübersetzung, übersetzt also bei feststehendem Steg/Planetenträger in eine niedrigere Drehzahl. Bevorzugt werden ferner zwei 4
einfache Freiläufe an geeigneter Stelle Integriert. Ein erster Freilauf befindet sind vorzugsweise zwischen Hohlrad und Startermotor und ein zweiter Freilauf befindet sich vorzugsweise zwischen Sonnenrad und Steg. Die damit erzielbaren zwei verschiedenen Übersetzungen des Planetengetriebes sind einerseits geeignet für einen Start mit großem Drehmoment, also für einen Erststart oder Kaltstart, und andererseits für einen Start mit hoher Drehzahl, also für einen Wiederstart aus dem Stopp-Modus im Start-Stopp-Betrieb. Erfindungsgemäß wird diese Anordnung somit in einer bevorzugten Ausführungsform folgendermaßen betrieben:
Im Kaltstart-Modus (Hochmomentenstart) wird die elektrische Maschine in einer Drehrichtung betrieben, die entgegengesetzt gerichtet ist zu der Drehrichtung des Starterritzels. Durch die Ausführung des Planetensatz wird bei stehendem Hohlrad der Steg in gegensinnige Richtung wie das treibende Sonnenrad gedreht. Dabei sperrt der erste Freilauf zwischen Hohlrad und Startermotor. Der zweite Freilauf, der zwischen Sonnenrad und Steg angeordnet ist, rutscht in diesem Betriebszustand durch. Durch die damü erreichte Übersetzung in eine geringere Drehzahl wird das Drehmoment verstärkt und der Verbrennungsmotor kann wie im Stand der Technik bei etwa 250 1/min gestartet werden. Für diese Anordnung sind keine baulichen Änderungen an den Schnittstellen zum Starterritzel, zum Getriebe oder zum Verbrennungsmotor verglichen mit bekannten Konstruktionen notwendig. Lediglich der Elektromotor des Starters muss durch die Integration geeigneter Mittel zur Drehrichtungsumkehr - also beispielsweise durch ein Wenderelais - in wechselnder Drehrichtung betreibbar ausgestattet werden.
Im Warmstart-Modus (Hochdrehzahlstart) wird die elektrische Maschine durch derartige Mittel zur Drehrichtungsumkehr in entgegengesetzter Richtung - nunmehr also in der beabsichtigen Drehrichtung des Starterritzels - betrieben. In diesem Betriebsmodus sperrt der zweite Freiiauf, der zwischen Sonnenrad und Steg angeordnet ist, und der Planetensatz wird in einer Einheitsüberset- 5
zung betrieben. Der erste Freilauf zwischen dem Hohlrad und dem Startergehäuse rutscht dabei durch. Aufgrund der hierbei also fehlenden Übersetzung in eine langsamere Drehzahl kann der Verbrennungsmotor nun bei hoher Drehzahl, gestartet werden, was den Startkomfort deutlich erhöht. Das gegenüber dem ersten Betriebsmodus deutlich geringere Drehmoment reicht für einen Warmstart aus.
Die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in besonderem Maße für den Einbau in Fahrzeugen mit konventionel- len Verbrennungskraftmaschinen, bei denen über die Möglichkeit eines Hoch- drehzahlstarts der Komfort beim Wiederstert des Verbrennungsmotors ohne Einsatz eines Riemen-Starter-Generators gesteigert werden soll, ohne dass dabei jedoch die notwendige Kaltstart-Fähigkeit eingebüßt wird, Mit der erfindungsgemäßen Lösung besteht die Möglichkeit, ein ausreichend großes Drehmoment für die wenigen «echten" Kaltstartvorgänge aufzubringen, ohne die Starteranordnung zu groß dimensionieren zu müssen. Gleichzeitig kann damit ein kostengünstiges Basis-Start-Stopp System realisiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt, die nachfolgend detailliert beschrieben sind, wobei sich die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt, Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung des Planetengetriebes in einem Standard- Ritzelstarter des Standes der Technik, Figur 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäß modifizierten Planetengetriebes.
Figur 3 eine Seitenansicht des Planetengetriebes. 6
Figur 4 eine Schnittdarstellung des Planetengetriebes
Figur 5 eine weitere Schnittdarstellung des Planetengetriebes
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen in Figur 1 ist das Prinzip eines Planetengetriebes in einem Standard- Ritzelstarter des Standes der Technik dargestellt. Erkennbar ist zwischen dem Startermotor 10 und dem Starterritzel 20 ein Planetengetriebe 30'.
Figur 2 zeigt schematisch eine Anordnung mit dem erfindungsgemäß modifizierten Planetengetriebe, Erkennbar sind zwischen dem Startermotor 10 und dem Starterritzel 20 eine Ausführung des erfindungsgemäßen Planetengetrie- bes 30. Dieses umfasst das Sonnenrad 31, das Hohlrad 32, den ersten Planetensatz 34, den zweiten Planetensatz 35, den ersten Freilauf 36, den zweiten Freilauf 37. Je ein Planet des ersten Planetensatzes 34 steht mit einem Planeten des zweiten Planetensatzes 35 in Eingriff. Die Planeten des ersten Planetensatzes 34 stehen außerdem mit dem Sonnenrad 31 in Eingriff, und die Pla- neten des zweiten Planetensatzes 35 stehen mit dem Hohlrad 32 in Eingriff. Nicht dargestellt ist in dieser Darstellung das Wenderelais, mit Hilfe dessen die Drehrichtung des Startermotors 10 geändert werden kann.
Figur 3 zeigt eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Planetengetriebes 30 mit Hohlrad 32, Steg 33, erstem Pianeiensatz 34 und zweitem Planetensatz 35.
Figur 4 zeigt eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Planetengetriebes 30 mit Sonnenrad 31, Hohlrad 32, Steg 33, erstem Planetensatz 34 und zweitem Planetensatz 35.
Figur 5 zeigt eine weitere Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Planetengetriebes 30 mit Sonnenrad 31, Hohlrad 32, Steg 33« erstem Pianeiensatz 34 und zweitem Planetensatz 35. 7
BezugszeichenHste
10 Startermotor
20 Starterritzel
30 Planetengetriebe
31 Sonnenrad
32 Hohlrad
33 Steg
34 erster Planetensatz
35 zweiter Planetensatz
36 erster Freilauf
Figure imgf000008_0001
37 zweiter Freilauf

Claims

8
Patentansprüche 1. Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor umfassend einen Star- termotor 10), ein Starierotzel (20) und ein Planetengetriebe (30) umfas- send ein Sonnenrad (31), ein Hohirad (32) und eine Mehrzahl von Planeten, wobei
die Starteranordnung mindestens zwei Freiläufe (36, 37) umfaast und
die Planeten mindestens einen ersten PlanetensatE (34) und einen zweiten Planetensatz (35) ausbilden.
dadurch gekennzeichnet, das« der Startermotor (10) mit Mittein zur Umkehr der Drehrichtung des Startermotors (10) versehen ist.
2. Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das« ein erster Freilauf (36) zwischen Hohlrad (32) und Startermotor (10) angeordnet ist.
3. Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das« ein zweiter Freilauf (3?) zwischen Son- nentad (31) und Steg (33) angeordnet ist.
4. Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprü- che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, das« der erste Planetensatz (34) mit dem Sonnenrad (31) in Eingriff steht.
5. Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das« der zweite Planetensatz (35) mit dem Hohlrad (32) in Eingriff steht, . Starteranordnung für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Planet des ers- 9 ten Planetensatzes (34) mit einem Planeten des zweiten Planetensatzes (35) in Eingriff steht.
Verfahren zum Betreiben der Siarteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei
der Startermotor (10) in einer ersten Drehrichtung entgegen der Drehrichtung des Starterritzels (20) betrieben wird,
wobei der erste Freilauf (36) sperrt und der zweite Freilauf (37) durchrutscht
Verfahren zum Betreiben der Starteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei
der Startermotor (10) in einer zweiten Drehrichtung betrieben wird,
wobei der erste Frellauf (38) durchrutscht und der zweite Freilauf (37) sperrt.
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