WO2016082829A1 - Verfahren zum start eines verbrennungsmotors eines hybridfahrzeuges - Google Patents

Verfahren zum start eines verbrennungsmotors eines hybridfahrzeuges Download PDF

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Michael Reuschel
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Definitions

  • the invention relates to a method for starting an internal combustion engine in a hybrid vehicle, in which an electric motor of the hybrid vehicle accelerates to a predetermined speed and a, arranged between the engine and the electric motor hybrid disconnect clutch is moved in response to a to-be-transmitted target clutch torque in the closing direction.
  • a method for controlling a starting clutch is known in which the starting clutch is in the drive train of a hybrid vehicle.
  • the starting clutch which is arranged between the internal combustion engine and the electric motor, is closed by means of the electric motor in a first starting phase by means of a precontrol and in a second starting phase as a function of the acceleration of the crankshaft of the internal combustion engine.
  • the stationary combustion engine is suitably towed.
  • the clutch torque is either too large, i. the acceleration of the internal combustion engine is too fast, or the clutch torque is too low, causing start too slow or in extreme cases not at all.
  • the invention has for its object to provide a method for starting a combustion engine in a hybrid vehicle, which works robust and ensures a safe start of the engine.
  • the object is achieved in that in a first phase in which the internal combustion engine is, the target clutch torque for restarting the internal combustion engine in dependence on a Motorabstellposition of the internal combustion engine is determined.
  • the desired clutch torque comprises friction and / or compression moments as a result of the engine stop position of the internal combustion engine. These friction and / or compression moments are different depending on the engine position and thus require different towing or Losr possessmomente for burning motor, which are taken into account when setting the nominal clutch torque.
  • the friction and compression moments are temperature-dependent.
  • the desired clutch torque thus varies greatly depending on these various parameters and is determined concretely for the respective current state of the internal combustion engine.
  • the desired clutch torque is superimposed in the first phase of a proportion which takes into account a mass inertia and a target acceleration of the internal combustion engine.
  • the target clutch torque to be set by the clutch is specifically directed to the structural conditions of the internal combustion engine.
  • the desired clutch torque is determined as a function of a desired acceleration of the internal combustion engine derived from the dynamic torque.
  • the dynamic torque which depends on the inertia and the target acceleration of the internal combustion engine, is taken into account.
  • the consideration of compression and friction torque can be reduced or eliminated because the engine is already in motion.
  • the desired clutch torque is regulated as a function of the desired acceleration of the internal combustion engine. This ensures that at any time of the restart of the engine, the desired desired clutch torque is set and thus the internal combustion engine is further accelerated.
  • the hybrid disconnect clutch in a third phase, when the differential speed of engine speed and motor speed is less than a predetermined speed threshold, the hybrid disconnect clutch is fully closed. This ensures that the combustion engine is adapted as quickly as possible to the speed of the electric motor.
  • a ramp function or a slip control is used to completely close the hybrid disconnect clutch.
  • the ramp function is preferably to use, since in the slip function it can lead to speed jumps.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a drive train of a hybrid vehicle
  • Fig. 2 Compression moments of the internal combustion engine as a function of the crankshaft angle
  • Fig. 3 shows an embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a drive train 1 of a hybrid vehicle having an internal combustion engine 2, which has a crankshaft 3.
  • An electric motor 4 has a rotor 5, wherein a hybrid separating clutch 6 is arranged between the electric motor 4 and the internal combustion engine 2.
  • Another clutch which is designed in the embodiment shown as a torque converter 7, which may additionally have a lockup clutch, is disposed between the transmission 8 and the electric motor 4. If the internal combustion engine 2 exclusively transmits torque when the hybrid disconnect clutch 6 is closed, the electric motor 4 is designed to be de-energized, while the rotor 5 serves as the drive unit flywheel.
  • both drive units 2, 4 transmit torque to the transmission 8.
  • the hybrid disconnect clutch 6 is opened. If it is to be braked by means of the electric motor 4, the hybrid disconnect clutch 4 is opened and the electric motor 4 is operated as a generator. In addition, the drag torque of the internal combustion engine 2 can be used by closing the hybrid disconnect clutch 6 to achieve a greater delay effect.
  • FIG. 3 shows a diagram which represents the course of a restart of the internal combustion engine 2.
  • the engine 2 is first stopped and the hybrid vehicle is operated by the electric motor 4 while the hybrid disconnect clutch 6 is opened.
  • the restart phase of the combustion engine sector 2 is divided into three phases.
  • the electric motor 4 is accelerated to a predetermined speed.
  • a corresponding desired clutch torque must be established.
  • the build-up clutch torque depends essentially on two components.
  • the first component MkuppPartl includes specific characteristics of the internal combustion engine 2, such as the friction and compression behavior.
  • This shutdown position of the internal combustion engine 2 is related, for example, to an absolute angular position, ie, a clutch torque component is defined, which is engine shutoff position dependent.
  • a clutch torque component is defined, which is engine shutoff position dependent. The reason for this is that the closer a piston is to top dead center, the higher the clutch torque must be to overcome the compression.
  • FIG. 2 shows compression torques of the internal combustion engine as a function of the crankshaft angle ⁇ .
  • the states of the internal combustion engine 2 are designed as follows:
  • Discharge phase 540 ° ⁇ ⁇ 720 °
  • MkuppPartl Mstart_eng ( ⁇ , Temp)
  • a second component MkuppPart2 of the target clutch torque is considered, which can be referred to as a dynamic torque.
  • This dynamic moment determines the dynamic acceleration of the internal combustion engine 2, wherein this dynamic torque can also be temperature-dependent and is typically determined according to the following equation.
  • MkuppPart2 Jmot * wTgt, where
  • Mkupp Mstart_eng ( ⁇ , ⁇ ) + Jmot * wTgt, wherein the dynamic torque is superimposed on the target clutch torque and provided by the electric motor 3.
  • the desired clutch torque is limited to the dynamic torque, while the friction and compression torque is reduced or completely set to zero.
  • the desired clutch torque includes only portions to set the desired target acceleration of the engine 2.
  • the rotational speed N_Emot of the electric motor 4 rises in phase 2, in order to bring the combustion engine 2 along.
  • the setting of the desired acceleration of the internal combustion engine 2 can be assisted by a control unit. It is important to ensure that the total clutch torque towards the end of phase 2, where the engine speed N_ICE approaches the electric motor speed N_Emot, is as small as possible, to an unnecessary
  • the hybrid disconnect clutch 6 is fully closed. This can be realized once by using a ramp function in the control. Alternatively, however, a slip control is conceivable.
  • the restarting functionality in a hybrid vehicle is optimized by making the activation of the internal combustion engine 2 dependent on its parking position in the first phase of the restart. This has the advantage that a safe restart is possible thereby and at the same time the subsequent acceleration behavior is clearly reproducible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Start eines Verbrennungsmotors in einem Hybridfahrzeug, bei welchem ein Elektromotor (4) des Hybridfahrzeuges auf eine vorgegebene Drehzahl beschleunigt und eine, zwischen Verbrennungsmotor (2) und Elektromotor (4) angeordnete Hybridtrennkupplung (6) in Abhängigkeit von einem zu übertragenden Sollkupplungsmoment in Schließrichtung bewegt wird. Bei einem Verfahren, bei welchem eine hohe Reproduzierbarkeit des Wiederstarts gewährleistet wird, wird in einer ersten Phase, in welcher der Verbrennungsmotor (2) steht, das Sollkupplungsmoment zum Wiederstart des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von einer Motorabstellposition des Verbrennungsmotors (2) ermittelt.

Description

Verfahren zum Start eines Verbrennungsmotors eines Hybridfahrzeuges
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Start eines Verbrennungsmotors in einem Hybridfahrzeug, bei welchem ein Elektromotor des Hybridfahrzeuges auf eine vorge- gebene Drehzahl beschleunigt und eine, zwischen Verbrennungsmotor und Elektromotor angeordnete Hybridtrennkupplung in Abhängigkeit von einem zu übertragenden Sollkupplungsmoment in Schließrichtung bewegt wird.
Aus der DE 10 2008 030 480 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Startkupplung bekannt, bei welchem sich die Startkupplung im Antriebsstrang eines Hybridfahrzeu- ges befindet. Während einer Startphase der Brennkraftmaschine wird die Startkupplung, die zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Elektromotor angeordnet ist, mittels des Elektromotors in einer ersten Startphase mittels einer Vorsteuerung und in einer zweiten Startphase in Abhängigkeit von der Beschleunigung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine geschlossen. Dabei wird der stehende Verbrennungsmotor ge- eignet angeschleppt. Dieses Verfahren ist in verschiedenen Situationen wenig robust. Das Kupplungsmoment ist entweder zu groß, d.h. die Beschleunigung des Verbrennungsmotors erfolgt zu schnell, oder das Kupplungsmoment ist zu niedrig, wodurch Start zu langsam oder im Extremfall gar nicht erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Start eines Verbren- nungsmotors in einem Hybridfahrzeug anzugeben, welches robust funktioniert und einen sicheren Start des Verbrennungsmotors gewährleistet.
Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass in einer ersten Phase, in welcher der Verbrennungsmotor steht, das Sollkupplungsmoment zum Wiederstart des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von einer Motorabstellposition des Verbren- nungsmotors ermittelt wird. Dies hat den Vorteil, dass die verschiedenen Positionen der Kolben des Verbrennungsmotors bei der Einstellung des Sollkupplungsmomentes berücksichtigt werden. Durch diese Vorgehensweise wird ein sicherer Start des Verbrennungsmotors gewährleistet, da das eingestellte Sollkupplungsmoment variiert.
Vorteilhafterweise umfasst das Sollkupplungsmoment Reib- und/oder Kompressions- momente infolge der Motorabstellposition des Verbrennungsmotors. Diese Reib- und/oder Kompressionsmomente sind je nach Motorposition verschieden und erfordern somit unterschiedliche Anschlepp- bzw. Losreißmomente für den Verbren- nungsmotor, die bei der Einstellung des Sollkupplungsmomentes berücksichtigt werden.
Vorteilhafterweise sind die Reib- und Kompressionsmomente temperaturabhängig. Das Sollkupplungsmoment variiert somit stark in Abhängigkeit dieser verschiedenen Parameter und wird für den jeweilig aktuellen Zustand des Verbrennungsmotors konkret bestimmt.
In einer Variante wird das Sollkupplungsmoment in der ersten Phase von einem Anteil überlagert, welches eine Massenträgheit und eine Zielbeschleunigung des Verbrennungsmotors berücksichtigt. Dabei wird das, von der Kupplung einzustellende Soll- kupplungsmoment gezielt auf die baulichen Gegebenheiten des Verbrennungsmotors gerichtet.
In einer Weiterbildung wird in einer zweiten Phase, in welcher der Verbrennungsmotor seine Bewegung aufnimmt, das Sollkupplungsmoment in Abhängigkeit einer, aus dem Dynamikmoment abgeleitete Sollbeschleunigung des Verbrennungsmotors bestimmt. Das bedeutet, dass in dieser zweiten Phase lediglich das Dynamikmoment, welches von der Massenträgheit und der Zielbeschleunigung des Verbrennungsmotors abhängt, berücksichtigt wird. Die Beachtung von Kompressions- und Reibungsmomenten kann reduziert werden oder entfallen, da der Verbrennungsmotor bereits in Bewegung ist. Vorteilhafterweise wird das Sollkupplungsmoment in Abhängigkeit von der Sollbeschleunigung des Verbrennungsmotors geregelt. Dies stellt sicher, dass zu jedem Zeitpunkt des Wiederstarts des Verbrennungsmotors das gewünschte Sollkupplungsmoment eingestellt ist und somit der Verbrennungsmotor weiter beschleunigt wird.
In einer Ausführungsform wird in einer dritten Phase, wenn die Differenzdrehzahl aus Verbrennungsmotordrehzahl und Elektromotordrehzahl kleiner ist als ein vorgegebener Drehzahlschwellwert, die Hybridtrennkupplung vollständig geschlossen. Damit wird sichergestellt, dass der Verbrennungsmotor schnellstmöglich an die Drehzahl des Elektromotors angepasst wird.
In einer weiteren Variante wird zum vollständigen Schließen der Hybridtrennkupplung eine Rampenfunktion oder eine Schlupfregelung verwendet. Die Rampenfunktion ist dabei bevorzugt zu nutzen, da bei der Schlupffunktion es zu Drehzahlsprüngen kommen kann. Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Antriebsstranges eines Hybridfahrzeuges, Fig. 2 Kompressionsmomente des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit des Kurbelwellenwinkels,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Antriebsstranges 1 eines Hybridfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor 2, welcher eine Kurbelwelle 3 aufweist. Ein Elektromo- tor 4 weist einen Rotor 5 auf, wobei zwischen dem Elektromotor 4 und dem Verbrennungsmotor 2 eine Hybridtrennkupplung 6 angeordnet ist. Eine weitere Kupplung, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Drehmomentwandler 7 ausgeführt ist, der zusätzlich über eine Wandlerüberbrückungskupplung verfügen kann, ist zwischen dem Getriebe 8 und der Elektromotor 4 angeordnet. Das Getriebe 8 überträgt das von den Antriebseinheiten (Verbrennungsmotor 2 und Elektromotor 4) einzeln oder gemeinsam generierte Antriebsmoment an die Antriebsräder 9. Soll der Verbrennungsmotor 2 bei geschlossener Hybridtrennkupplung 6 ausschließlich Moment übertragen, wird der Elektromotor 4 stromlos gestaltet, der Rotor 5 dient dabei als Schwungmasse. Bei der Bestromung des Elektromotors 4 und geschlossener Hybridtrennkupplung 6 übertragen beide Antriebseinheiten 2, 4 Moment auf das Getriebe 8. Soll nur der Elektromotor 4 antreiben, wird die Hybridtrennkupplung 6 geöffnet. Soll mittels des Elektromotors 4 abgebremst werden, wird die Hybridtrennkupplung 4 geöffnet und der Elektromotor 4 als Generator betrieben. Zusätzlich kann zur Erzielung eines größeren Verzögerungseffektes das Schleppmoment des Verbrennungsmotors 2 durch Schlie- ßen der Hybridtrennkupplung 6 genutzt werden.
Bei Hybridfahrzeugen kommt es häufig vor, dass nach einer elektrischen Fahrt, während des Betriebes des Hybridfahrzeuges, der stillstehende Verbrennungsmotor 2 gestartet werden soll, um somit eine hybridische Fahrt durchzuführen. In Fig. 3 ist ein Diagramm dargestellt, welches den Verlauf eines Wiederstarts des Verbrennungsmo- tors 2 darstellt. Bei einem solchen Wiederstart ist der Verbrennungsmotor 2 zunächst stillgesetzt und das Hybridfahrzeug wird durch den Elektromotor 4 betrieben, während die Hybridtrennkupplung 6 geöffnet ist. Die Wiederstartphase des Verbrennungsmo- tors 2 teilt sich dabei in drei Phasen ein. In der ersten Phase wird der Elektromotor 4 auf eine vorgegebene Drehzahl beschleunigt. Um einen sicheren Start des Verbrennungsmotors 2 zu gewährleisten, muss ausgehend von Null ein entsprechendes Sollkupplungsmoment aufgebaut werden. Das aufzubauende Sollkupplungsmoment hängt dabei im Wesentlichen von zwei Komponenten ab. Die erste Komponente MkuppPartl umfasst spezifische Eigenschaften des Verbrennungsmotors 2, wie das Reibungs- und Kompressionsverhalten. Dieses Reibungs- und Kompressionsverhalten ergibt sich aus der momentanen Motorabstellposition des Verbrennungsmotors 2 beim Wiederstart des Verbrennungsmotors 2. Die Abstellposition des Verbrennungs- motors 2 wird dabei beispielsweise auf eine absolute Winkelposition bezogen, d.h. es wird ein Kupplungsmomentenanteil definiert, welcher motorabstellpositionsabhängig ist. Hintergrund dafür ist, dass, je näher sich ein Kolben am oberen Totpunkt befindet, desto höher muss das Kupplungsmoment sein, um die Kompression zu überwinden.
Die verschiedenen Motorabstellpositionen der Kolben des Verbrennungsmotors 2 werden über einen Kurbelwellenwinkel φ in vier Zustände des Verbrennungsmotors eingeteilt. In Fig. 2 sind Kompressionsmomente des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit des Kurbelwellenwinkels φ dargestellt. Die Zustände des Verbrennungsmotors 2 gestalten sich dabei wie folgt:
Ansaugphase: 0 < φ < 180° Kompressionsphase: 180° < φ < 360°
Verbrennungs-/Expansionsphase: 360° < φ < 540°
Auslassphase: 540° < φ < 720°
Je nachdem, in welcher Kurbelwinkelposition der Verbrennungsmotor 2 beim Wiederstart abgestellt ist, treten unterschiedliche Reib- und Kompressionskräfte auf, die durch das Sollkupplungsmoment zu überwinden sind. Darüber hinaus wird berücksichtigt, dass die Reib- und Kompressionsmomente temperaturabhängig sind.
MkuppPartl = Mstart_eng (φ, Temp)
In dieser Phase 1 wird noch eine zweite Komponente MkuppPart2 des Sollkupplungsmomentes betrachtet, welche als Dynamikmoment bezeichnet werden kann. Dieses Dynamikmoment legt die dynamische Beschleunigung des Verbrennungsmotors 2 fest, wobei dieses Dynamikmoment ebenfalls temperaturabhängig sein kann und typischerweise nach folgender Gleichung bestimmt wird. MkuppPart2 = Jmot * wTgt, wobei
Jmot Massenträgheit des Verbrennungsmotors wTgt Zielbeschleunigung des Verbrennungsmotors im rad/sec. Daraus kann abgeleitet werden, dass in der ersten Phase das Ansteuermoment Mkupp der Hybridtrennkupplung 6 bestimmt ist zu
Mkupp = Mstart_eng (φ,Τβηηρ) + Jmot * wTgt, wobei bei das Dynamikmoment dem Sollkupplungsmoment überlagert ist und von dem Elektromotor 3 bereitgestellt wird. In der zweiten Phase des Wiederstartes beginnt sich der Verbrennungsmotor 2 zu drehen. Dabei wird das Sollkupplungsmoment auf das Dynamikmoment beschränkt, während das Reib- und Kompressionsmoment reduziert oder vollständig auf null gesetzt wird. Das Sollkupplungsmoment beinhaltet nur noch Anteile, um die gewünschte Sollbeschleunigung des Verbrennungsmotors 2 einzustellen. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, hebt sich die Drehzahl N_Emot des Elektromotors 4 in der Phase 2 an, um den Verbrennungsmotor 2 mitzuschleppen. Die Einstellung der Sollbeschleunigung des Verbrennungsmotors 2 kann dabei durch eine Regeleinheit unterstützt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass das Gesamtkupplungsmoment gegen Ende der Phase 2, wo sich die Verbrennungsmotordrehzahl N_ICE der Elektro- motordrehzahl N_Emot nähert, möglichst gering ist, um einen unnötigen
Einkuppelruck des Hybridfahrzeuges zu vermeiden.
In Fig. 3 benötigten Abkürzungen sind wie folgt:
Trq_CI_Tgt Sollkupplungsmoment
N_Emot Drehzahl des Elektromotors N_ICE Drehzahl des Verbrennungsmotors
Trq_Start_ICE Startkupplungsollmoment des Verbrennungsmotors
Am Ende des Wiederstartes in Phase 3, wo die Drehzahldifferenz zwischen Verbrennungsmotordrehzahl NJCE und Elektromotordrehzahl N_Emot kleiner als ein vorge- gebener Schwellwert ist, wird die Hybridtrennkupplung 6 vollständig geschlossen. Dies kann einmal dadurch realisiert werden, dass eine Rampenfunktion in der An- steuerung genutzt wird. Alternativ ist aber auch eine Schlupfregelung denkbar.
Aufgrund der vorgeschlagenen Lösung wird die Wiederstartfunktionalität in einem Hybridfahrzeug optimiert, indem in der ersten Phase des Wiederstarts die Ansteue- rung des Verbrennungsmotors 2 von dessen Abstellposition abhängig gemacht wird. Dies hat den Vorteil, dass dadurch ein sicherer Wiederstart ermöglicht wird und gleichzeitig das nachfolgende Beschleunigungsverhalten deutlich reproduzierbarer ist.
Bezuqszeichenliste
Antriebsstrang
Verbrennungsmotor
Kurbelwelle
Elektromotor
Rotor
Hybridtrennkupplung
Drehmomentwandler
Getriebe
Antriebsräder

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Start eines Verbrennungsmotors in einem Hybridfahrzeug, bei welchem ein Elektromotor (4) des Hybridfahrzeuges auf eine vorgegebene Drehzahl beschleunigt und eine, zwischen Verbrennungsmotor (2) und Elektromotor (4) angeordnete Hybridtrennkupplung (6) in Abhängigkeit von einem zu übertragenden Sollkupplungsmoment in Schließrichtung bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Phase, in welcher der Verbrennungsmotor (2) steht, das Sollkupplungsmoment zum Wiederstart des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von einer Motorabstellposition des Verbrennungsmotors (2) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Sollkupplungsmoment Reib- und/oder Kompressionsmomente infolge der Motorabstellposition des Verbrennungsmotors (2) umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reib- und Kompressionsmomente temperaturabhängig sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sollkupplungsmoment in der ersten Phase von einem Anteil überlagert wird, welches eine Massenträgheit und eine Zielbeschleunigung des Verbrennungsmotors (2) berücksichtigt.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Phase, in welcher der Verbrennungsmotor (2) seine Bewegung aufnimmt, das Sollkupplungsmoment in Abhängigkeit einer, aus dem Dynamikmoment abgeleiteten Sollbeschleunigung des Verbrennungsmotors (2) bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sollkupplungsmoment in Abhängigkeit von der Sollbeschleunigung des Verbrennungsmotors (2) geregelt wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer dritten Phase, in welcher die Differenzdrehzahl aus Verbrennungsmotordrehzahl und Elektromotordrehzahl kleiner als ein vor- gegebener Drehzahlschwellwert ist, die Hybridtrennkupplung (6) vollständig geschlossen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum vollständigen Schließen der Hybridtrennkupplung (6) eine Rampenfunktion oder eine Schlupf- regelung verwendet wird.
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