DE102004058774A1

DE102004058774A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung der Kurbelwellendrehzahl einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004058774A1
Application number: DE102004058774A
Authority: DE
Inventors: Sigurd Dipl.-Ing.(FH) Wilhelm; Harald Hochmuth; Bernhard Dipl.-Ing.(FH) Wiesneth; Alexander Dipl.-Ing.(FH) Zernickel
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2006-06-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Kurbelwellendrehzahl einer Brennkraftmaschine (6), die derartig ausgebildet ist, dass mit Hilfe einer Elektromaschine (16) nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine (6) die Kurbelwelle (2) für einen sicheren Neustart in eine Ruhelage gebremst wird, die in einem Zielwinkelbereich (31) nach einem OT von einem der Zylinder liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Kurbelwellendrehzahl einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 beziehungsweise 8.

Gebiet der Erfindung

Für den Betrieb von Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, gelten allgemein steigende Anforderungen an den Kraftstoffverbrauch und die damit im Zusammenhang stehenden Emissionen umweltschädlicher Abgase.

Es sind bereits eine Vielzahl von sogenannten Start-Stop-Systemen bekannt geworden, welche zwecks einer Verbrauchsreduktion die Brennkraftmaschine in bestimmten Betriebshasen automatisiert abschaltet und anschließend wieder zuschaltet. Das Zuschalten über den herkömmlichen Starter ist dabei nicht zielführend, da diese Starter mit vergleichsweise starkem Geräusch arbeiten und in der Regel auf eine sehr geringe Lebensbetriebsdauer ausgelegt sind. Daher wurde für direkt einspritzende Brennkraftmaschinen bereits ein sogenannter Direkt-Start vorgeschlagen, bei welchem zur Einleitung des Startvor ganges Kraftstoff direkt in den oder die Brennräume eingespritzt und zur Zündung gebracht wird.

Aus der DE 198 17 497 A1 ist bereits eine Anordnung mit einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine bekannt geworden, in welcher eine mit der Kurbelwelle drehgekoppelte Starter-Generatoreinheit beim Abstellen der Brennkraftmaschine deren auslaufende Kurbelwelle mittels der elektrischen Maschine selbsttätig in einen für den nächsten Start günstigen Startwinkel bringt. Hierfür steuert eine Steuerungseinrichtung einen Wechselrichter der elektrischen Maschine derart an, dass diese entweder bremsende oder beschleunigende Momente auf die Kurbelwelle überträgt, um den Startwinkel zu erreichen. Für eine vierzylindrige Viertaktbrennkraftmaschine wird für einen bezüglich des benötigten Startmoments günstigen Startwinkels ein Bereich unmittelbar nach dem oberen Totpunkt (OT) des zuerst zündenden Zylinders vorgeschlagen.

In der DE 100 30 000 A1 wird zu ähnlichem Zweck vorgeschlagen, während des Stoppvorganges eine Kupplung in Abhängigkeit von einem Kurbelwellenwinkel, einer Motordrehzahl und einer Motortemperatur gesteuert zu öffnen, um eine Abstellposition zu erreichen, die es erlaubt, nach einer möglichst geringen Drehung der Kurbelwelle einen Neustart zu erreichen. Diese Abstellposition soll durch eine derartige Ansteuerung der elektrischen Maschine und der Kupplung erreicht werden, dass ein entsprechendes Moment nach einem Stillstand der Brennkraftmaschine auf deren Kurbelwelle übertragen wird.

Des Weiteren ist es aus der DE 197 41 294 A1 für eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine bekannt geworden, zum Starten zunächst die Kurbelwelle mittels einer Elektromaschine in eine vorgebbare Startposition zu bringen. Deren Winkelposition soll in einem Bereich nach dem OT und deutlich vor dem unteren Totpunkt (UT) liegen. Auch wird ergänzend vorgeschlagen, beim Abstellen der Brennkraftmaschine durch geeignete Maßnahmen eine günstige Position eines Startzylinders einzustellen, ohne dass diese Maßnahmen benannt werden.

Schließlich wird in der gattungsgemäßen DE 100 50 170 A1 eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Kurbelwellendrehzahl einer direkt startbaren Brennkraftmaschine vorgeschlagen, mit einer mit der Kurbelwelle verbundenen Elektromaschine, wobei beim Abschalten der Brennkraftmaschine deren Kurbelwellendrehzahl mittels der Elektromaschine derartig abbremsbar ist, dass eine vorbestimmte Ruhelage der Kurbelwelle in einem Zielwinkel erreichbar ist.

Um einen sich anschließenden Direktstart in einer möglichst kurzen Zeitspanne zu realisieren, soll sich die Kurbelwelle weniger als einmal drehen, bevor die Brennkraftmaschine durch den Direktstart anspringt. Danach soll die vorbestimmte Ruhelage für eine vierrylindrige Brennkraftmaschine etwa bei 90° vor OT liegen. Bei einer sechszylindrigen Brennkraftmaschine soll diese Ruhelage etwa bei 60° oder etwa bei 180° oder etwa bei 300° vor dem OT liegen. Für eine viertaktige Brennkraftmaschine bedeutet dabei 180° vor OT eine Stellung in UT, während 300° vor OT eine Stellung bei 60° nach dem Ausschiebe-OT ausdrückt.

Nachteilig bei den bekannten Einrichtungen ist es, dass sowohl steuerungsseitig bzw. sensorseitig wie auch hardwareseitig ein vergleichsweise hoher Aufwand getrieben wird. Separate Start-Stop-Einrichtungen benötigen einen erheblichen Bauraum, welches bei modernen Fahrzeugkonzepten zu unlösbaren Packageproblemen führen kann.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Beeinflussung der Kurbelwellendrehzahl einer Direkt-Starteinrichtung für eine Brennkraftmaschine anzugeben, welche einen zuverlässigen und sicheren Start der Brennkraftmaschine gewährleisten.

Lösung der Aufgabe

Die gestellte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Beeinflussung der Kurbelwellendrehzahl einer Direkt-Starteinrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einer mit der Kurbelwelle verbundenen Elektromaschine, welche nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine deren Kurbelwellendrehzahl derartig abbremst, dass eine vorbestimmte Ruhelage der Kurbelwelle in einem bestimmten Zielwinkel erreicht wird, wobei die Abbremsung derart abläuft, das die vorbestimmte Ruhelage bei einem Zielwinkel von etwa 95° bis 110° nach einem Expansions-OT eines Zylinders der Brennkraftmaschine erreicht wird. Versuche ergaben, dass ein Direktstart dann sicher und zuverlässig reproduzierbar durchführbar ist, wenn die Kurbelwelle in dem angegebenen Zielwinkelbereich zum Stillstand kommt.

Bevorzugt weist die Brennkraftmaschine eine Steuereinrichtung auf, welche Drehzahlsignale der Kurbelwelle aufnimmt und welche der Elektromaschine die Kurbelwelle abbremsende Signale übermittelt. Dieser Aufbau bietet den Vorteil, dass auf das ohnehin notwendige und vorhandene Steuergerät sowie die ebenso vorhandene Sensorik zur Drehzahlerfassung an der Kurbelwelle zurückgegriffen werden kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung kann zudem vorsehen, dass nur dann bremsend eingegriffen wird, wenn die Restdrehenergie zum Zeitpunkt des Abstellens der Brennkraftmaschine ein Überlaufen des Zielwinkels zur Folge hätte. Dieses verringert die Anzahl der bremsenden Eingriffe auf ein Minimum.

Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn abbremsende Signale derart übermittelt werden, dass ab dem Zeitpunkt des Abbremsens eine mittlere Kurbelwellendrehzahl nahezu linear bis zum Erreichen des Zielwinkels abnimmt. Hierdurch wird das sogenannte Abstellschütteln der Brennkraftmaschine wirksam reduziert.

Eine weitere Variante des Steuerungsverfahrens schließt ein, dass bei bekanntem Drehzahl- und Abbremsverlauf eine Verriegelungseinrichtung an der Kurbelwelle arretiert wird, wenn ein vorbestimmter Zeitraum seit dem Bremsbeginn verstrichen ist.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung kann die Verriegelungseinrichtung an der Kurbelwelle dann arretiert werden, wenn ein vorbestimmter Zielwinkelbereich erreicht ist.

Nach Anspruch 8 wird die gestellte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Beeinflussung der Kurbelwellendrehzahl einer Direkt-Starteinrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einer mit der Kurbelwelle verbundenen Elektromaschine, welche nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine deren Kurbelwellendrehzahl derartig abbremst, dass eine vorbestimmte Ruhelage der Kurbelwelle in einem bestimmten Zielwinkel erreicht wird, wobei die Abbremsung derart abläuft, das die vorbestimmte Ruhelage bei einem Zielwinkel von etwa 95° bis 110° nach einem Expansions-OT eines Zylinders der Brennkraftmaschine erreicht wird. Versuche ergaben, dass ein Direktstart dann sicher und zuverlässig reproduzierbar durchführbar ist, wenn die Kurbelwelle in dem angegebenen Zielwinkelbereich zum Stillstand kommt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Expansions-OT vor der Ruhelage der letzte OT ist, der nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine durch die vorhandene Restdrehenergie der Kurbelwelle durchlaufen worden ist. Dies hat den Vorteil, dass die dann abzubremsende Restdrehenergie minimal ist, so dass die Elektromaschine und die das Bremsdrehmoment übertragenden Bauteile am geringsten belastet werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft zudem einschließen, dass der Expansions-OT vor der Ruhelage der letzte OT ist, der nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine durch die vorhandene Restdrehenergie durchlaufbar ist. Dies hat den Vorteil, dass die dann abzubremsende Restdrehenergie minimal ist, so dass die Elektromaschine am geringsten belastet wird.

Bevorzugt weist die Brennkraftmaschine eine Steuereinrichtung auf, welche Drehzahlsignale der Kurbelwelle aufnimmt und welche der Elektromaschine die Kurbelwelle abbremsende Signale übermittelt. Dies bietet den Vorteil, dass auf das ohnehin notwendige und vorhandene Steuergerät sowie die ebenso vorhandene Drehzahlerfassungssensorik an der Kurbelwelle zurückgegriffen werden kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung kann vorsehen, dass zwischen der Kurbelwelle und der Elektromaschine ein Riementrieb angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass die unvermeidlich auftretenden Stöße durch die Drehungleichförmigkeit der Brennkraftmaschine wirksam gedämpft werden können und sich nicht in voller Stärke bis zur Elektromaschine fortsetzen.

Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn als Elektromaschine der üblicherweise vorhandene Generator Verwendung für diese Zusatzaufgabe findet. Dies ist kostengünstig und vermeidet Bauraumprobleme, da kein weiteres neues Bauteil integriert werden muss.

In einer bevorzugten Variante kann der Kurbelwelle eine Verriegelungseinrichtung zugeordnet sein, welche ein sicheres Fixieren der Kurbelwelle in dem den Direktstart ermöglichenden Zielwinkel gewährleistet. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass bei bekanntem Drehzahl- und Abbremsverlauf nach einer vorbestimmten Zeit die Verriegelungseinrichtung die Kurbelwelle das Restdrehmoment aufnehmend arretiert oder ein Drehwinkelsensor vorhanden ist, der beim Erreichen des Zielwinkelbereichs die Verriegelungseinrichtung auslöst.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine samt Elektromaschine, Sensorik und Steuerungsvorrichtung, und
2 ein Diagramm zur erfindungsgemäßen Abbremsung einer Kurbelwelle.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Die 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 6 mit einer Kurbelwelle 2 und mit darauf wirksamen Hubkolben 4, wobei der Kurbelwelle 2 an einem vorderen Ende eine Riemenscheibe 8 sowie eine Verriegelungseinrichtung 10 zugeordnet ist.
Die Riemenscheibe 8 wird von einem als Riementrieb 12 ausgebildeten Endlostrieb überlaufen, welcher unter Bereitstellung eines bevorzugten Übersetzungsverhältnisses „i" zwischen 2 und 3 über eine weitere Riemenscheibe 14 einer als Generator bzw. Lichtmaschine oder Startergenerator ausgebildeten Elektromaschine 16 läuft.
Der Elektromaschine 16 ist eine Leistungselektronik 18 zugeordnet, welche von einem Steuergerät 20 angesteuert wird. Gemeinsam bilden diese beiden Bauteile 18 und 20 eine Steuereinrichtung 22 der Brennkraftmaschine 6, welcher unter anderem mittels eines Sensors 24 aufgenommene Drehzahlsignale der Kurbelwelle 2 zugeführt werden.
Anhand von 2 wird nachfolgend der erfindungsgemäße Ablauf des Verfahrens zur Beeinflussung der Drehzahl der Kurbelwelle 2 näher erläutert. Auf der Abszisse des Diagramms ist qualitativ der Verlauf des Drehwinkels φ der Kurbelwelle 2 dargestellt, während auf der Ordinate die mittlere Drehzahl N der Kurbelwelle 2 aufgetragen ist. Eine Kurve 30 stellt den Verlauf der Drehzahl N nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine 6 bis zum Erreichen eines Ziel winkelbereiches 32 dar. Die Kurve 30 repräsentiert in ihrem gesamten Verlauf daher eine Motorauslaufdrehzahlkurve.
Der Sensor 24 übermittelt permanent die aktuelle Drehzahl der Kurbelwelle 2 an das Steuergerät 20. In diesem Steuergerät 20 sind bekannte Werte dieser Brennkraftmaschine 6 abgelegt, die unter Berücksichtung der Restdrehenergie ausgelesen werden. Diese Werte sind so bestimmt, dass von ihnen nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine 6 ein Steuersignal dann an die Leistungselektronik 18 übertragen wird, wenn die Restdrehenergie nach dem sicheren Durchfahren des letzten Zylinders, der seinen Kompressions-OT noch erreicht, so groß ist, dass der Zielwinkelbereich 32 überfahren werden würde. Das dann ausgelöste Steuersignal bewirkt eine Abbremsung der Drehbewegung der Kurbelwelle 2 vor Erreichen des letzten OT's, der durch die Restdrehenergie noch durchfahren wird, dargestellt durch den Punkt A an der Kurve 30.
Die Abbremsung beginnt im Zeitpunkt A durch Erregung der Elektromaschine derart, dass die Kurbelwelle 2 Arbeit an derselben verrichten muss. Diese Arbeit entzieht dem Kurbeltrieb Energie, die demzufolge zu einer Verringerung der Drehzahl N führt.
Die vor dem Erreichen von Punkt A erkennbare Welligkeit im Verlauf der Kurve 30 ist durch die Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle 2 bedingt. Nach dem Erreichen des Punktes A nimmt diese Drehzahlvarianz deutlich ab, wie im weiteren Verlauf der Kurve 30 bis zum Punkt B erkennbar ist, welcher einen Drehwinkel φ bei Erreichen des letzten durchlaufenen Verdichtungs-OT's repräsentiert. Ab dem Erreichen dieses letzten OT's wird die Elektromaschine 16 derart angesteuert, dass eine weitergehende Abbremsung erfolgt, damit der Zielwinkelbereich 32 mit möglichst geringer Drehzahl N erreicht wird.
Die weitere Abbremsung ist durch einen gepunkteten Verlauf der Kurve 30 entlang eines Abschnittes C dargestellt. Dieses relativ steile Abbremsen entlang des Abschnittes C hat den Vorteil, dass zum Zeitpunkt des Eingriffes der Ver riegelungseinrichtung 10 keine unbeherrschbar hohen abzufangenden Drehmomente auftreten.
Ist der Zielwinkelbereich 32 von etwa 100° bis 107° nach dem genannten OT erreicht, steuert das Steuergerät 20 die Verriegelungseinrichtung 10 an. Dieses bewirkt ein Abfangen der Restdrehenergie, wobei insgesamt die Auslegung dämpfend getroffen ist (Punkt D der Kurve 30). Abschließend erfolgt die Verriegelung der Kurbelwelle 2 in diesem Zielwinkelbereich 32 (Punkt E im Verlauf der Kurve 30 auf der Abszisse).
Vom Punkt B ausgehend ist bis zum Punkt E eine etwa spiralförmig verlaufende Teilkurve 34 aus dem Stand der Technik dargestellt. Ohne die erfindungsgemäße Vorrichtung würde nach dem Durchfahren des letzten OT's zunächst die Drehzahl N erneut ansteigen, da während dieses OT's Kompressionsarbeit verrichtet werden muss, die sich zunächst bremsend auswirkt. Die im restlichen Laufzeug gespeicherte kinetische Energie bewirkt anschließend den leichten, erneuten Drehzahlanstieg. Danach fällt die Drehzahl N steil bis auf Null ab, um sich dann während des sogenannten Abstellschüttelns unter mehrfacher Drehrichtungsumkehr der Kurbelwelle 2 bis zum finalen Stillstand zum Punkt E zu bewegen. Dieser Punkt E kann im Stand der Technik nachteilig an mehreren Punkten auch außerhalb des Zielwinkelbereiches 32 liegen.
Durch die Ruhelage der Kurbelwelle 2 innerhalb des Zielwinkelbereiches 32 ist dagegen ein sicherer und einfacher Neustart der Brennkraftmaschine 6 gewährleistet.

2: Kurbelwelle
4: Hubkolben
6: Brennkraftmaschine
8: Riemenscheibe
10: Verriegelungseinrichtung
12: Riementrieb
14: Riemenscheibe
16: Elektromaschine
18: Leistungselektronik
20: Steuergerät
22: Steuereinrichtung
24: Sensor
30: Kurve
32: Zielwinkelbereich
34: Teilkurve
A: Beginn der Abbremsung
B: Punkt der Kurve 30, letzter OT
C: Abschnitt der Kurve 30
D: Punkt der Kurve 30
E: Punkt der Kurve 30
φ: Drehwinkel der Kurbelwelle

Claims

Verfahren zur Beeinflussung der Kurbelwellendrehzahl einer Brennkraftmaschine, die eine Direkt-Starteinrichtung umfasst, mit einer mit der Kurbelwelle verbundenen Elektromaschine, welche nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine deren Kurbelwellendrehzahl derartig abbremst, dass eine vorbestimmte Ruhelage der Kurbelwelle in einem bestimmten Zielwinkel erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbremsung derart abläuft, das die vorbestimmte Ruhelage bei einem Zielwinkel von etwa 100° bis 107° nach einem Expansions-OT eines Zylinders der Brennkraftmaschine erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansions-OT vor der Ruhelage der letzte OT ist, der nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine durch die vorhandene Restdrehenergie durchlaufen worden ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkraftmaschine eine Steuereinrichtung zugeordnet ist, welche Drehzahlsignale der Kurbelwelle aufnimmt und welche der Elektromaschine die Kurbelwelle abbremsende Signale übermittelt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung der Elektromaschine dann abbremsende Signale übermittelt, wenn zum Zeitpunkt des Abstellens der Brennkraftmaschine eine Restdrehenergie der Kurbelwelle vorhanden ist, die ein Überlaufen des Zielwinkels zur Folge hätte.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass abbremsende Signale derart übermittelt werden, dass ab dem Zeitpunkt des Abbremsens eine mittlere Kurbelwellendrehzahl nahezu linear bis zum Erreichen des Zielwinkels abnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei bekanntem Drehzahl- und Abbremsverlauf eine Verriegelungseinrichtung an der Kurbelwelle arretiert wird, wenn ein vorbestimmter Zeitraum seit dem Bremsbeginn (Punkt A) verstrichen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verriegelungseinrichtung an der Kurbelwelle arretiert wird, wenn ein Zielwinkelbereich erreicht ist.
Vorrichtung zur Beeinflussung der Kurbelwellendrehzahl einer Brennkraftmaschine (6), die eine Direkt-Starteinrichtung umfasst, mit einer mit der Kurbelwelle (2) verbundenen Elektromaschine (16), wobei beim Abschalten der Brennkraftmaschine (6) deren Kurbelwellendrehzahl (N) mittels der Elektromaschine (16) derartig abbremsbar ist, dass eine vorbestimmte Ruhelage der Kurbelwelle (2) in einem Zielwinkel erreichbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Ruhelage bei einem Zielwinkel von etwa 100° bis 107° nach einem Expansions-OT eines Zylinders der Brennkraftmaschine (6) erreicht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansions-OT vor der Ruhelage der letzte OT ist, der nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine (6) durch die vorhandene Restdrehenergie durchlaufbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkraftmaschine (6) eine Steuereinrichtung (22) zugeordnet ist, welche Drehzahlsignale der Kurbelwelle (2) aufnimmt und welche die Elektromaschine (16) ansteuert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Elektromaschine (16) und der Kurbelwelle (2) ein beide antriebstechnisch verbindender Riementrieb (12) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (16) als Generator oder Startergenerator ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurbelwelle (2) eine Verriegelungseinrichtung (10) zugeordnet ist.