CN111608837A - 用于支持内燃机的起动过程的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于通过同步电机（50）支持内燃机（60）的起动过程的方法，同步电机可以在第一运行状态中作为发电机运行，并且在第二运行状态中作为电动马达运行，该方法包括：识别（100）同步电机（50）的转子（55）以第一角速度开始的转子运动，第一角速度相应于第一频率；通过施加具有第二频率的交流电压来操控（110）同步电机（50），第二频率大于第一频率；识别（200）在同步电机（50）的第一和第二运行状态之间的过渡；并且基于所识别的过渡来适配（120）对同步电机（50）的操控。

Description

用于支持内燃机的起动过程的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于支持内燃机的起动过程的方法和装置，以及计算单元和用于执行该方法的计算机程序。

背景技术

尤其在更小的车辆中，如在具有小的内燃机的摩托车的领域中经常使用永磁激励的同步发电机，其与内燃机的曲轴刚性耦合。发电机用于给车载网络（电池、控制设备、点火、喷入等）供应电能。

在此，发电机可以统一三个功能：除了给车载网络提供电能以外，坚实地实施的转子表明了用于稳定内燃机的运行特性的回转质量（Schwungmasse）。此外，可以在转子上存在金属标记或齿，其和转速传感器一起产生用于马达控制设备的转速信号和曲轴位置信号。这对于内燃机的可靠的运行来说是需要的。

可能的是，在车辆中设置为发电机的电机通过适当的设计和电路连接也在特定的情况下用作马达，并且因此在两个不同的运行模式中使用。以该方式实现驱动系的混合化。

为了起动内燃机可以使用不同的起动方法，例如机电起动器或开动器，即电动马达，电动马达的轴通过固定的传动机构与曲轴耦合，并且可以在起动期间暂时驱动曲轴。在摩托车中，例如脚踏起动同样是可能的，其中曲轴通过脚踩被机械加速。在进行第一喷入和点火并且马达过渡为燃烧运行之前，起动方法将马达拖至必要的最低转速。为了能够从非常低的转速实现起动过程，利用非常油腻的混合物触发第一燃烧周期，即喷入的燃料多于可以完全燃烧的燃料。由此在废气中产生未燃烧的碳链，从而实现虽然高负载的、但富含污染物的燃烧，并且导致马达转速明显升高到远高于起动器转速水平。即使当达到常见的马达空转转速时，也减小燃料的份额，并且利用燃料的完全燃烧实现优化污染物的运行。但根据当前的法规，已经必须在起动期间实现排放的尽可能有效的减小。

可以用作马达的电机虽然可以用作起动器发电机；但电机的尺寸设计刚好在更小的车辆中通常不足以单独完成起动过程。

发明内容

根据本发明提出了具有独立权利要求的特征的、用于通过平行使用起动器和可作为马达使用的电机支持内燃机的起动过程的装置和方法，以及计算单元和用于执行该方法的计算机程序。有利的设计方案是从属权利要求和随后的描述的主题。

根据本发明提出一种方法，该方法使用电机，电机不仅可以用作电动马达，而且也可以用作发电机，其中首先检测同步电机的转子的以第一频率开始的转子运动，并且随后通过施加具有第二频率的交流电压来操控同步电机，其中第二频率大于第一频率；在此识别在电机的发电机运行与马达运行之间的过渡。一旦识别过渡，那么该过渡可以用作适配对电机的操控的基础，从而电机已经可以在起动过程开始时就用作马达。通过由常规的起动器和因此使用的电机构成的组合，可以在第一燃烧之前明显提高起动转速。由此存在减小起动器的负载和磨损、减小起动器的噪音排放或使用尺寸更小的起动器（例如具有更小的能量需求或结构空间）的可能性。此外，通过在第一燃烧周期之前提高起动转速，改进冷起动的之前描述的废气问题，并且因此遵守将来的排放法规。

在发电机运行与马达运行之间的过渡的识别可以以不同的方式实现。示例性的实施方式例如是：

- 借助转速测量识别转子的升高的角加速度；在此使用的是，在从制动的发电机运行到加速的马达运行的过渡的情况下，期待加速度的明显的升高。

- 检测从电池到换流器的使用的电流流动，换流器连接在电池与电机之间；一旦使用马达运行，那么就期待从电池出发的电流流动。

- 测量一相位在换流器与电机之间的电流，并且识别出电流和电压什么时候过渡至相对彼此反相的状态。

通过在已知转子位置或曲轴位置之前就提前识别至马达运行的过渡，已经可以在起动过程开始时使电机用作支持。

根据本发明的实施方式，同步电机的转子与内燃机的曲轴刚性连接，并且转子的角速度通过曲轴或转子的转速传感器测量。优选地，马达的曲轴由机电起动器置于运动中。与经典的装置相比，这种实现方案不需要改变或仅需要少量改变，并且因此可以容易地实现并且仅通过使用改变的功率电子设备实现，尤其也在具有小的内燃机的车辆、如摩托车中实现。由于相同的原因，这种方法尤其适合于廉价且易于安装的永磁激励的同步电机，但同样可以利用其他的电机使用。

根据本发明的计算单元、例如机动车的控制设备或用于电机的单独的调节单元尤其在程序技术上设置用于执行根据本发明的方法。

根据本发明的方法以具有用于执行所有方法步骤的程序代码的计算机程序产品或计算机程序的形式的实现也是有利的，因为这导致特别小的成本、尤其当实施的控制设备还用于另外的任务并且因此原本存在时。用于提供计算机程序的适当的数据载体尤其是磁的、光学的和电的存储器、例如硬盘、闪存、EEPROM、DVD等。程序通过计算机网络（因特网、内部网等）的下载也是可能的。

本发明的另外的优点和设计方案由说明书和附图得到。

附图说明

本发明借助实施例在附图中示意性示出，并且随后参考附图描述。

图1示出了用于将电机用作发电机和马达的电路的示意性的结构；

图2示出了用于使用在本发明的示例性的实施方式中的元件的示意性的关系；并且

图3示出了本发明的实施方式的示例性的步骤。

具体实施方式

为了可以将电机用作发电机和马达需要改变常见的功率电子设备。随后的描述涉及永磁激励的同步电机，但其他的发电机也可以以类似的方式运行。为此，典型的电压调节器或发电机的整流器例如可以通过具有半导体开关的换流器的改变的电路替代，电压调节器或整流器通常实施为无源的二极管整流器。例如存在如下可能性，即为此使用有源的晶体管桥电路，利用该晶体管桥电路可以不仅用作用于发电机运行的整流器，而且可以用作用于马达运行的逆变器。在此例如可以使用MOSFET桥电路，但也可以使用其他的晶体管。

图1中示出了用于三相电机的具有相应的操控单元30、例如马达控制设备的这种典型的桥电路作为用于换流器10的示例。对其他的相位数量的适配通过补充或去除各个桥线路来实现。操控单元30可以根据电机的期望的电功率和电机的转子位置操控各个开关20。在此，输出的功率可以是正的（发电机运行）或负的（马达运行）。换流器10此外与供电的和可充电的电池40连接，电池也给车辆的车载网络45馈电。

因此***控的具有转子55的同步电机50可以用于在起动过程中支持起动器。图2示出了使用在本发明的示例性的方法中的元件的示意性的俯视图。在此，经常使用由电动马达构成的机电起动器80，电动马达的轴通过固定的传动机构与内燃机60的曲轴65刚性耦合，并且可以在起动期间驱动曲轴。在一些结构形式中，同步电机50的转子55可以直接布置在曲轴65上，或者与曲轴直接连接。同步电机在该示例中如已经在图1中那样（在此被简化）通过换流器10***控，换流器又连接至电池40。

控制单元30、例如马达控制设备（ECU）然而通常不具有已触发起动过程的信息。只有当马达60的曲轴65处于运动中时，控制设备才从转速传感器70接收表示起动过程的信号。

这种转速传感器70例如可以通过安装在曲轴65上的传感轮（未示出）和相应的传感器、例如感应作用的传感器或霍尔传感器实现。

传感器70记录经过的标记（例如齿）并且通过两个标记之间的时间差确定旋转速度或转速。附加地，借助另外的标记、尤其传感轮上的齿槽检测曲轴65的绝对位置，以便例如正确确定用于内燃机60的喷入和点火的时间点。一旦若干标记运行通过转速传感器70，那么传感器可以识别，曲轴例如基于通过起动器的驱动而运动。现在同样已经可以确定曲轴的当前转速或角速度。在曲轴65与转子55之间的刚性连接中，这也相应于转子55的角速度。

但只有当曲轴65的绝对位置基于转速信号中的间隙也是已知的时，才使用马达控制设备30的典型的功能。然而，因为起动过程应该是尽可能短的，所以值得期望的是，直接从一开始就通过电动马达支持起动器80。为了操控换流器10，使得电机50作为马达以尽可能大的转矩工作，然而电机的转子55的位置必须是已知的。在其他情况下，开关过程可能是安放不当的，从而电机50作为发电机以最大制动力矩工作，并且因此阻止起动器80。因此，实际上只有进行与轴的绝对位置的同步化才可以在正确的程度中确保对电机的操控。

即使在可以识别转速信号中的间隙之前，也可以以各种方式与起动器80平行地实现电动马达50的更早的使用。图3示出了本发明的示例性的实施方式的方法步骤，其中不是必须实施所有示出的步骤，并且可以使用在图中未示出的另外的步骤。

在步骤100中，通过转速传感器70识别转子55的开始的转子运动。

根据本发明的实施方式，换流器10现在在步骤110中以比运行的曲轴的频率更高的频率***控。一旦曲轴65被起动器80置于运动中或以其他的方式置于运动中，那么曲轴65的转动频率或角速度（相应于电机的转子55的频率）可以由转速传感器70在至少两个标记通过（Markierungsdurchgaengen）之间确定。由于以更高的频率来操控，给电机的定子线圈供电的换流器10的电压信号和因此在线圈中产生的磁场在电操控周期的过程中超越转子55。从该时间点开始，电机50作为马达工作。只要定子线圈的磁场赶上转子55，那么电机50作为发电机工作，并且因此制动转子55和连接的曲轴65。因此如果可以在步骤200中识别作为发电机运行与作为马达运行之间的过渡点，那么可能的是，在随后的步骤120中相应执行对电机50的操控，并且导致对起动器80的支持。一旦通过转速传感器70也识别转速信号中的间隙，并且因此可以可靠地确定曲轴或转子位置，那么控制信号由此可以生效或相应被再次适配，以便最大化可获得的支持的转矩。

在步骤200内示出的方法流程是三个备选方案，其可以单独或至少部分共同用于识别运行模式之间的过渡。

为此的可能性是评估角速度，角速度可以由转速传感器70测量。因为电机50在发电机运行中制动轴，但在马达运行中附加地驱动轴，所以在作为发电机运行与作为马达运行之间的过渡中应该可以识别角速度的更明显的升高。因此控制单元30（或其他的控制单元）可以评估在步骤210中得到的角速度，并且由此得到当前的角加速度（步骤220）。因为曲轴65开始运行，所以该角加速度在起动过程中通常大于零。一旦取消发电机50的制动作用，并且使用附加的马达驱动，那么由此将可识别地升高角加速度。角加速度的升高在步骤230中表示在发电机运行与马达运行之间的过渡。相反地，角加速度的减小也表示，电机50是否过渡回到发电机运行中，并且换流器频率必须进一步提高。可选地可以确定最小值，角加速度的改变必须升高到该最小值以上，以便避免转速波动的错误解释，转速波动例如通过气缸中的气体力或在轴运行时的摩擦力导致。

根据另一实施方式，为了确定200发电机运行与马达运行之间的过渡，可以在步骤240中测量电流，电流在电流测量单元90的情况下在可充电的车辆电池40与换流器10之间流动。在发电机运行中，电池40通过电机充电，从而存在朝电池的方向的电流流动。然而，一旦电机50作为马达运行，那么已经可以从非常小的转速开始测量从电池40到换流器的电流流动，换流器的操控信号越接近具有最大转矩的马达的运行点，那么该电流流动就越大。通过在步骤240中重复测量电池与换流器之间的电流流动，一旦测得朝换流器的方向的电流或一旦电流流动具有朝换流器的方向的逆转（步骤250），那么可以确定在电机的马达运行与发电机运行之间的过渡。因此可以从电流方向确定运行模式，可以从电流流动的幅度确定转矩。

根据另外的实施方式，为了识别200在运行模式之间的过渡，可以重复或连续借助电流测量单元95测量（步骤260）一相位在换流器10与电机之间的电流。在大部分情况下与电压同相的电流、即在该时间段中具有和电压相同的符号的所测量的电流在发电机运行中流动。当该相位的电流和电压反相运行，即在该时间段中具有不同的符号时，电机位于马达运行中。因此在此，也又可以明确发现在发电机运行与马达运行之间的过渡（步骤270），其方法是，在电流测量时，探测到朝施加的电压的相移的变化。同样可以从测量导出运行模式、即发电机运行或马达运行以及马达的转矩。

在电机50的相位上在通过控制单元操控期间施加并且因此已知的电压可以被考虑用于确定电流。

在所有实施方式中的电流测量可以以常见的方式进行，并且相应的电路90、95例如可以集成、不仅朝电池的方向而且也朝电机的方向集成到换流器电路或换流器10的调节部中。

电机50和其他的起动器80的平行的使用也可以用于进一步向后转移第一点火的时间点或内燃机60的喷入。一旦存在曲轴的为此需要的位置信息，那么在常规的***中进行第一点火。然而，当通过平行的运行可以实现更高的转速时，可以根据另外的实施方式确定期望的转速水平作为用于第一点火的另外的条件。该转速水平应该被计量为，在起动器80和电动马达50的组合的运行中是可实现的，并且所需的燃料量或由此形成的排放是尽可能小的。在此也可以考虑到其他的边缘条件，例如温度，因为在起动过程中的冷的温度的情况下，必须克服更高的摩擦来工作，并且最大可实现的转速水平变小。

因为电机50作为马达的运行需要必须由车辆电池40提供的电能，所以电池的状态可以被监控，并且避免太大的放电，以便避免损坏电池，并且确保用于剩余的运行的安全的剩余电荷。

为此的可能性是在起动过程期间监控电池电压变化过程。在控制单元30中评估或计算的电池模型则可以从电压变化过程提供对电池的充电状态的估计。如果在监控和调节电池的状态时，电流测量、例如在电池与换流器90之间或在换流器与电机95之间的电流的上述的测量是可用的，那么该测量同样可以涉及电池模型，并且改进所估计的充电状态和调节的精度。

在例如根据存储的阈值确定的太低的充电状态中，控制单元可以以不同的方式至少暂时限制提取的功率。起动器80的能量需求例如可以在电机50同时用作马达时、对于所使用的电池40来说是太高的。在该情况下，控制单元可以控制起动器和电机的运行，从而起动器和电机至少暂时仅错开地运行，以便限制从电池提取的功率。

例如可以确定特定的阈值转速，从该阈值转速开始接通电机（并且在期望情况下对起动器进行去激活），以便将曲轴进一步带到目标转速。该转速例如可以是预先确定的，并且与起动器和电机的功率消耗和/或电池数据有关；同样，阈值转速可以只有在运行中才例如基于电池的当前的充电状态可变地确定。备选地可以确定的是，起动器和电机的平行运行仅在有限的时间内或直到有限的功率消耗被接受，并且否则在起动过程中仅使用两个驱动器中的一个驱动器。

通常，起动器80也具有空转，在空转中几乎不需要电能，并且一旦曲轴65的转速升高到起动器50的转速以上，那么起动器处于空转中。这例如可以在第一气缸膨胀之后、还在第一燃烧之前发生。在该时间点，起动过程的能量密集的阶段结束，从而即使在转速重新下降至最大的起动器转速之后，还是存在比开始时更低的能量需求。如果从起动器80的空转阶段开始，电机50在马达运行中承担驱动，那么可以为此使用不再在起动器中需要的能量，以借助电机进一步升高转速水平。只要转速保持在起动器转速以上，并且因此空转是激活的，那么完全的可用的电功率几乎可以用于电机的马达运行，并且因此在第一燃烧之前，即使在具有电能的有限的输出的、小的电池的情况下也明显升高转速水平，并且因此改进在冷起动中的排放。

通过在马达运行中以电机支持机电起动器的可能性，可以实现起动器的的另外的设计。例如可以使用尺寸较小的起动器，起动器不能够单独开动马达。由此，起动器的结构空间和/或起动器的成本可以被优化，这又尤其在小的车辆中是有吸引力的。备选地，在起动器与曲轴之间的传动机构可以在必要时被简化，并且其成本被优化。待优化的方面也可以尽可能是在起动期间的噪音排放。如果起动器没有以较小尺寸进行设计，那么备选地也可以如下改变传动机构，从而使更小的转矩传输到曲轴上，并且为此提高其转速，而不足的转矩通过电机输入。因此可以实现在起动期间更高的转速水平，并且因此实现冷起动排放的改进。在起动器和传动机构的不变的尺寸设计的情况下，通过电机的支持可以用于减小部件的负载，并且因此优化其使用寿命和磨损。

当使用其他的起动方法、例如机械起动器时，也可以使用上述的实施方式，机械起动器最初使曲轴处于运动中。本发明也提供如下优点，即在第一燃烧周期中的排放可以降低，并且可以以简单的方式从一开始通过电机的支持提高转速。

如上面描述的方法或装置优选可以使用在具有小的内燃机（装备有永磁激励的同步电机）的车辆中，例如摩托车中。但通常，所有描述的实施方式可以传输至每个任意的内燃机，内燃机利用发电机使用。然而，如果不存在内燃机轴（曲轴）与发电机轴之间的刚性耦合，那么不能够直接使用曲轴的转速传感器，并且必须使用发电机轴的位置的其他的适当的确定。如果替代永磁激励的电机地使用外部激励的电机，那么必要时必须进行激励调节的改变。

虽然在当前的实施方式中，马达控制设备示例性地被称为用于控制电机（包括换流器以及转速传感器）的控制单元，但该控制单元也可以是分开的调节器，其承担提到的用于操控换流器的任务，并且从转速传感器得到所需的信号。同样理解的是，结合实施方式描述的换流器仅示例性地示出，并且其他的电路和设计是可想到的，其能够运行所连接的电机（作为发电机和马达）。

Claims (14)

1.用于通过同步电机（50）支持内燃机（60）的起动过程的方法，所述同步电机能够在第一运行状态中作为发电机运行，并且在第二运行状态中作为电动马达运行，所述方法包括：

识别（100）所述同步电机（50）的转子（55）以第一角速度开始的转子运动，所述第一角速度相应于第一频率，

通过施加具有第二频率的交流电压来操控（110）所述同步电机（50），所述第二频率大于所述第一频率，

识别（200）在所述同步电机（50）的第一和第二运行状态之间的过渡，并且

基于所识别的过渡来适配（120）对所述同步电机（50）的操控。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，识别（200）在所述第一和第二运行状态之间的过渡包括：

测量（210）转子（55）的角速度；

从所测量的多个角速度确定（220）角加速度；并且

一旦角加速度升高，那么确定（230）发生所述第一和第二运行状态之间的过渡。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，识别（200）在所述第一和第二运行状态之间的过渡包括：

测量（240）换流器（10）与电池（40）之间的电流（90），所述换流器与所述同步电机（50）连接，所述电池与所述换流器（10）连接；

一旦开始从所述电池（40）到所述换流器（10）的电流流动，那么确定（250）发生在所述第一和第二运行状态之间的过渡。

4. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所施加的交流电压是多相的交流电压，并且其中识别（200）在所述第一和第二运行状态之间的过渡包括：

测量（260）一相位（95）在换流器（10）与同步电机（50）之间的电流，并且

一旦所述相位的测量的电流（95）和附属的电压从相对彼此同相的状态过渡至相对彼此反相的状态，那么确定（270）在所述第一和第二运行状态之间发生过渡。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述同步电机的转子（55）与内燃机（60）的曲轴（65）刚性连接，并且其中所述转子（55）的角速度通过所述曲轴（65）或所述转子（55）的转速传感器（70）来测量。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述马达（60）的曲轴（65）由机电起动器（80）置于运动中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在起动过程中根据转速阈值来预设内燃机（60）的第一喷入和点火的时间点。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述同步电机（50）是永磁激励的同步电机。

9.计算单元（30），所述计算单元设置用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的所有方法步骤。

10.计算机程序，当在计算单元上实施所述计算机程序时，所述计算机程序促使计算单元执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法的所有方法步骤。

11.机器可读的存储介质，具有根据权利要求10所述的存储在其上的计算机程序。

12.用于支持内燃机的起动过程的装置，包括：

同步电机（50），其能够在第一运行状态中作为发电机运行，并且在第二运行状态中作为电动马达运行；

转速传感器（70），其设置用于测量所述同步电机（50）的转子（55）的角速度，和

根据权利要求9的计算单元（30），所述计算单元设置用于接收所述转速传感器（70）的输出信号，并且用于操控所述同步电机（50）。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述同步电机的转子（55）与内燃机（60）的曲轴（65）刚性连接，其中所述装置此外包括机电起动器（80），所述机电起动器与内燃机（60）的曲轴（65）连接并且设置用于驱动曲轴。

14.根据权利要求12或13所述的装置，其中，所述同步电机（50）是永磁激励的。

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