DE102007005240A1

DE102007005240A1 - Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors sowie eine Motoranordnung

Info

Publication number: DE102007005240A1
Application number: DE102007005240A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dipl.-Ing. Anderson; Martin-Claudio Dipl.-Ing. Schuler; Ralf Dipl.-Ing. Ziesenis
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2008-08-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines mindestens einen Zylinder und eine Kurbelwelle (4) umfassenden Verbrennungsmotors (2), bei dem die Kurbelwelle (4) mittels mindestens einer elektrischen Maschine (3) direkt oder indirekt angetrieben, ein Drehzahlistwert (ni) der Kurbelwelle auf einen Drehzahlsollwert (ns) ittels der elektrischen Maschine (3) auf den Drehzahlsollwert (ns) geregelt wird, bis der Verbrennungsmotor (2) angesprungen ist und einen stationären Arbeitspunkt erreicht hat, bei dem er den Drehzahlistwert (ni) selbst regelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Motoranordnung.
Beim Start von Verbrennungsmotoren, insbesondere bei so genannten Hochdrehzahlstarts, kommt es häufig zu einer störenden Anhebung der Drehzahl des Verbrennungsmotors, einem so genannten Überschwingen, nach dem Anspringen des Verbrennungsmotors, dadurch verursacht, dass jede Zündung in einem Zylinder ein Drehmoment an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors bewirkt. Ein Hochdrehzahlstart ist durch eine höhere Startdrehzahl, eine so genannte Hochdrehzahl von beispielsweise 750 min^–1 und 800 min^–1, gekennzeichnet, die gewöhnlich leicht über der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors liegt. Bei einem herkömmlichen Start, beispielsweise mittels eines Anlassers, werden vor dem Zünden des Verbrennungsmotors gewöhnlich Drehzahlen im Bereich von 100 min^–1 bis 150 min^–1 erreicht, bei kaltem Verbrennungsmotor gegebenenfalls auch noch geringere Drehzahlen von z. B. 50 min^–1. Bei einem Hochdrehzahlstart hat die Kurbelwelle, angetrieben durch eine elektrische Maschine, zum Zeitpunkt des Zündens der Zylinder bereits eine Drehzahl leicht oberhalb der Leerlaufdrehzahl erreicht. Jedes zusätzliche Drehmoment trägt daher zur zumindest temporären Erhöhung der Drehzahl über diese Drehzahl hinaus bei. Diese Erhöhung beeinträchtigt den Komfort des Fahrzeuges, das von dem Verbrennungsmotor angetrieben ist. Besonders störend wirkt sich das Überschwingen in Fahrzeugen mit Start-Stopp-Funktionalität, beispielsweise bei einem Hybridantrieb, aus, bei denen Starts und Stopps des Verbrennungsmotors besonders häufig vorkommen. Das Überschwingen wird hierbei als Ruck spürbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors und eine einfache Motoranordnung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Motoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Starten eines mindestens einen Zylinder und eine Kurbelwelle umfassenden Verbrennungsmotors wird die Kurbelwelle mittels mindestens einer elektrischen Maschine direkt oder indirekt angetrieben, und ein Drehzahlistwert der Kurbelwelle auf einen Drehzahlsollwert gebracht. Der Drehzahlistwert wird anschließend mittels der elektrischen Maschine mindestens so lange auf dem Drehzahlsollwert geregelt, bis der Verbrennungsmotor angesprungen ist und einen stationären Arbeitspunkt erreicht hat, bei dem er die Regelung des Drehzahlistwertes selbst übernimmt. Zu diesem Zweck muss die Drehzahl mit einem geeigneten Sensor überwacht werden, der meist ohnehin an jedem modernen Verbrennungsmotor vorgesehen ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Drehzahlistwert bereits unmittelbar nach dem Anspringen des Verbrennungsmotors bei dem Drehzahlsollwert stabil ist, wodurch sich der Komforteindruck des Fahrzeugs verbessert. Das Verfahren kann in einer Steuereinheit implementiert sein, beispielsweise in einer vorhandenen Motorsteuerung.
Als Drehzahlsollwert kann vorzugsweise eine Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors vorgegeben werden. Jedoch findet das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auch bei Hochdrehzahlstarts Anwendung. In diesem Fall wird als Drehzahlsollwert die Hochdrehzahl vorgegeben. Ein Hochdrehzahlstart führt zu einer schnellen Evakuierung eines dem Verbrennungsmotor vorgelagerten Saugrohrs, somit zu einer besseren Gemischbildung und infolgedessen zu einer Reduktion der Emissionen.
Bei der elektrischen Maschine handelt es sich vorzugsweise um einen Kurbelwellen-Starter-Generator, insbesondere Hochvolt-Starter-Generator bzw. die elektrische Maschine eines Hybridantriebs. Jedoch kann auch eine andere elektrische Maschine verwendet werden, die den Verbrennungsmotor auf die gewünschten Drehzahlen beschleunigen kann. Die elektrische Maschine kann fest mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt oder optional mit diesem koppelbar sein. Die Koppelung kann direkt (auf der Kurbelwelle) oder indirekt über weitere Aggregate wie eine Kupplung, ein Getriebe, einen Riemen oder eine Schwungscheibe erfolgen. Bei einem Fahrzeug mit Start-Stopp-Funktionalität sorgt das Verfahren dafür, dass bei den hier typischen häufigen Wechseln zwischen Start und Stopp des Verbrennungsmotors ein Start bzw. Wiederstart weitgehend ruckfrei abläuft und von einem Fahrer nicht als störend wahrgenommen wird.
Auftretende Schwankungen des Drehzahlistwertes infolge von im Verbrennungsmotor auftretenden Verbrennungsvorgängen und dadurch bewirkten Drehmomenten an der Kurbelwelle werden dabei vorzugsweise durch von der elektrischen Maschine aufgeprägte positive und/oder negative Drehmomente kompensiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Drehzahlistwert auf einen von einer Motortemperatur des Verbrennungsmotors abhängigen Drehzahlsollwert geregelt. Bei einem kalten Verbrennungsmotor ist für einen stabilen Motorlauf gegebenenfalls ein höherer Drehzahlsollwert erforderlich als bei einem betriebswarmen Verbrennungsmotor.
Vorzugsweise wird der stationäre Arbeitspunkt zumindest dann als erreicht betrachtet, wenn mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:

– Ein im Saugrohr gemessener Druckistwert liegt innerhalb eines vorgegebenen Drucksollwertbereiches. Zu diesem Zweck ist ein Drucksensor im Saugrohr angeordnet, insbesondere stromabwärts von einer dort vorgesehenen Drosselklappe. Bei modernen Verbrennungsmotoren ist dieser Drucksensor ohnehin vorhanden und erfordert keinen zusätzlichen Aufwand.
– In jedem der Zylinder hat seit Beginn des Startvorgangs, also seit dem Beschleunigen der Kurbelwelle durch die elektrische Maschine mindestens eine Verbrennung (Zündung) stattgefunden.
– Der Verbrennungsmotor ist aus einem während einer Startphase vorliegenden gesteuerten Betriebszustand in einen geregelten Betriebszustand übergegangen. Während der Startphase werden eingespritzte Kraftstoffmengen und Zündwinkel von einer Motorsteuerung vorgegeben, also gesteuert. Sobald Rückmeldungen über Kennwerte aus einem Abgassystem, beispielsweise von einer Lambdasonde vorliegen, können diese als Eingangsgrößen für eine Regelung verwendet werden. Der Verbrennungsmotor geht in den geregelten Betriebszustand über. Gegebenenfalls ist im geregelten Betriebszustand eine sogenannte Momentenstruktur aktiv, bei der aus einer Stellung eines an einem Gaspedal des Fahrzeugs angeordneten Potentiometers ein gewünschtes Drehmoment errechnet wird, das durch entsprechende Auswahl von Zündwinkeln und einzuspritzenden Kraftstoffmengen eingestellt wird, gegebenenfalls unter Berücksichtigung von Drehmomentanforderungen weiterer in einem Fahrzeug vorhandener Systeme oder Nebenaggregate.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Motoranordnung mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine, und
2 ein Diagramm mit zeitabhängigen Kurven einer Drehzahl einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors.
In 1 ist eine Motoranordnung 1 gezeigt, die einen Verbrennungsmotor 2 und eine elektrische Maschine 3 umfasst. Die elektrische Maschine 3 ist mit einer Kurbelwelle 4 des Verbrennungsmotors 2 verbunden und kann diese antreiben, d. h. positive oder negative Drehmomente auf sie ausüben. Eine Drehzahl n der Kurbelwelle 4 wird durch einen Drehzahlsensor 5 erfasst und als Drehzahlistwert n_i an eine Steuereinheit 6 übermittelt. Dieser Steuereinheit 6 wird ein Drehzahlsollwert n_s vorgegeben. Weicht der Drehzahlistwert n_i vom Drehzahlsollwert n_s ab, regelt die Steuereinheit 6 die elektrische Maschine 3 so, dass der Kurbelwelle 4 der Drehzahlsollwert n_s aufgeprägt wird. Der Verbrennungsmotor 2 wird von einer Motorsteuerung 7 gesteuert und/oder geregelt, beispielsweise bezüglich eingespritzter Kraftstoffmenge M und Zündwinkel W. Der Verbrennungsmotor 2 meldet über entsprechende Sensoren, beispielsweise eine Lambdasonde Kenngrößen K an die Motorsteuerung 7.
In einer Startphase liegen diese Kenngrößen K noch nicht vor, so dass der Verbrennungsmotor 2 von der Motorsteuerung 7 gesteuert wird, d. h. der Verbrennungsmotor 2 ist in einem gesteuerten Zustand. Sobald eine Rückmeldung der Kenngrößen K erfolgt, geht der Verbrennungsmotor 2 in einen geregelten Zustand über, in dem der Verbrennungsmotor 2 seinen stationären Arbeitspunkt erreicht hat.
Während eines Startvorganges beschleunigt die elektrische Maschine 3, gesteuert und/oder geregelt von der Steuereinheit 6, die Kurbelwelle 4 und damit den Verbrennungsmotor 2 auf einen einer Leerlaufdrehzahl n_L entsprechenden Drehzahlsollwert n_s und regelt diese Leerlaufdrehzahl n_L. Die Motorsteuerung 7 veranlasst das Einspritzen von Kraftstoff in das Saugrohr oder die Zylinder des Verbrennungsmotors 2 und, zumindest bei einem Ottomotor, eine Zündung des Kraftstoffes bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisches. In dieser Phase ist der Verbrennungsmotor 2 im gesteuerten Zustand. Sobald eine Rückmeldung der Kenngrößen K an die Motorsteuerung erfolgt, geht der Verbrennungsmotor 2 in den geregelten Zustand über, der Verbrennungsmotor 2 ist also in seinem stationären Arbeitspunkt. Sobald der stationäre Arbeitspunkt erreicht ist, signalisiert die Motorsteuerung 7 der Steuereinheit 6, die Regelung der Leerlaufdrehzahl n_L zu beenden, woraufhin die Leerlaufdrehzahl n_L vom Verbrennungsmotor 2 bzw. dessen Motorsteuerung 7 geregelt wird.
2 zeigt ein Diagramm mit zeitabhängigen Kurven eines Drehzahlistwertes n_i der Kurbelwelle 4 des Verbrennungsmotors 2. Die Kurve n_i1(t) zeigt den Verlauf des Drehzahlistwertes n_i ohne eine Regelung durch die elektrische Maschine 3. Die elektrische Maschine 3 beschleunigt die Kurbelwelle 4 auf eine als Drehzahlsollwert n_s dienende Leerlaufdrehzahl n_L. Der Drehzahlistwert n_i erreicht die Leerlaufdrehzahl n_L zu einem Zeitpunkt t₁. Der Verbrennungsmotor 2 springt an. Die Zündung in seinen Zylindern bewirkt den Eintrag eines zusätzlichen Drehmomentes auf die Kurbelwelle 4, was zu dem gezeigten Überschwingen des Drehzahlistwertes n_i führt, bis der Verbrennungsmotor 2 seinen stationären Arbeitspunkt zum Zeitpunkt t₂ erreicht hat und den Drehzahlistwert n_i um die Leerlaufdrehzahl n_L regelt.
Die Kurve n_i2(t) zeigt den Verlauf des Drehzahlistwertes n_i bei Regelung durch die elektrische Maschine 3. Die elektrische Maschine 3 beschleunigt die Kurbelwelle 4 auf die als Drehzahlsollwert n_s dienende Leerlaufdrehzahl n_L. Der Drehzahlistwert n₁ erreicht die Leerlaufdrehzahl n_L zum Zeitpunkt t₁, an dem der Verbrennungsmotor 2 anspringt. Die Zündung in seinen Zylindern bewirkt den Eintrag eines zusätzlichen Drehmomentes auf die Kurbelwelle 4, die sich als geringe Drehzahlschwankung auswirkt und von der elektrischen Maschine 3 durch an der Kurbelwelle 4 aufgeprägte positive oder negative Drehmomente kompensiert wird, so dass der Drehzahlistwert n_i bei der Leerlaufdrehzahl n_L stabilisiert wird. Zum Zeitpunkt t₂ erreicht der Verbrennungsmotor 2 seinen stationären Arbeitspunkt und regelt den Drehzahlistwert n_i um die Leerlaufdrehzahl n_L selbst.
Die Steuereinheit 6 kann alternativ als ein Teil der Motorsteuerung 7 ausgebildet sein.
Als Kriterien für das Erreichen des stationären Arbeitspunktes kann alternativ und/oder zusätzlich mindestens eines der folgenden Kriterien herangezogen werden:

– Ein im Saugrohr gemessener Druckistwert n_i liegt innerhalb eines vorgegebenen Drucksollwertbereiches.
– In jedem der Zylinder hat seit Beginn des Startvorgangs, mindestens eine Verbrennung (Zündung) stattgefunden.

Die elektrische Maschine 3 ist vorzugsweise ein Kurbelwellen-Starter-Generator, insbesondere Hochvolt-Starter-Generator bzw. die elektrische Maschine eines Hybridantriebs. Sie kann fest mit dem Verbrennungsmotor 2 gekoppelt oder optional mit diesem koppelbar sein.
Der Drehzahlsollwert (n_s) bzw. die Leerlaufdrehzahl n_L oder die Hochdrehzahl kann von einer durch einen Temperatursensor ermittelten Motortemperatur abhängig geregelt werden.
Bei dem im Ausführungsbeispiel beschriebenen Start entspricht der Drehzahlsollwert n_s der Leerlaufdrehzahl n_L. Das beschriebene Verfahren ist prinzipiell auch auf andere Startarten, insbesondere den Hochdrehzahlstart, anwendbar.
Die im Ausführungsbeispiel verwendete Leerlaufdrehzahl n_L liegt in einem Bereich zwischen 500 min^–1 und 650 min^–1. Leerlaufdrehzahlen n_L können aber auch höher, beispielsweise zwischen 700 min^–1 und 900 min^–1, oder niedriger liegen.

1: Motoranordnung
2: Verbrennungsmotor
3: elektrische Maschine
4: Kurbelwelle
5: Drehzahlsensor
6: Steuereinheit
7: Motorsteuerung
K: Kenngröße
M: Kraftstoffmenge
W: Zündwinkel
n: Drehzahl
n_i: Drehzahlistwert
n_i1(t), n_i2(t): zeitabhängige Kurve des Drehzahlistwertes
n_L: Leerlaufdrehzahl
n_s: Drehzahlsollwert
t: Zeit
t₁, t₂: Zeitpunkte

Claims

Verfahren zum Starten eines mindestens einen Zylinder und eine Kurbelwelle (4) umfassenden Verbrennungsmotors (2), bei dem die Kurbelwelle (4) mittels mindestens einer elektrischen Maschine (3) direkt oder indirekt angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehzahlistwert (n_i) der Kurbelwelle (4) auf einen Drehzahlsollwert (n_s) gebracht und der Drehzahlistwert (n_i) mittels der elektrischen Maschine (3) auf den Drehzahlsollwert (n_s) geregelt wird, bis der Verbrennungsmotor (2) angesprungen ist und einen stationären Arbeitspunkt erreicht hat, bei dem er den Drehzahlistwert (n_i) selbst regelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auftretende Schwankungen des Drehzahlistwertes (n_i) der Kurbelwelle (4) durch von der elektrischen Maschine (3) aufgeprägte positive oder negative Drehmomente kompensiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlistwert (n_i) auf eine von einen Motortemperatur des Verbrennungsmotors (2) abhängige Drehzahlsollwert (n_s) geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlsollwert (n_s) einer Leerlaufdrehzahl (n_L) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlsollwert (n_s) einer Hochdrehzahl entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der stationäre Arbeitspunkt zumindest dann als erreicht betrachtet wird, wenn in einem dem Verbrennungsmotor (2) vorgelagerten Saugrohr ein Druckistwert gemessen wird, der innerhalb eines vorgegebenen Drucksollwertbereiches liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der stationäre Arbeitspunkt zumindest dann als erreicht betrachtet wird, wenn in jedem der Zylinder des Verbrennungsmotors (2) seit Startbeginn mindestens eine Verbrennung stattgefunden hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der stationäre Arbeitspunkt zumindest dann als erreicht betrachtet wird, wenn der Verbrennungsmotor (2) aus einem während einer Startphase vorliegenden gesteuerten Betriebszustand in einen geregelten Betriebszustand übergegangen ist.
Motoranordnung (1), umfassend einen Verbrennungsmotor (2) mit einer Kurbelwelle (4), die mit mindestens einer elektrischen Maschine (3) gekoppelt oder koppelbar ist, durch die die Kurbelwelle (4) mindestens bis auf einen Drehzahlsollwert (n_s), insbesondere auf eine Leerlaufdrehzahl (n_L), beschleunigbar ist und durch die Schwankungen eines Drehzahlistwertes (n_i) der Kurbelwelle (4) um den Drehzahlsollwert (n_s) infolge von Verbrennungsvorgängen im Verbrennungsmotor (2) kompensierbar sind.
Motoranordnung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (4) durch die elektrische Maschine (3) bis auf eine Hochdrehzahl beschleunigbar ist und durch die Schwankungen des Drehzahlistwertes (n_i) der Kurbelwelle (4) um die Hochdrehzahl infolge von Verbrennungsvorgängen im Verbrennungsmotor (2) durch die elektrische Maschine (3) kompensierbar sind.
Motoranordnung (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dem Verbrennungsmotor (2) vorgelagerten Saugrohr ein Drucksensor angeordnet ist.
Motoranordnung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor stromabwärts von einer im Saugrohr angeordneten Drosselklappe angeordnet ist.
Motoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass am Verbrennungsmotor (2) ein Temperatursensor zur Ermittlung einer Motortemperatur vorgesehen ist.