DE102017210613B4 - Starteinrichtung für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

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Abstract

Starteinrichtung (1) für einen Verbrennungsmotor (2) für einen Hybridantrieb (3) eines Kraftfahrzeugs, die Starteinrichtung (1) umfassend:- ein Schwungrad (4) mit einer Schwungmasse (5),- eine erste Kupplung (6) und- eine Steuerungseinheit (7), wobei die erste Kupplung (6) dazu eingerichtet ist,- in einem geschlossenen Zustand das Schwungrad (4) mit einer Abtriebswelle (8) des Verbrennungsmotors (2) zu koppeln, sodass das Schwungrad (4) von der Abtriebswelle (8) angetrieben wird oder die Abtriebswelle (8) von dem Schwungrad (4) angetrieben wird, und- in einem geöffneten Zustand das Schwungrad (4) von der Abtriebswelle (8) zu entkoppeln, und wobei die Steuerungseinheit (7) dazu eingerichtet ist,- die erste Kupplung (6) bei laufendem Verbrennungsmotor (2) zu schließen, um kinetische Energie in dem Schwungrad (4) zu speichern,- die erste Kupplung (6) vor einem Abstellen des Verbrennungsmotors (2) zu öffnen, und- die erste Kupplung (6) für einen Wiederstart des Verbrennungsmotors (2) zu schließen, um in dem Schwungrad (4) gespeicherte kinetische Energie auf die Abtriebswelle (8) des Verbrennungsmotors (2) zu dessen Wiederstart zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (7) dazu eingerichtet ist, die erste Kupplung (6) zum Speichern kinetischer Energie in dem Schwungrad (4) unmittelbar vor einem Abstellen des Verbrennungsmotors (2) zunächst zu schließen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Starteinrichtung für einen Verbrennungsmotor für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs. Bei dem Hybridantrieb handelt es sich insbesondere um einen P2-Hybridantrieb.
  • Aus der DE 10 2014 220 862 A1 ist ein Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit angeschlossenen elektrischen Komponenten in einer P2-Konfiguration bekannt. Ein derartiger P2-Hybridantrieb zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine linear hintereinander angeordnet sind.
  • Ein P2-Hybridantrieb hat ein großes Potenzial, CO2 zu reduzieren, indem der Verbrennungsmotor abgeschaltet wird, um rein elektrisch zu fahren, oder ohne Antrieb zu rollen. Damit ist eine CO2-Einsparung von mehr als 20 % im realen Fahrbetrieb realisierbar. Problematisch ist dabei lediglich ein Wiederstart des Verbrennungsmotors. Üblicherweise wird während einer Startphase der elektrische Antrieb zum Starten des Verbrennungsmotors benötigt. Dies bedeutet, dass eine unerwünschte Zugkraftunterbrechung eintritt, was als negativ empfunden wird, insbesondere wenn die Unterbrechung länger anhält.
  • Es ist bekannt, eine sehr leistungsfähige elektrische Maschine für das Zustarten des Verbrennungsmotors zu nutzen. Dazu kann ein entsprechender Antriebsstrang eines P2-Hybridantriebs zwischen dem Verbrennungsmotor und der elektrischen Maschine eine erste Reibkupplung aufweisen und eine zweite Reibkupplung zwischen der elektrischen Maschine und einem Getriebe umfassen. In dieser Konstellation wird die Leistung der elektrischen Maschine für den dynamischen Fahrantrieb benötigt. Üblicherweise ist diese elektrische Maschine eine Hochvoltmaschine und besitzt eine ungenutzte Leistungsreserve. Diese Leistungsreserve kann für den Wiederstart des Verbrennungsmotors genutzt werden. Dazu wird das Antriebsmoment an die zweite Reibkupplung konstant gehalten und gleichzeitig die erste Reibkupplung langsam geschlossen. Dabei steigt die Abgabeleistung der elektrischen Maschine stetig an, bis der Verbrennungsmotor startet.
  • Bei Niedervoltantrieben unter 60 V, z.B. bei einer 48 V Hybrid-Applikation, ist jedoch keine Leistungsreserve verfügbar. Hier wird typischerweise die gesamte Leistung für den Antrieb benötigt. In diesem Fall wird das an die zweite Reibkupplung übertragene Antriebsmoment auf den Wert null reduziert und die zweite Reibkupplung geöffnet. Danach wird die erste Reibkupplung geschlossen, wodurch ein Kraftschluss zum Verbrennungsmotor entsteht. Mittels der elektrischen Maschine wird nun der Verbrennungsmotor gestartet. Sobald dieser läuft, wird die zweite Reibkupplung wieder geschlossen und ein Antriebsmoment aufgebaut.
  • Sofern ein 12 V Anlasser vorhanden ist, wird der Verbrennungsmotor über den 12 V Anlasser gestartet. Die erste Reibkupplung wird dann geschlossen, sobald der Verbrennungsmotor läuft. Danach kann wieder ein Antriebsmoment aufgebaut werden. Ein Wiederstart über den Anlasser kann allerdings sehr unkomfortabel sein. Weiterhin ist der Anlasser für die vielen erforderlichen Wiederstarts (typischerweise weit mehr als 1.000.000 Wiederstarts) üblicherweise nicht geeignet.
  • Die DE 10 2014 214 614 A1 offenbart eine Startvorrichtung für einen Verbrennungsmotor und einen Schwungradspeicher. Der Schwungradspeicher bleibt wenigstens mittelbar mit der Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine verbunden.
  • Schwungräder sind auch aus der DE 10 2010 016 723 A1 , der US 2015/0073672 A1 und der DE 3726119 A1 bekannt.
  • Die DE 44 44 545 A1 offenbart ein Parallel-Hybridfahrzeug mit Verbrennungskraftmaschine, Elektromotor, einer Traktionsbatterie und einen vom Elektromotor verschiedenen Generator, der zum Aufladen der Traktionsbatterie dient.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative, einfache und kostengünstige Starteinrichtung für einen Verbrennungsmotor für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, wobei die Starteinrichtung weder einen 12 V Anlasser noch eine elektrische Maschine mit hoher Leistungsreserve benötigt.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Startereinrichtung gemäß dem Patentanspruch 1, einem Verbrennungsmotor gemäß dem Patentanspruch 7, einem Hybridantrieb gemäß dem Patentanspruch 8, einem Kraftfahrzeug gemäß dem Patentanspruch 9 und einem Verfahren gemäß dem Patentanspruch 10. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Starteinrichtung bzw. eine Zustarteinrichtung für einen Verbrennungsmotor für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, insbesondere für einen P2-Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs. Die Starteinrichtung umfasst ein Schwungrad mit einer Schwungmasse, eine erste Kupplung und eine Steuerungseinheit.
  • Die erste Kupplung ist dazu eingerichtet, in einem geschlossenen Zustand bzw. in einer geschlossenen Stellung das Schwungrad mit einer Abtriebswelle des Verbrennungsmotors zu koppeln, insbesondere mit einer Kurbelwelle oder einer Abtriebswelle eines Riementriebs des Verbrennungsmotors, sodass das Schwungrad von der Abtriebswelle angetrieben wird oder umgekehrt die Abtriebswelle von dem Schwungrad angetrieben wird. Ebenfalls ist die erste Kupplung dazu eingerichtet, in einem geöffneten Zustand bzw. in einer geöffneten Stellung das Schwungrad von der Abtriebswelle zu entkoppeln. Im Folgenden wird die Erfindung überwiegend im Zusammenhang mit einer Abtriebswelle in Form einer Kurbelwelle erläutert. Diese Erläuterungen gelten sinngemäß jedoch auch für eine Abtriebswelle in Form einer Abtriebswelle eines Riementriebs oder einer anderen Abtriebswelle des Verbrennungsmotors.
  • Die Steuerungseinheit ist dazu eingerichtet, die erste Kupplung bei laufendem Verbrennungsmotor zu schließen, um kinetische Energie in dem Schwungrad zu speichern. Je nach vorgesehener Anwendung kann dabei die Drehzahl des Verbrennungsmotors bzw. dessen Kurbelwelle bis zu einer maximal vorgesehenen Drehzahl des Verbrennungsmotors gesteigert werden.
  • Weiterhin ist die Steuerungseinheit dazu eingerichtet, die erste Kupplung vor einem Abstellen des Verbrennungsmotors zu öffnen. Ferner ist die Steuerungseinheit dazu eingerichtet, die erste Kupplung für einen Wiederstart des Verbrennungsmotors zu schließen, um in dem Schwungrad gespeicherte kinetische Energie auf die Abtriebswelle, insbesondere auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zu dessen Wiederstart zu übertragen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit vorgeschlagen, insbesondere an einer Stirnseite eines Verbrennungsmotors eine Schwungmasse über eine erste Kupplung, insbesondere über eine Magnetkupplung, an eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zu koppeln, um die Schwungmasse in Rotation zu versetzen, und von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zu entkoppeln, sodass sich die Schwungmasse weiterhin dreht. Sofern der Verbrennungsmotor gestartet werden soll, kann die Kupplung erneut geschlossen werden, sodass die rotierende Schwungmasse dazu genutzt werden kann, den Verbrennungsmotor zu starten oder dabei zumindest zu unterstützen.
  • Es kann vorgesehen sein, diese angekoppelte Schwungmasse ausschließlich zum Zustarten oder Wiederstarten des Verbrennungsmotors zu verwenden, indem die Schwungmasse mittels des Verbrennungsmotors zunächst auf Drehzahl gebracht wird, und dadurch die dabei aufgewendete Energie in die kinetische Energie der rotierenden Schwungmasse gesteckt wird, und somit gespeichert ist. Dabei ist die erste Kupplung, insbesondere die Magnetkupplung, geschlossen. Sobald eine Drehzahl der Schwungmasse über eine minimale Drehzahl steigt, ist der Schwungradspeicher für einen Wiederstart aufgeladen und die erste Kupplung kann geöffnet werden.
  • Soll nun der stehende Verbrennungsmotor gestartet werden, so kann die erste Kupplung erneut geschlossen werden. Durch die Trägheitsmasse der Schwungmasse bzw. des Schwungrades kann der Verbrennungsmotor, insbesondere dessen Kurbelwelle, gedreht werden (Impulsstart). In diesem Zusammenhang kann vorteilhaft vorgesehen sein, insbesondere bei kleinen Drehzahlen der Schwungmasse bzw. des Schwungrades, den Verbrennungsmotor sobald wie möglich mit am Startvorgang zu beteiligen, und nicht zu warten, bis dessen Leerlaufdrehzahl erreicht worden ist.
  • Insbesondere können als erste Kupplung Magnetkupplungen zum Einsatz kommen, welche üblicherweise in Klimaanlagen, insbesondere in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, da Klimakompressoren entsprechender Klimaanlagen deren Magnetkupplungen in etwa gleichwertige Leistungen abverlangen wie bei einem Start des Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung notwendig ist.
  • Die vorgeschlagene Möglichkeit, das Schwungrad mit seiner Schwungmasse zusätzlich über die erste Kupplung anzukoppeln, ermöglicht die üblicherweise wenigen Ausnahmen des Betriebs des Verbrennungsmotors ohne Schwungmasse zu vermeiden. Ein Rundlauf des Verbrennungsmotors kann nun nach Bedarf auch über das Zuschalten des Schwungrads mit der Schwungmasse verbessert werden. Da jedoch das Schwungrad jederzeit wieder vom Verbrennungsmotor abgekoppelt werden kann, reduziert sich das Massenträgheitsmoment des Verbrennungsmotors bzw. des gesamten Antriebsstrangs. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da dadurch Energie und somit Treibstoff gespart werden kann. Dadurch ermöglicht die vorliegende Erfindung einen mehrfachen Nutzen, indem einerseits der Rundlauf nach Bedarf verbessert werden kann, andererseits eine einfache Starteinrichtung geschaffen wird, sowie ferner die Massenträgheit des Antriebsstrangs reduziert werden kann.
  • Die vorgeschlagene erfindungsgemäße Starteinrichtung zeichnet sich insbesondere durch ihre Einfachheit aus und ist für einen Verbrennungsmotor in einer P2-Architektur geeignet. Weiterhin ist die Starteinrichtung besonders kostengünstig, da insbesondere Serienteile wie eine Magnetkupplung verwendet werden können bzw. besonders günstige Metallscheiben als Schwungrad zum Einsatz kommen können. Weiterhin wird eine Verbesserung des Rundlaufs des Verbrennungsmotors ermöglicht, und die vorstehend beschriebenen Funktionen sind je nach Bedarf insbesondere über eine Magnetkupplung zuschaltbar. Ferner zeichnet sich die erfindungsgemäße Starteinrichtung durch ihre einfache Integrierbarkeit an die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors oder alternativ beispielsweise an einen Riementrieb des Verbrennungsmotors aus. Außerdem kann eine Verminderung der Torque-Unterbrechung beim Starten des Verbrennungsmotors erreicht werden.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die Steuerungseinheit dazu eingerichtet
    • - die erste Kupplung zu schließen, sofern sich die Abtriebswelle mit einer Drehzahl dreht, welche mindestens so hoch ist wie eine Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors, sodass kinetische Energie in dem Schwungrad gespeichert wird,
    • - die erste Kupplung zu öffnen, sofern sich das Schwungrad mit einer Drehzahl dreht, welche mindestens so hoch ist wie eine festgelegte minimale Drehzahl zum Starten des Verbrennungsmotors, und
    • - die erste Kupplung erneut zu schließen, sofern die Abtriebswelle nicht rotiert, sodass in dem Schwungrad gespeicherte kinetische Energie auf die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors zu dessen (Wieder-)Start übertragen wird.
  • Gemäß der ersten Ausführungsform wird somit die erste Kupplung geschlossen, wenn der Verbrennungsmotor mit Leerlaufdrehzahl oder einer höheren Drehzahl läuft und sich seine Kurbelwelle dreht, um das Schwungrad in eine entsprechend hohe Rotation zu versetzen. Weiterhin wird überprüft, ob die minimale Drehzahl des Schwungrads erreicht oder überschritten ist, sobald der Verbrennungsmotor läuft. Sofern dies der Fall ist, kann die Magnetkupplung wieder geöffnet werden. Sofern der Verbrennungsmotor abgeschaltet worden ist, während die erste Kupplung geöffnet ist, und sich dementsprechend die Kurbelwelle nicht länger dreht, kann die erste Kupplung erneut geschlossen werden, wobei nun ein Drehmoment von der rotierenden Schwungscheibe auf die Kurbelwelle übertragen wird, um die Drehzahl der Kurbelwelle zu erhöhen und dadurch den Verbrennungsmotor (erneut/wieder) zu starten.
  • Da das System verlustbehaftet ist, kann die Drehzahl des Schwungrades bei geöffneter Stellung der ersten Kupplung wieder unter die minimale Drehzahl zum Starten des Verbrennungsmotors fallen. In diesem Fall ist vorteilhaft vorgesehen, dass die erste Kupplung erneut geschlossen wird, um die Drehzahl des Schwungrads wieder bis zur minimalen Drehzahl oder höher zu steigern. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist in diesem Sinne die Steuerungseinheit dazu eingerichtet, die Drehzahl des Schwungrads und der Abtriebswelle zu erfassen, wenn die erste Kupplung geöffnet ist, und die erste Kupplung zum Speichern kinetischer Energie in dem Schwungrad erneut zu schließen, sofern die Drehzahl des Schwungrads kleiner ist als die minimale Drehzahl und sofern die Drehzahl der Abtriebswelle höher ist als die Drehzahl des Schwungrads.
  • In dem Fall, dass die Drehzahl des Verbrennungsmotors bzw. insbesondere dessen Kurbelwelle sinkt, während die erste Kupplung geschlossen ist und das Schwungrad von der Kurbelwelle angetrieben wird, ist vorteilhaft vorgesehen, dass die erste Kupplung geöffnet wird. Das Schwungrad mit seiner Schwungmasse geht in diesem Fall in Freilauf. In diesem Sinne ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Steuerungseinheit dazu eingerichtet ist, die Drehzahl der Abtriebswelle, insbesondere der Kurbelwelle, zu erfassen, wenn die erste Kupplung zum Speichern kinetischer Energie in dem Schwungrad geschlossen ist, und die erste Kupplung zu öffnen, sofern die Drehzahl der Abtriebswelle, insbesondere der Kurbelwelle, sinkt.
  • Weiterhin kann es aus energetischer Sicht vorteilhaft sein, den Schwungradspeicher in Form des Schwungrads nicht ständig aufgeladen zu haben. Für diesen Fall ist vorteilhaft vorgesehen, dass eine Aufladung erst dann erfolgt, bevor der Verbrennungsmotor abgeschaltet wird, den Wiederstart des Verbrennungsmotors zu ermöglichen. Dies sollte auch bei weiteren Funktionen wie Segeln möglich sein. In diesem Sinne ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuerungseinheit dazu eingerichtet ist, die erste Kupplung zum Speichern kinetischer Energie in dem Schwungrad unmittelbar vor einem Abstellen des Verbrennungsmotors zunächst zu schließen. Beispielsweise kann die Steuerungseinheit einen Befehl zum Abstellen des Verbrennungsmotors empfangen. Nachdem dieser Befehl empfangen worden ist, kann die Steuerungseinheit zunächst die erste Kupplung schließen, um das Schwungrad mittels der noch drehenden Abtriebswelle, insbesondere der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, anzutreiben. Sofern dies geschehen ist, kann vorteilhafterweise - mit einer entsprechenden kurzen Verzögerung - die Kupplung mittels der Steuerungseinheit angewiesen werden, sich in ihre geöffnete Stellung zu bewegen, und der Verbrennungsmotor kann anschließend abgestellt werden.
  • Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, dass sich die eigentliche Masse des Schwungrades in einem äußeren Bereich des Schwungrades befindet. Dadurch kann das Gewicht des Schwungrades reduziert bzw. optimiert werden, ohne die Massenträgheit und damit die bei entsprechenden Drehzahlen gespeicherte Energie zu reduzieren. In diesem Sinne ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass ein überwiegender Anteil der Schwungmasse in einem äußeren Randbereich des Schwungrads angeordnet ist.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Rundlauf des Verbrennungsmotors nach Bedarf über das Zuschalten des Schwungrads mit der Schwungmasse verbessert wird.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verbrennungsmotor für einen Hybridantrieb, insbesondere ein P2-Hybridantrieb, eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Der Verbrennungsmotor umfasst eine Abtriebswelle, insbesondere eine Kurbelwelle oder eine Abtriebswelle eines Riementriebs des Verbrennungsmotors, und eine Starteinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei das Schwungrad der Starteinrichtung an einer Stirnseite des Verbrennungsmotors angeordnet ist.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Hybridantrieb bereitgestellt, insbesondere ein P2-Hybridantrieb. Der Hybridantrieb umfasst einen Verbrennungsmotor gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, eine elektrische Maschine, ein Getriebe, eine zweite Kupplung und eine dritte Kupplung. Dabei ist die elektrische Maschine zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe angeordnet, die zweite Kupplung ist dazu eingerichtet, den Verbrennungsmotor mit der elektrischen Maschine zu koppeln und den Verbrennungsmotor von der elektrischen Maschine zu entkoppeln, und die dritte Kupplung ist dazu eingerichtet, die elektrische Maschine mit dem Getriebe zu koppeln und die elektrische Maschine von dem Getriebe zu entkoppeln. Insbesondere können der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine linear hintereinander angeordnet sein (P2-Hybridantrieb).
  • Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, welches einen Hybridantrieb gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung umfasst.
  • Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung mit einer Starteinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst insbesondere die folgenden Schritte, welche jeweils durch die Steuerungseinheit der Starteinrichtung veranlasst werden:
    • - Empfangen eines Befehls zum Abstellen des Verbrennungsmotors,
    • - danach Schließen der ersten Kupplung bei laufendem Verbrennungsmotor, um kinetische Energie in dem Schwungrad zu speichern,
    • - Öffnen der ersten Kupplung vor einem Abstellen des Verbrennungsmotors, und
    • - Schließen der ersten Kupplung für einen Wiederstart des Verbrennungsmotors, um in dem Schwungrad gespeicherte kinetische Energie auf die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors zu dessen Wiederstart zu übertragen.
  • Bezüglich vorteilhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Starteinrichtung sowie auf die folgende Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren verwiesen, wobei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu den vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Starteinrichtung beschriebenen funktionalen Merkmalen, insbesondere der Steuerungseinheit, entsprechende Verfahrensmerkmale aufweisen kann.
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der stark schematischen und nicht maßstabsgetreuen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:
    • 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Starteinrichtung an einem Verbrennungsmotor,
    • 2 zwei Ansichten eines Ausführungsbeispiels eines Schwungrads für die Starteinrichtung nach 1,
    • 3 eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines P2-Hybridantriebs mit der Starteinrichtung nach 1,
    • 4 einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
    • 5 einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 zeigt eine Starteinrichtung 1 und einen Verbrennungsmotor 2 für einen Hybridantrieb 3 (3) eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Starteinrichtung 1 umfasst ein Schwungrad 4 mit einer Schwungmasse 5 (vgl. hierzu insbesondere 2), eine erste Kupplung 6, z.B. eine Magnetkupplung, und eine Steuerungseinheit 7. Das Schwungrad 4 ist dabei an einer Stirnseite des Verbrennungsmotors 2 angeordnet ist.
  • Die Steuerungseinheit 7 ist kommunikativ mit der ersten Kupplung 6 verbunden. Insbesondere kann die Steuerungseinheit 7 ein Schließsignal an die erste Kupplung 6 übermitteln, wobei dieses Schließsignal die erste Kupplung 6 dazu veranlasst, sich mittels dazu geeigneter Mittel in eine geschlossene Stellung zu bewegen. Auf ähnliche Weise kann die Steuerungseinheit 7 ein Öffnungssignal an die erste Kupplung 6 übermitteln, wobei dieses Öffnungssignal die erste Kupplung 6 dazu veranlasst, sich mittels dazu geeigneter Mittel in eine geöffnete Stellung zu bewegen.
  • Der Verbrennungsmotor 2 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Abtriebswelle in Form einer Kurbelwelle 8 auf, welche über die erste Kupplung 6 mit einem Wellenzapfen 9 des Schwungrads 4 gekoppelt werden kann. Das Schwungrad 4 ist dabei drehfest auf dem Wellenzapfen 9 gelagert. Die Kopplung zwischen der Kurbelwelle 8 und dem Wellenzapfen 9 liegt dann vor, wenn sich die erste Kupplung 6 in ihrer geschlossenen Stellung befindet. Wenn die Kurbelwelle 8 auf diese Weise mit dem Wellenzapfen 9 des Schwungrads 4 gekoppelt ist, kann ein Drehmoment zwischen dem Schwungrad 4, dem Wellenzapfen 9 und der Kurbelwelle 8 übertragen werden. Dadurch wird ermöglicht, dass entweder das Schwungrad 4 über dessen Wellenzapfen 9 von der Kurbelwelle 8 angetrieben wird, oder dass umgekehrt die Kurbelwelle 8 von dem Schwungrad 4 über dessen Wellenzapfen 9 angetrieben wird.
  • Die Kurbelwelle 8 kann von dem Wellenzapfen 9 des Schwungrads 4 entkoppelt werden, indem die erste Kupplung 6 in ihre geöffnete Stellung bewegt wird. Alternativ zu der Kurbelwelle 8 kann die erste Kupplung 6 auch auf ähnliche Weise beispielsweise mit einer Abtriebswelle eines Riementriebs (nicht gezeigt) des Verbrennungsmotors 2 gekoppelt werden bzw. von der Abtriebswelle des Riementriebs entkoppelt werden. Wenn die Kurbelwelle 8 von dem Wellenzapfen 9 des Schwungrads 4 entkoppelt ist, kann kein Drehmoment zwischen dem Schwungrad 4, dem Wellenzapfen 9 und der Kurbelwelle 8 übertragen werden.
  • Weiterhin kann die Steuerungseinheit 7 mit einem ersten Sensor 10 zur Erfassung einer Drehzahl ns des Schwungrads 4 bzw. dessen Wellenzapfen 9 und mit einem zweiten Sensor 11 zur Erfassung einer Drehzahl nW der Kurbelwelle 8 kommunikativ verbunden sein. Insbesondere kann die Steuerungseinheit 7 von dem ersten Sensor 10 Daten empfangen, welche eine erfasste Drehzahl des Schwungrads 4 bzw. des Wellenzapfens 9 repräsentieren. Auf ähnliche Weise kann die Steuerungseinheit 7 von dem zweiten Sensor 11 Daten empfangen, welche eine erfasste Drehzahl der Kurbelwelle 8 repräsentieren.
  • Weiterhin ist die Steuerungseinheit 7 dazu eingerichtet, die erste Kupplung 6 insbesondere bei laufendem Verbrennungsmotor 2 zu schließen. Dadurch kann die Kurbelwelle 8 des Verbrennungsmotors 2 das Schwungrad 4 über dessen Wellenzapfen 9 antreiben, um auf diese Weise kinetische Energie insbesondere in der Schwungmasse 5 des Schwungrads 4 zu speichern. Anschließend kann die Steuerungseinheit 7 die erste Kupplung 6 anweisen, sich in ihre geöffnete Stellung zu bewegen, sodass die Kurbelwelle 8 von dem Wellenzapfen 9 entkoppelt wird. Das Schwungrad 4 kann sich in diesem entkoppelten Zustand weiter frei drehen (abgesehen von auftretenden Reibungsverlusten).
  • Wird anschließend bei weiterhin geöffneter erster Kupplung 6 der Verbrennungsmotor 2 gestoppt, so kommt auch die Kurbelwelle 8 zum Stillstand, wohingegen sich das Schwungrad 4 weiter frei dreht. Diese Rotation des Schwungrads 4 kann genutzt werden, um den Verbrennungsmotor 2 erneut zu starten. Dazu kann die Steuerungseinheit 7 die erste Kupplung 6 anweisen, sich wieder in ihre geschlossene Stellung zu bewegen, sodass der rotierende Wellenzapfen 9 des Schwungrads 4 mit der noch stillstehenden Kurbelwelle 8 gekoppelt wird. Die in der Schwungmasse 5 des Schwungrads 4 gespeicherte kinetische Energie (oder zumindest ein Teil davon) kann in dem gekoppelten Zustand über den Wellenzapfen 9 und die geschlossene erste Kupplung 6 auf die Kurbelwelle 8 übertragen werden, sodass die Kurbelwelle 8 in Rotation versetzt wird und der Verbrennungsmotor 2 gestartet wird oder der Verbrennungsmotor 2 bei seinem Start zumindest unterstützt wird.
  • 2 zeigt besondere, dass die eigentliche Schwungmasse 5 des Schwungrads 4 in einem äußeren radialen Bereich des Schwungrads 4 angeordnet sein kann. Das durch 2 gezeigte Schwungrad 4 kann insbesondere in der Starteinrichtung 1 nach 1 eingesetzt werden.
  • 3 zeigt einen P2-Hybridantrieb 3 eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs. Der P2-Hybridantrieb 3 umfasst zum einen die Starteinrichtung 1 und den Verbrennungsmotor 2 gemäß 1. Weiterhin umfasst der P2-Hybridantrieb 3 eine elektrische Maschine 12, insbesondere einen elektrischen Motor, ein Getriebe 13, eine zweite Kupplung 14, z.B. eine erste Reibkupplung, und eine dritte Kupplung 15, z.B. eine zweite Reibkupplung. Dabei ist die elektrische 12 Maschine zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und dem Getriebe 13 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 2 und die elektrische Maschine 12 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel linear hintereinander angeordnet (P2-Hybridantrieb). Weiterhin kann durch die zweite Kupplung 14 der Verbrennungsmotor 2 mit/von der elektrischen Maschine 12 gekoppelt/entkoppelt werden. Ferner kann durch die dritte Kupplung 15 die elektrische Maschine 12 mit/von dem Getriebe 13 gekoppelt/entkoppelt werden.
  • Ein Antriebsmoment einer Ausgangswelle 16 des Getriebes 13 kann über ein Differenzialgetriebe 17 und eine Achse 18 des Kraftfahrzeugs auf zwei Räder 19 und 20 des Kraftfahrzeugs übertragen werden. Sofern die dritte Kupplung 15 geschlossen ist, kann das Antriebsmoment der Ausgangswelle 16 des Getriebes 13 durch die elektrische Maschine 12 erzeugt werden. Sofern auch die zweite Kupplung 14 geschlossen ist, kann das Antriebsmoment der Ausgangswelle 16 des Getriebes 13 durch die elektrische Maschine 12 und den Verbrennungsmotor 2 erzeugt werden. Sofern zusätzlich auch noch die erste Kupplung 6 geschlossen ist, kann das Antriebsmoment der Ausgangswelle 16 des Getriebes 13 durch die elektrische Maschine 12, den Verbrennungsmotor 2 und das Schwungrad 4 der Starteinrichtung 1 bereitgestellt werden. In diesem Fall kann die Starteinrichtung 1 als „Boost“-Einrichtung wirken, um beispielsweise ein kurzfristig angefordertes Spitzendrehmoment bereitzustellen.
  • 4 veranschaulicht in einem Ablaufdiagramm, wie das Schwungrad 4 der Starteinrichtung gemäß 1 mittels des Verbrennungsmotors 2 nach 1 auf Drehzahl gebracht und auf Drehzahl gehalten werden kann. In einem ersten Schritt 100 wird der Verbrennungsmotor 2 durch die elektrische Maschine 12 gestartet, wobei sich die erste Kupplung 6 in ihrer geöffneten Stellung befindet, die dritte Kupplung 15 in ihrer geöffneten Stellung befindet und die zweite Kupplung 14 in ihrer geschlossenen Stellung befindet. Die Steuerungseinheit 7 ermittelt in einem zweiten Schritt 200 kontinuierlich über den zweiten Sensor 11 die Drehzahl nW der Kurbelwelle 8 des Verbrennungsmotors 2. Sofern die Steuerungseinheit 7 dabei feststellt, dass die Drehzahl nw der Kurbelwelle 8 eine Leerlaufdrehzahl nL des Verbrennungsmotors 2 übersteigt oder die Leerlaufdrehzahl nL zumindest erreicht, veranlasst sie in einem dritten Schritt 300, dass sich die erste Kupplung 6 in ihre geschlossene Stellung bewegt.
  • In der geschlossenen Stellung der ersten Kupplung 6 treibt die Kurbelwelle 8 das Schwungrad 4 über dessen Wellenzapfen 9 an. In einem vierten Schritt 400 ermittelt die Steuerungseinheit 7 über den ersten Sensor 10 kontinuierlich die Drehzahl nS des Wellenzapfens 9 des Schwungrads 4. Sofern die Steuerungseinheit 7 dabei feststellt, dass die Drehzahl nS des Wellenzapfens 9 eine festgelegte minimale Drehzahl nmin erreicht oder übersteigt, veranlasst sie in einem fünften Schritt 500, dass sich die erste Kupplung 6 in eine geöffnete Stellung bewegt. Die minimale Drehzahl nmin kann insbesondere auf einen Wert festgelegt werden, welcher ausreicht, um den Verbrennungsmotor 2 zu starten.
  • In einem sechsten Schritt 600 ermittelt die Steuerungseinheit 7 bei geöffneter erster Kupplung 6 über den ersten Sensor 10 kontinuierlich die Drehzahl nS des Wellenzapfens 9. Weiterhin ermittelt die Steuerungseinheit 7 in einem siebten Schritt 700 bei geöffneter erster Kupplung 6 über den zweiten Sensor 11 kontinuierlich die Drehzahl nW der Kurbelwelle 8. Die Schritte 600 und 700 können insbesondere zeitgleich ablaufen.
  • Sofern die Steuerungseinheit 7 in den Schritten 600 und 700 festgestellt, dass erstens die Drehzahl nS des Wellenzapfens 9 unterhalb der minimalen Drehzahl nmin liegt (Bedingung 1), und dass zweitens die Drehzahl nW der Kurbelwelle 8 höher ist als die Drehzahl nS des Wellenzapfens 9 (Bedingung 2), wird das vorstehend beschriebene Verfahren ab dem dritten Schritt 300, gemäß welchem die erste Kupplung 6 geschlossen wird, erneut durchlaufen.
  • Sofern die Steuerungseinheit 7 in den Schritten 600 und 700 jedoch feststellt, dass die Bedingung 1 und die Bedingung 2 nicht erfüllt sind, so kann in einem achten Schritt 800 (5) die erste Kupplung 6 geschlossen werden, um den Verbrennungsmotor 2 erneut zu starten, sofern dieser zuvor gestoppt worden ist.
  • 4 veranschaulicht in einem Ablaufdiagramm, wie der Verbrennungsmotor nach 1 nach einem Stopp wieder durch die Startvorrichtung nach 1 gestartet werden kann. Nachdem die erste Kupplung 6 in dem achten Schritt 800 geschlossen worden ist, treibt das Schwungrad 4 über den Wellenzapfen 9 und die geschlossene erste Kupplung 6 die Kurbelwelle 8 an, sodass die Kurbelwelle 8 in Rotation versetzt wird. Dabei ermittelt die Steuerungseinheit 7 in einem neunten Schritt 900 über den zweiten Sensor 11 kontinuierlich die Drehzahl nW der Kurbelwelle 8. Sofern die Steuerungseinheit 7 dabei feststellt, dass die Drehzahl nW der Kurbelwelle 8 die Leerlaufdrehzahl nL des Verbrennungsmotors 2 übersteigt oder zumindest erreicht, veranlasst sie in einem zehnten Schritt 1000, dass der Verbrennungsmotor 2 gestartet wird. Anschließend wird in einem elften Schritt 1100 die erste Kupplung 6 geöffnet. Die Steuerungseinheit 7 ermittelt dann in einem zwölften Schritt 1200 kontinuierlich die Drehzahl nW der Kurbelwelle 8. Sofern die Steuerungseinheit 7 dabei feststellt, dass die Drehzahl nW der Kurbelwelle 8 kleiner oder gleich der Drehzahl ns des Wellenzapfens 9 des Schwungrads 4 ist, schließt sie in einem dreizehnten Schritt 1300 erneut die erste Kupplung 6, sodass die Kurbelwelle 8 erneut von dem Wellenzapfen 9 Schwungrads 4 angetrieben wird. Anschließend kann das Verfahren ab dem Schritt 400 (4) erneut durchlaufen werden.
  • Im Folgenden werden für den vorstehend beschriebenen erneuten Start des Verbrennungsmotors 2 beispielhafte Energiebedarfe dargestellt. Beispielsweise kann das Schwungrad 4 oder dessen Schwungmasse 5 aus Eisen bestehen. Eisen hat eine spezifische Dichte von 7,8 kg/Liter. Bei einem Durchmesser von 25 cm und eine Dicke von 2 cm ergibt sich z.B. eine Masse von 7,7 kg. Beispielsweise kann das Schwungrad 4 durch die Kurbelwelle 8 des Verbrennungsmotors 2 auf eine Drehzahl von 2500 Umdrehungen/min gebracht werden und anschließend von der Kurbelwelle 8 abgekoppelt werden. Werden nun der Verbrennungsmotor 2 und damit auch die Kurbelwelle 8 gestoppt, die erste Kupplung 6 wieder geschlossen und somit die Kurbelwelle 8 von den Wellenzapfen des Schwungrads 4 angetrieben, so kann sich die Drehzahl des Wellenzapfens 9 auf beispielsweise 700 Umdrehungen/min verringern. Bei J = 0,06 kg m2 ergibt sich dann eine Energie von 1899 Ws. Zum Vergleich kann sich bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Start mittels elektrischer Energie bei einem üblichen Leistungsbedarf von 7 kW (Peak-Wert, elektrisch) bzw. im Mittel 3, 5 kW für 500 ms eine Energie von 1750 Ws ergeben.

Claims (10)

  1. Starteinrichtung (1) für einen Verbrennungsmotor (2) für einen Hybridantrieb (3) eines Kraftfahrzeugs, die Starteinrichtung (1) umfassend: - ein Schwungrad (4) mit einer Schwungmasse (5), - eine erste Kupplung (6) und - eine Steuerungseinheit (7), wobei die erste Kupplung (6) dazu eingerichtet ist, - in einem geschlossenen Zustand das Schwungrad (4) mit einer Abtriebswelle (8) des Verbrennungsmotors (2) zu koppeln, sodass das Schwungrad (4) von der Abtriebswelle (8) angetrieben wird oder die Abtriebswelle (8) von dem Schwungrad (4) angetrieben wird, und - in einem geöffneten Zustand das Schwungrad (4) von der Abtriebswelle (8) zu entkoppeln, und wobei die Steuerungseinheit (7) dazu eingerichtet ist, - die erste Kupplung (6) bei laufendem Verbrennungsmotor (2) zu schließen, um kinetische Energie in dem Schwungrad (4) zu speichern, - die erste Kupplung (6) vor einem Abstellen des Verbrennungsmotors (2) zu öffnen, und - die erste Kupplung (6) für einen Wiederstart des Verbrennungsmotors (2) zu schließen, um in dem Schwungrad (4) gespeicherte kinetische Energie auf die Abtriebswelle (8) des Verbrennungsmotors (2) zu dessen Wiederstart zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (7) dazu eingerichtet ist, die erste Kupplung (6) zum Speichern kinetischer Energie in dem Schwungrad (4) unmittelbar vor einem Abstellen des Verbrennungsmotors (2) zunächst zu schließen.
  2. Starteinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerungseinheit (7) dazu eingerichtet ist, die erste Kupplung (6) zum Speichern kinetischer Energie in dem Schwungrad (4) unmittelbar vor einem Abstellen des Verbrennungsmotors (2) zu schließen und wieder zu öffnen.
  3. Starteinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüch e, wobei die Steuerungseinheit (7) dazu eingerichtet ist, - die erste Kupplung (6) zu schließen, sofern sich die Abtriebswelle (8) mit einer Drehzahl dreht, welche mindestens so hoch ist wie eine Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors (2), sodass kinetische Energie in dem Schwungrad (4) gespeichert wird, - die erste Kupplung (6) zu öffnen, sofern sich das Schwungrad (4) mit einer Drehzahl dreht, welche mindestens so hoch ist wie eine festgelegte minimale Drehzahl zum Starten des Verbrennungsmotors (2), und - die erste Kupplung (6) erneut zu schließen, sofern die Abtriebswelle (8) nicht rotiert, sodass in dem Schwungrad (4) gespeicherte kinetische Energie auf die Abtriebswelle (8) des Verbrennungsmotors (2) zu dessen Start übertragen wird.
  4. Starteinrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei die Steuerungseinheit (7) dazu eingerichtet ist, - die Drehzahl des Schwungrads (4) und der Abtriebswelle (8) zu erfassen, wenn die erste Kupplung (6) geöffnet ist, und - die erste Kupplung (6) zum Speichern kinetischer Energie in dem Schwungrad (4) erneut zu schließen, sofern die Drehzahl des Schwungrads (4) kleiner ist als die minimale Drehzahl und sofern die Drehzahl der Abtriebswelle (8) höher ist als die Drehzahl des Schwungrads (4).
  5. Starteinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinheit (7) dazu eingerichtet ist, die Drehzahl der Abtriebswelle (8) zu erfassen, wenn die erste Kupplung (6) zum Speichern kinetischer Energie in dem Schwungrad (4) geschlossen ist, und die erste Kupplung (6) zu öffnen, sofern die Drehzahl der Abtriebswelle (8) sinkt.
  6. Starteinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Rundlauf des Verbrennungsmotors (2) nach Bedarf über das Zuschalten des Schwungrads (4) mit der Schwungmasse (5) verbessert wird.
  7. Verbrennungsmotor (2) für einen Hybridantrieb (3) eines Kraftfahrzeugs, der Verbrennungsmotor (2) umfassend eine Abtriebswelle (8) und eine Starteinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Schwungrad (4) der Starteinrichtung (1) an einer Stirnseite des Verbrennungsmotors (2) angeordnet ist.
  8. Hybridantrieb (3) umfassend einen Verbrennungsmotor (2) nach Anspruch 7, eine elektrische Maschine (12), ein Getriebe (13), eine zweite Kupplung (14) und eine dritte Kupplung (16), wobei - die elektrische Maschine (12) zwischen dem Verbrennungsmotor (2) und dem Getriebe (13) angeordnet ist, - die zweite Kupplung (14) dazu eingerichtet ist, den Verbrennungsmotor (2) mit der elektrischen Maschine (12) zu koppeln und den Verbrennungsmotor (2) von der elektrischen Maschine (12) zu entkoppeln, - die dritte Kupplung (15) dazu eingerichtet ist, die elektrische Maschine (12) mit dem Getriebe (13) zu koppeln und die elektrische Maschine (12) von dem Getriebe (13) zu entkoppeln.
  9. Kraftfahrzeug umfassend einen Hybridantrieb (3) nach Anspruch 8.
  10. Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors (2) nach Anspruch 7 mit einer Starteinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte, welche jeweils durch die Steuerungseinheit (7) der Starteinrichtung (1) veranlasst werden: - Empfangen eines Befehls zum Abstellen des Verbrennungsmotors (2), - danach Schließen der ersten Kupplung (6) bei laufendem Verbrennungsmotor (2), um kinetische Energie in dem Schwungrad (4) zu speichern, - Öffnen der ersten Kupplung (6) vor einem Abstellen des Verbrennungsmotors (2), und - Schließen der ersten Kupplung (6) für einen Wiederstart des Verbrennungsmotors (2) um in dem Schwungrad (4) gespeicherte kinetische Energie auf die Abtriebswelle (8) des Verbrennungsmotors (2) zu dessen Wiederstart zu übertragen.
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