DE19936885A1 - Verfahren zum Abstellen einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Abstellen einer Brennkraftmaschine

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Abstract

Ein Verfahren dient zum Abstellen einer Brennkraftmaschine, wobei eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine mit wenigstens einer Elektromaschine mechanisch verbunden wird. Die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine wird nach einer Unterbrechung einer Kraftstoffversorgung von der Elektromaschine durch ein Bremsmoment gebremst. Das Bremsmoment ist dabei in der Art gesteuert oder geregelt, daß der Stillstand der Kurbelwelle in einer stabilen Ruhelage der Kurbelwelle erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abstellen einer Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Bei Hybridfahrzeugen mit einer Brennkraftmaschine und einer Elektromaschine kann die Brennkraftmaschine wäh­ rend des Fahrbetriebs von einem Steuergerät stillge­ legt und von diesem Steuergerät auch wieder gestartet werden. Der Fahrer des entsprechenden Fahrzeugs hat auf diese Vorgänge selbst jedoch keinen direkten Ein­ fluß. Er sollte davon also nach Möglichkeit nicht oder nur minimal behelligt werden.
Neben dem akustischen Effekt, den Geräuschen der Brennkraftmaschine, empfinden die meisten Fahrer hier eher den schwingungstechnischen Effekt als störend. Dieses "Nachschütteln" der Brennkraftmaschine und ge­ gebenenfalls eines mit ihr verbundenen Getriebes er­ zeugt Schwingungen in dem gesamten Fahrzeug, welche von dem Fahrer und den anderen Fahrzeuginsassen wahr­ genommen werden.
Insbesondere bei Hybridfahrzeugen, bei denen dieses Abstellen der Brennkraftmaschine während der Fahrt erfolgt, wird dies als besonders unangenehm empfunden.
Vergleichbares gilt bei automatischen sogenannten "Start/Stop"-Systemen, bei denen die Brennkraftmaschi­ ne eines Fahrzeugs z. B. während eines Ampelstops von einem Motorsteuergerät abgestellt wird und beim Wie­ deranfahren des Fahrzeugs erneut angelassen wird.
Auch bei diesem Abstellvorgang kommt es zu einem unan­ genehmen, unerwünschten schwingungstechnischen Effekt durch das Nachschütteln der Brennkraftmaschine und gegebenenfalls des Getriebes.
Die akustischen Effekte des Abstellvorgangs sind über eine entsprechende Schalldämmung vergleichsweise leicht zu reduzieren, bezüglich der Schwingungstechni­ schen Effekte ist jedoch eine ausreichende Dämmung bzw. Entkoppelung problematisch.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Schwingungen einer Brennkraftmaschine bei ihrem Abstellvorgang zu reduzieren bzw. annähernd ganz zu vermeiden und so das Nachschütteln der Brennkraftmaschine bzw. einer Kur­ belwelle der Brennkraftmaschine zu verhindern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Dabei ist es bei der Erfindung vorgesehen, im Falle eines Hybridantriebs die Elektromaschine zu nutzen, welche auch für den elektromechanischen Vortrieb des Fahrzeugs sorgt. Alternativ dazu kann für die erfin­ dungsgemäße Bremsung der Kurbelwelle z. B. bei einem Start/Stop-System jedoch auch die Elektromaschine ge­ nutzt werden, welche üblicherweise zum Anlassen der Brennkraftmaschine oder als Generator vorgesehen ist.
Neben seinem einfachen apparativen Aufbau bietet das erfindungsgemäße Verfahren zum Abstellen einer Brenn­ kraftmaschine den Vorteil, daß mit großer Zielgenauig­ keit die Ruhelage der Kurbelwelle erreicht werden kann. Dabei ist eine Standardbrennkraftmaschine ein­ setzbar, welche keine durch das Verfahren zu ihrem Abstellen bedingte Modifizierungen im mechanischen oder steuer- bzw. regelungstechnischen Bereich der Brennkraftmaschine erforderlich macht.
Der Abbremsvorgang der Brennkraftmaschine ist über ein erfindungsgemäß durch die Elektromaschine erzeugtes Bremsdrehmoment so gestaltet, daß der Stillstand der Kurbelwelle in einer Position erfolgt, in der die Kur­ belwelle ohne Nachschütteln verharrt, sich also in einer stabilen Ruhelage befindet. Diese stabile Ruhe­ lage ist erreicht, wenn keine äußeren Einflüsse auf die Kurbelwelle wirken und/oder wenn zusammen mit be­ stimmten äußeren Einflüssen, wie z. B. mit Schleppmo­ menten von einem Summiergetriebe, kein Nachschütteln der Kurbelwelle und mit ihr verbundener Teile erfolgt.
Dadurch ergibt sich also der Vorteil, daß im Vergleich zu einem herkömmlichen Abstellvorgang einer Brenn­ kraftmaschine die Kurbelwelle vor dem Stillstand nicht zwischen den Kompressionstakten der einzelnen Zylinder hin- und herschüttelt bis sie zur Ruhe kommt.
In einer besonders günstigen Ausführungsform der Er­ findung kann die Anlage eine Sensorik aufweisen, wel­ che Position und Bewegung der Kurbelwelle erfaßt und an eine Steuer- oder Regeleinrichtung übermittelt, wobei die Steuer- oder Regeleinrichtung die Daten der Sensorik nach Winkellage und Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle auswertet und das über die Elektromaschine erzeugte Bremsdrehmoment an der Kurbelwelle steuert oder regelt.
Die Erfindung kann nun in vorteilhafter Weise diese Signale nutzen, um daraus zwei Größen abzuleiten, die zur Verwirklichung einer der vorteilhaften Weiterbil­ dungen der Erfindung wesentlich sind. Einerseits ist dies das Maß für die momentane Winkelgeschwindigkeit, welches sich z. B. aus dem Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen eines Geberrades an der Kurbelwelle ermitteln läßt. Andererseits ist es die Relation der Position der Kurbelwelle zur der stabilen Ruhelage der Kurbelwelle, was es ermöglicht, die je­ weils aktuelle Winkellage der Kurbelwelle zu bestim­ men.
Damit können durch die Bewegungsgleichungen die Zeit­ punkte und die zu realisierenden Bremsdrehmomente für ein schnelles, schüttelfreies Erreichen der Ruhelage der Kurbelwelle ermittelt werden. Die für das Abbrem­ sen der Kurbelwelle eingesetzte Elektromaschine kann dann so angesteuert werden, daß sie das entsprechend erforderliche Bremsdrehmoment erzeugt. Dabei können auch während des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfah­ rens weitere steuer- bzw. regelungstechnische Beein­ flussungen der Elektromaschine erfolgen.
Je nachdem ob die Erfindung bei einem Hybridfahrzeug oder um einem Start/Stop-System eingesetzt wird, kann einerseits die Elektromaschine für den Antrieb, ande­ rerseits diejenige für das Anlassen der Brennkraftma­ schine zur Erzeugung des erfindungsgemäß gesteuerten bzw. geregelten Bremsdrehmoments eingesetzt werden.
Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem nachfolgend anhand der Zeichnungen prinzipmäßig darge­ stellten Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
Fig. 1 ein prinzipmäßiges Diagramm eines Abstellvor­ gangs für eine Sechszylinder-4-Takt-Brenn­ kraftmaschine mit einer Ruhelage von 60° nach dem oberen Totpunkt der Kompression; und
Fig. 2 ein prinzipmäßiges Diagramm eines Verlaufs einer Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle während des Abstellvorgangs gemäß Fig. 1.
In Fig. 1 ist ein Diagramm dargestellt, bei dem auf der Ordinate der von einer Kurbelwelle einer Brenn­ kraftmaschine zurückgelegte Winkel ϕkW in Grad (°) auf­ getragen ist. Die Abszisse stellt dabei die Zeitachse t dar, welche eine Skalierung in Millisekunden (ms) vor der Ruhelage der Kurbelwelle - bei 0 ms - aufweist.
Das in seinem Funktionsprinzip dargestellte Ausfüh­ rungsbeispiel des Verfahrens zum Abstellen der Brenn­ kraftmaschine bezieht sich auf eine Sechszylinder-4- Takt-Brennkraftmaschine. Bei einer solchen Brennkraft­ maschine wiederholt sich ein Kompressions-OT (oberer Totpunkt) jeweils eines Kolbens der Brennkraftmaschine alle 120° der Drehung der Kurbelwelle. Das heißt also, daß sich alle 120° der Drehung der Kurbelwelle jeweils einer der sechs Kolben während einer Phase maximaler Verdichtung (Kompressions-Takt) der jeweils zwischen dem Zylinder und dem Kolben eingeschlossenen Gase in seiner OT-Lage befindet. Die Stillstandsneutrallage bzw. die stabile Ruhelage der Kurbelwelle liegt bei einer Brennkraftmaschine in etwa in der Mitte zwischen den Kompressions-OT-Lagen, d. h. im vorliegenden Fall um ca. 60° versetzt zu den Kompressions-OT's.
Eine an der Brennkraftmaschine vorhandene Motorelek­ tronik bzw. ein Motorsteuergerät generiert sich zu eigenen Zwecken, z. B. zur Steuerung der Zündung oder Einspritzung, Trigger-Signale aus Impulsen, welche von einem Geberrad, welches als ein Zahnrad ausgebildet sein kann, am Schwungrad der Kurbelwelle generiert werden. Aus diesen z. B. durch die Zähne des Geberrads ausgelösten Impulsen kann die Motorelektronik den obe­ ren Totpunkt OT des Kolbens des ersten Zylinders er­ mitteln. Dadurch kann bei selbstverständlich bekannter Anzahl der Zylinder und Takte der Brennkraftmaschine von der Motorelektronik auch der jeweilige Winkel ϕKW ermittelt werden, welcher den jeweiligen oberen Tot­ punkten OT übrigen Zylinder zuzuordnen ist.
Die Trigger-Signale weisen nun von der Motorelektronik generierte Trigger-Marken auf, welche sich auf die Kompressions-OT's von jeweils einem der Zylinder be­ ziehen. Die Trigger-Marken können z. B. als steigende und sinkende Signalflanken in dem Trigger-Signal er­ kennbar sein. Üblicherweise generiert die Motorelek­ tronik Trigger-Signale mit der steigenden Signalflan­ ken 6° vor dem jeweiligen Zylinder-OT und der sinkende Signalflanken 48° danach.
Nun werden die Trigger-Signale der Motorelektronik über ihren ursprünglich geplanten Einsatzzweck hinaus auch für das Verfahren zum Abstellen einer Brennkraft­ maschine genutzt. Aus den Trigger-Marken, also den steigenden oder sinkenden Signalflanken, lassen sich zwei Größen ableiten, die zur Verwirklichung des Ver­ fahrens zum Abstellen der Brennkraftmaschine wesent­ lich sind.
Einerseits ein Maß für eine momentane Winkelgeschwin­ digkeit ωKW, welches sich aus den Zeitabständen zwi­ schen z. B. zwei steigenden Signalflanken bzw. zwei Trigger-Marken ergibt und andererseits eine Relation der Trigger-Marken, welche den Zylinder-OT's entspre­ chen bzw. proportional sind, zu der Ruhelage der Kur­ belwelle. Damit ist also die Position bzw. die Winkel­ lage ϕKW der Kurbelwelle zum jeweiligen Zeitpunkt be­ kannt.
Im Falle, daß keine Motorelektronik vorhanden ist, können derlei Signale selbstverständlich auch auf an­ dere Art und Weise, speziell für das Verfahren zum Abstellen einer Brennkraftmaschine, erzeugt werden. Ein spezielles Steuergerät für den Abstellvorgang könnte z. B. die Impulse von dem Geberrad an dem Schwungrad der Kurbelwelle auswerten.
Das in Fig. 1 dargestellte Diagramm zeigt beispielhaft einen Abstellvorgang für die oben genannte Sechszylin­ der-4-Takt-Brennkraftmaschine mit einer Ruhelage von 60° nach den Kompressions-OT's. Eine Kurve X der Win­ kellage der Kurbelwelle beginnt dabei zunächst als Gerade. Dies bedeutet also, daß eine gleichbleibende Winkelgeschwindigkeit ωKW (vergleiche auch Fig. 2) vor­ liegt, wobei hier Drehungleichförmigkeiten der Kurbel­ welle zwecks besserer Anschauung vernachlässigt wur­ den.
Die mit der Steigung des geraden Abschnitts der Kurve X in Zusammenhang stehenden Drehzahl kann z. B. die Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine sein, die vor dem Abstellvorgang von dem Motorsteuergerät bzw. der Motorelektronik angefahren wurde, wobei auch dieses Herunterfahren der Brennkraftmaschine in die Leerlauf­ drehzahl bereits Teil des Abstellvorgangs sein kann.
An einem Punkt S der Kurve X wird dann die Kraftstof­ feinspritzung abgeschaltet und die aktive Bremsung der Brennkraftmaschine über eine Elektromaschine wird ein­ geleitet.
Dabei ist es für das Verfahren zum Abstellen der Brennkraftmaschine prinzipiell unwichtig, ob der Punkt S in einem funktionalen Winkelzusammenhang zu der Kur­ belwelle steht oder ob er willkürlich, z. B. direkt von einem Signal des Zündschlüssels oder der Motorelektro­ nik, ausgelöst wird, und ob die Drehzahl der Leerlauf­ drehzahl entspricht oder eine andere ist.
Im Alphabet fortlaufend bezeichnete Punkte A bis 6 kennzeichnen z. B. Trigger-Marken, welche hier bei der Sechszylinder-4-Takt-Brennkraftmaschine den in 120°- Schritten der Drehung der Kurbelwelle aufeinanderfol­ genden Kompressions-OT-Punkten entsprechen. Bei 60° nach dem Punkt G, also in etwa zwischen jeweils zwei Kompressions OT's, sei im dargestellten Beispiel die Ruhelage der Kurbelwelle in einem Punkt T erreicht. Der Bremsvorgang der Kurbelwelle kann z. B. wie darge­ stellt durch ein konstantes Drehmoment realisiert wer­ den. In diesem Fall beschreibt die Kurve X von den Punkten bzw. Trigger-Marken A bis G einen parabelför­ migen Verlauf. Auch hier sind wieder die Drehungleich­ förmigkeiten der Kurbelwelle vernachlässigt, was bei großen Bremsdrehmomenten in Relation zu den von der Verdichtung resultierenden geringen Drehmomenten zu­ lässig ist.
Fig. 2 beschreibt in einem Diagramm den Verlauf der Winkelgeschwindigkeit ωkW der Kurbelwelle. Da Winkel­ geschwindigkeit ωkW und Winkel ϕkW in einem differenti­ ellen Zusammenhang stehen, verläuft die Winkelge­ schwindigkeit ωkW bis zum Punkt S konstant und fällt dann in zwei Geraden unterschiedlicher Steigung zuerst auf den Punkt G und dann auf die Ruhelage T der Kur­ belwelle (Winkelgeschwindigkeit ωkW = 0) ab.
Die Zeitspannen, die zwischen den Trigger-Punkten A, B, C, D, u. s. w. verstreichen, geben ein Maß dafür, wie weit sich die Winkelgeschwindigkeit ωkW dem Stillstand der Kurbelwelle angenähert hat. Durch einen Vergleich dieser Zeitspannen mit z. B. in einem Kennfeld abgeleg­ ten Größen bzw. Sollzeitspannen, kann ermittelt wer­ den, wann eine Grenzzeitspanne Z erreicht ist, nach der im einen der folgenden 120°-Intervalle die Ruhela­ ge der Kurbelwelle erreicht werden soll. Das bedeutet, daß die Kurbelwelle sobald die Winkelgeschwindigkeit ωKW klein genug ist, aus dieser kleinen Winkelge­ schwindigkeit ωKW, zielgenau bezüglich der des Winkels ϕKW, vollends auf ihre stabile Ruhelage (Winkelge­ schwindigkeit ωKW = 0) abgebremst wird.
Der Endpunkt G der Grenzzeitspanne Z wird also als die Trigger-Marke gewählt, bei der der restliche Bremsvor­ gang begonnen wird. Dabei kann aus der Größe der Zeit­ spanne Z und aus den aktuellen Werten im Punkt F durch Anwendung der Bewegungsgleichungen auf die Winkelge­ schwindigkeit im Punkt G geschlossen werden. Außerdem ergibt sich damit ein Zusammenhang für ein neues Bremsdrehmoment und eine Bremszeit R bis zum Erreichen des Punktes T, also dem Stillstand der Kurbelwelle. Auch dieser Zusammenhang kann dabei in einem Kennfeld abgelegt werden oder mit einfachen, aus den Bewegungs­ gleichungen abzuleitenden Algorithmen jeweils neu er­ rechnet werden.
Die Grenzzeitspannen und die Sollzeitspannen können dabei als in einem oder mehreren Kennfeldern abgelegte Werte vorgegeben werden. Dabei sind die Werte in den Kennfeldern in Abhängigkeit des Bremsdrehmoments und/oder der Drehzahl zum Zeitpunkt der Unterbrechung der Kraftstoffversorgung abgelegt. Das ermöglicht ei­ nen schnellen Zeitlichen Ablauf, da die Steuer- bzw. Regeleinrichtung, die nach der Unterbrechung der Kraftstoffversorgung ihre Arbeit aufnimmt, dann be­ reits bei einem recht gut angepaßten Startwert begin­ nen kann.
Der Elektromaschine werden das neu berechnete Bremsdrehmoment und die Bremszeit R bis zum Stillstand der Kurbelwelle in ihrer stabilen Ruhelage als neue Werte vorgegeben. Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung sorgt dann dafür, daß diese neuen Werte von der Elek­ tromaschine an der Kurbelwelle realisiert werden.
Aufgrund der bereits geringen Winkelgeschwindigkeiten der Kurbelwelle kurz vor dem Erreichen des Punktes G ist es dabei unwichtig, ob die Steuersignale z. B. im Falle der Übermittlung durch einen CAN-Bus (computer area network) eine kleine zeitliche Verzögerung ent­ halten, also erst einen oder zwei Zeitschritte nach einem sie verursachenden Ereignis übermittelt werden. Da das CAN-Bus-System zunehmend. Verbreitung in Kraft­ fahrzeugen findet, bietet es sich daher an, dieses auch für die Übermittlung der Daten für das Verfahren zum Abstellen einer Brennkraftmaschine zu nutzen.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens zum Abstellen der Brennkraftmaschine, welche in den Dia­ grammen nicht berücksichtigt ist, kann das Bremsdrehmoment der Elektromaschine vor dem Erreichen der stabilen Ruhelage der Kurbelwelle so gesteuert werden, daß auch die Abstützreaktion des Motorgehäuses ohne großes Nachschütteln erfolgt. Dies kann z. B. da­ durch erreicht werden, daß nach einem anfänglich star­ ken Bremsdrehmoment das Bremsdrehmoment zurückgestuft wird, so daß in der Rückschüttelphase des Gehäuses der Brennkraftmaschine noch ein Gegenhaltemoment übrig­ bleibt, welches auch dieses Nachschütteln vermeidet.

Claims (8)

1. Verfahren zum Abstellen einer Brennkraftmaschine, wobei eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine mit wenigstens einer Elektromaschine mechanisch ver­ bunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine nach einer Unterbrechung einer Kraftstoffversorgung von der Elektromaschine durch ein Bremsdrehmoment abge­ bremst wird, wobei das Bremsdrehmoment in der Art gesteuert oder geregelt wird, daß der Stillstand der Kurbelwelle in einer stabilen Ruhelage der Kurbelwelle erfolgt.
2. Verfahren zum Abstellen einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sensorik Position und Bewegung der Kurbelwel­ le erfaßt und an eine Steuer- oder Regeleinrich­ tung übermittelt, wobei die Steuer- oder Regelein­ richtung die Daten der Sensorik nach Winkellage (ϕkW) und Winkelgeschwindigkeit (ωkW) der Kurbel­ welle auswertet und das über die Elektromaschine erzeugte Bremsdrehmoment an der Kurbelwelle steu­ ert oder regelt.
3. Verfahren zum Abstellen einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Daten der Sensorik Trigger-Signale erzeugt werden, wobei die Trigger-Signale Trigger-Marken (A bis G) enthalten, welche den jeweils aufeinan­ derfolgenden oberen Totpunkten jeweils eines Zy­ linders der Brennkraftmaschine proportional sind.
4. Verfahren zum Abstellen einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Trigger-Marken (A bis G) verstreichende Zeitspannen erfaßt werden, wobei die Zeitspannen mit vorgegebenen Sollzeitspannen verglichen werden, wobei beim Erreichen einer vor­ gegebenen Grenzzeitspanne (Z) die Winkelgeschwin­ digkeit (ωkW) der Kurbelwelle beim Erreichen der nachfolgenden Trigger-Marke (G) vorausberechnet wird, und wobei zusammen mit einem Winkelabstand der Kurbelwelle zwischen dem oberen Totpunkt eines Kolbens eines Zylinders und der Ruhelage der Kur­ belwelle eine Bremszeit (R) und ein Wert für das nach Erreichen der nachfolgenden Trigger-Marke (G) zu realisierende Bremsdrehmoment ermittelt wird.
5. Verfahren zum Abstellen einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollzeitspannen und/oder die Grenzzeitspanne (Z) in Abhängigkeit des Bremsdrehmoments und/oder der Drehzahl zum Zeitpunkt (S) der Unterbrechung der Kraftstoffversorgung der Brennkraftmaschine in wenigstens einem Kennfeld abgelegt werden.
6. Verfahren zum Abstellen einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übermittlung der Steuer- oder Regel- und/oder Meßdaten über ein CAN-Bus-System (computer area network) erfolgt.
7. Verfahren zum Abstellen einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bremsdrehmoment kurz vor Erreichen der Ruhela­ ge (T) der Kurbelwelle in der Art gesteuert oder geregelt wird, daß Schleppmomente eines Getriebes oder Summiergetriebes zwischen der Kurbelwelle und der Elektromaschine das von der Elektromaschine erzeugte Bremsdrehmoment entgegenwirkt.
8. Verfahren zum Abstellen einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bremsdrehmoment kurz vor Erreichen der Ruhela­ ge (T) der Kurbelwelle in der Art verringert wird, daß in einer Rückschüttelphase des Gehäuses der Brennkraftmaschine ein Gegenhaltemoment vorhanden bleibt, das dem von der Elektromaschine erzeugten Bremsdrehmoment entgegenwirkt.
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