[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Hilfsaggregats während des
Startens oder Anhaltens einer Brennkraftmaschine, die an einer Karosserie angebracht
und mit dem Hilfsaggregat gekoppelt ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung
ein zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildetes Regelungssystem.
[0002] Brennkraftmaschinen benötigen in der Regel ein Hilfsaggregat, durch welches sie während
des Anlassens in Bewegung versetzt werden können. Bei in Kraftfahrzeugen verwendeten
Brennkraftmaschinen ist dieses Hilfsaggregat üblicherweise ein Elektromotor ("Starter").
Weiterhin ist es bekannt, Brennkraftmaschinen während ihres Anhaltens mit einem Hilfsaggregat
in Form eines elektrischen Generators ("Lichtmaschine") zu koppeln, welcher der Brennkraftmaschine
mechanische Leistung entnimmt und daher ihre Rotation bremst.
[0003] Um den Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen zu verringern,
werden diese zunehmend mit integrierten Starter-Generatoren ausgestattet, welche leistungsstark
sind und in sich die Funktionen eines Elektromotors und Generators vereinigen. Integrierte
Starter-Generatoren werden in einem sogenannten Stop-and-go-Betrieb derart angesteuert,
daß diese die Brennkraftmaschine anhalten, sobald keine mechanische Leistung für die
Fortbewegung des Fahrzeuges oder die Unterhaltung von Hilfseinrichtungen mehr erforderlich
ist, und daß sie die Brennkraftmaschine bei erneutem Bedarf an diesen Leistungen wieder
starten. Aufgrund der hohen Leistungsfähigkeit der Starter-Generatoren erfolgt das
Starten und Anhalten der Brennkraftmaschine dabei sehr schnell, so daß der Fahrer
nahezu keine Verzögerungen in der Reaktion seines Fahrzeuges hinnehmen muß. Problematisch
ist jedoch, daß es während des Startens oder Anhaltens der Brennkraftmaschine zu Vibrationen
des Kraftfahrzeuges kommen kann, die von den Fahrzeuginsassen als unangenehm bzw.
störend wahrgenommen werden. Diese Störungen stehen der Akzeptanz des an sich wünschenswerten
Stop-and-go-Betriebs in erheblichem Maße entgegen.
[0004] Aus der
EP 839 683 A2 ist eine Regelung für ein spezielles Antriebssystem bekannt, welches eine Brennkraftmaschine
sowie zwei hiermit gekoppelte Motor-Generatoren enthält, die das von der Brennkraftmaschine
abgegebene Drehmoment in einen anderen Wert umwandeln. Durch das Angreifen von Elektromotoren
und Brennkraftmaschine an derselben Welle kann es insbesondere beim aktiven Anhalten
der Brennkraftmaschine zu Torsionsschwingungen der Welle kommen. Dieses Problem wird
dadurch reduziert, dass beim Anhalten durch eine entsprechende Ansteuerung der Motor-Generatoren
kritische Drehzahlbereiche möglichst schnell durchlaufen werden.
[0005] Aus der
DE 195 32 129 A1 ist ein System bekannt, bei dem ein elektrischer Motor-Generator an der Ausgangswelle
einer Brennkraftmaschine durch ein mit hoher Frequenz oszillierendes aktives Drehmoment
Drehungleichförmigkeiten der Welle ausgleicht. Wenn der Motor-Generator als Starter
verwendet wird, findet ein solcher Ausgleich jedoch nicht statt.
[0006] Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
und ein Verfahren bereitzustellen, welche bzw. welches ein möglichst störungsfreies
Starten und/oder Anhalten einer Brennkraftmaschine erlaubt.
[0007] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch
ein Regelungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
[0008] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
[0009] Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Regelung eines mit einer Brennkraftmaschine
gekoppelten Hilfsaggregats während des Startens oder Anhaltens der Brennkraftmaschine,
die an einer Karosserie angebracht bzw. befestigt ist. Unter einem Hilfsaggregat ist
dabei grundsätzlich jede vom Antriebsstrang separate Einrichtung zu verstehen, die
Leistung in Form von Rotationsenergie an die Brennkraftmaschine übertragen und/oder
von dieser aufnehmen kann. Typischerweise ist das Hilfsaggregat ein elektrischer Starter,
ein elektrischer Generator oder ein elektrischer integrierter Starter-Generator. Weiterhin
soll der Begriff der Brennkraftmaschine vorliegend auch die schwingungsmechanisch
zugehörigen Teile des Antriebsstranges umfassen. Das Regelungsverfahren ist dadurch
gekennzeichnet, daß das Hilfsaggregat derart geregelt wird, daß die Anregung von resonanten
Eigenschwingungen der Brennkraftmaschine gegenüber der Karosserie reduziert wird.
[0010] Durch ein derartiges Regelungsverfahrens können die bei einem Starten oder Anhalten
einer Brennkraftmaschine zu beobachtenden störenden Vibrationen des Kraftfahrzeuges
ohne konstruktive Änderungen im Motorraum auf ein Minimum reduziert werden. Wichtig
für diesen positiven Effekt ist die Erkenntnis, daß Vibrationen vornehmlich durch
die Anregung resonanter Eigenschwingungen der Brennkraftmaschine gegenüber der Karosserie
erzeugt werden und daß die Art beziehungsweise der Ablauf des Startvorganges oder
Anhaltvorganges einen Einfluß darauf hat, in welchem Ausmaß resonante Eigenschwingungen
angeregt werden. Durch eine aktive Regelung des Hilfsaggregats, die die Erzeugung
resonanter Eigenschwingungen möglichst unterdrückt oder minimiert, können daher die
störenden Vibrationen beim Starten oder Anhalten der Brennkraftmaschine vermieden
werden.
[0011] Gemäß einer speziellen Ausgestaltung des Verfahrens wird das Hilfsaggregat derart
geregelt, daß während des Startens oder Anhaltens der Brennkraftmaschine die Verweildauer
in kritischen Drehzahlbereichen, in denen resonante Eigenschwingungen der Brennkraftmaschine
angeregt werden, minimiert wird. Zur Umsetzung eines solchen Verfahrens muß daher
lediglich die Drehzahl der Brennkraftmaschine beobachtet und der zeitliche Ablauf
des Startens oder Anhaltens in Abhängigkeit hiervon variiert werden.
[0012] Die vorstehend genannten kritischen Drehzahlbereiche können z. B. im Rahmen von Testreihen
ermittelt werden. Vorzugsweise werden diese so festgelegt, daß sie der Schwingungs-Eigenfrequenz
der Brennkraftmaschine in ihrer Aufhängung entsprechen. Die Schwingungs-Eigenfrequenz
läßt sich durch Simulationen und/oder einfache Messungen für jeden Kraftfahrzeugtyp
und gegebenenfalls individuell für jedes einzelne Kraftfahrzeug leicht bestimmen,
ohne daß hierzu ein Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlich wäre. Aus den ermittelten
Eigenfrequenzen können dann unmittelbar die zugehörigen kritischen Drehzahlen abgelesen
werden, wobei die Drehzahl in Umdrehungen pro Sekunde der Eigenfrequenz in Schwingungen
pro Sekunde zahlenmäßig entspricht oder beide Größen ein ganzzahliges Vielfaches voneinander
darstellen. Die Werte für die kritischen Drehzahlbereiche können unmittelbar bei der
Implementation eines Regelungsalgorithmus verwendet werden. Weiterhin können diese
Werte gegebenenfalls individuell für jedes Kraftfahrzeug festgestellt und/oder während
des Betriebs eines Kraftfahrzeuges ständig neu ermittelt und adaptiert werden.
[0013] Beim Starten einer Brennkraftmaschine läßt sich die Verweildauer in kritischen Drehzahlbereichen
insbesondere dadurch verkürzen, daß dem Hilfsaggregat kurz vor dem und/oder bei Durchlaufen
der kritischen Drehzahlbereiche eine erhöhte Leistung zugeführt wird. Diese erhöhte
Leistung überträgt das Hilfsaggregat dann auf die Brennkraftmaschine, was deren Drehzahländerung
beschleunigt und damit das gewünschte schnelle Durchlaufen der kritischen Drehzahlen
bewirkt. Da die Leistungserhöhung nur vorübergehend ist, wird hierdurch die Energieversorgung
des Hilfsaggregats nicht überlastet.
[0014] Weiterhin kann zum Verkürzen der Verweildauer in kritischen Drehzahlbereichen während
des Anhaltens einer Brennkraftmaschine dem Hilfsaggregat kurz vor dem und/oder bei
Durchlaufen der kritischen Drehzahlbereiche eine erhöhte Leistung entnommen werden.
Die erhöhte Leistungsentnahme führt dann zu dem gewünschten schnelleren Durchlaufen
der kritischen Drehzahlen. Da die zusätzliche Leistungsentnahme nur verhältnismäßig
kurzzeitig erforderlich ist, kann die dabei anfallende Überschussenergie ohne Probleme
dissipiert werden.
[0015] Die Erfindung betrifft ferner ein Regelungssystem zur Regelung eines mit einer Brennkraftmaschine
gekoppelten Hilfsaggregats, wobei die Brennkraftmaschine an einer Karosserie angebracht
ist. Das Regelungssystem ist dahingehend ausgebildet, ein Verfahren der vorstehend
erläuterten Art auszuführen. D. h., daß gemäß dem Verfahren insbesondere das Hilfsaggregat
derart geregelt werden kann, daß eine Anregung von resonanten Eigenschwingungen der
Brennkraftmaschine gegenüber der Karosserie reduziert wird.
[0016] Vorzugsweise weist das Regelungssystem Signaleingänge für die Drehzahl und/oder die
Rotationsstellung der Brennkraftmaschine auf. Die Rotationsstellung der Brennkraftmaschine
wird dabei typischerweise in Grad des Kurbelwellenwinkels gemessen. Aus der Rotationsstellung
kann das Regelungssystem durch eine zeitliche Ableitung die Drehzahl der Brennkraftmaschine
oder eine korrespondierende Größe ermitteln. Die Kenntnis der Drehzahl erlaubt es,
das Hilfsaggregat so zu regeln, daß die Verweildauer in kritischen Drehzahlbereichen
minimiert wird. Hierzu kann das Regelungssystem insbesondere dahingehend ausgebildet
sein, während des Startens in kritischen Drehzahlbereichen dem Hilfsaggregat eine
erhöhte Leistung zuzuführen beziehungsweise während des Anhaltens in kritischen Drehzahlbereichen
dem Hilfsaggregat eine erhöhte Leistung zu entnehmen.
[0017] Bei dem Hilfsaggregat kann es sich grundsätzlich um jede separate Einrichtung handeln,
die Rotationsenergie mit der Brennkraftmaschine in einer oder in zwei Richtungen austauschen
kann. Insbesondere kann das Hilfsaggregat ein elektrischer Starter ("Anlasser"), ein
elektrischer Generator oder - besonders bevorzugt - ein integrierter Starter-Generator
sein, wobei Letzterer je nach Beschaltung elektrische Energie aufnimmt und daraus
mechanische Rotationsenergie erzeugt (Starter) oder umgekehrt mechanische Rotationsenergie
aufnimmt und daraus elektrische Energie erzeugt (Generator). Derartige Starter-Generatoren
werden insbesondere für einen verbrauchs- und emissionsarmen Stop-and-go-Betrieb einer
Brennkraftmaschine mit häufigen Anhalten und Neustarten eingesetzt.
[0018] Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figur beispielhaft näher erläutert.
[0019] Die einzige Figur zeigt die Komponenten eines Kraftfahrzeuges mit einem erfindungsgemäß
geregelten integrierten Starter-Generator.
[0020] In der Figur sind schematisch die Brennkraftmaschine 2 eines Kraftfahrzeuges sowie
ein mit der Welle der Brennkraftmaschine gekoppelter integrierter Starter-Generator
3 dargestellt. Die Brennkraftmaschine 2 und der integrierte Starter-Generator 3 sind
über angedeutete Aufhängungspunkte 1 beziehungsweise über einen Stützstab 4 an Karosseriestrukturen
5 gelagert. Die Brennkraftmaschine 2 und der hieran angekoppelte Antriebsstrang (Kupplung,
Getriebe, etc.) können in diesen Aufhängungen schwingen. Hierbei kann es zu resonanten
Eigenschwingungen kommen, bei denen die Brennkraftmaschine 2 mit ihrer horizontalen
und/oder vertikalen Eigenfrequenz gegenüber der Fahrzeugstruktur 5 schwingt. Derartige
resonanten Eigenschwingungen machen sich im Fahrzeug als störende Vibrationen bemerkbar.
[0021] Der Starter-Generator 3 kann je nach Betriebsart sowohl als Elektromotor als auch
als Generator eingesetzt werden. Integrierte Starter-Generatoren finden insbesondere
in modernen Kraftfahrzeugen Einsatz, um die Brennkraftmaschine in einem Stop-and-go-Betrieb
abzustellen, wenn keine mechanische Leistung benötigt wird, und sie anschließend bei
Bedarf möglichst verzögerungslos wieder zu starten. Die Akzeptanz dieses aus Gründen
der Kraftstoffersparnis und der Abgasreduktion wünschenswerten Stop-and-go-Betriebs
durch den Benutzer hängt jedoch nicht zuletzt davon ab, ob die beim Starten und Anhalten
der Brennkraftmaschine üblicherweise auftretenden störenden Vibrationen des Kraftfahrzeuges
vermieden werden können. Letzteres wird mit dem nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen
Regelungssystem 6 erreicht. Besonders wichtig ist dabei die Verminderung der Anregung
von Eigenschwingungen bei Aufhängungen, die den Antriebsstrang in vertikaler Richtung
unterstützen.
[0022] Die Figur zeigt diesbezüglich zunächst eine mit dem integrierten Starter-Generator
3 gekoppelte Ansteuerung 7, welche die dem Starter-Generator 3 zugeführte oder entnommene
elektrische Leistung kontrolliert. Das Regelungssystem 6, welches beispielsweise in
einem Mikrocontroller oder innerhalb der üblichen Motorsteuerung als Programm realisiert
sein kann, ist ausgangsseitig mit der Ansteuerung 7 gekoppelt, wobei das System der
Ansteuerung 7 Kommandos u senden kann, welche die mit dem Starter-Generator 3 auszutauschende
elektrische Leistung vorschreiben.
[0023] Die Regelung 6 erhält ferner eingangsseitig von bekannten Motorsensoren Signale,
welche die Motordrehzahl n und/oder den absoluten Kurbelwellenwinkel α repräsentieren.
Mit Hilfe dieser Eingangssignale kann die Regelung 6 feststellen, ob sich die Brennkraftmaschine
2 während eines Startvorganges oder während des Anhaltens in einem kritischen Drehzahlbereich
befindet, in dem die Drehzahl mit mindestens einer vertikalen oder horizontalen Eigenfrequenz
der Brennkraftmaschine und des Antriebsstranges im Wesentlichen übereinstimmt. In
diesen Drehzahlbereichen kommt es zur Anregung resonanter Eigenschwingungen der Bren
n-kraftmaschine und damit zu den unerwünschten Vibrationen im Kraftfahrzeug.
[0024] Zur Minimierung derartiger Vibrationen ist die Regelung 6 dahingehend ausgebildet,
die Verweildauer der Brennkraftmaschine in den kritischen Drehzahlbereichen zu minimieren.
Die Regelung 6 steuert die Ansteuerung 7 dabei so an, daß während des Anlassens oder
Anhaltens der Brennkraftmaschine die Beschleunigung beziehungsweise Verzögerung vor
der Phase erhöht wird, in welcher die Motordrehzahl mit den Resonanzfrequenzen der
Motoraufhängung übereinstimmt. Hierdurch reduziert sich die dem Antriebsstrang zum
Aufbau von Vibrationsenergie in den Resonanzfrequenzen zur Verfügung stehende Zeit
und damit die Übertragung von Vibrationsenergie auf die Fahrzeugkarosserie. Auf diese
Weise kann der Komfort der Fahrzeuginsassen während des Anlassens oder Abschaltens
erhöht und damit die Akzeptanz des Stop-and-go-Betriebs verbessert werden.
1. Verfahren zur Regelung eines Hilfsaggregats in Form eines elektrischen Starters oder
integrierten Starter-Generators (3) während des Startens einer Brennkraftmaschine
(2), die an einer Karosserie (5) angebracht und mit dem Hilfsaggregat gekoppelt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Ermitteln einer Schwingungs-Eigenfrequenz der Brennkraftmaschine (2) in ihrer Aufhängung
(1);
Festlegen eines kritischen Drehzahlbereichs, in welchem die Drehzahl der ermittelten
Schwingungs-Eigenfrequenz oder einem ganzzahligen Vielfachen dieser Schwingungs-Eigenfrequenz
zahlenmäßig entspricht;
Feststellen, durch Ermitteln der Drehzahl (n) und/oder der Rotationsstellung (α) der
Brennkraftmaschine (2) mittels Motorsensoren, ob die Brennkraftmaschine (2) während
eines Startvorganges den kritischen Drehzahlbereich durchläuft; und
Vorübergehendes Zuführen von erhöhter Leistung zu dem Hilfsaggregat vor und/oder bei
Durchlaufen des kritischen Drehzahlbereichs.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Hilfsaggregat (3) vor und/oder bei Durchlaufen des kritischen Drehzahlbereichs
während des Anhaltens der Brennkraftmaschine (2) eine erhöhte Leistung entnommen wird.
3. Regelungssystem zur Regelung eines mit einer Brennkraftmaschine (2) gekoppelten Hilfsaggregats
in Form eines elektrischen Starters oder integrierten Starter-Generators (3), wobei
die Brennkraftmaschine an einer Karosserie (5) aufgehängt ist und das Regelungssystem
Signaleingänge für die Drehzahl (n) und/oder die Rotationsstellung (α) der Brennkraftmaschine
(2) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Regelungssystem (6) dahingehend ausgebildet ist, ein Verfahren nach Anspruch 1
oder 2 auszuführen.
1. Method for controlling an auxiliary unit in the form of an electric starter or integrated
starter/generator (3) during starting of an internal combustion engine (2) which is
mounted on a vehicle body (5) and is coupled to the auxiliary unit,
characterized in that
the method comprises the following steps:
determining a natural vibration frequency of the internal combustion engine (2) in
its suspension (1);
defining a critical rotation speed range in which the rotation speed numerically corresponds
to the determined natural vibration frequency or an integer multiple of this natural
vibration frequency;
establishing, by determining the rotation speed (n) and/or the rotation position (α)
of the internal combustion engine (2) by means of motor sensors, whether the internal
combustion engine (2) passes through the critical rotation speed range during a starting
process; and
temporarily supplying increased power to the auxiliary unit before and/or as the said
internal combustion engine passes through the critical rotation speed range.
2. Method according to Claim 1,
characterized in that
an increased power is drawn from the auxiliary unit (3) before and/or as the said
internal combustion engine passes through the critical rotation speed range when the
internal combustion engine (2) is at a stop.
3. Control system for controlling an auxiliary unit, which is coupled to an internal
combustion engine (2) and is in the form of an electric starter or an integrated starter/generator
(3), with the internal combustion engine being suspended from a vehicle body (5),
and the control system having signal inputs for the rotation speed (n) and/or the
rotation position (α) of the internal combustion engine (2),
characterized in that
the control system (6) is designed to execute a method according to Claim 1 or 2.
1. Procédé de commande d'un auxiliaire en forme de démarreur ou de démarreur-générateur
intégré (3) pendant le démarrage d'un moteur à combustion interne (2), qui est monté
sur une carrosserie (5) et qui est accouplé à l'auxiliaire,
caractérisé en ce que
le procédé présente les étapes suivantes :
détection d'une fréquence d'oscillation propre du moteur à combustion interne (2)
dans sa suspension (1) ;
établissement d'une plage de régime critique dans laquelle le régime correspond numériquement
à la fréquence d'oscillation propre détectée ou à un multiple entier de cette fréquence
d'oscillation propre ;
établissement, par détection du ou des régimes et/ou de la position de rotation (α)
du moteur à combustion interne (2) au moyen de capteurs de moteur, si le moteur à
combustion interne (2) passe la plage de régime critique pendant une opération de
démarrage ; et
apport temporaire d'une puissance accrue à l'auxiliaire avant et/ou lors du passage
de la plage de régime critique.
2. Procédé selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
l'on prélève une puissance accrue de l'auxiliaire (3) avant et/ou lors du passage
par la plage de régime critique pendant l'arrêt du moteur à combustion interne (2).
3. Système de commande pour la commande d'un auxiliaire accouplé à un moteur à combustion
interne (2) en forme de démarreur électrique ou de démarreur-générateur intégré (3),
le moteur à combustion interne étant suspendu à une carrosserie (5) et le système
de commande présentant des entrées de signaux pour le régime (n) et/ou la position
de rotation (α) du moteur à combustion interne (2),
caractérisé en ce que
le système de commande (6) est réalisé de manière à mettre en oeuvre un procédé selon
la revendication 1 ou 2.