Verfahren zur Regelung eines Hilfsaggregates während des Startens oder Anhaltens einer Brennkraftmaschine

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Regelungssystem (6) für ein Hilfsaggregat, insbesondere einen integrierten Starter-Generator (3), der an eine Brennkraftmaschine (2) gekoppelt ist. Zum Erreichen eines kraftstoffsparenden und emissionsarmen Betriebes des Kraftfahrzeuges wird die Brennkraftmaschine (2) durch den Starter-Generator (3) während Leerlaufphasen angehalten und anschließend erneut gestartet. Um dabei auftretende störende Vibrationen des Kraftfahrzeuges zu minimieren, wird der Starter-Generator (3) durch das Regelungssystem (6) derart betrieben, daß die Verweildauer in kritischen Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine (2) durch eine transiente Leistungserhöhung minimiert wird.

Beschreibung

[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] 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.

[0005] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Regelungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.

[0006] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figur beispielhaft näher erläutert.

[0017] Die einzige Figur zeigt die Komponenten eines Kraftfahrzeuges mit einem erfindungsgemäß geregelten integrierten Starter-Generator.

[0018] 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.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] 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.

[0022] 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.

Ansprüche

1. Verfahren zur Regelung eines Hilfsaggregats (3) während des Startens oder Anhaltens einer Brennkraftmaschine (2), die an einer Karosserie (5) angebracht und mit dem Hilfsaggregat gekoppelt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
   das Hilfsaggregat (3) derart geregelt wird, daß die Anregung von resonanten Eigenschwingungen der Brennkraftmaschine (2) gegenüber der Karosserie (5) reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
   das Hilfsaggregat (3) derart geregelt wird, daß die Verweildauer in kritischen Drehzahlbereichen, in denen resonante Eigenschwingungen der Brennkraftmaschine (2) angeregt werden, minimiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
   die kritischen Drehzahlbereiche der Schwingungs-Eigenfrequenz der Brennkraftmaschine (2) in ihrer Aufhängung (1) entsprechen.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
   dem Hilfsaggregat (3) vor dem und/oder bei dem Durchlaufen kritischer Drehzahlbereiche während des Startens eine erhöhte Leistung zugeführt wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
   dem Hilfsaggregat (3) vor dem und/oder bei dem Durchlaufen kritischer Drehzahlbereiche während des Anhaltens der Brennkraftmaschine (2) eine erhöhte Leistung entnommen wird.

6. Regelungssystem zur Regelung eines mit einer Brennkraftmaschine (2) gekoppelten Hilfsaggregats (3), wobei die Brennkraftmaschine an einer Karosserie (5) aufgehängt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
   das Regelungssystem (6) dahingehend ausgebildet ist, ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.

7. Regelungssystem nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
   dieses Signaleingänge für die Drehzahl (n) und/oder die Rotationsstellung (α) der Brennkraftmaschine (2) aufweist.

8. Regelungssystem nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
   das Hilfsaggregat als elektrischer Starter, elektrischer Generator oder integrierter Starter-Generator (3) ausgebildet ist.

Zeichnung