Stand der Technik
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren einer Steuerung und eine Steuerung für
einen Start-Stopp-Betrieb einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug zum kurzfristigen
Stoppen und Starten der Brennkraftmaschine, die von einer elektrischen Maschine als
Starter gestartet wird, wobei von einer Detektionseinrichtung die Position und die
Drehzahl einer Kurbelwelle während des Betriebs und nach Ausschalten der Brennkraftmaschine,
insbesondere bei einem kurzfristigen Stopp, erfasst wird. Die Erfindung bezieht sich
ferner auf ein Computerprogrammprodukt und eine Steuerung mit einem Mikrocomputer
mit einem Programmspeicher.
[0002] Es ist bekannt, zur Einsparung von Kraftstoff und Emissionen die Brennkraftmaschine
in einem Fahrzeug durch eine Motorsteuerung beispielsweise an Ampeln oder an anderen
Verkehrshindernissen, die zu einem kurzfristigen Stopp zwingen, nach bestimmten Abschaltbedingungen,
insbesondere nach einem bestimmten Zeitablauf, auszuschalten. Gewöhnlicher Weise wird
die Brennkraftmaschine mittels eines Starters, der ein Starterritzel aufweist, das
in einen Zahnkranz einer Brennkraftmaschine eingespurt wird, gestartet. Für eine solche
Konstruktion der Brennkraftmaschine, die mit Hilfe eines Starterritzels gestartet
wird, gibt es für einen Wiederstart Mindestzeiten, die abgewartet werden müssen, bis
die Brennkraftmaschine wieder gestartet werden kann.
[0003] Es gibt Entwicklungen das Starterritzel bereits während des Auslaufens der Brennkraftmaschine
in den Zahnkranz einzuspuren und die Startzeit zu verkürzen. Dazu ist folgender Stand
der Technik bekannt.
[0004] Aus der
DE 10 2006 011 644 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung mit einem Starterritzel
und einem Zahnkranz einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei die Drehzahl des Zahnkranzes
und des Starterritzels ermittelt werden, um das Starterritzel nach dem Ausschalten
der Brennkraftmaschine mit im Wesentlichen gleicher Drehzahl beim Auslaufen der Brennkraftmaschine
einzuspuren. Um die synchronen Einspurdrehzahlen zu ermitteln, werden Werte aus einem
Kennfeld eines Steuergeräts zugeordnet.
[0005] Die
DE 10 2006 039 112 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Drehzahl des Starters für einen Kfz-Verbrennungsmotor.
Es wird ferner beschrieben, dass der Starter ein eigenes Starter-Steuergerät umfasst
um die Drehzahl des Starters zu berechnen und um in einem Start-Stopp-Betrieb das
Ritzel vom Starter zuerst ohne Einspuren zu beschleunigen, wenn ein Selbststart des
Verbrennungsmotors aufgrund gesunkener Drehzahl nicht mehr möglich ist. Das Ritzel
wird mit synchroner Drehzahl in den Zahnkranz des auslaufenden Verbrennungsmotors
eingerückt.
[0006] Die
DE 10 2005 004 326 beschreibt eine Startvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem separaten
Einrück- und Startvorgang. Hierfür hat die Startvorrichtung eine Steuereinheit, die
einen Startermotor und ein Stellglied zum Einrücken eines Starterritzels separat ansteuert.
Von der Steuereinheit kann das Ritzel vor einem Startvorgang des Fahrzeugs in den
Zahnkranz eingespurt werden, bevor der Fahrer einen neuen Startwunsch geäußert hat.
Dabei wird das Stellglied als Einrückrelais bereits während einer Auslaufphase des
Verbrennungsmotors angesteuert. Die Drehzahlschwelle liegt hierbei weit unter der
Leerlaufdrehzahl des Motors, um den Verschleiß der Einspurvorrichtung möglichst gering
zu halten. Um Spannungseinbrüche im Brodnetz durch einen sehr hohen Anlaufstrom vom
Startermotor zu vermeiden, wird durch die Steuerung ein sanfter Anlauf, beispielsweise
durch eine Taktung des Starterstroms, erreicht. Die Leistungsfähigkeit des Bordnetzes
wird durch Analyse des Batteriezustands überwacht und entsprechend wird der Startermotor
getaktet bzw. mit Strom versorgt. Ferner beschreibt die Erfindung, dass die Kurbelwelle
kurz vor oder nach Erreichen des Stillstands vom Verbrennungsmotor positioniert werden
kann, um die Startzeit zu verkürzen.
[0007] Die
DE 10 2005 021 227 A1 beschreibt eine Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine in Kraftfahrzeugen mit
einer Steuereinheit, einem Starterrelais, einem Starterritzel und einem Startermotor
für eine Start-Stopp-Betriebsstrategie.
[0008] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt
und eine Start-Stopp-Steuerung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, um
einen Fahrzeugkomfort zu verbessern, in dem ein Wiederstart der Brennkraftmaschine
deutlich schneller ausführbar ist.
Offenbarung der Erfindung
[0009] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1, 9 und
10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
[0010] Ein der Erfindung zugrunde liegender Gedanke ist, dass der Geschwindigkeitsverlauf
einer Kurbelwelle beim Ausschalten der Brennkraftmaschine extrem inhomogen ist und
deshalb eine grobe Mittelwertbildung zu einem groben Bremsverzögerungswert führt,
der für ein Einspuren eines Starterritzels eines Starters in einen Zahnkranz einer
Brennkraftmaschine wegen eines großen Toleranzbandes unvorteilhaft ist. Deshalb wird
gemäß einem Gedanken der Erfindung der Drehzahlverlauf einer sinkenden Drehzahl der
Kurbelwelle jeweils aktuell, individuell und spezifisch berechnet.
[0011] Die Aufgabe wird mit einem Verfahren dadurch gelöst, dass der Verlauf der Drehzahlkurbelwelle
nach Ausschalten der Brennkraftmaschine im Voraus aktiv und neu berechnet wird. Somit
ist eine hochpräzise Aussage über die Umlaufgeschwindigkeit eines Zahnkranzes im Voraus
berechenbar, da aktuelle Umgebungsbedingungen, wie Temperatur und aktuelle Reib- und
Bremsmomente in das Messergebnis und die Berechnung einfließen. Unter aktiv ist also
eine aktuelle Berechnung aus neuen Messwerten, ohne Nachschlagen und Ableiten von
Prognosewerten aus vorher niedergelegten Kennlinien zu verstehen.
[0012] Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform wird die Winkelgeschwindigkeit
der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine an charakteristischen, insbesondere wiederkehrenden,
Positionen der Kurbelwelle während des Auslaufs der Brennkraftmaschine erfasst und
berechnet. Dies hat den Vorteil, dass die zu messenden und analysierenden Datenmengen,
im Vergleich zu einer Analyse des gesamten inhomogenen Geschwindigkeitsverlaufs mit
grober Mittelwertbildung, sehr gering sind. Gleichzeitig werden vorteilhaft die äußeren
Bedingungen, die die Winkelgeschwindigkeit bzw. den Winkelgeschwindigkeitsgradienten
beeinflussen, zum Beispiel die Motortemperatur, die Motorölqualität, das Alter des
Motors, innere Reibmomente und zusätzliche Bremsmomente durch Zusatzaggregate usw.
aktuell erfasst. Damit kann eine sehr spezifische und wesentlich genauere Prognose
für den Verlauf der Drehzahl von der Kurbelwelle erreicht werden, als herkömmlich
bekannt ist. Bisher ist bekannt, Werte aus Kennlinien, die mit einer groben Mittelwertbildung
in der Steuerung beispielsweise niedergelegt sind, abzufragen.
[0013] Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform wird die Winkelgeschwindigkeit
der Kurbelwelle in zündbaren oberen Totpunkten erfasst und berechnet. Die Gegebenheit,
dass die zündbaren oberen Totpunkte einer Brennkraftmaschine charakteristische Drehzahlläufe
wiedergeben, an denen die Winkelgeschwindigkeit kurzzeitig etwas langsamer ist als
in den anderen Positionen, wird sich vorteilhaft gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
zu eigen gemacht. Somit können die oberen Totpunkte (ZOT) verlässliche Daten liefern,
um einen Geschwindigkeitsverlauf mit einer geringen Datenmenge aktuell zu bestimmen
und eine Prognose über die zukünftige Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle zu machen.
[0014] Vorzugsweise wird aus mindestens zwei Werten der Winkelgeschwindigkeit von zündbaren
oberen Totpunkten (ZOT) mindestens ein dritter Wert für einen folgenden, zukünftigen
zündbaren oberen Totpunkt (ZOT 3) berechnet. Somit kann ein Winkelgeschwindigkeitsgradient
aus wenigen Werten ermittelt werden, um im Voraus den nächsten charakteristischen
Wert zu berechnen.
[0015] Um den Einfluss von mehreren Zylindern bei einer Brennkraftmaschine mit einfließen
zu lassen, wird ein, insbesondere gemittelter, Korrekturfaktor aus Energieverlusten
einer Dekompressionsphase von einem ersten Zylinder und einer Kompressionsphase von
einem zweiten Zylinder von der Brennkraftmaschine als Zündfolgepaarung zur Berechnung
der Winkelgeschwindigkeit in zukünftigen oberen Totpunkte berechnet und berücksichtigt.
Somit kann der Verlauf der Drehzahl abhängig von der Anzahl der Zylinder in der Brennkraftmaschine
als auch individuelle Zündfolgepaare in eine Voraussage der Drehzahl von der Kurbelwelle
in den nächsten Millisekunden berücksichtigt werden. Die Reihenfolge der Zündfolgepaarungen
ist grundsätzlich von der Konstruktion der Brennkraftmaschine vorgegeben. Somit können
wiederholende Zündfolgepaarungen in die Berechnung für zukünftige obere Totpunkte
sehr genau berücksichtigt werden.
[0016] Erfindungsgemäß wird der Drehzahlverlauf bei einer hohen Geschwindigkeit mit einer
Abtastrate durch eine Sensoreinrichtung an der Brennkraftmaschine erfasst, und die
ermittelten Werte werden zur Prognose von niedrigen Drehzahlen kurz vor dem Stillstand
ausgewertet. Dadurch kann kostengünstig eine herkömmliche Sensoreinrichtung an der
Kurbelwelle von der Brennkraftmaschine eingesetzt werden, deren Abtastrate typischerweise
auf 50 bis 100 Signale pro Umdrehung begrenzt ist. Um mit der bereits im Fahrzeug
vorhandenen Abtastrate bei langsamen Geschwindigkeiten im Millisekundenbereich fiktive
Stützpunkte neben wenigen real erfassbaren zu erzeugen, aus denen die Position und
die Drehzahl der Kurbelwelle ermittelt wird, wird von Messwerten aus einem hohen Geschwindigkeitsbereich
auf Werte in einem niedrigen Geschwindigkeitsbereich geschlossen. Somit kann eine
zukünftige Winkelgeschwindigkeit abgeleitet werden.
[0017] Gemäß einem weiter bevorzugten Verfahren wird die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle
im Voraus berechnet, daraus eine synchrone Drehzahl für einen hochlaufenden Starter
bestimmt und danach ein Starterritzel vom Starter in einen mit sinkender Drehzahl
auslaufenden Zahnkranz der Brennkraftmaschine bei im Wesentlichen synchroner Drehzahl
eingespurt. Unter synchronem Einspuren sind die Drehzahl und der Zeitpunkt zu verstehen,
wenn die Drehzahl des Starterritzels und die Drehzahl des Zahnkranzes der Brennkraftmaschine
im Wesentlichen übereinstimmt, d. h. das Fenster einer Drehzahldifferenz von Starterritzel
und Zahnkranz hinreichend klein ist. Durch die individuelle Vorausberechnung der Winkelgeschwindigkeit
kann ein individueller Einspurzeitpunkt bestimmt werden. Die Drehzahl des Starterritzels
wird durch Ansteuerung von einer Steuerung, die für einen Start-Stopp-Betrieb ausgebildet
ist, auf die im Voraus errechnete Drehzahl der Brennkraftmaschine zu einem bestimmten
Einspurzeitpunkt gebracht. Somit wird eine sehr genaue synchrone Drehzahl von Starterritzel
und Brennkraftmaschine erreicht. Der Verschleiß sinkt somit und die Geräuschentwicklung
ist reduziert. Die Verfügbarkeit eines Wiederstarts der Brennkraftmaschine ist ab
dem Einspurzeitpunkt gegeben.
[0018] Gemäß einem weiter bevorzugten Verfahren wird die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle
mit im Zahnkranz eingespurten Starterritzel im Voraus berechnet und der Starter in
Abhängigkeit einer im Voraus berechneten voraussichtlichen Position eines Stillstands
von der Kurbelwelle kurzzeitig dosiert bestromt, um ein Rückpendeln der Kurbelwelle
zu vermeiden und/oder die Kurbelwelle in eine günstige motortypspezifische Vorzugslage,
insbesondere mit einem Winkel größer 60°, und besonders bevorzugt ca. 80° bis 100°,
ganz besonders bevorzugt von ca. 90°, vor dem nächsten oberen zündbaren Totpunkt zu
bewegen. Die Winkelwerte sind nur beispielhaft und hier exemplarisch für z.B. einen
6 Zylindermotor angegeben. Somit kann das oben beschriebene Verfahren ein zweites
Mal für einen Start-Stopp-Betrieb eingesetzt werden, um die Kurbelwelle in einen solchen
optimalen Winkel in der Brennkraftmaschine zu bringen, in dem die Brennkraftmaschine
schnell gestartet werden kann.
[0019] Die Aufgabe wird auch durch ein Computerprogrammprodukt gelöst, das mit Programmbefehlen
in einen Programmspeicher ladbar ist, um alle Schritte des oben beschriebenen Verfahrens
auszuführen, wenn das Programm in einer Steuerung ausgeführt wird.
[0020] Das Computerprogrammprodukt erfordert keine zusätzlichen Bauteile im Fahrzeug, sondern
lässt sich als Modul in bereits vorhandenen Steuerungen im Fahrzeug implementieren.
Das Computerprogrammprodukt kann beispielsweise in der Motorsteuerung, einer separaten
eigenen Steuerung oder einer Startersteuerung vorgesehen sein. Das Computerprogrammprodukt
hat den weiteren Vorteil, dass es leicht an individuelle und bestimmte Kundenwünsche
anpassbar ist, sowie eine Verbesserung der Betriebsstrategie durch verbesserte empirische
Werte ermöglicht bzw. individuell vorgesehene Werte des Fahrzeugs leicht einsetzbar
sind.
[0021] Die Aufgabe wird auch mit einer Steuerung dadurch gelöst, dass der Mikrocomputer
in der Steuerung als Erfassungs-, Auswerte- und Steuereinrichtung ausgebildet ist,
wobei in den Programmspeicher ein oben beschriebenes Computerprogrammprodukt ladbar
ist, um ein oben beschriebenes Verfahren auszuführen. Die Steuerung für einen Start-Stopp-Betrieb
kann entweder in einer Motorsteuerung oder in einer separaten Steuerung beispielsweise
in einer Startersteuerung zur Ansteuerung eines Starters oder getrennt von anderen
Steuerungen ausgebildet sein. Die Steuerung steht zumindest mit der Motorsteuerung
über ein Bussystem in Informationskontakt.
[0022] Um die Informationswege möglichst kurz zu halten und somit einen geringen zeitlichen
Verlust zu erreichen, ist die Steuerung beispielsweise in der Motorsteuerung ausgebildet.
Um einen zeitlichen Verlust ebenso auf ein Minimum zu reduzieren und somit eine schnelle
Ansteuerung des Starters sowie zum Einspuren des Starterritzels zu erzielen, ist die
Steuerung alternativ vorteilhafterweise in der Startersteuerung untergebracht. Beide
Alternativen haben den Vorteil, dass wesentliche Teile der Hardware, die beispielsweise
für andere Funktionen vorhanden sind zur Ausführung des Verfahrens eingesetzt werden
können.
[0023] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden
Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen verwendbar sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0024] Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- einen schematischen Schaltplan von Antriebskomponenten zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
- Fig. 2
- ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- Fig. 3
- ein Zeit-Drehzahl-Diagramm beim Ende des Auslaufens einer Brennkraftmaschine und
- Fig. 4
- ein Zeit-Drehzahl-Diagramm über einen größeren Zeitabschnitt.
Ausführungsformen der Erfindung
[0025] Die Fig. 1 zeigt einen vereinfachten Schaltplan von Antriebskomponenten, zur Durchführung
einer Start-Stopp-Betriebsstrategie. Eine Brennkraftmaschine 1 ist mit mehreren Zylindern
11, 12, 13, 14 ausgebildet. Kolben in den Zylindern 11 bis 14 treiben eine Kurbelwelle
2 an. Zur richtigen Ansteuerung der Brennkraftmaschine 1 und der Detektion der Stellung
von den Kolben in den Zylindern 11 bis 14 ist an der Kurbelwelle 2 ein Zahnrad 3 montiert,
das typischerweise 50 bis 100 Zähne und Lücken aufweist. An einer Stelle am Zahnrad
3 ist eine größere Lücke als Synchronmarke ausgebildet. Die Synchronmarke und die
Zahn-Lücken-Abfolge detektiert ein Sensor 4 und übermittelt diese erfassten Werte
an die Motorsteuerung 5.
[0026] Um die Brennkraftmaschine 1 zu starten, ist an der Kurbelwelle 2 an dem dem Zahnrad
3 gegenüberliegenden Ende ein Zahnkranz 6 montiert. Der Zahnkranz 6 wird von einer
Startvorrichtung 7 beim Starten der Brennkraftmaschine 1 angedreht. Die Startvorrichtung
7 umfasst einen Starter 8 auf dessen Achse ein Starterritzel 9 axial verschiebbar
gelagert ist. Das Starterritzel 9 ist mittels eines Starterrelais 10 in den Zahnkranz
6 ein- und ausrückbar. Um einen Start-Stopp-Betrieb ausführen zu können, weist die
Startvorrichtung 7 eine Startersteuerung 15 auf. Die Startersteuerung 15 hat einen
Mikrocomputer 16 mit einem Programmspeicher 17. Mittels der Startersteuerung 15 lässt
sich das Starterrelais 10 und der Starter 8 separat gezielt ansteuern. Der Mikrocomputer
16 hat ferner einen Zeitgeber 18. Der Mikrocomputer 16 steht mit der Motorsteuerung
5 über ein Bussystem, beispielsweise über einen CAN-Bus 19, in Informationskontakt.
Die Motorsteuerung 5 ist zum Informationsaustausch mit Aktoren und Sensoren von der
Brennkraftmaschine 1 verbunden. Der Sensor 4 steht über ein Bussystem 20 in Informationskontakt
mit der Motorsteuerung 5, um die Aktoren anhand von Werten von Sensoren anzusteuern.
[0027] Der Mikrocomputer 16 führt das zur Fig. 2 beschriebene Verfahren aus, in dem er die
Kurbelwellenposition und die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle 2 von der Motorsteuerung
5 übermittelt bekommt.
[0028] Die Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm eines besonders bevorzugten Verfahrens. Im Schritt
S1 ist die Brennkraftmaschine 1 gestartet, nachdem vorher die Kurbelwellenposition
und die Drehzahl der Kurbelwelle 2 gemessen wurden und an die Motorsteuerung 5 übermittelt
worden sind. Die Drehzahl n der Kurbelwelle 2 und die Position der Kurbelwelle 2 wird
laufend von einer Sensoreinrichtung, die das Zahnrad 3 und den Sensor 4 umfasst, gemessen.
Zur Überprüfung und Korrektur werden diese Informationen an die Motorsteuerung 5 übermittelt.
[0029] Im Schritt S3 erhält die Motorsteuerung 5 ein Ausschaltsignal für einen kurzfristigen
Stopp der Brennkraftmaschine 1 aufgrund von Abschaltbedingungen, die entweder über
das gleiche Bussystem, einen CAN-Bus 19, oder über ein separates Bussystem übermittelt
werden. Die Abschaltbedingungen ergeben sich beispielsweise aus der Geschwindigkeit
des Fahrzeugs und/oder einer Pedalstellung und/oder Gangwahl des Fahrzeugs.
[0030] Es wird von der Motorsteuerung 5 oder einer anderen Steuerung, die für einen Start-Stopp-Betrieb
vorgesehen ist, eine Betriebsstrategie ausgewählt, nach der die Brennkraftmaschine
1 und die Startvorrichtung 7 definiert gesteuert werden, um möglichst schnell eine
Verfügbarkeit der Brennkraftmaschine 1 bei einem sich ändernden Betriebswunsch des
Fahrers bereitstellen zu können.
[0031] Im Regelfall wird die Brennkraftmaschine nach Erhalt eines Stopp-Signals aufgrund
einer Start-Stopp-Betriebsstrategie ausgeschaltet.
[0032] Die Brennkraftmaschine 1 kommt nach Ausschalten, beispielsweise einem Stopp der Kraftstoffzufuhr,
nicht sofort zum Stehen, sondern läuft in einer charakteristischen Weise aus. In zündbaren
oberen Totpunkten ZOT in den einzelnen Zylindern 11 bis 14, an die sich ein Arbeitstakt
anschließt, stellt sich eine Winkelgeschwindigkeit ein, die die kinetische Energie
des Gesamtsystems zu diesem Zeitpunkt charakterisiert.
[0033] Erfindungsgemäß wird in einem Schritt S4 die Winkelgeschwindigkeit in diesen oberen
Totpunkten ZOT gemessen und die kinetische Energie errechnet. Gemäß einem Gedanken
der Erfindung ist aus der Winkelgeschwindigkeit im Vergleich zu den Winkelgeschwindigkeiten,
die sich in einem Zyklus oder mehren Zyklen früher eingestellt haben, eine Aussage
über die in den nächsten Zyklen zu erwartende Winkelgeschwindigkeiten machbar.
[0034] Die Vorhersage der Geschwindigkeit und des Zeitpunkts für den nächsten ZOT erfolgt
nach folgendem Verfahren:
[0035] Die Winkelgeschwindigkeit ω
n wird im Bereich von vorbestimmten, charakteristischen Positionen der Kurbelwelle
2 bestimmt, die den zündbaren oberen Totpunkten (ZOTs) entsprechen. "n" steht für
den n-ten ZOT-Punkt. Aus zwei ermittelten Werten während des Auslaufs wird der Winkelgeschwindigkeitsgradient
bestimmt und somit wird der nächste und auch der für die darauf folgenden ZOTs bestimmt.
Dadurch ist eine sehr genaue und sehr präzise Vorhersage machbar, zu welchem Zeitpunkt
im Millisekundenbereich und mit welcher Geschwindigkeit die nächsten ZOTs durchlaufen
werden.
[0036] Das während des Motorauslaufs entgegen der Rotationsrichtung wirkende Bremsmoment
M
Brems wird in erster Näherung als konstant angesehen. Das Bremsmoment setzt sich hierbei
unter anderem aus inneren Reibmomenten, Wärmeverlusten, Strömungsverlusten und Verlusten
aufgrund von mitlaufenden Zusatzaggregaten zusammen.
[0037] Es stellt sich somit eine konstante Winkelbeschleunigung α
Brems ein. Die Steigung zeigen Fig. 3 und 4 durch einen linearen Abfall der Drehzahl n
von der Brennkraftmaschine über die Zeit. Es wird also angenommen, dass ω(t)= α
Brems*t + ω
0 mit α
Brems= const. ist.
[0038] Für den n-ten ZOT gilt dann:

[0039] Durch Quadrieren von ω
n kann ein Wert erzeugt werden, der proportional zu der kinetischen Energie zu diesem
Zeitpunkt ist. Die Proportionalitätskonstante K entspricht im Wesentlichen dem halben
Trägheitsmoment J des Gesamtsystems.

[0040] Für die Abnahme der kinetischen Energie von ZOT zu ZOT gilt dann:

da M
Brems= const. und ϕ
ZOT zu ZOT= const. ϕ
ZOT zu ZOT ist abhängig von Zylinderanzahl) ist.

mit Energieäquivalent E
Brems ZOT zu
ZOT= K*ω
Brems ZOT zu ZOT2
also gilt: ω
n2= ω
n-12- ω
Brems ZOT zu ZOT2
[0041] Über diese Beziehung kann zunächst bei zwei ZOT Durchgängen

und

bestimmt werden.
[0042] Als Vorhersage für die Geschwindigkeiten in den nächsten ZOTs gilt exemplarisch:

[0043] Als Vorhersage des Zeitpunkts der nächsten ZOTs gilt exemplarisch:

[0044] Die Fig. 4 zeigt die typische Lage der ZOT-Werte in einem Zeit-Winkelgeschwindigkeits-
bzw. Drehzahl-Diagramm für eine Brennkraftmaschine mit 6-Zylindern.
[0045] Gemäß dem oben beschriebenen Verfahren ist bisher von einem konstanten Geschwindigkeitsgradienten
während des Auslaufs der Brennkraftmaschine ausgegangen worden. Bei Brennkraftmaschinen
mit mehreren Zylindern ergeben sich Abweichungen, die sehr unterschiedliche Ursachen
haben können. Mögliche Faktoren sind zum einen die, dass sich ein Zylinder von einem
anderen in einem unterschiedlichen Kompressions-/Dekompressions-verhalten und/oder
unterschiedlichen Wärme- und Strömungsverlusten während der Kompression/Dekompression
usw. unterscheidet.
[0046] Deshalb wird in Schritt S5 zusätzlich ein Korrekturfaktor aufgrund von mehreren Zylindern
in der Brennkraftmaschine berechnet und daraus die nächsten ZOTs bestimmt.
[0047] Die Fig. 4 zeigt die Winkelgeschwindigkeiten ohne einen Korrekturfaktor von Zylinder
zu Zylinder Abweichungen für einen dargestellten 6-Zylinder-Motor mit einer dünnen
gezeichneten Geraden N. Der Korrekturfaktor umfasst eine zylinderspezifische Abweichung,
die mit der dicker gezeichneten Kennlinie N
k berücksichtigt ist, in dem die Werte für ZOT2 und ZOT4 etwas oberhalb und die Werte
für ZOT 3 jeweils unterhalb der dünneren Geraden N dargestellt sind.
[0048] Die von Zylinder zu Zylinder auftretenden unterschiedlichen Energieverluste führen
dazu, dass sich der Energieinhalt von Zylinder zu Zylinder unterscheidet, der während
der Kompressionsphase in der komprimierten Luftsäule gespeichert und dann wieder während
der Dekompressionsphase als kinetische Energie abgegeben wird. Abhängig von dem momentan
in der Kompression befindlichen Zylinder wird ein zusätzlicher zündfolgespezifischer
Korrekturfaktor eingeführt. Dieser berücksichtigt die oben beschriebenen Abweichungen
von Zylinder zu Zylinder und führt somit zu einer genaueren Vorhersage für den Zeitpunkt
des nächsten Durchgangs durch den ZOT und zu einer genauen Vorhersage für die sich
in diesem ZOT einstellende Winkelgeschwindigkeit.
[0049] Der Korrekturfaktor setzt sich aus den Verlusten während der letzten Dekompressionsphase
und den Verlusten der nächsten Kompressionsphase zusammen.
[0050] Die ZOTs sollen in der Reihenfolge, wie sie beispielsweise in der Fig. 5 gezeigt
sind, also ZOT1, ZOT2, ZOT3, ZOT4, ZOT5 ... ZOTn durchlaufen werden.
[0051] Da die Zündfolge in einem Verbrennungsmotor festgelegt ist, gibt es nur einen Satz
von relevanten Dekompressions-/Kompressions-Paarungen, also einer Zündfolgepaarung,
die den Energieverlust von ZOT zu ZOT charakterisieren nämlich im folgenden Paarungssatz:
(Dekompression 1/ Kompression 2), (Dekompression 2 / Kompression 3), (Dekompression
3 / Kompression 4), (Dekompression 4 / Kompression 5), ... , (Dekompression n / Kompression
n+1).
[0052] Dann gilt:

[0053] Während des Motorauslaufs der Brennkraftmaschine wird das entgegen der Rotationsrichtung
wirkende Gesamtmoment, d. h. das Bremsmoment, in erster Näherung als konstant angesehen.
Dies stellt die Gerade N aus der Fig. 3 und 4 dar. Das Bremsmoment setzt sich zusammen
aus inneren Reibmomenten, Wärmeverlusten, Strömungsverlusten und Verlusten aufgrund
von mitlaufenden Zusatzaggregaten.
[0054] Es wird im Schritt S5 für die Brennkraftmaschine und für den aktuellen Zustand der
Brennkraftmaschine der typische, individuelle Korrekturfaktor für jede einzelne Zündfolgepaarung
berücksichtigt. Der typische Korrekturfaktor ist entweder neu berechnet worden oder
ist ein "gelernter" Korrekturfaktor, der während eines Auslaufs der Brennkraftmaschine
zu den ZOT-Zeiten gemessenen Geschwindigkeiten über die Zeitachse durch eine linear
fallende Linie N gemittelt worden ist. Eine Auswertung der Abweichung der einzelnen
Geschwindigkeiten in den jeweiligen ZOTs zur linearisierten Kurve ergibt den Korrekturfaktor
für die jeweilige Zündfolgepaarung. Bei sehr kurzen Ausläufen der Brennkraftmaschine
werden gegebenenfalls mehrere aufeinander folgende Ausläufe der Brennkraftmaschine
analysiert und entsprechend ausgewertet. Eine Mittelung über mehrere Korrekturfaktorbestimmungen
erhöht die Genauigkeit der Korrektur.
[0055] Es wird also zu jedem einzelnen Auslauf der Brennkraftmaschine der Winkelgeschwindigkeitsgradient
ausgewertet. Es werden somit gegenüber dem Stand der Technik keine Werte aus einem
gespeicherten Kennfeld zur Vorhersage der nächsten ZOTs herangezogen, da der Geschwindigkeitsverlauf
inhomogen ist und ein breites Toleranzfeld aufweist, so dass sich keine spezifische
Aussage ermitteln lässt.
[0056] Außerdem hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass die Vorhersagewerte
für den Zeitpunkt und der Winkelgeschwindigkeit bei den nächsten ZOT-Durchgängen von
sich eventuell plötzlichen oder auch solchen mit langer Zeitkonstante, ändernden äußeren
Bedingungen unabhängig sind.
[0057] Die zu messenden und analysierenden Datenmengen in Schritt S4 und S5 sind gering.
Trotz des reduzierten Mess- und Rechenaufwands kann eine sehr spezifische und eine
sehr genaue Prognose für die Zukunft gemacht werden über den Zeitpunkt der folgenden
ZOTs.
[0058] Es ergibt sich somit ein enges Toleranzband, in dem die Vorhersage liegt. Unter anderem
deshalb, da der Zustand der Brennkraftmaschine, wie er sich zum Zeitpunkt der Messung
und Festlegung von Korrekturprognosen darstellt, jedes Mal neu erfasst wird. Dadurch
ist die Prognose hochgenau.
[0059] Erfindungsgemäß wird also eine positionsabhängige Geschwindigkeitsmessung der Kurbelwelle
vorgenommen, um eine Prognose für die Zukunft zu machen.
[0060] Hat die Steuerung im Schritt S5 einen bestimmten vorausberechneten Zeitpunkt ermittelt,
in dem gleichzeitig mit gleicher Drehzahl das Starterritzel 9 in den Zahnkranz 6 eingespurt
werden kann, so wird im Schritt A1 abgefragt, ob dieser Zeitpunkt erreicht ist. Ist
dieser Zeitpunkt noch nicht erreicht, wiederholt die Steuerung die Schritte S4 und
S5 und detektiert, berechnet und korrigiert den Geschwindigkeitsverlauf für die nächsten
ZOTs im Millisekundenbereich. Ist der vorausberechnete Zeitpunkt erreicht, prüft die
Steuerung, ob aufgrund der neuesten Prognose und den sich aktuell einstellenden Drehzahlen
der Brennkraftmaschine und der zu erwartenden Drehzahl des Starterritzels eine (Fein-)
Korrektur des Einspurzeitpunkts durchgeführt wird. Mit diesem gegebenenfalls korrigierten
Einspurzeitpunkt geht die Steuerung in Schritt S6 weiter.
[0061] Im Schritt S6 wird das Starterritzel 9 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt vom Starterrelais
10 in axialer Richtung auf der Achse des Starters 8 bewegt und in den Zahnkranz 6
eingespurt. Der Starter 8 wird je nach Betriebsstrategie entweder vor dem Ausschalten,
gleichzeitig mit dem Ausschalten der Brennkraftmaschine 1 oder während der Durchführung
der Schritte S4 und S5 gestartet und auf eine Drehzahl n beschleunigt, die von der
Steuerung in Schritt S5 bestimmt worden ist. Somit kann das Starterritzel 9 in einem
sehr präzisen Toleranzband mit einer annähernden synchronen Drehzahl eingespurt werden.
Das Starterritzel 9 bleibt im Zahnkranz 6 eingespurt und läuft mit der Brennkraftmaschine
1 aus, solange keine Änderung der Betriebsstrategie vorgesehen ist, bzw. keine Änderung
des Betriebswunsches an die Motorsteuerung 5 übermittelt wird.
[0062] Im Schritt S7 prüft die Steuerung entsprechend dem zu den Schritten S4 und S5 beschriebenen
Verfahren mit welcher Position die Kurbelwelle zum Stillstand kommen wird.
[0063] In einer darauf folgenden Abfrage A2 wird abgefragt, ob die Kurbelwelle 2 in einer
idealen Position zum Stehen kommen wird, um die Brennkraftmaschine 1 möglichst schnell
starten zu können, d. h. die Kurbelwelle 2 zu einem ZOT beispielsweise in einem günstigen
Winkel von ca. 90° vor dem nächsten ZOT steht. Ist dies der Fall, so kommt das Verfahren
in der Steuerung zum Ende.
[0064] Wird in der Abfrage A2 ein ungünstiger Kurbelwellenwinkel zum nächsten ZOT detektiert,
bzw. ist ein Rückpendeln prognostiziert, so wird in Schritt S8 der Starter 8 im Bereich
von Millisekunden definiert bestromt, so dass die Kurbelwelle 2 in eine genau definierte
Position gebracht wird, um die Brennkraftmaschine 1 möglichst schnell und aus einem
idealen Zustand starten zu können. Der Starter 8 fungiert in diesem Schritt S8 zusammen
mit der Startersteuerung 8 als Servomotor oder als ein Stellantrieb. Die Position
der Kurbelwelle wird weiter erfasst und gegebenenfalls wird der Starter 8 kurzzeitig
nochmals bestromt, so dass die Kurbelwelle 2 in einem vorgesehenen Winkel zum nächsten
ZOT zum Stillstand kommt. Anschließend kehrt das Verfahren zum Ende. Am Ende wird
also nur noch auf einen Startimpuls von der Motorsteuerung 5 zum Starten der Brennkraftmaschine
1 gewartet.
[0065] Die Fig. 3 zeigt wie zur Fig. 2 und zum Schritt S4 und S5 bereits beschrieben eine
Kennlinie K
1 der Kurbelwelle 2 mit charakteristischen Positionen im Auslauf einer Brennkraftmaschine
1 nach dem die Brennkraftmaschine 1 beispielsweise ausgeschaltet worden ist. Es ergeben
sich an den so genannten ZOTs (ZOT1, ZOT2, ZOT3, ZOT4, ZOT5) jeweils charakteristische
Punkte, in denen der Drehzahlverlauf aufgrund des Kompressionsverhaltens vor einer
Arbeitsphase der einzelnen Zylinder 11 bis 14 zunächst steiler abfällt. In den ZOTs
weist der Drehzahlverlauf lokale Minima bzw. Bereiche mit flacherem Winkelgeschwindigkeitsgradienten
auf, aufgrund des Geschwindigkeitszuwachses während der Dekompressionsphase. Mit der
linearen Kennlinie N ist der Winkelgeschwindigkeitsgradient über die Zeit t dargestellt.
[0066] Die Fig. 4 zeigt die Lage der ZOT-Werte über einen größeren zeitlichen Bereich als
die Fig. 3 einmal ohne die Korrektur von Zylinder zu Zylinder Abweichungen als Kennlinie
N und einmal als Kennlinie N
k mit Berücksichtigung des oben beschriebenen Korrekturfaktors.
[0067] Alle Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen.
Im Übrigen wird insbesondere auf die zeichnerische Darstellungen für die Erfindung
als Wesentlich verwiesen.
1. Verfahren einer Steuerung für einen Start-Stopp-Betrieb einer Brennkraftmaschine (1)
in einem Kraftfahrzeug zum kurzfristigen Stoppen und Starten der Brennkraftmaschine
(1), die von einer elektrischen Maschine als Starter (8) gestartet wird, wobei von
einer Detektionseinrichtung die Position und die Drehzahl einer Kurbelwelle (2) während
des Betriebs und nach Ausschalten der Brennkraftmaschine (1), erfasst wird, wobei
der Verlauf der Drehzahl der Kurbelwelle (2) nach Ausschalten der Brennkraftmaschine
(1) im Voraus neu berechnet wird, und daraus eine synchrone Drehzahl für einen hochlaufenden
Starter (8) bestimmt und danach ein Starterritzel (9) vom Starter (8) in einen mit
sinkender Drehzahl auslaufenden Zahnkranz (6) der Brennkraftmaschine (1) bei im Wesentlichen
synchroner Drehzahl eingespurt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle (2) der Brennkraftmaschine (1) an charakteristischen
Positionen der Kurbelwelle (2) während des Auslaufs erfasst und berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit in zündbaren oberen Totpunkten (ZOT) der Kurbelwelle (2)
erfasst und berechnet wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus mindestens zwei Werten der Winkelgeschwindigkeit von zündbaren oberen Totpunkten
(ZOT) mindestens ein dritter Wert für einen folgenden zündbaren oberer Totpunkt (ZOT
3) berechnet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrekturfaktor, aus Energieverlusten einer Dekompressionsphase von einem ersten
Zylinder und einer Kompressionsphase von einem zweiten Zylinder von der Brennkraftmaschine
(1) als Zündiolgepaarung, zur Berechnung der Winkelgeschwindigkeit in zukünftigen
oberen Totpunkten berechnet und berücksichtigt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlverlauf bei einer hohen Geschwindigkeit mit einer Abtastrate durch eine
Sensorelnrichtung an der Brennkraftmaschine (1) bei hohen Drehzahlen erfasst und die
ermittelten Werte zur Prognose von niedrigen Drehzahlen kurz vor dem Stillstand ausgewertet
werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle (2) im Voraus mit im Zahnkranz eingespurten
Starterritzel (9) berechnet wird und der Starter (8) in Abhängigkeit einer im Voraus
berechneten voraussichtlichen Position eines Stillstands von der Kurbelwelle (2) kurzzeitig
dosiert bestromt wird, um ein Rückpendeln der Kurbelwelle (2) zu vermeiden und/oder
die Kurbelwelle (2) in eine günstigere motortypspezifische Vorzugslage, vor dem nächsten
zündbaren oberen Totpunkts (ZOT) zu bewegen.
7. Computerprogrammprodukt, das in einen Programmspeicher (17) mit Programmbefehlen geladen
ist, um alle Schritte eines Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6
auszuführen, wenn das Programm in einer Steuerung ausgeführt wird.
8. Steuerung für einen Start-Stopp-Betrieb einer Brennkraftmaschine (1) in einem Fahrzeug
zum kurzfristigen Stoppen und Starten der Brennkraftmaschine (1), wobei die Brennkraftmaschine
(1) mittels einer elektrischen Maschine als Starter (2) startbar ist, wobei die Steuerung
einen Mikrocomputer (16) mit einem Programmspeicher (17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocomputer (16) als Erfassungs-, Auswerte- und Steuereinrichtung ausgebildet
ist, um eine Startvorrichtung definiert anzusteuern, wobei in den Programmspeicher
(17) ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 7 geladen ist, um das Verfahren gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
1. Method for controlling a start/stop mode of an internal combustion engine (1) in a
motor vehicle for briefly stopping and starting the internal combustion engine (1)
which is started by an electric machine as starter (8), the position and the rotational
speed of a crankshaft (2) being detected by a detection device during operation and
after the internal combustion engine (1) is switched off, the profile of the rotational
speed of the crankshaft (2) being recalculated in advance after the internal combustion
engine (1)is switched off, and a synchronous rotational speed for a starter (8) which
is being ramped up being defined from the said profile, and subsequently a starter
pinion (9) being engaged by the starter (8) into a crown gear (6) of the internal
combustion engine (1) at a substantially synchronous rotational speed, which crown
gear (6) is running down at a decreasing rotational speed, characterized in that the angular velocity of the crankshaft (2) of the internal combustion engine (1)
is detected and calculated at characteristic positions of the crankshaft (2) while
it is running down.
2. Method according to Claim 1, characterized in that the angular velocity is detected and calculated at ignition top dead centres (TDC)
of the crankshaft (2).
3. Method according to either of Claims 1 and 2, characterized in that at least a third value for a following ignition top dead centre (TDC 3) is calculated
from at least two values of the angular velocity of ignition top dead centres (TDC).
4. Method according to one of Claims 1 to 3, characterized in that a correction value, from energy losses of a decompression phase of a first cylinder
and a compression phase of a second cylinder of the internal combustion engine (1)
as ignition sequence pairing, is calculated and taken into consideration to calculate
the angular velocity at future top dead centres.
5. Method according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the rotational-speed profile at a high speed is detected with a sensing rate by a
sensor device on the internal combustion engine (1) at high rotational speeds and
the determined values are evaluated for the prognosis of low rotational speeds shortly
before standstill.
6. Method according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the angular velocity of the crankshaft (2) is calculated in advance with a starter
pinion (9) which is engaged in the crown gear, and the starter (8) has current applied
to it in a briefly metered manner as a function of an estimated position calculated
in advance of a standstill of the crankshaft (2), in order to avoid the crankshaft
(2) swinging back and/or to move the crankshaft (2) into a more favourable preferential
position which is specific to an engine type, before the next ignition top dead centre
(TDC).
7. Computer program product which is loaded into a program memory (17) with program commands,
in order to carry out all the steps of a method according to at least one of Claims
1 to 6 when the program is carried out in a controller.
8. Controller for a start/stop mode of an internal combustion engine (1) in a vehicle
for briefly stopping and starting the internal combustion engine (1), it being possible
for the internal combustion engine (1) to be started by means of an electric machine
as starter (2), the controller having a microcomputer (16) with a program memory (17),
characterized in that the microcomputer (16) is configured as a detection, evaluation and control device,
in order to actuate a starting device in a defined manner, a computer program product
according to Claim 7 being loaded into the program memory (17), in order to carry
out the method according to one of Claims 1 to 6.
1. Procédé de commande pour un fonctionnement marche-arrêt d'un moteur à combustion interne
(1) dans un véhicule automobile pour l'arrêt de courte durée et le démarrage du moteur
à combustion interne (1), qui est démarré par une machine électrique en tant que démarreur
(8), un dispositif de détection permettant de détecter la position et la vitesse de
rotation d'un vilebrequin (2) pendant le fonctionnement et après la coupure du moteur
à combustion interne (1), l'allure de la vitesse de rotation du vilebrequin (2) après
la coupure du moteur à combustion interne (1) étant calculée à nouveau à l'avance,
et une vitesse de rotation synchrone pour un démarreur (8) accélérant étant déterminée
à partir de celle-ci, et ensuite un pignon de démarreur (9) étant engrené par le démarreur
(8) dans une couronne dentée (6) du moteur à combustion interne (1) ralentissant avec
une vitesse de rotation décroissante lorsque la vitesse de rotation est sensiblement
synchrone, caractérisé en ce que la vitesse angulaire du vilebrequin (2) du moteur à combustion interne (1) est détectée
et calculée dans des positions caractéristiques du vilebrequin (2) pendant son ralentissement.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse angulaire est détectée et calculée dans les points morts hauts d'allumage
(ZOT) du vilebrequin (2).
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'au moins une troisième valeur pour un point mort haut d'allumage suivant (ZOT3) est
calculé à partir d'au moins deux valeurs de la vitesse angulaire de points morts hauts
d'allumage (ZOT).
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un facteur de correction, constitué des pertes d'énergie d'une phase de décompression
d'un premier cylindre et d'une phase de compression d'un deuxième cylindre du moteur
à combustion interne (1) en tant que paire de séquence d'allumage, est calculé et
pris en compte pour le calcul de la vitesse angulaire dans les points morts hauts
futurs.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'allure de la vitesse de rotation est détectée dans le cas d'une grande vitesse
avec un taux de balayage par un dispositif de capteur au niveau du moteur à combustion
interne (1) dans le cas de vitesses de rotation élevées, et les valeurs déterminées
sont analysées pour fournir des pronostics de faibles vitesses de rotation juste avant
l'arrêt.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la vitesse angulaire du vilebrequin (2) est calculée à l'avance avec un pignon de
démarreur (9) engrené dans la couronne dentée et le démarreur (8) est brièvement alimenté
en courant de manière dosée en fonction d'une position d'arrêt probable du vilebrequin
(2) calculée à l'avance, afin d'éviter un retour par balancement du vilebrequin (2)
et/ou de déplacer le vilebrequin (2) dans une position préférée plus favorable spécifique
au type de moteur, avant le point mort haut d'allumage suivant (ZOT).
7. Produit de programme informatique, chargé dans une mémoire de programmation (17) avec
des ordres de programmation, destiné à exécuter toutes les étapes d'un procédé selon
au moins l'une quelconque des revendications 1 à 6, lorsque le programme est exécuté
dans une commande.
8. Commande pour un fonctionnement marche-arrêt d'un moteur à combustion interne (1)
dans un véhicule pour l'arrêt de courte durée et le démarrage du moteur à combustion
interne (1), le moteur à combustion interne (1) pouvant être démarré au moyen d'une
machine électrique en tant que démarreur (8), la commande présentant un micro-ordinateur
(16) avec une mémoire de programmation (17), caractérisée en ce que le micro-ordinateur (16) est réalisé sous forme de dispositif de détection, d'analyse
et de commande, afin de commander de manière définie un dispositif de démarrage, un
produit de programme informatique selon la revendication 7 étant chargé dans la mémoire
de programmation (17) afin de mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des
revendications 1 à 6.