Beschreibung

Titel

Verfahren und Vorrichtung einer Start-Stopp-Steuerunq für eine Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren einer Steuerung für einen Start-Stopp- Betrieb einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, wobei die Steuerung eine

Startvorrichtung mit einem Startermotor und einer Einspurvorrichtung ansteuert, um die Brennkraftmaschine zu starten und einen Start-Stopp-Betrieb auszuführen, wobei die Drehzahl und die Position einer Kurbelwelle von der Brennkraftmaschine mittels einer Detektorvorrichtung erfasst wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Computer- programmprodukt sowie auf eine Steuerung für einen Start-Stopp-Betrieb der Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, wobei die Brennkraftmaschine mittels einer e- lektrischen Maschine als Startermotor startbar ist und die Steuerung einen Mikrocomputer mit einem Programmspeicher aufweist, um den Startermotor mit einer Einspurvorrichtung zum Einspuren eines Starterritzels in den Zahnkranz einer Brennkraftma- schine definiert anzusteuern.

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 bestimm- ten Abschaltbedingungen, insbesondere nach einem bestimmten Zeitablauf auszuschalten. Gewöhnlicher Weise wird eine Brennkraftmaschine mittels eines von einem Startermotor antreibbaren Starterritzels gestartet, das in einen Zahnkranz einer Brennkraftmaschine eingespurt wird. Für eine solche Konstruktion der Brennkraftmaschine, die mit Hilfe eines Starterritzels gestartet wird, gibt es für einen Wiederstart Mindestzei-

ten, die abgewartet werden müssen, bis die Brennkraftmaschine wieder gestartet werden kann.

Aus der DE 10 2006 01 1 644 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. Das Starterritzel bleibt bis zum Andrehen der Brennkraftmaschine in einem eingespur- ten Zustand.

Die DE 10 2006 039 1 12 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Drehzahl des Starters für einen Kfz-Verbrennungsmotor. Es wird ferner beschrieben, dass der Startermotor ein eigenes Starter-Steuergerät umfasst, um die Drehzahl des Starters zu berechnen und in einem Start-Stopp-Betrieb das Starterritzel vom Startermotor zuerst ohne Einspuren zu beschleunigen, wenn ein Selbststart des Verbrennungsmotors aufgrund gesunkener Drehzahl nicht mehr möglich ist. Das Starterritzel wird mit synchroner Drehzahl in den Zahnkranz des auslaufenden Verbrennungsmotors eingerückt.

Die EP 1 041 275 B1 beschreibt eine Startvorrichtung zum Andrehen von einem Zahnkranz einer Brennkraftmaschine mittels eines von einem Startermotor antreibbaren Starterritzels. Um eine Gefahr der überlastung der einzelnen Zähne des Starterritzels oder des Zahnkranzes, die aufeinander wirken, zu vermeiden, wird der Startermotor nach dem Beginn des Einspurens zunächst abgeschaltet und nach einem ausreichend tiefen Einspuren der Startermotor zunächst mit Teillasten und anschließend mit Volllasten angetrieben.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt und eine Steuerung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, um einen Fahrzeugkomfort im Start-Stopp-Betrieb zu verbessern und das Einspuren eines Starterritzels in den Zahnkranz mit auslaufender Drehzahl mit reduziertem Geräusch und Verschleiß zu realisieren.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1 , 9 und 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Ein Erfindungsgedanke ist, einen charakteristischen Drehzahlverlauf beim Auslaufen einer Brennkraftmaschine zum Einspuren des Starterritzels in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine zu berücksichtigen und somit ein geringeres Geräusch beim Einspuren und einen geringeren Verschleiß hervorzurufen. Ferner wird der Einspurvorgang sicher mit Erfolg ausgeführt.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass nach Ausschalten der Brennkraftmaschine ein Zeitpunkt zum Einspuren in einen Zahnkranz einer auslaufenden Brennkraftmaschine bestimmt wird. Nach dem Ausschalten der Brennkraftmaschine gibt es ein charakteristisches Auslaufverhalten, gemäß dem es Einspurzeitpunkte gibt, die günstig sind, weil die Drehzahl sich zeitlich gesehen nicht schnell ändert und es wiederum bestimmte

Zeitintervalle gibt, in denen sich die Drehzahl sehr schnell abnehmend ändert und deshalb ein Zeitpunkt zum Einspuren ungünstiger ist.

Erfindungsgemäß wird somit nach dem Ausschalten der Brennkraftmaschine ein Zeit- punkt zum Einspuren bestimmt, in dem die Brennkraftmaschine eine in einem gewissen Toleranzbereich konstante, auslaufende Drehzahl aufweist. Somit ist die Geräuschentwicklung reduziert und der Verschleiß beim Einspuren minimiert.

Gemäß einem die Erfindung weiterbildenden Verfahren wird die Drehzahl für einen vorbestimmten Einspurzeitpunkt im Voraus der auslaufenden Brennkraftmaschine aus mindestens zwei bevorzugten charakteristischen, Drehzahlwerten, insbesondere an zündbaren oberen Totpunkten von Zylindern der Brennkraftmaschine, berechnet. Somit werden gegenwärtige Einflüsse, die auf das Auslaufverhalten der Brennkraftmaschine Einfluss nehmen, wie beispielsweise Temperatur oder sich ändernde Reibwerte berücksichtigt. Durch die Vorausberechnung der Drehzahl aufgrund von charakteristischen Drehzahlwerten ist es mittels eines einfachen Verfahrens und wenigen Datenwerten möglich, eine Drehzahl für einen vorbestimmten Zeitpunkt zum Einspuren der Brennkraftmaschine zu bestimmen und den Startermotor so anzusteuern, dass die Drehzahldifferenz zwischen Starterritzel und Zahnkranz minimiert klein ist.

Gemäß einem weiter bevorzugten Verfahren wird als Zeitpunkt zum Einspuren des Starterritzels ein Toleranzbereich kurz vor und nach einem zündbaren oberen Totpunkt der Brennkraftmaschine berechnet wird, in dem die Drehzahl die Brennkraftmaschine eine, im Wesentlichen kleine änderung der Drehzahl über die Zeit aufweist. Eine sol- che sogenannte Plateauphase weist in einem bestimmten Zeitfenster kurz vor und hinter einem oberen Totpunkt in einem bestimmten Toleranzbereich also kleine Drehzahländerungen einer auslaufenden Brennkraftmaschine auf. Ein Einspurzeitpunkt in diesem Zeitfenster einer Plateau-Phase ist also bevorzugt. Ein Kolben in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine minimiert seine Geschwindigkeit, wenn er an den oberen Zünd-Totpunkten (ZOT) kommt, da Luft im Zylinder komprimiert wird. Nach dem überwinden des Totpunkts wird der Kolben durch komprimierte Luft wieder beschleunigt, so dass die Drehzahl leicht zunimmt, bzw. weniger schnell abfällt. Diese Zeitdauer kann in einem gewissen Toleranzbereich als konstant angesehen werden und als Plateau bezeichnet werden.

Bevorzugt wird der Startermotor nun derart bestromt, dass er im Zeitpunkt eines solchen Plateaus das Starterritzel auf eine voraus bestimmte Drehzahl beschleunigt und somit das Starterritzel zu einem vorbestimmten Zeitpunkt einspurbar ist.

Um möglichst sicher das Starterritzel einzuspuren wird gemäß einem die Erfindung weiterbildenden Verfahren einer der letzten zündbaren oberen Totpunkte der Brennkraftmaschine, insbesondere der vorletzte zündbare obere Totpunkt und besonders bevorzugt der letzte zündbare obere Totpunkt der Brennkraftmaschine im Voraus als Zeitpunkt zum Einspuren des Starterritzels errechnet und das Starterritzel zu einem dieser Zeitpunkte gleichzeitig eingespurt.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren hat dadurch den Vorteil, dass die letzten zündbaren oberen Totpunkte eine besonders lange Zeit ein im Wesentlichen konstantes Drehzahlfenster aufweisen. Die Zeit verlängert sich zu den letzten zündbaren oberen Totpunk- ten mit abnehmender Drehzahl immer mehr. So dass die Sicherheit zum Einspuren mit einer im Wesentlichen gleichen Umfangsdrehzahl vom Starterritzel und Zahnkranz immer besser wird. Am einfachsten ist somit das Einspuren im Zeitpunkt des letzten zündbaren oberen Totpunkts der Brennkraftmaschine.

Um elektrische Energie zu sparen und das Bordnetz nicht stark zu belasten, wird gemäß einem weiter bevorzugten Verfahren der Startermotor zeitlich nach einem Zeitpunkt U, der dem Ausschalten der Brennkraftmaschine entspricht, zum Einspuren zu einem Zeitpunkt t ₂ bestromt und auf eine vorausberechnete Drehzahl beschleunigt.

Gemäß einem weiter bevorzugten Verfahren wird das Starterritzel in einem Zeit- Drehzahl-Fenster der Brennkraftmaschine eingespurt, indem die Drehzahl der Brennkraftmaschine in einem Zeit-Drehzahl-Kennfeld ein Plateau ausbildet. Dies hat wie o- ben bereits erläutert, den Vorteil, dass die Drehzahl des vom Startermotor angetriebe- nen Starterritzels besser angeglichen werden kann und die Drehzahl der Brennkraftmaschine zu einer beschleunigten Drehzahl vom Startermotor parallel auch beschleunigt, wenn das Einspuren kurz nach dem zündbaren oberen Totpunkt vorgesehen ist.

Weiter bevorzugt wird die Einspurvorrichtung zu einem Zeitpunkt t ₃ bestromt, um zum Zeitpunkt t ₄ das Starterritzel in den Zahnkranz mit im Wesentlichen gleicher auf Umlaufgeschwindigkeit in einem Zeit-Drehzahl-Fenster mit einem Drehzahl-Plateau der Brennkraftmaschine einzuspuren. Der Zeitpunkt t ₃ ist im Voraus berechnet.

Um einen möglichst breiten Anwendungsbereich zu ermöglichen, wird gemäß einem alternativen Verfahren, wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine zu einem letzten

Plateau oberhalb der maximalen Drehzahl des Startermotors liegt, ein neuer Zeitpunkt Uo bestimmt, in dem das Starterritzel in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine mit einer definierten Drehzahl eingespurt wird. Somit wird der Zeitpunkt an die Drehzahl des Startermotors angepasst, um das Starterritzel in einen sich drehenden, auslaufenden Zahnkranz einer Brennkraftmaschine einzuspuren. Durch ein Einspuren des Starterritzels in den Zahnkranz einer auslaufenden Brennkraftmaschine ist im Start-Stopp- Betrieb die Verfügbarkeit zum Starten der Brennkraftmaschine schneller gegeben.

Die Aufgabe wird auch durch ein Computerprogrammprodukt gelöst, das mit Pro- grammbefehlen in einen Programmspeicher einer Steuerung ladbar ist, um alle Schritte des oben beschriebenen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogrammprodukt in einer Steuerung implementiert ist.

Das Computerprogrammprodukt hat den Vorteil, dass es keine zusätzlichen Bauteile im Fahrzeug erfordert, sondern sich als Modul in eine bereits vorhandene Steuerung

im Fahrzeug umsetzen lässt. Das Computerprogrammprodukt kann beispielsweise in der Motorsteuerung, einer separaten eigenen Steuerung oder in einer Startersteuerung, als körperliches Medium in Form eines Halbleiterspeichers, vorgesehen sein. Das Computerprogrammprodukt hat den weiteren Vorteil, dass es leicht an individuelle bestimmte Kundenwünsche anpassbar ist, so wie eine Verbesserung der Betriebsstrategie durch verbesserte empirische Werte ermöglicht.

Die Aufgabe wird auch mit einer Steuerung dadurch gelöst, dass der Mikrocomputer als Auswerte- und Steuereinrichtung ausgebildet ist, um die Startvorrichtung entspre- chend einem charakteristischen Auslaufverhalten der Drehzahl von der Brennkraftmaschine definiert anzusteuern, wobei insbesondere in den Programmspeicher ein oben beschriebenes Computerprogrammprodukt ladbar ist, um besonders bevorzugt das oben beschriebene Verfahren auszuführen. Die Steuerung kann entweder in einer Motorsteuerung oder in einer separaten Steuerung beispielsweise als Startersteuerung ausgebildet sein. Die Steuerung steht mit der Motorsteuerung über ein Bussystem oder eine andere geeignete Verbindung in Informationskontakt, um aktuelle Drehzahlwerte zu erhalten. Die Steuerung hat den weiteren Vorteil, dass sie bereits im Wesentlichen für das Ausführen eines Start-Stopp-Betriebs in einem Fahrzeug bereits vorgesehen ist und somit durch geringfügige änderungen zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung einsetzbar ist.

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 Bescheibung der Zeichnungen

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 und

Fig. 3 ein Zeit-Drehzahl-Diagramm gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Ausführungsformen der Erfindung

Die Fig. 1 zeigt einen schematischen Schaltplan von allen wesentlichen Antriebskomponenten zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine Brennkraftmaschine 1 mit Zylindern 1 1 , 12, 13, 14 weist eine Kurbelwelle 2 auf, mittels der die Brennkraftmaschine 1 gestartet wird. Um die Drehzahl und die Position der Kurbelwelle 2 zu bestimmen, befindet sich ein Zahnrad 3 mit Zähnen und mindestens einer Lücke als Synchronmarke asymmetrisch an einem Ende der Kurbelwelle 2, um die Kurbelwellenposition und die Drehzahl mit einer feststehend montierten Detektorvorrichtung 4 erfassen zu können. Die Detektorvorrichtung 4 ist mit einer Motorsteuerung 5 verbunden. Die Motorsteuerung 5 hat weitere Aktoren und Sensoren an der Brennkraftmaschine 1 , um die Brennkraftmaschine 1 definiert anzusteuern.

Die Brennkraftmaschine 1 wird mittels eines an der Kurbelwelle 2 befestigten Zahnkranzes 6 von einer Startvorrichtung 7 gestartet. Die Startvorrichtung 7 umfasst einen Startermotor 8 mit einem darauf axial beweglichen Starterritzel 9 zum Einspuren in den Zahnkranz 6. Das Starterritzel 9 wird auf einer Starterachse vom Startermotor 8 in ei- ner als Einspurrelais ausgebildeten Einspurvorrichtung 10 axial bewegt. Die Einspurvorrichtung 10 und der Startermotor 8 werden von einer Startersteuerung 15 definiert angesteuert. Die Startersteuerung 15 kann die Einspurvorrichtung 10 unabhängig von der Bestromung des Startermotors 8 über elektronische Leistungsschalter und mindestens ein Schalterrelais definiert ansteuern.

Die Steuerung 15 umfasst einen Mikrocomputer 16 mit einem Programmspeicher 17, indem ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt beispielsweise in Form eines Halbleiterspeichers abgespeichert ist. Die Startersteuerung 15 steht über ein herkömmliches Bussystem 19 mit dem Mikrocomputer 16 in Informationskontakt, um bei- spielsweise Informationen zum Ausführen eines Start-Stopp-Betriebs zu erhalten.

Die Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm mit einem Ablauf gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren. In einem Schritt S1 wird die Brennkraftmaschine 1 aufgrund von Abschaltbedingungen, die die Motorsteuerung 5 feststellt, ausgeschaltet. Die Abschaltbe-

dingungen werden über ein herkömmliches Bussystem 19 der Startersteuerung 15 mit dem Mikrocomputer 16 mitgeteilt.

Die Motorsteuerung erhält die Startersteuerung in einem Schritt S2 die Drehzahl und die Kurbelwellenposition der Brennkraftmaschine, also dass sie gemäß eines Berechnungsalgorithmus in einem Schritt S3 einen geeigneten Zeitpunkt zum Einspuren des Starterritzels 9 in den Zahnkranz 6 von der Brennkraftmaschine 1 berechnet und festlegt. Die Drehzahl wird vorzugsweise aus wenigen Daten, insbesondere charakteristischen Daten, beispielsweise dem zündbaren oberen Totpunkten ZOTs der Brenn- kraftmaschine 1 im auslaufendem Zustand gemessen. Aus mindestens zwei dieser

Werte wird erfindungsgemäß ein zündbarer oberer Totpunkt ZOT ausgewählt, um das Starterritzel 9 in den Zahnkranz 6 einzuspuren. Vorzugsweise wird der Zeitpunkt etwas nach dem zündbaren oberen Totpunkt ZOT gewählt, ungefähr in der Mitte eines Zeitfensters in einem Toleranzbereich, in dem die änderung der Drehzahl der Brennkraft- maschine 1 über einen Zeitraum von beispielsweise 5 Millisekunden sehr klein ist und die Drehzahl sich sogar im Bereich von ca. 5 Millisekunden leicht erhöht. Dieser Bereich wird auch als Plateau der Drehzahl bezeichnet.

Optional werden in einem Abfrageschritt A1 die Kurbelwellenposition und die Drehzahl weiter gemessen und abgefragt und gegebenenfalls der Zeitpunkt zum Einspuren korrigiert.

In einem Schritt S4 wird zu einem Zeitpunkt t ₂ der Startermotor 8 bestromt, um zum definierten Zeitpunkt t ₄ das Starterritzel 9 mit einer im Wesentlichen gleichen Umlaufdreh- zahl W in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine 1 einspuren zu können.

Optional werden in einem Abfrageschritt A2 die Drehzahl und die Kurbelwellenposition weiter abgefragt, ob der vorausberechnete Zeitpunkt noch richtig ist und gegebenenfalls an die neu gemessenen Werte angepasst.

Im Schritt S5 wird gegebenenfalls die Drehzahl des Startermotors 1 überprüft und gegebenenfalls angepasst.

Im Schritt S6 wird zu einem Zeitpunkt t ₃ die Einspurvorrichtung 10 bestromt, um inner- halb einer vorher bestimmten Einspurzeit bzw. Reaktionszeit der Einspurvorrichtung

das Starterritzel 9 zum vorausberechneten Einspurzeitpunkt t ₄ im gewünschten Toleranzbereich mit einer kleinen änderung der abnehmenden, auslaufenden Drehzahl von der Kurbelwelle 2 das Starterritzel 9 in den Zahnkranz 6 einzuspuren.

In einer Abfrage AO wird geprüft, ob ein Startwunsch von der Motorsteuerung 5 detek- tiert wird. Wird dies bejahrt, so wird in einem Schritt S7 die Brennkraftmaschine 1 gestartet, in dem der Startermotor 8 stärker bestromt wird, gegebenenfalls mit einem maximalen Andrehstrom.

Wird noch kein Startwunsch detektiert, so läuft der Startermotor 8 im eingespurten Zustand mit der Brennkraftmaschine 1 weiter bis gegebenenfalls zum Stillstand aus. Das Verfahren kehrt wieder zum Abfrageschritt AO zurück und wiederholt sich in der Schleife bis ein Startwunsch festgestellt wird, so dass die Brennkraftmaschine aufgrund eines kurzfristigen Stopps wieder gestartet wird.

Die Fig. 3 zeigt eine Zeit-Drehzahl-Kennlinie K2 einer Kurbelwelle 2 von einer Brennkraftmaschine 1 und die Drehzahl des Startermotors 8. Zu einem Zeitpunkt t-i wird die Brennkraftmaschine ausgeschaltet. Die Drehzahl der Kurbelwelle verläuft, gemäß der Fig.3 mit einer großen zeitlichen Auflösung, gemäß einer sehr charakteristischen Kenn- linie. Es ergeben sich in immer größer werdenden zeitlichen Abständen größere Stufen, in denen die Drehzahl aufgrund eines Durchschreitens eines Kolben in den einzelnen Zylindern in den zündbaren oberen Totpunkten ZOTs zuerst abgebremst wird und dann wieder nach Kompression von Luft im Zylinder beschleunigt wird. In einem der letzten, wie in der Fig. 3 gezeigt, vorzugsweise im letzten Plateau P1 eines Zeitfensters Z1 von ca. 5 Millisekunden und eines Drehzahltoleranzbereichs D1 von ca. 10 Umdrehungen pro Minute wird der im Voraus berechnete Einspurzeitpunkt t ₄ gelegt. Zum Zeitpunkt t ₂ wird der Startermotor 8 bestromt und mit einer zur Zeit proportionalen Drehzahl gemäß der Kennlinie S8 beschleunigt. Kurz vor dem Einspuren zum Zeitpunkt t ₃ wird die Einspurvorrichtung 10 bestromt, um das Starterritzel 8 rechtzeitig im Zeit- und Drehzahlfenster Z1 , D1 im sogenannten Drehzahl-Plateau P1 einzuspuren. Somit sind die Geräusche zum Einspuren und ein Verschleiß äußerst niedrig. Die Verfügbarkeit zum Wiederstart der Brennkraftmaschine ist zeitlich deutlich früher vor einem Stillstand der Kurbelwelle 2 gegeben. Außerdem wird das Starterritzel 9 mit großer Sicherheit eingespurt und wird nicht aufgrund von beispielsweise einer zu großen Drehzahldiffe- renz durch eine Zahn-auf-Zahn-Stellung entgegen der antreibenden Richtung von der

Einspurvorrichtung 10 zurückgestoßen. Die Fig. 3 zeigt ferner die mögliche Drehzahldifferenz der Drehzahl S8 vom Startermotor 8 zu Beginn des Drehzahl-Plateaus P1 der Brennkraftmaschine 1 durch einen Pfeil S8-N und am Ende des Drehzahl-Plateaus zum Zeitpunkt t ₅ , wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine wieder verstärkt abge- bremst wird. Die Drehzahldifferenz des Startermotors 8 der Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 ist durch einen Pfeil S8+N dargestellt. Der Zeitpunkt t ₂ und der Zeitpunkt t ₃ fällt in dieser besonderen Ausführungsform mit dem Beginn des Drehzahl-Plateaus P1 zusammen. Alle Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Im übrigen werden insbesondere auf die zeichnerische Darstellungen für die Erfindung als Wesentlich verwiesen.