EP1000242B1 - Verfahren zum starten eines dieselmotors sowie antriebssystem mi t einem dieselmotor - Google Patents

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EP1000242B1
EP1000242B1 EP98945105A EP98945105A EP1000242B1 EP 1000242 B1 EP1000242 B1 EP 1000242B1 EP 98945105 A EP98945105 A EP 98945105A EP 98945105 A EP98945105 A EP 98945105A EP 1000242 B1 EP1000242 B1 EP 1000242B1
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EP
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diesel engine
speed
starter
starting
temperature
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Thomas Pels
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Continental ISAD Electronic Systems GmbH and Co OHG
Original Assignee
Continental ISAD Electronic Systems GmbH and Co OHG
ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG
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    • F02N2300/102—Control of the starter motor speed; Control of the engine speed during cranking

Definitions

  • the present invention relates to a method for starting of a diesel engine and a drive system of a motor vehicle with a diesel engine.
  • Start-up aids are usually used in small-volume vehicles DI engines as well as engines with split combustion chamber glow plugs used.
  • the glow plug of the candle protrudes into the combustion chamber or in the chamber of the engine.
  • glow plugs are also Glow plugs (in the narrower sense) common, i.e. Glow plugs with exposed Filament.
  • the thermal jump start often on preheating the suction Air with the help of electrically heated spark plugs or Heating flanges (see Automotive Engineering Handbook, 22. Ed. 1995, VDI-Verlag, Düsseldorf, pp. 538-540).
  • JP 55-75568 describes a starter device for diesel engines known, when starting at low temperatures initially no air is let into the combustion chamber, which means the starter's workload is reduced and as a result the Starting speed increased. To preheat it then to Glow plugs are provided to start let-in air.
  • a flywheel starter is known from DE 28 53 130 A1, the before starting with the help of an electric drive is brought to such a high speed that the stored kinetic energy is sufficient to start. at low temperatures will have a greater starting energy than at high, the flywheel is correspondingly lower Temperatures brought to higher speed.
  • the aspect of a thermal jump start is in this document in which it primarily a special type of flywheel drive goes, not mentioned.
  • the object of the present invention is an improved method to specify a diesel engine to start and a corresponding To provide drive system.
  • the invention is based on the idea that by reducing the contact time between air and cylinder walls a significant improvement in the misfire start behavior can be achieved.
  • the shorter contact time in turn is achieved by a faster starting speed.
  • the compression when starting more adiabatic Area so that for the auto-ignition of the fuel required limit temperature even at low temperatures is achieved solely by compression.
  • thermal jump starters such as glow plugs or Air preheating devices in the intake tract can be completely or at least above a low limit temperature.
  • the diesel engine therefore has no thermal Jump starter on or it is controlled so that a any starting aid, if any, or only above the low limit temperature is used.
  • a any starting aid if any, or only above the low limit temperature is used.
  • the diesel engine therefore preferably has no such device for indirect preheating or is controlled so that such Device for starting not or only above the deep one Limit temperature is used.
  • a post-heating device e.g. an after-glow device
  • Such heating after starting is not considered “using a thermal Starting aids "to understand.
  • the present invention thus makes a contribution on traffic safety, environmental protection and increasing the Driving comfort and to reduce effort in diesel vehicles. It can thus be used for the further spread of diesel vehicles contribute.
  • Claims 5 and 8 relate to the point in time in the course fuel is injected during the starting process. And that is done this is advantageous only after the speed has been reached is necessary for self-ignition of the fuel. This saves Fuel and reduces smoke.
  • the diesel engine is preferably a small-volume engine with a displacement of less than 3000 cm 3 , particularly preferably less than 2000 cm 3 .
  • This type of engine is used in particular in passenger cars and small commercial vehicles with a total weight of less than 3.5 t.
  • the cooling in the combustion chamber is particularly pronounced, and the omission of thermal starting aids achieved by the invention is therefore particularly advantageous here.
  • the starter of the drive system is a direct starter, i.e. he brings the power required to start instantaneously (i.e. without storage) by converting electrical energy into mechanical Energy on. So it's not one Flywheel starter, the drive of which is not what is required to start Can apply torque, so that the drive Start only indirectly due to the storage of kinetic energy is possible.
  • the starter is a as Starter / generator functioning electrical machine that is permanent runs along, unlike a flywheel starter before starting but does not have a driving effect.
  • the relative speed of electrical Machine to diesel engine is in starter and generator operation same, i.e. the transmission ratio between electrical Machine and internal combustion engine are constant.
  • Such Machines are designed for generator operation at high speeds. For starter operation, they have to be able to, high Applying torques. They are required to achieve the required excellent starting speed.
  • Claim 11 is an electric starter inverter-controlled induction machine. Under "Rotary field machine” is understood to mean a machine in which a magnetic rotating field occurs, which rotates through 360 ° and thereby takes the runner with him.
  • the inverter provides for the generation of the rotating field alternating or three-phase with freely adjustable Frequency, amplitude and phase ready.
  • the energy required to start is at least partially a capacitor store (e.g. a so-called intermediate circuit store) removed, the subpoena according to claim 13 can take place depending on the temperature.
  • the Energy for starting at least partially taken from a battery.
  • the drive system according to Fig. 1 is e.g. for a motor vehicle, determined about a passenger car. It has a direct injection diesel engine with a small cubic capacity (e.g. 1500cm) 1 on, the torque via a drive shaft 2, a clutch 3 and other (not shown) parts of a drive train delivers the drive wheels of the vehicle.
  • the diesel engine 1 is with no glow device and no preheating device equipped for the intake air. He also has no institution for heating the cooling water with the engine stopped.
  • On the Drive shaft 2 is an electrical one serving as a starter / generator Machine 4, here an asynchronous three-phase machine, arranged. It has a seated directly on the drive shaft 2 and rotatably connected runner 5 and one e.g.
  • the (not shown) winding of the stator 6 is by a Inverter 7 with electrical currents and voltages fed practically freely adjustable amplitude, phase and frequency. It is a DC link inverter, which is essentially one constant DC link voltage with the help of electronic Switches e.g. sine-weighted, wide-modulated pulses cuts out the - averaged by the inductance of the electrical machine 4 - to almost sinusoidal currents desired frequency, amplitude and phase.
  • the inverter is essentially made up of a machine DC-AC converter 7a, one DC voltage intermediate circuit 7b and an electrical system side DC converter 7c constructed.
  • the latter is with one Vehicle electrical system 8 and an electrical system long-term storage 9, here a conventional lead-sulfuric acid battery.
  • the Vehicle electrical system 8 and the vehicle electrical system battery 9 are at a low level Voltage level, e.g. 12 or 24 volts.
  • the intermediate circuit 7b on the other hand is due to an increased voltage, which is advantageous is in the range between 200 and 400 volts. With others Embodiments, the increased voltage is at the top of the low voltage range, around 36 volts.
  • the intermediate circuit 7b is a short-term storage, here a capacitor storage 10 switched, which also the voltage in the intermediate circuit with a steep slope increasing current draw - the when pulses are generated by the converter 7a - approximately keeps constant.
  • a short-term battery i.e. a quick-discharge battery
  • the electrical machine 4 and the inverter 7 are like this designed to have the required torque and the necessary Power for directly driving the drive shaft 2 (e.g. the Crankshaft) of the diesel engine 1 to the required high Apply speed.
  • the electrical machine 4 can, for example, after the starting process act as a generator, i.e. electrical power deliver.
  • the converter 7c is a bidirectional converter educated. On the one hand, it can if the electrical machine 4 is operated as a motor and from the on-board electrical system battery 9 is fed, electrical energy from the electrical system battery 9 bring in the intermediate circuit 7b, and on the other hand if they as Generator is operated, energy from the intermediate circuit 7b for the purpose of feeding the consumers of the vehicle electrical system 8 and the vehicle electrical system battery 9 convict.
  • the capacitor store 10 can also be used as an energy store for all or part of that required for starter operation Serve energy.
  • the charging of the capacitor store 10 can be done in different ways: There is one possibility therein, the capacitor storage 10 even when the To keep diesel engine 1 charged: When operating the Diesel engine 1, i.e. in generator operation of the electrical machine 4 it will be charged anyway. When the engine stops the unavoidable slight charge losses are continuously recharged from the on-board electrical system battery 9. The start can then be done without waiting. Another one Reloading is not possible.
  • the capacitor store 10 then discharges when the engine is at a standstill, and only from the on-board electrical system battery 9 before starting charged. In both cases, the whole does not need to Start required energy stored in the capacitor store 10 his.
  • Embodiments takes a separate, with the Intermediate circuit 7b coupled energy store (e.g. a capacitor store or a short-term battery) storing the all or part of the starting energy. If at deep Temperatures a thermal starting aid for use comes, it is also advantageously from the capacitor store 10 fed. In embodiments (not shown) the supply of the starter 4 and possibly the thermal Starting aids wholly or partly from a battery, e.g. the on-board electrical system battery 9.
  • the Intermediate circuit 7b coupled energy store e.g. a capacitor store or a short-term battery
  • a higher-level control unit 11 controls the starting process by it the inverter 7, namely the converter 7a and the Converter 7c controls. It gives the converter 7a amplitude, phase and frequency of the three-phase voltage to be generated. the There is converter 7c the amount of current, the current direction for motor Operation and, if applicable, the amount of voltage increase (if energy is taken from the on-board electrical system battery 9).
  • the control unit 11 controls the electrical Machine 4 via the inverter 7 such that the Drive shaft 2 to a high enough to ignite the fuel Speed is driven, not by one thermal booster system is made use of.
  • the speed at which the diesel engine 1 from the electrical Machine 4 is driven (at least in a partial area) selected depending on temperature.
  • an engine temperature sensor 12a and an outside temperature sensor 12 b provided to record the engine and outside temperature.
  • Fig. 2 illustrates the dependence of the starting speed (ie the speed required for self-ignition, at which fuel is injected) on the temperature.
  • the engine and outside temperature are assumed to be the same; Different values of these temperatures are taken into account by a corresponding map.
  • the dependency drawn is such that the starting speed drops from a maximum (eg 400 min -1 ) at the lowest temperature with increasing temperature. Above a certain temperature (here 10 ° C) it is kept constant, ie it is in this area by an amount increasing with increasing temperature above the minimum required speed value. This setting of a minimum speed serves for starting comfort.
  • a further temperature-dependent parameter can be the starting time, ie the time with which the diesel engine 1 is driven at the starting speed until fuel is injected.
  • the start time is longer at low temperatures than at high ones, ie their temperature dependence is similar to the relationship shown in FIG. 2.
  • these temperature dependencies are taken into account by variably setting the charge level at least so high that a safe start is ensured at the respective temperature.
  • the control unit 11 provides for a permanent recharging or one-time charging from the on-board electrical system battery to the above-mentioned minimum charge level before the actual starting process.
  • a battery as an energy source, its capacity and power are selected sufficiently to ensure starting with the required starter speed at all temperatures.
  • the first step in step S1 is to ask whether a command to start the diesel engine 1 is given has been.
  • process steps include one Measurement of temperatures, a determination of the safe Start at the required charge level measured temperature values e.g. with the help of a stored in the control unit 11 Map similar to Fig. 2, and a recharge of the capacitor store 10 to the required level.
  • This episode of Process steps are ongoing during engine shutdown repeated. When operating with a single charge this sequence executed once after the start command.
  • Step S2 measures the temperatures (if this did not happen immediately before) and one Determination of the safe start at the measured temperature values required starting speed and duration, e.g. With With the help of a map stored in the control unit 11. Without Then use thermal starting aids (step S3) in step S4 the crankshaft 2 of the diesel engine 1 from the electric starter 4 with the predetermined starting speed driven. After the predetermined start time has elapsed The injection of fuel begins in step S5. In the following Step S6 starts the diesel engine by auto-ignition, without a thermal jump starter would have been used, even at the deepest occurring operating temperatures.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Dieselmotors (1) mit folgenden Schritten: es wird auch im Bereich tiefer Temperaturen bis hin zur tiefsten zulässigen Temperatur oder zumindest oberhalb einer tiefliegenden Grenztemperatur kein thermisches Starthilfsmittel verwendet, der Dieselmotor (1) wird in diesem Bereich tiefer Temperaturen durch einen elektrischen Starter (4) auf eine hohe Drehzahl gebracht, die zum Zünden des Kraftstoffs ohne vorherige Verwendung eines thermischen Starthilfsmittels ausreicht; der Dieselmotor (1) startet. Die Erfindung ist auch auf ein entsprechendes Antriebssystem gerichtet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Dieselmotors sowie ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs mit einem Dieselmotor.
Die Startwilligkeit von Dieselmotoren nimmt zu niedrigen Temperaturen hin ab. Hierfür ist einerseits eine Erhöhung des Reibmomentes verantwortlich. Andererseits senken Leck- und Wärmeverluste beim Verdichten der Luft den Kompressionsenddruck sowie die Kompressionsendtemperatur ab. Herkömmlicherweise sind Dieselmotoren daher mit thermisch wirkenden Starthilfsmitteln ausgerüstet. Die Temperaturgrenze, ab der die Starthilfamittel eingesetzt werden müssen, hängt dabei i.a. von der Motorbauart ab. So haben direkt einspritzende Dieselmotoren mit einteiligem Brennraum (im folgenden "DI-Motoren" genannt) aufgrund geringerer Wärmeverluste ein besseres Startverhalten als Vor- und Wirbelkammer-Motoren, welche einen geteilten Brennraum aufweisen.
Als Starthilfsmittel werden üblicherweise bei kleinvolumigen DI-Motoren sowie Motoren mit geteiltem Brennraum Glühstiftkerzen verwendet. Der Glühstift der Kerze ragt in den Brennraum bzw. in die Kammer des Motors. Neben Glühstiftkerzen sind auch Glühkerzen (im engeren Sinn) üblich, d.h. Glühkerzen mit freiliegendem Glühdraht. Bei großvolumigen Dieselmotoren beruht die thermische Starthilfe häufig auf einer Vorwärmung der angesaugten Luft mit Hilfe von elektrisch beheizbaren Anheizkerzen oder Heizflanschen (siehe Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 22. Aufl. 1995, VDI-Verlag, Düsseldorf, S. 538-540).
Aus der JP 55-75568 ist eine Startervorrichtung für Dieselmotoren bekannt, bei der beim Startvorgang bei tiefen Temperaturen zunächst keine Luft in den Brennraum eingelassen wird, wodurch sich die Arbeitslast des Starters verringert und hierdurch die Anwerfdrehzahl erhöht. Zum Vorheizen der dann schließlich zum Starten eingelassenen Luft sind Glühkerzen vorgesehen.
Aus der DE 195 32 135 A1 ist ferner ein Antriebssystem mit einer Start-Stop-Automatik bekannt, bei dem in einer vorteilhaften Ausgestaltung ein elektrischer Starter einen Verbrennungsmotor bis zum Erreichen der Leerlaufdrehzahl antreibt. Dies dient dazu, den Verbrennungsmotor nach einem Stop mit Hilfe des elektrischen Starters direkt auf Leerlaufdrehzahl zu bringen.
Aus der DE 28 53 130 A1 ist ein Schwungradstarter bekannt, der vor dem Startvorgang mit Hilfe eines elektrischen Antriebs auf eine so hohe Drehzahl gebracht wird, daß die gespeicherte kinetische Energie zum Starten ausreicht. Bei niedrigen Temperaturen wird eine größere Startenergie als bei hohen benötigt, entsprechend wird das Schwungrad zu tieferen Temperaturen auf höhere Drehzahl gebracht. Der Aspekt einer thermischen Starthilfe ist in dieser Druckschrift, in der es in erster Linie um eine spezielle Art des Schwungradantriebs geht, nicht erwähnt.
Die Firmenveröffentlichung: BOSCH Technische Unterrichtung, Elektrische Startanlagen, 1. Ausgabe, 1. Februar 1994, S. 5 und 11 gibt allgemeine Ausführungen zum Startvorgang sowie Angaben zur unteren Grenztemperatur verschiedener Startertypen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren zum Starten eines Dieselmotors anzugeben sowie ein entsprechendes Antriebssystem bereitzustellen.
Verfahrensmäßig wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 1 durch ein Verfahren zum Starten eines Dieselmotors eines Kraftfahrzeugs, der kein thermisches Starthilfsmittel aufweist, mit folgenden Schritten, gelöst:
  • die Motortemperatur wird erfaßt;
  • in Abhängigkeit von der erfaßten Temperatur wird eine Drehzahl bestimmt, auf die der Dieselmotor zum Starten durch einen elektrischen Direktstarter ohne Verwendung eines thermischen Starthilfsmittels zu bringen ist, wobei diese Drehzahl bei niedriger Temperatur höher als bei hoher liegt;
  • der Dieselmotor wird durch den elektrischen Starter direkt auf die bestimmte Drehzahl gebracht und dadurch gestartet.
Vorrichtungsmäßig wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 7 durch ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs gelöst, mit
  • einem Dieselmotor, der kein thermisches Starthilfsmittel aufweist,
  • einem elektrischen Direktstarter,
  • Mitteln zum Erfassen der Motortemperatur und/oder der Außentemperatur, und
  • einer Steuerung, die den Starter veranlaßt, den Dieselmotor auf eine, in Abhängigkeit von der erfaßten Temperatur variierte Drehzahl zu bringen, die zum Zünden des Kraftstoffs ausreicht, wobei die Drehzahl bei tiefen Temperaturen höher als bei tiefen Temperaturen liegt.
Es wurde erkannt, daß ein wesentlicher Teil der Startprobleme bei niedrigen Temperaturen von der Abkühlung der durch die Kompression erwärmten Luft an den kalten Zylinderwänden herrührt. Aufbauend hierauf liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, daß durch eine Verkürzung der Kontaktzeit zwischen Luft und Zylinderwänden eine wesentliche Verbesserung des Selbstzünderstartverhaltens erzielt werden kann. Die kürzere Kontaktzeit wiederum wird durch eine schnellere Startdrehzahl erxielt. Beispielsweise beträgt bei einer Verdreifachung der Startdrehzahl gegenüber der herkömmlichen Startweise die Kontaktzeit im Zylinder ein Drittel des herkömmlichen Werts. Gemäß der Erfindung erfolgt also die Kompression beim Starten stärker im adiabatischen Bereich, so daß die für die Selbstzündung des Kraftstoffes erforderliche Grenztemperatur auch bei tiefen Temperaturen allein durch die Kompression erreicht wird. Die Verwendung von thermischen Starthilfseinrichtungen, wie Glühstiftkerzen oder Luftvorheizeinrichtungen im Ansaugtrakt kann dadurch ganz oder zumindest oberhalb einer tiefliegenden Grenztemperatur entfallen. Vorrichtungsmäßig weist der Dieselmotor daher kein thermisches Starthilfsmittel auf oder er ist so gesteuert, daß ein ggf. vorhandenes Starthilfsmittel nicht oder nur oberhalb der tiefliegenden Grenztemperatur zur Anwendung kommt. Vorzugsweise wird auch auf jegliche sonstige indirekte Vorheizung des Motors, z. B. in Form einer Kühlwasseranwärmung (ggf. oberhalb der tiefliegenden Grenztemperatur) verzichtet. Der Dieselmotor weist daher vorzugsweise auch keine derartige Einrichtung zum indirekten Vorheizen auf bzw. ist so gesteuert, daß eine solche Einrichtung zum Starten nicht oder nur oberhalb der tiefliegenden Grenztemperatur zur Anwendung kommt. Bei manchen Motorkonstruktionen kann eine Nachheizeinrichtung (z.B. eine Nachglühvorrichtung) vorgesehen sein, die in der ersten Zeit nach dem Start des Dieselmotors betrieben wird, um in der Aufwärmphase eine bessere Verbrennung herbeizuführen. Ein solches Heizen nach dem Start ist nicht als "Verwenden eines thermischen Starthilfsmittels" zu verstehen. Entsprechend wird auch ein Antriebssystem mit Glühkerzen o.ä., das so gesteuert ist, daß die Glühkerzen nur nach dem Start beheizt werden, nicht als "thermische Starthilfsmittel aufweisend" verstanden. Besonders vorteilhaft wird keine derartige Nachheizung durchgeführt und ist auch keine Nachheizeinrichtung vorhanden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. Antriebssystem hat folgende Vorteile:
  • die herkömmlicherweise für das Vorglühen oder Luftvorwärmen erforderliche Wartezeit entfällt (zumindest oberhalb der tiefliegenden Grenztemperatur), wodurch das Starten schneller erfolgen kann. Dies dient der Verkehrssicherheit (in Gefahrensituation, in der bei abgestelltem Motor ein schnelles Losfahren erforderlich ist) und erhöht den Komfort bei Dieselfahrzeugen;
  • mit der Einsparung der herkömmlich vorhandenen thermischen Starthilfsanlage geht eine beträchtliche Aufwandsersparnis einher;
  • die zum Starten benötigte Energiemenge ist geringer, was eine kleinere Dimensionierung der Starterbatterie erlaubt.
Insgesamt leistet die vorliegende Erfindung damit einen Beitrag zur Verkehrssicherheit, zum Umweltschutz und zur Erhöhung des Fahrkomforts und zur Aufwandsverringerung bei Dieselfahrzeugen. Sie kann damit zur weiteren Verbreitung von Dieselfahrzeugen beitragen.
In den Unteransprüchen sind nähere Erläuterungen und vorteilhafte Ausgestaltungen angegeben:
Gemäß den Ansprüchen 2 bis 4 wird näher definiert, was vorteilhaft unter "höher liegender Drehzahl" im Bereich tiefer Temperaturen zu verstehen ist und zwar eine Drehzahl von 400 min-1 oder mehr, bevorzugt 600 min-1 oder mehr, weiter bevorzugt 800 min-1 oder mehr. Die maximale Drehzahl bei der tiefsten Temperatur wird dabei typischerweise nicht über 1500 min-1 liegen.
Ansprüche 5 und 8 betreffen den Zeitpunkt, ab dem im Verlauf des Startvorgangs Kraftstoff eingespritzt wird. Und zwar erfolgt dies vorteilhaft erst nach Erreichen der Drehzahl, die für das Selbstzünden des Kraftstoffs nötig ist. Dies spart Kraftstoff und mindert die Rauchentwicklung.
Gemäß den Ansprüchen 6 und 9 handelt es sich bei dem Dieselmotor vorzugsweise um einen kleinvolumigen Motor mit weniger als 3000 cm3 Hubraum, besonders vorzugsweise weniger als 2000 cm3 Hubraum. Diese Art von Motoren wird insbesondere in Personenkraftwagen und Kleinnutzfahrzeugen mit einem Gesamtgewicht von weniger als 3,5 t eingesetzt. Bei solchen Motoren ist die Kühlung an dem Brennraum besonders stark ausgeprägt, und der von der Erfindung geleistete Verzicht auf thermische Starthilfsmittel ist daher hier besonders vorteilhaft.
Der Starter des Antriebssystems ist ein Direktstarter, d.h. er bringt die zum Starten erforderliche Leistung instantan (d.h. ohne Speicherung) durch Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie auf. Es handelt sich also nicht um einen Schwungradstarter, dessen Antrieb nicht das zum Starten erforderliche Drehmoment aufbringen kann, so daß dem Antrieb das Starten nur indirekt aufgrund der Speicherung kinetischer Energie möglich ist.
Gemäß Anspruch 10 handelt es sich bei dem Starter um eine als Starter/Generator fungierende elektrische Maschine, die permanent mitläuft, anders als ein Schwungradstarter vor dem Starten aber nicht antreibend wirkt. Die Relativdrehzahl von elektrischer Maschine zu Dieselmotor ist im Starter- und im Generatorbetrieb gleich, d.h. das Übersetzungsverhältnis zwischen elektrischer Maschine und Verbrennungsmotor ist konstant. Solche Maschinen sind für Generatorbetrieb für hohe Drehzahlen ausgelegt. Für den Starterbetrieb müssen sie imstande sein, hohe Drehmomente aufzubringen. Dabei sind sie zur Erreichung der erforderlichen hohen Startdrehzahl hervorragend geeignet. Gemäß Anspruch 11 handelt es sich bei dem elektrischen Starter um eine wechselrichtergesteuerte Drehfeldmaschine. Unter "Drehfeldmaschine" wird eine Maschine verstanden, in der ein magnetisches Drehfeld auftritt, das um 360° umläuft und dabei den Läufer mitnimmt. Der Wechselrichter stellt für die Erzeugung des Drehfelds Wechsel- oder Drehstrom mit frei einstellbarer Frequenz, Amplitude und Phase bereit. Gemäß Anspruch 12 wird die zum Starten erforderliche Energie zumindest teilweise einem Kondensatorspeicher (z.B. einem sogenannten Zwischenkreisspeicher) entnommen, dessen Vorladung gemäß Anspruch 13 temperaturabhängig erfolgen kann. Gemäß Anspruch 14 wird die Energie zum Starten zumindest teilweise einer Batterie entnommen.
Ausgestaltungen und Merkmale, die vorausgehend oder nachfolgende im Zusammenhang mit dem Verfahren geschildert werden, gelten selbstverständlich auch als im Zusammenhang mit dem Antriebssystem offenbart (und umgekehrt).
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und den angefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1
eine schematische Darstellung eines Anstriebssystems mit einem Dieselmotor;
Fig. 2
eine Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen Startdrehzahl und Temperatur;
Fig. 3
ein Flußdiagramm zum Starten des Dieselmotors im kalten Zustand bei tiefer Temperatur.
Das Antriebssystem gemäß Fig. 1 ist z.B. für ein Kraftfahrzeug, etwa einen Personenkraftwagen bestimmt. Es weist einen Direkteinspritzer-Dieselmotor mit kleinem Hubraum (z.B. 1500cm ) 1 auf, der Drehmoment über eine Antriebswelle 2, eine Kupplung 3 und weitere (nicht gezeigte) Teile eines Antriebsstranges auf die Antriebsräder des Fahrzeugs abgibt. Der Dieselmotor 1 ist mit keiner Glüheinrichtung und auch keiner Vorwärmeinrichtung für die Ansaugluft ausgerüstet. Er weist auch keine Einrichtung zum Beheizen des Kühlwassers bei stehendem Motor auf. Auf der Antriebswelle 2 ist eine als Starter/Generator dienende elektrische Maschine 4, hier eine Asynchron-Drehstrommaschine, angeordnet. Sie weist einen direkt auf der Antriebswelle 2 sitzenden und drehfest mit ihr verbundenen Läufer 5 sowie einen z.B. am Gehäuse des Dieselmotors 1 abgestützten Ständer 6 auf. Die (nicht dargestellte) Wicklung des Ständers 6 wird durch einen Wechselrichter 7 mit elektrischen Strömen und Spannungen praktisch frei einstellbarer Amplitude, Phase und Frequenz gespeist. Es handelt es sich um einen Gleichspannungs-Zwischenkreis-Wechselrichter, welcher aus einer im wesentlichen konstanten Zwischenkreis-Gleichspannung mit Hilfe von elektronischen Schaltern z.B. sinusbewertete breitenmodulierte Pulse herausschneidet, die - gemittelt durch die Induktivität der elektrischen Maschine 4 - zu nahezu sinusförmigen Strömen der gewünschten Frequenz, Amplitude und Phase führen.
Der Wechselrichter ist im wesentlichen aus einem maschinenseitigen Gleichspannungs-Wechselspannungsumrichter 7a, einem Gleichspannungs-Zwischenkreis 7b und einem bordnetzseitigen Gleichspannungswandler 7c aufgebaut. Letzterer ist mit einem Fahrzeugbordnetz 8 und einem Bordnetz-Langzeitspeicher 9, hier einer herkömmlichen Blei-Schwefelsäure-Batterie, gekoppelt. Das Bordnetz 8 und die Bordnetzbatterie 9 liegen auf einem niedrigen Spannungsniveau, z.B. 12 oder 24 Volt. Der Zwischenkreis 7b liegt demgegenüber auf einer erhöhten Spannung, die vorteilhafterweise im Bereich zwischen 200 und 400 Volt liegt. Bei anderen Ausführungsformen liegt die erhöhte Spannung am oberen Rand des Niederspannungsbereichs, etwa bei 36 Volt. In den Zwischenkreis 7b ist ein Kurzzeitspeicher, hier ein Kondensatorspeicher 10 geschaltet, welcher die Spannung im Zwischenkreis auch bei mit großer Flankensteilheit ansteigender Stromentnahme - die bei Erzeugung von Pulsen durch den Umrichter 7a vorliegt - annähernd konstant hält. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen wird der Kurzzeitspeicher durch eine Kurzzeitbatterie (d.h. eine schnell entladbare Batterie) gebildet.
Die elektrische Maschine 4 und der Wechselrichter 7 sind so ausgelegt, daß sie das erforderliche Drehmoment und die nötige Leistung zum direkten Antreiben der Antriebswelle 2 (z.B. der Kurbelwelle) des Dieselmotors 1 auf die erforderliche hohe Drehzahl aufbringen.
Die elektrische Maschine 4 kann nach dem Startvorgang beispielsweise als Generator fungieren, d.h. elektrische Energie liefern. Der Wandler 7c ist hierfür als bidirektionaler Wandler ausgebildet. Er kann einerseits, wenn die elektrische Maschine 4 als Motor betrieben wird und dabei aus der Bordnetzbatterie 9 gespeist wird, elektrische Energie aus der Bordnetzbatterie 9 in den Zwischenkreis 7b bringen, und andererseits, wenn sie als Generator betrieben wird, Energie aus dem Zwischenkreis 7b zwecks Speisung der Verbraucher des Bordnetzes 8 und der Bordnetzbatterie 9 überführen.
Der Kondensatorspeicher 10 kann auch als Energiespeicher für die gesamte oder einen Teil der für den Starterbetrieb benötigten Energie dienen. Die Aufladung des Kondensatorspeichers 10 kann auf unterschiedliche Weisen erfolgen: Eine Möglichkeit besteht darin, den Kondensatorspeicher 10 auch bei abgestelltem Dieselmotor 1 im geladenen Zustand zu halten: Bei Betrieb des Dieselmotors 1, d.h. im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 4 wird er ohnehin aufgeladen. Bei anschließendem Motorstillstand werden laufend die unvermeidlichen geringfügigen Ladungsverluste aus der Bordnetzbatterie 9 nachgeladen. Das Starten kann dann ohne jede Wartezeit erfolgen. Bei einer anderen Möglichkeit wird auf das Nachladen verzichtet. Der Kondensatorspeicher 10 entlädt sich dann bei längerem Motorstillstand, und wird erst jeweils vor dem Starten aus der Bordnetzbatterie 9 aufgeladen. Bei beiden Fällen braucht nicht die gesamte zum Starten erforderliche Energie im Kondensatorspeicher 10 gespeichert sein. Ein Teil davon kann auch während des Startvorgangs der Bordnetzbatterie 9 entnommen werden. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen übernimmt ein gesonderter, mit dem Zwischenkreis 7b gekoppelter Energiespeicher (z.B. ein Kondensatorspeicher oder eine Kurzzeitbatterie) die Speicherung der gesamten oder eines Teils der Startenergie. Falls bei tiefen Temperaturen ein thermisches Starthilfsmittel zur Anwendung kommt, wird es vorteilhafterweise auch aus dem Kondensatorspeicher 10 gespeist. Bei (nicht gezeigten) Ausführungsformen erfolgt die Speisung des Starters 4 und ggf. der thermischen Starthilfsmittel ganz oder teilweise aus einer Batterie, z.B. der Bordnetzbatterie 9.
Ein übergeordnetes Steuergerät 11 steuert den Startvorgang, indem es den Wechselrichter 7, und zwar den Umrichter 7a und den Wandler 7c steuert. Es gibt dem Umrichter 7a Amplitude, Phase und Frequenz der zu erzeugenden Dreiphasenspannung vor. Dem Wandler 7c gibt es den Strombetrag, die Stromrichtung für motorischen Betrieb und ggf. den Betrag der Spannungsheraufsetzung (falls der Bordnetzbatterie 9 Energie entnommen wird) vor. Zum Starten des Dieselmotors 1 steuert das Steuergerät 11 die elektrische Maschine 4 über den Wechselrichter 7 derart, daß die Antriebswelle 2 auf eine hohe, zum Zünden des Kraftstoffs ausreichende Drehzahl angetrieben wird, wobei nicht von einer thermischen Starthilfsanlage Gebrauch gemacht wird.
Die Drehzahl, auf welche der Dieselmotor 1 von der elektrischen Maschine 4 angetrieben wird (zumindest in einem Teilbereich) temperaturabhängig gewählt. Zur Erfassung der Motor- und Außentemperatur ist ein Motortemperatursensor 12a sowie ein Außentemperatursensor 12 b vorgesehen.
Fig. 2 veranschaulicht die Abhängigkeit der Startdrehzahl (d.h. die zum Selbstzünden erforderliche Drehzahl, bei deren Erreichen Kraftstoff eingespritzt wird) von der Temperatur. Zur Vereinfachung sind hier Motor- und Außentemperatur als gleich angenommen; unterschiedliche Werte dieser Temperaturen werden durch ein entsprechendes Kennfeld berücksichtigt. Die gezeichnete Abhängigkeit ist derart, daß die Startdrehzahl von einem Maximum (z.B. 400 min-1) bei der tiefsten Temperatur mit steigender Temperatur abfällt. Oberhalb einer gewissen Temperatur (hier 10°C) wird sie konstant gehalten, befindet sich also in diesem Bereich um einen mit steigender Temperatur zunehmenden Betrag über dem jeweils mindestens erforderlichen Drehzahlwert. Diese Einstellung einer Mindestdrehzahl dient dem Startkomfort. Ein weiterer (hier nicht näher veranschaulichter) temperaturabhängiger Parameter kann die Startdauer sein, d.h. die Dauer mit der der Dieselmotor 1 bei der Startdrehzahl angetrieben wird, bis Kraftstoff eingespritzt wird. Bei niedrigen Temperaturen ist die Startdauer größer als bei hohen, d.h. ihre Temperaturabhängigkeit ähnelt dem in Fig. 2 dargestellten Zusammenhang. Bei der Aufladung des Kondensatorspeichers 10 werden diese Temperaturabhängigkeiten berücksichtigt, indem der Ladungspegel in variabler Weise mindestens so hoch gelegt wird, daß bei der jeweils vorliegenden Temperatur ein sicheres Starten gewährleistet ist. Je nachdem, ob der Kondensatorspeicher 10 dauernd aufgeladen ist oder nur kurz vor dem Starten aufgeladen wird, sorgt das Steuergerät 11 vor dem eigentlichen startvorgang für eine dauernde Nachladung bzw. einmalige Aufladung aus der Bordnetzbatterie auf den o.g. erforderlichen Mindestladepegel. Bei Verwendung einer Batterie als Energiequelle wird deren Kapazität und Leistung ausreichend gewählt, um ein Starten mit erforderlicher Starterdrehzahl bei allen Temperaturen zu gewährleisten.
Bei dem Verfahren gemäß Fig. 3 wird im Schritt S1 zunächst abgefragt, ob ein Kommando zum Starten des Dieselmotors 1 gegeben wurde. Bei der Betriebsweise mit kontinuierlicher Nachladung ist durch vorausgehende (nicht gezeigte) Verfahrensschritte sichergestellt, daß der Kondensatorspeicher 10 ausreichend geladen ist, um den Dieselmotor 1 bei den vorliegenden Temperaturverhältnissen ohne Verwendung von thermischen Starthilfsmitteln sicher starten zu können. Diese Verfahrensschritte umfassen eine Messung der Temperaturen, eine Bestimmung des zum sicheren Starten bei gemessenen Teperaturwerten erforderlichen Aufladungspegels z.B. mit Hilfe eines im Steuergerät 11 gespeicherten Kennfelds ähnlich Fig. 2, und ein Nachladen des Kondensatorspeichers 10 auf den erforderlichen Pegel. Diese Folge von Verfahrensschritten wird während des Motorstillstands laufend wiederholt. Bei der Betriebsweise mit einmaliger Aufladung wird diese Folge einmalig nach dem Startkommando ausgeführt. Im Schritt S2 erfolgt dann eine Messung der Temperaturen (falls dies nicht unmittelbar vorher bereits geschehen ist) und eine Bestimmung der zum sicheren Starten bei den gemessenen Temperaturwerten erforderlichen Startdrehzahl und Startdauer, z.B. mit Hilfe eines im Steuergerät 11 gespeicherten Kennfelds. Ohne Verwendung thermischer Starthilfsmittel (Schritt S3) wird dann im Schritt S4 die Kurbelwelle 2 des Dieselmotors 1 von dem elektrischen Starter 4 mit der vorher bestimmten Startdrehzahl angetrieben. Nach Verstreichen der vorher bestimmten Startdauer beginnt im Schritt S5 die Einspritzung des Kraftstoffs. Im darauffolgenden Schritt S6 startet der Dieselmotor durch Selbstzündung, ohne daß von einer thermischen Starthilfseinrichtung Gebrauch gemacht worden wäre, und zwar auch bei den tiefsten vorkommenden Gebrauchstemperaturen.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Starten eines Dieselmotors (1) eines Kraftfahrzeugs, der kein thermisches Starthilfsmittel aufweist, mit folgenden Schritten:
    die Motortemperatur wird erfaßt;
    in Abhängigkeit von der erfaßten Temperatur wird eine Drehzahl bestimmt, auf die der Dieselmotor (1) zum Starten durch einen elektrischen Direktstarter (4) ohne Verwendung eines thermischen Starthilfsmittels zu bringen ist, wobei diese Drehzahl bei niedriger Temperatur höher als bei hoher liegt;
    der Dieselmotor (1) wird durch den elektrischen Starter (4) direkt auf die bestimmte Drehzahl gebracht und dadurch gestartet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei welchem der elektrische Starter (4) den Dieselmotor (1) im Bereich tiefer Temperaturen auf eine Drehzahl von 400 min-1 oder mehr antreibt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der elektrische Starter (4) den Dieselmotor (1) im Bereich tiefer Temperaturen auf eine Drehzahl von 600 min-1 oder mehr antreibt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem der elektrische Starter (4) den Dieselmotor (1) im Bereich tiefer Temperaturen auf eine Drehzahl von 800 min-1 oder mehr antreibt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum des Dieselmotors (1) erst nach Erreichen der bestimmten Drehzahl erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Dieselmotor (1) verwendet wird, der kleinvolumig ist und insbesondere für die Verwendung in Personenkraftwagen und Kleinnutzfahrzeugen ausgelegt ist.
  7. Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs, mit
    einem Dieselmotor (1), der kein thermisches Starthilfsmittel aufweist
    einem elektrischen Direktstarter (4),
    Mitteln (12a, 12b) zum Erfassen der Motortemperatur und/oder der Außentemperatur, und
    einer Steuerung (11), die den Starter (4) veranlaßt, den Dieselmotor (1) auf eine, in Abhängigkeit von der erfaßten Temperatur variierte Drehzahl zu bringen, die zum Zünden des Kraftstoffs ausreicht, wobei die Drehzahl bei tiefen Temperaturen höher als bei tiefen Temperaturen liegt.
  8. Antriebssystem nach Anspruch 7, wobei die Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum des Dieselmotors (1) erst nach Erreichen der zum Zünden des Kraftstoffs ausreichenden Drehzahl erfolgt.
  9. Antriebssystem nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Dieselmotor (1) kleinvolumig ist und insbesondere für die Verwendung in Personenkraftwagen und Kleinnutzfahrzeugen ausgelegt ist.
  10. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der elektrische Direktstarter (4) als Starter/Generator ausgebildet ist, der permanent mit dem Dieselmotor (1) mitläuft.
  11. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei welchem der elektrische Direktstarter (4) eine wechselrichtergesteuerte Drehstrommaschine ist.
  12. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei welchem die zum Starten erforderliche Energie zumindest teilweise einem Kondensatorspeicher (10) entnommen wird.
  13. Antriebssystem nach Anspruch 12, bei welchem die Vorladung des Kondensatorspeichers (10) temperaturabhängig erfolgt.
  14. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei welchem die zum Starten erforderliche Energie zumindest teilweise einer Batterie entnommen wird.
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