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CN102733965A - 用于尤其在混合动力车中无起动器地起动内燃发动机的方法和装置 - Google Patents

用于尤其在混合动力车中无起动器地起动内燃发动机的方法和装置 Download PDF

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CN102733965A CN2012100856747A CN201210085674A CN102733965A CN 102733965 A CN102733965 A CN 102733965A CN 2012100856747 A CN2012100856747 A CN 2012100856747A CN 201210085674 A CN201210085674 A CN 201210085674A CN 102733965 A CN102733965 A CN 102733965A
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Abstract

本发明涉及一种用于尤其在混合驱动系统（1）中无起动器地起动内燃发动机（2）的方法，其中该内燃发动机（2）的部分气缸（21）由可减压的气缸构成，它们在压缩冲程期间可以减压，具有下面的步骤：-在内燃发动机（2）惯性运行时，调整曲轴（25）的最终位置，其中在惯性运行的最终位置可减压的气缸位于压缩冲程里面，-在要求衔接惯性运行的内燃发动机（2）起动过程时，点燃内燃发动机（2）的一个气缸（21）里面的空气/燃料混合物，它在停机期间位于燃烧冲程里面，用于产生起动内燃发动机（2）的转矩，其中位于压缩冲程的可减压的气缸减压。

Description

用于尤其在混合动力车中无起动器地起动内燃发动机的方法和装置
技术领域
本发明涉及内燃发动机，尤其是用于无起动器地起动内燃发动机的方法。本发明还涉及具有内燃发动机的混合驱动装置，它们可以在需要时提供增加需求的转矩。
背景技术
已知许多用于混合驱动系统的拓扑理论。在实践中使用的混合驱动系统由串联布置的内燃发动机和电动机组成，用于驱动共同的驱动链。在这种混合驱动系统中内燃发动机和电动机的输出轴设置在公共的驱动轴上，它驱动输出轴。
为了实现混合驱动，使内燃发动机和电动机的输出轴可以通过离合器相互分开。由此在低需求转矩时断开内燃发动机并且仅仅通过电动机提供所需的转矩。如果需求更高的转矩，则起动内燃发动机并且借助于离合器耦联驱动链，由此共同地由内燃发动机和电动机提供所需的转矩。也可以选择由内燃发动机提供整个转矩，其中电动机被动地或者也可以作为发电机接通。
但是在这种混合驱动系统中为电动机设计的最大转矩不能用于驱动。其原因之一是，在突然继续提高所需转矩时必须起动内燃发动机的情况必须提前保持备用转矩。通过牵引起动内燃发动机，其中最好通过电动机提供为此的牵引转矩。由电动机在起动内燃发动机的情况下提供的备用转矩可以直到为电动机设计的最大转矩的三分之一。因此所需转矩范围受到为电动机设计的最大转矩的限制或者必需相应更大地设计电动机尺寸。
如果通过这种混合驱动系统驱动汽车，则为了得到行驶舒适性必需尽可能不被司机感到地起动内燃发动机。即，要以尽可能微小的延迟且没有振荡地提高驱动转矩，如果司机在纯电动机行驶运行中要求驱动转矩的时候，要由电动机和内燃发动机对应于驱动策略共同提供驱动转矩。因此在混合驱动系统中不可避免地设有备用转矩，其中为了起动必需通过电动机牵引内燃发动机。
如果要使为电动机设计的最大转矩供在电动机运行中行驶使用，则必需尽可能不提供外部牵引转矩地起动内燃发动机。这一点例如通过在内燃发动机上设有附加起动马达实现。但是这是附加的费用。
此外可以规定，无起动器地起动内燃发动机。为此例如由文献DE 103 42 703 A1已知，将燃料喷射到位于内燃机里面的气缸里面，用于形成能够点燃的空气/燃料混合物，并且在位于压缩冲程中的气缸中在点燃空气/燃料混合物时打开减压阀，用于降低或消除压缩转矩。该减压阀附加地设置在气缸上。但是使用附加的减压阀在技术上是费事的并且在实践中不是实用的解决方案。
也可以借助于排气阀执行减压。文献DE 100 28 473 A1涉及一个用于阀控内燃机减压的装置。该装置包括可直线位移的阀提升器，它与凸轮轴固定的驱动轮内部的U形离心配重连接。在低转速时由压簧构成的进给机构有效，通过它使阀提升器位移到运动轨迹里面。在更高转速时离心配重反作用于进给机构作用力并且使阀提升器完全移动到一个缺口里面，由此使阀提升器不再位于运动轨迹里面。
文献DE 103 16 058 A1也描述了一个减压机构，具有可在凸轮轴上旋转的销子、离心配重，它为了相对于凸轮轴旋转通过销子支承在凸轮轴上，还描述了一个减压凸轮，它与离心配重一起作功，用于施加阀驱动力在发动机阀上。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种方法和一个装置，通过它们可以无需牵引转矩地起动内燃发动机，其中无需附加的减压阀（Dekompressionventil）。
这个目的通过按照权利要求1的用于无起动器地起动内燃发动机的方法以及通过按照从属权利要求的装置、发动机系统、混合驱动系统和计算机程序产品得以实现。
本发明的其它有利扩展结构在从属权利要求中给出。
按照第一方面规定一种用于尤其在混合驱动系统中无起动器地起动内燃发动机的方法。该内燃发动机的部分气缸由可减压的气缸构成，它们在压缩冲程期间可以减压。该方法包括下面的步骤：
-在内燃发动机惯性运行时：调整曲轴的最终位置，其中在惯性运行的最终位置一个可减压的气缸位于压缩冲程里面，
-在要求衔接惯性运行的内燃发动机起动过程时：点燃内燃发动机的一个气缸里面的空气/燃料混合物，它在停机期间位于燃烧冲程里面，用于产生起动内燃发动机的转矩，其中位于压缩冲程的可减压的（dekomprimierbare）气缸减压。
上述方法的构思是，没有起动器（无起动器）或类似设备辅助地起动内燃发动机。这一点由此实现，在内燃发动机中喷射并点燃（gezündet）气缸中的燃料，其活塞位于燃烧冲程中紧邻地在上死点之后的位置，用于实现使曲轴置于运动的转矩。由此实现的曲轴旋转能量足以克服活塞在气缸中的活塞的上死点，气缸接着进入燃烧冲程，用于在那里在下一循环中喷射并点燃燃料，以继续提高曲轴的旋转能量。只要曲轴的旋转能量足以压缩在一个气缸中的满负荷空气量，在接着的工作冲程中就可以在相应的气缸中实现满负荷转矩，它保证发动机的快速加速。
为了避免旋转能量太快地消除，必需在第一点燃过程期间并且可能在紧接着的点燃过程期间保证，排除在位于压缩冲程中的气缸中的压缩。这一点由此实现，打开这个气缸的其中至少一个进气阀和排气阀，由此避免通过相应的气弹簧施加的反转矩，它克服曲轴的旋转。
对于机械触发的排气阀，它们按照给定的规划打开和关闭，由此在压缩冲程期间一般不能打开排气阀。因此使用单缸发动机技术，用于在起动过程期间在压缩冲程期间打开排气阀。在多缸发动机中在凸轮轴的一端上设有可旋转的销子，它配有摆动质量，该摆动质量为了相对于凸轮轴旋转通过销子支承在凸轮轴上，以及设有一个减压凸轮，它与摆动质量共同工作，用于施加阀驱动力在发动机阀门上。
可以规定，调整曲轴的最终位置，方式是在内燃发动机惯性运行中通过调整抽吸的新鲜空气压力、尤其通过调整内燃发动机节流阀调节最终位置。
此外可以调整曲轴的最终位置，方式是使内燃发动机的输出轴电动地运动到最终位置。
按照另一方面规定一个用于尤其在混合驱动系统中无起动器地起动内燃发动机的装置，其中该内燃发动机的部分气缸由可减压的气缸构成，它们在压缩冲程期间可以减压。构成一个控制单元，用于：
-在内燃发动机惯性运行时，调整曲轴的最终位置，其中在惯性运行的最终位置一个可减压的气缸位于压缩冲程里面，
-在要求衔接惯性运行的内燃发动机起动过程时，点燃内燃发动机的一个气缸里面的空气/燃料混合物，它在停机期间位于燃烧冲程里面，用于产生起动内燃发动机的转矩，
-使位于压缩冲程中的可减压的气缸减压。
按照另一方面规定一个发动机系统，包括：
-具有多个气缸的内燃发动机，其中只有内燃发动机的一部分气缸由可减压的气缸构成，它们可以在压缩冲程期间减压，
-上述的装置。
此外可以只设有一个可减压的气缸，其中可减压气缸的排气阀通过减压装置触发，其中该减压装置设置在内燃发动机的凸轮轴上，它控制气缸的进气阀和排气阀的功能。
可以规定，所述减压装置设置在凸轮轴的一端上并且在阀提升器上具有离心配重，其中该阀提升器设计成，在凸轮轴在转速阈值以下的转速时在压缩冲程打开排气阀并且在凸轮轴超过转速阈值的转速时通过离心配重上的离心力使阀提升器这样运动，使排气阀在压缩冲程中保持关闭。
按照另一方面规定一个混合驱动系统，它包括上述的发动机系统和另一驱动装置。
按照另一方面规定一个计算机程序产品，它含有程序编码，当在数据处理装置上执行它的时候，它执行上述的方法。
附图说明
下面借助于附图详细解释本发明的优选实施例。附图中：
图1简示出一个混合驱动系统，具有内燃发动机和电动机，具有公共的驱动链，
图2简示出内燃发动机，
图3示出用于表示在起动过程时转速变化的曲线图，
图4以立体图示出一个凸轮轴，具有阀提升器，用于实现气缸减压，
图5示出用于表示没有起动器转矩地起动内燃发动机的方法的流程图。
具体实施方式
图1简示出一个用于驱动汽车驱动链的混合驱动系统1。该混合驱动系统1包括一个内燃发动机2，它通过第一输出轴3与驱动系统的驱动链4连接。第一输出轴3通过第一离合器5与电动机7的第二输出轴6耦联。在电动机7与驱动链4之间设置第二离合器8，用于使电动机7和内燃发动机2与驱动链4断耦联或者耦联到其上。该驱动链4将由混合驱动系统1提供的驱动转矩通过变速器10分配到驱动轮9上。
借助于驱动控制单元11由混合驱动系统1以适合的方式提供给定的驱动转矩Msoll到驱动链4上。为此在驱动控制单元11里面实现用于混合驱动系统1的运行策略。例如该运行策略规定，对于要求的驱动转矩Msoll仅仅由电动机7提供这个转矩。为此该驱动控制单元11这样触发第一离合器5，使它打开并且使内燃发动机2或其输出轴断耦联，并且闭合第二离合器8，使电动机7与驱动链4连接。第二离合器8通常保持闭合，因为要将汽车带到滚动运行。当所要求的驱动转矩Msoll超过给定的转矩阈值时，则规定，通过内燃发动机2提供附加的转矩，由此由电动机7的驱动转矩和内燃发动机2的驱动转矩共同提供所需的驱动转矩Msoll。
因为通常在纯电动运行时断开内燃发动机2，现在在提高所需驱动转矩Msoll时必须首先通过给定的转矩阈值起动内燃发动机2并且接着闭合第一离合器5，由此内燃发动机2可以提供用于要提供给驱动链4的转矩的贡献。当在运动的行驶运行中由司机要求的驱动转矩Msoll快速地提高到驱动转矩阈值以上时，在常见的混合驱动系统1中为了起动内燃发动机2必需由电动机7提供附加的转矩。所述驱动控制单元11也触发电动机7用于提供增加的驱动转矩同时闭合离合器5，由此使内燃发动机2获得牵引转矩，它对应于由电动机7提供的驱动转矩与由驱动链4接收的转矩之间的差。因此这样选择驱动转矩阈值，为了提供起动转矩可以提供足够的转矩裕量。只有这样才能保证，用于起动内燃发动机2所需的起动转矩不降低驱动转矩，这由于在汽车行驶运行中不舒适的震动可以感觉到。为此电动机7必需设计成提供最大转矩，它明显位于在纯电动运行中由电动机7提供的驱动转矩以上。这导致更大地设计电动机7并且导致不可利用的资源。因此建议，不提供外部转矩地起动内燃发动机2。
在图2中简示出直接喷射的四冲程奥托发动机。图2的内燃发动机2具有四个气缸21，它们位于不同的工作冲程。工作冲程分别通过活塞22在气缸21中的位置和运动方向以及通过进气阀和排气阀23,24的位置定义。为了进一步描述使气缸21以气缸Z1至Z4逐一编号。
在气缸Z1中所示的抽吸冲程中从抽吸管通过打开的进气阀23抽吸空气。这一点通过活塞22的向下运动实现，通过活塞22与曲轴25的耦联引起。
在接着的压缩冲程中，它借助于气缸Z2表示，通过曲轴25的旋转引起的活塞22在减小燃烧室的方向上运动，由此在关闭进气阀和排气阀23,24时压缩位于燃烧室里面的空气。实现压缩，直到活塞22超过上死点。
一旦超过上死点，通过喷射阀26通过直接喷射燃料在燃烧室里面形成空气/燃料混合物，它借助于火花塞27点燃。在这个燃烧冲程中出现燃烧压力，它在下死点方向上驱动活塞并由此在与活塞连接的曲轴25上产生转矩。
一旦活塞22在其运动中在燃烧冲程后已经超过下死点，则通过活塞22的向上运动为了减小燃烧室在打开排气阀24时在排气冲程中排出燃烧废气。
接着重新开始过程，如同结合气缸Z1所述的那样。
为了起动这种内燃发动机2通常需要外部的牵引转矩，它使曲轴25置于旋转，用于在气缸中实现压缩抽吸的空气。因此通过燃烧引起的转矩足以使曲轴25继续加速。尽管通过喷射燃料到位于燃烧冲程的气缸里面即使在气缸燃烧室里面不压缩空气时也产生转矩，但是该转矩通常不足以施加对于压缩抽吸的空气（气缸Z2）必需的压缩转矩，因此没有外部的牵引转矩通常不能起动内燃发动机2。
这一点被克服，方式是在内燃发动机2起动阶段期间在起动内燃发动机之前位于燃烧冲程的气缸里面以减少的充气产生一个转矩同时降低或消除对于同一时刻位于压缩冲程的气缸的压缩转矩。这一点由此得以实现，在相关气缸（在这种情况下气缸Z2）的压缩冲程期间打开排气阀24，用于不能压缩位于气缸里面的空气。因此在曲轴25上仅仅作用摩擦力矩，它们通常可以通过转矩克服，由此通过第一燃烧冲程在起动以后已经产生显著的转速提高。
借助于减压装置使位于压缩冲程中的气缸减压。该减压装置在电触发的进气阀和排气阀23,24中可以在驱动控制单元11里面实现，由此直接在位于压缩冲程的气缸中点燃燃烧以后打开位于压缩冲程中的气缸的排气阀或进气阀23,24，用于在压缩冲程中执行气缸燃烧室里面的减压。前面以Z1-Z2-Z3-Z4描述了气缸的点燃顺序。但是这个顺序也可以与上述不同。例如可以对应于点燃顺序Z1-Z3-Z4-Z2。
在图3中示出在内燃发动机2起动阶段期间转速的示意图。看出由于在气缸Z3中的第一次点燃提高转速。直到第二次点燃气缸Z2 中的空气/燃料混合物，转速再略微降低，之后气缸Z2的活塞22超过上死点并且进入燃烧冲程。通过基本位于环境压力的空气/燃料混合物与前面在气缸Z3中进行的燃烧一样实现在气缸Z2中进行的燃烧。但是第二次燃烧提供转矩，如果曲轴25由于第一次燃烧已经达到一个转速的时候。现在接着的燃烧在压缩抽吸到气缸Z1里面的空气的条件下实现，由此现在可以使在气缸Z1中进行的燃烧以压缩的空气/燃料混合物实现。
通常内燃发动机不配有电子的进气阀和排气阀23,24。取而代之，通过与曲轴25耦联的凸轮轴机械地根据曲轴25的位置操纵它们。在这些情况下必需通过机械干预实现减压。对应于现有技术在单缸内燃发动机中机械地实现进气阀和排气阀23,24的功能并且值得期望的是，也通过机械的措施实现相关气缸的减压。
如图4所示，例如在小摩托车中使用的单缸发动机中可以在凸轮轴40的一端上设有可直线移动的阀提升器41。该凸轮轴40位于阀调节器42上，其中在凸轮轴40上的确定设置的凸起或隆起使阀调节器42在凸轮轴40旋转时克服阀簧43的弹簧力运动。该阀提升器41与离心配重44连接并且在径向上克服（未示出）的压簧活动地设置。该阀提升器41具有进给机构，它在低转速时有效并且在径向上超过凸轮轴40移动，由此位移到运动轨迹里面并且操纵从属排气阀的阀调节器42。在较高转速时离心配重克服压簧力并且使阀提升器41完全移动到缺口里面，由此使这个阀提升器不再位于运动轨迹里面。
所述阀提升器41在初始状态、即在凸轮轴的静止状态移动出来，由此它操纵可减压的气缸的相应排气阀。但是这种机械结构只能对于内燃发动机的一个气缸实现，因为这种实现只能设置在凸轮轴的一端上。
在图中示出用于表示无起动器地起动内燃发动机的方法的流程图。在步骤S1在内燃发动机2的惯性运动中这样定位曲轴25，使可减压的气缸位于压缩冲程，在这里该气缸的排气阀可以通过阀提升器触发。如果在步骤S2识别到要求起动内燃发动机（选择：是），则按照步骤S3在气缸中产生空气/燃料混合物，它位于燃烧冲程。其被在步骤S4中点燃并且同时或还在燃烧冲程以内使可减压的气缸按照步骤S5减压，用于能够低阻力地起动内燃发动机2。
如果内燃发动机2在断开时处于这个位置，在该位置另一气缸、即不可减压的气缸位于压缩冲程，则为了执行无起动器地起动内燃发动机不能进行减压。也值得期望的是，通过驱动控制单元11受控地使内燃发动机这样停止在惯性运行，使内燃发动机总是在一个位置停机，在该位置可减压的气缸位于压缩冲程。可减压气缸的活塞最好在活塞运动或那个位于燃烧冲程的气缸的下死点以后的70至150°、最好90至130°、尤其100至110°的范围，在上死点以后70至150°、最好90至130°、尤其100至110°的范围。
通过在内燃发动机2惯性运行期间相应地调整节流阀可以进行受控地停止内燃发动机2。借助于节流阀这样控制抽吸管中的压力，使反转矩（通过它内燃发动机2停止）以确定的位置停止曲轴25。借助于智能化的转速传感器实现曲轴位置定位，方式是在内燃发动机惯性运行时根据曲轴角度这样触发节流阀，使得通过由此产生的更大或更小的内燃发动机2节流使曲轴25在所期望的位置停止。这种惯性运行调节通过控制单元11实现，它在正常运行中对应于通过要求的理论转矩Msoll确定的充气到气缸里面触发节流阀。
由于不同的原因内燃发动机可能停止在不期望的、不适合于无起动器地起动内燃发动机的曲轴位置。在这种情况下在混合驱动系统中在汽车停止时或者在以由电动机提供的低驱动转矩、即低于给定的阈值的驱动转矩运行时，内燃发动机2可以通过短时间耦联第一离合器5并且相应地触发电动机7为了提供附加的牵引转矩带到适合于无起动器地起动的位置。

Claims (9)

1.一种用于尤其在混合驱动系统（1）中无起动器地起动内燃发动机（2）的方法，其中该内燃发动机（2）的部分气缸（21）由可减压的气缸构成，它们在压缩冲程期间可以减压，具有下面的步骤：
-在内燃发动机（2）惯性运行时，调整曲轴（25）的最终位置，其中在惯性运行的最终位置上可减压的气缸位于压缩冲程里面，
-在要求衔接惯性运行的内燃发动机（2）起动过程时，内燃发动机（2）的气缸（21）里面的空气/燃料混合物点燃，它在停机期间位于燃烧冲程里面，用于产生起动内燃发动机（2）的转矩，其中位于压缩冲程的可减压的气缸减压。
2.如权利要求1所述的方法，其中调整曲轴（25）的最终位置，方式是在内燃发动机（2）惯性运行中通过调整抽吸的新鲜空气压力、尤其通过调整内燃发动机（2）节流阀调节最终位置。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中调整曲轴（25）的最终位置，方式是使内燃发动机（2）的输出轴（3）电动地运动到最终位置。
4.用于尤其在混合驱动系统（1）中无起动器地起动内燃发动机（2）的装置，其中该内燃发动机（2）的部分气缸（21）由可减压的气缸（21）构成，它们在压缩冲程期间可以减压，具有控制单元（11），其用于：
-在内燃发动机（2）惯性运行时，调整曲轴（25）的最终位置，其中在惯性运行的最终位置可减压的气缸位于压缩冲程里面，
-在要求衔接惯性运行的内燃发动机（2）的起动过程时，点燃内燃发动机（2）的气缸（21）里面的空气/燃料混合物，它在停机期间位于燃烧冲程里面，用于产生起动内燃发动机（2）的转矩，
-使位于压缩冲程中的可减压的气缸减压。
5.发动机系统（1），包括：
-具有多个气缸（21）的内燃发动机（2），其中只有内燃发动机的一部分气缸（21）由可减压的气缸构成，它们可以在压缩冲程期间减压，
-如权利要求4所述的装置。
6.如权利要求5所述的发动机系统（1），其中只设有一个可减压的气缸，其中可减压气缸的排气阀（24）通过减压装置（41）触发，其中该减压装置设置在内燃发动机（2）的凸轮轴（40）上，它控制气缸（21）的进气阀和排气阀（23,24）的功能。
7.如权利要求6所述的发动机系统，其中所述减压装置设置在凸轮轴（40）的一端上并且在阀提升器（41）上具有离心配重（44），其中该阀提升器（41）设计用于，在凸轮轴（40）在转速阈值以下的转速时在压缩冲程打开排气阀（24）并且在凸轮轴（40）超过转速阈值的转速时通过离心配重（44）上的离心力使阀提升器（41）运动，使排气阀（24）在压缩冲程中保持关闭。
8.混合驱动系统（1），包括：
-如权利要求6或7所述的发动机系统，
-另外的驱动装置。
9.计算机程序产品，它含有程序编码，当在数据处理装置上执行它的时候，它执行如权利要求1至3中任一项所述的方法。
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