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DE102014209737B4 - Starten einer kraftmaschine eines hybridelektrofahrzeugs mit einer vorgespannten dämpferfeder - Google Patents

Starten einer kraftmaschine eines hybridelektrofahrzeugs mit einer vorgespannten dämpferfeder Download PDF

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DE102014209737B4
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Ford Global Technologies LLC
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Abstract

Verfahren zum Starten einer Kraftmaschine (12), das Folgendes umfasst:(a) vor dem Anschleppen der Kraftmaschine (12), Vorspannen einer Feder eines Torsionsdämpfers (24) durch Übertragen von Drehmoment, das eine geringere Höhe als das Drehmoment zum Anschleppen der Kraftmaschine (12) von einem elektrischen Motor (26) aufweist, durch eine Kupplung auf die Feder;(b) Erhöhen der Drehmomentkapazität der Kupplung (14);(c) Verwenden des elektrischen Motors (26) zum Anschleppen der Kraftmaschine (12) als Reaktion auf einen Befehl zum Starten der Kraftmaschine (12).

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Starten einer Kraftmaschine eines Hybridelektrofahrzeugs (HEV - Hybrid Electric Vehicle) durch Übertragen von Drehmoment von einem Startermotor durch eine Kupplung und einen Dämpfer auf die Kraftmaschine.
  • Ein modulares Hybridgetriebe (MHT - Modular Hybrid Transmission) ist eine Anordnung von Antriebsstrangkomponenten, die einen Parallelhybridelektroantrieb erzeugt. Der Antriebsstrang enthält einen Torsionsdämpfer, eine Getriebepumpe, eine elektrische Maschine und einen Drehmomentwandler, die in Reihe zwischen einer Kraftmaschine und einem Getriebe angeordnet sind.
  • Der Torsionsdämpfer kann während eines Kraftmaschinenneustarts aufgrund des hohen Drehmoments, das zum Anschleppen der Kraftmaschine verwendet wird, zum Anschlag gebracht werden oder schwingen. Dieses Anschlagen des Dämpfers kann das Schwungrad beschädigen oder die Steuerung von Kraftmaschineneustarts, die gleichmäßig sein sollten, negativ beeinflussen. Der Kraftmaschinenneustart kann unter Verwendung eines Zweimassen-Schwungrads erfolgen.
  • In der Druckschrift DE 10 2012 201 102 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Start einer Brennkraftmaschine mit über einen Drehwinkel deren Kurbelwelle wellenförmig verlaufendem Summenmoment mittels einer mit der Kurbelwelle drehgekoppelten Elektromaschine und zwischen Kurbelwelle und Elektromaschine wirksamen Drehelastizität beschrieben, wobei zu Beginn eines Startvorgangs die zwischen zwei Wellenbergen des Summenmoments stehende Kurbelwelle mittels der Elektromaschine entgegen einer Drehrichtung der Kurbelwelle im Betrieb der Brennkraftmaschine um einen vorgegebenen Drehwinkel mit kleinerem Summenmoment als einem maximalen Summenmoment verdreht und die Drehelastizität vorgespannt und anschließend unter Drehrichtungsumkehr mittels der Elektromaschine zur Überwindung des maximalen Summenmoments beschleunigt wird.
  • In der Druckschrift US 2012 / 0 234 282 A1 wird ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine in einem Hybridfahrzeug des parallelen Typs beschrieben, worin ein Motorantriebsschritt zur entgegengesetzten Drehung zum Anwenden eines Stroms zur entgegengesetzten Drehung an einem Motor umfasst ist, um eine Motorausgabewelle, die mit dem Motor verbunden ist, von einer Anfangsdrehposition, bei der eine Drehung des Motors beginnt, in eine entgegengesetzte Richtung anzutreiben, die zu einer Drehung in einer normalen Drehrichtung für die Motorausgabewelle entgegengesetzt ist.
  • Ein Verfahren zum Starten einer Kraftmaschine umfasst Vorspannen einer Feder eines Torsionsdämpfers durch Übertragen von Drehmoment, das eine geringere Höhe als das Drehmoment zum Anschleppen der Kraftmaschine von einem elektrischen Motor aufweist, durch eine Kupplung auf die Feder vor dem Anschleppen der Kraftmaschine Erhöhen der Drehmomentkapazität der Kupplung, und Verwenden des elektrischen Motors zum Anschleppen der Kraftmaschine als Reaktion auf einen Befehl zum Starten der Kraftmaschine.
  • Durch das Verfahren werden Kraftmaschinenschwingung beim Starten und die Variabilität eines Kraftmaschinestarts reduziert.
  • Das Verfahren reduziert die Dauer eines Kraftmaschinenstarts durch Beseitigen des Erfordernisses, nach dem Ausgeben eines Befehls zum Starten der Kraftmaschine von einer Kraftmaschinensteuerung eine Federverschiebung zu erzeugen. Wenn ein Kraftmaschinenneustart unmittelbar bevorsteht, wird der Dämpfer durch eine Trennkupplung vorgespannt.
  • Der Anwendungsumfang der bevorzugten Ausführungsform geht aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen hervor. Es versteht sich, dass die Beschreibung und spezielle Beispiele zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen, aber nur der Veranschaulichung dienen. Verschiedene Änderungen und Modifikationen an den beschriebenen Ausführungsformen und Beispielen werden für den Fachmann offensichtlich.
  • Durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung verständlicher; in den Zeichnungen zeigen:
    • 1 ein Schemadiagramm, das eine Anordnung von Komponenten zeigt, die mit dem Antriebsstrang für ein HEV in Zusammenhang stehen;
    • 2 Verfahrensschritte zum Starten der Kraftmaschine von 1; und
    • 3 ein Schaubild, das die Variationen bei der Federverschiebung und dem Federmoment während des Verfahrens zum Starten der Kraftmaschine zeigt.
  • 1 zeigt eine MHT-Konfiguration von Komponenten des Antriebsstrangs 10, der eine Brennkraftmaschine 12, eine Kraftmaschinentrennkupplung 14, eine Hochspannungsbatterie 16, einen Hochspannungs-Niederspannungs-DC/DC-Wandler 18, eine Niederspannungsbatterie 20, einen Niederspannungsstarter 22, einen Torsionsdämpfer 24, eine elektrische Maschine 26, einen Drehmomentwandler 28, eine Drehmomentwandler-Bypass-Kupplung 30, ein Übertragungsgetriebe 32, eine Antriebswelle 34, ein Achsantriebsgetriebe 36, Halbwellen 38, 40, und angetriebene Räder 42, 44 enthält.
  • Der Torsionsdämpfer 24 umfasst eine Schraubenfeder oder einen Mechanismus, der mehrere Schraubenfedern enthält, wobei auf den Dämpfer angewendete Torsion eine Verschiebung des Federmechanismus bewirkt.
  • Eine Getriebehauptpumpe 46, die von dem Motor 26 angetrieben wird, führt dem Hydrauliksystem des Getriebes 32 und dem Drehmomentwandler 28 mit Druck beaufschlagtes Hydraulikfluid zu. Eine Hilfsölpumpe 48, die von einem nicht gezeigten Elektromotor angetrieben wird, führt dem Hydrauliksystem des Getriebes 32 und dem Drehmomentwandler 28 mit Druck beaufschlagtes Hydraulikfluid zu, wenn die Kraftmaschine abgeschaltet ist.
  • Die Brennkraftmaschine (ICE - Internal Combustion Engine) 12 ist durch die Trennkupplung 14, die die Kraftmaschine zur Erfüllung von Betriebsanforderungen des Hybridfahrzeugs in verschiedenen Modi dem Antriebsstrang zuschalten und daraus wegschalten kann, mit der elektrischen Maschine 26 und dem Getriebe 32 verbunden.
  • Die elektrische Hochspannungsmaschine 26 ist an der Pumpenradwelle 50 des Drehmomentwandlers 28 befestigt. Die elektrische Maschine 26 wird durch die Hochspannungsbatterie 16 mit Energie versorgt.
  • Der HEV-Antriebsstrang 10 könnte die gleichen Getriebeteile wie herkömmliche Fahrzeuge, jedoch einen anderen Steueralgorithmus aufweisen, z. B. könnte ein normales Stufengetriebe zum Antrieb des Fahrzeugs in dem Antriebsstrang verwendet werden.
  • Der bei dieser Konfiguration verwendete Drehmomentwandler 28 ist vorzugsweise identisch mit dem in herkömmlichen Automatikgetrieben verwendeten Drehmomentwandler. Wenn die Bypass-Kupplung 30 geöffnet ist, besteht die Möglichkeit einer Differenzdrehzahl zwischen der Getriebeeingangswelle 52 und der Pumpenradwelle 50. Wenn die Bypass-Kupplung 30 geschlossen ist, sind das Pumpenrad und das Turbinenrad des Drehmomentwandlers mechanisch verbunden, wobei in diesem Fall die Drehzahlen der elektrischen Maschine 26 und der Getriebeeingangswelle 52 im Wesentlichen identisch sind.
  • Alternativ dazu können andere Arten von Automatikgetrieben bei dem MHT-Antriebsstrang 10 verwendet werden, z. B. ein stufenloses Getriebe (CVT - Continuously Variable Transmission) mit einem mit zwei Riemenscheiben in Eingriff stehenden Antriebsriemen oder ein automatisiertes Handschaltgetriebe. Der Hybridbetrieb insgesamt ist ähnlich; Einzelheiten des den Motor vom Getriebe trennenden Mechanismus sind jedoch verschieden.
  • Der Torsionsdämpfer 24 ist eine mechanische Komponente mit der Hauptfunktion der Regulierung oder Beseitigung von hochfrequenter Torsionsschwingung im bzw. aus dem Antriebsstrang 10. Die Kraftmaschine 12 wird zum Start durch den Hochspannungsmotor 26 angeschleppt.
  • Um ein Mindestdrehmoment für einen Kraftmaschinenstart zu erreichen, wird eine Feder in dem Dämpfer 24 gemäß einer Bezugswinkelverschiebung torsionsartig gewickelt. Ein Zeitraum von einigen wenigen Hundert Millisekunden ist erforderlich, bis die Winkelverschiebung der Feder ausreichend ist. Während dieses Zeitraums speichert die Dämpferfeder durch den Motor 26 übertragene potenzielle Energie. Eine derartige Winkelverschiebung der Feder während dieses Vorgangs kommt bei einem herkömmlichen Fahrzeugantriebsstrang, bei dem ein Startermotor in der Form eines Getriebemotors zum direkten Anschleppen der Kraftmaschine verwendet wird, nicht vor.
  • 2 zeigt die Ablaufschritte oder -phasen eines Kraftmaschinenstarts eines herkömmlichen Antriebsstrangs. Das Speichern potenzieller Energie in einem Dämpfer erfolgt in der ersten Phase 60 durch Erzeugung einer Winkelverschiebung des Federmechanismus des Dämpfers. Vorzugsweise weist der Federmechanismus des Dämpfers zwei Phasen elastischer Steifigkeit, wie in 3 gezeigt, auf. Die Federkonstante 62 der ersten Phase ist niedriger als die Federkonstante 72, so dass eine relativ große Federverschiebung, entweder eine Winkelverschiebung oder eine Axialverschiebung, auftritt.
  • Der für einen Kraftmaschinenstart im Antriebsstrang 10 erforderliche Zeitraum wird dadurch verkürzt, dass die erste Phase 60 bei den Verfahrensschritten zum Starten der Kraftmaschine, die nach der Ausgabe eines Signals, das einen Befehl zum Starten der Kraftmaschine 12 darstellt, von einer Kraftmaschinensteuerung durchgeführt werden, ausgelassen wird. Dieser Zeitraum wird verkürzt, da eine Antriebsstrangsteuerung bei unmittelbarem Bevorstehen eines Kraftmaschinenstarts und vor dem Anschleppen der Kraftmaschine die Trennkupplung 14 vorzugsweise unter Verwendung von Hydraulikdruck zur Erzeugung einer Drehmomentübertragungskapazität 64 der Kupplung 14 betätigt, so dass der Federmechanismus des Dämpfers 24 mit durch die Kupplung 14 von der elektrischen Maschine 26, die als ein Startermotor funktioniert, übertragener potenzieller Energie vorgespannt wird.
  • Das Vorlastmoment an der Kupplung 14 sollte etwas geringer als das zur Drehung der Kraftmaschinenkurbelwelle 68 aus einer stationären Position erforderliche Mindestdrehmoment 66, d.h. geringer als Kraftmaschinenanschleppdrehmoment, sein. Das Mindestdrehmoment 66 zum Anschleppen der Kraftmaschine 12 wird unter Bezugnahme auf das statische Reibungsmoment der Kraftmaschinenkurbelwelle 68, der Kraftmaschinenzusatzlast und des Drehmoments, das für ein Komprimieren der Luft in den Kraftmaschinenzylindern 70 durch die Kraftmaschinenkolben erforderlich ist, bestimmt.
  • Wenn ein Kraftmaschinenstart von dem Steuersystem angesteuert wird, wird die Drehmomentkapazität der Kupplung 14 ausreichend erhöht, so dass die Kupplung ein Drehmoment, das eine größere Höhe als das Drehmoment 66 zum Anschleppen der Kraftmaschine aufweist, von der elektrischen Maschine 26 durch den Dämpfer 24 auf die Kraftmaschinenkurbelwelle 68 übertragen kann. Der Dämpfer 24 kann einen zweiten Betriebsbereich aufweisen, dessen Federkonstante 72 größer als die Federkonstante 62 ist. Während die Kraftmaschine 12 durch die als ein Startermotor 26 wirkende elektrische Maschine angeschleppt wird, ist die Federkonstante des Dämpfers 24 ungeachtet der Anzahl an Federkonstanten des Dämpfers 24 jedoch im niedrigsten Bereich 62.
  • Wenn die Höhe des an die Kurbelwelle der Kraftmaschine 12 angelegten Drehmoments das Mindestdrehmoment für einen Kraftmaschinenstart überschreitet, tritt die Kraftmaschine 12 in die Anschleppphase 74 ein. Danach wird der Kraftmaschine 12 Kraftstoff 76 zugeführt und die Kraftmaschinendrehzahl wird auf Kraftmaschinenleerlaufdrehzahl gesteuert 78, wodurch die Kraftmaschinenstartprozedur abgeschlossen wird.
  • Der Niederspannungsstarter 22 wird zum Starten der Kraftmaschine verwendet, wenn es keine elektrische Energie gibt, wie z. B. wenn die Ladung der Hochspannungsbatterie 16 zum Anschleppen und Starten der Kraftmaschine durch den Betrieb der elektrischen Maschine 26, Kupplung 14 und des Dämpfers 24, wie beschrieben wurde, nicht ausreichend ist.
  • Die bevorzugte Ausführungsform ist gemäß den Vorschriften der Patentbestimmungen beschrieben worden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die alternativen Ausführungsformen auch auf andere Weise durchgeführt werden können, als speziell dargestellt und beschrieben wurde.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Starten einer Kraftmaschine (12), das Folgendes umfasst: (a) vor dem Anschleppen der Kraftmaschine (12), Vorspannen einer Feder eines Torsionsdämpfers (24) durch Übertragen von Drehmoment, das eine geringere Höhe als das Drehmoment zum Anschleppen der Kraftmaschine (12) von einem elektrischen Motor (26) aufweist, durch eine Kupplung auf die Feder; (b) Erhöhen der Drehmomentkapazität der Kupplung (14); (c) Verwenden des elektrischen Motors (26) zum Anschleppen der Kraftmaschine (12) als Reaktion auf einen Befehl zum Starten der Kraftmaschine (12).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Vorspannen der Feder ferner Erzeugen einer Winkelverschiebung der Feder umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Vorspannen der Feder ferner Erzeugen einer Verschiebung der Feder umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (a) ferner Bestimmen der Höhe des Drehmoments unter Bezugnahme auf das statische Reibungsmoment der Kraftmaschinenkurbelwelle (68), der Kraftmaschinenzusatzlast oder des Drehmoments, das für ein Komprimieren der Luft in den Kraftmaschinenzylindern (70) durch die Kraftmaschinenkolben erforderlich ist, umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Feder über einen Federverschiebungsbereich vorgespannt wird, wobei eine relativ niedrige Federkonstante (62) in Betrieb ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Feder als ein Dämpfer über einen Federverschiebungsbereich wirkt, wobei eine relativ hohe Federkonstante in Betrieb ist, während die Kraftmaschine (12) angeschleppt wird und nachdem die Kraftmaschine (12) gestartet wurde.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Drehmomentkapazität der Kupplung (14) auf eine Höhe erhöht wird, die größer als eine Höhe des Drehmoments zum Anschleppen der Kraftmaschine (12) ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: Zuführen von Kraftstoff zur Kraftmaschine (12); und Steuern (78) der Kraftmaschinendrehzahl auf Kraftmaschinenleerlaufdrehzahl.
  9. Verfahren zum Starten einer Kraftmaschine (12), das Folgendes umfasst: (a) vor dem Anschleppen der Kraftmaschine (12), Vorspannen einer Feder eines Torsionsdämpfers (24) durch Übertragen von Drehmoment, das eine geringere Höhe als das Drehmoment zum Anschleppen der Kraftmaschine (12) von einem elektrischen Motor (26) aufweist, durch eine Kupplung (14) auf die Feder; (b) Verwenden des elektrischen Motors (26) zum Anschleppen der Kraftmaschine (12) als Reaktion auf einen Befehl zum Starten der Kraftmaschine (12).
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei Vorspannen der Feder ferner Erzeugen einer Winkelverschiebung der Feder umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei Vorspannen der Feder ferner Erzeugen einer Verschiebung der Feder umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, wobei Schritt (a) ferner Bestimmen der Höhe des Drehmoments unter Bezugnahme auf das statische Reibungsmoment der Kraftmaschinenkurbelwelle (68), der Kraftmaschinenzusatzlast oder des Drehmoments, das für ein Komprimieren der Luft in den Kraftmaschinenzylindern (70) durch die Kraftmaschinenkolben erforderlich ist, umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Feder über einen Federverschiebungsbereich vorgespannt wird, wobei eine relativ niedrige Federkonstante in Betrieb ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Feder als ein Dämpfer über einen Federverschiebungsbereich wirkt, wobei eine relativ hohe Federkonstante in Betrieb ist, während die Kraftmaschine (12) angeschleppt wird und nachdem die Kraftmaschine (12) gestartet wurde.
  15. Verfahren nach Anspruch 9, das ferner Folgendes umfasst: Zuführen von Kraftstoff (76) zur Kraftmaschine (12); und Steuern (78) der Kraftmaschinendrehzahl auf Kraftmaschinenleerlaufdrehzahl.
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