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Dokumentenidentifikation DE102005018598A1 08.12.2005
Titel Motorstartvorrichtung
Anmelder Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota, Aichi, JP
Erfinder Kusumi, Hidetoshi, Toyota, Aichi, JP;
Mitai, Kentaro, Kariya, Aichi, JP
Vertreter Kuhnen & Wacker Patent- und Rechtsanwaltsbüro, 85354 Freising
DE-Anmeldedatum 21.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005018598
Offenlegungstag 08.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.12.2005
IPC-Hauptklasse F02N 17/00
Zusammenfassung Eine Startvorrichtung für einen Motor weist eine Mehrzahl von Zylindern und eine Antriebswelle auf. Die Vorrichtung weist eine Leistungsversorgung, einen Wechselrichter mit einem Schaltelement, einen Motorgenerator, eine ECU, einen Kurbelwinkelsensor auf. Der Motor-Generator ist mit der Antriebswelle gekoppelt und mit der Leistungsversorgung durch den Wechselrichter verbunden. Die ECU erregt den Motor-Generator durch Steuern des Wechselrichters, wenn der Motor gestartet wird. Die ECU bewirkt, daß in einem spezifischen Zylinder, der ein Kraftstoff-Luftgemisch enthält und sich bei einem Motorstoppzustand in einem Arbeitshub befindet, eine Zündung eintritt. Der Kurbelwinkelsensor erfaßt indirekt eine Drehzahl des Motor-Generators. Nachdem die Zündung bewirkt worden ist, verhindert die ECU, daß der Motor-Generator erregt wird, bis die erfaßte Drehzahl einen vorbestimmten Wert erreicht oder überschritten hat. Infolgedessen schränkt die Vorrichtung einen übermäßigen Anstieg der Temperatur eines Schaltelements ein.

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motorstartvorrichtung, die einen Elektromotor aufweist, der eine Hilfsantriebskraft erzeugt, die zur Unterstützung beim Anlassen eines Motors verwendet wird.

Die japanische Patentoffenlegungsschrift 6-62553 offenbart eine Motorstartvorrichtung, die bewirkt, daß ein Elektrogenerator, wie z. B. ein Wechselstromgenerator, als ein Elektromotor funktioniert, wodurch er ein Anlassen eines Motors unterstützt. Bei dieser Konfiguration wird der Motorgenerator erregt, um ein Anlassen des Motors zu unterstützen. Wenn die Drehzahl des Motors einen vorbestimmten Wert erreicht, beginnt der Motor zu zünden und sich von alleine zu drehen. Ein Umschalten zwischen Erregung und Erregungsstopp des Motorgenerators wird allgemein durch Steuern eines Wechselrichters mit einem Schaltelement ausgeführt.

Wird ein nicht rotierender Motorgenerator erregt, fließt ein Strom (Statorstrom), der durch die nachstehende Gleichung (1) dargestellt ist, durch den Stator des Motorgenerators. Statorstrom = Leistungsversorgungsspannung/(Statorwiderstand + Verdrahtungswiderstand)(1)

Der Verdrahtungswiderstand in der Gleichung (1) bezieht sich auf den Widerstand von Teilen zwischen der Leistungsversorgung und dem Motorgenerator mit Ausnahme des Stators.

In dem Schaltelement wird eine Kollektor-Verlustleistung, die proportional zum Statorstrom im Quadrat ist, erzeugt. Die Kollektor-Verlustleistung sorgt für die Erzeugung von Joule-Wärme, die die Temperatur des Schaltelements erhöht. Die Drehzahl- und Stromstärken-Kennlinien hingegen stehen im Motorgenerator in folgender Beziehung zueinander. Die Statorstromstärke ist nämlich hoch, wenn die Drehzahl niedrig ist, und nimmt ab, wenn die Drehzahl ansteigt. Wird der nicht arbeitende Motor gestartet, wird daher, wenn die Drehzahl des Motorgenerators niedrig ist, ein Statorstrom mit hoher Stromstärke erzeugt, der die Temperatur des Schaltelements beträchtlich erhöht.

Bei Andauern eines solchen Zustands, in dem während des Startens des Motors in einem Fall ein Statorstrom mit hoher Stromstärke fließt, in dem ein Allzweck-Schaltelement mit einem relativ niedrigen Wärmewiderstand verwendet wird, kann die Temperatur des Elements die Nenntemperatur des Elements übersteigen. Dieser Zustand kann beispielsweise eintreten, wenn die Motorreibung groß ist und sich der Motorgenerator während des Startens des Motors nicht dreht (gesperrt ist). Im allgemeinen wird eine Erregungs-Stoppfunktion aktiviert, bei der eine Erregung des Motorgenerators gestoppt wird, wenn der Motorgenerator ab dem Start der Erregung für eine vorbestimmte Zeitdauer (beispielsweise mehrere Zehntel Millisekunden) nicht zu arbeiten beginnt. Diese Funktion wird als Sperr-Schutzfunktion bezeichnet. Bis die Funktion aktiviert ist, fließt weiterhin ein Statorstrom mit hoher Stromstärke.

Zur Vermeidung derartiger Nachteile sind Vorschläge für Schaltelemente mit einem niedrigen An-Widerstand oder einer erhöhten Wärmekapazität gemacht worden. Ein Schaltelement mit einem niedrigen An-Widerstand ist so gestaltet, daß der Innenwiderstand reduziert ist, um so zu ermöglichen, daß ein Strom mit hoher Stärke hindurchgelangen kann. Ein Schaltelement mit einer erhöhten Wärmekapazität hält einer hohen Temperatur stand.

Da Schaltelemente mit einem niedrigen An-Wiederstand und Schaltelemente mit einer erhöhten Wärmekapazität eine Neuentwicklung darstellen und somit kostspielig sind, werden dadurch die Kosten für eine Motorstartvorrichtung beträchtlich erhöht. Somit besteht Bedarf an einer Motorstartvorrichtung, die die vorstehend beschriebenen Nachteile ohne Verwendung von solch kostspieligen Schaltelementen aufhebt.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Motorstartvorrichtung zu schaffen, die einen übermäßigen Anstieg der Temperatur eines Schaltelements einschränkt, wenn ein Strom mit hoher Stärke durch das Schaltelement gelangt.

Zur Lösung der vorstehenden und weiteren Aufgaben und dem Zweck der vorliegenden Erfindung entsprechend wird eine Startvorrichtung für einen Motor mit einer Mehrzahl von Zylindern und einer Abtriebswelle geschaffen. Die Vorrichtung weist eine Leistungsversorgung, einen Wechselrichter mit einem Schaltelement und einen Motorgenerator, einen Erregungs-Steuerungsabschnitt, einen Zündabschnitt, einen Drehzahl-Erfassungsabschnitt und einen Erregungs-Verhinderungsabschnitt auf. Der Motorgenerator ist mit der Abtriebswelle gekoppelt und mit der Leistungsversorgung durch den Wechselrichter verbunden. Der Erregungs-Steuerungsabschnitt erregt den Motorgenerator durch Steuern des Wechselrichters, wenn der Motor gestartet wird. Der Zündabschnitt bewirkt, daß in einem spezifischen Zylinder, der ein Kraftstoff-Luftgemisch enthält und sich bei einem Motorstoppzustand in einem Arbeitshub befindet, eine Zündung stattfindet, wodurch die Abtriebswelle gedreht wird. Der Drehzahl-Erfassungsabschnitt erfaßt direkt oder indirekt eine Drehzahl des Motorgenerators. Nach der durch den Zündabschnitt bewirkten Zündung, verhindert der Erregungs-Verhinderungsabschnitt, daß der Erregungs-Steuerungsabschnitt den Motorgenerator erregt, bis die durch den Drehzahl-Erfassungsabschnitt erfaßte Drehzahl einen vorbestimmten Wert erreicht oder überschritten hat.

Ferner sieht die vorliegende Erfindung ein Startverfahren für einen Motor vor, dessen Abtriebswelle mit einem Motorgenerator gekoppelt ist. Der Motorgenerator ist durch einen Wechselrichter mit Schaltelement mit einer Leistungsversorgung verbunden. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Bewirken, daß in einem spezifischen Zylinder, der ein Kraftstoff-Luftgemisch enthält und sich bei einem Motorstoppzustand in einem Arbeitshub befindet, eine Zündung stattfindet, wodurch die Abtriebswelle gedreht wird; und Erregen des Motorgenerators durch Steuern des Wechselrichters, wenn die Drehzahl des Motorgenerators nach der Zündung einen vorbestimmten Wert erreicht oder überschritten hat.

Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen, die die Grundsätze der Erfindung beispielhaft veranschaulichen, näher erläutert.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung wird zusammen mit deren Aufgaben und Vorteilen unter Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung der derzeit bevorzugten Ausführungsformen zusammen mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht, die eine Gesamtkonfiguration einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;

2 ein Zeitdiagramm, das die Zeitsteuerung der Kraftstoffeinspritzung bezogen auf eine Anlaßstoppositions-Steuerung der Ausführungsform von 1 darstellt;

3 ein Flußdiagramm, das einen Prozeß zum automatischen Starten des Motors der Ausführungsform von 1 darstellt;

4 einen Graphen, der die Beziehung zwischen der Drehzahl eines M/G und einem durch ein Starten bewirkten Temperaturanstiegsbetrag Tm darstellt; und

5 ein Flußdiagramm, das einen Teil eines Prozesses zum automatischen Starten des Motors gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN (Erste Ausführungsform)

Eine Motorstartvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 1 bis 4 beschrieben.

1 ist eine schematische Ansicht, die die Motorstartvorrichtung, einen Motor 11, auf den die Vorrichtung angewendet wird, und dessen Umgebung darstellt. Zunächst erfolgt eine Beschreibung des Motors 11 und dessen Umgebung.

Der Motor 11 ist mit einem Automatikgetriebe 13 mit einem Drehmomentwandler 12 gekoppelt. Die Leistungsabgabe des Motors 11 wird an die Antriebsräder (nicht gezeigt) durch eine Kurbelwelle 11a, den Drehmomentwandler 12 und eine Abtriebswelle 13a des Automatikgetriebes 13 übertragen.

Der Motor 11 ist ebenfalls mit verschiedenen Zusatzvorrichtungen 20, wie z. B. einem für die Klimaanlage verwendeten Kompressor, einer Servolenkungspumpe und einer Wasserpumpe zum Kühlen des Motors 11 gekoppelt. Die Leistungsabgabe des Motors 11 wird zudem durch eine elektromagnetische Kupplung 21, die mit der Kurbelwelle 11a gekoppelt ist, und eine Motorriemenscheibe 22 an einen Riemen 23 übertragen. Während sich der Riemen 23 dreht, wird eine Zusatzvorrichtungs-Riemenscheibe 24, die mit den Zusatzvorrichtungen 20 gekoppelt ist, gedreht. Das Zusatzvorrichtungs-Antriebssystem kann anstelle der Riemenscheiben 22, 24 und dem Riemen 23 Zahnräder und Ketten aufweisen. Die Kurbelwelle 11a wird mit und von dem Zusatzvorrichtungs-Antriebssystem selektiv verbunden und getrennt, während die elektromagnetische Kupplung 21 ein- und ausgerückt wird.

Ferner ist der Motor 11 mit einem Startermotor 30 zum Anlassen des Motors 11 gekoppelt.

Die Motorstartvorrichtung weist einen Motorgenerator (der nachstehend als M/G bezeichnet wird) 40, einen Wechselrichter 41, eine Batterie 42 und eine elektronische Steuerungseinheit (ECU) 43 auf. Der M/G 40 funktioniert als ein Generator und ein Elektromotor. Der Wechselrichter 41 steuert die Funktion des M/G 40 an. Die Batterie 42 versorgt den M/G 40 mit Elektrizität. Die ECU 43 steuert den Betrieb des M/G 40.

Eine M/G-Riemenscheibe 40a ist mit einer Drehwelle des M/G 40 gekoppelt, und der Riemen 23 liegt an der M/G-Riemenscheibe 40a an. Die charakteristischen Merkmale, wie z. B. Durchmesser der M/G-Riemenscheibe 40a und der Motorriemenscheibe 22, sind so festgelegt, daß die Drehwelle des M/G 40 sich beispielsweise mit der doppelten Geschwindigkeit der Kurbelwelle 11a dreht. Beim Empfangen von Elektrizität von der Batterie 42 funktioniert der M/G 40 als ein Elektromotor und überträgt ein Drehmoment an den Motor 11 (die Kurbelwelle 11a) und die Zusatzvorrichtungen 20. Wird er durch ein durch den Motor 11 aufgebrachtes Drehmoment angetrieben, funktioniert der M/G 40 als ein Generator. Das heißt, daß der M/G 40 das aufgebrachte Drehmoment in Elektrizität umwandelt und damit die Batterie 42 auflädt. Wenn der sich nicht drehende M/G 40 zum Anlassen erregt wird, fließt ein Statorstrom, der durch die vorstehende Gleichung (1) dargestellt wird, durch den Stator des M/G 40.

Der Wechselrichter 41 weist ein Schaltelement 44 auf. Das Schaltelement 44 steuert den M/G 40 zwischen der Generatorfunktion und der Elektromotorfunktion an. In dieser Ausführungsform wird ein kostengünstiger Isolierschicht-Feldeffekttransistor (MOS-FET), der eine relativ geringe Wärmekapazität aufweist, als das Schaltelement 44 verwendet. Im allgemeinen wird die Kollektor-Verlustleistung, die proportional zum Statorstrom im Quadrat steht, in dem Schaltelement 44 erzeugt. Die Kollektor-Verlustleistung erzeugt Joule-Wärme, was für den Anstieg der Temperatur des Schaltelements 44 sorgt.

Die ECU 43 ist mit verschiedenen Sensoren zum Erfassen des Zustands des Motors 11 und des Fahrzeugs und verschiedenen Schaltern verbunden. Die ECU 43 empfängt Erfassungssignale von den Sensoren und Schaltern. Die Sensoren und Schalter weisen beispielsweise folgende auf:

Einen Kurbelwinkelsensor 51 zum Erfassen eines Drehwinkels der Kurbelwelle 11a

Einen Fahrpedalsensor 52 zum Erfassen des Verstellwegs eines Fahrpedals 60

Einen Fahrpedalschalter 53 zum Erfassen des Zustands, in dem das Fahrpedal betätigt wird

Einen Bremspedalschalter 54 zum Erfassen, daß ein Bremspedal 61 betätigt wird

Einen Schaltpositionssensor 55 zum Erfassen der Schaltposition des Automatikgetriebes 13

Einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 56 zum Erfassen der Fahrzeuggeschwindigkeit.

Der Drehwinkel der Kurbelwelle 11a, der durch den Kurbelwinkelsensor 51 erfaßt wird, wird zum Berechnen der Motordrehzahl verwendet, bei der es sich um eine Anzahl der Umdrehungen der Kurbelwelle 11a pro Zeiteinheit handelt.

Ferner ist die ECU 43 mit dem Wechselrichter 41, dem Startermotor 30, der elektromagnetischen Kupplung 21, mit Einspritzdüsen zum Einspritzen von Kraftstoff in die Zylinder des Motors 11 und mit Zündkerzen zum Zünden des Kraftstoff-Luftgemischs in den Zylindern verbunden und gibt Betätigungssignale aus. Basierend auf den Erfassungsergebnissen der Sensoren 51, 52, 55, 56 und der Schalter 53, 54 führt die ECU 43 verschiedene Steuerungen aus, die auf den Betrieb des Motors 11 und die Antriebsbewegung des Fahrzeugs bezogen sind. Die ECU 43 führt beispielsweise einen Prozeß zum automatischen Stoppen und einen Prozeß zum automatischen Starten des Motors 11 aus.

In dieser Ausführungsform fuhrt die ECU 43 eine Anlaßstoppositions-Steuerung zum Steuern der Stopposition der Kurbelwelle 11a des Motors 11 zusammen mit dem Prozeß zum automatischen Stoppen aus.

Bei dem Prozeß zum automatischen Starten führt die ECU 43 einen Arbeitshub-Zündprozeß aus und erregt den M/G 40. Durch den Arbeitshub-Zündprozeß wird die Kurbelwelle 11a gedreht, und das Drehmoment der so gedrehten Kurbelwelle 11a wird auf den M/G 40 aufgebracht. Der Prozeß zum automatischen Stoppen wird beispielsweise ausgeführt, wenn die nachstehenden Bedingungen zum automatischen Stoppen allesamt erfüllt sind.

Das Fahrpedal 60 ist nicht betätigt.

Das Fahrzeug bewegt sich nicht.

Die Drehzahl des Motors 11 ist kleiner oder gleich einer vorbestimmten Drehzahl.

Der Ladungswert der Batterie 42 ist größer oder gleich einem vorbestimmten Wert.

Ein Bremspedal 61 ist betätigt oder der Schalthebel des Automatikgetriebes 13 befindet sich in der Park- oder Neutralposition.

Diese Bedingungen zum automatischen Stoppen können durch andere Bedingungen ersetzt werden. Alternativ können andere Bedingungen hinzugefügt werden.

Unter der Anlaßstoppositions-Steuerung versteht man eine Steuerung, bei der die Kurbelwelle 11a an einer Soll-Stopposition gestoppt wird, wenn der Motor 11 durch den Prozeß zum automatischen Stoppen gestoppt wird. Bei der Soll-Stopposition handelt es sich um einen Drehwinkel der Kurbelwelle 11a, bei dem die Reibung beim nächsten automatischen Starten des Motors 11 reduziert ist. Bei der Anlaßstoppositions-Steuerung wird keine Zündung ausgeführt. Statt dessen unterstützt der M/G 40 die Drehung des Motors 11, so daß die Kurbelwelle 11a an der Soll-Stopposition gestoppt wird. Anstatt den M/G 40 zu verwenden, kann ein weiterer Motor vorgesehen sein, um an die Kurbelwelle 11a eine Kraft zu übertragen, so daß der Elektromotor den Motor 11 unterstützt, damit die Kurbelwelle 11a an der Soll-Stopposition gestoppt wird.

Wie in 2 gezeigt ist, wird bei der Anlaßstoppositions-Steuerung ein Kraftstoff in einen Zylinder (in diesem Beispiel der erste Zylinder), der sich im Arbeitshub befindet, wobei sich der Kolben abwärts bewegt, eingespritzt, wenn der Motor 11 vorbereitend auf die Zündung im Arbeitshub beim nächsten automatischen Starten gestoppt wird.

Ein Beispiel für eine Reihe von Vorgängen in dem Prozeß zum automatischen Starten des Motors 11 wird nun unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm von 3 beschrieben. Die Reihe von Vorgängen, die in dem Flußdiagramm gezeigt sind, wird unter der Bedingung ausgeführt, daß der Motor 11 durch den Prozeß zum automatischen Stoppen gestoppt worden ist.

In der Reihe von Vorgängen wird bestimmt, ob eine Bedingung zum automatischen Starten erfüllt ist (Schritt 100). Es wird bestimmt, daß die Bedingung zum automatischen Starten erfüllt ist, wenn beispielsweise eine beliebige der nachstehenden Bedingungen erfüllt ist.

Das Bremspedal 61 wird gelöst und das Fahrpedal 60 wird betätigt, wenn sich der Schalthebel des Automatikgetriebes 13 in der Fahrposition (Starten des Fahrzeugs) befindet.

Das Bremspedal 61 wird freigegeben, und der freigegebene Zustand hat eine vorbestimmte Zeitdauer angedauert, während der Schalthebel sich in der Fahrposition befindet.

Seitdem der Schalthebel von der Park- oder Neutralposition in eine andere Schaltposition geschaltet worden ist, ist eine vorbestimmte Zeitdauer verstrichen.

Das Fahrzeug bewegt sich bei einer Geschwindigkeit größer oder gleich einer vorbestimmten Geschwindigkeit.

Diese Bedingungen zum automatischen Starten können durch andere Bedingungen ersetzt werden. Alternativ können andere Bedingungen hinzugefügt werden.

Wenn die Bedingung zum automatischen Starten nicht erfüllt ist (NEIN bei Schritt 100), wird Schritt 100 wiederholt, bis die Bedingung zum automatischen Starten erfüllt ist. In diesem Fall, das heißt, wenn der Motor 11 abgestellt ist, sind die Kurbelwelle 11a und der M/G 40 ebenfalls angehalten. Zudem wird in einem spezifischen Zylinder des Motors 11 der Kolben während des Abwärtshubs oder des Arbeitshubs gestoppt. In dem Zylinder liegt aufgrund der Anlaßstoppositions-Steuerung beim vorausgegangenen Stoppen des Motors ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft vor, das unmittelbar bevor die Kurbelwelle 11a gestoppt wurde, eingespritzt worden war, ohne verbrannt zu werden. Wenn die Bedingung in einem solchen Motorstoppzustand erfüllt ist (JA bei Schritt 100), sendet die ECU 43 Motorstartbefehle an Abschnitte, die arbeiten, um den des Motor 11 zu starten (Schritt 101).

Um den Arbeitshub-Zündprozeß auszuführen, gibt die ECU 43 in diesem Beispiel ein Betätigungssignal an eine Zündkerze eines Zylinders aus, wo das Kraftstoff-Luftgemisch verblieben ist, das heißt, des Zylinders, der sich im Arbeitshub befindet. Dementsprechend wird die Zündkerze des Zylinders im Arbeitshub aktiviert (Schritt 102), wobei das Kraftstoff-Luftgemisch im Zylinder verbrannt und der Kolben nach unten gedrückt wird. Dadurch wird die Kurbelwelle 11a mit einer extrem niedrigen Drehzahl gedreht. Das Drehmoment der Kurbelwelle 11a wird an den M/G 40 durch den Riemen 23, die Riemenscheiben 22, 40a übertragen, um die Drehwelle des M/G 40 zu drehen. Dementsprechend wird die Drehzahl der Kurbelwelle 11a und des M/G 40 erhöht.

Nachdem sich der M/G 40 durch den Arbeitshub-Zündprozeß zu drehen begonnen hat, wird bestimmt, ob die Drehzahl N des M/G 40 größer oder gleich einem vorbestimmten Wert N1 ist (beispielsweise 650 U/min) (Schritt 103). Die Drehzahl N wird durch Verdoppeln der Drehzahl der Kurbelwelle 11a (der Motordrehzahl), die durch den Kurbelwinkelsensor 51 erfaßt wird, erhalten.

Wenn die Drehzahl N geringer als der vorbestimmte Wert N1 ist, wird Schritt 103 wiederholt. In diesem Fall wird der M/G 40 nicht erregt. Demgegenüber wird, wenn die Drehzahl N größer oder gleich dem vorbestimmten Wert N1 ist (JA bei Schritt 103), der Wechselrichter 41 gesteuert, tun den M/G 40 zu erregen. Auf diese Weise wird die Erregung des M/G 40 verhindert, bis die Drehzahl N den vorbestimmten Wert N1 erreicht.

Der vorbestimmte Wert N1, bei dem es sich um einen Schwellenwert zum Bestimmen dessen handelt, ob der M/G 40 erregt werden soll, wird wie folgt erhalten.

Die nachstehend angeführten Punkte zählen zu den Faktoren, die den Temperaturanstieg des Schaltelements 44 beeinflussen, wenn das Schaltelement 44 mit Leistung versorgt wird.

  • (i) Die Umgebungstemperatur des Schaltelements 44: Umgebungstemperatur Ta;
  • (ii) Der Betrag des Temperaturanstiegs des Schaltelements 44 aufgrund einer Erzeugung von Elektrizität durch den M/G 40: durch Erzeugung bewirkter Temperaturanstiegsbetrag Tg; und
  • (iii) Temperaturanstiegsbetrag des Schaltelements 44 aufgrund des automatischen Startens des Motors 11: durch Starten bewirkter Temperaturanstiegsbetrag Tm.

Wenn die Temperatur des Schaltelements 44 nach der Erregung des M/G 40 durch T dargestellt wird, wird die Temperatur T durch die nachstehende Gleichung (2) ausgedrückt, wenn der M/G 40 in einem Zustand erregt wird, in dem die Temperatur des Schaltelements 44 durch die Erzeugung von Elektrizität des M/G 40 erhöht worden ist. T = Ta + Tg + Tm(2)

Die höchste Auslegungstemperatur in einem Temperaturbereich, in dem das Schaltelement 44 in der Lage ist, eine vorbestimmte Leistung zu erbringen, wird durch eine Nenntemperatur Tspec dargestellt. Die höchsten Werte der Umgebungstemperatur Ta, der durch Erzeugung bewirkte Temperaturanstiegsbetrag Tg, der durch Starten bewirkte Temperaturanstiegsbetrag Tm werden durch Tamax, Tgmax bzw. Tmmax dargestellt. In diesem Beispiel wird davon ausgegangen, daß die maximalen Werte Tamax und Tgmax im wesentlichen konstant sind, und es werden Ist-Meßwerte verwendet.

In diesem Fall muß die nachstehende Gleichung (3) erfüllt sein, damit die Schaltung 44 die Auslegungsleistung erbringt. Tspec ≥ Tamax + Tgmax + Tmmax(3)

Der zulässige Temperaturanstiegsbetrag des Schaltelements 44 muß, wenn der Motor 11 gestartet wird, die nachstehende Gleichung (4) erfüllen, die durch Modifizieren der Gleichung (3) erhalten wird. Tspec – Tamax – Tgmax ≥ Tmmax(4)

Wenn daher z. B. Tspec = 150 [°C], Tamax = 90 [°C] und Tgmax = 49 [°C], [wobei der M/G 40 eine Erzeugungskapazität von 80A bei 5000 U/min aufweist), beträgt der zulässige Temperaturanstiegsbetrag des Schaltelements 44, wenn der Motor 11 gestartet wird (durch Starten bewirkter Temperaturanstiegsbetrag Tm) höchstens 11 °C.

Die Drehzahl- und Stromkennlinien des M/G 40 stehen hingegen in folgender Beziehung zueinander. Ein Strom, der durch den Stator des M/G 40 fließt (der Statorstrom), weist nämlich eine hohe Stromstärke auf, wenn die Drehzahl N niedrig ist und wird verringert, wenn die Drehzahl N erhöht wird. Dieses Phänomen ist der Tatsache zuzuschreiben, daß eine elektromotorische Gegenkraft im Stator erzeugt wird, und der Potentialunterschied zwischen dem Stator und der Leistungsversorgung reduziert wird, und infolgedessen der Zähler auf der rechten Seite der Gleichung (1) reduziert wird.

In dem Schaltelement 44 wird die Kollektor-Verlustleistung, die sich proportional zum Statorstrom im Quadrat verhält, erzeugt. Die Kollektor-Verlustleistung sorgt für eine Erhöhung der Temperatur des Schaltelements 44. Da der Statorstrom reduziert wird, während die Drehzahl des M/G 40 erhöht wird, wird somit die Kollektor-Verlustleistung verringert. Wie in 4 gezeigt ist, wird dabei der maximale Wert Tmmax des durch Starten bewirkten Temperaturanstiegsbetrags des Schaltelements 44 erhöht, während die Drehzahl N des M/G 40 verringert wird, und wird verringert, während die Drehzahl N erhöht wird.

Gemäß 4 beträgt die Drehzahl N des M/G 40, wenn der maximale Wert Tmmax 11 °C beträgt, 650 U/min. Wenn der M/G 40 erregt wird, wenn die Drehzahl des M/G 40 größer oder gleich 650 U/min ist, übersteigt daher der durch das Starten bewirkte Temperaturanstiegsbetrag Tm 11 °C nicht. Das heißt, daß während des automatischen Startens des Motors 11, wenn der M/G 40 erregt wird, wenn die Drehzahl des M/G 40 größer oder gleich 650 U/min beträgt, die Temperatur des Schaltelements 44 nach der Erregung sich innerhalb des Bereichs der Nenntemperatur Tspec (150 °C) befindet.

Wenn der M/G 40 beginnt, bei Schritt 104 erregt zu werden, funktioniert der M/G 40 als Elektromotor. Die Leistungsabgabe des M/G 40 wird durch den Riemen 23 und die Riemenscheiben 40a, 22 an die Kurbelwelle 11a übertragen, wodurch das Anlassen des Motors 11 unterstützt wird. Wenn die Drehzahl des Motors 11 ansteigt, wird daraufhin der Motor 11 in die Lage versetzt, auf eigenständige Weise zu arbeiten. Zu diesem Zeitpunkt wird die Erregung des M/G 40 gestoppt, und die automatische Startsteuerung des Motors 11 wird beendet (Schritt 105). Bei Schritt 105 endet die Reihe von Vorgängen, die auf den Prozeß zum automatischen Starten des Motors 11 bezogen sind. Die Reihe von Vorgängen wird solange wiederholt, bis der Fahrer den Motor 11 abstellt, beispielsweise bis der Fahrer den Zündschalter des Fahrzeugs abschaltet.

Bei dem Prozeß zum automatischen Starten des Motors, der durch die ECU 43 ausgeführt wird, entspricht Schritt 104 einem Vorgang, der durch einen Erregungs-Steuerungsabschnitt ausgeführt wird. Schritt 103 (Wiederholung von Schritt 103, bis das Ergebnis NEIN lautet) entspricht einem Vorgang, der durch einen Erregungs-Verhinderungsabschnitt ausgeführt wird. Schritt 102 entspricht einem Vorgang, der durch einen Arbeitshub-Zündabschnitt ausgeführt wird. Der Kurbelwinkelsensor 51 entspricht einem Drehzahl-Erfassungsabschnitt, der die Drehzahl N des M/G 40 indirekt erfaßt.

Die Motorstartvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform weist folgende Vorteile auf.

  • (1) Der Motorstartbefehl wird erzeugt, wenn die Bedingung zum automatischen Starten erfüllt ist. Als Reaktion auf den Motorstartbefehl wird in einem Zylinder, in dem der Kolben während des Arbeitshubs angehalten wurde, wobei darin ein Kraftstoff-Luftgemisch erzeugt wurde, als der Motor das letzte Mal abgestellt wurde, eine Zündung ausgeführt. Dementsprechend wird der Kolben abwärts bewegt, so daß die Kurbelwelle 11a gedreht wird (Schritt 102). Dadurch wird verhindert, daß der M/G gegenüber einer Drehung gesperrt wird, wenn die Motorreibung beim Starten des Motors 11 groß ist.
  • (2) Eine Erregung des M/G 40 wird verhindert, bis die Drehzahl N des M/G 40 den vorbestimmten Wert N1 erreicht oder überschritten hat, nachdem die Zündung gestartet worden ist (NEIN bei Schritt 103).

Obwohl die Erregung des M/G 40 im allgemeinen einen Statorstrom mit hoher Stromstärke im Stator bewirkt und die Temperatur des Schaltelements 44 erheblich erhöht, wenn die Drehzahl N niedrig ist, verhindert somit der Erregungs-Verhinderungsprozeß einen derartigen Temperaturanstieg am Schaltelement 44 infolge eines Statorstroms.

Wenn die Drehzahl N des M/G 40 dann den vorbestimmten Wert N1 erreicht, wird die Erregung zugelassen, so daß der Wechselrichter 41 gesteuert wird, um den M/G 40 zu erregen. Dementsprechend wird der M/G 40 gedreht, um den Motor 11 beim Anlassen zu unterstützen.

Somit wird verhindert, daß das Schaltelement 44, durch einen Strom mit hoher Stromstärke übermäßig erwärmt wird. Daher besteht die Möglichkeit, ein herkömmliches, kostengünstiges Schaltelement zu verwenden. In anderen Worten besteht kein Bedarf an einem speziellen Schaltelement, wodurch zu einer Verringerung der Kosten beigetragen wird.

  • (3) Der vorbestimmte Wert N1, der auf die Drehzahl N des M/G 40 bezogen ist, wird so bestimmt, daß er dem maximalen Wert des zulässigen Temperaturanstiegsbetrags des Schaltelements 44 entspricht, wenn der Motor gestartet wird. Ein die Bedingungen erfüllender Wert wird als der vorbestimmte Wert N1 eingestellt, der als ein Schwellenwert zur Bestimmung dessen verwendet wird, ob eine Erregung zuzulassen ist. Diese Konfiguration verhindert, daß die Temperatur des Schaltelements 44 den maximalen Wert Tmmax des zulässigen Temperaturanstiegsbetrags überschreitet, wenn der Motor 11 gestartet wird.
  • (4) Der maximale Wert Tmmax des Temperaturanstiegsbetrags bei Punkt (3), der beim Starten des Motors 11 verwendet wird, wird durch Subtrahieren des maximalen Werts Tamax der Umgebungstemperatur und des maximalen Werts Tgmax des Temperaturanstiegs aufgrund der Erzeugung von Elektrizität von der Nenntemperatur Tspec des Schaltelements 44 berechnet. Ein Wert der Drehzahl N, der dem so erhaltenen maximalen Wert Tmmax entspricht, wird als der vorbestimmte Wert N1 eingestellt. Dies sorgt dafür, daß der Vorteil von Punkt 1 sichergestellt wird.
  • (5) Da die Drehzahl der Kurbelwelle 11a und die Drehzahl N des M/G 40 einer Eins-zu-Eins-Beziehung unterliegen, wird die Drehzahl N des M/G basierend auf der Drehzahl der Kurbelwelle 11a erhalten, die durch den Kurbelwinkelsensor 51 erfaßt wird, und die erhaltene Drehzahl N wird verwendet, um zu bestimmen, ob der M/G 40 erregt werden soll. Daher besteht kein Bedarf an einem Sensor zum direkten Erfassen der Drehzahl des M/G, was zu einer Reduktion der Anzahl von Bauteilen beiträgt.
  • (6) Der maximale Wert Tgmax der Umgebungstemperatur Ta und der maximale Wert Tgmax des durch Erzeugung bewirkten Temperaturanstiegsbetrags Tg sind beides Ist-Meßwerte. Die maximalen Werte Tamax und Tgmax werden zum Erhalten des maximalen Werts Tmmax des zulässigen Temperaturanstiegsbetrags für das Schaltelement 44 verwendet, wenn der Motor 11 gestartet wird. Daher müssen keine Sensoren zum Erfassen der Umgebungstemperatur Ta und des durch Erzeugung bewirkten Temperaturanstiegsbetrags Tg bereitgestellt werden.

(Zweite Ausführungsform)

Es folgt nun eine Beschreibung einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. In der Hauptsache werden die Unterschiede von der ersten Ausführungsform erläutert.

In der ersten Ausführungsform wird der M/G 40 im Arbeitshub-Zündprozeß und im Erregungsprozeß gedreht, um den Motor 11 automatisch zu starten. In einem Fall jedoch, wo eine große Reibung im Motor 11 vorliegt, besteht die Möglichkeit, daß der Motor 11 nicht auf eigenständige Weise arbeiten kann und die Drehzahl N abfällt, selbst wenn die Drehzahl N des M/G 40 vorübergehend größer oder gleich dem vorbestimmten Wert N1 unmittelbar nach dem Arbeitshub-Zündprozeß wird. In einem solchen Fall wird, nachdem der M/G 40 erregt worden ist, die Stromstärke eines durch das Schaltelement 44 fließenden Stroms erhöht, während die Drehzahl des M/G 40 (Kurbelwelle 11a) verringert wird. Dementsprechend steigt die Temperatur des Schaltelements 44 an. Daher wird zur Aufhebung eines derartigen Nachteils in der zweiten Ausführungsform eine Erregung des M/G 40 einem Zwangsstopp unterzogen, wenn bestimmt wird, daß der Motor 11 nicht in der Lage ist, auf eigenständige Weise zu arbeiten, selbst nachdem der M/G 40 erregt worden ist.

Nachstehend erfolgt eine Beschreibung eines Beispiels für einen Prozeß für einen Zwangsstopp der Erregung des M/G 40 unter Bezugnahme auf 5. Der Prozeß ist Teil des Prozesses zum automatischen Starten des Motors 11 und wird ausgeführt, nachdem der M/G 40 erregt worden ist (Schritt 104 von 3).

Wie in 5 gezeigt ist, wird, wenn der M/G 40 beginnt, erregt zu werden (Schritt 104), bestimmt, ob die Drehzahl N des M/G 40 geringer ist als der vorbestimmte Wert N1 (Schritt 110). Das heißt, daß bei Schritt 110 bestimmt wird, ob der Motor 11 in der Lage ist, auf eigenständige Weise zu arbeiten. Die Bestimmung von Schritt 110 wird wiederholt ausgeführt, bis seit dem Zeitpunkt, als der M/G 40 begonnen hatte, erregt zu werden, eine vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist. Die vorbestimmte Zeitdauer entspricht einer Zeitdauer, von dem Beginn der Erregung des M/G 40 bis zu dem Zeitpunkt, wenn der Motor 11 in die Lage versetzt wird, auf eigenständige Weise zu arbeiten. Wenn die Drehzahl N des M/G 40 den vorbestimmten Wert N1 nicht unterschreitet, bis die vorbestimmte Zeitdauer bei Schritt 110 verstrichen ist (NEIN bei Schritt 110), wird davon ausgegangen, daß er auf eigenständige Weise arbeitet. Daher wird das automatische Starten des Motors 11 beendet (Schritt 105) und die Reihe von Vorgängen wird beendet.

Wird hingegen bestimmt, daß die Drehzahl N des M/G 40 den vorbestimmten Wert N1 unterschritten hat, bevor die vorbestimmte Zeitdauer bei Schritt 110 verstrichen ist (JA bei Schritt 110), wird nicht davon ausgegangen, daß der Motor 11 auf eigenständige Weise arbeitet. Daher wird die Erregung des M/G 40 einem Zwangsstopp unterzogen (Schritt 111). Zudem wird dem Startermotor 20 im wesentlichen zur gleichen Zeit Elektrizität zugeführt (Schritt 112), wenn die Erregung gestoppt wird. Dadurch wird der Startermotor 30 betätigt, was wiederum dazu führt, daß damit begonnen wird, den Motor 11 anzulassen.

Wenn danach die Drehzahl des Motors 11 ansteigt, wird der Motor 11 in die Lage versetzt, eigenständig zu arbeiten. Zu diesem Zeitpunkt wird die Erregung des Startermotors 30 gestoppt, und die automatische Startsteuerung des Motors 11 wird beendet (Schritt 105). Bei Schritt 105 wird die Reihe von Vorgängen, die auf den Prozeß zum automatischen Starten des Motors 11 bezogen ist, beendet.

Die Schritte 110 und 111 während des Prozesses zum automatischen Starten, der durch die ECU 43 ausgeführt wird, entsprechen einem Vorgang, der durch einen Erregungs-Stoppabschnitt ausgeführt wird.

Neben den unter Punkt (1) bis (6) angeführten Vorteilen der ersten Ausführungsform bietet die Motorstartvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform folgende Vorteile.

  • (7) Die Erregung des M/G 40 wird einem Zwangsstopp unterzogen, wenn die Drehzahl N des M/G 40 den vorbestimmten Wert N1 unterschreitet, nachdem damit begonnen worden ist, den M/G 40 zu erregen (Schritte 110 und 111). In einem Fall, wo die Erregung gestartet worden ist, weil die Drehzahl N einmalig den vorbestimmten Wert N1 erreicht hat, jedoch die Drehzahl N aus irgendeinem Grund den vorbestimmten Wert N1 unterschreitet, wird somit verhindert, daß das Schaltelement 44 durch einen Strom mit hoher Stromstärke übermäßig erhitzt wird. Diesbezüglich stellt die zweite Ausführungsform die Reduktion von Kosten sicher, indem der Bedarf an einer speziellen Schaltvorrichtung aufgehoben wird.
  • (8) Nachdem die Erregung des M/G 40 einem Zwangsstopp unterzogen worden ist, wird der Motor 11 durch den Startermotor 30 angelassen (Schritt 112). Wenn der Motor 11 durch das Drehmoment des M/G 40 nicht gestartet werden kann, wird daher der Motor 11 problemlos gestartet.

(Weitere Ausführungsformen)

Die vorstehenden Ausführungsformen können wie folgt modifiziert werden.

In den vorstehenden Ausführungsformen kann ein Temperatursensor zum Erfassen der Umgebungstemperatur in der Nähe des Schaltelements 44, beispielsweise die Außentemperatur oder die Kühlmitteltemperatur (wenn der Wechselrichter 41 vom Wasserkühlungstyp ist), vorgesehen sein. In diesem Fall wird während der automatischen Startsteuerung des Motors 11 die durch den zusätzlichen Temperatursensor erfaßte Temperatur als die Umgebungstemperatur Ta verwendet. Die vorbestimmte Temperatur N1 wird jedesmal berechnet, wenn die Umgebungstemperatur Ta erfaßt wird. Desgleichen kann ein Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur des Schaltelements 44 vorgesehen sein. In diesem Fall wird der durch Erzeugung bewirkte Temperaturanstiegsbetrag Tg durch den zusätzlichen Temperatursensor erfaßt, um den vorbestimmten Wert N1 zu berechnen. Dementsprechend wird der Bereich des vorbestimmten Werts N1 auf einen verhältnismäßig niedrigeren Wert ausgeweitet.

In den dargestellten Ausführungsformen kann ein Sensor zum direkten Erfassen der Drehzahl N des M/G 40 vorgesehen sein. In diesem Fall wird die Bestimmung von zumindest einem der Schritte 103 und 110 basierend auf dem Erfassungswert des zusätzlichen Sensors ausgeführt.

Der M/G 40 dreht sich mit der doppelten Geschwindigkeit der Kurbelwelle 11a. Daher kann Schritt 103 von 3 geändert werden, um zu bestimmen, ob die Motordrehzahl größer oder gleich N1/2 [U/min] ist. Desgleichen kann Schritt 110 von 5 geändert werden, um zu bestimmen, ob die Motordrehzahl geringer als N1/2 [U/min] ist.

Daher sind die vorliegenden Beispiele und Ausführungsformen als veranschaulichend und nicht als einschränkend aufzufassen, und die Erfindung ist nicht auf die hierin angeführten Einzelheiten zu begrenzen, sondern kann innerhalb des Schutzbereichs und der Entsprechung der angehängten Ansprüche modifiziert werden.


Anspruch[de]
  1. Startvorrichtung für einen Motor mit einer Mehrzahl von Zylindern und einer Abtriebswelle, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist:

    eine Leistungsversorgung;

    einen Wechselrichter mit einem Schaltelement;

    einen Motorgenerator, der mit der Abtriebswelle gekoppelt ist und mit der Leistungsversorgung durch den Wechselrichter verbunden ist; und

    einen Erregungs-Steuerungsabschnitt, der, der den Motor-Generator erregt, indem der Wechselrichter gesteuert wird, wenn der Motor gestartet wird, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch:

    einen Zündabschnitt, wobei der Zündabschnitt bewirkt, daß eine Zündung in einem spezifischen Zylinder eintritt, der ein Kraftstoff-Luftgemisch enthält und sich bei einem Motorstoppzustand in einem Arbeitshub befindet, wodurch die Abtriebswelle gedreht wird;

    einen Drehzahl-Erfassungsabschnitt, der eine Drehzahl des Motor-Generators direkt oder indirekt erfaßt; und

    einen Erregungs-Verhinderungsabschnitt, wobei, nach der durch den Zündabschnitt bewirkten Zündung, der Erregungs-Verhinderungsabschnitt verhindert, daß der Erregungs-Steuerungsabschnitt den Motor-Generator erregt, bis die durch den Drehzahl-Erfassungsabschnitt erfaßte Drehzahl einen vorbestimmten Wert erreicht oder überschritten hat.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorbestimmter Wert auf einen maximalen Wert des Betrags eines zulässigen Temperaturanstiegs des Schaltelements eingestellt ist, der durch eine Erregung des Motor-Generators beim Starten des Motors bewirkt wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Wert durch Subtrahieren eines maximalen Wert einer Umgebungstemperatur des Schaltelements und eines maximalen Werts eines Temperaturanstiegs des Schaltelements aufgrund einer Erzeugung von Elektrizität durch den Motor-Generator von einer Nenntemperatur des Schaltelements berechnet wird.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Erregungs-Stoppabschnitt, wobei, nachdem der Erregungs-Steuerungsabschnitt begonnen hat, den Motor-Generator zu erregen, der Erregungs-Stoppabschnitt bewirkt, daß der Erregungs-Steuerungsabschnitt die Erregung des Motor-Generators stoppt, wenn die durch den Drehzahl-Erfassungsabschnitt erfaßte Drehzahl den vorbestimmten Wert unterschreitet.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Startermotor, der mit der Abtriebswelle des Motors gekoppelt ist, wobei der Startermotor betätigt wird, wenn der Erregungs-Stoppabschnitt die Erregung des Motor-Generators stoppt.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor automatisch gestoppt wird, wenn eine vorbestimmte Bedingung zum automatischen Stoppen erfüllt ist, und wobei, wenn eine vorbestimmte Bedingung zum automatischen Starten erfüllt ist, nachdem der Motor automatisch gestoppt worden ist, der Zündabschnitt bewirkt, daß in dem spezifischen Zylinder eine Zündung eintritt.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der Motor automatisch gestoppt worden ist, ein Kraftstoff dem spezifischen Zylinder zugeführt wird, der sich bei einem Motorstoppzustand in einem Arbeitshub befindet.
  8. Startverfahren für einen Motor, wobei eine Abtriebswelle des Motors mit einem Motor-Generator gekoppelt ist, und wobei der Motor-Generator mit einer Leistungsversorgung durch einen Wechselrichter mit einem Schaltelement verbunden ist, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

    Bewirken, daß eine Zündung in einem spezifischen Zylinder eintritt, der ein Kraftstoff-Luftgemisch enthält und sich bei einem Motorstoppzustand in einem Arbeitshub befindet, wodurch die Abtriebswelle gedreht wird; und

    Erregen des Motor-Generators durch Steuern des Wechselrichters, wenn die Drehzahl des Motor-Generators einen vorbestimmten Wert nach der Zündung erreicht oder überschritten hat.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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