用于对机动车内燃机的曲轴进行定位的方法和装置.pdf

按照本发明，根据内燃机的实际角速度（701，ist）和曲轴的实际曲轴角（601，（Wist）生成用于对起动机马达通电的控制信号（604）以便调节曲轴的目标曲轴角（Ziel）。

权利要求书用于给机动车内燃机的曲轴定位的方法，其中借助起动机的起动机马达使曲轴能够转动在确定的目标曲轴角（401）中，具有下述步骤：
提供（101）内燃机的实际角速度（402），
提供（102）曲轴的实际曲轴角（403），
根据实际角速度（402）和实际曲轴角（403）生成（103）用于对起动机马达通电的控制信号（500）以便调节目标曲轴角（401）。
按照权利要求1所述的方法，其中根据在内燃机运行期间在预定的时间点的目标曲轴角（401）、实际角速度（402）以及实际曲轴角（403）计算至少由内燃机和起动机组成的系统的实时系统能量与用于调节目标曲轴角（401）所必需的能量之间的能量差，并且根据所计算的能量差生成控制信号（500）。
按照权利要求1或2所述的方法，其中测量和提供在内燃机运行期间的内燃机的实际角速度（402）和内燃机运行期间的曲轴的实际曲轴角（403）。
按照前述权利要求中任一项所述的方法，其中根据目标曲轴角（401）、实际角速度（402）、实际曲轴角（403）并根据用于保护起动机的控制电流的起动机‑控制器（200）的与时间有关的条件的数量生成控制信号（500）。
按照前述权利要求中任一项所述的方法，其中根据目标曲轴角（401）、实际角速度（402）、实际曲轴角（403）并根据与转速有关的条件的数量生成控制信号（500）。
按照前述权利要求中任一项所述的方法，其中根据目标曲轴角（401）、实际角速度（402）、实际曲轴角（403）、用于保护起动机的控制电流的起动机‑控制器（200）的与时间有关的条件的数量并根据与转速有关的条件的数量生成控制信号（500）。
按照前述权利要求中任一项所述的方法，其中根据目标曲轴角（401）、实际角速度（402）、实际曲轴角（403）并附加地根据下述参数中的一个或者多个参数计算控制信号（500）：
‑ 内燃机的压缩能量特性曲线（404），
‑ 内燃机的平均滑行斜率（405），
‑ 内燃机的惯量（406），
‑ 起动机的惯量（407），
‑ 起动机的摩擦力矩（408），
‑ 用于对起动机马达通电的电流脉冲的预定的最大持续时间（409），
‑ 用于对起动机马达通电的电流脉冲的预定的最小持续时间（410），
‑ 两个电流脉冲之间的预定的最小间隔（411），
‑ 在确定的时间窗口内电流脉冲的预定的最大数量（412），
‑ 内燃机的确定的最大角速度（413）以及
‑ 内燃机的确定的最小角速度（414）。
按照前述权利要求中的任一项所述的方法，其中在起动机的起动机小齿轮啮合到内燃机的马达齿圈后生成控制信号（500）。
按照前述权利要求2到8中的任一项所述的方法，其中通过下式：
ED=ER‑ET+EK，
计算能量差ED，
其中ER表示在实际曲轴角（403）和目标曲轴角（401）之间走过的行程时曲轴的摩擦能量，
其中ET表示由内燃机和起动机的惯性能量值组成的惯性能量，
其中EK表示内燃机的压缩能量。
按照前述权利要求中任一项所述的方法，其中借助通过控制信号（500）控制的对起动机马达的通电来脉冲式地将能量从起动机传递到内燃机。
用于对机动车内燃机的曲轴进行定位的装置（200），其中曲轴能够借助起动机的起动机马达转动在确定的目标曲轴角（401）中，具有：
根据内燃机的实际角速度（402）和曲轴的实际曲轴角（403）来生成对起动机马达通电的控制信号（500）以便调节目标曲轴角（401）的控制机构（300）。
按照权利要求11所述的装置，其中该装置（200）设计为机动车的起动机的起动机‑控制器。
用于机动车的起动‑/停止‑系统，具有按照权利要求11或12中任一项所述的装置。

说明书用于对机动车内燃机的曲轴进行定位的方法和装置
技术领域
本发明的技术领域涉及机动车内燃机的曲轴的定位。为此，借助起动机的起动机马达使曲轴转动。
背景技术
为了起动内燃机传统的做法是使用起动机的起动机马达。为了和静止的内燃机的曲轴的齿环啮合起动机的起动机继电器啮合到起动机的起动机小齿轮中，为的是通过如此建立的齿轮‑齿环啮合使得曲轴开始转动。
在这其中，起动机按照最小转速使内燃机转动，这样可使燃烧过程独立进行，并且达到内燃机的稳定的空载运行。
和使用没有起动/停功能的传统的起动系统相比使用起动/停止系统会导致提高起动频率。
此外，具有起动/停止系统的内燃机的起动过程不仅是在行驶开始时发生，而且也在不同的交通状况时发生。特别是出于舒适性的原因和安全的原因人们希望特别是在使用起动/停止系统时能缩短起动时间。
其中，从驾驶人员想起动开始前到内燃机的燃烧过程达到独立进行的起动持续时间主要与内燃机在起动前的停车位置有关。特别是通过取消点火导致无控制的停机时，或者是在起动‑停止运行中的自动停止时会导致在达到停止时内燃机的停机位置要经历偶然的分配。因此，紧接着进行的起动持续时间随起动而变化，并且根据偶然达到的停机位置有小的或者大的数值。
DE 10 2007 019 941 A1描述了一种用于对机动车的熄火的内燃机的曲轴定位的方法，其中，曲轴借助具有空转的电动起动机马达旋转到用于下一次起动内燃机的所希望的目标位置中。该方法规定，为规定的运行情况求出在起动机马达标准化脉冲电流持续时间中曲轴所走过的旋转行程和旋转角位置之间的关系的至少一个特性曲线和/或特性数值，求出曲轴的实际旋转角位置，并且根据求出的曲轴旋转角位置、目标位置和特性曲线/特性数值给电动起动机马达加载至少一个估算的脉冲电流持续时间。
DE 10 2008 001 332 A1公开了一种用于机动车的内燃机的起动装置。所述起动装置具有起动机马达，具有带有用于将由起动机马达驱动的小齿轮啮合到与内燃机的曲轴不转动连接的齿圈中的调节器件，以及控制模块，所述控制模块控制着给起动机马达提供适宜调节的电流的端部级，其中这个端部级包括多个开关机构，通过它们的有选择的控制可给起动电动机输送不同的电流强度。
发明内容
本发明是基于这样的认识，即根据内燃机的实际角速度和实际曲轴角来生成对起动机马达通电的控制信号以便调节目标曲轴角，其结果是可减小用于曲轴定位所必须施加的总能量。此外，还可减小在曲轴定位期间引起的振动。这有利地改进了舒适性。
此外，本发明的曲轴定位使内燃机能可重复地停机在由目标曲轴角给定的规定位置中。通过这一措施可实现缩短再次起动的持续时间。此外，通过使用本发明可明显地改进起动过程的可重复性。这样也产生了稳定的起动持续时间。这也提高了机动车驾驶人员对起动过程和起动持续时间的感知性。
据此，本发明建议一种用于对机动车内燃机的曲轴定位的方法，其中，借助起动机的起动机马达能够将曲轴转入确定的目标曲轴角中，其中，该方法具有下述步骤：
提供内燃机的实际角速度，
提供曲轴的实际曲轴角，
根据实际角速度和实际曲轴角生成用于给起动机马达通电的控制信号以便调节目标曲轴角。
此外，本发明还建议一种用于对机动车内燃机的曲轴定位的装置，其中，曲轴借助起动机的起动机马达可转入确定的目标曲轴角中，其中所述装置具有控制机构，所述控制机构适合用于根据提供的内燃机的实际角速度和提供的曲轴的实际曲轴角来为调节目标曲轴角生成用于对起动机马达通电的控制信号。
控制机构可用硬件技术或者也可按硬件和软件技术实现。在按硬件技术实现时，可将控制机构设计为装置，例如ASIC、微处理器、设备，例如设计为马达控制器的部件，也可设计为系统的一部分。在按软件技术实现时可将控制机构至少部分地设计为计算机程序产品、一种函数、一种程序、程序代码的一部分或者可执行的对象。
此外，本发明还建议一种用于机动车的起动/停止系统，这种系统具有上述已说明的装置。
此外，本发明还建议一种机动车，它具有这样一种起动‑/停止‑系统。按照本申请的意义，机动车是小客车（Pkw）、载重货车（Lkw）或者商用车（Nkw）。
内燃机的实际角速度是内燃机的实时的或者瞬时的角速度。实际曲轴角是曲轴的实时的或者瞬时的曲轴角。
在从属权利要求中可以找到在权利要求1中说明的方法和在权利要求12中说明的装置的一些有利的设计方案和改进方案。
根据一个优选的改进方案，根据内燃机运行期间在确定的时间点的目标曲轴角、实际曲轴角和实际角速度计算至少由内燃机和起动机组成的系统的实时系统能量与为调节目标曲轴角所需能量之间的能量差。然后根据所计算的能量差生成控制信号。
优选地在预定的时间点之间有相应的预定的时间间隔，例如1毫秒。
因此有利地可动态地求出应输送到内燃机的能量的量，这样，内燃机可在所希望的停机位置中静止下来。
此外，通过给起动机脉冲式地通电可以控制给内燃机提供所求出的能量。此外，还可对由此措施所引发的内燃机的能量增加进行监控，并且，只要给内燃机输送所需要的能量的量一完成，那么就结束给起动机通电。
优选地在曲轴定位期间连续地计算能量差或者能量平衡。
在后面的详细说明中对系统能量用E1、所需的能量用E2、能量差用ED以及目标位置或者目标曲轴角用                                                Ziel表示。
如上所述，计算E1和E2之间的差或者能量差ED。例如以上述1毫秒的节拍连续地更新功能过程期间的能量差ED的值。
其中可有下述三种情景：
情景1（E1<E2→ED>0）：
它表示计算的能量平衡，即系统能量E1小于为达到目标位置所需要的能量E2，从而给起动机马达通电并且因此开始转动。因此内燃机被加速。其中，例如电子地通过起动机的起动机控制器对电流进行控制。例如以一个或者多个电流脉冲的形式给起动机通电，电流脉冲特别是在其时间上或者在其数量上有所限制。此外，通电的开始和结束的时间点可与内燃机的实时马达转速有关。
情景2（E1>E2→ED<0）:
它表示能量平衡，即系统能量E1大于为达到目标位置所需要的能量E2，如是从中得出这样的结论，即只有当超过目标转角之后内燃机才会静止下来。虽然，传统的做法是齿轮起动机提供给内燃机提供能量的功能性，但并不相反地有针对性地提取能量，或者有针对性地制动内燃机。因此，当出现情景2的情况时，目标位置移动一个预定的转角，所述转角相应于内燃机的两个死点之间的间距，例如180°。这又导致出现上面已讨论的情景1。优选这种移动在每次定位过程中进行最多一次。
情景3（E1≈E2→ED≈0）：
对于这种情况，即系统能量E1和为达到目标位置所需的能量E2大体相同，那么视需要结束正在进行的对起动机的通电。其结果是紧接着内燃机独立地滑行到所希望的静止状态中并且达到所希望的目标位置。
优选地在上述1到3的情景中在每次重新计算能量平衡之后给用于给起动机通电的控制信号分配实时的数值，通过这个数值又对给起动机马达通电进行控制。根据一个有利的改进方案通过下式计算能量差ED：
ED=ER－ET+EK，
其中ER表示在实际曲轴角和目标曲轴角之间走过的行程中曲轴的摩擦能量，
其中ET表示由内燃机和起动机的惯性能量值组成的惯性能量，并且
其中EK表示内燃机的压缩能量。
当内燃机或者发动机用大于零的转速转动时优选下述惯例适用于能量的计算：
具有正符号的能量值对内燃机有制动作用，而具有负符号的能量值引起内燃机的加速。
如上所述，存在的惯性能ET是由内燃机和起动机的两个惯性能量值组成的。按照下述公式计算惯性能量ET：
ET=0.5*(JMotor+JStarter)*ω2，
其中，JMotor是内燃机的惯性矩，JStarter是起动机的惯性矩并且ω为马达的角速度。此外，在计算时优选的前提是，起动机和马达的角速度相同或者基本相同。在定位过程的持续时间的主要部分满足了这个前提，因为内燃机具有比起动机更陡的滑行梯度，并且因此起动机空转结束。如上所述，能量ER是表示在能量计算的相应时刻从瞬时的或者实时的曲轴位置到目标位置所走过的行程期间为了克服摩擦所必须施加的摩擦能量。这个能量优选地借助下述公式计算：
ER=(MReib,Starter+MReib,Motor)*ΔZiel≈(MReib,Starter－JMotor*mAuslauf)*ΔZiel
其中，MReib,Starter表示起动机的摩擦力矩，MReib,Moter表示马达的摩擦力矩，JMotor表示马达的惯性力矩，mAuslauf表示马达的平均的滑行斜率，ΔZiel表示直到达到曲轴的目标位置所要求的角度的变化。
在运行时压缩能量EK可以具有正符号或者负符号。因此，压缩能量EK可对内燃机施加制动的作用，也可施加加速的作用。当内燃机处于例如缸活塞接近上死点的位置时，为了压缩缸中的空气必须耗费能量。相反地当内燃机位于刚过上死点的位置中时被压缩的空气对缸活塞施加力，这个力使内燃机自主地继续转动。
在计算压缩能量时优选地使用压缩能量特性曲线。在压缩能特性曲线中尤其存储了根据曲轴角的能量值。这些能量值描述的是这样的能量，即在马达从相应的曲轴角出发直到下一个上死点为了克服压缩而继续转动所必须付出的能量。在计算压缩能量时根据实际曲轴角ist和目标曲轴角ΔZiel有两种不同的情景：
第1情况：ist≤Ziel，
对于第一情况，即ist≤Ziel，按照下式计算压缩能量EK：
EK=EK,ist－EK,Ziel。
第2情况：Ziel<ist，
对于第二情况，即Ziel<ist，按照下式计算压缩能量EK：
EK=EK,ist+EK,0－EK,Ziel。
其中EK,ist是表示在实时曲轴角ist位置上的压缩能量，EK,Ziel是表示目标曲轴角Ziel位置上的压缩能量，并且EK,0是表示曲轴角为0°时的压缩能量。
优选地借助内插法从压缩能量特性曲线中获得参数EK,ist、EK,Ziel和EK,0。
按照一个优选的改进方案测量和提供内燃机运行期间的内燃机的实际角速度和内燃机运行期间的曲轴的实际曲轴角。
按照一个优选的改进方案，根据目标曲轴角、实际角速度、实际曲轴角并根据用于保护起动机的控制电流的起动机‑控制器的与时间有关的条件的数量生成控制信号。
为了能有利地排出所出现的热量，优选地既对通电的最大允许持续时间也对最小允许持续时间进行限制，因为在给起动机通电期间所出现的高电流对控制电流的起动机‑控制器提出高的要求。特别是在电流接通时刻和电流断开那一时刻会出现高的能量峰值，这些能量峰值会导致生成大的热量。此外，供电时间长会导致温度的剧增。
此外，优选地通过多个连续的供电脉冲输入能量。当在供电持续时间期间给内燃机提供的能量不够用时为了达到目标位置对供电脉冲的最大持续时间和最小持续时间优选地进行相同的限制。在单个的电流脉冲之间相应有供电间歇，所述间歇有规定的最短持续时间。这个最短持续时间优选地保证在下一个电流脉冲开始之前能最大化地排出在断开电流脉冲期间所出现的热量。
优选这种过程一直重复，直到在系统中存在的能量足够达到目标位置，或者直到达到可输出的电流脉冲的最大允许数量。
上述用于通电的最大和最小持续时间、通电间歇的最小持续时间和允许的电流脉冲的数量的极限值用于有利地保护实现起动机电流的电路的组成部分。
按照一种优选的改进方案，根据目标曲轴角、实际角速度、实际曲轴角并根据与转速有关的条件的数量生成控制信号。
为了有利地进一步将成功达到目标位置精确化，可附加地使用与转速有关的条件。最早当低于内燃机的预定义的转速极限时开始给起动机马达通电。相反，最迟当超过内燃机的预定义的上转速极限时结束供电过程。在此优选地使用两点调节器原理。通过这一措施保证在曲轴定位期间内燃机具有在转速上限和转速下限之间的预定义极限之内的转速。
在曲轴定位期间必须提供给内燃机的所计算的能量的偏差可随着发动机转速的增加而增加。转速上极限因此有利地用于在能量计算时使不精确性最小化。
在发动机低转速时从起动机到内燃机的能量传递的效率下降。因此，转速下极限有利地可减小在曲轴定位期间所应提供的能量的总量。此外，当内燃机已静止时在曲轴定位期间起动机的起动首先导致机动车中剧烈振动。此外，在进入马达静止之前开始供电会导致减小机动车振动，并且也导致改进在执行曲轴定位期间驾驶员的舒适性。
根据另一优选的改进方案根据目标曲轴角、实际角速度、实际曲轴角、用于保护控制电流的起动机‑控制器的与时间有关的条件的数量并根据与转速有关的条件的数量生成控制信号。
按照另一优选的改进方案根据目标曲轴角、实际角速度和实际曲轴角并且附加地根据下述参数中的一个或者多个参数计算控制信号：
‑ 内燃机的压缩能量特性曲线，
‑ 内燃机的平均滑行斜率，
‑ 内燃机的惯量，
‑ 起动机的摩擦力矩，
‑ 用于对起动机马达通电的电流脉冲的预定的最大持续时间，
‑ 用于对起动机马达通电的电流脉冲的预定的最小持续时间，
‑ 两个电流脉冲之间的预定的最小间隔，
‑ 在确定的时间窗口内电流脉冲的预定的最大数量，
‑ 内燃机的确定的最大角速度以及
‑ 内燃机的确定的最小角速度。
此外，将内燃机的摩擦力矩或者从内燃机的摩擦力矩中推导出来的数值用作参数。
根据另一优选的改进方案，当起动机的起动机小齿轮啮合到内燃机的马达齿圈中之后生成控制信号。
因此，本方法可有利地应用在具有起动机马达的起动/停止系统的范畴中，在这些系统中起动机小齿轮啮合到马达齿圈中和起动机的起动可彼此独立地进行。
根据另一有利的改进方案可通过下述公式计算能量差ED：
ED=ER－ET+EK，
其中ER表示在实际曲轴角和目标曲轴角之间走过的行程时的曲轴的摩擦能量，
其中ET表示由内燃机和起动机的惯性能量值组成的惯性能量，并且
其中EK表示内燃机的压缩能量。
根据另一优选的改进方案，借助通过控制信号控制的对起动机马达的通电来脉冲形地将能量从起动机传递到内燃机。通过脉冲形地控制起动机优选地能将能量传递分配到多个周期上。在起动机通电期间在控制电流的起动机控制器中会有强烈的热量生成，这会导致破坏起动机控制器。将供电持续时间分配到多个周期上实现了利用中间时间排热，从而可有利地降低对起动机控制器的要求。此外在这种情况中还可借助电子电路实现给起动机通电。而在常规的起动机中是借助机械的继电器实现对电流的控制。与其相比，电子控制具有反应时间或开关时间明显缩短、且可重复性更高的优点。
附图说明
在附图中示出了本发明的其它的实施例，在下面的说明中对本发明的这些实施例进行更加详细的说明。这些附图中
图1示出用于对内燃机的曲轴定位的方法的一个实施例的示意性流程图；
图2示出用于对内燃机的曲轴定位的装置的第一实施例的示意性图；
图3示出用于对内燃机的曲轴定位的装置的第二实施例的示意图；
图4、5示出示意性图表以解释一种对曲轴定位的实施例的流程；
图6、7示出示意性图表以解释压缩能量特性曲线。
具体实施方式
在图1中示出了用于机动车内燃机的曲轴定位的方法的实施例的示意性流程简图。其中，借助起动机的起动机马达使曲轴转入确定的目标曲轴角中。
在步骤101中提供优选测量内燃机的实际角速度。其中，在内燃机运行期间测量实际角速度。
在步骤103中提供特别是测量实际曲轴角，优选在内燃机运行期间也测量和提供内燃机的实际曲轴角。
在步骤105中根据内燃机的实际角速度和实际曲轴角生成给起动机马达通电的控制信号以用于调节目标曲轴角。
在这种情况中，优选根据目标曲轴角、实际曲轴角和实际角速度计算由内燃机和起动机构成的系统的实时系统能量与为调节目标曲轴角所必需的能量之间的能量差。然后优选地根据所计算的能量差生成控制信号。
在这种情况中，特别是借助通过控制信号控制的对起动机马达的通电来脉冲形成地将能量从起动机传递到内燃机。特别是在起动机的起动机小齿轮啮合到内燃机的马达齿轮圈之后执行步骤105。
图2示出用于对机动车内燃机曲轴定位的装置200的第一实施例的示意图。该装置200例如设计为机动车的起动机的起动机‑控制器。
该装置200具有控制机构300。控制机构300设计用于根据内燃机的实际角速度402和实际曲轴角403来生成给起动机马达通电的控制信号以用于调节目标曲轴角401。
在图3中示出了装置200的另一实施例。在图3的装置200的这个实施例中控制机构300接收下述参数或者信号：目标曲轴角401、实际角速度402、实际曲轴角403、内燃机的压缩能量特性曲线404、内燃机的平均滑行斜率405、内燃机的惯量406、曲轴的惯量407、起动机的摩擦力矩408、用于给起动机马达通电的电流脉冲的预定的最大持续时间409、用于给起动机马达通电的电流脉冲的预定的最小持续时间410、两个电流脉冲之间的预定的最小间隔411、在确定的时间窗口内电流脉冲的预定的最大数量410、内燃机的规定的最大角速度413、内燃机的规定的最小角速度414。图3的控制机构300根据这些输入参数401‑414生成控制信号500。
此外，图4和图5示出用于解释曲轴定位的一个实施例的过程的示意性图表。其中附图标记601表示马达的实时角速度。附图标记602和603表示转速下极限和转速上极限。曲线604表示用于曲轴定位的根据本发明的电流脉冲。
在图5中曲线701表示实时的曲轴角。在时间点702和703之间进行根据本发明的曲轴定位。此外，曲线704还示出计算的能量差ED。在图5中目标转角用Ziel表示，并且Δ表示距目标转角Ziel的相应的实时间距。从图5中可以看出，在时间点703Δ=6°。其中6°的Δ位于给定的公差范围之中。
图6和图7示出用于解释压缩能量特性曲线的示意性图表。
其中，图6表示这样一种情况，即曲轴的实际曲轴角ist小于等于目标曲轴角Ziel（ist≤Ziel）。在图6的这种情况中从EK=EK,ist‑EK,Ziel计算出压缩能量EK。
此外，图7还表示这样一种情况，即曲轴的实际曲轴角ist大于目标曲轴角Ziel（ist>Ziel）。在图7的这种情况中，从EK=EK,ist+EK,0‑EK,Ziel中计算出压缩能量EK。