СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПУСКА ДВИГАТЕЛЯ
METHOD AND DEVICE FOR ENGINE STARTING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и, в частности, к способу и устройству для запуска такого двигателя.
Уровень техники
В настоящее время наиболее экономически эффективными устройствами запуска двигателя являются стартеры 12 В и усовершенствованные стартеры 12 В. Усовершенствованный стартер может обеспечить около 300000 пусков в течение 10-летнего срока службы автомобиля, предусматривающего пробег 150000 миль. Зубчатый венец, с которым сцепляется стартер, может обеспечить около 400000 пусков в течение 10-летнего срока службы автомобиля, предусматривающего пробег 150000 миль.
В современных микрогибридных, мягкогибридных, полногибридных автомобилях или гибридных автомобилях с подзарядкой от сети, когда автомобиль стоит на месте, а также когда автомобиль катится, необходимо использование старт-стопных режимов двигателя. Необходимое количество запусков двигателя во время стандартного 10-летнего срока службы жизни автомобиля с пробегом 150000 миль превышает количество, которое может обеспечить усовершенствованный стартерный двигатель или зубчатый венец с оптимизированным износом, и им не существует экономически эффективных альтернатив.
Цель настоящего изобретения состоит в обеспечении способа запуска двигателя и устройства для запуска двигателя, которые экономически эффективно обеспечивают более длительный срок службы.
Раскрытие изобретения
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложен способ пуска двигателя, снабженного пусковым устройством, включающим в себя по меньшей мере два стартера, где каждый раз для пуска двигателя выбирают такой стартер, чтобы обеспечить равномерное распределение их износа и уменьшение количества пусков двигателя, выполняемых каждым стартером.
Количество пусков, выполняемых каждым стартером, может быть равно общему количеству произошедших пусков двигателя, деленному на общее количество активных стартеров.
Количество пусков, выполняемых каждым стартером, может быть равно общему количеству пусков двигателя, выполненных за некоторый период времени, деленному на общее количество активных стартеров, использованных за этот период времени.
Один и тот же активный стартер не может использоваться для двух пусков двигателя подряд.
Каждый стартер для пуска двигателя может осуществлять зацепление с зубчатым венцом и может образовывать соответствующий профиль износа на зубчатом венце, причем стартеры могут быть расположены таким образом, чтобы минимизировать наложение соответствующих профилей износа.
Могут быть предусмотрены два стартера (первый и второй), которые могут быть задействованы попеременно.
Способ может дополнительно предусматривать проверку того, запущен ли двигатель после использования соответствующего стартера, и, если двигатель не запущен соответствующим стартером, выполнение пуска двигателя с помощью другого стартера и отключение соответствующего неисправного стартера.
Способ может дополнительно предусматривать направление предупреждения пользователю о том, что соответствующий стартер не сработал.
Способ может дополнительно предусматривать направление предупреждения пользователю об общем отказе системы, если ни один стартер не смог запустить двигатель.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения, представлено устройство для пуска двигателя внутреннего сгорания, имеющего маховик, соединенный с коленчатым валом двигателя, причем устройство содержит зубчатый венец стартера, прикрепленный к маховику, по крайней мере два стартера, каждый из которых снабжен ведущим зубчатым колесом для селективного зацепления с зубчатым венцом, и электронный контроллер для управления работой стартеров, который выполнен с возможностью задействовать стартеры в заданной последовательности для равномерного распределения их износа и уменьшения количества пусков для каждого стартера.
Электронный контроллер может управлять стартерами таким образом, чтобы количество пусков, выполняемых каждым стартером, было равно общему количеству осуществленных пусков двигателя, деленному на общее количество активных стартеров.
Один и тот же активный стартер не может использоваться для двух пусков двигателя подряд, то есть для каждого следующего пуска выбирают активный стартер, отличающийся от стартера, использованного для предыдущего пуска.
Каждый стартер может осуществлять зацепление с зубчатым венцом для запуска двигателя и может формировать соответствующий профиль износа на зубчатом венце, причем стартеры могут быть расположены таким образом, чтобы минимизировать наложение соответствующих профилей износа.
В устройстве может быть предусмотрено два стартера (первый и второй), которые могут быть использованы попеременно.
Двигатель может представлять собой четырехцилиндровый четырехтактный двигатель, а второй стартер может быть расположен под углом к первому стартеру в диапазоне от 60 до 120 градусов, отмеряемых по ходу вращения зубчатого венца, с тем, чтобы минимизировать наложение соответствующих профилей износа от двух стартеров.
Второй стартер также может быть расположен под углом к первому стартеру в диапазоне от 240 до 300 градусов, отмеряемых по ходу вращения зубчатого венца, с тем, чтобы минимизировать наложение соответствующих профилей износа от двух стартеров.
Пусковое устройство может включать в себя два зубчатых венца стартера, прикрепленных к маховику, и по крайней мере два стартера, связанных с каждым зубчатым венцом, при этом каждый стартер снабжен ведущим зубчатым колесом для селективного зацепления с соответствующим зубчатым венцом. Электронный контроллер может управлять работой стартеров таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение износа стартеров и уменьшение количества пусков двигателя, выполняемых каждым стартером.
Электронный контроллер может дополнительно выполнять проверку того, запустился ли двигатель после использования соответствующего стартера, и, если двигатель не запущен соответствующим стартером, осуществлять запуск двигателя с помощью другого стартера и отключать соответствующий неисправный стартер.
Электронный контроллер может дополнительно направлять предупреждение пользователю двигателя о том, что соответствующий стартер не сработал.
Согласно третьему аспекту изобретения представлен автомобиль, снабженный описанным выше устройством согласно второму аспекту.
Согласно четвертому аспекту изобретения представлен способ увеличения срока службы зубчатого венца стартера, в котором для заданного количества пусков двигателя используют первый стартер в первом положении, а затем заменяют стартер на запасной стартер, расположенный таким образом, что он формирует профиль износа с минимальным наложением на профиль износа, формируемый первым стартером.
Способ может дополнительно предусматривать использование для выполнения заданного числа пусков двигателя первой пары стартеров в соответствующих первых положениях, а затем замену первой пары стартеров на запасную пару стартеров, расположенных таким образом, чтобы формировать профили износа с минимальным наложением на профили износа, формируемые первой парой стартеров.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет описано на примере со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На Фиг.1а представлен схематический вид сверху транспортного средства по третьему аспекту изобретения, снабженного устройством пуска двигателя по второму аспекту изобретения;
На Фиг.1b представлен схематический вид сверху, показывающий двигатель и трансмиссию, установленные в транспортном средстве, показанном на Фиг.1а, в увеличенном масштабе, когда транспортное средство представляет собой параллельный гибридный автомобиль;
На Фиг.2а представлен схематический вид сзади двигателя транспортного средства, показанного на Фиг.1а и 1b, в направлении стрелки Х на Фиг.1а;
На Фиг.2b представлен схематический вид сбоку в направлении стрелки Y на Фиг.2а части устройства пуска двигателя;
На Фиг.2с представлена диаграмма расположения и соответствующих положений износа стартеров для устройства пуска двигателя, показанного на Фиг.1а-2b;
На Фиг.3 представлена диаграмма, аналогичная Фиг.2с, на которой показаны предпочтительные места расположения стартеров для четырехцилиндрового четырехтактного двигателя;
На Фиг.4а представлен схематический вид сбоку четырехцилиндрового двигателя, к которому относятся Фиг.2с и 3;
На Фиг.4b представлен вид с торца в направлении стрелки Z на Фиг.4а двигателя, показанного на Фиг.4а;
На Фиг.5 представлен схематический вид сбоку первого варианта дуплексного устройства зубчатого венца для использования в устройстве пуска двигателя по изобретению;
На Фиг.6 представлен схематический вид сбоку второго варианта дуплексного устройства зубчатого венца для использования в устройстве пуска двигателя по изобретению;
На Фиг.7 представлена высокоуровневая блок-схема способа пуска двигателя по первому аспекту изобретения.
Осуществление изобретения
Рассмотрим Фиг.1а-4b, на которых показан автомобиль 50 с двигателем 10, приводящим в действие трансмиссию 11, прикрепленную к двигателю при помощи кожуха 13. Трансмиссия 11 имеет выход, в данном случае соединенный с возможностью передачи приводного усилия с передней осью 12, передающей движение на два из четырех ходовых колес W в автомобиле 50. Однако следует понимать, что трансмиссия 11 может передавать крутящий момент на все четыре колеса автомобиля 50 и/или что автомобиль 50 может иметь больше или меньше ходовых колес.
В показанном примере автомобиль 50 представляет собой параллельный гибридный электромобиль, в котором установлен не только двигатель 10, но также и тяговый электродвигатель 15; однако изобретение в равной степени применимо и к стандартному автомобилю со стартстопной системой. Расцепляющая муфта 16 расположена между выходом двигателя 10 и электродвигателем 15. Вал ротора электродвигателя 15 соединен на одном конце с частью расцепляющей муфты 16, а на противоположном конце с входом трансмиссии 11. Следует понимать, что между электродвигателем 15 и трансмиссией 11 может быть расположен гидравлический редуктор, если трансмиссия представляет собой автоматическую трансмиссию с преобразователем крутящего момента.
Устройство пуска представлено для двигателя 10 в форме пары стартеров M1, M2 с напряжением 12 вольт, каждый из которых может зацепляться с зубчатым венцом 8 стартера, прикрепленным к маховику 7 двигателя 10. Каждый из стартеров M1, M2 смонтирован на кожухе 13, но также может быть установлен и на двигателе 10. В устройстве пуска двигателя для управления работой двух стартеров M1, M2 предусмотрен электронный контроллер 20.
Стартеры M1, M2 являются стандартными, и каждый из них имеет соответствующее зубчатое колесо 13Р, 14Р, которое зацепляется с зубчатым венцом 8 для передачи крутящего момента на маховик 7, таким образом обеспечивая запуск двигателя 10. В публикации патента США 2012/0312123 показан один пример такого стартера, но существует множество и других примеров.
Маховик 7 прикреплен к коленчатому валу С двигателя 10, в данном примере - четырехцилиндрового четырехтактного дизельного двигателя 10, как показано на Фиг.4а и 4b.
Двигатель 10 имеет четыре поршня Р1, Р2, P3, Р4, каждый из которых соединен посредством соответствующего шатуна с соответствующим пальцем кривошипа С1, С2, C3, С4 коленчатого вала С. Коленчатый вал С расположен таким образом, что когда поршни Р2 и P3 находятся в верхней мертвой точке (ВМТ), поршни Р1 и Р4 находятся в нижней мертвой точке (НМТ), как показано на Фиг.4а. Следует понимать, что при повороте коленчатого вала на 180° от показанного положения поршни Р2 и P3 переместятся в нижнюю мертвую точку, а поршни Р1 и Р4 - в верхнюю мертвую точку. На Фиг.4b поршень Р1 показан в положении, когда коленчатый вал С повернут на угол 9 от положения верхней мертвой точки, вследствие чего палец С1 кривошипа находится в показанном положении.
Электронный контроллер 20 связан не только с двумя стартерными двигателями M1, M2, но и с устройством ввода данных для стартера, управляемым пользователем, например, клавишным переключателем 24, автоматизированным устройством пуска, например, системой 25 стартстопного управления, и с водительским интерфейсом 26 для передачи визуальных или звуковых сообщений для пользователя двигателя 10.
Стартстопная система 25 выполнена с возможностью автоматического отключения двигателя 10 и расцепления муфты 16, когда для приведения в действие трансмиссии 11 используется электродвигатель 15. Кроме того, контроллер стартстопной системы 25 выполнен с возможностью осуществления повторного пуска двигателя 10 и зацепления муфты 16, когда для приведения в действие трансмиссии 11 используется двигатель 10. Следует понимать, что двигатель 10 и электродвигатель 15 можно при необходимости использовать одновременно для приведения в действие трансмиссии 11.
На Фиг.2с схематически показаны местоположения двух стартеров М1, М2.
В показанном примере первый стартер M1 из двух стартеров M1, М2 расположен на вертикальной оси двигателя 10, а второй стартер М2 из двух стартеров M1, M2 расположен таким образом, чтобы зацепляться с зубчатым венцом 8, под углом практически 90 градусов относительно углового положения первого стартера M1, где угол отмеряют в направлении вращения зубчатого венца 8. Второе предпочтительное положение характеризуется углом 270 градусов. Следует понимать, что в обоих этих положениях будут возникать профили износа на одних и тех же участках зубчатого венца 8 на расстоянии 180 градусов друг от друга.
Как известно в данной области техники, в четырехцилиндровом четырехтактном двигателе такт расширения происходит через каждые 180 градусов поворота коленчатого вала. Каждый двигатель имеет естественное положение останова, которое задается упругим сопротивлением сжатого воздуха в цилиндре, где поршень Р1, Р2, P3, Р4 не может пройти верхнюю мертвую точку, и следующим цилиндром в такте расширения, где соответствующий поршень Р1, Р2, P3, Р4 находится в такте сжатия и оказывает сопротивление вращению в обратном направлении, а также фазой и величиной любых циклических сил, необходимых для приведения в действие распределительных кулачковых валов или топливного насоса двигателя.
Для теоретического случая, когда отсутствуют силы, оказываемые распределительным кулачковым валом или топливным насосом, а силы упругого сопротивления и сжатия имеют практически одинаковую величину, естественное положение останова двигателя с двумя или более цилиндрами находится примерно на полпути между двумя тактами расширения. Для четырехцилиндрового четырехтактного двигателя 10 естественное положение останова, таким образом, находится примерно на повороте коленчатого вала на 90 градусов перед ВМТ, повторяясь через каждые 180 градусов поворота коленчатого вала. Именно по этой причине накопление износа зубчатого венца, называемое профилем износа, сконцентрировано для одного стартера в основном в двух местах на четырехцилиндровом четырехтактном двигателе с расстоянием в 180 градусов.
На Фиг.2с профили износа показаны в виде точек W1a и W1b для первого стартера M1 и в виде точек W2a и W2b для второго стартера М2. Однако следует понимать, что каждый из этих профилей износа расположен на коротком участке по окружности зубчатого венца 8, и что максимальный износ возникает в начальной точке зацепления шестерен 13Р, 14Р стартеров M1, M2 с зубчатым венцом 8.
По этой причине зубчатый венец 8 будет, как правило, изнашиваться в местах, в которых стартеры M1, M2 обычно изначально зацепляются с зубчатым венцом 8, хотя в других местах зубчатый венец 8 останется практически новым, так как только небольшое количество пусков двигателя начнется в таких местах. При расположении двух стартеров M1, M2 на расстоянии 90 градусов, профили износа стартеров M1, M2 будут находиться на максимально возможном расстоянии друг от друга. Следует понимать, что каждый профиль износа будет направлен по часовой стрелке, если смотреть от места первоначального зацепления шестерни 13Р, 14Р.
Следует понимать, что если стартер M2 будет расположен на расстоянии 180 градусов от стартера M1, то износ будет возникать на той же самой части зубчатого венца 8, так как его профиль износа будет совпадать с точками износа W1a и W1b. Аналогичным образом, если стартер M1 будет расположен на расстоянии 180 градусов от стартера M2, то износ на нем будет возникать на той же самой части зубчатого венца 8, так как его профиль износа будет совпадать с точками износа W2a и W2b.
Следует понимать, что угловые положения стартеров M1, M2 относительно угла поворота коленчатого вала не важны. Важно только взаимное соотношение между углами положений двух стартеров M1, M2. Например, если сместить стартер M1 по часовой стрелке на угол Ф от показанного углового положения, то, если также сместить по часовой стрелке на угол Ф и второй стартер M2 из показанного положения, будет воспроизведено то же самое предпочтительное распределение износа.
Это значит, что угловая ориентация двух стартеров M1, M2 относительно положения коленчатого вала не важна, если между стартерными двигателями M1, M2 сохраняется одно и то же угловое расстояние.
Рассмотрим теперь Фиг.3, на которой схематично показаны возможные места размещения двух стартеров M1, M2 на основании экспериментальных исследований с использованием четырехцилиндрового дизельного двигателя вышеуказанного типа.
На Фиг.3, как и на Фиг.2с, стартер M1 использован в качестве точки отсчета и расположен вертикально над центром вращения зубчатого венца 8. Как и ранее, следует понимать, что угловые положения стартеров M1, M2 относительно угла поворота коленчатого вала не имеют значения. Важно только соотношение между угловыми положениями двух стартеров M1, M2. Например, если сместить стартер M1 по часовой стрелке на угол Ф от показанного углового положения, то, если также сместить второй стартер M2 по часовой стрелке на угол Ф из показанного положения, будет воспроизведено то же самое предпочтительное распределение износа.
На основании экспериментальных исследований определено, что при угловом расстоянии θ1 между стартерами для второго стартера M2, отмеряемом от места расположения первого стартера M1 в направлении вращения зубчатого венца 8, в первом диапазоне R от 60 до 120 градусов возникнет минимальное наложение профилей износа, формируемых двумя стартерными двигателями M1, M2. Положение второго стартера М2, когда он размещен на противоположных концах этого диапазона, обозначены позиционными обозначениями М2а и M2b. Следует понимать, что, так как двигатель 10 является четырехтактным четырехцилиндровым двигателем, соответствующие профили износа также возникнут при угле 180 градусов на местах установки соответствующего стартера M1, M2. Таким образом, если первый стартер M1 расположен так, как показано на Фиг.3, износ появится в точках W1a и W1b, показанных на Фиг.2 с.Если второй стартер M2 установлен в положении М2а, два соответствующих места износа будут находиться: одно рядом с точкой М2а, а другое на расстоянии 180 градусов рядом с точкой М2с. Аналогичным образом, если второй стартер M2 установлен в положении M2b, два соответствующих места износа будут находиться: одно рядом с точкой M2b, а другое на расстоянии 180 градусов рядом с точкой M2d.
Второй диапазон R2 для углового расстояния 92 стартера, который является зеркальным отражением первого диапазона R, находится между 240 и 300 градусами, отмеренными от места расположения первого стартера M1 в направлении вращения зубчатого венца из-за повторяющейся через каждые 180 градусов конструкции двигателя 10.
Этот второй диапазон R2 также приведет к минимальному наложению профилей износа, формируемых двумя стартерными двигателями M1, M2. Противоположные концы этого второго диапазона R2 показаны на Фиг.3 позиционными обозначениями М2с и M2d.
Как указано ранее, соответствующие профили износа возникнут при угле 180 градусов к положению установки соответствующего стартера M1, M2.
Таким образом, если первый стартер M1 расположен так, как показано на Фиг.3, износ появится в точках W1a и W1b, показанных на Фиг.2с. Если второй стартер M2 установлен в положении М2с, два соответствующих места износа будут находиться: одно рядом с точкой М2с, а другое на расстоянии 180 градусов рядом с точкой М2а. Аналогичным образом, если второй стартер M2 установлен в положении M2d, два соответствующих местоположения износа будут находиться: одно рядом с точкой M2d, а другое на расстоянии 180 градусов рядом с точкой M2b.
Было установлено, что два особенно предпочтительных угловых расстояния (θ1, θ2) стартеров для испытываемого двигателя - это 102 градуса в первом диапазоне R и 258 градусов во втором диапазоне R2, при этом оба отмеряются от местоположения первого стартера M1 в направлении вращения зубчатого венца.
Оба эти угловые расстояния (θ1, θ2) привели к образованию минимального наложения профилей износа двух стартеров M1, M2. Следует понимать, что эти положения, по-видимому, отличаются от идеальных расстояний в 90 и 270 градусов, показанных на Фиг.2с, за счет воздействия дополнительных циклических сил, действующих на двигатель от кулачковых валов и топливного насоса двигателя 10.
Специалистам в данной области ясно, что величина износа и расположение профилей износа будут зависеть от ряда факторов, в том числе количества цилиндров двигателя, использования двухтактного или четырехтактного двигателя и конкретных конструкционных деталей двигателя и устройства пуска.
Устройство запуска двигателя работает следующим образом.
Электронный контроллер 10 при поступлении сигнала на пуск двигателя, генерируемого либо пользователем автомобиля 50 при помощи замка 24 зажигания либо стартстопной системой 25, включает один из стартеров M1, M2 на основании журнала истории пусков и ошибок, хранящегося в памяти электронного контроллера 10. Если оба стартера M1, M2 находятся в рабочем состоянии, питание на стартеры M1, M2 подают попеременно таким образом, чтобы если для последнего пуска был использован стартер M1, следующий пуск двигателя будет выполнен с помощью стартера M2, и наоборот.
Чередование стартеров M1, M2 имеет то преимущество, что уменьшается и равномерно распределяется их износ. Это значит, что общий износ, которому подвергается каждый стартер M1, M2, равен общему количеству выполненных запусков двигателя, деленному на общее число активных стартеров. По этой причине, в данном случае, при наличии двух стартеров M1, M2, каждый стартер M1, M2 подвергается износу в два раза меньшему, чем он подвергался бы, если бы был единственным стартером, при условии, что оба стартерные двигателя активны.
В случае если после включения стартера M1, M2 определено, что частота вращения двигателя не увеличивается, а остается равной нулю, то это обстоятельство служит указанием того, что соответствующий стартер M1, M2 не сработал. В таких обстоятельствах электронный контроллер 10 отключает соответствующий стартер M1, M2, генерируя код ошибки, так что для будущих запусков остается активным только другой стартер M1, M2, который и может быть использован для запуска двигателя 10.
После отключения стартера M1, M2 электронный контроллер 10 также направляет предупреждение через интерфейс 26 водителя о том, что произошел отказ стартера, и что автомобиль 50 необходимо ремонтировать.
Если не сработали оба стартера M1, M2, то электронный контроллер 10 направляет предупреждение через интерфейс 26 водителя о том, что произошел полный отказ стартеров и что необходима эвакуация автомобиля 50. В некоторых вариантах электронный контроллер 10 может также связаться с местной службой по эвакуации или ремонту и направить подробную информацию о характере отказа и спутниковые координаты автомобиля 50.
Если автомобиль 50 представляет собой параллельный гибридный автомобиль, как в примере, описанном в настоящем документе, то дополнительным вариантом будет использование электродвигателя 15 для пуска с неполным расцеплением двигателя 10, если предполагается, что произошел отказ обоих стартеров M1, M2.
Еще одно преимущество чередования двух стартеров M1, M2 для запуска двигателя состоит в том, что тепловой нагрев каждого стартера M1, M2 уменьшается вследствие распределения между ними начального усилия. В связи с этим, если необходима высокая частота пусков, например, при движении в стартстопном режиме, средняя температура каждого стартера M1, M2 будет ниже, так как возникает меньший термический нагрев и каждый стартер M1, M2 охлаждается в течение более продолжительного периода время между запусками, для которых он используется.
Хотя предпочтительный вариант заключается в использовании стартеров попеременно, существуют другие варианты, которые могут быть использованы для увеличения преимуществ изобретения в отношении срока службы стартера в связи с износом.
Например, один стартер может быть использован для заданного количества пусков, а затем другой стартер будет использован для того же самого заданного количества пусков, а затем порядок повторяется.
В еще одном альтернативном варианте один стартер может быть использован до тех пор, пока не будет достигнут предусмотренный спрогнозированный срок службы, а затем будет использован другой стартер.
Во всех случаях предпочтительнее, чтобы количество пусков, выполненных соответствующим стартером, практически совпадало с количеством пусков, выполненных любым другим стартером таким образом, чтобы равномерно распределить износ обоих стартеров и зубчатого венца.
Хотя изобретение описано для примера, относящегося к четырехцилиндровому четырехтактному двигателю, следует понимать, что он может быть применен и в системах с другим количеством цилиндров. Однако в этом случае угловое расстояние между стартерными двигателями необходимо выбирать в соответствии с характеристиками двигателя. Например, в случае шестицилиндрового двигателя более подойдет угловое расстояние 60 градусов, а не 90 градусов, так как цикл расширения повторяется через 120 градусов, а не через 180 градусов.
Аналогичным образом, если используется более двух стартеров, необходимо иное угловое расстояние. Для четырехцилиндрового четырехтактного двигателя при использовании трех стартеров теоретически подходит угловое расстояние стартера в 60 градусов.
Практическое количество стартеров, которые можно использовать, зависит от длины профиля износа по окружности для каждого стартера и общей окружности соответствующего зубчатого венца. В случае более двух стартеров, использующих один зубчатый венец, следовательно, требуется относительно большая окружность зубчатого венца, и поэтому, вероятно, такой вариант будет использован только с более крупными двигателями, например, дизельными двигателями грузовых автомобилей или судовыми дизельными двигателями.
Для решения этой проблемы ограничения размера предлагается, как показано на Фиг.5 и 6, использовать два зубчатых венца вместо одного.
Рассмотрим Фиг.5, на которой показан первый вариант дуплексного устройства зубчатого венца, в котором использованы первый и второй зубчатые венцы 48, 58, каждый из которых прикреплен к маховику 7, прикрепленному к одному концу коленчатого вала С.
С первым зубчатым венцом 48 соединены два стартера M1 02, из которых показан только один. Каждый из стартеров M1 02 имеет соответствующую шестерню 102Р для зацепления с первым зубчатым венцом 48. Угловое расстояние между двумя стартерами M1 02, как описано выше, выбрано таким образом, чтобы минимизировать наложение профилей износа, формируемых двумя стартерами M102. Следовательно, если двигатель, к которому прикреплен маховик 7, является четырехцилиндровым четырехтактным двигателем, подходящее угловое расстояние между двумя стартерами M102 будет находиться в диапазоне от 60 до 120 градусов, или от 240 до 300 градусов, отмеренных от одного из стартеров M102 по направлению к другому.
Со вторым зубчатым венцом 58 соединены два стартера M101, из которых показан только один. Каждый из стартеров M101 имеет соответствующую шестерню 101P для зацепления с первым зубчатым венцом 58. Угловое расстояние между двумя стартерами M101, как описано выше, выбрано таким образом, чтобы минимизировать наложение профилей износа, формируемых двумя стартерами M101. Следовательно, если двигатель, к которому прикреплен маховик 7, является четырехцилиндровым четырехтактным двигателем, подходящее угловое расстояние между двумя стартерами M101 будет находиться в диапазоне от 60 до 120 градусов, или от 240 до 300 градусов, отмеренных от одного из стартеров M101 по направлению к другому.
Положения стартеров M101 относительно стартеров M102 имеют значения исключительно с точки зрения компактности размещения, значение имеет только угловое расстояние между двумя стартерами, воздействующими на каждый зубчатый венец 48, 58. В показанном примере между стартерами M101 и стартерами M1 02 имеется угловое смещение на 90 градусов, однако следует понимать, что они могут быть выровнены друг с другом или смещены относительно друг друга на любой иной угол.
Одна из особенностей этого варианта состоит в том, что стартеры M102, которые взаимодействуют с первым зубчатым венцом 48, расположены на стороне двигателя на маховике 107, а стартеры M1 01, которые взаимодействуют со вторым зубчатым венцом 48, расположены на противоположной стороне маховика 107, что обеспечивает большую гибкость в расположении двух комплектов стартеров M101, M101.
На Фиг.6 показан второй вариант схемы из двух зубчатых венцов, в котором использованы первый и второй зубчатые венцы 68, 78, каждый из которых прикреплен к маховику 207, прикрепленному к одному концу коленчатого вала С.
С первым зубчатым венцом 68 соединены два стартера М202, из которых показан только один. Каждый из стартеров М202 имеет соответствующую шестерню 202Р для зацепления с первым зубчатым венцом 68. Угловое расстояние между двумя стартерами М202, как описано выше, выбрано таким образом, чтобы минимизировать наложение профилей износа, формируемых двумя стартерами М202. Следовательно, если двигатель, к которому прикреплен маховик 207, является четырехцилиндровым четырехтактным двигателем, подходящее угловое расстояние между двумя стартерными двигателями М202 будет находиться в диапазоне от 60 до 120 градусов, и от 240 до 300 градусов, отмеренных от одного из стартеров М202 по направлению к другому.
Со вторым зубчатым венцом 78 соединены два стартера М201, из которых показан только один. Каждый из стартеров М201 имеет соответствующую шестерню 20 IP для зацепления с первым зубчатым венцом 78. Угловое расстояние между двумя стартерами М201, как описано выше, выбрано таким образом, чтобы минимизировать наложение профилей износа, формируемых двумя стартерами М201. Следовательно, если двигатель, к которому прикреплен маховик 207, является четырехцилиндровым четырехтактным двигателем, подходящее угловое расстояние между двумя стартерами М201 будет находиться в диапазоне от 60 до 120 градусов, и от 240 до 300 градусов, отмеренных от одного из стартеров М201 по направлению к другому.
Положения стартеров М201 относительно стартеров М202 имеют значение исключительно с точки зрения компактности размещения, важно только угловое расстояние между двумя стартерными двигателями, воздействующими на каждый зубчатый венец 68, 78. В показанном примере между стартерами М201 и стартерами М202 существует угловое смещение на 90 градусов. Следует понимать, что они могут быть расположены и под иным углом, но в этом варианте расположение соответствующих стартеров М201, М202 ограничивает то, что оба комплекта стартеров М201, М202 расположены на одной и той же стороне маховика 207.
Хотя диаметр первого зубчатого венца 68 отличается от диаметра второго зубчатого венца 78, зубчатая передача между стартерными двигателями М202, М201 и соответствующими зубчатыми венцами 68, 78 является той же самой.
Работа двух вариантов конструкции, показанных на Фиг.5 и 6, в значительной степени осуществляется так же, как описано выше, но в этом случае существуют два комплекта двух стартеров M101, M102, М201, М202, а не только один комплект двух стартеров M1, M2.
Такая схема обеспечивает несколько альтернативных режимов работы.
Один из режимов работы состоит в использовании двух стартеров M102, М202, соединенных с первым зубчатым венцом 48, 68 сначала способом, описанным выше, то есть попеременно. Затем, когда их ожидаемый срок службы истечет, происходит переключение на два стартерных двигателя M101, М201, соединенных со вторым зубчатым венцом 58, 78, они работают так, как описано выше, то есть попеременно.
Второй режим работы является обратным первому режиму, в нем сначала используют вторые зубчатые венцы 58, 78, а затем первые зубчатые венцы 48, 68.
Третий режим работы заключается в использовании всех четырех стартеров M1 01, M1 02, М201, М202 попеременно, например, M101, M102, M210, М202, M101 и т.д., или М101, М201, М102, М202, М101 и т.д.
Независимо от того, какой режим работы используется, цель состоит в том, чтобы равномерно распределить износ между стартерами М101, M102 и М201, М202, тем самым увеличивая их срок службы и срок службы соответствующих зубчатых венцов, 48, 58 и 68, 78.
В качестве альтернативы чередованию двух или более стартеров, как описано выше, может быть использован только один стартер, но может быть предусмотрено более одного положения для установки стартера. В таком случае первый стартер используется до тех пор, пока не истечет предусмотренный эксплуатационный надежный срок работы. Затем стартер заменяют вторым стартером, расположенным на другом месте. Срок службы зубчатого венца продлевают за счет изменения положения стартера, при этом заменить стартер относительно просто, тогда как замена зубчатого венца требует больше времени и, следовательно, является более дорогостоящей процедурой. В случае четырехцилиндрового четырехтактного двигателя первый стартер может быть расположен так, как указано для стартера M1, показанного на Фиг.2с и 3, а запасной стартер может быть расположен так, как указано для второго стартера М2, показанного на Фиг.2с и 3.
Увеличение срока службы зубчатого венца стартера, таким образом, может быть обеспечено за счет установки первого стартера в первом положении для заданного количества пусков двигателя или до момента отказа, а затем замены стартера на запасной стартер, расположенный таким образом, чтобы формировать профиль износа с минимальным наложением на профиль износа, сформированный первым стартером.
Следует понимать, что в зависимости от размеров образуемого профиля износа и окружности зубчатого венца может быть возможно заменить запасной стартер на дополнительный запасной стартер, расположенный таким образом, чтобы избежать, насколько это возможно, наложения профиля износа на профили износа, создаваемые первым и запасным стартерными двигателями.
В качестве еще одного дополнительного варианта первая пара стартеров может быть установлена в соответствующих первых положениях для заданного количества пусков двигателя или до момента отказа. Первую пару стартеров затем можно заменить на вторую пару стартеров, расположенных таким образом, чтобы создаваемые ими профили износа минимально накладывались на профили износа, создаваемые первой парой стартеров.
На Фиг.7 показан один вариант способа пуска двигателя по изобретению, который может быть реализован в виде программного кода в электронном контроллере, например, электронном контроллере 10.
Способ начинается на этапе 110, где генерируется запрос на запуск двигателя либо водителем при помощи замка 24 зажигания, либо с помощью стартстопной системы 25.
Затем на этапе 115 считывают значения N и Е, например, из памяти в электронном контроллере 10. В этом случае, который является первым вариантом выполнения способа, как для N, так и для Е используется нулевое значение.
N будет принимать значения 0 или 1 и используется для определения того, какой из двух стартеров M1, M2 будет использован для запуска двигателя 10.
Значение Е является показателем ошибки, при этом Е=0, если ошибки не обнаружены, Е=1, когда обнаружена одна ошибка, и Е=2, когда обнаружены две ошибки.
Следует понимать, что использование N и Е приведено только в качестве примера и могут быть использованы альтернативные логические схемы и механизмы управления технологическим процессом без выхода за рамки сущности изобретения.
От этапа 115 процедура переходит на этап 120, где значение N сравнивают в этом случае с нулем. Тем не менее, следует понимать, что может быть использована и иная логика.
Если N=1, то по логике этапа 120 необходимо, чтобы способ перешел на этап 122, потому что N больше нуля. Если N=0, то по логике этапа 120 необходимо, чтобы способ перешел на этап 123, потому что N не больше нуля.
Рассмотрим сначала результат «Да» на этапе 120. На этапе 122 осуществляется попытка запуска двигателя 10 с помощью первого стартера M1, а затем на этапе 124 осуществляется проверка, запущен ли двигатель 10. Эта проверка может быть выполнена различными способами, но один простой способ заключается в проверке, вращается ли двигатель 10 со скоростью выше заданного значения.
Если двигатель 10 успешно запущен, то процедура переходит на этап 126, где выполняется проверка, находится ли замок 24 зажигания в положении «выключено». Если замок 24 зажигания не находится в положении «выключено», процедура переходит на этап 130, а если замок 24 зажигания находится в положении «выключено», способ заканчивается на этапе 199 после сохранения текущих значений N и Е на этапе 180.
На этапе 130 текущее значение индикатора ошибки Е проверяют с помощью тройного теста для определения, равен ли Е нулю, единице или имеет значение больше единицы.
Если текущее значение Е равно нулю, это означает, что ошибок нет, и способ перейдет на этап 132, где текущее значение N уменьшается на единицу, так что теперь оно равно нулю. Затем способ возвращается на этап 120.
Если текущее значение Е на этапе 130 равно единице, это означает, что ранее произошел один сбой при пуске двигателя 10 с помощью второго стартера М2 и вследствие этого все последующие пуски должны выполняться с помощью первого стартера M1 до тех пор, пока второй стартер М2 не будет заменен или отремонтирован. Таким образом, в этом случае способ возвращается напрямую от этапа 130 на этап 120, не проходя через этап 132, и текущее значение N сохраняется.
Когда первый стартер M1 будет отремонтирован или заменен, индикатор ошибки будет обнулен, например, при помощи внешнего устройства, такого как анализатор диагностики, который подключают к электронному контроллеру 10.
Если текущее значение Е на этапе 130 равно двум, это означает, что ранее произошло два сбоя при пуске двигателя 10 при использовании каждого из двух стартеров M1, М2. Это значит, что оба стартерных двигателя M1, M2 являются неисправными, и поэтому запуск двигателя 10 невозможен. В таком случае единственным вариантом является уведомление водителя об этом факте. Следовательно, процедура переходит от этапа 130 на этап 190, где направляется сообщение о сбое системы через водительский интерфейс 26, и способ заканчивается на этапе 199.
Возвращаясь на этап 124, если не удалось запуститься двигатель 10 при помощи первого стартера M1, то первый стартер M1 теперь больше не является активным, и его более не следует использовать. Однако следует понимать, что в других вариантах может быть предусмотрено более одного отказа при запуске, прежде чем стартер M1 будет отключен. В ином случае стартер M1 может быть отключен только для текущего цикла включения зажигания и может быть повторно протестирован в следующем цикле включения зажигания; и будет окончательно отключен только при повторном отказе при запуске двигателя 10.
От этапа 124 процедура переходит на этап 140, где индикатор ошибки Е увеличивается на единицу, а затем на этап 142, где пользователь автомобиля 50 получает предупреждение о том, что произошел отказ стартера и что необходим его ремонт/замена.
Затем процедура переходит от этапа 142 на этап 144, где значение N уменьшается на единицу, так что теперь оно равно нулю, а затем процедура переходит на этап 150 для проверки, выключено ли зажигание. Если ключ зажигания 26 был переведен в выключенное положение, способ завершается на этапе 199 после первого сохранения текущих значений N и Е.
Хотя это не показано специально на Фиг.7, каждый раз при выключении зажигания текущие значения N и Е сохраняются перед завершением способа.
Если в результате теста на этапе 150 установлено, что зажигание не было выключено, то способ возвращается напрямую от этапа 150 на этап 120.
Если процедура возвращается на этап 120 через этап 132 или этап 150, значение N всегда равно нулю, и поэтому в следующем цикле всегда будет использован второй стартер М2. Это происходит потому, что если значение N равно нулю, результатом теста на этапе 120 будет «Нет».
Однако если процедура переходит от этапа 130 напрямую на этап 120, значение N останется равным единице, и первый стартер M1 будет использован повторно. Это происходит только в том случае, если в качестве значения индикатора ошибки Е установлена единица, что указывает, что при предыдущем пуске второй стартер М2 не смог запустить двигатель 10, что приводит к выполнению этапа 141.
Таким образом, чередование стартеров M1, M2 осуществляется до тех пор, пока не произойдет отказ стартера М2, и в этот момент для всех пусков используется рабочий стартер M1 до тех пор, пока отключенный стартер М2 не буде заменен или отремонтирован.
Касательно этапа 123, осуществляется попытка запуска двигателя 10 с помощью второго стартера М2, а затем на этапе 125 осуществляется проверка, запущен ли двигатель 10.
Если двигатель 10 успешно запущен, то процедура переходит на этап 127, где выполняется проверка, находится ли замок 24 зажигания в положении «выключено». Если замок 24 зажигания не находится в положении «выключено», то процедура переходит на этап 131, а если замок 24 зажигания находится в положении «выключено», процедура заканчивается на этапе 199 после сохранения текущих значений N и Е на этапе 180.
На этапе 131 проверяют текущее значение индикатора ошибки Е с помощью тройного теста для определения, равен ли Е нулю, единице или имеет значение больше единицы.
Если текущее значение Е равно 0, это означает, что ошибок нет, и процедура переходит на этап 133, где текущее значение N увеличивается на единицу, так что теперь оно равно единице. Затем процедура возвращается на этап 120.
Если текущее значение Е равно единице, это означает, что ранее произошел один сбой при пуске двигателя 10 при использовании первого стартера M1. Таким образом, все последующие пуски должны быть выполнены при помощи второго стартера М2 до тех пор, пока первый стартер M1 не будет заменен или отремонтирован. Таким образом, в этом случае процедура возвращается напрямую от этапа 131 на этап 120, не проходя через этап 133, и текущее значение N сохраняется.
Когда первый стартер M1 будет отремонтирован или заменен, индикатор ошибки Е будет обнулен, например, при помощи внешнего устройства, например, анализатора диагностики, который подключают к электронному контроллеру 10.
Если текущее значение Е равно двум, это означает, что ранее произошло два отказа при пуске двигателя 10 при использовании каждого из двух стартеров M1, M2. Это означает, что оба стартерных двигателя M1, M2 неисправны, и поэтому запуск двигателя 10 невозможен. В таком случае единственным вариантом является уведомление водителя об этом факте. Затем процедура переходит от этапа 131 на этап 190, где направляется сообщение о сбое системы через водительский интерфейс 26, и процедура заканчивается на этапе 199.
Возвращаясь к этапу 125, если не удалось запустить двигатель 10, то второй стартер M2 теперь больше не является активным, и предпочтительнее более его не использовать.
Следует понимать, что может быть предусмотрено более одного отказа при запуске, прежде чем стартер M2 будет отключен. В еще одном альтернативном варианте стартер M2 может быть отключен только для текущего цикла включения зажигания. Затем он может быть повторно протестирован в следующем цикле включения зажигания и будет окончательно отключен при повторном сбое при запуске двигателя 10 с его помощью.
От этапа 125 процедура переходит на этап 141, где индикатор ошибки Е увеличивается на единицу, а затем на этап 143, где пользователь автомобиля 50 получает предупреждение о том, что произошел отказ стартера и что необходим ремонт/замена.
Затем процедура переходит от этапа 143 на этап 145, где значение N увеличивается на единицу, так что теперь оно равно единице, а затем процедура переходит на этап 151 для проверки, выключено ли зажигание. Если ключ зажигания 26 был переведен в выключенное положение, способ завершается на этапе 199 после первого сохранения текущих значений N и Е.
Если в результате теста на этапе 151 установлено, что выключения зажигания не произошло, процедура возвращается от этапа 151 на этап 120.
Если процедура возвращается на этап 120 через этап 133 или этап 151, значение N всегда равно единице, и поэтому в следующем цикле всегда будет использован первый стартер M1. Это происходит потому, что если значение N равно единице, результатом теста на этапе 120 будет «Да».
Если, тем не менее, процедура переходит от этапа 131 прямо на этап 120, значение N останется равным нулю, и снова будет использован второй стартер М2. Это происходит только в том случае, если в качестве значения индикатора ошибки Е установлена единица, что означает, что при предыдущем пуске первый стартер M1 не смог запустить двигатель 10, что приводит к выполнению этапа 140.
Таким образом, попеременное использование стартеров M1, M2 осуществляется до тех пор, пока не произойдет отказ стартера M1, после чего для всех пусков используется рабочий стартер М2, пока неисправный стартер M1 не буде заменен или отремонтирован.
На этапах 130 и 131 один из результатов в обоих случаях состоит в переходе прямо на этап 190. Этот результат возникнет только в том случае, когда оба этапа 140 и 141 были пройдены по крайней мере один раз. Это означает, что первый стартер M1 не смог запустить двигатель 10, а затем второй стартер М2 не смог запустить двигатель 10; или второй стартер М2 не смог запустить двигатель 10, а затем первый стартер M1 не смог запустить двигатель 10.
Для параллельной гибридной системы, например, показанной на Фиг.1b, необходима система пуска дизельного двигателя с высокой устойчивостью цикла для повторного пуска двигателя 10, когда автомобиль работает в режиме электромобиля, и запрос водителя превышает электрическую мощность. Это называется «пуском с неполным расцеплением» двигателя, например, двигателя 10, путем частичного расцепления муфты 16, так что скорость двигателя поддерживается электродвигателем 15. Необходимо держать в резерве значительную часть имеющегося электрического крутящего момента, так как крутящий момент теплого старта, необходимый для проворачивания коленчатого вала при запуске дизельного двигателя 10, находится в области пика 175-200 Н⋅м, и электродвигатель 16 может производить пиковый крутящий момент около 250 Н⋅м. Таким образом, если электродвигатель 15 используется для запуска двигателя 10, то только 50-75 Н⋅м крутящего момента могут использоваться для приведения в движение автомобиля 50, и это представляет собой неэффективное использование электрической системы. При использовании описанной в выше схемы из двух стартеров, в момент запуска двигателя 10 может быть использована полная несущая способность электродвигателя 15 по крутящему моменту. Это обеспечивает ряд преимуществ, описанных ниже в Таблице 1.
Таблица 1
«Двойной стартер»
«Пуск с неполным расцеплением»
Отсутствие прерывания крутящего момента трансмиссии при переходе от электроэнергии на дизельный привод.
Прерывание крутящего момента трансмиссии при переходе от электроэнергии на дизельный привод.
Полный электрический крутящий момент доступен для приведения в движение автомобиля, что максимизирует возможность экономии топлива.
Электрический крутящий момент, доступный для приведения в движение автомобиля, ограничен, вследствие чего значительно ограничена возможность электродвигателя экономить топливо.
Более быстрая приемистость.
Более медленная приемистость.
Снижение износоустойчивости муфты расцепления, необходимой вследствие минимальной пробуксовки сцепления во время синхронизации.
Повышение износоустойчивости муфты расцепления, необходимой вследствие использования муфты для пуска с неполным расцеплением.
Постоянное качество перезапуска.
Непостоянное качество перезапуска вследствие:
1. переменной частоты вращения электродвигателя вследствие изменения запроса водителя;
2. изменения включения сцепления вследствие износа, температуры и влажности;
3. переменной массы автомобиля.
Резервирование вследствие того, что для запуска двигателя предусмотрено 2 стартера.
Отсутствие резервирования на случай отказа электродвигателя. Таким образом, невозможно запустить двигатель с неполным расцеплением.
Таким образом, обобщая вышесказанное, было подтверждено, что при обычной схеме из одного стартера и зубчатого венца износ зубчатого венца возникает на небольших участках зубчатого венца, и что большие участки зубчатого венца практически не подвергаются износу. Таким образом, срок службы зубчатого венца можно увеличить за счет использования по крайней мере двух расположенных на расстоянии друг от друга мест для стартеров. Кроме того, срок службы каждого стартера может быть увеличен за счет использования нескольких стартеров, если стартеры осуществляют запуск двигателя совместно путем распределения между ними пусков двигателя.
Специалистам в данной области понятно, что хотя изобретение описано на примерах со ссылкой на один или несколько вариантов, изобретение не ограничено раскрытыми вариантами, и могут существовать альтернативные варианты, не выходящие за рамки сущности изобретения, изложенной в формуле изобретения.