DE10005005A1

DE10005005A1 - Startanlage für eine Verbrennungskraftmaschine und Verfahren zum Betrieb der Startanlage

Info

Publication number: DE10005005A1
Application number: DE10005005A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Seils; Marcus Rosenberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-04-01
Filing date: 2000-02-04
Publication date: 2000-10-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Startanlage für eine Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb der Startanlage. Die Startanlage besteht aus DOLLAR A - einem Starterritzel, das mit einer Motorwelle der Verbrennungskraftmaschine über einen Motorzahnkranz in Eingriff gebracht werden kann, DOLLAR A - einem elektronisch schaltbaren Elektromotor, der während eines Startvorgangs der Verbrennungskraftmaschine ein Moment auf das Starterritzel überträgt, DOLLAR A - einem elektronisch schaltbaren Aktuator, dessen Betätigung zumindest ein Einspuren des Ritzels in den Motorzahnkranz (Einspurphase) oder ein Entkoppeln derselben Komponenten bewirken kann (Freilaufphase), DOLLAR A - einer Sensorik, mit der ein Fortschreiten des Startvorgangs erfasst wird und DOLLAR A - eine Steuereinheit, mit der während des Startvorgangs, ausgehend von den über die Sensorik bereitstellten Signalen, der Elektromotor und der Aktuator gesteuert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Startanlage für eine Ver brennungskraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb derselben mit den in den Ansprüchen 1 und 9 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Startanlagen für Verbrennungskraftmaschinen bestehen in der Regel aus einem batteriegespeisten Gleich strommotor und zugeordneten Schalt- und Steuergerä ten. Die zum Anspringen benötigten Drehzahlen eines Motors sind dabei zumeist wesentlich kleiner als die Starterdrehzahlen. Bei Ottomotoren betragen sie zirka 60 bis 100 Umdrehungen pro Minute und bei Dieselmoto ren etwa 80 bis 200 Umdrehungen pro Minute. Eine An passung erfolgt durch geeignete Übersetzung eines vom Starterritzel und Motorzahnkranz gebildeten Getrie bes.

Ein Starter besteht aus Elektromotor, Einrückrelais und Einspurgetriebe, deren Aufgaben sich aus dem Ab lauf eines Startvorgangs ergeben. Zu Beginn muss das Starterritzel in den Motorzahnkranz einspuren. Nach einem Anspringen des Motors kann dieser schnell auf hohe Drehzahlen beschleunigen. Über einen Freilauf kann ein Kraftschluss zwischen Starterritzel und Mo torzahnkranz aufgehoben und Zerstörungen durch Flieh kräfte vermieden werden.

Das Vor- und Einspuren eines heute üblichen Starters zum Anlassen von Verbrennungskraftmaschinen ist be stimmt durch das Starterrelais, welches das Vorspulen des Starterritzels in den Motorzahnkranz sowie das anschließende Schließen einer Hauptbrücke übernimmt. Nach dem Schließen der Hauptbrücke dreht der Starter die Verbrennungskraftmaschine mit vollem Drehmoment durch. Eine Ansteuerung des Starterrelais kann über einen Zündschalter oder bei hohem Relaisstrombedarf auch über Vorschaltrelais oder Leistungstransistoren erfolgen.

Im Zuge fortschreitender Bemühungen hinsichtlich Bau raumbedarf und erhöhter Betriebssicherheit hat es sich nun als vorteilhaft erwiesen, die translato rische Bewegung des Motorritzels beim Einspuren be ziehungsweise dem sich anschließenden Freilauf sowie die zum Start der Verbrennungskraftmaschine zumeist in Form einer rotatorischen Bewegung übertragenen Momente durch Einsatz eigenständiger Aggregate zu erzeugen. Ein solches Vorgehen erfordert jedoch ein im Vergleich zur konventionellen Schaltung des Star ters verändertes Vorgehen, insbesondere auch dann, wenn zusätzliche Funktionen die Sicherheits- und Überwachungsfunktionen in solch einer Startanlage im plementiert werden sollen.

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäß lässt sich eine Neukonzeption der Startanlage mit zwei unabhängig voneinander schaltba ren Bewegungsabläufen während des Startvorgangs durch die Startanlage und das Verfahren zum Betrieb der Startanlage mit den in den Ansprüchen 1 und 9 genann ten Merkmalen realisieren. Die Startanlage besteht dabei aus:

- einem Starterritzel, das mit einer Motorwelle der Verbrennungskraftmaschine über einen Motor zahnkranz in Eingriff gebracht werden kann,
- einem elektronisch schaltbaren Elektromotor, der während eines Startvorgangs der Verbrennungs kraftmaschine ein Moment auf das Starterritzel überträgt,
- einem elektronisch schaltbaren Aktuator, dessen Betätigung zumindest ein Einspuren des Ritzels in den Motorzahnkranz (Einspurphase) oder ein Entkoppeln derselben Komponenten bewirken kann (Freilaufphase),
- einer Sensorik, mit der ein Fortschreiten des Startvorgangs erfassbar ist und
- einer Steuereinheit, die ausgehend von den über die Sensorik bereit gestellten Signalen den Elektromotor und den Aktuator während des Start vorgangs steuert.

Gemäß dem Verfahren wird während des Startvorgangs mit einer Steuereinheit, ausgehend von den über die Sensorik bereit gestellten Signalen, der Elektromotor und der Aktuator gesteuert.

Die Sensorik beinhaltet in einer bevorzugten Ausge staltung der Erfindung einen Temperaturfühler, mit dem eine Temperatur im Bereich der Startanlage er fassbar ist. Bei drohender Überhitzung kann auf diese Weise der Startvorgang unterbrochen werden.

Weiterhin ist bevorzugt, wenn die Sensorik Sensoren umfasst, mit denen eine Drehzahl des Starterritzels oder der Motorwelle sowie eine Stellung des Aktuators detektierbar sind, so dass eine betriebssituations bedingte Ansteuerung der Startanlage möglich wird. Durch eine geeignete Schnittstelle in der Steuer einheit lassen sich auf diese Weise beispielsweise bekannte Konzepte zur Verbrauchsreduzierung nutzen. So kann durch die Anbindung an ein Motorsteuergerät ein Start-Stopp-Betrieb durchgeführt werden. Denkbar ist auch, den Startvorgang erst dann zu ermöglichen, wenn eine Fahreridentifikation positiv abgeschlossen ist.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung er geben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispie len anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Startanlage;

Fig. 2 eine konventionelle Schaltung einer einstu figen Startanlage;

Fig. 3 eine konventionelle Schaltung einer zwei stufigen Startanlage;

Fig. 4 eine elektromechanische Variante einer Startanlage mit zwei Relais;

Fig. 5 eine weitere elektromechanische Variante einer Startanlage mit einem zweistufigen Relais;

Fig. 6 eine elektronisch geschaltete Variante der Startanlage;

Fig. 7 eine weitere elektromechanische Variante der Startanlage mit Temperaturüberwachung und

Fig. 8 eine weitere vollelektronische Variante der Startanlage.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Start anlage 10, wie sie zum Start einer Verbrennungskraft maschine 12 genutzt werden kann. Dazu umfasst die Startanlage 10 ein Starterritzel 14, das mit einer Motorwelle 16 der Verbrennungskraftmaschine 12 über ein Motorzahnkranz 18 in Eingriff bringbar ist. Das Starterritzel 14 wird während eines Startvorgangs ei nerseits durch einen elektronisch schaltbaren Elek tromotor 20 und andererseits über einen elektronisch schaltbaren Aktuator 22 betätigt. Der Elektromotor 20 überträgt unter anderem das zum Start notwendige Mo ment, nachdem das Starterritzel 14 mit dem Motorzahn kranz 18 in Eingriff gebracht wurde. Über den Aktua tor 22 wird zum einen ein Einspuren des Ritzels 14 in den Motorzahnkranz 18 (Einspurphase) als auch ein Entkoppeln derselben Komponenten nach dem Anspringen der Verbrennungskraftmaschine 12 (Freilaufphase) be wirkt. Über eine hier nicht dargestellte den Kompo nenten zugeordnete Sensorik lassen sich Betriebs zustände beziehungsweise Betriebsparameter, wie bei spielsweise eine Drehzahl des Ritzels 14 oder der Mo torwelle 16, eine Temperatur im Bereich des Start anlage 10 sowie eine Stellung des Aktuators 22, er fassen. Diese Größen werden in eine Steuereinheit 24 eingelesen.

In der Steuereinheit 24 ist eine geeignete Prozedur in digitalisierter Form hinterlegt, mit der ausgehend von den über die Sensorik bereit gestellten Signalen ein Fortschreiten des Startvorgangs erfassbar ist. In der Folge werden über die Steuereinheit 24 dem Elektromotor 20 sowie dem Aktuator 22 Sollgrößen vorgegeben, die die einzelnen Prozesse während des Startvorgangs einleiten beziehungsweise beenden.

Die Fig. 2 und 3 zeigen zur Verdeutlichung noch einmal konventionelle Schaltungen mit einer einstufi gen beziehungsweise einer zweistufigen Startanlage 10. In der einstufigen Startanlage 10 wird nach Schließen eines Zündschalters 26 über eine Einrück wicklung 28 das Starterritzel 14 in den Zahnkranz 18 eingespurt. Ein Netzspannungsanschluss erfolgt über die Klemmen 48. Eine Hauptbrücke 30 schließt und der Elektromotor 20 dreht die Verbrennungskraftmaschine 12. Gleichzeitig wird die Einrückwicklung 28 stromlos und das Relais durch eine Haltewicklung 32 solange gehalten, bis der Zündkontakt wieder geöffnet wird.

Nach der herkömmlichen Schaltung mit einer zweistufi gen Startanlage 10 (Fig. 3) erfolgt die Ablaufsteue rung über ein integriertes elektronisches Relais 34 (IER), welches über eingebaute Leistungsschalter ver fügt, die die Starterklemmen 36 und 38 bestromen kön nen. In einer ersten Stufe des Startvorgangs wird der Elektromotor 20 über einen im Relais eingebauten Vor widerstand 40 mit geringem Drehmoment betrieben. Die Relaiswicklung wird zunächst getaktet, um dann das Ritzel 14 langsam im Motorzahnkranz 18 heranzufahren.

Das Verdrehen des Elektromotors 20 erleichtert das Finden einer Zahnlücke und ein langsamer Ritzel vorschub verringert den Verschleiß beim Auftreffen des Ritzels 14 auf den Motorzahnkranz 18 (sanftes Vorspuren). In der sich anschließenden zweiten Stufe wird das Einrückrelais dann voll bestromt, so dass das Ritzel 14 vollständig in den Motorzahnkranz 18 einrücken kann. Danach schließt die Hauptbrücke 30 und der Elektromotor 20 dreht mit vollem Drehmoment.

Bei den bisher beschriebenen Starteranlagen 10 mit konventioneller Bauweise besteht eine mechanische Kupplung zwischen der Mechanik zum Ritzelvorspuren und dem Hauptstromkontakt. Wegen des Verfahrweges des Ritzels 14 muss das Relais einen relativ großen Hub vollführen. Daher ist eine gewisse Mindestgröße nicht unterschreitbar. Nach der in der Fig. 4 dargestell ten Konzeption der Startanlage 10 kann das Vorrücken des Ritzels 14 über eine Ankerdrehung realisiert wer den, zum Beispiel indem ein Steilgewinde vorgesehen ist. Das Schalten des Hauptstroms erfolgt weiterhin über ein Relais, welches aber nur Schaltfunktion hat. Ein Vorspurrelais 42 schaltet den Verdrehstrom und stellt auch gleichzeitig den mechanischen Eingriff zum Vorspuren des Ritzels 14 her. Nach erfolgtem Ein spuren wird über einen Endschalter 44 ein Hauptstrom relais 46 geschaltet. Die Aktivierung des Starvor gangs erfolgt durch Bestromung über die Klemmen 48 und Schließen eines Zündschlosses 50.

Eine weitere elektromechanische Variante der Start anlage 10 zeigt die Fig. 5. Wiederum erfolgt ein Spannungsanschluss über die Klemmen 48. Das Vorspur relais 42 schaltet den Verdrehstrom und stellt auch gleichzeitig den mechanischen Eingriff zum Vorspuren des Ritzels 14 her. Nach erfolgtem Einspuren fällt das Relais 42 in eine zweite Stellung, in der die Hauptbrücke 30 geschlossen und damit der Hauptstrom geschaltet wird.

Die Fig. 6 zeigt eine elektronisch geschaltete Va riante der Startanlage 10. Eine Einspurmechanik 52 (Aktuator) stellt den mechanischen Angriff zum Vor spuren des Ritzels 14 her. Die Bestromung erfolgt wie gehabt direkt vom Zündschloss 50 aus. Der Verdreh strom wird von einem Leistungstransistor 54 (zum Bei spiel einem Standard-MOSFET oder LOWSIDE) geschaltet. Auch das Hauptstromrelais kann von einem Transistor 56 geschaltet werden, um einen Endschalter 58 zu ent lasten. Dies ist aber nicht unbedingt notwendig, son dern das Hauptstromrelais kann auch direkt vom End schalter 58 geschaltet werden. Verdreh-, Einspur- und Hauptstrom sind voneinander unabhängig. Daher können die entsprechenden Baugruppen beliebig konstruktiv gestaltet und angeordnet werden. Der Transistor 54 für den Verdrehstrom muss überdimensioniert werden, wenn hohe Anforderungen an Verpol- und Überspannungs schutz gestellt werden. Die Ansteuerung über das Zündschloss 50 gewährleistet, dass der Fahrer jeder zeit den Start abbrechen kann.

Eine weitere Variante der Startanlage 10 ist der Fig. 7 zu entnehmen. Die Ansteuerung der Einspur mechanik 52 und des Verdrehstromrelais 54 wird durch eine Steuerelektronik 60 unterstützt. Die Steuerelek tronik 60 wertet den Endschalter 58, der hier Teil der Einspurmechanik 52 ist, aus und schaltet das Hauptstromrelais 46 über den Transistor 54. Die Steuerelektronik 60 schaltet die Einspurmechanik 52, den Verdreher und den Hauptstrom bei thermischer Überlast ab. Die Verwendung von zwei Relais ermög licht auch einen wirksamen Verpol- und Überspannungs schutz. Eventuell kann das Stromrelais 42 in die Ein spurmechanik 52 integriert werden. Die Ansteuerung über das Zündschloss 50 gewährleistet, dass der Fah rer jederzeit den Start abbrechen kann. Außerdem ist damit gewährleistet, dass bei einem durchlegierten Transistor kein ungewollter Start stattfindet (Redundanz durch Reihenschaltung).

Auch die Fig. 8 zeigt eine weitere Variante einer Startanlage 10, die die Steuerelektronik 60 trägt. Die Steuerelektronik 60 kann ihrerseits ein Start signal über eine hier nicht dargestellte Signal leitung oder auch über einen Datenbus (zum Beispiel CAN) von einem Motorsteuergerät 62 erhalten. Durch die Konstruktion der Start- und Einspurmechanik muss gewährleistet sein, dass die Funktionen "Verdrehen", "Vorspuren" und "Hauptstromschalten" unabhängig von einander sind und das mögliche Durchlegieren eines der Transistoren nicht zu einem ungewollten Vorspuren und damit ungewollten Start führt. Der Starter darf höchstens drehen (Verdrehstrom ohne aktivierte Ein spurmechanik 52) oder die Einspurmechanik 52 ist per manent aktiv und kann beim nächsten gewollten Start durch Abklemmen vom Netzspannungsanschluss 48 abge schaltet werden.

Die Funktionen "Verdrehen", "Einspuren" und "Haupt stromschalten" sind parallel und unabhängig. Für das Vorspuren müssen mindestens zwei Funktionen aktiv sein (parallele Redundanz). Die Steuerelektronik 60 wertet das Startsignal, den Endschalter 58 und einen Temperatursensor 64 aus. Zusatzschutzbeschaltung kann bei entsprechenden Überspannungs- und Verpolfestig keitsanforderungen berücksichtigt werden. Allgemein gilt, dass durch Entkoppeln der Einzelfunktionen die entsprechenden Baugruppen beliebig angeordnet werden können.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Startanlage für eine Verbrennungskraftmaschine, die aus

- einem Starterritzel, das mit einer Motorwelle der Verbrennungskraftmaschine über einen Motor zahnkranz in Eingriff gebracht werden kann,
- einem elektronisch schaltbaren Elektromotor, der während eines Startvorgangs der Verbrennungs kraftmaschine ein Moment auf das Starterritzel überträgt,
- einem elektronisch schaltbaren Aktuator, dessen Betätigung zumindest ein Einspuren des Ritzels in den Motorzahnkranz (Einspurphase) oder ein Entkoppeln der selben Komponenten bewirken kann (Freilaufphase),
- einer Sensorik, mit der ein Fortschreiten des Startvorgangs erfasst wird,

besteht und bei dem während des Startvorgangs mit ei ner Steuereinheit, ausgehend von den über die Senso rik bereitgestellten Signalen, der Elektromotor und der Aktuator gesteuert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Einspurphase lediglich ein geringes Mo ment vom Elektromotor (20) auf das Starterritzel (14) übertragen wird (Verdrehen) und mit dem Aktuator (22) gleichzeitig das Starterritzel (16) in den Motor zahnkranz (18) eingespurt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, da durch gekennzeichnet, dass durch die Sensorik ein En de der Einspurphase angezeigt wird und nachfolgend ein maximales Moment vom Elektromotor (20) auf das Starterritzel (14) übertragen wird (Anspringphase).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, dass durch die Sensorik ein En de der Anspringphase angezeigt wird und nachfolgend mit Hilfe des Aktuators (22) das Starterritzel (14) vom Motorzahnkranz (18) entkoppelt wird (Freilauf phase).

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik einen Tem peraturfühler umfasst, mit dem eine Temperatur der Startanlage (10) erfassbar ist und bei drohender Überhitzung der Startvorgang unterbrochen wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Startvorgang durch Betätigung eines Startschalters eingeleitet wird (Tipp-Start).

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Startvorgang erst eingeleitet wird, wenn eine Fahreridentität positiv überprüft wurde (Fahreridentifikation).

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Startvorgang im Zuge eines Start-Stopp-Betriebs der Verbrennungskraft maschine (12) durchgeführt wird.

9. Startanlage für eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus

- einem Starterritzel, das mit einer Motorwelle der Verbrennungskraftmaschine über einen Motor zahnkranz in Eingriff gebracht werden kann,
- einem elektronisch schaltbaren Elektromotor, der während eines Startvorgangs der Verbrennungs kraftmaschine ein Moment auf das Starterritzel überträgt,
- einem elektronisch schaltbaren Aktuator, dessen Betätigung zumindest ein Einspuren des Ritzels in den Motorzahnkranz (Einspurphase) oder ein Entkoppeln der selben Komponenten bewirken kann (Freilaufphase),
- einer Sensorik, mit der ein Fortschreiten des Startvorgangs erfassbar ist und
- einer Steuereinheit, die ausgehend von den über die Sensorik bereit gestellten Signalen den Elektromotor und den Aktuator während des Start vorgangs steuert.

10. Startanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, dass der Aktuator (22) als Stellmittel für das Starterritzel (14) ein Steilgewinde umfasst.

11. Startanlage nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik Sensoren zur Erfassung einer Drehzahl des Ritzels (14) oder der Motorwelle (16), einer Temperatur im Bereich der Startanlage (10) sowie einer Stellung des Aktuators (22) umfasst.

12. Startanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (24) eine Schnittstelle zu einem Motorsteuergerät auf weist.

13. Startanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Startanlage (10) Mittel zur Durchführung einer Fahreridentifikation, eines Start-Stopp-Betriebs und/oder eines Tipp-Starts umfasst.