DE10021153C2 - Vorrichtung und Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Star­ ten eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff von Patent­ anspruch 1 und ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmo­ tors nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 7.

Einen allgemeinen Überblick über Vorrichtungen und Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors liefert das Buch Auto­ elektronik und Autoelektrik, Hrsg. Robert Bosch GmbH, 3. Aufl. Vieweg Verlag, Braunschweig auf den Seiten 164 bis 213.

In der Offenlegungsschrift DE 196 46 043 wird eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung beschrieben, die im Startbetrieb eine Brennkraftmaschine auf die erforderliche Mindestdrehzahl bringt. Dabei wird im Startfall ein Spannungswandler über­ brückt, so dass der Starter direkt aus der Batterie versorgt wird.

Nachteilig an allen aus dem Stand der Technik bekannten Ver­ fahren zum Starten eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahr­ zeugs, wie auch beispielsweise in der EP 0 849 467 A1 beschrie­ ben, ist, dass die Lärmentwicklung während des Starts nicht unerheblich ist. Dies ist unerwünscht.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Starten eines Verbrennungsmotors und ein korrespondierendes Verfahren zur Verfügung zu stellen, das ei­ nen leiseren Start eines Verbrennungsmotors ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Starten eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen von Patentanspruch 7.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der beim Start entstehende Lärm reduziert werden kann, indem der Startvorgang zeitlich kürzer gestaltet wird. Dadurch daß bei einer Vorrichtung zum Starten eines Verbrennungs­ motors im Verbindungsweg zwischen der mindestens einen Fahrzeugbatterie und der als Starter dienenden Antriebs­ einheit eine Strombegrenzungsvorrichtung vorgesehen ist, die den zur Antriebseinheit fließenden Strom auf einen vorbestimmten Amplitudenwert begrenzt, ist es möglich, eine für eine erste Spannung ausgelegte Antriebseinheit mit einer zweiten, höheren Spannung zu betreiben, ohne daß die Antriebseinheit beschädigt wird. Durch das Betreiben der Antriebseinheit mit einer höheren Spannung, kann die erforderliche Startdrehzahl des Verbrennungsmo­ tors wesentlich schneller erreicht werden. Hierdurch wird der Startvorgang verkürzt, was insgesamt zu einer Vermin­ derung der Lärmentstehung führt. Sie bietet weiterhin den Vorteil, daß ein zuverlässiger Start auch bei schwierigen Bedingungen, wie zum Beispiel in der kalten Jahreszeit, ermöglicht wird.

Bei einer vorteilhaften Ausführung hat die Antriebsein­ heit einen Elektromotor mit Permanentmagneten. Der vorbe­ stimmte Amplitudenwert wird so eingestellt, daß keine re­ levante Entmagnetisierung der Permanentmagnete auftritt. Bevorzugt wird der Amplitudenwert auf 300 A bis 700 A, ins­ besondere auf 500 A eingestellt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung hat die Vor­ richtung zwei Fahrzeugbatterien, wobei die Ausgangsspan­ nung der zweiten Fahrzeugbatterie höher als die der ersten Fahrzeugbatterie ist. Dabei wird die Antriebseinheit, die vorzugsweise für den Betrieb mit der ersten Fahrzeugbatterie ausgelegt ist, von der zweiten Fahrzeugbatterie gespeist, wo­ bei der Starter im Überlastbereich betrieben wird.

Auch wenn die mit hoher Ausgangsspannung versehene Fahrzeug­ batterie witterungs- oder alterungsbedingt schwächer wird, kann sie den Starter immer noch mit hinreichend Energie ver­ sorgen, um ein gutes Starten des Verbrennungsmotors zu gewähr­ leisten. Für den Fall, daß die eine hohe Ausgangsspannung lie­ fernde zweite Fahrzeugbatterie vollständig leer ist, kann der Starter immer noch mit der ersten Fahrzeugbatterie hinreichend betrieben, und so ein Notstarten des Verbrennungsmotors ge­ währleistet werden. Selbst wenn beide, d. h. sowohl die erste als auch die zweite Fahrzeugbatterie defekt oder entladen sind, ist ein Fremdstarten aus Fahrzeugbatterien mit unter­ schiedlichsten Ausgangsspannungen möglich.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Ein Ausführungsbeispiel wird im Folgenden unter Hinweis auf die Zeichnung näher beschrieben, die in schematischer Darstel­ lung ein erfindungsgemäßes Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zeigt.

Fig. 1 zeigt ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit einer ersten Fahrzeugbatterie 1, die eine Spannung U1 zur Ver­ fügung stellt und einer zweiten Fahrzeugbatterie 2, die eine Spannung U2 zur Verfügung stellt. Die Spannung U1 ist niedriger als die Spannung U2. Bevorzugt beträgt die Spannung U1 12 V und die Spannung U2 36 V.

Das Bordnetz hat weiterhin einen Generator 4 mit einem Ausgang G1, an dem eine Gleichspannung U3 bereit steht. Die Spannung U3 ist gleich oder etwas größer als die Spannung U1 der ersten Fahrzeugbatterie 1 und beträgt be­ vorzugt 14 V. Der Ausgang G1 ist sowohl mit der ersten Fahrzeugbatterie 1 als auch mit allen Verbrauchern 20 verbunden, die eine Anschlußspannung U1 benötigen.

An der zweiten Fahrzeugbatterie 2 sind ein Starter 5, ei­ ne elektrische Lenkung 6, eine Frontscheibenheizung 7, und eventuell weitere, die höhere Spannung U2 benötigende Verbraucher angeschlossen. Die Frontscheibenheizung 7 ist über einen Frontscheibenheizungsschalter 13 ein- und aus­ schaltbar.

Die erste Fahrzeugbatterie 1 ist über einen Notstart­ schalter 10 und eine Notstartdiode 11 mit der zweiten Fahrzeugbatterie 2 verbunden. Die Anode der Notstartdiode 11 ist zur ersten Fahrzeugbatterie 1 und die Kathode der Notstartdiode 11 ist zur zweiten Fahrzeugbatterie 2 hin orientiert, so daß bei geschlossenem Notstartschalter 10 ein Stromfluß nur von der ersten Fahrzeugbatterie 1 zur zweiten Fahrzeugbatterie 2 hin erfolgen kann.

Die zweite Fahrzeugbatterie 2 ist über eine Fremdstartdi­ ode 12 mit einem Fremdstartanschluß 8 verbunden. Die Ano­ de der Fremdstartdiode 12 ist zum Fremdstartanschluß 8 und die Kathode der Fremdstartdiode 12 ist zur zweiten Fahrzeugbatterie 2 hin orientiert, so daß bei Anschluß einer Fremdstartspannungsquelle (nicht dargestellt) an den Fremdstartanschluß 8 ein Stromfluß nur von der Fremd­ spannungsquelle zur zweiten Fahrzeugbatterie 2 hin erfol­ gen kann. Die Fremdspannungsquelle kann insbesondere eine Spannung von U1 und U2 haben, also bevorzugt 12 V und 36 V betragen.

Die erste Fahrzeugbatterie 1 bzw. der Generator 4 und die zweite Fahrzeugbatterie 2 sind über einen DC/DC-Wandler 3 verbunden, der eine Spannung U3 des Generators von bevor­ zugt 14 V in eine Spannung U4 von bevorzugt 42 V umsetzen kann. Mit der Spannung U4 wird im Fahrbetrieb die zweite Fahrzeugbatterie geladen und die Hochspannungsverbrau­ cher, wie die elektrische Lenkung 6 und die Frontschei­ benheizung 7 mit Spannung versorgt.

Der Starter 5 ist für den Betrieb mit der Spannung U1 ausgelegt und wird hier jedoch mit der gegenüber der Spannung U1 höheren Spannung U2 versorgt, so daß der Starter 5 im Überlastbetrieb betrieben wird. Zwischen dem Starter 5 und der zweiten Fahrzeugbatterie 2 ist ein Strombegrenzer 9 angeordnet, der dazu dient, den Starter 5 vor Beschädigungen, wie Durchbrennen seiner Wicklungen, zu bewahren. Er begrenzt insbesondere den Stromfluß un­ mittelbar nach Beginn des Startvorgangs bis sich nach dem Aufbau einer Gegen-EMK der Stromfluß durch den Starter 5 von selbst reduziert.

Zu Beginn des Startvorgangs fließt durch den Starter 5 ein Kurzschlußstrom, der um so höher ist, je höher die an­ liegende Spannung ist. Mit steigender Drehzahl des Star­ ters 5 entsteht eine Gegen-EMK (EMK = Elektromotorische Kraft), woraufhin der Amplitudenwert des Stroms zurück­ geht. Mit dem Strombegrenzer 9 wird zum Schutz des Star­ ters 5 der durch den Starter 5 fließende Strom auf einen vorbestimmten Amplitudenwert begrenzt. Bevorzugt wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Amplitudenwert auf 300 A bis 700 A und insbesondere auf 500 A eingestellt. Der Strombegrenzer 9 ist vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgeführt.

Die vorstehend dargestellte Bordnetzanordnung ermöglicht es, den Starter 5 aus den verschiedensten Spannungsquel­ len zu betreiben. Bei normalem Betrieb, also bei funkti­ onstüchtiger zweiter Fahrzeugbatterie 2, wird der Starter 5 von der zweiten Fahrzeugbatterie 2 mit der hohen Span­ nung U2 gespeist. Da der Starter 5 für einen Betrieb mit der niedrigen Spannung U1 ausgelegt ist, gibt der Starter 5 beim normalen Startvorgang ein sehr kräftiges Drehmo­ ment ab, um einen Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) zu starten. Bei diesem Startvorgang wird der im Überlast­ bereich betriebene Starter 5 durch den Strombegrenzer 9 vor Beschädigungen durch Überstrom geschützt.

Für den Fall, daß die zweite Fahrzeugbatterie 2 leer ist, kann ein Notstartvorgang über die erste Fahrzeugbatterie 1 durchgeführt werden, indem der Notstartschalter 10 ge­ schlossen wird, worauf der Strom von der ersten Fahrzeug­ batterie 1 über die Notstartdiode 11 zum Starter 5 geleitet wird. Da der Starter 5 für den Betrieb mit der Span­ nung U1 ausgelegt ist, kann ein Notstart problemlos aus­ geführt werden.

Für den Fall, daß die erste Fahrzeugbatterie 1 und die zweite Fahrzeugbatterie 2 leer sind, kann ein Fremdstart über den Fremdstartanschluß 8 durchgeführt werden. Hierzu kann am Fremdstartanschluß 8 jede beliebige Spannungs­ quelle angeschlossen werden, die eine Spannung zwischen U1 und U4 bereitstellt.

Die vorliegende Bordnetzanordnung ermöglicht das zuver­ lässige Starten eines Verbrennungsmotors mit unterschied­ lichsten Spannungsquellen. Es können zum Starten Span­ nungsquellen höherer Spannung, wie U2 bis U4, und Span­ nungsquellen niedrigerer Spannung, wie U1, gleichermaßen verwendet werden. Weiterhin können beim vorliegenden Bordnetz alle bisherigen Standards weiter verwendet wer­ den.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Starten eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs um­ fassend:
mindestens eine Fahrzeugbatterie (1; 2);
eine mit der mindestens einen Fahrzeugbatterie (1; 2) verbundene An­ triebseinheit (5), die mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zum Starten des Verbrennungsmotors koppelbar ist;
dadurch gekennzeichnet,
dass die Antriebseinheit (5) derart dimensioniert ist, dass sie bei Versorgung mit der von der mindestens einen Fahrzeugbatterie (1; 2) bereitgestellten Spannung im Überlastbereich betrieben wird; und
dass im Verbindungsweg zwischen der mindestens einen Fahrzeugbatterie (1; 2) und der Antriebseinheit (5) eine Strombegrenzungsvorrichtung (9) angeordnet ist, mit der der während des Startvorgangs von der mindestens einen Fahrzeug­ batterie (1; 2) zur Antriebseinheit (5) fließende Strom auf einen vorbestimmten Amplitudenwert begrenzbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (5) ein Elektromotor ist, der Permanentmagnete auf­ weist, und der vorbestimmte Amplitudenwert derart bemessen ist, dass keine re­ levante Entmagnetisierung der Permanentmagnete auftritt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Amplitudenwert in einem Bereich von 300 bis 700 A liegt, insbesondere 500 A beträgt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug eine erste und eine zweite Fahrzeugbatterie (2, 1) auf­ weist, wobei die von der ersten Fahrzeugbatterie (2) an ihrem Ausgang be­ reitstellbare Spannung (U2) größer ist als die von der zweiten Fahrzeugbatterie (1) an ihrem Ausgang bereitstellbare Spannung (U1), und die Antriebseinheit (5) mit Energie von der ersten Fahrzeugbatterie (2) ver­ sorgbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit ein elektrischer Starter (5) ist, der für Versorgung mit einer Spannung von 12 V ausgelegt ist und die Fahrzeugbatterie, die den Starter versorgt, eine 36 V-Batterie ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsvorrichtung (9) einen Halbleiterschalter umfasst.

7. Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, folgende Schritte umfassend:

• a) Koppeln einer Antriebseinheit (5) mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmo­ tors;
• b) Zuführen eines auf einen vorbestimmten Amplitudenwert begrenzten Stroms aus einer Fahrzeugbatterie (1; 2) zu der Antriebseinheit (5), wobei die An­ triebseinheit (5) bei Versorgung aus der Fahrzeugbatterie (2) im Überlastbe­ reich betrieben wird.