DE10029714A1 - Startervorrichtung für eine Verbrennungsmaschine - Google Patents

Startervorrichtung für eine Verbrennungsmaschine

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Abstract

Eine Startervorrichtung (1) für eine Verbrennungsmaschine (2) ist versehen mit einem elektrischen Startermotor (3), einer Spannungsversorgung (16) und einer Ansteuereinrichtung (4) für den Startermotor (3). DOLLAR A Die Ansteuereinrichtung weist eine Leistungsschaltelektronik (6) und ein Steuergerät (5) für die Leistungsschaltelektronik (6) auf. DOLLAR A Es sind Sensoren zur Erfassung physikalischer, für die Startleistung des Startermotors (3) relevanter Parameter vorgesehen, um die Start-Kennlinie des Startermotors (3) optimal innerhalb zulässiger Grenzwerte der physikalischen Parameter auszusteuern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Startervorrichtung für eine Verbrennungsmaschi­ ne mit einem elektrischen Startermotor sowie einer Spannungsversorgung und einer Ansteuereinrichtung für diesen Startermotor.
Die üblichen konventionellen elektrischen Startermotoren sind im allgemei­ nen Kommutator-Gleichstrom-Motoren mit permanentmagnetischer oder elektrischer Erregung. Die Spannungsversorgung wird über das Bordnetz des mit dem Verbrennungsmotor ausgerüsteten Fahrzeuges von dessen Batterie gewährleistet.
Als Ansteuereinrichtung für den Startermotor kommt in aller Regel eine mehr oder weniger komplexe Schaltereinrichtung zum Einsatz, die mit dem Zündschloß des Fahrzeuges gekoppelt und über eine Betätigung des Zünd­ schlüssels über die Schaltstellung "Zündung ein" hinaus betätigt wird.
Herkömmliche Startervorrichtungen nach dem Stand der Technik besitzen nun eine Auslegungscharakteristik, die auf die Startleistung bei der soge­ nannten Startgrenztemperatur zugeschnitten ist. Sie sind dabei aufgrund nur kurzzeitiger Betätigung nicht auf Dauerleistung ausgelegt, was konsequenter Weise auch eine thermische Überlastsicherung entbehrlich macht. Aufgrund dieser Auslegungscharakteristik sind bekannte Großserien-Starter kostenop­ timiert und auf die jeweilige Applikation relativ stark zugeschnitten.
Bekanntermaßen sind Startervorrichtungen aufgrund ihrer Einsatzbedingun­ gen mit sich widersprechenden Anforderungen konfrontiert. Als ein Beispiel ist die sogenannte "Kaltstartproblematik" zu nennen. Bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen sollte an sich der Startermotor eine hohe mechani­ sche Leistung zur Verfügung stellen, da der Verbrennungsmotor aufgrund der zähflüssigen Schmiermittel und damit durch hohe Reibkräfte charakteri­ sierten Laufeigenschaften sehr schwergängig ist. Dies verlangt eine hohe Leistung des Starters, die durch eine entsprechende Energieentnahme aus der Spannungsversorgung durch die Bordbatterie zu realisieren ist. Gerade bei niedrigen Umgebungstemperaturen wiederum ist die zur Verfügung ste­ hende elektrische Energie der Bordbatterie jedoch stark eingeschränkt, so daß keine zu hohe Leistungsanforderungen zur Vermeidung eines Zusam­ menbruches der Batterie zu stellen sind.
Ausgehend von der beispielhaft geschilderten Problematik liegt der Erfin­ dung nun die Aufgabe zugrunde, eine Startervorrichtung für eine Verbren­ nungsmaschine anzugeben, die in der Lage ist, flexibel in Abhängigkeit un­ terschiedlicher Einsatzbedingungen betrieben zu werden, um die Startbedin­ gungen, insbesondere die Startleistung und den Startkomfort verbunden mit einer erhöhten Lebensdauer des Startsystems zu verbessern. Dabei sollen insbesondere übliche Startermotoren in Form von kostenoptimierten Großse­ rien-Aggregaten nach wie vor zum Einsatz kommen können.
Diese Aufgabe wird laut Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 durch eine charakteristische Ausgestaltung der Ansteuereinrichtung gelöst. Letztere weist demnach eine Leistungsschaltelektronik, ein Steuergerät, dessen Steu­ erausgang mit dem Steuereingang der Leistungsschaltelektronik verbunden ist, sowie mit den Eingängen des Steuergerätes verbundene Sensoren zur Erfassung physikalischer, für die Startleistung des Startermotors relevanter Parameter auf. Das Steuergerät optimiert dabei auf der Basis der von den Sensoren erfaßten Parameter die Start-Kennlinie für die Ansteuerung des Startermotors innerhalb der für diesen zulässigen Grenzwerte der physikali­ schen Parameter. Insbesondere wird die Starterleistung maximiert.
Die Start-Kennlinie kann also zusammenfassend so gesteuert werden, daß keine Grenzwerte, wie mechanische Grenzwerte in Form von Maximaldreh­ zahlen des Startermotors, thermische Grenzwerte in Form von zugelassenen Maximaltemperaturen des Startermotors, magnetische Grenzwerte, wie sie durch die beim Startvorgang durch den Startermotor fließenden Strom cha­ rakterisiert werden, sowie durch das sogenannte Bürstenfeuer und die Kommutierung definierte elektrische Grenzwerte überschritten werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können dann die Kennlinienwerte innerhalb der zulässigen Grenzwerte der physikalischen Parameter auf für den jeweiligen Starteriyp und bestimmte Startfälle erar­ beitete und festgelegte Optimalparameter eingestellt werden.
Laut weiteren bevorzugten Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind Temperatursensoren zur Erfassung der Temperatur der Verbrennungs­ maschine und/oder des Startermotors als physikalische Parameter vorgese­ hen. Ferner können zusätzlich oder alternativ dazu ein Strommeßgerät zur Erfassung des beim Startvorgang durch den Startermotor fließenden Stro­ mes, ein Drehmomentsensor zur Erfassung des Drehmomentes des Starter­ motors beim Startvorgang und/oder ein Drehzahlsensor zur Erfassung der Drehzahl des Startermotors beim Startvorgang vorgesehen sein. Damit kön­ nen also beispielsweise abhängig von der Startertemperatur die Kennlinien­ werte bezüglich der Leistung abgeregelt und in Abhängigkeit von der Tem­ peratur der Verbrennungsmaschine angepaßt werden.
Gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen kann die Start-Kennlinie abhängig von verschiedenen Drehzahlbereichen unterschiedlich ausgesteuert werden. So ist im Bereich niedriger Drehzahlen die Start-Kennlinie als Startstrom/Drehmoment-Begrenzung in Abhängigkeit der zulässigen Entma­ gnetisierungsgrenze der Startermotor-Magneten aussteuerbar. Im Bereich mittlerer Drehzahlen ist die Start-Kennlinie wiederum als Start­ strom/Drehmoment-Begrenzung in Abhängigkeit der zulässigen, Bürsten­ feuer-bedingten Verschleißwerte, der Startertemperatur und/oder der Tempe­ ratur der Verbrennungsmaschine aussteuerbar. Im Bereich höherer Dreh­ zahlen kann die Start-Kennlinie in Abhängigkeit der zulässigen, Fliehkraft­ bedingten mechanischen Grenzwerte des Startermotors ausgesteuert werden.
Bei allen Aussteuervorgängen kann vorzugsweise der Startverlauf vom Steu­ ergerät erfaßt und die Kennlinienwerte insbesondere im Sinne einer Verbes­ serung des nächsten Startverlaufs geändert werden. Dies bedeutet im Zu­ sammenhang mit einem Fehlstart dann, daß die Kennlinienwerte im Sinne einer Startverbesserung so verändert werden, daß ein Wiederholstart mit den neuen Kennlinienwerten initiiert wird.
Zusammenfassend bietet der Erfindungsgegenstand mit seinen bevorzugten Weiterbildungen gegenüber der Startervorrichtungen nach dem Stand der Technik folgende Vorteile:
  • - Eine Leistungserhöhung um mindestens den Faktor 2 kann erreicht wer­ den.
  • - Insbesondere die Erhöhung der Warmstartleistung im mittleren Drehzahl­ bereich führt zu einer verbesserten Hochlaufunterstützung sowie zu ver­ kürzten Startzeiten und einem verbesserten Startverhalten der Verbren­ nungsmaschine.
  • - Die Startkennlinien können an erarbeitete, startoptimale Parameter ange­ paßt werden.
  • - Bei Kaltstarttemperaturen kann die Startenergie zur Batterieschonung re­ duziert werden.
  • - Startstromspitzen und folglich Startleistungsspitzen werden vermieden.
  • - Die Startervorrichtung bietet eine integrierte, thermische, mechanische und magnetische Überlastsicherung. Die Anzahl unterschiedlicher Star­ terbauarten für unterschiedliche Fahrzeuge und Verbrennungsmaschinen kann dabei durch Anpassung der Steuergeräteparameter bei fester Hard­ ware-Konfiguration an die jeweiligen Fahrzeugdaten reduziert werden.
  • - Die Startervorrichtungen können generell bei mindestens gleichbleibender Startleistung im Vergleich zu konventionellen Systemen in ihrer Baugrö­ ße verkleinert werden.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der nach­ folgenden Beschreibung entnehmbar, in der ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläu­ tert wird. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Startervorrichtung, und
Fig. 2 ein Kurvenschaubild zur Darstellung der Strom- bzw. Momenten- Kennlinie der Startervorrichtung in Abhängigkeit der Drehzahl des Startermotors.
Die in Fig. 1 als Ganzes mit 1 bezeichnete Startervorrichtung dient zum Anlassen einer Verbrennungsmaschine, wie z. B. eines Ottomotors. Kern­ stück der Startervorrichtung 1 ist einerseits ein elektrischer Startermotor 3, bei dem es sich um ein Großserien-Aggregat in der Bauform eines soge­ nannten Kommutator-Gleichstrom-Motors handeln kann. Ferner weist eine als Ganzes mit 4 bezeichnete Ansteuereinrichtung für den Startermotor 3 ein Steuergerät 5 und eine Leistungsschaltelektronik 6 auf. Diese weist einen MOS-FET-Leistungshalbleiter 7 auf, der den Startermotor 3 in üblicher Art getaktet ansteuert. Die Ansteuerung der Leistungsschaltelektronik 6 erfolgt über den Steuerausgang 8 des Steuergerätes 5, der mit dem entsprechenden Steuereingang 9 der Leistungsschaltelektronik 6 verbunden ist.
Mit den verschiedenen Eingängen 10.1 bis 10.5 des Steuergerätes 1 sind verschiedene Sensoren 11, 12, 13, 14, 15, 20 gekoppelt, die zur Erfassung physikalischer, für die Startleistung des Startermotors 3 relevanter Parameter dienen. So ist der Verbrennungsmaschine 2 ein Temperatursensor 11 zuge­ ordnet, der ein für die Betriebstemperatur der Maschine 2 repräsentatives elektrisches Signal ϑVM bereitstellt. Desgleichen ist ein Temperatursensor 12 am Startermotor 3 vorgesehen, der ein der Temperatur des Startermotors 3 repräsentatives elektrisches Signal ϑST an das Steuergerät 5 abgibt.
Zur Erfassung des bei der Ansteuerung des Startermotors 3 über die Lei­ stungsschaltelektronik 6 durch den Startermotor 3 fließenden Stromes ist ein Strommeßgerät 13 in Reihe zum Startermotor 3 im Stromzweig 14 geschal­ tet. Dieses generiert für den fließenden Strom I repräsentatives elektrisches Signal IST.
Schließlich ist am Startermotor 3 ein Drehmomentsensor 15 angeordnet, der das vom Startermotor 3 beim Startvorgang erzeugte Drehmoment erfaßt und an ein entsprechendes Signal MST an den Eingang 10.4 des Steuergerätes 5 abgibt.
Ferner ist der Startermotor 3 mit einem Drehzahlsensor 20 versehen, der an den Eingang 10.5 des Steuergerätes 5 ein für die Drehzahl nKW repräsentati­ ves Signal abgibt. Wie anhand von Fig. 2 noch zu erörtern ist, wird die Kennlinie des Startermotors 3 in Abhängigkeit der Startermotor-Drehzahl nKW als Kennwert entsprechend ausgesteuert.
Die Spannungsversorgung des Startermotors 3 erfolgt über die Bordbatterie 16 des Fahrzeuges, wobei parallel zu der Reihenschaltung aus den Starter­ motor-Wicklungen 17, 18 und dem Strommeßgerät 13 eine Freilaufdiode 19 geschaltet.
In diesem Zusammenhang zeigt Fig. 2 ein Diagramm der Abhängigkeiten des während des Startvorgangs durch den Startermotor 3 fließenden Stromes I bzw. des dabei entwickelten Drehmomentes M in Abhängigkeit der Dreh­ zahl nKw. Das Diagramm gibt dabei auch verschiedene Grenzen an. So ist strichliert die Entmagnetisierungs-Grenze E eingezeichnet. Im Sinne der Optimierung der Startermotor-Ansteuerung und der dabei eingesetzten Kennlinie ist bezüglich der Entmagnetisierungs-Grenze E festzuhalten, daß eine Leistungserhöhung üblicher Großserien-Starter z. B. dadurch möglich wird, daß leistungsfähigere Magnete verwendet werden. Der bei heute übli­ chen Startern fließende Maximalstrom - der Kurzschlußstrom - wird bei der Erfindung durch eine entsprechende Ansteuerung des Startermotors mit ei­ nem bestimmten Begrenzungsstrom vermieden. Deshalb wird die Entma­ gnetisierung durch den Begrenzungsstrom bestimmt, der optimal an den je­ weiligen Starter angepaßt sein kann.
Auch kann zur Leistungssteigerung der Starter an einer höheren Spannung betrieben werden, ohne Schaden zu nehmen, da durch eine geeignete Rege­ lung des Begrenzungsstromes alle relevanten Grenzwerte, also insbesondere die Entmagnetisierungs-Grenze E eingehalten werden können. Dies ist durch die in Fig. 2 durchgehend gezeichneten Momenten-Kennlinien MKL1 für einen Betrieb an einer Bordspannung von 12 V bzw. MKL2 für einen Be­ trieb an einer Bordspannung von < 12 V dargestellt. In allen Fällen muß da­ bei der Begrenzungsstrom so gewählt sein, daß die Drehmomente am Ar­ beitspunkt gesichert sind. Dieser Wert liegt typischerweise um den Faktor 2 unter dem Wert des Kurzschlußstromes.
Mit einer Doppelpunkt-Strich-Linie ist in dem Diagramm gemäß Fig. 2 fer­ ner die sogenannte Kommuüerungs-Grenze K eingezeichnet, die durch das maximal zulässige Bürstenfeuer am Kommutator bestimmt ist. Das Bürsten­ feuer wiederum ist mitbestimmend für die Kommutatorlebensdauer. Auch hier kann über das Steuergerät 5 Starter-spezifisch und unabhängig von Um­ gebungsparametern eine Maximallinie ausgesteuert werden.
Als letzte relevante Grenze ist strichpunktiert die mechanische Grenze M angedeutet, die beispielsweise bei einer Drehzahl nKW des Startermotors 3 von 600 min-1 liegt. Diese Drehzahlobergrenze wird im wesentlichen durch Fliehkräfte im Bereich des Kommutators und des Läuferwickelkopfes des Startermotors 3 bestimmt. Auch hier können die Maximalwerte über die Steuerung bei jeder Temperatur des Startermotors 3 bzw. der Verbren­ nungsmaschine 2 weitgehend ausgenutzt werden, während bei einer her­ kömmlichen Starteransteuerung beispielsweise die zulässige Startleistung bei Minustemperaturen durch die Fliehkraftgrenze beim betriebswarmen Starter stark beschränkt wird.
Eine repräsentative, durch das Steuergerät 5 ausgeregelte Soll-kennlinie S ist in dem Diagramm gemäß Fig. 2 durch eine breitangelegte Rasterlinie an­ gedeutet. Daraus wird deutlich, daß in einem niedrigen Drehzahlbereich die Start-Kennlinie als Startstrom/Drehmoment-Begrenzung in Abhängigkeit der zulässigen Entmagnetisierungs-Grenze E des Startstromes ausgesteuert wird. Der Startstrom I wird etwa auf die Hälfte der Entmagnetisierungs-Grenze von 1000 A begrenzt. Der hierfür repräsentative Ast der Soll-Kennlinie S ist mit I beschriftet.
Es schließt sich im mittleren Drehzahlbereich der Ast II der Soll-Kennlinie an, der in Abhängigkeit der Kommutierungs-Grenze K - also unter Einbe­ ziehung der zulässigen, Bürstenfeuer-bedingten Verschleißwerte - ausge­ steuert wird. Hier können auch die Temperatur des Startermotors 3 und der Verbrennungsmaschine 2 einbezogen werden, um beispielsweise eine ther­ mische Überlastsicherung für den Startermotor 3 zu realisieren.
Im Bereich höchster Drehzahlen schließlich wird die Soll-Kennlinie S so ausgesteuert, daß zur mechanischen Grenze M ein bestimmter Sicherheitsab­ stand verbleibt (s. Ast III der Soll-kennlinie S).
Wird mit einer solchen Soll-Kennlinie S ein Startvorgang durchgeführt, kann das Startverhalten des Startermotors 3 bzw. der Verbrennungsmaschine 2 über die Motor-Steuerelektronik erfaßt und bei etwaigen Problemen eine Veränderung der Kennlinien-Werte und -Aussteuerung vorgenommen wer­ den, um beim nächsten Startvorgang eine Verbesserung zu erzielen. Insbe­ sondere bei einem Fehlstart kann damit eine Startwiederholung mit verbes­ serten Parametern angestrebt werden.

Claims (11)

1. Startervorrichtung für eine Verbrennungsmaschine mit
einem elektrischen Startermotor (3),
einer Spannungsversorgung (16) für den Startermotor (3),
einer Ansteuereinrichtung (4) für den Startermotor (3),
dadurch gekennzeichnet, daß
die Ansteuereinrichtung (4) aufweist
eine Leistungsschaltelektronik (6),
ein Steuergerät (5), dessen Steuerausgang (8) mit dem Steuereingang (9) der Leistungsschaltelekfironik (6) verbunden ist, und
mit den Eingängen (10) des Steuergerätes (5) verbundene Sensoren (11, 12, 13, 15, 20) zur Erfassung physikalischer, für die Startlei­ stung des Startermotors (3) relevanter Parameter, wobei das Steuer­ gerät (5) auf der Basis der von den Sensoren (11, 12, 13, 15, 20) er­ fassten Parameter die Startkennlinie (5) für die Ansteuerung des Startermotors (3) innerhalb der zulässigen Grenzwerte (E, M, K) der physikalischen Parameter optimiert, insbesondere maximiert.
2. Startervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Startkennlinie (3) derart anpaßbar ist, daß die Kennlinienwerte innerhalb der zulässigen Grenzwerte (E, M, K) der physikalischen Parameter auf festgelegte Werte einstellbar sind.
3. Startervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Temperatursensor (11) zur Erfassung der Temperatur der Verbrennungsmaschine (2) als physikylischer Parameter vorgesehen ist.
4. Startervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein zweiter Temperatursensor (12) zur Erfassung der Temperatur des Startermotors (3) als physikalischer Parameter vorgese­ hen ist.
5. Startervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Strommeßgerät (13) als Sensor zur Erfassung des beim Startvorgang durch den Startermotor (3) fließenden Stromes als physikalischer Parameter vorgesehen ist.
6. Startervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Drehmomentsensor (15) zur Erfassung des Drehmo­ mentes (M) des Startermotors (3) beim Startvorgang als physikalischer Parameter vorgesehen ist.
7. Startervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Drehzahlsensor (20) zur Erfassung der Drehzahl (nKW) des Startermotors (3) beim Startvorgang als physikalischer Parameter vorgesehen ist.
8. Startervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Startkennlinie (5) im Bereich niedriger Drehzahlen als Startstrom/Drehmoment-Begrenzung in Abhängigkeit der zulässigen Entmagnetisierungs-Grenze (E) der Startermotor-Magneten aussteuerbar ist.
9. Startervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Startkennlinie (5) im Bereich mittlerer Drehzahlen als Startstrom/Drehmoment-Begrenzung in Abhängigkeit der zulässigen, Bürstenfeuer-bedingten Verschleißwerte, der Startertemperatur und/oder der Temperatur der Verbrennungsmaschine (2) aussteuerbar ist.
10. Startervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Startkennlinie (5) im Bereich höherer Drehzahlen als Startstrom/Drehmoment-Begrenzung in Abhängigkeit der zulässigen, Fliehkraftbedingten mechanischen Grenzwerte (M) des Startermotors (3) aussteuerbar ist.
11. Startervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Startverlauf vom Steuergerät (5) erfaßbar und die Kennlinienwerte insbesondere im Sinne einer Verbesserung des näch­ sten Startverlaufs änderbar sind.
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