DE10059902A1 - Starteinrichtung für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen - Google Patents

Abstract

Eine Starteinrichtung für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen umfaßt DOLLAR A - einen Starter (1) mit DOLLAR A - einem elektrischen Startermotor (2), DOLLAR A - einem mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Eingriff bringbaren Starterritzel, DOLLAR A - einem Einrückrelais (4) für das Starterritzel, sowie DOLLAR A - einer Beschaltung (3, 10, 11, 1011) für den Startermotor (2) und das Einrückrelais (4), DOLLAR A - einen Anschluß (5) zur Verbindung mit der Bord-Spannungsquelle (7) des Kraftfahrzeugs, DOLLAR A - ein Zündschloß (14) zur Betätigung des Starters (1) und DOLLAR A - eine Zusatzschalteinrichtung (12) für den Starter (1), DOLLAR A - die vom Zünschloß (14) steuerbar ist, DOLLAR A - die zwischen die Bord-Spannungsquelle (7) und den Starter (1) eingeschaltet ist, DOLLAR A - die räumlich getrennt vom Starter (1) im Fahrzeug anzuordnen ist und DOLLAR A - mittels derer bei aktivem Starter (1) dieser elektrisch vollständig von der Bord-Spannungsquelle (7) abkoppelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Starteinrichtung für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Eine derartige, gattungsgemäße Starteinrichtung weist die völlig üblichen Grundkomponenten herkömmlicher Starteinrichtungen für Otto- und Die­ selmotoren von Pkw und Nutzfahrzeugen auf. Demnach ist ein Starter mit einem elektrischen Startermotor, einem mit der Kurbelwelle des Verbren­ nungsmotors in Eingriff bringbaren Starterritzel, einem Einrückrelais für das Starterritzel sowie einer Beschaltung für den Startermotor und das Ein­ rückrelais vorgesehen. Zur Energieversorgung des Starters ist ein Anschluß zur Verbindung mit der Bord-Spannungsquelle des Fahrzeuges vorgesehen, wobei der Starter über das mit diesem Anschluß verbundene Zündschloß betätigt wird.

Herkömmliche Starter werden nun über das Zündschloß und eine erste An­ schlußklemme angesteuert, wobei die Batteriespannung auf diese Klemme des Starters geschaltet wird. Hierdurch wird das Einrückrelais des Starters bestromt, das Starterritzel spurt ein und die Hauptbrücke im Starterrelais wird geschlossen. Durch das Schließen der Hauptbrücke wird die Bord- Spannungsquelle, die permanent mit einer zweiten Klemme des Startes verbunden ist, über die Hauptbrücke auf den Antriebsmotor des Starters geschaltet. Die Batteriespannung liegt also bei derzeit üblichen Startern ständig an der zweitgenannten ungeschützten Anschlußklemme des Star­ ters.

Diese Anschlußweise, insbesondere in Verbindung mit einer Einbaupositi­ on des Starters vorne quer am Motor, wie sie bei modernen Kompaktfahr­ zeugen vielfach vorgesehen ist, kann bei einem Unfall des Fahrzeuges Pro­ bleme mit sich bringen. Bei einem Crash können elektrisch leitfähige Ka­ rosserie- oder andere Metallteile die spannungsführende Anschlußklemme des Starters berühren, wodurch diese mit der Fahrzeugmasse verbunden wird. Folge ist ein niederohmiger Kurzschluß, der einen hohen Stromfluß verursacht. Dies birgt ein erhebliches Brandrisiko in sich.

Zur Behebung dieser sicherheitsrelevanten Problematik sind Batterieschal­ ter - sogenannte "intelligente Batterieklemmen" - bekannt, die das gesamte Bordnetz im Falle eines Unfalls spannungslos schalten. Dies verhindert einen Kurzschluß im Crash-Fall. Problematisch bei dieser Maßnahme ist jedoch die Maßnahme, daß bei einem stromlosgeschaltenden Fahrzeug auch eventuell vorhandene Notrufeinrichtungen, die Warnblinkanlage und ähnliche sicherheitsrelevante Einrichtungen außer Betrieb gesetzt werden. Dies ist unter sicherheitstechnischen Aspekten naturgemäß kontraproduktiv und es sollte deshalb vermieden werden.

Ausgehend von der geschilderten Problematik liegt der Erfindung die Auf­ gabe zugrunde, eine Starteinrichtung für Verbrennungsmotoren von Kraft­ fahrzeugen so zu gestalten, einerseits die von der dauernden Spannungsbe­ aufschlagung des Starters ausgehenden Risiken und andererseits eine kom­ plette Spannungsfreischaltung des Fahrzeuges vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichungsteil des Anspruches 1 an­ gegebenen Merkmale gelöst. Kern der Erfindung ist demnach eine Zusatz­ schalteinrichtung für den Starter, die die Verbindung mit der Batteriespan­ nung und die Schaltungssteuerung komplett vom Starter wegnimmt und in einen ungefährdeten Raum, wie z. B. in die Nähe der Batterie, an die Ka­ rosserie verlegt. Dazu ist die Zusatzschalteinrichtung vom Zündschloß steuerbar und zwischen die Bordspannungsquelle für den Starter und diesen einschaltbar. Die Zusatzschalteinrichtung ist ferner räumlich getrennt vom Starter im Fahrzeug anzuordnen. Sie koppelt bei inaktiven Starter diesen elektrisch vollständig von der Bord-Spannungsquelle ab.

Durch die vorstehenden Merkmale ist der Starter während des Betriebs des Fahrzeuges komplett spannungslos. Damit wird ein niederohmiger Kurz­ schluß und ein eventueller Fahrzeugbrand bei einem Unfall verhindert. Da ansonsten das Bordnetz weiter in Betrieb bleibt, können sämtliche Sicher­ heitssysteme nach wie vor betrieben werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Zusatzschalteinrichtung be­ steht darin, daß die eigentliche Startsteuerung von ihr teilweise oder voll­ ständig übernommen werden kann. Dadurch sind Vereinfachungen in der Konstruktion und Beschaltung des Starters möglich. Insbesondere kann die beim Stand der Technik durch die Hauptbrücke mit ihrer Relaiswicklung für den Startermotor und die Einrück- und Haltewicklung für das Einrück­ relais gebildete Beschaltung durch die Erfindung modifiziert werden. Ent­ sprechend kann der Mehraufwand für die Zusatzschalteinrichtung durch Modifikationen am Starter kompensiert werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Starteinrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben. Einige solche Weiterbildungen und deren Vorteile sollen im folgenden kurz herausgegriffen werden. So ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, die Zusatzschalt­ einrichtung in einem Karosserieanbaugehäuse vorzugsweise in der Nähe der Batterie unterzubringen. Damit liegt die eigentliche Schalteinheit für die Batteriespannung in einem weniger gefährdeten Bereich, als beim Stand der Technik. Zudem bietet der Karosserieanbau den Vorteil einer geringe­ ren Temperatur- und Vibrationsbelastung als beim Motoranbau.

Die in den weiteren Unteransprüchen angegebenen Weiterbildungen betref­ fen unterschiedliche Realisierungsmöglichkeiten für den elektrisch wirk­ samen Steuerungsteil der Zusatzschalteinrichtung auf der Basis von elek­ tromechanischen Relais, rein elektronischer Schaltmittel und Kombinatio­ nen davon. Näheres hierzu ergibt sich aus der folgenden Beschreibung der entsprechenden Ausführungsbeispiele, wie sie anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 bis 10 Blockschaltdiagramme von Starteinrichtungen in unter­ schiedlichen Ausführungsformen.

Anhand von Fig. 1 soll die grundsätzliche Konzeption des Erfindungsge­ genstandes erläutert werden. Diese ist auf alle anderen Ausführungsformen übertragbar, wobei dann mit identischen Bezugszeichen übereinstimmende Bauteile und -gruppen bezeichnet werden. So ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Starter für den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges bezeichnet, der bei diesem Ausführungsbeispiel herkömmlicher Art sein soll. Dement­ sprechend ist ein permanenterregter, elektrischer Startermotor 2 vorgese­ hen, dessen Motorwicklungen 3 mit Anschlüssen 5, 6 zur Verbindung mit der Bordspannungsquelle 7 bzw. Masse 8 versehen sind. Der Starter 1 weist eine Hauptbrücke 9 auf, die über ein nicht näher dargestelltes Relais betätigt wird. Ferner ist eine Einrückwicklung 10 und eine Haltewicklung 11 vorgesehen, die den elektromagnetisch wirksamen Teil des in Fig. 1 le­ diglich funktional angedeuteten Einrückrelais 4 für das nicht näher darge­ stellte Starterritzel bilden. Die Haltewicklung 11 ist zwischen den Anschluß 5 und Masse 8 geschaltet. Die Einrückwicklung 10 liegt elektrisch zwi­ schen dem Anschluß 5 und der Motorwicklung 3.

Zwischen die Bordspannungsquelle 7 und den Anschluß 5 des Starters 1 ist eine Zusatzschalteinrichtung 12 eingeschaltet, die in einem gesonderten Karosserieanbaugehäuse 13 beispielsweise in der Nähe der Batterie 7 im Fahrzeug-Motorraum montiert ist. Diese Zusatzschalteinrichtung ist über das Zündschloß 14 steuerbar. Dazu ist die Wicklung 16 des Zusatzrelais 15 über das Zündschloß 14 mit der Batteriespannung verbindbar. Zum Starten wird nun das Zündschloß 14 geschlossen, wodurch der Ansteuerstrom für das Zusatzrelais 15 durch die Wicklung 16 fließt. Die Schaltbrücke 17 des Zusatzrelais 15 wird dadurch geschlossen, wodurch die Batteriespannung der Bordspannungsquelle 7 auf die entsprechenden Anschlüsse des Starters 1 gelegt wird. Die üblicherweise so benannten Klemmen "50" und "30" des Starters 1 sind dabei elektrisch über eine Leitung 18 (beispielsweise eine externe Brücke) miteinander verbunden, so daß beim Schließen des Zusatz­ relais 15 das Einrückrelais 4 das Ritzel einspurt und gleichzeitig die Haupt­ brücke 9 für die Bestromung des Startermotors 2 geschlossen wird. Der Startvorgang läuft dann konventionell ab, wobei nach erfolgtem Start das Zündschloß 14 wieder geöffnet und damit das Zusatzrelais 15 spannungslos geschaltet wird. Damit öffnet das Zusatzrelais 15 die Schaltbrücke 17 und der gesamte Starter 1 wird ebenfalls spannungslos geschaltet.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform ist dahingehend von Vorteil, daß ein konventioneller Starter mit Hauptbrücke 9, Einrückwicklung 10 und Haltewicklung 11 unverändert verwendet werden kann. Das Zusatzre­ lais 15 kann dabei für eine geringere Temperatur- und Schüttelbelastung ausgelegt werden, da es - wie ausgeführt - in der Nähe der Batterie an der Karosserie in seinem Karosserieanbaugehäuse 13 verbaut sein kann. Der Ansteuerstrom für das Zusatzrelais 15, der vom Zündschloß 14 geschaltet werden muß, ist im Vergleich zu üblichen Ansteuerstromstärken für den gesamten Starter deutlich geringer. Es tritt eine Reduktion von ca. 30 A auf ca. 2 bis 5 A auf. Damit kann das Zündschloß 14 mit weniger Aufwand hergestellt werden.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Variante einer erfindungsgemäßen Startein­ richtung wird ein Starter 1 eingesetzt, der zwar eine Einrück- 10 und Hal­ tewicklung 11, jedoch keine Hauptbrücke mehr aufweist. Stattdessen sind Einrück- und Haltewicklung 10, 11 über einen Parallelzweig 19 mit dem Zündschloß 14 verbunden, so daß diese beiden Wicklungen 10, 11 während des Starts vom Zündschloß 14 mit Spannung versorgt werden. Parallel dazu liegt die Zusatzschalteinrichtung 12 mit dem Zusatzrelais 15, das ebenfalls im Startfall bestromt wird. Allerdings ist eine Zeitverzögerung in der Grö­ ßenordnung von 40 ms bei dem Zusatzrelais 15 der Zusatzschalteinrichtung 12 gem. Fig. 2 vorgesehen, die beispielsweise elektronisch erzeugt werden kann. Hierdurch verzögert sich das Schließen der Schaltbrücke 17 der Zu­ satzschalteinrichtung 12 gegenüber dem Bestromen der Einrück- und Hal­ tewicklung 10, 11. Dadurch kann das Ritzel seinen Weg zum Zahnkranz der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zumindest teilweise zurücklegen, bevor sich der Startermotor 2 mit voller Leistung zu drehen beginnt. Nach Beendigung des Startvorgangs wird dann der Starter 1 durch Öffnen des Zündschlosses 14 spannungslos geschaltet.

Aufgrund des Wegfalls der Hauptbrücke kann der Starter 1 gemäß Fig. 2 konstruktiv wesentlich einfacher aufgebaut sein. Der Parallelzweig 19 ist im übrigen über die sogenannte "Klemme 50" an den Starter 1 angeschlos­ sen, während die Zusatzschalteinrichtung 12 an "Klemme 30" liegt.

Eine Problematik bei der in Fig. 2 dargestellten Variante der Starteinrich­ tung liegt darin, daß sich die Geschwindigkeit des Ritzels beim Einspuren während der Lebensdauer des Starters z. B. durch Verschmutzung verän­ dern kann. Insoweit kann mit der Zeit die am Zusatzrelais 15 auftretende Zeitverzögerung nicht mehr zur "Einspurzeit" des Starters passen, sodaß eventuell der Hauptstrom des Starters bereits durchgeschaltet wird, obwohl das Ritzel den Zahnkranz noch nicht erreicht hat.

Diese Problematik wird durch die in Fig. 3 dargestellte Variante einer er­ findungsgemäßen Starteinrichtung umgangen. Dort besitzt das Zusatzrelais 15 der Zusatzschalteinrichtung 12 keine Zeitverzögerung mehr. Vielmehr ist in Reihe zur Wicklung 16 des Zusatzrelais 15 ein Ritzelpositionssensor- Schalter 20 in den Starter 1 integriert, der eine feste mechanische Kopplung zum Ritzelantrieb aufweist. Die Geometrie der Kopplung ist dabei so abge­ stimmt, daß der Ritzelpositionssensor-Schalter 20 erst dann geschlossen ist, wenn das Starterritzel am Zahnkranz angelangt ist.

Der Funktionsablauf beim Starten gestaltet sich nun derart, daß bei ge­ schlossenem Zündschloß 14 über Einrück- und Haltewicklung 10, 11 und Parallelzweig 19 das Einrücken des Ritzels bewerkstelligt wird. Über die elektrische Verbindung der Einrückwicklung 10 mit dem Startermotor 2 wird dieser dabei langsam angedreht, so daß das Einspuren des Ritzels er­ leichtert wird. Sobald das Ritzel seine Sollposition für den Startvorgang erreicht hat, ist der Ritzelpositionssensor-Schalter 20 geschlossen. Die Wicklung 16 des Zusatzrelais 15 wird bestromt und letzteres schließt, so daß der Startermotor 2 mit dem vollen Startstrom von der Bordspannungs­ quelle 7 her beaufschlagt wird.

Nach Beendigung des Startvorgangs und dem entsprechenden Öffnen des Zündschlosses 14 ist der gesamte Starter 1 wieder spannungslos geschaltet.

Die in Fig. 3 gezeigte Variante hat den Vorteil, daß der Schalter 20 ledig­ lich den Strom für die Wicklung 16 des Zusatzrelais 15 und nicht den vol­ len Startstrom schalten muß. Er kann deshalb deutlich kleiner und einfacher ausgeführt werden, als die herkömmliche Hauptbrücke eines konventio­ nellen Starters. Die prinzipielle Konstruktion des Schalters 20 mit seiner geometrischen Kopplung zur Ritzelposition kann im übrigen derjenigen der Starterhauptbrücke konventioneller Starter entsprechen. Die für die Einbin­ dung des Ritzelpositionssensor-Schalters 20 notwendige Zuleitung 21 kann im übrigen relativ hochohmig und damit im Durchmesser klein sein, da die zu führenden Ströme in der Zusatzrelaiswicklung begrenzt sind.

Fig. 4 zeigt eine Starteinrichtung in einer Ausführungsform, bei der eine elektrisch zweistufige Ansteuerung des Starters 1 vorgenommen wird. Da­ zu ist eine weitere Zusatzschalteinrichtung 22 parallel zum ersten Zusatz­ relais 15 geschaltet. Die Wicklung 23 dieses Schaltrelais 22 ist zwischen Zündschloß 14 und Masse 8 geschaltet. Die eigentliche Schaltstrecke 14 verbindet die Bordspannungsquelle 7 mit dem Anschluß 25 ("Klemme 50"), an dem die Einrück- und Haltewicklung 10, 11 des Starters 1 hängen. Über einen Vorwiderstand 26 ist auch der Anschluß 5 ("Klemme 30") des Startermotors 2 an die weitere Zusatzschalteinrichtung 22 angeschlossen.

Durch die vorstehend erörterte Ansteuerung des Starters 1 über das Zünd­ schloß 14 ist eine elektrisch zweistufige Ansteuerung möglich. Dazu wird die erste Zusatzschalteinrichtung 12 über das Zündschloß 14 in Verbindung mit dem Ritzelpositionssensor-Schalter 20, wie anhand von Fig. 3 be­ schrieben, angesteuert. Der einzige Unterschied besteht lediglich darin, daß der Sensorschalter 20 die Wicklung 16 des Zusatzrelais 15 erst dann frei­ schaltet, wenn das Ritzel zu einem gewissen Prozentsatz in den Zahnkranz eingespurt ist. Dies ist durch eine Einschränkung des Federweges der soge­ nannten Einspurfeder zu ermöglichen. Dadurch wird der Hauptstrom erst bei einer gewissen Überdeckung der Zahnflanken von Ritzel und Zahn­ kranz durchgeschaltet.

Um nun eine permanente Zahn-auf-Zahn-Stellung von Starterritzel und Zahnkranz der Kurbelwelle zu vermeiden und um dem Ritzel eine größere Zeit zum Auffinden einer Zahnlücke des Zahnkranzes zu geben, wird der Startermotor 2 während des Vorspurens des Ritzels durch die Wirkung der Einrückwicklung 10 mit einem gegenüber dem Hauptstrom verminderten Strom versorgt, wozu die weitere Zusatzschalteinrichtung 22 durch die Steuerung über das Zündschloß 14 geschlossen und eine Versorgung des Startermotors 2 über den Vorwiderstand 26 erfolgt. Dadurch dreht der Startermotor 2 langsam mit vermindertem Drehmoment durch, wodurch eine Zahn-auf-Zahn-Stellung zwischen Ritzel und Zahnkranz ggf. aufgelöst werden kann. Die verminderte Hauptstromstärke für das langsame Andre­ hen liegt jedoch im Bereich zwischen 100 A bis 180 A, so daß sie nicht mehr direkt vom Zündschloß geschaltet werden kann. Sie wird daher über die Schaltstrecke 24 der weiteren Zusatzschalteinrichtung 22 geführt, des­ sen Relaiswicklung vom Zündschloß 14 angesteuert wird. Der Vorwider­ stand 26 kann im übrigen extern mit den beiden Zusatzschalteinrichtungen 12, 22 in ein Karosseriemodul 27 (strichliert angedeutet in Fig. 4) integriert untergebracht sein. Auch eine Anordnung des Vorwiderstandes 26 im Starter ist möglich.

Parallel zu dem Andrehstrom I_D durch den Vorwiderstand 26 läuft durch die Wicklungen 10, 11 der Einrückstrom I_E, so daß das Starterritzel wäh­ rend des langsamen Durchdrehens des Startermotors 2 auch eine axiale Bewegung durchführt und in den Zahnkranz der Kurbelwelle des Verbren­ nungsmotors einspuren kann.

Das erwähnt Karosseriemodul 27 mit den beiden Zusatzschalteinrichtungen 12, 22 und dem Vorwiderstand 26 bietet vor allem den Vorteil einer größe­ ren Flexibilität beim Einbauraum, eine bessere Kühlmöglichkeit durch An­ bringung des Moduls 27 an exponierten Karosserieblechbereichen, eine geringere Vibrationsbelastung und eine niedrigere Umgebungstemperatur als beim Anbau am Motor.

Bei den nun folgenden Starteinrichtungen gemäß den Fig. 5 bis 10 werden teil- bis vollelektronische Ansteuerungen eingesetzt. So ist in Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem das Zündschloß 14 mit einem übli­ chen Motorsteuergerät 28 gekoppelt ist, das wiederum über ein übliches Kfz-Bussystem, wie ein CAN mit einer elektronischen Steuerung 29 für das Zusatzrelais 15 in der Zusatzschalteinrichtung 12 verbunden ist. Die elektronische Steuerung 29 ist dabei in die Zusatzschalteinrichtung 12 und zur Ansteuerung der Wicklung 16 des Zusatzrelais 15 direkt integriert. In einer nicht näher dargestellten Weise kann die elektronische Steuerung 29 im wesentlichen aus einem eine bitserielle Schnittstelle bildenden Chip mit einer aus zwei Leistungstransistoren bestehenden Halbbrücke ausgebildet sein.

Im übrigen ist der Starter 1 mit der Beschaltung des Startermotors 2 und der Einrück- und Haltewicklung 10, 11 analog dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ausgebildet und bedarf daher keiner nochmaligen Erörterung.

Die in Fig. 6 gezeigte Variante unterscheidet sich von der gemäß Fig. 5 im wesentlichen dadurch, daß der Starter 1 keine Hauptbrücke mehr aufweist. Der Startstrom wird also über das Zusatzrelais 15 mit Hilfe der elektroni­ schen Steuerung 29' geschaltet. Diese weist jedoch einen weiteren Ausgang auf, der das Einrückrelais 4 mit seiner Einrück- und Haltewicklung 10, 11 entsprechend ansteuert. Um einen Durchdrehen des Startermotors 2 erst dann zu vollziehen, wenn das Starterritzel in den Zahnkranz der Kurbel­ welle eingespurt ist, ist analog der Ausführungsform nach Fig. 2 eine Zeit­ verzögerung zwischen der Ansteuerung der Wicklungen 10, 11 und dem Schalten des Hauptstromes mit Hilfe des Zusatzrelais 15 vorgesehen.

Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Starteinrichtung ist die Transistorenbeschaltung explizit dargestellt. So weist die Zusatzschalteinrichtung 12 analog Fig. 6 eine elektronische Steuerung 29' auf, die von einem Mikrocontroller 30 ablaufgesteuert ist. Dieser steht über einen CAN-Bus mit dem Motorsteuergerät 28 in Verbin­ dung. Letzteres ist wiederum mit dem Zündschloß 14 gekoppelt.

Der Mikrocontroller 30 steuert drei Transistoren T1, T2, T3, wobei die bei­ den Transistoren T1, T2 mit ihrer Schaltstrecke in Reihe zwischen die Bordspannungsquelle 7 und die einzige gemeinsame Einrück- und Halte­ wicklung 1011 geschaltet ist. Die Wicklung 16 des Zusatzrelais 15 der Zu­ satzschalteinrichtung 12 wird über den dritten Transistor T3 versorgt, der mit seiner Schaltstrecke zwischen die Bordspannungsquelle 7 und diese Wicklung 16 geschaltet ist.

Erhält nun das Motorsteuergerät 28 und damit die elektrische Steuerung 29' durchschließendes Zündschlosses 14 ein Startsignal, so werden zunächst die beiden Transistoren T1, T2 durchgeschaltet, so daß die Relaiswicklung 1011 des Einrückrelais voll bestromt wird. Damit steht die notwendige ho­ he Einspurkraft bereit. Der Transistor T3 wird anschließend zeitverzögert über den Mikrocontroller 30 durchgeschaltet, so daß das Zusatzrelais 15 entsprechend später durchgeschaltet wird. Die beiden Transistoren T1, T2 sind im übrigen redundant, um ein ungewolltes Einspuren bei einem even­ tuellen Durchlegieren eines der beiden Transistoren und einen damit ver­ bundenen Kurzschluß zu vermeiden.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 7 weist ferner einen Vorteil auf, der aus der elektronischen Ansteuerung der Wicklung 1011 des Starterritzels folgt. Die Aufteilung dieser Wicklung 1011 in eine Haltewicklung 11 und eine Einrückwicklung 10 hatte im wesentlichen den Sinn, eine zu große Erwär­ mung des Relais zu vermeiden. Die Einrückwicklung hat nämlich einen niedrigen ohmschen Widerstand, so daß während der kurzen Zeit des Ein­ spurens ein hoher Strom mit relativ hohen Verlusten fließen kann. Beim Durchdrehen des Starters mit voller Leistung wird dann die Einrückwick­ lung stromlos geschaltet und nur noch die hochohmigere Haltewicklung bestromt. Diese muß nur noch eine geringere Haltekraft aufbringen. Durch diese Stromreduzierung wird für die Reststartzeit eine deutlich verringerte Relaiserwärmung erreicht.

Bei einer elektronischen Ansteuerung kann nun die körperliche Trennung zwischen Halte- und Einrückwicklung entfallen, wenn der Ansteuerstrom durch eine Taktung - beispielsweise durch eine Pulsbreitenmodulation - auf einen niedrigeren Wert entsprechend dem niedrigeren Haltekraftbedarf re­ duziert wird. Die Umschaltung auf eine Taktung erfolgt dabei zum Beispiel zeitverzögert oder aufgrund des Signals eines Ritzelpositionssensors, wie dies anhand von Fig. 3 erläutert wurde.

Eine Variante der Ausführungsform gemäß Fig. 7 ist in Fig. 8 dargestellt, wobei der Hauptunterschied darin besteht, daß der Starter 1 wieder mit ei­ ner Hauptbrücke 9 versehen ist. Ansonsten bestehen keine Unterschiede im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7, so daß zum Aufbau der Starteinrichtung auf diese Beschreibung verwiesen werden kann.

Durch den Einsatz der Hauptbrücke 9 ergibt sich eine vorteilhafte Mög­ lichkeit zur Detektion des Zeitpunkts der Umschaltung des Stromes durch die Relaiswicklung 1011 auf den getakteten Modus zum Halten des Ritzels. Damit kann die zeitverzögerte Ansteuerung des Zusatzrelais 15 entfallen.

In funktionaler Hinsicht kann der Zeitpunkt des Umschaltens auf den redu­ zierten, getakteten Relaisstrom für die Ritzelwicklung 1011 durch eine ein­ fache Spannungsmessung am Anschluß 5 ("Klemme 30") des Starters er­ folgen. Beim Schließen der Hauptbrücke 9 des Starters 1 fließt nämlich für eine kurze Zeit in der Größenordnung von <20 ms der Kurzschlußstrom, der aufgrund seiner Größe und des endlichen Innenwiderstandes der Batte­ rie und der Zuleitung zu einem Spannungseinbruch von mehreren Volt führt. Dieser Spannungseinbruch kann detektiert und als Signal verwendet werden, nach einer kurzen Zeitverzögerung den Strom durch die Ritzel­ wicklung 1011 auf den Wert eines Haltestromes durch Pulsbreitenmodula­ tion herabzusetzen.

Bei der in Fig. 9 gezeigten Variante handelt es sich um eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 4, bei der ein elektrisch zweistufiger Starter 1 ausgebildet wird. Die beiden Transistoren T1, T2 mit ihrem Mi­ krocontroller 30 zur Steuerung ersetzen dabei die weitere Zusatzschaltein­ richtung 22 der Ausführungsform gem. Fig. 4. Ferner wird statt einer Ein­ rück- und Haltewicklung 10, 11 wieder eine einzige Relaiswicklung 1011 eingesetzt. Auch ist die erste Zusatzschalteinrichtung 12 für den Starter­ motor 2 über den Mikrocontroller 30 und den Transistor T3 gesteuert. Durch den zwischen dem Abgriff 31 zwischen den Transistoren T1 und T2 und den Anschluß 5 des Startermotors eingeschalteten Vorwiderstand 26 werden bei durchgeschalteten Transistoren T1, T2 sowohl die Relaiswick­ lung 1011 als auch mit einem geringeren Andrehstrom die Motorwicklun­ gen 3, 4 bestromt. Nach dem Einrücken wird über T3 das Zusatzrelais 15 geschlossen und der Startermotor 2 mit dem Hauptstrom beaufschlagt.

Eine vollelektronisch gesteuerte Variante einer erfindungsgemäßen Star­ teinrichtung ist in Fig. 10 gezeigt. Hier sind statt des Zusatzrelais 15 in der Zusatzschalteinrichtung 12 zur Steuerung des Hauptstromes für die Motor­ wicklungen 3, 4 drei parallel geschaltete Power-Mosfets T4 vorgesehen.

Diese werden über eine gemeinsame Signalleitung vom Mikrocontroller 30 gesperrt bzw. durchgeschaltet.

Für die umschaltbare Ansteuerung der Relaiswicklung 1011 sind wiederum die beiden Transistoren T1, T2 zuständig. Für das Einrücken und das Hal­ ten des Ritzels kann die Relaiswicklung 1011 wieder in beschriebener Wei­ se mit einem hohen Einrückstrom bzw. einem getakteten Haltestrom beauf­ schlagt werden.

Die Verwendung einer vollelektronischen Steuerung des Motorhauptstro­ mes mittels der Transistoren T4 weist im Zusammenhang mit der Erfin­ dung verschiedene Vorteile auf. So ist gerade der durch die Erfindung mögliche Karosserieanbau der die Leistungstransistoren T4 aufnehmenden Zusatzschalteinrichtung 12 günstig, da durch die vom Motor weggerückte Positionierung die Kühlverhältnisse gut und die Umgebungstemperatur niedrig sind. Darüber hinaus ist durch die Verwendung der Leistungstransi­ storen T4 auch eine Taktung des Hauptstromes möglich, womit sich auf einfache Weise ein elektrisch zweistufiges Startverhalten erzielen läßt. Der Hauptstrom des Starters kann in einer ersten Andrehstufe durch Pulsbrei­ tenmodulation beliebig verkleinert werden, um ein verschleißarmes und sicheres Einspuren des Starterritzels zu erreichen. Von Vorteil dabei ist ferner, daß durch den Wegfall des Vorwiderstandes die ohmschen Verluste und damit die Brand- oder Zerstörungsgefahr für den Starter deutlich redu­ ziert werden.

Zur Frage der Taktfrequenz bei der Ansteuerung des Startermotors 2 ist insbesondere die Vermeidung von EMV-Störungen relevant. Der Starter­ hauptkreis ist nämlich sehr niederohmig und weist nur sehr kleine Indukti­ vitäten auf. Die Taktung muß daher an sich mit hoher Frequenz erfolgen, um unter Ausnützung der Glättungsfunktion der Induktivität des Ankers einen annähernd konstanten Strom bzw. Drehmoment zu erhalten. Dies führt bei einer relativ langen Zuleitung des Hauptstromes zum Starter 1 zu elektromagnetischen Störungen, die unzulässig sind.

Dem kann entgegengewirkt werden, indem während der Vorspurphase des Starterritzels, während der nur ein langsames Andrehen des Startermotors notwendig ist, mit einer sehr viel geringeren Taktfrequenz von 50 Hz gear­ beitet wird. Die Begründung für diese Möglichkeit liegt darin, daß während der Vorspurphase kein konstantes mittleres Drehmoment des Startermotors 2 notwendig ist. Wichtig ist nur, daß das Ritzel drehend am Zahnkranz an­ kommt. Der Starter weist nun ein so hohes Trägheitsmoment auf, daß auch ein gepulstes Drehmoment zu einer angenähert konstanten Drehzahl führt.

So erreicht das Ritzel bei einem Stromimpuls von etwa 10 ms Dauer eine Drehzahl von ca. 100 min^-1. Da die Auslaufzeitkonstante wegen des gerin­ gen Bremsmomentes des Starters das 5- bis 10-fache der Hochlaufzeitkon­ stante beträgt, wird die Drehzahl während einer Strompause von z. B. eben­ falls 10 ms zwischen zwei Pulsen nur gering abfallen. Bei einer periodi­ schen Ansteuerung mit der relativ niedrigen Frequenz von beispielsweise 50 Hz ergibt sich daher ein prinzipieller Drehzahlverlauf, der einem insge­ samt ansteigenden, gerundeten Sägezahnprofil entspricht. Dementspre­ chend steigert sich die Drehzahl langsam bis das Ritzel den Zahnkranz er­ reicht. Mit einer Pulsfrequenz bis 50 Hz wird dabei eine gute Abstimmung auf die übliche Vorspurzeiten von Serienstartern erreicht, die zwischen 40 ms und 100 ms liegen.

Sollte das Ritzel trotz des Andrehens des Startermotors an einem Zahn­ kranzzahn hängenbleiben, wird es durch den nächsten, das volle Kurz­ schlußmoment erzeugenden Puls losgerissen und kann einspuren. An­ schließend kann die Umschaltung auf Dauerstrom zur Einsteuerung der vollen Leistung des Starters 1 durch einen Ritzelpositionssensor-Schalter, wie oben beschrieben, erfolgen.

Da die Stromimpulse durch die Induktivität des Ankers als abgerundete Rechtecke darzustellen sind, nehmen die Amplituden der hierdurch entste­ henden Oberschwingungen stärker als umgekehrt proportional der Ord­ nungszahl ab. Die Frequenzen der relevanten Oberschwingungen liegen daher noch unter 1000 Hz, so daß sie keine Bedeutung für die Abstrahlung elektromagnetischer Störwellen haben.

Claims (12)

1. Starteinrichtung für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen umfas­ send
einen Starter (1) mit
einem elektrischen Startermotor (2),
einem mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Eingriff bringbaren Starterritzel,
einem Einrückrelais (4) für das Starterritzel, sowie einer Beschaltung (3, 10, 11, 1011) für den Startermotor (2) und das Einrückrelais (4),
einen Anschluß (5) zur Verbindung mit der Bord-Spannungsquelle (7) des Kraftfahrzeugs, und
ein Zündschloß (14) zur Betätigung des Starters (1),
gekennzeichnet durch
eine Zusatzschalteinrichtung (12) für den Starter (1),
die vom Zündschloß (14) steuerbar ist,
die zwischen die Bord-Spannungsquelle (7) und den Starter (1) eingeschaltet ist,
die räumlich getrennt vom Starter (1) im Fahrzeug anzuordnen ist, und
4 mittels derer bei inaktivem Starter (1) dieser elektrisch vollstän­ dig von der Bord-Spannungsquelle (7) abkoppelbar ist.

2. Starteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzschalteinrichtung (12) in einem Karosserieanbaugehäuse (13) untergebracht ist.

3. Starteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzschalteinrichtung (12) ein Schaltrelais (15) ist, das vom Zündschloß (14) steuerbar und mit dem die Beschaltung (3, 10, 11, 1011) für den Startermotor (1) und das Einrückrelais (4) gleichzeitig mit der Bord-Spannungsquelle (7) verbindbar und von dieser trennbar ist.

4. Starteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzschalteinrichtung (12) bei Aktivierung über das Zünd­ schloß (14) zeitverzögert den Startermotor (1) mit der Bordspannungs­ quelle (7) verbindet, wobei mittels eines Parallelzweiges (17) zwischen Zündschloß (14) über Einrückrelais (4) und Startermotor (1) zeitlich vorlaufend das Starterritzel einspurbar ist.

5. Starteinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Starter (1) mit einem elektrisch in Reihe mit der Zusatzschalteinrichtung (12) liegenden Ritzelpositionssensor-Schalter (20) versehen ist, wobei mittels eines Parallelzweiges (19) zwischen Zündschloß (14) über Ein­ rückrelais (4) und Startermotor (1) das Starterritzel einspurbar ist.

6. Starteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine weitere, vom Zündschloß (14) steuerbare Zusatz­ schalteinrichtung (22) vorgesehen ist, mittels derer der Startermotor (1) von der Bord-Spannungsquelle (7) über einen Vorwiderstand (26) mit einem Andrehstrom (I_D) versorgbar ist.

7. Starteinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß par­ allel zum Andrehstrom (I_D) ein Einrückstrom über das Einrückrelais (4) zu dessen Aktivierung geführt ist.

8. Starteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zusatzschalteinrichtung (12) mit einer elektronischen Steuerung (29, 29', 30) des Zusatzrelais (15) versehen ist, wobei die Steuerung (29, 29', 30) über ein mit dem Zündschloß (14) in Verbin­ dung stehendes Motorsteuergerät (28) ansteuerbar ist.

9. Starteinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (29') der Zusatzschalteinrichtung (12) direkt auf die Wick­ lung (1011) des Einrückrelais (4) zugreift, wobei eine Zeitverzögerung zwischen dem Ansteuern des Einrückrelais (4) und dem Einschalten des Hauptmotorstromes von der Steuerung (29') generierbar ist.

10. Starteinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Einzugrelais von der Steuerung (29') getaktet ansteuerbar ist.

11. Starteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die vom Starter (1) räumlich getrennte Zusatzschaltein­ richtung (12) über Leistungstransistoren (T1, T2, T3, T4) vollelektro­ nisch steuerbar ist.

12. Starteinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Einrückrelais (4) als auch der Startermotor (2) zur Lei­ stungsregelung für verschiedene Startphasen getaktet ansteuerbar sind.