DE102005004326A1 - Startvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit separatem Einrück- und Startvorgang - Google Patents
Startvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit separatem Einrück- und Startvorgang Download PDFInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Starten eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Startermotor (1) mit einem Stellglied (2) zum Einspuren eines vom Startermotor (1) antreibbaren Ritzels (10) in einen Zahnkranz (11) sowie eine Steuereinheit (6), die eine dem Stellglied (2) zugeordnete Schalt-Endstufe (7) und eine dem Startermotor (1) zugeordnete Schalt-Endstufe (8) ansteuert. Die Startzeit des Verbrennungsmotors kann wesentlich verringert werden, wenn die Startervorrichtung eine Steuereinheit (6) umfasst.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Starten eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen werden üblicherweise von einem Startermotor gestartet, der von einer Fahrzeugbatterie mit elektrischem Strom versorgt wird. Bekannte Startermotoren umfassen ein sogenanntes Einrückrelais, mit dem ein vom Startermotor angetriebenes Ritzel in einen Zahnkranz, der an einem Schwungrad des Verbrennungsmotors angebracht ist, eingespurt wird. Das Zündschloss schließt in der Startposition einen Stromkreis, der das Einrückrelais bestromt, so dass das Ritzel über einen Einrückhebel nach vorne gegen den Zahnkranz bewegt wird. Im Allgemeinen tritt dabei eine sogenannte Zahn-Zahn-Stellung auf, bei der das Ritzel erst nach einer Verdrehung in eine Lücke des Zahnkranzes einrücken kann. Gegen Ende des Relaiswegs schließt das Einrückrelais über einen Kontakt den Hauptstromkreis des Startermotors, der damit bestromt wird und sich zu drehen beginnt. Unmittelbar nach Drehbeginn rückt das Ritzel vollständig in den Zahnkranz ein. Der Startermotor treibt somit das Ritzel und über das Ritzel den Zahnkranz des Verbrennungsmotors an, der sich damit ebenfalls zu drehen beginnt. Mit dem Loslassen des Zündschlüssels wird schließlich der Relaisstromkreis unterbrochen und das Ritzel durch eine Rückstellfeder ausgespurt.
- Aus der EP-0848159A1 ist es bekannt, das Einrückrelais und den Startermotor über ein elektronisches Steuergerät und zwei Schalt-Endstufen separat anzusteuern, um den Einrückvorgang unabhängig vom eigentlichen Startvorgang durchzuführen. Dadurch wird es beispielsweise möglich, das Ritzel bereits im Stillstand des Verbrennungsmotors einzuspuren und erst bei einer Startanforderung (Drehen des Zündschlosses) durch den Fahrer den eigentlichen Startvorgang durchzuführen. Dieser Vorgang wird als Voreinspuren bezeichnet. Dadurch kann insbesondere bei einem Start-Stop-Betrieb des Kraftfahrzeugs der Neustart des Fahrzeugs beschleunigt werden, da sich das Ritzel bereits in der eingespurten Stellung befindet. Das frühzeitige Einspuren des Ritzels im Stillstand des Verbrennungsmotors hat jedoch den Nachteil, dass durch den Einspurvorgang ein deutlich hörbares Klack-Geräusch erzeugt wird, wenn das Einrückrelais anzieht, das Ritzel axial gegen den Zahnkranz oder beim Einrücken drehend gegen eine Zahnflanke des Zahnkranzes stößt. Dies wirkt für den Fahrer irritierend und unangenehm.
- Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Starten eines Verbrennungsmotors zu schaffen, bei der das vom Starter verursachte Einrück-Geräusch wesentlich geringer ist und darüber hinaus den Startvorgang weiter zu verkürzen.
- Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weiter Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
- Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, beim Einrücken des Ritzels das Stellglied der Einrückvorrichtung (z.B. die Einzugswicklung eines Einrückrelais oder einen Elektromotor) nicht voll, sondern nur teilweise zu bestromen und zu diesem Zweck das Stellglied der Einrückvorrichtung sowie den Startermotor mit einem, beispielsweise durch Taktung passend eingestellten Strom zu betreiben. Dadurch wird erreicht, dass die Einrückvorrichtung langsamer arbeitet und das Ritzel langsamer als bei voller Bestromung vorrückt und somit das Klack-Geräusch beim Anschlag des Ritzels am Zahnkranz weniger laut ist. Durch die beschriebene zusätzliche kurzzeitige Bestromung des Startermotors rückt das Ritzel vollständig in den Zahnkranz ein. Da dies mit niedrigem Strom erfolgt, stößt das Ritzel beim Einrücken nur mit geringer Drehgeschwindigkeit und damit geräuscharm an die Zahnflanke des Zahnkranzzahnes.
- Das Einspurgeräusch ist besonders unauffällig, wenn das Einrückrelais bestromt wird, während sich der Verbrennungsmotor noch dreht und somit das Einrückgeräusch vom Motorgeräusch überdeckt wird. Das Einrückrelais wird daher vorzugsweise bereits während einer Auslaufphase des Verbrennungsmotors angesteuert, z.B. wenn der Motor bei einem Start-Stop-Betrieb des Fahrzeugs vor einer Ampel automatisch ausgeschaltet wurde und eine vorgegebene Drehzahlschwelle unterschreitet. Die Drehzahlschwelle liegt vorzugsweise weit unter der Leerlaufdrehzahl des Motors, um den Verschleiß der Einspurvorrichtung möglichst gering zu halten.
- Startermotoren benötigen in der Regel einen sehr hohen Anlaufstrom, der zu Spannungseinbrüchen im elektrischen Bordnetz führen kann. Der Startermotor wird von der Steuereinheit daher vorzugsweise im Sanftanlauf betrieben, um das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs nicht übermäßig stark zu belasten. Zu diesem Zweck wird die Schalt-Endstufe des Startermotors vorzugsweise ebenfalls mit einem, beispielsweise durch Taktung passend eingestellten Strom angesteuert. Durch diese Art der Ansteuerung des Hauptstroms des Startermotors wird die Stromaufnahme begrenzt und somit werden Spannungseinbrüche im Bordnetz vermieden bzw. reduziert.
- Der Startermotor kann außerdem in Abhängigkeit von der Leistungsfähigkeit des elektrischen Bordnetzes mit unterschiedlicher Leistung angetrieben werden, um das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs nicht übermäßig stark zu belasten. Die Leistungsfähigkeit des Bordnetzes kann beispielsweise durch Überwachung einer Netzspannung oder durch Analyse des Batteriezustands in bekannter Weise ermittelt werden. Bei geringer Leistungsfähigkeit des elektrischen Bordnetzes kann somit der Hauptstrom des Startermotors reduziert oder der Start vollständig unterbrochen werden.
- Die erfindungsgemäße Voreinspuren durch Trennung des Einspurvorgangs vom eigentlichen Startvorgang bzw. Andrehvorgang ermöglicht es darüber hinaus, die Kurbelwelle im Stillstand des Verbrennungsmotors in eine für den Start des Verbrennungsmotors optimale Position zu bringen. Hierzu muß der Startermotor von der Steuereinheit nur entsprechend angesteuert und in die gewünschte Position gebracht werden, wobei die Position der Kurbelwelle sensorisch erfasst wird. Wenn sich die Kurbelwelle vor dem eigentlichen Andrehen in einer optimalen Position befindet, kann die Startzeit nochmals verkürzt werden.
- Die Schalt-Endstufen des Stellglieds der Einrückvorrichtung und des Startermotors sind vorzugsweise als Halbleiterschalter, insbesondere Transistoren, realisiert.
- Die Steuereinheit ist vorzugsweise über ein Bussystem mit einem weiteren Steuergerät verbunden, das z.B. den Fahrerwunsch bei einem Start-Stop-Betrieb des Fahrzeugs ermittelt oder den Leistungszustand des elektrischen Bordnetzes bestimmt und mit der Steuereinheit kommuniziert. In umgekehrter Richtung kann die Steuereinheit eventuelle Fehler im Relaiskontakt oder den Schalt-Endstufen des Stellglieds und des Elektromotors kommunizieren. Diese Fehler werden vorzugsweise durch Strom- bzw. Spannungsmessungen zu bestimmten Zeitpunkten und einer Plausibilitätsbetrachtung in der Steuereinheit detektiert.
- Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Blockdarstellung eines Start-Stop-Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; -
2 ein Flussdiagramm der wesentlichen Verfahrensschritte beim Starten eines Verbrennungsmotors während eines Start-Stop-Betriebs; und -
3 ein Zeitdiagramm der wesentlichen Größen bei einem Start-Stop-Betrieb. -
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Startervorrichtung eines Start-Stop-Systems zum Starten des Verbrennungsmotors eines Kfz. Die Startervorrichtung umfasst im wesentlichen einen Startermotor1 mit einem Stellglied2 zum Einspuren eines vom Startermotor1 angetriebenen Ritzels10 in einen Zahnkranz11 , der am Schwungrad des Verbrennungsmotors (nicht gezeigt) angeordnet ist. In der eingerückten Stellung wird der Startermotor1 bestromt und damit der Verbrennungsmotor gestartet. Das Stellglied2 ist hier als Einrückrelais dargestellt, könnte aber z.B. auch als ein kleiner Elektromotor realisiert sein. - Die Startervorrichtung umfasst zwei Schalt-Endstufen
8 bzw.7 , die dem Startermotor1 bzw. dem Einrückrelais2 zugeordnet sind. Die Schalt-Endstufe8 schaltet dabei den Hauptstrom des Startermotors1 und die Schalt-Endstufe7 den Strom der Einzugswicklung des Einrückrelais2 . Die Schalt-Endstufen7 ,8 umfassen zu diesem Zweck jeweils wenigstens einen Transistorschalter, deren Steueranschlüsse mit einer Steuereinheit6 verbunden sind und von dieser angesteuert werden. Dadurch wird es möglich, das Stellglied2 der Einrückvorrichtung (2 ,10 ,13 ) unabhängig bzw. separat vom Startermotor1 insbesondere mit einem passend eingestellten Strom, beispielsweise getakteten Strom anzusteuern und somit den Einrückvorgang zeitlich unabhängig vom eigentlichen Startvorgang durchzuführen. - Die erste Schalt-Endstufe
7 ist zusammen mit der Steuereinheit6 in einem Steuergerät3 integriert. Die Schalt-Endstufe des Startermotors1 ist dagegen separat realisiert, da sie hohe Ströme schalten muss. - Die gezeigte Schaltung ermöglicht es, das Ritzel
10 bei einem Start-Stop-Betrieb des Fahrzeugs z.B. noch beim Auslaufen des Verbrennungsmotors in den Zahnkranz11 einzurücken, nachdem der Verbrennungsmotor automatisch abgeschaltet wurde. Dadurch wird erreicht, dass das Einrückgeräusch vom Motorgeräusch überlagert wird und somit für den Fahrer kaum hörbar ist und nicht störend wirkt. Wahlweise kann das Ritzel auch im Stillstand des Verbrennungsmotors eingespurt werden. - Der Einrückvorgang wird durch eine z. B. durch Taktung geeignete Ansteuerung des Stellgliedes
2 und des Startermotors1 besonders sanft (mit geringer Geschwindigkeit) durchgeführt und somit das Einrückgeräusch verringert. - Für den Fall, dass das Ritzel
10 nicht unmittelbar in eine Zahnlücke des Zahnkranzes11 hineinrutscht, sondern axial gegen die Stirnseite eines Zahnes des Zahnkranzes11 stößt, muss das Ritzel10 gegenüber dem Zahnkranz verdreht werden, um es weiter vorwärts bewegen zu können. Hierzu wird der Startermotor1 durch eine z. B. durch Taktung geeignete Ansteuerung der Schalt-Endstufe8 sanft angefahren. Durch das langsame Andrehen des Startermotors1 vermindert sich auch der Verschleiß von Ritzel10 und Zahnkranz11 in erheblichem Maße. - Bei Erkennen einer Startanforderung des Fahrers (weil der Fahrer z.B. das Gaspedal betätigt) wird der Startermotor
1 mit größerer Leistung angetrieben, um den Verbrennungsmotor zu starten. Der Startwunsch des Fahrers wird hier von einem zusätzlichen Steuergerät5 erkannt, das verschiedene Sensorsignale einer Sensorik zur Fahrzustandserkennung auswertet, die z.B. eine Kupplungsbetätigung, eine Bremsbetätigung, die Stellung des Gangwählhebels und/oder die Stellung des Zündschlosses4 erkennen kann. Die Sensorsignale sind dabei als Eingangsgröße F zusammengefasst. Erkennt das Steuergerät5 eine Start- oder Stop-Bedingung, wird ein entsprechendes Zustandssignal über ein Bussystem12 an die Steuereinheit6 übermittelt. - Bei einem Startwunsch des Fahrers wird der Startermotor
1 vorzugsweise nur dann voll bestromt, wenn im elektrischen Bordnetz des Fahrzeugs ausreichend Energie zur Verfügung steht. Andernfalls wird der Startermotor1 mit geringerer Leistung betrieben und der Hauptstrom über eine z. B. durch Taktung geeignete Ansteuerung der Schalt-Endstufe8 entsprechend reduziert. Dies dient auch zur Verhinderung eines sonst auftretenden, kurzzeitig starken Spannungseinbruches beim Einschalten des Startermotors1 . Zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit des elektrischen Bordnetzes ist vorzugsweise eine aus dem Stand der Technik bekannte Batterie-Zustandserkennung vorgesehen, die den Ladezustand (SOC) oder den Alterungszustand (SOH) einer Batterie9 erkennt. Die Leistungsfähigkeit der Batterie9 wird dann von der Steuereinheit6 berücksichtigt. - Das in
1 dargestellte Bordnetz mit sämtlichen elektrischen Verbrauchern wird von einer Starterbatterie9 mit elektrischer Leistung versorgt. Ein Leistungsanschluss der Schalt-Endstufen7 ,8 ist jeweils mit einer Versorgungsleitung des elektrischen Bordnetzes verbunden. -
2 zeigt die wesentlichen Verfahrensschritte beim Start eines Verbrennungsmotors während eines Start-Stop-Betriebs. Dabei bezeichnet der Block20 einen Einrückvorgang, bei dem das Ritzel10 durch getaktete Bestromung des Stellglieds2 (z.B. Einrückrelais) nach vorne in Richtung des Pfeils A bewegt und der Startermotor1 gegebenenfalls sanft angedreht wird, falls das Ritzel10 nicht unmittelbar in die Einspurstellung geht. In der Einspurstellung greifen die Zähne des Ritzels10 in die Lücken des Zahnkranzes11 . - In Schritt
21 wird die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors (nicht gezeigt) positioniert, wobei sie in eine für den Start optimale Position gebracht wird. Zu diesem Zweck wird der Startermotor1 getaktet angesteuert und so lange gedreht, bis die Kurbelwelle die Soll-Position erreicht hat. Diese wird in Schritt22 sensorisch erkannt. Der Fahrerwunsch wird in dieser Phase ständig überwacht und bei Erkennen eines Start-Wunsches, z.B. aufgrund einer Betätigung des Fahrpedals, nach Öffnen der Fahrertür oder infolge einer Sitzbelegungserkennung, der Startermotor1 in Schritt23 angedreht. Sobald der Verbrennungsmotor selbsttätig läuft, wird das Ritzel10 in Schritt24 wieder ausgerückt. - Es ist auch möglich, dass die Steuereinheit (
6 ) das Stellglied (2 ) und den Startermotor (1 ) derart ansteuert, dass das Ritzel (10 ) vor einem Startvorgang des Fahrzeugs in den Zahnkranz (11 ) einspurt, noch bevor der Fahrer einen neuen Startwunsch geäußert hat. Prinzipiell kann das Stellglied (2 ) und der Startermotor (1 ) auch separat mit einem jeweils passend eingestellten Strom von der Steuereinheit (6 ) getaktet angesteuert werden. -
3 zeigt ein Zeitdiagramm der wesentlichen Kenngrößen bei einem Start-Stop-Betrieb des Fahrzeugs. Abgebildet sind hier die Motordrehzahl n, der Einrückweg s und der Strom des Startermotors1 . - Der dargestellte Start-Stop-Zyklus beginnt bei laufendem Verbrennungsmotor im Leerlauf, wobei der Verbrennungsmotor zum Zeitpunkt t1 automatisch ausgeschaltet wird (weil der Fahrer z.B. vor einer Ampel stehengeblieben ist). Der Verbrennungsmotor läuft daraufhin aus, wobei sich die Motordrehzahl n reduziert. Kurz vor dem vollständigen Stillstand des Verbrennungsmotors, zum Zeitpunkt t2, wird das Ritzel
10 in den Zahnkranz eingespurt, wie in der mittleren Darstellung von3 zu erkennen ist. Zum Zeitpunkt t3 kommt der Verbrennungsmotor dann vollständig zum Stehen. - Danach bleibt das Ritzel
10 eingespurt und wird, wie vorstehend beschrieben, zur Positionierung der Kurbelwelle angetrieben. Zum Zeitpunkt t4 erkennt die Steuereinheit6 einen Startwunsch des Fahrers und betätigt entsprechend den Startermotor1 . Der zugehörige Startstrom I des Startermotors ist im untersten Diagramm von3 dargestellt. Nach wenigen Umdrehungen des Verbrennungsmotors läuft dieser selbsttätig, so dass das Ritzel10 zum Zeitpunkt t5 wieder ausgespurt wird. Dieser Vorgang wiederholt sich in jedem Start-Stop-Zyklus. - Die Erfindung wurde vorstehend für ein Start-Stop-System erläutert, sie ist aber nicht auf solche Start-Stop-Systeme eingeschränkt, sondern kann auch in herkömmlichen Startvorrichtungen für einen Verbrennungsmotor eingesetzt werden, wenn ein separater Einrück- und Startvorgang realisiert werden soll.
-
- 1
- Startermotor
- 2
- Stellglied
- 3
- Steuergerät
- 4
- Zündung
- 5
- Steuergerät
- 6
- Steuereinheit
- 7
- Schalt-Endstufe des Stellglieds
- 8
- Schalt-Endstufe des Startermotors
- 9
- Batterie
- 10
- Ritzel
- 11
- Zahnkranz
- 12
- Bussystem
- 13
- Einrückhebel
- 20-24
- Verfahrensschritte
- n
- Motordrehzahl
- s
- Einrückweg
- I
- Hauptstrom des Startermotors
- t
- Zeit
Claims (11)
- Vorrichtung zum Starten eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Startermotor (
1 ), eine Einrückvorrichtung (2 ,10 ,13 ) mit einem Stellglied (2 ) zum Einspuren eines vom Startermotor (1 ) angetriebenen Ritzels (10 ) in einen Zahnkranz (11 ), sowie eine Steuereinheit (6 ), die eine dem Stellglied (2 ) zugeordnete Schalt-Endstufe (7 ) und eine dem Startermotor (1 ) zugeordnete Schalt-Endstufe (8 ) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (2 ) und der Startermotor (1 ) von der Steuereinheit (6 ) separat mit einem passend eingestellten Strom angesteuert werden, um das Ritzel (10 ) in den Zahnkranz (11 ) einzuspuren. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (
2 ) und der Startermotor (1 ) von der Steuereinheit (6 ) getaktet angesteuert werden. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (
6 ) den Startermotor (1 ) im Stillstand des Verbrennungsmotors ansteuert, so dass die Kurbelwelle in eine für den Start des Verbrennungsmotors günstige Position gebracht wird. - Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (
6 ) das Stellglied (2 ) und den Startermotor (1 ) derart ansteuert, dass das Ritzel (10 ) vor einem Startvorgang des Fahrzeugs in den Zahnkranz (11 ) einspurt, noch bevor der Fahrer einen neuen Startwunsch geäußert hat. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzel (
10 ) vor jedem Startvorgang im Start-Stop-Betrieb in den Zahnkranz (11 ) einspurt, noch bevor der Fahrer einen neuen Anfahrwunsch geäußert hat. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzel in den Zahnkranz einspurt, wenn mit einem Startvorgang zu rechnen ist, insbesondere nach Öffnen der Fahrertür oder infolge einer Sitzbelegungserkennung.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (
6 ) das Stellglied (2 ) derart ansteuert, dass es während einer Auslaufphase des Verbrennungsmotors in seine Einspurstellung gebracht wird. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (
6 ) den Startermotor (1 ) in Abhängigkeit von der Leistungsfähigkeit des elektrischen Bordnetzes ansteuert. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalt-Endstufen (
7 ,8 ) Transistorschalter aufweisen. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (
6 ) über ein Bussystem (12 ) mit einem weiteren Steuergerät (5 ) verbunden ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (
6 ) durch Strom- und/oder Spannungsmessungen an den Relaiskontakten sowie an den Schaltendstufen (7 ,8 ) mit Hilfe einer Plausibilitätsbetrachtung Fehler detektiert und diese über das Bussystem (12 ) kommuniziert.
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