DE102008041110A1

DE102008041110A1 - Verfahren und Vorrichtung einer Steuerung für einen Start-Stopp-Betrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008041110A1
Application number: DE200810041110
Authority: DE
Inventors: Juergen Gross; Stefan Tumback; Falco Sengebusch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-08-07
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2010-02-25

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Steuerung (5) für eine Startvorrichtung (1), mit einem Startermotor, einem Starterrelais (13) und einem vom Starterrelais (13) ein- und ausrückbaren Starterritzel (8) beschrieben, wobei mittels der Steuerung (5) ein Start-Stopp-Betrieb einer Brennkraftmaschine (2) ausgeführt wird und das Starterrelais (13) und der Startermotor (11) separat und definiert von der Steuerung (5) angesteuert werden. Um einen Start-Stopp-Betrieb mit einer schnellen und sicheren Verfügbarkeit der Brennkraftmaschine zu gewährleisten, wird von der Steuerung (5) mindestens ein Betriebsparameter der Startvorrichtung (1) erfasst und ausgewertet und die Ansteuerung der Startvorrichtung (1) von der Steuerung (5) an den mindestens einen Betriebsparameter angepasst.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Steuerung für eine Startvorrichtung, mit einem Startermotor, einem Starterrelais und einem vom Starterrelais ein- und ausrückbaren Starterritzel, wobei mittels der Steuerung ein Start-Stopp-Betrieb einer Brennkraftmaschine ausgeführt wird und das Starterrelais und der Startermotor separat und definiert von der Steuerung angesteuert werden. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Computerprogrammprodukt und eine Steuerung für eine Startvorrichtung mit einem Startermotor, einem Starterrelais und einem vom Starterrelais ein-, ausrückbaren Starterritzel, wobei mit der Steuerung ein Start-Stopp-Betrieb einer Brennkraftmaschine ausführbar ist und das Starterrelais und der Startermotor separat und definiert von der Steuerung ansteuerbar sind.
Es ist bekannt, zur Einsparung von Kraftstoff und Emissionen die Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug durch eine Motorsteuerung beispielsweise an Ampeln oder wegen Verkehrshindernissen, die zu einem kurzfristigen Stopp zwingen, nach bestimmten Abschaltbedingungen, insbesondere nach einem bestimmten Zeitablauf, auszuschalten. Es ist ferner bekannt, eine Brennkraftmaschine mittels eines Startermotors, der ein Starterritzel aufweist, das in einen Zahnkranz einer Brennkraftmaschine eingespurt wird, zu starten. Für eine solche Konstruktion einer Brennkraftmaschine, die mit Hilfe eines Starterritzels gestartet wird, gibt es für einen Wiederstart Mindestzeiten, die abgewartet werden müssen, bis die Brennkraftmaschine wieder gestartet werden kann, da das stehende Starterritzel in einen drehenden Zahnkranz nicht eingespurt werden darf.
Es gibt Entwicklungen, das Starterritzel bereits während des Auslaufens der Brennkraftmaschine in den Zahnkranz einzuspuren. Dazu ist folgender Stand der Technik bekannt.
Aus der DE 10 2006 011 644 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung mit einem Starterritzel und einem Zahnkranz einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei die Drehzahl des Zahnkranzes und des Starterritzels ermittelt werden, um das Starterritzel nach dem Ausschalten der Brennkraftmaschine mit im Wesentlichen gleicher Drehzahl beim Auslaufen der Brennkraftmaschine einzuspuren. Das Starterritzel bleibt bis zum Andrehen der Brennkraftmaschine in einem eingespurten Zustand.
Die DE 10 2006 039 112 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Drehzahl des Startermotors für einen. Kfz-Verbrennungsmotor. Es wird ferner beschrieben, dass der Startermotor ein eigenes Starter-Steuergerät umfasst, um die Drehzahl des Startermotors zu berechnen und um in einem Start-Stopp-Betrieb das Ritzel vom Startermotor zu beschleunigen, wenn ein Selbststart des Verbrennungsmotors aufgrund gesunkener Drehzahl nicht mehr möglich ist. Das Ritzel wird mit im Wesentlichen synchroner Drehzahl in den Zahnkranz des auslaufenden Verbrennungsmotors eingerückt.
Die DE 10 2005 004 326 A1 beschreibt eine Startvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem separaten Einruck- und Startvorgang. Hierfür hat die Startvorrichtung eine Steuereinheit, die einen Startermotor und ein Stellglied zum Einrücken eines Starterritzels separat ansteuert. Von der Steuereinheit kann das Starterritzel vor einem Startvorgang des Fahrzeugs in den Zahnkranz eingespurt werden, bevor der Fahrer einen neuen Startwunsch geäußert hat. Dabei wird das Stellglied als Einrückrelais bereits während einer Auslaufphase des Verbrennungsmotors angesteuert. Die Drehzahlschwelle liegt hierbei weit unter der Leerlaufdrehzahl des Motors, um den Verschleiß der Einspurvorrichtung möglichst gering zu halten. Um Spannungseinbrüche im Bordnetz durch einen sehr hohen Anlaufstrom vom Startermotor zu vermeiden, wird durch die Steuereinheit ein sanfter Anlauf, beispielsweise durch eine Taktung des Starterstroms realisiert. Die Leistungsfähigkeit des Bordnetzes wird durch Analyse des Batteriezustands überwacht und entsprechend wird der Startermotor getaktet bzw. mit Strom versorgt.
Die DE 10 2005 021 227 A1 beschreibt eine Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine in Kraftfahrzeugen mit einer Steuereinheit, einem Starterrelais, einem Starterritzel und einem Startermotor für eine Start-Stopp-Betriebsstrategie.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt und eine Steuerung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, um einen Fahrzeugkomfort zu verbessern, in dem ein Start-Stopp-Betrieb mit einer schnellen und sicheren Verfügbarkeit der Brennkraftmaschine ausführbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1, 8 und 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein der Erfindung zugrunde liegender Gedanke ist, Betriebsparameter, die Einfluss auf den Einspurvorgang des Starterritzels haben, mit zu berücksichtigen, um das Starterritzel mit einer möglichst geringen Geschwindigkeitsdifferenz, zwischen dem Starterritzel eines Startermotors und einem Zahnkranz einer auslaufenden Brennkraftmaschine, also im Wesentlichen mit einer synchronen Drehzahl, einzuspuren. Der Gedanke ist, den richtigen Einspurzeitpunkt, der von Betriebsparametern abhängt, noch exakter aufgrund der Betriebsparameter zu erfassen und zu treffen. Unter Betriebsparameter sind während des Fahrzeugbetriebs physikalisch sich verändernde Größen zu verstehen, die an den Bauteilen einer Startvorrichtung und an der Brennkraftmaschine bzw. Zahnkranz auftreten. Somit ist der Verschleiß und die Geräuschentwicklung minimiert und die Lebensdauer lang.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren dadurch gelöst, dass von der Steuerung mindestens ein Betriebsparameter der Startvorrichtung erfasst und ausgewertet wird und die Ansteuerung der Startvorrichtung von der Steuerung an mindestens einen Betriebsparameter angepasst wird. Durch die Erfassung mindestens eines Betriebsparameters von der Startvorrichtung kann das Starterritzel deutlich genauer zum richtigen Zeitpunkt in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine eingespurt werden.
Gemäß einem weiter bevorzugten Verfahren wird eine Temperatur als Betriebspa rameter von der Startvorrichtung, insbesondere vom Starterrelais erfasst. Eine Temperatur wirkt sich auf die Zeitdauer aus, die vom Beginn einer bei Bestromung vom Starterrelais bis zum Einspuren des Starterritzels in den Zahnkranz vergeht. Das Starterrelais hat mindestens eine Relaiswicklung, die einen ohmschen Widerstand aufweist, der temperaturabhängig ist. Bei einer höheren Temperatur hat die Relaiswicklung vom Starterrelais einen höheren ohmschen Widerstand und somit ist der maximal mögliche Strom durch die Relaiswicklung reduziert. Dadurch reduziert sich die magnetische Kraftwirkung auf einen Anker. Der Anker bewegt sich somit im Millisekundenbereich deutlich langsamer. Mit dem Anker wird das Starterritzel in den Zahnkranz ein- und ausgerückt. Die magnetische Kraftwirkung auf den Anker ist also direkt proportional zum Strom. Der Anker wird bei höheren Temperaturen also langsamer eingezogen, als bei niedrigeren, kalten Temperaturen. Der Anker verschiebt das Starterritzel zum Ein- und Ausspuren also mit einer veränderlichen Einspurzeitdauer abhängig von der aktuellen Temperatur der Relaiswicklung. Es ist also wichtig, aus der Temperatur als Betriebsparameter auf die tatsächliche voraussichtliche Einspurzeitdauer schließen zu können, um beispielsweise bei einem Start-Stopp-Betrieb das Starterritzel in einen mit sinkender Drehzahl sich bewegenden Zahnkranz mit möglichst gleicher Drehzahl definiert und zum richtigen Zeitpunkt einspuren zu können. Ist die Einspurzeitdauer bekannt, so lässt sich der Zeitpunkt rechtzeitig zum Einspuren definiert anpassen. Durch das Begrenzen einer Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Starterritzel und Zahnkranz im Einspurvorgang reduziert sich die Geräuschentwicklung und der Verschleiß auf ein Minimum.
Das Ziel ist eine möglichst gute Synchronisation der Umfangsgeschwindigkeiten von Starterritzel und Zahnkranz zu erreichen. Dazu verhilft die Erfindung in vorteilhafter Weise. Die Brennkraftmaschine befindet sich mit einer abnehmenden Drehzahl im Auslauf und der Starter befindet sich je nach Betriebsstrategie der Startvorrichtung entweder im Hochlauf oder ebenfalls im Auslauf oder ist seit einer bestimmten Zeitdauer mit einer gleichen Drehzahl angetrieben.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es ermöglicht, dass das Starterritzel und der Zahnkranz genau in dem Augenblick aufeinander treffen, in dem beide Umfangsgeschwindigkeiten im Wesentlichen die gleiche Drehzahl aufweisen.
Um Bauraum und zusätzliche Kosten zu sparen, wird gemäß einem bevorzugten Verfahren der Erfindung die Temperatur durch Messung eines Strom- Spannungs- Verhältnisses über die Zeit von einer Relaiswicklung des Starterrelais erfasst und berechnet. Somit wird das Starterrelais in Verbindung mit einer Steuerung als Temperatursensor eingesetzt. Ein zusätzlicher Temperatursensor ist also nicht notwendig und kann als Bauteil eingespart werden. Das Starterrelais hat somit Mehrfachfunktionen. Das Starterrelais dient zum Ein- und Ausrücken des Starterritzels und gleichzeitig ist die Temperatur des Starterrelais mittels einer Steuerung ermittelbar. Durch die Auswertung des Verhältnisses zwischen Spannung U und Strom I im Starterrelais kann auf den ohmschen Widerstand R rückgeschlossen werden.
Aus einem bekannten Temperaturverhalten des Werkstoffes von der Relaiswicklung wird die Temperatur im Starterrelais abgeleitet.
Gemäß einem die Erfindung weiterbildenden Verfahren wird die Temperatur durch eine stationäre und/oder dynamische Messung des Strom-Spannungs-Verhältnisses erfasst und berechnet. Eine stationäre Messung ist zu verstehen, wenn der Strom bzw. die Spannung einen im Wesentlichen konstanten Wert, beispielsweise in einem Zeitraum nach mehr als 100 Millisekunden durch Bestromen der Relaiswicklung des Starterrelais annimmt. Unter einer dynamischen Messung ist eine sehr kurze Messung im Bereich von beispielsweise 10 bis 20 Millisekunden nach Bestromen zu verstehen. In diesem kurzen Zeitraum wird vom Messwert auf die Temperatur der Relaiswicklung rückgeschlossen. Je nach Anforderungen, auf die Genauigkeit des Messwerts werden entweder stationäre oder dynamische oder beide Messungen durchgeführt und daraus eine einheitliche Aussage über die Temperatur des Starterrelais bzw. der Relaiswicklung abgeleitet.
Gemäß einem weiter bevorzugten Verfahren wird der Anstieg des Stroms über die Zeit bei im Wesentlichen konstanter Spannung erfasst und als Temperatur des Starterrelais bzw. der Relaiswicklung berechnet. Es lässt sich somit sehr schnell beispielsweise durch eine dynamische Messung die Temperatur des Starterrelais ableiten, ohne dass der Anker bewegt oder wesentlich bewegt wird.
Der Stromanstieg in der Relaiswicklung ist bei einer plötzlich angelegten Spannung von der Zeitkonstante τ abhängig, die sich aus der Induktivität der Relaiswicklung, auch Spule L genannt, und dem ohmschen Widerstand R ergibt. τ = LR
Der Stromanstieg folgt der folgenden Formel:
Bei einer höheren Temperatur ergibt sich zwar eine kleinere Zeitkonstante, jedoch ist der stationäre Strom I₀ geringer, weshalb während der Stromanstiegsphase der Strom I bei einer höheren Temperatur zu jedem Zeitpunkt kleiner ist als der Strom einer geringeren Temperatur. Die Betrachtung des stationären Stroms I₀ hat den Vorteil, dass nicht hochdynamisch gemessen werden muss, wie oben bei einer sogenannten Analyse des Stromanstiegs. Ebenso entfällt der Einfluss der Induktivität, da der Strom I nur noch vom ohmschen Widerstand R nach der folgenden Formel
abhängt.
Die bei der Messung an das Relais angelegte Spannung muss nicht notwendiger Weise die maximal im System verfügbare Spannung sein, wie im Falle von Pkw die 12 V-Batterie. Gemäß einem weiter bevorzugten Verfahren wird die sich einstellende Spannung bei einer Regelung des Stroms im Wesentlichen um einen festen Wert erfasst und damit die Temperatur des Starterrelais bzw. der Relaiswicklung berechnet. Die Regelung des Stroms kann dabei z. B. durch Pulsweitenmodulation oder eine elektronische Schaltung mit einer Linearregelung erfolgen.
Um einen Referenzbetriebsparameter zur Einstellung der richtigen Einspurzeit zu erzeugen, wird in einem, insbesondere kalten, Startvorgang ein Temperaturreferenzwert für die Temperatur des Starterrelais, bevorzugt nach oben beschriebenen Verfahren erfasst und insbesondere von mindestens einem zum Starterrelais verschieden aufgebauten Temperatursensor über eine, besonders bevorzugte separate, Fahrzeugsteuerung an die Steuerung für die Startvorrichtung übermittelt. Die Zeitdauer zum Einspuren wird bei einem Startvorgang gemessen, beispielsweise am Anfang eines Fahrzeug-lebens oder in regelmäßigen Abständen oder bei jedem Start mittels eines Zündschlüssels und einem Temperaturreferenzwert zugewiesen, der durch mindestens eines der oben beschriebenen Verfahren ermittelt worden ist. Zusätzlich kann der Temperaturreferenzwert mit einem Temperaturwert von einem Temperatursensor, der beispielsweise mit einer Fahrzeugsteuerung deutlich genauerer arbeitet, abgeglichen, d. h. kalibriert, werden. Unter Fahrzeugsteuerung ist jede beliebige Steuerung im Fahrzeug wie beispielsweise die Motorsteuerung zu verstehen. Zur genaueren Einstellung der Einspurzeitdauer wird durch kurzzeitiges Bestromen der Relaiswicklung, ganz wichtig ohne dass ein Einspurvorgang ausgelöst wird, die aktuelle Temperatur der Relaiswicklung gemäß dem beschriebenen Verfahren gemessen und daraus die Einspurzeitdauer abgeleitet. Der Startzeitpunkt zum Einspuren durch Bestromen der Relaiswicklung verschiebt sich aufgrund der veränderten Betriebsbedingungen entweder nach vorne oder nach hinten. Die Änderung der Einspurzeitdauer Δt_e aufgrund einer Temperaturänderung der Relaiswicklung wird entweder durch eine empirisch ermittelte Berechnungsformel oder ein vorher in einem Speicher niedergelegtes Kennlinienfeld bestimmt.
Die Ermittlung des aktuellen ohmschen Widerstands R und somit der aktuellen Temperatur T des Starterrelais kann beispielsweise in regelmäßigen zeitlichen oder konstanten Wegstrecken-Abständen während des Fahrbetriebs erfolgen oder direkt in der Betriebsstrategie einer Start-Stopp-Phase, beispielsweise beim Einleiten der Stopp-Phase, vorgesehen sein. Zum Einspuren wird beispielsweise ein Strom von ca. 6 Ampere benötigt. Wird ein Strom von ca. 1 Ampere eingesetzt, so kommt es nicht zu einem ungewollten Einspurvorgang, aber eine Änderung des Strom-Spannungs-Verhältnisses aufgrund einer Temperaturänderung ist messbar, so dass die Temperatur der Relaiswicklung ermittelbar ist.
Die Aufgabe wird mittels eines Computerprogrammprodukts dadurch gelöst, dass es in einen Programmspeicher mit Programmbefehlen ladbar ist, um alle Schritte des oben beschriebenen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in einer Steuerung ausgeführt wird.
Das Computerprogrammprodukt erfordert keine zusätzlichen Bauteile im Fahrzeug, sondern lässt sich als Modul in bereits vorhandenen Steuerungen im Fahrzeug implementieren. Das Computerprogrammprodukt kann beispielsweise in der Motorsteuerung oder einer Steuerung für die Startvorrichtung, d. h. einer Startersteuerung als körperliches Medium in Form eines Halbleiterspeichers, vorgesehen sein. Das Computerprogrammprodukt hat den weiteren Vorteil, dass es leicht an individuelle und bestimmte Kundenwünsche anpassbar ist, sowie eine Verbesserung der Betriebsparameter durch verbesserte empirische Werte ermöglicht und eine Selbstlernfunktion implementierbar ist.
Die Aufgabe wird darüber hinaus mit einer Steuerung dadurch gelöst, dass die Steuerung mit einer Erfassungseinrichtung für Betriebsparameter der Startvorrichtung und mit einem Speicher zum Abspeichern eines Parameterreferenzwerts sowie mindestens eines Referenzwerts einer Einspurzeitdauer ausgebildet ist.
Durch die Erfassung eines charakteristischen Betriebsparameters der Startvorrichtung ist somit die Startvorrichtung an geänderte Umgebungsbedingungen anpassbar, und somit ist eine hohe Genauigkeit einer synchronen Drehzahl beim Einspuren des Starterritzels in den Zahnkranz bei einer auslaufenden Brennkraftmaschine gegeben.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung als Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung ausgebildet und insbesondere ist in dem Speicher ein Temperaturreferenzwert abgespeichert. Somit ist durch eine Kombination von Steuerung und Starterrelais gleichzeitig ein Temperatursensor ausbildbar, der keine zusätzlichen Bauteile erfordert und zusätzliche Bauteilkosten erzeugt.
Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform weist die Steuerung einen Mikrocomputer mit einem Programmspeicher auf, um einen Start-Stopp-Betrieb auszuführen. Der Mikrocomputer ist als Auswerte- und Steuereinrichtung ausgebildet, um eine Startvorrichtung definiert anzusteuern, wobei in dem Programmspeicher ein Kennlinienfeld und/oder ein Berechnungsalgorithmus niedergelegt ist, gemäß dem aus einem aktuellen Temperaturwert des Starterrelais über eine angepasste Einspurzeitdauer ein aktueller Einspurzeitpunkt errechenbar ist und wobei in dem Programmspeicher ein oben beschriebenes Computerprogrammprodukt ladbar ist, um besonders bevorzugt das oben beschriebene Verfahren auszuführen.
Somit ist eine bereits vorhandene Steuerung, die zum Ausführen eines Start-Stopp-Betriebs für eine Brennkraftmaschine vorgesehen ist, mit der zusätzlichen Funktion einsetzbar, um den Einspurzeitpunkt, an geänderte Betriebsbedingungen, beispielsweise aufgrund einer geänderten Umgebungstemperatur bzw. geänderten Bauteiltemperaturen, wie zum Beispiel der Temperatur einer Relaiswicklung, anzupassen.
Durch einen hochgenauen Einspurvorgang kann somit die Geräuschentwicklung und ein Verschleiß deutlich reduziert werden und die Lebensdauer der Startvorrichtung mit dem Zahnkranz eine maximale Lebensdauer erreichen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Schaltplan einer Startvorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine,
2 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 ein Strom-Spannungs-Zeit-Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine hochdynamische Strommessung,
4 ein Strom-Spannungs-Zeit-Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine stationäre Strommessung und
5 ein Strom-Spannungs-Zeit-Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine stationäre Strommessung.
Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 zeigt einen Schaltplan einer Startvorrichtung 1 zum Starten einer Brennkraftmaschine 2. Die Startvorrichtung 1 wird von einer Motorsteuerung 3 angesteuert. Zum Starten der Brennkraftmaschine 2 steht die Motorsteuerung 3 über ein bekanntes Bussystem, beispielsweise einen CAN-Bus 4 in Informationskontakt mit einer Startersteuerung 5. Die Motorsteuerung 3 wird durch Betätigung des Schalters 6, der beispielsweise mit dem Zündschloss in Verbindung steht oder separat angeordnet ist, aktiviert. Bei Betätigung des Schalters 6 wird von der Motorsteuerung 3 ein Zündschaltrelais 7 geschlossen, um ein Starterritzel 8 auf einer Starterachse 9 axial zu bewegen und in den Zahnkranz 10 einzuspuren und die Brennkraftmaschine 2 mittels eines Startermotors 11 anzulassen.
Die Motorsteuerung 3 steht über ein zusätzliches Bussystem 12 oder den CAN-Bus 4 in Kontakt, um mittels Sensoren, beispielsweise einen Gangwahl-, Geschwindigkeits- und/oder Pedalsensoren, zu prüfen, ob Abschaltbedingungen für eine Start-Stopp-Betriebsstrategie vorliegen. Zum Ausführen einer Start-Stopp-Betriebsstrategie weist die Startervorrichtung 1 die Startersteuerung 5 auf, um ein Starterrelais 13 vom Startermotor 11 definiert und separat ansteuern zu können. Die Startersteuerung 5 ist in der 1 als separate Steuerung zur Motorsteuerung 3 gezeichnet. Die Startersteuerung 5 kann jedoch genauso auch in der Motorsteuerung 3 implementiert sein. Mitteils des Starterrelais 13 ist das Starterritzel 8 in den Zahnkranz 10 ein- und ausrückbar.
Die Startersteuerung 5 weist einen Mikrocomputer 14 mit einem Programmspeicher 15 und einem Zeitgeber 16 auf.
Die Startersteuerung 5 weist ferner zur separaten Ansteuerung des Starterrelais 13 und des Startermotors 11 jeweils einen Leistungsschalter 17, 18 auf, die beide vom Mikrocomputer 14 angesteuert werden. Die Startvorrichtung 1 sowie die Motorsteuerung 3 wird mit elektrischer Energie von der Batterie 19 versorgt. Die Startersteuerung 5 umfasst ferner eine Erfassungseinrichtung 20, um Betriebsparameter der Startvorrichtung 1 am Anfang des Fahrzeugbetriebs und während des Fahrzeugbetriebs zu erfassen und somit einen Start-Stopp-Betrieb der Brennkraftmaschine 2 hocheffizient mit geringem Verschleiß und möglichst wenig Geräuschen sowie einer langen Lebensdauer durch Anpassung an mindestens einen Betriebsparameter auszuführen.
Die Erfassungseinrichtung 20 weist eine Messeinrichtung 21 auf, die sowohl den Strom im Strompfad einer Relaiswicklung 22 vom Starterrelais 13 misst, als auch die Spannung der Relaiswicklung 22 gegenüber einem Massepotential misst.
Das Starterrelais 13 weist entweder eine oder mehrere Relaiswicklungen auf. Das Starterrelais 13 gemäß der 1 ist als besondere Ausführungsform mit zwei Relaiswicklungen ausgebildet, einer Einspurwicklung 22 für den Einspurvorgang und einer Schaltwicklung 23, um einen maximalen Strom für den Startermotor 11 mittels Relaisschalters 24 definiert und separat vom Einspurvorgang zu schalten. Die beiden Relaiswicklungen 22, 23 werden von der Startersteuerung 5 über die Leistungsschalter 17, 18 angesteuert.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform umfasst die Erfassungseinrichtung 20 auch eine Messeinrichtung 25 im Strompfad der zweiten Relaiswicklung 23, um ebenso wie die Messeinrichtung 21 ein Strom-Spannungs-Verhältnis zu messen und ebenso die Temperatur der Relaiswicklungen 22, 23 zu ermitteln und damit eine potentielle Einspurzeit genauer vorherzusagen. Die zweite Messeinrichtung 25 ist beispielsweise angeordnet, um als redundante Messeinrichtung zu dienen, wenn aus irgendwelchen Gründen, die Messeinrichtung 21 nicht richtig funktioniert. Grundsätzlich ist festzustellen, dass die Messeinrichtung 21 genauer arbeitet, da sie direkt die Einspurwicklung 22 misst, deren Temperatur bzw. dessen aktueller ohmscher Widerstand R gerade wichtig ist. Die Temperatur der Relaiswicklung wird gemäß der Erfindung durch eine Widerstandstandsanalyse bestimmt.
Mit Bestromen der Einspurwicklung 22 wird ein Anker 26 in das Starterrelais 13 eingezogen und somit über einen Gabelhebel 27 das Starterritzel 8 auf der Starterachse 8 axial verschoben und in der Zahnkranz 10 eingespurt. Im Fahrzeug ist ein Temperatursensor 28 vorgesehen, der zumindest über das Bussystem 12 mit der Motorsteuerung oder einer anderen Fahrzeugsteuerung in Informationskontakt steht. Mittels des Temperatursensors 28 wird als Temperaturreferenzwert ein erster Messwert zum Beispiel am Anfang jedes Fahrzeugbetriebes aus der Messeinrichtung 21, 25 kalibriert.
Die 2 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens, dass von der, in der 1 gezeigten, Startersteuerung 5 ausgeführt wird, um einen Start-Stopp-Betrieb möglichst wirkungsvoll mit geringen Geräuschen und Verschleiß, sowie einer schnellen Verfügbarkeit der Brennkraftmaschine 2 auszuführen.
Im Schritt S1 wird der Schalter 6 betätigt, um die Motorsteuerung 3 für eine entsprechende Ansteuerung der Brennkraftmaschine 2 zu aktivieren.
Im Schritt S2 wird davon ausgegangen, dass die Bauteile im Fahrzeug eine im Wesentlichen identische Temperatur haben, da das Fahrzeug eine längere Zeit still ge standen ist, bevor es gestartet wird. Gegebenenfalls wird dieser Schritt auch nur ausgeführt, wenn das Fahrzeug eine ausreichende Standzeit aufweist. Von einem separaten Temperatursensor 28 wird die Temperatur gemessen und über ein Bussystem 12 der Motorsteuerung übermittelt. Dieser Temperaturwert wird an die Steuerung 5 bzw. an den Mikrocomputer 14 beim Startsignal gemäß Schritt S1 gesendet. Der Temperaturwert dient in der Steuerung als Referenzwert zum Kalibrieren eines in dem folgenden Schritt S3 gemessenen Temperaturwerts.
Im Schritt S3 erfasst und wertet die Startersteuerung 5 mittels der Messeinrichtung 21 ein Strom-Spannungs-Verhältnis beim Bestromen der Einspurwicklung 22 aus. Die Einspurwicklung 22 wird bestromt, um das Starterritzel 8 in den Zahnkranz 10 einzuspuren und die Brennkraftmaschine 2 aufgrund der Einschaltsignale aus Schritt S1 zu starten.
Die Messeinrichtung 21 übermittelt die Messwerte des Stroms und der Spannung an den Mikrocomputer 14, der gemäß folgender Formel eine Temperatur als Betriebsparameter im „kalten” Zustand berechnet.
Bei einer konstanten Spannung ist der stationäre Strom in der Einspurwicklung abhängig vom elektrischen Widerstand R nach der Formel: I = UR
Der elektrische Widerstand weist eine materialabhängige Temperaturabhängigkeit auf, die in den meisten Fällen ausreichend genau durch einen Linear-Temperaturkoeffizienten α beschrieben werden kann.
Die Temperaturabhängigkeit des Widerstands verhält sich in erster Näherung gemäß der Formel: R(T) = R(T0)(1 + αT0·(T – T0)).
Das Wicklungsmaterial Kupfer der Einspurwicklung 22 hat einen positiven Temperaturkoeffizienten, d. h. der Widerstand wird mit steigender Temperatur größer. Gemäß den obigen Formeln lässt sich aus der Spannung U und dem Strom I der Widerstand R ermitteln. Aus dem aktuellen Widerstand R lässt sich gemäß obiger Formel die aktuelle Temperatur T ableiten.
In einem nächsten Schritt S4 wird der berechnete Wert der aktuellen Temperatur T mit dem Referenzwert von dem Temperatursensor 28, der in Schritt S2 erfasst worden ist, abgeglichen. Jedem aktuellen Temperaturwert T ist ein Wert einer Einspurzeitdauer t_E zuordenbar. Die Einspurzeitdauer t_E ist entweder mittels einer im Programmspeicher 15 niedergelegten empirisch ermittelten Formel oder einem im Programmspeicher 15 abgelegten Kennlinienfeld ermittel- und auslesbar.
Im Schritt S5 findet ein Betrieb des Fahrzeugs für eine unbestimmte Zeitdauer statt, in der das Starterrelais 13 mit der Relaiswicklung 22 sich erwärmt. Eine Temperaturveränderung vom Starterrelais 13 findet beispielsweise aufgrund einer thermischen Brücke zur Brennkraftmaschine 2, die in der 1 aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt ist, statt.
Im Schritt S6 detektiert die Motorsteuerung 3 Abschaltbedingungen für einen Stopp-Start-Betrieb der Brennkraftmaschine 2.
Im Schritt S7 wird darauf die Startersteuerung 5 von der Motorsteuerung 3 in Kenntnis gesetzt, dass die Brennkraftmaschine 2 gemäß einer Start-Stopp-Betriebsstrategie ausgeschaltet wird.
Der Mikrocomputer 14 in der Startersteuerung 5 bestromt über den Leistungsschalter 17 kurzzeitig die Einspurwicklung 22 des Starterrelais 13, beispielsweise mit einem Strom von 1 Ampere, so dass der Anker 26 nicht oder kaum bewegt wird, und ein Einspurvorgang des Starterritzels 13 in den Zahnkranz 10 nicht ausgelöst wird.
In Schritt 38 erfasst die Messeinrichtung 21 das Strom-Spannungs-Verhältnis aufgrund der kurzzeitigen Bestromung in Schritt S7 und gibt den Werteverlauf an den Mikrocomputer 14 weiter. Der Mikrocomputer 14 errechnet gemäß der oben beschriebenen Formel die aktuelle Temperatur T in der Einspurwicklung 22.
Wie bereits oben beschrieben, kann das gleiche Verfahren redundant auch an der Schaltwicklung 23 ausgeführt werden, wobei die Schaltwicklung 23 so gering bestromt wird, dass der Relaisschalter 24 nicht geschlossen wird.
In Schritt 39 wird entweder aus einer Referenztabelle oder gemäß einem Berech nungsalgorithmus zur aktuell errechneten Temperatur T eine Einspurzeitdauer zugewiesen, bzw. ermittelt, und somit der bisher festgesetzte Einspurzeitpunkt angepasst. Der Zeitpunkt zum Einspuren des Starterritzels ist somit geringfügig durch die detektierte Temperatur T im Millisekundenbereich nach vorne oder nach hinten verschoben.
Im Schritt S10 wartet die Startersteuerung 5 abhängig von der Start-Stopp-Betriebsstrategie den Zeitpunkt ab, der vorgesehen ist, um die Einspurwicklung 22 zu bestromen und somit das Starterritzel 8 in den Zahnkranz 10 bei im Wesentlichen gleich laufenden Umfangsgeschwindigkeiten einzuspuren.
Im Schritt S11 wird das Starterritzel 8 in den Zahnkranz 10 mittels des Starterrelais 13 durch Einziehen des Ankers 26 in das Starterrelais 13 eingespurt.
Das Verfahren kommt nach Schritt S11 zum Ende, indem das Starterritzel 8 in den Zahnkranz 10 eingespurt bleibt und die Startersteuerung 5 auf einen Startbefehl zum Bestromen des Startermotors 11 und Starten der Brennkraftmaschine 2 abhängig von der Betriebstrategie und dem Startwunsch des Fahrers wartet Die 3 zeigt ein Zeit-Strom-Spannungs-Diagramm für eine Einspurwicklung 22 des Starterrelais 13 mit Kennlinien bei einer Temperatur von 40°C und dem gegenüber gestellt Kennlinien bei einer Temperatur von 80°C.
In der 3 wird gezeigt, wie zum Zeitpunkt t₀ die Einspurwicklung 22 mit Ca. 12 Volt, gemäß der Kennlinien U-40 und U-80 bei der Temperatur von 40°C und bei 80°C bestromt wird. In einem hochdynamischen Verfahren kann der Stromanstieg bereits beispielsweise im Bereich von 10 bis 15 Millisekunden detektiert und ausgewertet werden. Die 3 zeigt den Stromanstieg durch eine Kennlinie I-40 bei einer Temperatur von 40°C und eine zweite Kennlinie, die eine geringere Steigung aufweist, bei einer Temperatur von 80°C mit der Kennlinienbezeichnung I-80. Der Stromanstieg ist, wie oben bereits erläutert, temperaturabhängig und ist wegen eines größeren Widerstands R bei einer Temperatur von 80°C geringer. Aus der Neigung bzw. einem geringeren Strom I in einem hochdynamischen Bereich lässt sich auf die aktuelle Temperatur T rückschließen, so dass die Einspurzeitdauer t_E entsprechend an die gemessene Temperatur angepasst wird und der Zeitpunkt zum Einspuren entsprechend angepasst variiert wird.
Die 4 zeigt ein Zeit-Strom-Spannungs-Diagramm über einen größeren Zeitbereich bei einer stationären Messung des Stroms. Eine stationäre Messung ist beispielsweise nach ca. 140 Millisekunden von der Erfassungseinrichtung 20 durchführbar.
Die 4 zeigt, wie die 3, die Auswirkungen auf den Strom I bei einer konstanten Spannung von ca. 12 Volt. In der 4 ist der Strom mit der Kennlinie I-40 bei 40°C und der Strom mit der Kennlinie I-80 bei 80°C dargestellt. Nach ca. 140 Millisekunden ist sehr genau ein stationärer Strom I von der Messeinrichtung 21 messbar und davon gemäß den oben beschriebenen Formeln die aktuelle Temperatur T der Einspurwicklung 22 errechenbar. Zusätzlich ist in der 4 der Einspurweg des Starterritzels 8 über die Zeit bei 40°C und bei 80°C als Kennlinien RS-40 und RS-80 zur Veranschaulichung dargestellt. Aus den Kennlinien ist erkennbar, dass bei einem geringeren Strom der Anker 26 sich aufgrund einer geringeren magnetischen Flussdichte B langsamer bewegt und somit die Einspurzeitdauer t_E um ca. 5 bis 10 Millisekunden verlängert ist. Um diesen Wert wird dementsprechend der Einspurzeitpunkt verschoben, um eine möglichst gute Synchronisation der Umfangsgeschwindigkeiten von dem Starterritzel 8 und dem Zahnkranz 10 zu erreichen und zum richtigen Zeitpunkt einzuspuren.
Die magnetische Kraft F ist direkt proportional zur magnetischen Flussdichte B und diese wiederum ist direkt proportional zum Strom I durch die Relaiswicklung 22. Hierfür gilt folgende physikalische Formel B = μ0·μr·I·nl
Dabei ist B die magnetische Flussdichte, μ₀ die magnetische Feldkonstante, μ_r die Permeabilität des von der Relaiswicklung umschlossenen Raums, l die Länge der Spule bzw. Relaiswicklung, n die Windungszahl und I der Strom. Somit ist dargestellt, warum die magnetische Flussdichte B proportional zum Strom I durch die Relaiswicklung sich verändert.
Die 5 zeigt ein weiteres Zeit-Strom-Spannungs-Diagramm der Relaiswicklung 22 mit den aus der 4 bekannten Kennlinien. Zusätzlich zeigt die 5 wie sich die Spannung U verhält, wenn der Strom I beispielsweise nach 150 Millisekunden auf einen festen Stromwert I, beispielsweise durch Pulsweitenmodulation oder eine elektronische Schaltung mit einer Linearregelung, geregelt wird. Somit lässt sich auch aus dem Spannungsverlauf in einem stationären Bereich von ca. 300 Millisekunden auf eine aktuelle Temperatur T rückschließen, um dadurch die Einspurzeitdauer t_E abzuleiten. Somit ist gezeigt, dass entweder durch eine Strommessung im hochdynamischen Bereich oder im stationären Bereich oder durch eine Spannungsmessung im stationären Bereich bei einer Stromreglung eine aktuelle Temperatur T mittels einer Relaiswicklung vom Starterrelais 13 in Verbindung mit einer Steuerung, hier insbesondere der Startersteuerurig, detektier- und auswertbar ist. Die Startersteuerung 5 wirkt mit der Relaiswicklung 22 somit als Temperatursensor, um die Startersteuerung an geänderte Betriebsparameter, beispielsweise die Temperatur, genauer einzustellen. Beim Einspuren des Starterritzels in den drehenden Zahnkranz werden aufgrund von hochaktuellen Werten für den Einspurzeitpunkt die Geräuschentwicklung und der Verschleiß minimiert.
Alle Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Im Übrigen wird insbesondere auf die zeichnerische Darstellungen für die Erfindung als Wesentlich verwiesen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006011644 A1 [0004]
- DE 102006039112 A1 [0005]
- DE 102005004326 A1 [0006]
- DE 102005021227 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Steuerung (5) für eine Startvorrichtung (1), mit einem Startermotor (11), einem Starterrelais (13) und einem vom Starterrelais (13) ein- und ausrückbaren Starterritzel (8), wobei mittels der Steuerung (5) ein Start-Stopp-Betrieb einer Brennkraftmaschine (2) ausgeführt wird und das Starterrelais (13) und der Startermotor (11) separat und definiert von der Steuerung (5) angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass von der Steuerung (5) mindestens ein Betriebsparameter der Startvorrichtung (1) erfasst und ausgewertet wird und die Ansteuerung der Startvorrichtung (1) von der Steuerung (5) an den mindestens einen Betriebsparameter angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur als Betriebsparameter von der Startvorrichtung (1), insbesondere vom Starterrelais (13), erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur durch Messung eines Strom-Spannungs-Verhältnisses über die Zeit von einer Relaiswicklung des Starterrelais (13) erfasst und berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur durch eine stationäre und/oder dynamische Messung des Strom-Spannungs-Verhältnisses erfasst und berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstieg des Stroms über die Zeit bei im Wesentlicher konstanter Spannung erfasst und als Temperatur (T) des Starterrelais (13), insbesondere der Relaiswicklung, berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die sich einstellende Spannung bei einer Regelung des Stroms im Wesentlichen um einen festen Wert erfasst wird und damit die Temperatur des Starterrelais, insbesondere der Relaiswicklung, berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem, insbesondere „kalten”, Startvorgang ein Temperaturreferenzwert für die Temperatur des Starterrelais (13) erfasst, und insbesondere von mindestens einem, zum Starterrelais (13) verschieden aufgebauten, Temperatursensor (28) über eine, besonders bevorzugt separate, Fahrzeugsteuerung an die Steuerung (5) für die Startvorrichtung (1) übermittelt wird.
Computerprogrammprodukt, das in einen Programmspeicher (15) mit Programmbefehlen ladbar ist, um alle Schritte eines Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen, wenn das Programm in einer Steuerung ausgeführt wird.
Steuerung (5) für eine Startvorrichtung (1) mit einem Startermotor (11), einem Starterrelais (13) und einem vom Starterrelais (13) ein- und ausrückbaren Starterritzel (8), wobei mit der Steuerung ein Start-Stopp-Betrieb einer Brennkraftmaschine (2) ausführbar ist und das Starterrelais (13) und der Startermotor (11) separat und definiert von der Steuerung ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung mit einer Erfassungseinrichtung (20) für Betriebsparameter und mit einem Speicher zum Abspeichern eines Parameterreferenzwerts sowie mindestens eines Referenzwerts einer Einspurdauer ausgebildet ist.
Steuerung (5) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (20) als Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung (21, 25) ausgebildet und insbesondere in dem Speicher ein Temperaturreferenzwert abspeichert ist.
Steuerung (5) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Steuerung (5) einen Mikrocomputer (14) mit einem Programmspeicher (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocomputer (14) als Auswerte- und Steuereinrichtung ausgebildet ist, um die Startvorrichtung (1) definiert anzusteuern, wobei in dem Programmspeicher (15) ein Kennlinienfeld und/oder ein Berechnungsalgorithmus niedergelegt ist, gemäß dem aus einem aktuellen Temperaturwert des Starterrelais (13) über eine Einspurzeitdauer ein aktueller Einspurzeitpunkt errechenbar ist und wobei insbesondere in den Programmspeicher (15) ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 8 ladbar ist, um besonders bevorzugt das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.