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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine.
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Stand der Technik
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Zum
Starten von Verbrennungskraftmaschinen werden Antriebe verwendet,
die von einer von der Kraftstoffversorgung unabhängigen
Energiequelle gespeist werden. In der Regel werden Gleichstrommotoren
verwendet, deren Antriebsritzel zunächst in einen Zahnkranz
der Verbrennungskraftmaschine einrückt, um danach die Verbrennungskraftmaschine
anzutreiben. Nach dem Ende des Startvorganges rückt das
Antriebsritzel wieder aus dem Zahnkranz der Verbrennungskraftmaschine
heraus. Dabei wird ein gemeinsames Relais für den Einspurvorgang
und die Durchschaltung des Hauptstromes zum Antrieb des Gleichstrommotors
verwendet. Ein zugehöriges Prinzipschaltbild ist in der 1 veranschaulicht.
Diese zeigt ein mit einer Klemme 50 verbundenes Relais 1,
einen Schalter 2, eine Steuereinheit 5, die Klemme 30 des
Kraftfahrzeugs und einen Startermotor M. Die Steuereinheit 5 weist
einen Treiber TR0 auf, der von einem Schaltsignal S00 beaufschlagt
wird. Bei durchgeschaltetem Treiber TR0 wird das Relais 1 über
eine Steuerleitung SL0 und die Klemme 50 mit einer positiven
Betriebsspannung + verbunden. Daraufhin zieht das Relais 1 an
und schließt den Schalter 2. Durch das Schließen
des Schalters 2 wird der Startermotor M mit der Klemme 30 des
Kraftfahrzeugs verbunden und dadurch in Betrieb gesetzt.
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Aus
der
EP 0 848 159 B1 ist
eine Startvorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine bekannt,
welche einen über ein Starterrelais mit einer Spannungsquelle
verbindbaren und mit der Brennkraftmaschine zum Andrehen in Eingriff
bringbaren Startermotor aufweist. Des Weiteren ist zur Ansteuerung
des Starterrelais und/oder des Startermotors ein elektronisches
Steuergerät vorgesehen. Dieses steuert dem Starterrelais
und/oder dem Startermotor zugeordnete Halbleiter-Leistungsendstufen
derart an, dass zumindest in einem Start-Stopp-Betrieb der Brennkraftmaschine
das Starterrelais im Stopp-Zustand der Brennkraftmaschine seine
Einspurstellung aufweist. Bei dieser Startvorrichtung wird das Starterrelais
nach Betätigen eines Startschalters bestromt, so dass einerseits
ein Kontakt geschlossen wird, der den Startermotor mit einer Versorgungsspannung
verbindet und andererseits unabhängig davon das Ritzel
des Startermotors in einen auf einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
angeordneten Zahnkranz einspurt.
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In
der
DE 10 2009 000 125.5 ist
eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Schaltelementes,
insbesondere eines Relais, beschrieben, bei welcher die Zeitdauer,
die zwischen dem Auslösen des Anziehens und dem Anziehen vergeht,
und auch die Zeitdauer, die zwischen dem Auslösen des Abfallens
und dem Abfallen vergeht, reduziert ist. Ein derartiges Relais kann
im Zusammenhang mit Ritzel-Starter-basierten Start-Stopp-Systemen
verwendet werden. Zur Ansteuerung eines derartigen Relais sind drei
Steuerleitungen vorgesehen, über welche eine Steuereinheit Schaltelemente
betätigt, die in Abhängigkeit von ihrer Schaltstellung
einen Stromfluss durch zwei unabhängig voneinander bestrombare
Spulen des Relais erlauben oder sperren.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine
Vorrichtung zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine mit den
im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen weist demgegenüber
den Vorteil auf, dass aufgrund der Trennung der Einrückmechanik
von der Kontaktgabe des Starterstromes eine Verbesserung des Start/Stopp-Betriebes
der Verbrennungskraftmaschine erreicht wird. Insbesondere kann eine
mit der beanspruchten Vorrichtung ausgestattete Verbrennungskraftmaschine
schnell auf einen Wiederanfahrwunsch des Fahrers reagieren. Des
Weiteren treten bei einer mit der beanspruchten Vorrichtung ausgestatteten
Verbrennungskraftmaschine keine oder nur geringe Startspannungseinbrüche
auf.
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Ferner
kann die beanspruchte Vorrichtung einfach in einen bestehenden mechanischen
Aufbau von Verbrennungskraftmaschinen und Getrieben integriert werden.
Die Komponenten der Vorrichtung können flexibel und modular
angeordnet werden. Eine Verwendung der Schalter mit zusätzlichem
Vorwiderstand kann auch bei konventionellen Systemen zur Reduktion
eines Startspannungseinbruchs verwendet werden.
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Eine
Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen verursacht
im Vergleich zu Systemen, welche den Startstrom elektronisch schalten
bzw. regeln, geringere Gesamtkosten.
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Des
Weiteren tritt bei einer Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen aufgrund eines sanften Einrückens und eines sanften Andrehens
ein reduziertes Einrückgeräusch und ein reduziertes
Andrehgeräusch auf.
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Ferner
wird die Lebensdauer der Startvorrichtung verlängert. Dies
ist auf das sanfte Einrücken, das sanfte Andrehen und eine
Strompeakverringerung zurückzuführen.
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Die
Erfindung wird einer zunehmenden Verbreitung von Kraftfahrzeugen
mit Start-Stopp-Funktionalität gerecht und erfüllt
im Vergleich zu bisherigen Start-Stopp-Systemen erweiterte Anforderungen
an das System und ist auch mit einer Erweiterung der Funktionen
des Start-Stopp-Systems verbunden. Dazu gehört eine Gewährleistung
der Startfähigkeit des jeweiligen Fahrzeugs bei jedem Anfahrwunsch des
Fahrers. Dazu gehört des Weiteren, dass beim Starten keine
oder nur geringfügige Spannungseinbrüche auftreten.
Diese Vorteile werden insbesondere dadurch erreicht, dass der Hauptstrom
für den Startermotor zum einen über einen Vorwiderstand und
zum anderen zeitversetzt direkt zum Startermotor geführt
wird. Dies ist dadurch realisiert, dass die Funktionalitäten
eines herkömmlichen Starterrelais getrennt werden. Gemäß der
vorliegenden Erfindung sind ein Einspurmodul für das Einrücken
des Antriebsritzels und ein Schaltmodul zum Leiten des Starterstromes
zum einen über einen Vorwiderstand und zum anderen zeitversetzt
direkt an den Startermotor vorgesehen.
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Weitere
vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren
nachfolgender Erläuterung anhand der 2 bis 12.
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Die 2 zeigt
ein Schaltbild zur Erläuterung des grundsätzlichen
Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum
Starten einer Verbrennungskraftmaschine. Die 3 zeigt
Skizzen zur Veranschaulichung der Steuerung der in der 2 gezeigten
Relais ES, KA und KH. Die 4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel für ein mechanisches Einrückrelais
(ES). Die 5 zeigt Möglichkeiten
der Verschaltung der Elemente des Schaltmoduls SM. Die 6, 7 und 8 zeigen
Blockdarstellungen einer Vorrichtung zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine
mit verschieden ausgestalteten Steuereinheiten. Die 9 zeigt
Zeitdiagramme zur Veranschaulichung der Relaisansteuerung bei einem Fahrzeug-Erststart.
Die 10 zeigt Zeitdiagramme zur Veranschaulichung
der Relaisansteuerung bei einem im Rahmen des Start-Stopp-Betriebes
erfolgenden Automatikstart. Die 11 zeigt
ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels für
den Verlauf der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine, der Drehzahl
des Startermotors und des Stromes des Startermotors während
eines Start/Stopp-Vorganges. Die 12 veranschaulicht
ein Beispiel für ein vereinfachtes System.
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Die 2 zeigt
ein Schaltbild zur Erläuterung des grundsätzlichen
Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum
Starten einer Verbrennungskraftmaschine. Diese Vorrichtung weist
einen Startermotor M, einen Vorwiderstand Rv, ein Einspurmodul EM,
ein Schaltmodul SM und eine Steuereinheit 5 auf. Das Einspurmodul
EM weist ein Einrückrelais ES, einen Einrückhebel 7 und
ein Antriebsritzel 6 auf. Das Einspurmodul EM ist dazu
vorgesehen, das Antriebsritzel 6 in einen Zahnkranz ZK
der Kurbelwelle KW der Verbrennungskraftmaschine VM einzurücken.
Das Schaltmodul SM enthält ein Anlaufstromrelais KA, ein
Hauptstromrelais KH, einen ersten Schalter 3 und einen
zweiten Schalter 4. Die Schalter 3 und 4 sind
als mechanische Schalter ausgebildet. Das Schaltmodul SM und das
Einspurmodul EM bzw. die Relais ES, KA und KH werden jeweils von
der Steuereinheit 5 angesteuert. Ein erster Anschluss des
Schalters 3 ist mit der Klemme 30 des jeweiligen Kraftfahrzeugs
verbunden, an welcher permanent die Batteriespannung des Kraftfahrzeugs
anliegt. Ein weiterer Anschluss des Schalters 3 ist über
den Vorwiderstand Rv mit dem Startermotor M verbunden. Der Steueranschluss
des Schalters 3 ist mit dem Anlaufstromrelais KA verbunden.
Ein erster Anschluss des Schalters 4 ist ebenfalls mit
der Klemme 30 des Kraftfahrzeugs verbunden. Ein weiterer
Anschluss des Schalters 4 ist direkt mit dem Startermotor
M verbunden. Der Steueranschluss des Schalters 4 ist mit dem
Hauptstromrelais KH verbunden. Das Schaltmodul SM ist dazu vorgesehen,
den Starterstrom entweder über den Vorwiderstand Rv oder
direkt an den Startermotor M zu schalten.
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Beim
Starten des Fahrzeugs wird zunächst das Einrückrelais
ES angesteuert, um mittels des Einrückhebels 7 das
Antriebsritzel 6 in den Zahnkranz ZK der Kurbelwelle KW
der Verbrennungskraftmaschine VM einzurücken. Dann wird
durch eine Ansteuerung des Anlaufstromrelais KA der erste Schalter 3 in
den geschlossenen Zustand gebracht, so dass die Klemme 30 über
den ersten Schalter 3 und den Vorwiderstand Rv mit
dem Startermotor M verbunden wird. Dann erfolgt zeitversetzt eine
Ansteuerung des Hauptstromrelais KH, so dass der zweite Schalter 4 in
den geschlossenen Zustand gebracht wird. Dadurch ist die Klemme 30 über
den Schalter 4 direkt mit dem Startermotor M verbunden.
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Diese
Trennung der Funktionalitäten eines herkömmlichen
Starterrelais ermöglicht ein sanftes Einrücken
des Antriebsritzels des Startermotors in den Zahnkranz der Kurbelwelle
der Verbrennungskraftmaschine und auch ein sanftes und lautloses, aber
dennoch sicheres Andrehen der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine
bei jedem Anfahrwunsch des Fahrers. Außerdem ist das Andrehen des
Starters und das Vorspuren unabhängig voneinander, was
für das Einrücken in den auslaufenden Motor vorteilhaft
ist.
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Bei
der Steuereinheit
5 handelt es sich entweder um die Motorsteuerung
des jeweiligen Kraftfahrzeugs oder um ein gesondertes Steuergerät
des Kraftfahrzeugs. Dies ist in der
3 veranschaulicht. Die
3a zeigt
eine Ansteuerung der Relais ES, KA und KH durch die Motorsteuerung
ECU des Kraftfahrzeugs, die
3b eine
Ansteuerung dieser Relais durch ein gesondertes Steuergerät
RCU (Relais Control Unit), das seinerseits von der Motorsteuerung
ECU des Kraftfahrzeugs angesteuert wird. Die Anzahl der zur Steuerung
benötigten Leitungen ist abhängig von der Art
der verwendeten Relais, d. h. von der Anzahl von deren Spulen bzw.
Wicklungen. Eine bevorzugte Ausführung besteht darin, zur
Ansteuerung der Relais jeweils eine Vorrichtung zu verwenden, wie
sie in der
DE 10 2009 000
125.5 der Anmelderin beschrieben ist. Diese Vorrichtung
weist Schaltmittel und eine Spule auf, wobei durch eine Bestromung
der Spule eine auf das elektromagnetische Schaltelement einwirkende
magnetische Kraft ausgeübt wird und wobei die Vorrichtung
zwei unabhängig voneinander bestrombare Spulen aufweist,
um beim Anziehen und Abfallen des elektromagnetischen Schaltelementes
hohe Genauigkeiten und kurze Verzugszeiten gewährleisten
zu können.
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Nachfolgend
werden die einzelnen Komponenten der in der 2 dargestellten
Vorrichtung näher beschrieben.
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Der
Startermotor M, der zum Einrücken des Antriebsritzels 6 in
den Zahnkranz der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine und
zum Andrehen der Kurbelwelle vorgesehen ist, ist als Gleichstrommaschine
realisiert.
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Das
Einspurmodul EM weist entweder ein mechanisches Relais ES oder alternativ
dazu einen elektrischen Stellmotor auf. Die Funktion der Kontaktgabe
des Starterstromes wird nicht vom Einspurmodul realisiert.
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Ein
Ausführungsbeispiel für ein mechanisches Relais
ist in der 4 veranschaulicht. Das in der 4 gezeigte
mechanische Relais weist ein magnetisch leitendes Gehäuse
Ge, eine Magnetwicklung Mw, einen Magnetkern Mk, eine Rückstellfeder
Rf, einen Magnetanker Ma und einen Einrück-Mitnehmer Mi
auf.
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Das
Schaltmodul SM, welches dazu vorgesehen ist, den Starterhauptstrom über
einen Vorwiderstand und auch direkt dem Startermotor zuzuführen,
weist die beiden mechanischen Schalter 3 und 4 auf.
Möglichkeiten von deren Verschaltung sind in der 5 veranschaulicht. Gemäß der 5a ist
zwischen der Klemme 30 des Kraftfahrzeugs und dem Startermotor
M eine Parallelschaltung vorgesehen, wobei im ersten Zweig dieser
Parallelschaltung eine Reihenschaltung des ersten Schalters 3 und
des Vorwiderstandes Rv und im anderen Zweig
dieser Parallelschaltung der zweite Schalter 4 angeordnet
ist. Diese Anordnung entspricht der in der 2 gezeigten
Verschaltung. Gemäß der 5b ist
zwischen der Klemme 30 des Kraftfahrzeugs und dem Startermotor
M eine Reihenschaltung zweier Bauteile vorgesehen. Bei dem ersten
dieser Bauteile handelt es sich um den ersten Schalter 3.
Beim zweiten dieser Bauteile handelt es sich um eine Parallelschaltung des
Vorwiderstandes Rv mit dem zweiten Schalter 4. Gemäß der 5c ist
zwischen der Klemme 30 des Kraftfahrzeugs und dem Startermotor
M eine Reihenschaltung zweier Bauteile vorgesehen. Beim ersten dieser
Bauteile handelt es sich um einen ersten Schalter 3', auf
welchen das Hauptstromrelais einwirkt. Beim zweiten dieser Bauteile
handelt es sich um eine Parallelschaltung des Vorwiderstandes Rv mit einem Öffner 4',
auf welchen das Anlaufstromrelais einwirkt. Bei geschlossenem Schalter 3' ist
die Klemme 30 über den Vorwiderstand Rv mit dem Startermotor M verbunden. Im Ruhezustand überbrückt der Öffner 4' den
Vorwiderstand Rv.
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Das
Schaltmodul SM kann als Anbau an das Antriebslager der Vorrichtung
realisiert werden oder alternativ dazu als Wegbaulösung.
Für vereinfachte Anforderungen bezüglich eines
Startspannungseinbruchs können der erste Schalter 3 und
der Vorwiderstand Rv ggf. entfallen.
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Der
Vorwiderstand Rv wird vorzugsweise aus Widerstandsmaterial,
durch eine elektrische Leitung oder durch eine Spule realisiert.
Dabei ist zu beachten, dass aufgrund der fließenden Ströme
von bis zu 800 A eine Wärmeabfuhr sichergestellt ist. Der
Vorwiderstand Rv kann in eine Komponente,
z. B. in das Schaltmodul SM oder in das Antriebslager des Startermotors
M, integriert sein oder als Wegbaulösung realisiert sein.
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Die
Steuerung des Einspurmoduls EM und des Schaltmoduls SM bzw. des
Einrückrelais ES, des Anlaufstromrelais KA und des Hauptstromrelais
KH kann – wie es bereits im Zusammenhang mit der 3 erläutert wurde – entweder
direkt von der Motorsteuerung des Kraftfahrzeugs oder unter Verwendung
eines gesonderten Steuergerätes des Kraftfahrzeugs erfolgen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine separate Treibereinheit
zu verwenden.
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Für
die Ansteuerung des Einspurmoduls EM und des Schaltmoduls SM werden
Treiber für die Relais sowie eine Logik verwendet, um die
gewünschten Funktionen der Gesamtvorrichtung zu gewährleisten.
Zu diesen Funktionen gehören ein schnelles Wiederstarten
des Verbrennungsmotors bei vorliegendem Wiederstartwunsch des Fahrers,
welcher durch Betätigen des Fahrpedals, der Kupplung oder Lösen
der Bremse ausgelöst wird. Hierzu gehört insbesondere
das schnelle Wiederstarten bei auslaufendem Verbrennungsmotor. Weitere
Funktionen sind eine Reduktion eines Startspannungseinbruchs sowie
Sicherheitsfunktionen wie beispielsweise Erkennen von Fehlfunktionen
und Missbrauchssituationen und Abschalten im Fehlerfall bzw. in
Missbrauchssituationen.
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Die
Ansteuerung des Einspurrelais ES erfolgt optional stromgeregelt.
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Des
Weiteren kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung die an der Klemme 45 des Starters des Kraftfahrzeugs
anliegende Spannung in die Steuereinheit 5 eingelesen und
von dieser bei der Ansteuerung des Einspurmoduls EM und des Schaltmoduls
SM berücksichtigt werden, insbesondere zur Bestimmung der
Schaltzeitpunkte des Schaltmoduls SM und/oder des Einrückmoduls EM.
Dies ermöglicht auch eine Diagnose dahingehend, ob der
Startermotor im Falle einer Ansteuerung andreht oder nicht und ob
der Einrückvorgang erfolgt ist oder nicht. Dies entspricht
einer Fehlerdiagnose. Des Weiteren wird dadurch eine Kompensation
der Ein- und Ausschaltvarianzen der Schalter und eine Bestimmung
der Hochlaufcharakteristik des Starters ermöglicht.
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Die
Anzahl der Steuerleitungen zwischen der Steuereinheit 5 und
dem Starter, zu welchem das Schaltmodul SM, das Einspurmodul EM
und der Startermotor M gehören, ist – wie bereits
oben ausgeführt wurde – von der Art der verwendeten
Relais abhängig.
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Die 6 zeigt
eine Blockdarstellung einer Vorrichtung zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine,
bei welcher die Ansteuerung des Einrückrelais ES, des Anlaufstromrelais
KA und des Hauptstromrelais KH direkt von der Motorsteuerung ECU des
Kraftfahrzeugs vorgenommen wird.
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Die
Motorsteuerung ECU ist mit der Klemme 50 des Kraftfahrzeugs
verbunden und empfängt über diese an einem Eingang
E1 eine Startinformation. Des Weiteren enthält die Motorsteuerung
ECU eine Logik LG, um die jeweils gewünschten Funktionen der
Gesamtvorrichtung zu realisieren. Ferner enthält die Motorsteuerung
ECU einen Eingang E2 für ein von einem Drehzahlsensor VM
abgeleitetes Sensorsignal und eine Auswerteeinheit AW1, die aus
diesen Sensorsignalen die Drehzahl n und die Winkelstellung Φ der
Kurbelwelle des Verbrennungsmotor (VM) ermittelt. Die Informationen über
die Drehzahl n und die Winkelstellung Φ werden an die Logik
LG weitergeleitet und von dieser zur Realisierung der jeweils gewünschten
Funktionen der Gesamtvorrichtung verwendet. Ferner weist die Motorsteuerung
ECU gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung einen
Eingang E3 für ein von der Klemme 45 des Kraftfahrzeugs
abgeleitetes Spannungssignal und eine Auswerteeinheit AW2 zur Auswertung
dieses Spannungssignals auf.
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Die
Information über die gemessene Spannung wird ebenfalls
der Logik LG zugeleitet und von dieser zur Realisierung der jeweils
gewünschten Funktionen der Gesamtvorrichtung verwendet.
Darüber hinaus weist die Motorsteuerung ECU ein CAN-Interface
CI auf und ist dadurch dazu in der Lage, Daten über den
CAN-Bus mit weiteren Baugruppen des Kraftfahrzeugs auszutauschen.
Schließlich ist auch eine Treibereinheit T in die Motorsteuerung ECU
integriert. Diese Treibereinheit T umfasst insgesamt drei Treiber,
welche Ansteuersignale für das Einrückrelais ES,
das Anlaufstromrelais KA und das Hauptstromrelais KH zur Verfügung
stellen. Die Anzahl der Treiber variiert je nach Anzahl der eingesetzten
Relais und Wicklungen zwischen 2 (ES Einfachwicklung, KH Einfachwicklung,
KA entfallen) bis 6 (ES, KH und KA mit Doppeltwicklung) bzw. bis
9 (Ansteuerung ES, KH und KA nach
DE 10 2009 000 125.5 ).
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Der
rechte Teil der in der 6 gezeigten Vorrichtung stimmt
mit dem rechten Teil der in der 2 gezeigten
Vorrichtung abgesehen von der Ableitung der Spannung an der Klemme 45 des
Kraftfahrzeugs überein.
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Die
in der 6 gezeigte Ausführungsform hat den Vorteil,
dass die Trennung von Einspuren und Stromschalten eine Drehzahlsynchronisation
von Starter und Motor ermöglicht, bevor das Ritzel in den Zahlkranz
eingerückt wird. Die elektromechanische Elemente erlauben
eine kostengünstige Realisierung. Hinzu kommt durch Begrenzung
des Starteranlaufstroms eine Entlastung des Bordnetzes, geringere
mechanische Belastungen und akustische Verbesserungen. Die Integration
der Ansteuerung in die Motorsteuerung bzw. ein vorhandenes Steuergerät
nutzt vorhandene Ressourcen und stellt somit einen kostengünstigen
Ansatz dar.
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Die 7 zeigt
eine Blockdarstellung einer Vorrichtung zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine,
bei welcher die Ansteuerung des Einrückrelais ES, des Anlaufstromrelais
KA und des Hauptstromrelais KH durch ein gesondertes Steuergerät RCU,
das seinerseits von der Motorsteuerung ECU des Kraftfahrzeugs angesteuert
wird, erfolgt.
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Bei
dieser Ausführungsform wird die gewünschte Start/Stopp-Betriebsstrategie
in der Motorsteuerung ECU hinterlegt, welche dann über
einen CAN-Bus CAN mit dem gesonderten Steuergerät RCU kommuniziert.
Zusätzlich ist zwischen der Motorsteuerung ECU und dem
gesonderten Steuergerät RCU eine separate Hardwareleitung
HW1 vorgesehen, über welche dem gesonderten Steuergerät
RCU von der Motorsteuerung ECU eine Information über die
Drehzahl n der Antriebswelle des Startermotors M zugeführt
wird. Darüber hinaus ist gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung zwischen der Motorsteuerung ECU und
dem gesonderten Steuergerät RCU eine weitere separate Leitung
HW2 vorgesehen, über welche von der Motorsteuerung ECU
zum Steuergerät RCU bei Bedarf ein Notaus-Signal übertragen
werden kann, welches beim Vorliegen einer Fehlfunktion die Startfunktion
deaktiviert. Ferner weist das Steuergerät RCU einen Mikrocomputer μC auf,
um die Funktionen der Gesamtvorrichtung in gewünschter
Weise zu steuern.
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Wie
aus der 7 ersichtlich ist, ist die Motorsteuerung
ECU mit der Klemme 50 des Kraftfahrzeugs verbunden und
empfängt über diese und ihren Eingang E1 eine
Startinformation. Des Weiteren geht aus der 7 hervor,
dass die Motorsteuerung ECU einen Eingang E2 für ein von
einem Drehzahlsensor VM abgeleitetes Sensorsignal und eine Auswerteeinheit
AW1, die aus diesen Sensorsignalen die Drehzahl n und die Winkelstellung Φ der
Kurbelwelle des Verbrennungsmotor (VM) ermittelt. Diese Informationen über
die Drehzahl n und die Winkelstellung Φ werden über
die bereits genannte separate Leitung HW1 an das gesonderte Steuergerät
RCU übertragen. Weiterhin weist die Motorsteuerung ECU
einen Koordinator CO auf, dessen Aufgabe unter anderem darin besteht,
beim Vorliegen einer Fehlfunktion ein Notaus-Signal bereitzustellen,
welches dem Steuergerät RCU zugeführt wird. Ferner
enthält die Motorsteuerung ECU ein CAN-Interface CI, um
mit dem Steuergerät RCU über den CAN-Bus des jeweiligen Kraftfahrzeugs
kommunizieren zu können.
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Das
Steuergerät RCU enthält ebenfalls ein CAN-Interface
CI sowie eine Einheit REC zum Empfang der Informationen über
die Drehzahl n und die Winkelstellung der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors
(VM) Die vom Steuergerät RCU über das CAN-Interface
empfangenen Signale, ein ggf. empfangenes, von der Klemme 50 des
Kraftfahrzeugs abgeleitetes Startsignal und die genannten Informationen über
die Drehzahl n und die Winkellage der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors
(VM) werden dem Mikrocomputer μC des Steuergerätes
RCU zugeführt und von diesem zur Realisierung der jeweils
gewünschten Funktionen der Gesamtvorrichtung verwendet.
Ferner weist das Steuergerät RCU gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung einen Eingang E3 für ein von
der Klemme 45 des Kraftfahrzeugs abgeleitetes Spannungssignal
und eine Auswerteeinheit AW2 zur Auswertung dieses Spannungssignals
auf. Die Information über die gemessene Spannung wird ebenfalls
dem Mikrocomputer μC zugeleitet und von diesem zur Realisierung
der gewünschten Funktionen der Gesamtvorrichtung verwendet.
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Darüber
hinaus ist – wie aus der
7 ersichtlich
ist – eine Treibereinheit T in das Steuergerät RCU
integriert. Diese Treibereinheit T umfasst insgesamt drei Treiber,
welche Ansteuersignale für das Einrückrelais ES,
das Anlaufstromrelais KA und das Hauptstromrelais KH zur Verfügung
stellen. Diese Ansteuersignale werden den genannten Relais direkt zur
Verfügung gestellt. Die Anzahl der Treiber variiert je
nach Anzahl der eingesetzten Relais und Wicklungen zwischen 2 (ES
Einfachwicklung, KH Einfachwicklung, KA entfallen) bis 6 (ES, KH
und KA mit Doppeltwicklung) bzw. bis 9 (Ansteuerung ES, KH und KA
nach
DE 10 2009 000 125.5 ).
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Der
rechte Teil der in der 7 gezeigten Vorrichtung stimmt
mit dem rechten Teil der in der 2 gezeigten
Vorrichtung abgesehen von der Ableitung der Spannung an der Klemme 45 des
Kraftfahrzeugs überein.
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Die
in der 7 gezeigte Ausführungsform hat den Vorteil,
dass im Vergleich zu 6 nur eine geringe Veränderung
der vorhandenen Hardware in der Motorsteuerung notwendig ist, sodass
es leicht in bestehende Fahrzeugsysteme integriert werden kann.
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Alternativ
dazu kann das gesonderte Steuergerät RCU auch von einem
anderen Steuergerät mit einem Mikrocontroller angesteuert
werden.
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Die
8 zeigt
eine Blockdarstellung einer Vorrichtung zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine,
bei welcher die Ansteuerung des Einrückrelais ES, des Anlaufstromrelais
KA und des Hauptstromrelais KH unter Verwendung einer separaten Treibereinheit
RDU erfolgt. Gemäß dieser Variante werden alle
Start/Stopp-Funktionen, zu denen die Start/Stopp-Koordination und
die gewünschten Funktionen der Gesamtvorrichtung gehören,
softwaremäßig in der Motorsteuerung ECU realisiert.
Die Motorsteuerung ECU steuert über eine Kommunikations- oder
Hardwareschnittstelle K die genannte separate Treibereinheit RDU,
welche ihrerseits das Einrückrelais ES, das Anlaufstromrelais
KA und das Hauptstromrelais KH ansteuert. Die Anzahl der Leitungen für
die Schnittstelle K ist abhängig von der Anzahl der Wicklungen
der Relais ES, KA und KH, der Ausführung der Treibereinheit
und der verwendeten Kommunikationsschnittstelle. Die Anzahl der
Treiber und Steuerleitungen (zwischen RDU und Relais) variiert je
nach Anzahl der eingesetzten Relais und Wicklungen zwischen 2 (ES
Einfachwicklung, KH Einfachwicklung, KA entfallen) bis 6 (ES, KH
und KA mit Doppeltwicklung) bzw. bis 9 (Ansteuerung ES, KH und KA
nach
DE 10 2009 000 125.5 ).
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Aus
der 8 ist ersichtlich, dass die Motorsteuerung ECU
bei dieser Ausführungsform mit der Klemme 50 des
Kraftfahrzeugs verbunden ist und über diese eine Startinformation
empfängt. Des Weiteren geht aus der 8 hervor,
dass diese Startinformation an einen Mikrocomputer μC der
Motorsteuerung weitergeleitet wird. Diesem werden des Weiteren von
einer Auswerteeinheit AW1 Informationen über die Drehzahl
n und die Winkelstellung Φ der Kurbelwelle des Verbrennungsmotor
(VM) zugeleitet. Die Auswerteeinheit AW1 empfängt von einem
Drehzahlsensor VM bereitgestellte Sensorsignale.
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Ferner
weist die Motorsteuerung ECU gemäß einer vorteilhaften
Ausgestaltung eine Auswerteeinheit AW2 zur Auswertung eines Spannungssignals
auf. Dieses Spannungssignal wird von der Klemme 45 des
Kraftfahrzeugs abgeleitet.
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Der
Mikrocomputer μC wertet die ihm zugeführten Signale
aus und steuert über die Kommunikationsschnittstelle K
den Treiber T der Treibereinheit RDU an.
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Der
Treiber wiederum stellt Ausgangssignale für das Einrückrelais
ES, das Anlaufstromrelais KA und das Hauptstromrelais KH zur Verfügung.
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Der
Mikrocomputer koordiniert über die Treibereinheit RDU die
Relais ES, KA und KH derart, dass die jeweils gewünschten
Funktionen der Gesamtvorrichtung ausgeführt werden. Er
führt im Bedarfsfall auch dem Treiber T über eine
gesonderte Leitung HW2 ein Notaus-Signal zu, so dass ein Startvorgang
abgebrochen wird.
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Gemäß einer
alternativen, nicht in der 8 dargestellten
Ausführungsform kann die Treibereinheit RDU des Weiteren
ein Interface aufweisen, über welches sie mit der Motorsteuerung
ECU kommuniziert. Dieses Interface besteht vorzugsweise aus maximal
zwei Signalleitungen. Bei diesem Interface handelt es sich beispielsweise
um ein CAN-Bus-Interface, ein LIN-Bus-Interface oder ein Flexray-Bus-Interface.
Ferner kann die Treibereinheit RDU auch einen Eingang für
ein von der Klemme 45 des Kraftfahrzeugs abgeleitetes Spannungssignal, eine
Auswerteeinheit zur Auswertung dieses Spannungssignals und einen
weiteren Signalausgang für die Übermittlung einer
Information über das ausgewertete Spannungssignal der Klemme 45 an
die Motorsteuerung aufweisen.
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Alternativ
dazu kann die Treibereinheit RDU auch von einem anderen Steuergerät
mit einem Mikrocontroller anstelle der Motorsteuerung angesteuert
werden.
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Nachfolgend
werden anhand der 9 und 10 Beispiele für den Ansteuerungsablauf
der Relais ES, KA und KH beschrieben, wobei in der 9 Beispiele
für einen mittels eines Fahrzeugsschlüssels ausgelösten
Erststart des Fahrzeugs und in der 10 Beispiele
für einen im Rahmen des Start/Stoppbetriebes erfolgenden
Automatikstart dargestellt sind. Dabei ist längs der Ordinate
jeweils der Zustand Z des jeweiligen Relais („aus” oder „ein”) und
längs der Abszisse die Zeit t aufgetragen.
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Die 9a veranschaulicht
ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Erststart
des Fahrzeugs. Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt
zunächst ein Einschalten des Einrückrelais ES,
um das Antriebsritzel in den Zahnkranz auf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
einzurücken. Zeitlich danach erfolgt bei noch eingeschaltetem
Einrückrelais ES ein Einschalten des Anlaufstromrelais
KA, um den Startermotor M über den Vorwiderstand RV sanft in Bewegung zu versetzen. Wiederum
zeitlich danach erfolgt bei noch eingeschaltetem Anlaufstromrelais
KA und weiterhin eingeschaltetem Einrückrelais ES ein Einschalten
des Hauptstromrelais KH, um den Zahnkranz und damit die Kurbelwelle
mit voller Kraft des Startermotors M anzutreiben. Danach wird zeitlich
zuerst das Anlaufstromrelais KA, dann das Hauptstromrelais KH und
schließlich das Einrückrelais ES abgeschaltet.
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Die 9b veranschaulicht
ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Erststart
des Fahrzeugs. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel erfolgt
zunächst ein Einschalten des Einrückrelais ES,
um das Antriebsritzel in den Zahnkranz auf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
einzurücken. Zeitlich danach erfolgt bei noch eingeschaltetem
Einrückrelais ein Einschalten des Anlaufstromrelais KA,
um den Startermotor M über den Vorwiderstand RV sanft in Bewegung
zu versetzen. Wiederum zeitlich danach bei noch eingeschaltetem
Einrückrelais ES, aber bereits wieder ausgeschaltetem Anlaufstromrelais
K erfolgt ein Einschalten des Hauptstromrelais KH, um den Zahnkranz
und damit die Kurbelwelle mit voller Kraft des Startermotors M anzutreiben.
Danach wird zeitlich zuerst das Hauptstromrelais KH und dann das
Einrückrelais ES wieder abgeschaltet.
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Die 9c veranschaulicht
ein drittes Ausführungsbeispiel für einen Erststart
des Fahrzeugs. Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel erfolgt
zunächst ein Einschalten des Einrückrelais ES,
um das Antriebsritzel in den Zahnkranz auf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
einzurücken. Zeitlich danach erfolgt bei noch eingeschaltetem
Einrückrelais ES ein Einschalten des Hauptstromrelais KH,
um den Startermotor gleich mit voller Kraft zum Antrieb des Zahnkranzes
und damit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine einzusetzen. Zeitlich
danach erfolgt zunächst ein Abschalten des Hauptstromrelais
KH und dann ein Abschalten des Einrückrelais ES. Bei diesem
dritten Ausführungsbeispiel ist das Anlaufstromrelais KA
außer Betrieb. Diese dritte Ausführungsbeispiel
kann in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und/oder
dem Bordnetzzustand dann verwendet werden, wenn im Erst- bzw. Kaltstart über
den Vorwiderstand RV zu wenig Leistung für
die Beschleunigung des Startermotors M zur Verfügung steht.
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Die 10a veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel
für einen im Rahmen des Start-Stopp-Betriebes erfolgenden
Automatikstart. Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt
zunächst im Rahmen eines Stopp-Vorganges ein Einrücken
des Antriebsritzels in den Zahnkranz noch während des Motorauslaufes.
Dabei wird zuerst das Anlaufstromrelais KA eingeschaltet, um den
Startermotor M sanft in Bewegung zu versetzen. Danach wird das Anlaufstromrelais
KA wieder ausgeschaltet. Zeitlich danach erfolgt ein Einschalten
des Einrückrelais ES, um das Antriebsritzel in den Zahnkranz
einzurücken. Zeitlich danach bei noch eingeschaltetem Einrückrelais
ES erfolgt der Autostart, welcher beispielsweise durch eine Betätigung
des Fahrpedals oder durch eine Betätigung des Kupplungspedals
ausgelöst wird. Im Rahmen dieses Autostarts erfolgt zunächst
ein erneutes Einschalten des Anlaufstromrelais KA, um den Startermotor
M sanft in Bewegung zu setzen. Zeitlich danach erfolgt bei noch
eingeschaltetem Anlaufstromrelais KA ein Einschalten des Hauptstromrelais
KH. Dann erfolgt zunächst ein Abschalten des Anlaufstromrelais
KA, danach ein Abschalten des Hauptstromrelais KH und schließlich
ein Abschalten des Einrückrelais ES.
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Die 10b veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel
für einen im Rahmen des Start/Stopp-Betriebes erfolgenden
Automatikstart. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel
erfolgt zunächst im Rahmen eines Stoppvorganges ein Einrücken
des Antriebsritzels in den Zahnkranz noch während des Motorauslaufes.
Dabei wird zuerst das Anlaufstromrelais KA eingeschaltet, um den
Startermotor M sanft in Bewegung zu versetzen. Dann wird das Anlaufstromrelais
KA wieder ausgeschaltet. Zeitlich danach erfolgt ein Einschalten
des Einrückrelais ES, um das Antriebsritzel in den Zahnkranz
einzurücken. Zeitlich danach bei noch eingeschalteten Einrückrelais
ES erfolgt der Autostart, welcher beispielsweise durch eine Betätigung
des Fahrpedals oder durch eine Betätigung des Kupplungspedals
ausgelöst wird. Im Rahmen dieses Autostarts erfolgt zunächst ein
erneutes Einschalten des Anlaufstromrelais KA, um den Startermotor
M sanft in Bewegung zu versetzen. Danach wird das Anlaufstromrelais
KA bei noch eingeschaltetem Einrückrelais ES wieder abgeschaltet.
Zeitlich danach erfolgt ein Einschalten des Hauptstromrelais KH,
um den Startermotor M mit voller Kraft anzutreiben. Danach erfolgt
ein Abschalten des Hauptstromrelais KH und schließlich
ein Abschalten des Einrückrelais ES.
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Die 10c veranschaulicht ein drittes Ausführungsbeispiel
für einen im Rahmen des Start/Stopp-Betriebes erfolgenden
Automatikstart. Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel
erfolgt zunächst im Rahmen eines Stopp-Vorganges ein Einrücken
des Antriebsritzels in den Zahnkranz noch während des Motorauslaufes.
Dabei wird das Einrückrelais ES eingeschaltet, um das Antriebsritzel
in den Zahnkranz einzurücken. Zeitlich danach bei noch eingeschaltetem
Einrückrelais ES erfolgt der Autostart, welcher beispielsweise
durch eine Betätigung des Fahrpedals oder durch eine Betätigung
des Kupplungspedals ausgelöst wird. Im Rahmen dieses Autostarts
erfolgt bei noch eingeschaltetem Einrückrelais ES ein Einschalten
des Hauptstromrelais KH, um den Startermotor M mit voller Kraft
anzutreiben. Zeitlich danach erfolgt ein Abschalten des Hauptstromrelais
KH und dann ein Abschalten des Einrückrelais ES. Bei diesem
dritten Ausführungsbeispiel erfolgt das Einrücken
des Antriebsritzels im Motorauslauf ohne ein vorheriges Andrehen
des Startermotors M über das Anlaufstromrelais und den
Vorwiderstand RV.
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Bei
den in der 10 beschriebenen Ausführungsbeispielen
wird in vorteilhafter Weise nach erfolgtem Einrückvorgang
im auslaufenden Motor ein vorgegebenes Zeitintervall in Lauf gesetzt,
nach dessen Ablauf das Einrückrelais ES ohne einen Auto- bzw.
Wiederstart wieder ausgerückt wird, um das Fahrzeugbordnetz
nicht über eine längere Zeit mit dem Haltestrom
des Einrückrelais zu belasten. Bei einem derartigen Vorgehen
muss bei einem Wiederstart zunächst das Einrückrelais
ES erneut aktiviert werden, bevor über das Anlaufstromrelais
KA der Anlaufstrom und über das Hauptstromrelais KH der Hauptstrom
an den Startermotor M geschaltet werden kann.
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Optional
können die in 10 beschriebenen
Ausführungsbeispiele auch ohne Einrückvorgang
während des Motorauslaufs realisiert werden. In diesem
Fall muss der Einrückvorgang unmittelbar vor der Bestromung
des Starters über KH oder KA stattfinden.
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Die 11 zeigt
ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels für
den Verlauf der Drehzahl nVM der Verbrennungskraftmaschine,
der Drehzahl nM des Startermotors M und
des Stromes IKA und IKH während
eines Start/Stopp-Vorganges.
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Die 12a und 12b veranschaulichen ein
Beispiel für ein vereinfachtes System, bei welchem das
Anlaufstromrelais KA und der Vorwiderstand RV nicht
vorgesehen sind und bei welchem das Anlaufen unter Verwendung des
Hauptstromrelais KH erfolgt.
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Bei
den oben anhand der 6 und 7 beschriebenen
Beispielen wurde angegeben, dass die Steuereinheit 5 ein
CAN-Bus-Interface CI aufweist, um über einen CAN-Bus mit
anderen Bauteilen kommunizieren zu können. Alternativ dazu
kann die Steuereinheit 5 auch ein LIN-Bus-Interface oder
ein FlexRay-Bus-Interface aufweisen, um über einen LIN-Bus
bzw. einen FlexRay-Bus mit anderen Bauteilen kommunizieren zu können.
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Wie
oben beschrieben oder alternativ dazu kann die Steuereinheit die
Reihenfolge der Ansteuerung der Relais wie folgt vornehmen:
Die
Steuereinheit 5 nimmt die Ansteuerung des Einspurmoduls
EM und des Schaltmoduls SM derart vor, dass in einem ersten Schritt
das Einspurmodul EM und in einem zweiten Schritt zeitlich danach
das Schaltmodul SM angesteuert wird. Dabei wird vorzugsweise im
ersten Schritt das Einrückrelais ES des Einspurmoduls EM
und im zweiten Schritt zeitlich danach das Anlaufstromrelais KA
und das Hauptstromrelais KH des Schaltmoduls SM angesteuert, wobei zunächst
das Anlaufstromrelais KA und zeitlich danach das Hauptstromrelais
KH angesteuert wird.
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Alternativ
dazu nimmt die Steuereinheit 5 die Ansteuerung des Einspurmoduls
EM und des Schaltmoduls SM derart vor, dass in einem ersten Schritt das
Einrückrelais ES des Einspurmoduls EM und in einem zweiten
Schritt zeitlich danach das Hauptstromrelais KH des Schaltmoduls
SM angesteuert wird.
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Eine
weitere Alternative besteht darin, dass die Steuereinheit 5 die
Ansteuerung des Einspurmoduls EM und des Schaltmoduls SM derart
vornimmt, dass in einem ersten Schritt das Schaltmodul SM und in
einem zweiten Schritt zeitlich danach das Einspurmodul EM angesteuert
wird.
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Ferner
besteht eine Alternative darin, dass die Steuereinheit 5 die
Ansteuerung des Einspurmoduls EM und des Schaltmoduls SM derart
vornimmt, dass in einem ersten Schritt das Anlaufstromrelais KA
des Schaltmoduls SM und in einem zweiten Schritt zeitlich danach
das Einrückrelais ES des Einspurmoduls EM angesteuert wird.
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Darüber
hinaus besteht eine Alternative darin, dass die Steuereinheit 5 die
Ansteuerung des Einspurmoduls EM und des Schaltmoduls SM derart vornimmt,
dass in einem ersten Schritt das Hauptstromrelais KH des Schaltmoduls
SM und in einem zweiten Schritt zeitlich danach das Einrückrelais
ES des Einspurmoduls EM angesteuert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0848159
B1 [0003]
- - DE 102009000125 [0004, 0016, 0031, 0038, 0042]