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Stand der Technik
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Steuerung
für eine Startvorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine
in einem Fahrzeug, wobei eine Einspurvorrichtung, die die Startvorrichtung
umfasst, von der Steuerung zum Einspuren eines Starterritzels in
den Zahnkranz einer Brennkraftmaschine, insbesondere mit einer Start-Stopp-Betriebsstrategie,
angesteuert wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Computerprogrammprodukt
mit einem Startermotor, einem Starterrelais und einem vom Starterrelais
ein- und 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.
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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 sich drehenden Zahnkranz nicht eingespurt
werden darf.
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Es
gibt Entwicklungen, das Starterritzel bereits während des
Auslaufens der Brennkraftmaschine in den Zahnkranz einzuspuren.
Dazu ist folgender Stand der Technik bekannt.
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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.
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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. Dieser Stand der Technik
wird als nächstliegend betrachtet.
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Die
DE 10 2005 004 326
A1 beschreibt eine Startvorrichtung für einen
Verbrennungsmotor mit einem separaten Einrück- 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 ein als Stellglied ausgebildetes 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.
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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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1
und 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche
definieren bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Es
ist ein Gedanke der Erfindung mindestens einen Betriebsparameter,
der die Einspurvorrichtung beeinflusst zu erfassen und auszuwerten
und die Einspurvorrichtung für einen Start-Stopp-Betrieb über die
Steuerung an den mindestens einen Betriebsparameter angepasst anzusteuern.
Es ist also eine Idee der Erfindung, Betriebsparameter, die Einfluss
auf den Einspurvorgang des Starterritzels haben, zu berücksichtigen,
um das Starterritzel mit einer möglichst geringen Geschwindigkeitsdifferenz
zwischen Zahnkranz und Starterritzel in einem Start-Stopp-Betrieb im
Betriebsmodus einer auslaufenden Brennkraftmaschine in den Zahnkranz
einzuspuren. Da die Einspurdauer von bestimmten Betriebsparametern
abhängig ist, sollen diese Betriebsparameter erfasst werden,
um einen richtigen Einspurzeitpunkt exakter zu treffen, das heißt,
dass die umlaufenden Zahnflanken von Zahnkranz und der Starterritzel
im Wesentlichen eine synchrone Drehzahl aufweisen. Somit ist der
Verschleiß und die Geräuschentwicklung einer Startvorrichtung
auch im Start-Stopp-Betrieb minimiert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wird die Temperatur der Einspurvorrichtung
als Betriebsparameter erfasst. Die Temperatur ist eine wesentliche
variable Größe, die die Dauer des Einspurens verändert
und somit für einen exakten, synchronen Einspurvorgang
wesentlich ist.
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Gemäß einer
die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform wird die
Ansteuerung von der Einspurvorrichtung durch mindestens einen, vorzugsweise
zwei, einstellbare Ansteuerparameter von der Steuerung angepasst.
Somit kann beispielsweise bei einem einzigen Betriebsparameter ein
Ansteuerparameter für eine einfache Steuerung realisiert
werden. Um eine höhere Flexibilität zu erreichen,
können vorzugsweise zwei Ansteuerparameter, wie beispielsweise,
insbesondere der Ansteuerzeitpunkt und die Ansteuerleistung kombiniert
angepasst werden. Somit kann der richtige Einspurzeitpunkt des Starterritzels
in einen Zahnkranz einer auslaufenden Kraftmaschine noch exakter
ausgeführt werden.
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Der
mindestens eine Betriebsparameter kann beispielsweise durch mindestens
einen separaten Sensor erfasst werden, der mit der Steuerung in Informationskontakt
steht.
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Gemäß einem
weiter bevorzugten, die Erfindung weiterbildenden Verfahrens, wird
die Einspurvorrichtung von der Steuerung als Sensor von mindestens
einem Betriebsparameter, insbesondere zur Bestimmung der Temperatur,
einer Position des Starterritzels sowie der Geschwindigkeit des
Starterritzels eingesetzt. Die Einspurvorrichtung wird also mit einem
Teststrom bestromt, und von der Steuerung wird mit einer Auswertevorrichtung
der Teststrom ausgewertet und daraus die Temperatur, die Position oder
des Starterritzels oder die Geschwindigkeit des Starterritzels ermittelt.
Vorzugsweise weist die Einspurvorrichtung zwei getrennt bestrombare
Erregerwicklungen zur Detektion auf, wobei die Steuerung eine Mess-
und Auswertevorrichtung umfasst. Somit werden Werte von Betriebsparametern
direkt an der Einspurvorrichtung gemessen und zuvor ohne zusätzlichen
Bauteilaufwand oder zusätzliche Sensoren. Die Mess- und
Auswertevorrichtung ist vorzugsweise in der Steuerung bereits eingebaut,
um für ein Start-Stopp-Betriebsverfahren weitere optimierte
und vorteilhafte Funktionen zu erfüllen.
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Gemäß einem
besonders einfachen Verfahrensaufbau wird mindestens ein Ansteuerparameter von
mindestens einem abhängig veränderlichen Betriebsparameter über
eine abgespeicherte Kennlinie von der Steuerung ermittelt. Eine
Wechselbeziehung zwischen Betriebsparameter und Ansteuerparameter,
beispielsweise über eine temperaturabhängige Kennlinie,
ist ein besonders einfaches Verfahren. Vorzugsweise ist eine Kennlinie
für die Dauer bis zum Auftreffen des Starterritzels auf
den Zahnkranz für die Relaistemperatur in der Steuerung
hinterlegt. Alternativ kann auch eine Kennlinie über der
Temperatur des Relais für die Änderung der Einspurdauer
bezüglich einer Referenztemperatur hinterlegt sein. Diese
Alternative ist sinnvoll, wenn noch weitere von der Temperatur unabhängige
Einflüsse auf die Einspurdauer berücksichtigt
werden. Somit kann gemäß einem ersten bevorzugten
Verfahren der Temperatureinfluss auf die Bewegung des Starterritzels
beim Vorschub durch ein Einspurrelais berücksichtigt werden
und der Zeitpunkt, in dem das Starterritzel beim Einspurvorgang
auf den Zahnkranz trifft genauer eingestellt werden.
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Gemäß einem
alternativen Verfahren wird der mindestens eine Ansteuerparameter
von mindestens einem abhängigen veränderlichen
Betriebsparameter, insbesondere einer Betriebstemperatur über eine
abgespeicherte Kennlinie bezüglich mindestens eines Betriebsparameter-Referenzwerts
von der Steuerung durch Verschiebung der Kennlinie bezüglich
des Referenzwerts ermittelt. Das Verschieben einer Kennlinie bezüglich
Referenzwerten erlaubt eine Beeinflussung des Ansteuerparameters über
verschiedene Betriebsparameter einfließen zu lassen. Beispielsweise
kann ein Kennfeld mit der Ritzelposition oder der Ritzelgeschwindigkeit über
der Temperatur und der Zeit, mit der das Relais mit einer bestimmten
Bestromung beaufschlagt wird, hinterlegt sein. Es kann beispielsweise
bei einem bekannten Ritzelweg die Dauer, bis das Ritzel den Zahnkranz erreicht,
aus dieser Kennlinie bestimmt werden.
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Bei
einem alternativen, weiter bevorzugten Verfahren wird hier mindestens
ein Ansteuerparameter aus einem mehrdimensionalen Kennfeld ermittelt. Es
wird also bei dem oben beschriebenen Verfahren noch zumindest eine
weitere oder eine Kombination von folgenden Eingangsgrößen
als Wert von verschiedenen Betriebesparametern eingehen, dabei sind
mögliche Werte von Betriebsparametern die aktuelle Ritzelposition,
der tatsächliche Relaisstrom oder der Schubweg des Relais-Ankers,
bis das Starterritzel in Bewegung gesetzt wird.
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Gemäß einer
die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform wird der
mindestens eine Ansteuerparameter aus einem physikalischen Modell,
insbesondere einem Temperatur-Modell ermittelt, wobei Betriebsparameter
wie eine Ankerposition, ein Schubweg und eine Geschwindigkeit durch
Integration bestimmt und errechnet werden.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform wird der Ansteuerparameter
aus einer Funktion der Temperatur T, der Ritzelposition p und der
Ritzelgeschwindigkeit v ermittelt. Somit kann eine Abschätzung
des aktuellen Zustands des Starterritzels aus diesen Werten durchgeführt
werden und als Grundlage für Steuerparameter zur Ansteuerung
der Bewegung des Starterritzels eingesetzt werden.
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Bei
einem vorteilhaften Verfahren werden Ansteuerparameter in der Relation
zu Betriebsparameterwerten gelernt. Zum Beispiel ist der Temperatureinfluss
als Lernfunktion der Steuerung implementierbar, so dass durch eine
Kontrollfunktion die Parameterwerte überprüft
werden, gegebenenfalls angepasst werden, indem beispielsweise die
tatsächliche Dauer bis zum Einspuren des Starterritzels
in den Zahnkranz aufgezeichnet wird.
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Nach
einer Regel, zum Beispiel einer aus Durchschnittswerten ermittelten
Dauer wird diese neue Dauer entweder kontinuierlich oder in Abständen
angepasst. Vorzugsweise ist als Messsensor die Einspurvorrichtung
mit einer Schaltwicklung in Doppelfunktion ausgebildet, indem die
induzierte Spannung in der Schaltwicklung bestimmt wird. Oder es werden
andere Strom- und/oder Spannungswerte in der Einspurvorrichtung
als Sensorwerte ausgewertet.
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Um
die Temperaturabhängigkeit der Einspurvorrichtung zu minimieren,
wird eine, insbesondere temperaturabhängige Ausschiebedauer
des Starterritzels durch eine variable Ansteuerung oder insbesondere
durch eine Regelung der Ansteuerleistung und/oder der Ansteuerzeitpunkte
kompensiert. Somit lässt sich ein Starterritzel in eine
auslaufende Brennkraftmaschine mit einer hochgenauen Synchronisation
exakter und mit minimiertem Geräusch über einen großen
Betriebsbereich einspuren.
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Der
Betriebsbereich der Einspurvorrichtung erstreckt sich über
einen großen Temperaturbereich, der bei einem Start-Stopp-Betrieb
auftritt.
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Die
Aufgabe wird darüber hinaus auch durch ein Computerprogrammprodukt
dadurch gelöst, das es in einen Programmspeicher mit Programmbefehlen
ladbar ist, um alle Schritte des oben beschriebenen Verfahrens auszuführen,
wenn das Programm in einer Steuerung ausgeführt wird.
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Das
Computerprogrammprodukt hat den Vorteil, dass es keine zusätzlichen
Bauteile im Fahrzeug erfordert, sondern sich als Module als Verfahren in
Steuerungen im Fahrzeug implementieren lässt. Das Computerprogrammprodukt
lässt sich leicht an individuelle, empirische und verbesserte
Werte anpassen. Eine Selbstlernfunktion ist leicht implementierbar.
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Die
Aufgabe wird darüber hinaus durch eine Steuerung dadurch
gelöst, dass die Steuerung eine Erfassungseinrichtung für
Betriebsparameter und eine Auswertevorrichtung mit variabler Leistungsansteuerung
der Starterrelais umfasst, um eine, insbesondere temperaturabhängige
Ausschiebedauer des Starterritzels zu kompensieren. Somit ist ein
exakt arbeitender Start-Stopp-Betrieb mit erhöhten Leistungsumfang
realisierbar.
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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.
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Kurzbezeichnung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Schaltplan einer Startvorrichtung mit erfindungsgemäßer
Steuerung,
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2 ein
Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens,
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3 ein
Zeit-Weg-Temperatur-Diagramm,
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4 ein
Zeit-Weg-Temperatur-Diagramm,
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5 ein
Strom-Spannungs-Weg-Zeit-Diagramm von Signalverläufen beim
Einspurvorgang und
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6 ein
Ersatzschaltbild der Einspurwicklung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt
einen Schaltplan einer Startvorrichtung 1 mit einem Startermotor 11 und
einem Starterrelais 13 zum Starten einer Brennkraftmaschine 2.
Die Brennkraftmaschine 2 ist mit einer Motorsteuerung 3 verbunden,
die über eine Kommunikationsleitung 4, beispielsweise
einen CAN-Bus, mit einer Steuerung 5 von der Startvorrichtung 1 kommuniziert.
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Die
Motorsteuerung 3 umfasst einen Start-Stopp-Betriebsmodus,
gemäß dem die Brennkraftmaschine aufgrund von
Ausschaltbedingungen gestoppt wird oder Anschaltbedingungen gestartet wird.
Die Motorsteuerung 3 bestimmt, ob die Brennkraftmaschine 2 aufgrund
eines Start-Stopp-Betriebsmodus ausgeschaltet wird und übermittelt
entsprechende Informationen an die Steuerung 5. Um die
Verfügbarkeit der Brennkraftmaschine 2 im Start-Stopp-Betrieb
zu erhöhen, wird angestrebt, in einem speziellen Start-Stopp-Betriebsmodus
ein Starterritzel 8 einer Einspurvorrichtung 6 in
einen Zahnkranz 10 einer auslaufenden Brennkraftmaschine 2 einzuspuren.
Das Starterritzel 8 wird nach dem Starten der Brennkraftmaschine 2 wieder
ausgespurt. Um die Lebensdauer von Starterritzel 8, Einspurvorrichtung 13 und
Zahnkranz 10 zu erhöhen sowie einen hohen Verschleiß zu
vermeiden, ist es ein Ziel, das Starterritzel 8 mit einer
möglichst synchronen, umlaufenden Geschwindigkeit zum Zahnkranz 10 der
Brennkraftmaschine 2 einzuspuren. Die Dauer, die die Einspurvorrichtung 6 mittels
des Starterrelais 13 zum Einspuren benötigt, ist
abhängig von verschiedenen Betriebsparametern, insbesondere
von der Temperatur des Starterrelais 13. Erfindungsgemäß wird
zumindest die Temperatur des Starterrelais 13 berücksichtigt.
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Die
Temperatur kann mit einem externen Temperatursensor 28 erfasst
werden. Der Temperatursensor 28 liefert Messwerte an die
Motorsteuerung 3, die zur Weiterverarbeitung für
die Steuerung 5 übermittelt werden. Die Temperatur
der Einspurvorrichtung 6 kann im Wesentlichen dem Temperaturbereich
des externen Temperatursensors entsprechen. Um die Temperatur der
Einspurvorrichtung ohne zusätzlichen Bauteilaufwand hinsichtlich
eines externen Temperatursensors zu erhalten sowie um hochgenaue
Temperaturmesswerte von dem Starterrelais 13 zu gewinnen,
wird das Starterrelais 13 selbst als Temperatursensor von
der modifizierten Steuerung 5 eingesetzt.
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Die 1 zeigt
eine besonders bevorzugte Ausführungsform vom Starterrelais 13.
Gemäß dieser Ausführungsform weist das
Starterrelais 13 eine Einspurwicklung 22 und eine
Schaltwicklung 23. Durch Bestromung der Schaltwicklung 23 wird
ein Relaiskontakt geschlossen, so dass der Startermotor 11 direkt
mit einem Strom der Batterie 19 beaufschlagt wird. Beide
Relaiswicklungen sind separat durch Leistungsschalter 17 und 18 von
einer Batterie 19 bestrombar. Die Ströme und die
Spannungen können jeweils einzeln von einer Erfassungseinrichtung 20 erfasst
werden, so dass mit Hilfe der Steuerung 5 die von der Erfassungseinrichtung 20 erfassten
Ströme bewertet werden und daraus Betriebsparameter, vorzugsweise
die Temperatur, abgeleitet wird, so dass das Starterrelais 13 an
den Betriebsparameter angepasst und angesteuert wird. Das Starterrelais 13 wird
mit einem kleinen Strom zum Messen der Temperatur bestromt. Der
Strom ist so klein, dass das Starterritzel 8 nicht eingespurt
wird. Aufgrund eines induktiven Verhaltens der Relaisspule kann
der Strom mittels der Erfassungseinrichtung 20, mit einer Messeinrichtung 21 beziehungsweise 25 gemessen werden.
Der Temperatureinfluss kann im Betriebsverhalten des Starterrelais 13 berücksichtigt
werden. Somit ist ein synchroner Einspurvorgang noch exakter ausführbar,
in dem der Temperatureinfluss kompensiert wird. Die Ansteuerung
der Einspurwicklung 22 ist über zwei Ansteuerparameter
einstellbar. Ein erster Ansteuerparameter ist der Einspurzeitpunkt, der
je nach Temperatur ausgehend von einem Referenzwert nach vorne oder
nach hinten gelegt werden kann und ein weiterer, zweiter Ansteuerparameter
ist die Ansteuerleistung, die entweder erhöht oder erniedrigt
werden kann.
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Weitere
Betriebsparameter sind die Positionsbestimmung des Ankers im Starterrelais 13 und die
Geschwindigkeit des Ankers und somit die Geschwindigkeit des Starterritzels 8.
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Die
Erfassungseinrichtung 20 ist mit einem Mikrocomputer 14 mit
einem Programmspeicher 15 verbunden und wertet die Messergebnisse
zur Ermittlung der Ansteuerparameter aus, um die Leistungsschalter 17, 18 zum
richtigen und gewünschten Zeitpunkt zu bestromen. Alle
Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte
Darstellungen. Im Übrigen wird insbesondere auf die zeichnerische
Darstellungen für die Erfindung als Wesentlich verwiesen.
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Die 2 zeigt
ein Flussdiagramm, einer besonderen Start-Stopp-Betriebsstrategie,
bei der das erfindungsgemäße Verfahren mit der
erfindungsgemäßen Steuerung 5 zum Einsatz
kommt.
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In
einem ersten Schritt S1 wird die Brennkraftmaschine aufgrund bestimmten,
definierten Start-Stopp-Bedingungen ausgeschaltet, etwa weil ein
Drehmoment vom Fahrer für eine bestimmte Zeit z. B. länger
als vier Sekunden nicht mehr gefordert wird, und die Geschwindigkeit
des Fahrzeugs Null oder Richtung Null stark tendiert ist.
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In
einem folgenden zweiten Schritt S2, der bevorzugt aber nicht zwingend
der Nächstfolgende sein muss, sondern im Ablauf auch etwas
später erfolgen kann, wird gemäß einem
noch zu beschreibenden Verfahren mindestens ein Betriebsparameter der
Einspurvorrichtung, bevorzugt die Temperatur der Einspurvorrichtung 6,
erfasst. Die Erfassung der Temperatur erfolgt durch den Einsatz
des Starterrelais 13 als Sensor. Die Temperatur wird aus
Messwerten von dem Sensor abgeleitet.
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In
einem dritten Schritt S3 wird beispielsweise die Ritzelposition
als weiterer Betriebsparameter durch Auswertung der kurzzeitig bestromten
Einspurvorrichtung 6 erfasst. Die Ritzelposition ist durch
die Position des Ankers definiert.
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In
einem vierten Schritt S4 wird ein Zeitpunkt bestimmt, bei dem die
Umfangsgeschwindigkeit vom Zahnkranz 10, der auslaufenden
Brennkraftmaschine 2 mit der Umfangsgeschwindigkeit vom
Starterritzel 8 im wesentlichen synchron sein wird, so
dass das Starterritzel 8 möglichst geräuschlos
und verschleißarm zum im voraus bezeichneten Zeitpunkt eingespurt
wird.
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In
einem fünften Schritt S5 wird der Startermotor 11 beschleunigt.
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In
einem sechsten Schritt S6 wird die Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 und
des Startermotors 11 kontinuierlich gemessen. Dabei wird überprüft,
ob der Einspurzeitpunkt eingehalten wird oder Ansteuerparameter
bzw. der Einspurzeitpunkt korrigiert werden müssen.
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In
einem siebten Schritt S7 wird die Einspurvorrichtung 13 mit
mindestens einen Ansteuerparameter, bevorzugt zwei Ansteuerparameter
entsprechend der ausgewerteten Werte von mindestens einem Betriebsparameter
angesteuert, so dass Zahnflanken des Starterritzels 8 mit
den Zahnflanken des Zahnkranzes 10 zum gewünschten
und exakten Zeitpunkt zusammentreffen, in dem die Umfangsgeschwindigkeiten
im wesentlichen synchron sind. Die Kontrolle erfolgt durch Messen
der Ströme bzw. Spannung vom Starterrelais 13.
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Weichen
die Ist-Werte von vorgegeben Soll-Werten ab, so werden die gemessenen
Werte ausgewertet und entsprechend als Selbstlernfunktion in einem
Schritt S9 werden Werte von mindestens einen Ansteuerparameter in
der Relation zu Werten von mindestens einem Betriebsparameter korrigiert. Somit
ist die kontinuierliche Selbstlernfunktion sowie eine Anlernfunktion
realisiert.
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In
einem Schritt S10 wird die Maschine 2 durch Bestromen des
Startermotors 11 mit einem eingespurten Starterritzel 8 in
den Zahnkranz 10 gestartet. Der Schritt S10 wird erst ausgeführt,
wenn vom Fahrer eine Drehmomentanforderung an die Motorsteuerung 3 abgegeben
wird, weil beispielsweise ein Anfahrwunsch vorliegt. Dadurch, dass
das Starterritzel 8 bereits in den Zahnkranz 10 eingespurt
ist, ist die Verfügbarkeit der Brennkraftmaschine zeitlich
erhöht und der Anfahrwunsch kann schneller umgesetzt werden.
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Die 3 zeigt
ein Zeit-Weg-Diagramm mit zwei Kennlinien. Eine erste Kennlinie
T1 zeigt bei Bestromung der Einspurwicklung 22 wie schnell
das Starterritzel 8 sich im Einspurvorgang bewegt. Die Kennlinie
T1 ist beispielsweise bei einer Temperatur von 25°C aufgenommen.
Nach circa 30 ms erfolgt ein erstes Ansprechverhalten, so dass nach
circa 25 ms ein Einspurweg vom Starterritzel 8 über
5 mm zurückgelegt wird. Eine Kennlinie T2 ist bei einer
Temperatur vom Starterrelais 13 bei ungefähr circa
115°C aufgezeichnet. Das Ansprechverhalten ist, wie aus 3 zu
sehen, deutlich verzögert. Außerdem ist die Einspurgeschwindigkeit
gegenüber der Kennlinie T1 verlangsamt. Das Starterrelais 13 spricht
erst bei circa 43 ms an und benötigt für den Schubweg
von circa 5 mm circa 35 ms. Je nach Temperatur muss also die Einspurwicklung 22 entsprechend
früher, also um mindestens circa 25 ms beispielsweise bei
einer Temperatur von 115°C gegenüber einer Temperatur von
25°C bestromt werden, oder mit einer höheren Ansteuerleistung
beaufschlagt werden, so dass das Starterritzel 8 zur gewünschten
Zeit auf die Zahnflanken des auslaufenden Zahnkranzes 10 trifft.
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Gemäß einem
ersten bevorzugten einfachen Verfahren, wird die Dauer t zum Einspuren
des Starterritzels 8 durch eine Funktion f in Abhängigkeit
der Temperatur T vom Starterrelais 13 bestimmt. Die Dauer
t ist die Dauer bis das Starterritzel 8 den Zahnkranz 10 erreicht.
Die 3 zeigt somit als Kennlinien t = f(T).
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Alternativ
kann die Dauer t durch einen von der Temperatur T des Starterrelais 13 abhängigen Wert
durch Addition, Multiplikation oder Potenzieren korrigiert werden.
Die Funktion lautet somit t = t0 + f(T)
oder t = t0·f(T) oder t = t0
f(T). Bei diesen
Verfahren wird davon ausgegangen, dass die weiteren Einflussgrößen
von verschiedenen Betriebsparametern gegenüber der Temperatur
vom Starterrelais 8 vernachlässigt oder von dem
hier beschriebenen Verfahren überlagert werden. Es wird
also bei dem Verfahren gemäß 3 davon
ausgegangen, dass der Abstand vom Starterritzel zum Zahnkranz 10,
das heißt der Schubweg, gleich bleibt. Aufgrund von Verschleiß und
Alterungserscheinungen kann sich der Schubweg beziehungsweise der
Ritzel-Zahnkranz-Abstand minimal verändern, was insgesamt zur
Ansteuerung wichtig sein könnte, aber gemäß den
einfachen Verfahren vernachlässigt wird. Durch eine Lernfunktion
können hier die Kennlinien entsprechend verschoben werden
und neu abgespeichert werden.
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Die 4 zeigt
ein Kennlinien-Diagramm von der Dauer t, also bis das Starterritzel 8 den
Zahnkranz 10 erreicht, über der Temperatur T vom
Starterrelais 13. Gemäß der 4 wird
von einer Referenzkennlinie RK ausgegangen. Diese Kennlinie RK wird
abhängig von einem weiteren Betriebsparameterwert parallel
verschoben, entweder nach oben zur gestrichelt dargestellten Kennlinie
RK1 oder nach unten zur gestrichelt dargestellten
Kennlinie RK2. Der weitere Betriebsparameterwert
ist beispielsweise der aktuelle Zahnkranz-Ritzel-Abstand I oder
der Schubweg S des Ankers. Der Schubweg S des Ankers unterscheidet
sich vom Zahnkranz-Ritzel-Abstand durch ein definiertes Spiel im
Starterrelais 13. Beispielsweise ist bei der Kennlinie
RK1 der Zahnkranz-Ritzel-Abstand I vergrößert
und bei der Kennlinie RK2 verkleinert.
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Somit
wird bei einem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren
die Position p des Starterritzels oder die Geschwindigkeit v des
Starterritzels 8 nach einer bestimmten Zeit und bei einer
bestimmten Temperatur durch eine Referenzkennlinie RK beschrieben:
p = f(t, T) oder v = f(t, T). Es ist jedoch auch eine Überlagerung
mit weiteren Effekten möglich. Gemäß diesem
Verfahren wird der aktuelle Zustand des Starterritzels 8,
das heißt die Position und die Geschwindigkeit bestimmt
und ist Grundlage für eine Ansteuerung des Starterrelais 13 für
die Ritzelbewegung.
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Eine
Verbesserung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen
Verfahrens ist dadurch möglich, wenn weitere Messgrößen
und Betriebsparameter in das Kennfeld eingehen. Vorzugsweise wird
die aktuelle Position des Starterritzels 8 aus einer Messung mittels
der Erfassungseinrichtung 20 und einer Auswertung in der
Steuerung 5 der induzierten Spannung in der Schaltwicklung 23 erfasst.
Daraus kann die Ritzelgeschwindigkeit abgeleitet werden. Ferner kann
der aktuelle. Strom in der Einspurwicklung 22 vom Starterrelais 13 angepasst
werden. Außerdem kann der tatsächliche Schubweg,
den der Anker vom Starterrelais 13 zurücklegen
muss, bevor sich das Ritzel in Bewegung setzt, zusätzlich
mit einfließen. Zur Berücksichtigung dieser weiteren
Messgrößen und Betriebsparameter sind die Kennfelder
um weitere Dimensionen zu denen gemäß der 3 und 4 erweitert.
Vorzugsweise, um einen erhöhten Speicherplatzbedarf einzusparen,
sind für eine Dimension zum Teil nur zwei Stützstellen
ausreichend um ein erfindungsgemäßes Kennfeld
aufzuspannen.
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Zur
Ausführung der zu 2, 3 und 4 beschriebenen
Verfahren werden die Kennlinien und Kennfelder fahrzeugtypspezifisch
ermittelt und abgespeichert.
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Zum
Anlernen der Daten für die Kennlinien und Kennfelder wird
die induzierte Spannung in der Schaltwicklung bei einer Bewegung
des Starterritzels hinsichtlich der Position des Starterritzels,
der Geschwindigkeit und bei Erreichen einer Zahn auf Zahn-Stellung
hinsichtlich der Verzögerung vom Starterritzel ausgewertet.
Somit ist es möglich die Kennlinien und Kennfelder zu jedem
eingestellten Arbeitspunkt zu korrigieren und mit neuen Daten abzuspeichern.
Um die einzelnen Daten zu verifizieren und zu sichern ist es bevorzugt
vorgesehen, den Einspurvorgang zumindest zum Anlernen mehrfach auszuführen,
so dass die entsprechenden Messfehler vermieden werden und abhängig
von der Auftretenswahrscheinlichkeit zuständige Daten der
Kennlinien und Kennfelder korrigiert werden. Das Verfahren wird also
wohl vor der Auslieferung im Werk oder bei einem Wartungsbetrieb
angewendet oder auch im laufenden Verfahren über die Lebensdauer
des Fahrzeugs.
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Die 5 zeigt
die Signalverläufe der angelegten Spannung mit der Kennlinie
U10, vom Strom I10 dem Weg R8 vom Starterritzel 8, der
induzierten Spannung mit U11 und einen Bewegungsweg A vom Anker
im Starterrelais 13 jeweils mit einem Index -1 für
eine kurze Spurbewegung und -Max für einen Einspurvorgang.
Diese Signalverläufe sind lediglich beispielhaft dargestellt,
um zu zeigen, dass die Anker- bzw. Ritzelposition und Geschwindigkeit
durch Induktionsmessung in der Startvorrichtung detektier- und auswertbar
ist. Aus diese Signalverläufen kann eine Selbstlernfunktion
geschaffen werden durch eine spezielle Auswertung der Signalverläufe.
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Gemäß einem
weiter bevorzugten fünften Verfahren, um den Aufwand von
Kennfeldern, wie in den Verfahren 1 bis 4 beschrieben, zu vermeiden
sowie um hohe Kosten bei einer Erlangung von zuverlässigen
Messgrößen und auch eine automatische Applikation
von Kennlinien und Kennfeldern gemäß dem oben
beschriebenen vierten Verfahren zu eliminieren, ist gemäß einem
bevorzugten fünften Verfahren ein physikalisches Modell
in Bezug auf die Temperatur in der Steuerung hinterlegt. Relevante
Auswirkungen, wie die Dynamik des Vorschiebens, die Temperaturabhängigkeit
und gegebenenfalls die Alterung werden vom physikalischen Modell
beschrieben. Mit Hilfe dieses Modells ist es möglich, die
zum aktuellen Zeitpunkt wirkenden Kräfte auf den Anker vom
Starterrelais 13 zu bestimmen und durch Integration dessen
Position und Geschwindigkeit zu errechnen. Um das Modell mit dem
tatsächlichen Verhalten abzugleichen, sind viel weniger
Messpunkte mit einer geringeren Genauigkeit erforderlich, wie es beispielsweise
bei einem Verfahren mit einer Lernfunktion der Fall ist. Ein Abgleich
kann zum Beispiel mit Hilfe eines Kalmann-Filters ausgeführt
werden.
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Ein
solches Modell ist vorzugsweise wie folgt aufgebaut. Die elektrischen
Vorgänge werden beschrieben, in dem die Spule des Starterrelais
als Reihenschaltung mit einer Induktivität L und einem
ohmschen Widerstand R betrachtet wird. Hierfür zeigt 6 ein
Ersatzschaltbild einer Einspurwicklung 22 vom Starterrelais 13.
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Es
gilt somit folgende Formel
Dabei ist I[A] der Strom,
der durch die Einspurwicklung
22 fließt, U[V]
ist die Spannung, die über der Relaisspule abfällt,
R ist der ohmsche Widerstand der Spule [Ω], t ist die Zeit
[s] und L ist die Induktivität der Spule [H].
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Aus
dem berechneten Strom lässt sich dann zusammen mit der
Position des Ankers die auf den Relaisanker wirkende Kraft ermitteln.
Es kann die einzelne Position des Starterritzels berechnet werden,
wenn der Schubweg miteinbezogen wird.
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Von
der Temperatur ist in diesem Modell nur der Widerstand R abhängig.
Die Änderung der Temperatur kann beschrieben werden durch: REinspurwicklung22(T)
= REinspurwicklung22(T0)·(1
+ αTCu(T – T0)).
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REinspurwicklung22 ist der ohmsche Widerstand der
Einspurwicklung, T ist die Temperatur, bei der der ohmsche Widerstand
bestimmt werden soll [K] und T0 ist die
Temperatur bei der der ohmsche Widerstand bekannt ist [K], αTCu ist der Koeffizient von Kupfer [K–1]. Es werden mechanische Vorgänge
auch beschrieben. Die wesentlichen mechanischen Änderungen
der Einspurvorrichtung 6 sind die Änderung der
Reibung, die Längenausdehnung sowie die Änderung
des Verhaltens der Federn.
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Die
Längenausdehnung kann relativ leicht beschrieben werden
durch l(T) = l(T0)·(1 + αl(T – T0)). l ist die Ausdehnung des betrachteten
Materials in einer Dimension [m], T ist die Temperatur, bei der
die Ausdehnung bestimmt werden soll [K], T0 ist
die Temperatur, bei der die Ausdehnung bekannt ist [K], αl
ist der Ausdehnungskoeffizient [m/K].
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Gemäß einem
weiter bevorzugten sechsten Verfahren wird der Strom der Einspurwicklung 22 geregelt.
Somit wird der Temperatureinfluss auf die Dynamik des Starterrelais
durch Änderung des elektrischen Widerstands in der Einspurwicklung
vollständig eliminiert. Die Kraft der Relaisspule hängt
im wesentlichen von der Position des Ankers und dem Strom durch
die Einspurwicklung ab. Somit ist die Dynamik vom Starterrelais
abhängig von der Temperatur.
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Durch
eine gezielte Regelung des Stroms der Einspurwicklung, der in der
Regel von der Versorgungsbatterie vorgegeben ist, lässt
sich somit der Temperatureinfluss eliminieren, so dass das Starterritzel
im wesentlichen immer die gleiche Einspurdauer erfährt.
Anstatt der Ansteuerung der Position des Starterritzels wird also
der Ritzel-Zahnkranzabstand geregelt. In der Regelung wird dafür
gesorgt, dass die Position des Starterritzels nicht nur exakt erreicht wird,
sondern auch mit der richtigen Geschwindigkeit angefahren und eingespurt
wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006011644
A1 [0004]
- - DE 102006039112 A1 [0005]
- - DE 102005004326 A1 [0006]
- - DE 102005021227 A1 [0007]
