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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Startersysteme, insbesondere der Start-Stopp-Systeme.
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Zum Antreiben von stehenden Verbrennungsmotoren werden im Allgemeinen Startersysteme, insbesondere Ritzelstarter, verwendet, bei denen ein Ritzel in einen mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbundenen Zahnkranz eingespurt wird. Das Ritzel wird üblicherweise mittels eines Elektromotors angetrieben, sodass der Verbrennungsmotor über einen Ritzel-Zahnkranzeingriff angetrieben werden kann.
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Startersysteme der vorgenannten Art werden insbesondere in so genannten Start-Stopp-Systemen eingesetzt, welche in modernen Fahrzeugen mit so genannter Start-Stopp-Automatik eingesetzt werden. Hierbei wird der Verbrennungsmotor bei Fahrzeugstillstand ausgeschaltet und beispielsweise zum Anfahren wieder angetrieben.
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Eine Weiterentwicklung der vorgenannten Startersysteme hat eine elektronische Ansteuerung der Elektromotoren zum Gegenstand, wobei das Startersystem neben dem Starter auch eine Starter- oder Relais-Steuerungs-Einheit umfasst, so dass das Einspuren und das Starten bzw. Andrehen des Ritzels getrennt voneinander ausgeführt werden, wodurch eine optimierte Start-Stopp-Funktion mit erhöhtem Komfort erreicht wird.
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Die getrennte Ansteuerung des Einspurvorgangs, bei dem das Ritzel in den Zahnkranz eingespurt wird, und des Start-Vorgangs, bei dem das Ritzel mittels des Elektromotors in eine Rotationsbewegung versetzt wird, ist jedoch insbesondere bei einer fehlenden Synchronisation zwischen dem Ritzel und dem Zahnkranz fehleranfällig. Ist beispielsweise die Drehzahl des Verbrennungsmotors oder des Starterritzels zu hoch, so kann es beim Eintreffen des Starterritzels am Zahnkranz des Verbrennungsmotors aufgrund der fehlenden Synchronisation zu einem Zusammenprall kommen, welcher eine Zerstörung des Starterritzels nach sich ziehen kann.
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Typischerweise findet ein solcher Fehler beispielsweise beim Einspuren im Auslauf des Verbrennungsmotors oder beim so genannten Pre-Start statt, bei dem das Ritzel vor dem Start des Verbrennungsmotors eingespurt wird. Beim Einspuren im Auslauf kann der Vorschub des Ritzels beispielsweise zum falschen Zeitpunkt aktiviert werden, zu dem beispielsweise eine Umfangsgeschwindigkeit des Zahnkranzes des Verbrennungsmotors noch sehr viel höher als diejenige des Starterritzels ist. In der Pre-Start-Phase könnte hingegen das Andrehen des Starters vor einem Einspurende bzw. vor dem Eingriff der Verzahnung des Ritzels in den Zahnkranz des Verbrennungsmotors betätigt werden, so dass das Ritzel nur an der Kante des Zahnkranzes schleift und nicht eingeschoben wird, sodass neben einem erhöhten Geräuschpegel ein erhöhter Verschleiß oder sogar Zerstörung des Starterritzels zu erwarten sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass zum Verhindern der vorstehend genannten Probleme eine zusätzliche Überprüfung des Einspurens eines Ritzels eines Startersystems in einen Zahnkranz einer anzutreibenden Antriebsquelle, insbesondere eines Verbrennungsmotors, durchzuführen ist. Diese Überprüfung kann beispielsweise auf der Basis einer Erfassung einer Drehzahl der anzutreibenden Quelle nach dem Beenden des Einspurvorgangs und beispielsweise nach einem Anlassen des Elektromotors des Starters, um das Ritzel in eine Rotationsbewegung zu versetzen. Ist hierbei beispielsweise keine nennenswerte Drehung festzustellen, so kann auf einen fehlerhaften Einspurvorgang geschlossen werden. Diese Überprüfung kann auch während des Einspurens erfolgen, so dass der Einspurvorgang im Falle eines erfassten Einspurfehlers abgebrochen werden kann, um Folgeschäden zu vermeiden.
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Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überprüfen eines Einspurens eines Ritzels eines Startersystems in einen Zahnkranz eines anzutreibenden Antriebs, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, mit den Schritten des Erfassens einer auf eine Drehzahl des Ritzels und/oder auf eine Drehzahl des anzutreibenden Antriebs hinweisenden Größe, und des Überprüfens des Einspurens des Ritzels auf der Basis der jeweils erfassten Größe oder der beiden erfassten Größen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Vergleichen der auf die Drehzahl des Ritzels hinweisenden Größe mit der auf die Drehzahl des anzutreibenden Antriebs hinweisenden Größe, um das Einspuren zu überprüfen. Ein eventueller Einspurfehler kann somit in vorteilhafter Weise auf der Basis eines Drehzahlunterschieds erfasst werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Vergleichen der auf die Drehzahl des Ritzels hinweisenden Größe und/oder der auf die Drehzahl des anzutreibenden Antriebs hinweisenden Größe mit einem Schwellwert, um das Einspuren zu überprüfen. Der Schwellwert kann beispielsweise als Referenzwert in einem Speicher abgelegt sein, so dass die Überprüfung auf der Basis eines einfachen Vergleichs stets durchgeführt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Einleiten eines Einspurvorgangs, um das Ritzel in den Zahnkranz einzuspuren, und das Vergleichen der auf die Drehzahl des anzutreibenden Antriebs hinweisenden Größe mit der auf die Drehzahl des Ritzels hinweisenden Größe oder mit einem Schwellwert, insbesondere mit einer Referenzdrehzahl oder einer auf eine Drehzahl hinweisenden Spannung, um ein Vergleichsergebnis zu erhalten, und das Abbrechen des Einspurvorgangs, falls das Vergleichsergebnis einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, insbesondere innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls dauerhaft überschreitet. Dadurch wird in vorteilhafter Weise einer Beschädigung des Ritzels entgegengewirkt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Ritzel vor dem Erfassen der auf die Drehzahl des Ritzels oder auf die Drehzahl des anzutreibenden Antriebs hinweisenden Größe in eine Rotationsbewegung, beispielsweise mittels eines Elektromotors, versetzt. Durch das Andrehen des Ritzels kann somit in einfacher Weise überprüft werden, ob der Zahnkranz, welcher mit einem Schwungrad oder mit einer Welle des anzutreibenden Antriebs gekoppelt sein kann, ebenfalls angedreht wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die auf die Drehzahl des anzutreibenden Antriebs hinweisende Größe die Drehzahl des anzutreibenden Antriebs, beispielsweise die Drehzahl einer Welle des anzutreibenden Antriebs, oder eine Winkelstellung eines Kolbens des anzutreibenden Antriebs, welcher beispielsweise ein Verbrennungsmotor sein kann. Somit werden in vorteilhafter Weise mehrere verwertbare Kriterien zur Überprüfung des Einspurens des Ritzels bereitgestellt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die auf die Drehzahl des Ritzels hinweisende Größe eine aufgrund einer Rotation des Ritzels induzierte elektrische Spannung, insbesondere eine in einem Elektromotor des Startersystems aufgrund der Rotation des Ritzels induzierte Spannung, oder eine Drehzahl des Ritzels oder ein durch das Ritzel übertragbares Drehmoment. Somit können mehrere weitere Kriterien zur Überprüfung des Einspurens herangezogen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Ritzel durch einen Elektromotor angetrieben, wobei zum Erfassen der auf die Drehzahl des Ritzels hinweisenden Größe eine an einem Innenwiderstand einer Windung des Elektromotors induzierte elektrische Spannung erfasst wird. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine direkte Erfassung der Drehzahl des Ritzels vermieden werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Start-Stopp-System, mit einem Ritzel, einem Elektromotor zum Antreiben des Ritzels, einer Einrichtung zum Einspuren des Ritzels in einen Zahnkranz eines anzutreibenden Antriebs, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, und einer Überprüfungsvorrichtung zum Überprüfen des Einspurens des Ritzels auf der Basis einer auf eine Drehzahl des Ritzels oder auf eine Drehzahl des anzutreibenden Antriebs hinweisenden Größe.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Überprüfungseinrichtung ausgebildet, das erfindungsgemäße Verfahren zum Überprüfen des Einspurens auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des Verfahrens zum Überprüfen eines Einspurens eines Ritzels, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.
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Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden Bezug nehmenden auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Überprüfen eines Einspurens eines Ritzels; und
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2 ein Start-Stopp-System.
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1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Überprüfen eines Einspurens eines Ritzels eines Startersystems in einen Zahnkranz eines anzutreibenden Antriebs mit dem Schritt des Erfassens 101 einer auf die Drehzahl des Ritzels oder auf die Drehzahl des anzutreibenden Antriebs hinweisenden Größe, und dem Schritt des Überprüfens 103 des Einspurens auf der Basis der erfassten Größe. Das Verfahren kann ferner den Schritt des Vergleichens 105 der Größen miteinander oder jeweils mit einem Schwellwert umfassen.
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Das in 1 dargestellte Ablaufdiagramm verdeutlicht gleichzeitig die Struktur einer Vorrichtung, welche beispielsweise programmtechnisch oder in Hardware eingerichtet und vorgesehen ist, das Verfahren zum Überprüfen des Einspurens auszuführen.
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2 zeigt ein Startersystem mit einem Elektromotor 201 sowie einem Ritzel 203. Das Startersystem umfasst ferner eine Einspurwicklung 205, welche beispielsweise in einem Relais angeordnet ist, sowie eine Starterwicklung 207 zum Starten des Startvorgangs. Die Starterwicklung 207 kann ebenfalls in einem Relais oder in dem vorstehend genannten Relais angeordnet sein.
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Das Startersystem kann ferner einen ersten Schalter 209, beispielsweise einen Transistor, und einen zweiten Schalter 211 aufweisen, welche zur Initiierung bzw. Steuerung der vorgenannten Vorgänge eingesetzt werden können. Der zweite Schalter 211 ist beispielsweise mit einem Anschluss des Elektromotors 201 verbunden, wobei zwischen dem Elektromotor 201 und dem Schalter 211 ein Widerstand 213, beispielsweise ein Widerstand RV, angeordnet ist.
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Das Startersystem umfasst ferner eine Startersteuerung 215, welche die Schalter 209 und 211 aktiviert. Die Startersteuerung umfasst ferner einen ersten Anschluss 217, welcher mit dem Widerstand 213 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss 219, welcher mit der mit dem Elektromotor 201 verbundenen Leitung verbunden ist.
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Ferner ist eine Motorsteuerung 221 vorgesehen, welche mit der Startersteuerung 215 sowie mit einem Relais 223, das einen Schalter 225 öffnet oder schließt, verbunden ist. Wird der Schalter 225 geschlossen, so wird eine an dessen Eingang anliegende Spannung der Wicklung 205 oder der Wicklung 207 zugeleitet.
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Wird das Einspuren initiiert, so wird das Ritzel 203 mittels eines Hebels und einer Feder vorgeschoben und in einen in 2 ebenfalls dargestellten Zahnkranz 227, im Idealfall, eingespurt. Nach dem Andrehen des Ritzels 203 mittels des Elektromotors 201 kann beispielsweise eine Drehzahl des Verbrennungsmotors, welche in einem Fahrzeug ohnehin erfasst wird, erfasst werden. Zur Erfassung einer auf die Drehzahl des Ritzels abhängigen Größe können über die Anschlüsse 219 und 217 der Strom und die Spannung erfasst werden, um eine in dem Motor 201 durch eine Drehung des Ritzels induzierte Spannung zu erfassen. Diese kann beispielsweise aus einer Differenz der erfassten Spannung und einem Produkt des Stroms mit einem Innenwiderstand des Motors 201 bestimmt werden.
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Somit ist es nicht notwendig, eine Drehzahlerfassung am Starter durchzuführen, um auf dessen Drehzahl zu schließen. Alternativ kann eine Schätzung auch über eine Ansteuerdauer des Starters durchgeführt werden. Die Erfassung der Drehzahl des Elektromotors muss nicht allzu genau sein, so dass eine Ungenauigkeit von ±10% tolerierbar ist, was insbesondere bei kleinen Drehzahlen von Vorteil ist. Darüber hinaus ermöglicht das erfindungsgemäße Konzept einen Verzicht auf eine Messung der Positionen des Ritzels und eines Einspurankers des Elektromotors, was eine einfache Realisierung ermöglicht.
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Bevorzugt kann beim Einspuren des Ritzels beispielsweise in einem Auslauf des Verbrennungsmotors dessen Drehzahl sporadisch oder ständig mit einer erwarteten Synchrondrehzahl, welche einen Schwellwert darstellt, verglichen werden. Der Einspurvorgang kann beispielsweise bei einer Überschreitung einer maximalen Drehzahldifferenz, welche ebenfalls einen Schwellwert darstellen kann, abgebrochen werden. In einer Pre-Start-Phase kann beispielsweise eine Drehzahlüberwachung des Verbrennungsmotors insbesondere beim Andrehen des Starters durchgeführt werden, wobei der Startvorgang abgebrochen werden kann, falls beispielsweise keine Drehung einer Welle oder eines Schwungrades oder des Zahnkranzes des Verbrennungsmotors erkannt wird. Zeitlich kann darüber hinaus auch eine Überlast des Starters beim Startvorgang, welche beispielsweise durch eine Blockierung hervorgerufen werden kann, überwacht werden, so dass eine Beschädigung des Starters im Falle einer Blockierung durch einen Abbruch des Einspurvorgangs vermieden werden kann.
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Das erfindungsgemäße Konzept liefert eine Mehrzahl von Schutzfunktionen, welche vorteilhaft eingesetzt werden können. Eine erste Schutzfunktion für den Fall des Einspurens im Auslauf kann beispielsweise nach einem Aktivieren des Einspurvorgangs eine Überprüfung der Motordrehzahl vorsehen, welche Beispielsweise über das CAN (Controller Area Network) beispielsweise in einem 10-ms-Task gelesen und auf eine maximale Differenz über eine erwartete Synchrondrehzahl, welche einen Schwellwert darstellt, geprüft werden. Falls die Drehzahldifferenz beispielsweise dauerhaft in einem bestimmten Zeitraum, welcher beispielsweise 30 ms betragen kann, einen Grenzwert Δn_max überschreitet, so wird der Einspurvorgang beispielsweise abgebrochen. Bevorzugt kann die vorstehend genannte Schutzfunktion während des Einspurvorgangs aktiviert werden.
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Eine zweite Schutzfunktion für den Fall einer Pre-Start-Phase kann beispielsweise wie folgt definiert werden: Nach einer bestimmten Zeit von beispielsweise 150 ms nach einer Aktivierung des Startvorgangs unter Verwendung des Pre-Starts, beispielsweise beim Andrehen des Starters sowohl beim Schlüsselstart als auch beim Stopp-Start, wird die Motordrehzahl z. B. über CAN eingelesen. Wird beispielsweise spätestens nach einer weiteren bestimmten Zeit von beispielsweise 50 ms keine Motordrehzahl größer als eine Drehzahlschwelle von beispielsweise 20 U/min festgestellt, so kann der Startvorgang unterbrochen werden. Alternativ kann auch geprüft werden, ob der anzutreibende Antrieb, beispielsweise ein Verbrennungsmotor, nach einer bestimmten. Zeit von beispielsweise 200 ms einen bestimmten Winkelbereich von z. B. 24° aufweist oder überstrichen hat. Die zweite Schutzfunktion bietet gleichzeitig ebenfalls einen Schutz gegen eine Überlast durch eine Blockierung des Verbrennungsmotors, da die erforderliche Motorbewegung dann ebenfalls nicht innerhalb der vorgegebenen Zeit erreicht wird.
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Gemäß einer Ausführungsform können die in 2 dargestellten Steuerungen 215 und 227 in einem Steuergerät, beispielsweise in einem Motorsteuergerät, das programmtechnisch eingerichtet sein kann, zusammengefasst sein. Die in 2 dargestellten Schalter 209, 211 und 225 können beispielsweise als Halbleiterschalter oder als Relaisschalter realisiert werden.
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Das erfindungsgemäße Konzept kann in allen bekannten Start-Stopp-Startersystemen, bei denen der Einspur- und der Startervorgang getrennt gesteuert werden, eingesetzt werden. Derartige Start-Stopp-Starter können beispielsweise in PKWs oder in so genannten Light CVs (CV: Consumer Vehicle) eingesetzt werden.
