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Stand der Technik
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Das technische Gebiet der Erfindung betrifft einen Starter für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges.
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Zum Starten einer Brennkraftmaschine oder eines Verbrennungsmotors wird herkömmlicherweise ein Startermotor eines Starters verwendet. Ein Starter-Relais des Starters spurt ein Startritzel des Starters zum Eingriff mit einem Zahnkranz der Kurbelwelle bei stehender Brennkraftmaschine ein, um die Kurbelwelle über den so erstellten Ritzel-Zahnkranzeingriff anzudrehen.
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Dabei dreht der Starter den Verbrennungsmotor auf eine Mindestdrehzahl, so dass ein selbständiges Ablaufen des Verbrennungsvorgangs und das Erreichen eines stabilen Leerlaufs des Verbrennungsmotors ermöglicht sind.
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Im Vergleich zum Einsatz herkömmlicher Start-Systeme ohne Start/Stopp-Funktionalität führt der Einsatz von Start/Stopp-Systemen zu einer Erhöhung der Starthäufigkeit.
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Als Startermotoren werden hauptsächlich mechanisch kommutierte Gleichstrommotoren eingesetzt. Dabei wird der Strom über ein oder mehrere Bürstenpaare über den Kommutator in die Ankerwicklung eingeleitet. Die Bürsten bestehen meist aus einem Sinterwerkstoff, welcher insbesondere Kupferanteile und Graphitanteile hat. Dabei sind die Starter typischerweise für den kurzzeitigen Betrieb ausgelegt und herkömmlicherweise für 30.000 bis 60.000 Schaltzyklen geeignet.
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Soll der Starter für höhere Lasten oder für längere Laufzeiten, wie z. B. beim Start/Stopp-Betrieb erforderlich, ausgelegt werden, so kann die Verwendung von möglichst vielen Kohlebürstenpaaren zu einer maximalen Lebensdauer führen. Beispielsweise im Falle eines Start/Stopp-Starters für eine sechspolige Elektromaschine können dabei nicht wie herkömmlicherweise vier Kohlebürsten, sondern sechs Kohlebürsten zum Einsatz kommen.
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Kommt es für Anwendungen von vier Kohlebürsten zu einem Überlastfall, beispielsweise bei einer langen Ansteuerung des Starters ohne Anspringen des Verbrennungsmotors oder bei einem internen Starterfehler, so ist zu gewährleisten, dass die äußeren Komponenten nicht glühen oder brennen.
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So ist es für vier Kohlebürsten bekannt, eine gezielte Schwächung von Kohlebürstenlitzen oder auch von Stromschienen einzubauen, um in einem solchen Falle einen Ausfall im Inneren des Starters zu bewirken. Beispielsweise werden Kohlbürsten mit einem geringeren Litzenquerschnitt vorgesehen, um in einem solchen Fall ein sicheres Durchbrennen zu gewährleisten.
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In gleichem Maße können auch für den Fall von sechs Kohlebürsten entsprechende Vorkehrungen getroffen werden.
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Außerdem werden für hohe Rotationsgeschwindigkeiten für den Anker Kommutatoren mit einer oder zwei Armierungen eingesetzt, damit die Kommutatoren nicht bei den hohen Rotationsgeschwindigkeiten zerstört werden.
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Durch eine über die Litzentemperatur an der jeweiligen Bürste gesteuerte Schmelzsicherung der Starter kommt es je nach Lastpunkt und je nach Belastungsart zu einem relativ frühen oder späten Durchschmelzen der Bürstenlitzen. Des Weiteren kann durch ein gezieltes Wiederholen der Belastung ein Temperaturausgleich zwischen innen liegenden und außen liegenden Teilen entstehen, so dass sehr hohe Temperaturen insbesondere an der Litze 45 entstehen können, an welcher der Startermotor gekoppelt ist.
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Ferner können durch eine gezielte Schwächung der Querschnitte der Bürstenlitzen zur Schmelzsicherung auch noch weitere Nachteile im System entstehen. Damit die maximale Leistung eines Starters erreicht werden kann, ist es vorzugsweise wünschenswert, möglichst dicke Litzen in die Bürsten zu führen. Vorwiegend bei kleineren Startern können aufgrund dieser Verringerung der Querschnitte kleine Reserven in der Leistung potenziell nicht mehr nutzbar gemacht werden.
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Weil die Ansteuerzeiten eines Starters zumeist fest vorgegeben sind, wird herkömmlicherweise auf die an dem Starter herrschende Temperatur, beispielsweise in der Litze 45, keine Rücksicht genommen. So steht herkömmlicherweise für einen Start bei –25°C Motortemperatur und bei 90°C Motortemperatur die gleiche Zeitspanne zur Verfügung. Im Einzelfall kann es aufgrund der bereits an dem Starter vorherrschenden Temperatur, z. B. bei einem Wagenstart bei 90°C, zu einer Beschädigung am Starter kommen, welcher in der Folge zu einem Ausfall führen kann.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 004 30881 A1 zeigt eine Parallel-Startanlage zum Starten eines Verbrennungsmotors mit mindestens zwei zueinander parallel geschalteten Startern. Jedem der Starter ist jeweils ein Thermoschalter zugeordnet, welcher im Falle eines Ansprechens den Betrieb des jeweiligen zugehörigen Starters unterbricht. Die Thermoschalter sind in Reihe geschaltet, so dass im Falle eines Auslösens einer dieser Thermoschalter der Betrieb aller Starter unterbrochen wird.
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Die Druckschrift
EP 1 313 946 B1 zeigt eine elektrische Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit Überlastschutz. Dabei wird ein innerhalb des Startermotors liegender Abschnitt des Hauptstromkreises des Starters als Schmelzsicherung ausgebildet.
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Die Druckschrift
DE 39 22 492 A1 beschreibt eine Starterschutzschaltung für eine Andreh-Einrichtung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges. Zum Schutz der Andreh-Einrichtung ist vorgesehen, dass dem Starter ein Thermoschalter zugeordnet ist, der bei Ansprechen ein den Starterbetrieb unterbrechendes Relais betätigt, und dass nach Wiederannahme des Kalt-Schaltzustandes des Thermoschalters ein erneuter Starterbetrieb mittels eines Relais-Betätigungstasters erfolgen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Polymerschalter dazu eingerichtet werden kann, bei einem Ansprechen ein einen Betrieb des Starters unterbrechendes Relais zu betätigen.
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Der Polymerschalter hat ein aktives Material, welches in einem engen Temperaturbereich, beispielsweise 140°C bis 160°C, einen sehr hohen Temperatur-Koeffizienten (PTC) aufweist. Dabei steigt der elektrische Widerstand infolge des Erreichens des kristallinen Schmelzpunktes. Wird ein solcher PTC-Leiter in Serie in den elektrischen Stromkreis des Starters geschaltet, so kann dies vorteilhafterweise zur Stromunterbrechung genutzt werden, wenn der durchfließende Strom das Material des PTC-Leiters auf die kritische Temperatur, z. B. 140°C, erwärmt. Auch wenn über den Starter ein unzulässiger Dauerstrom fließt, kann der erfindungsgemäße Polymerschalter die Abschalttemperatur einhalten, so dass erst beim Abkühlen, d. h. wenn die Ursache für den unzulässigen Stromanstieg behoben ist, der Polymerschalter den Stromkreis wieder automatisch schließt. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Schmelzsicherung wird der Stromkreis durch den Polymerschalter insbesondere wieder automatisch geschlossen.
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Wird bei einem Starter mit vier oder sechs Kohlebürstenhalter und einem armierten Kommutator, insbesondere bei einer 6-poligen Maschine, eine Temperaturüberwachung mittels Polymerschalter, beispielsweise an der Litze oder Klemme 45, eingesetzt, so kann im Überlastfall ein Durchbrennen der Litze oder eine zu hohe Erwärmung im Inneren des Starters verhindert werden. Ferner kann ein potenzielles Glühen oder Brennen von äußeren und inneren Komponenten am Starter vorteilhafterweise vermieden werden. Auch an sonstigen elektrischen Bauteilen neben der Litze 45 kann im Starter eine erfindungsgemäße Temperaturüberwachung vorgenommen werden. Beispiele für solche elektrischen Bauelemente sind Stromschienen oder Kohlebürsten.
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Demgemäß wird ein Starter für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges vorgeschlagen, welcher einen Polymerschalter aufweist. Der Polymerschalter ist dazu eingerichtet ist, bei einem Ansprechen ein einen Betrieb des Starters unterbrechendes Relais zu betätigen.
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Ferner wird ein Start/Stopp-System für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches zumindest einen wie oben erläuterten Starter aufweist.
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Weiters wird ein Start/Stopp-System für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches eine Mehrzahl von unterschiedlich ausgelegten Startern und eine entsprechende Mehrzahl zugeordneter, unterschiedlich ausgelegter Polymerschalter aufweist. Der jeweilige Polymerschalter ist dazu eingerichtet, bei Ansprechen ein einen Betrieb des zugeordneten Starters unterbrechendes Relais zu betätigen.
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Weiterhin wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches ein solches Start-/Stopp-System aufweist. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist ein Kraftfahrzeug ein Personenkraftwagen (Pkw), ein Lastkraftwagen (Lkw) oder ein Nutzkraftfahrzeug (Nkw).
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Des Weiteren wird ein Verfahren zum Herstellen eines Starters für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges vorgeschlagen, welches folgende Schritte aufweist: In einem ersten Schritt wird ein Relais bereitgestellt, welches dazu eingerichtet ist, einen Betrieb des Starters zu unterbrechen. In einem zweiten Schritt wird ein Polymerschalter in Serie zu dem Relais angeordnet. Der Polymerschalter betätigt bei einem Ansprechen das unterbrechende Relais.
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In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des in Anspruch 1 angegebenen Starters und des in Anspruch 10 angegebenen Verfahrens.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung hat der Polymerschalter in einem vorbestimmten Temperaturbereich einen relativ zu anderen Temperaturbereichen hohen Temperaturkoeffizienten.
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Der vorbestimmte Temperaturbereich ist insbesondere eng, d. h. vorzugsweise kleiner oder gleich 20°C. Somit ist der vorliegende Überlastschutz optimiert.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Temperaturbereich 120°C bis 180°C. Bevorzugt ist der Temperaturbereich 130°C bis 170°C. Besonders bevorzugt ist der Temperaturbereich 140°C bis 160°C.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Polymerschalter dazu eingerichtet, eine vorbestimmte Ansteuerzeit für den Starter einzustellen.
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Vorteilhafterweise kann durch die Verwendung des Polymerschalters und insbesondere der elektrischen Schalteigenschaften des Polymerschalters die Ansteuerzeit für den Starter sehr genau eingestellt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Polymerschalter dazu eingerichtet, eine Ansteuerung des Starters nach Ablauf der Ansteuerzeit zu unterbrechen.
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Durch die Verwendung des Polymerschalters als Thermoschalter kann vorliegend die Ansteuerzeit für den Starter exakt eingestellt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Polymerschalter dazu eingerichtet, bei einem Überschreiten einer ersten Temperatur an einer vorbestimmten Stelle des Starters zu öffnen und bei Unterschreiten einer zweiten Temperatur an der bestimmten Stelle des Starters wieder zu schließen. Die vorbestimmte Stelle ist beispielsweise die Klemme 45.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die erste Temperatur eine Temperatur aus einem Bereich zwischen 140°C und 160°C.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die zweite Temperatur eine Temperatur aus einem Bereich zwischen 110°C und 130°C.
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Beispielsweise bei einer Temperatur von unter 40°C an dem Motor und dem Starter ist der Motor kalt und der Starter kann bis zu einer oberen Grenztemperatur, für die der Polymerschalter ausgelegt ist, belastet werden. Dabei wird sich der Starter innen stärker erwärmt als außen, so dass eine kritische Temperatur von beispielsweise 150°C an der Litze 45 vorgegeben werden kann.
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Ferner wird ein Start/Stopp-System für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches zumindest einen Thermoschalter aufweist, der als Bimetall-Schalter ausgebildet ist. Der Bimetall-Schalter ist dazu eingerichtet, bei einem Ansprechen ein einen Betrieb des Starters unterbrechendes Relais zu betätigen. Gegenüber einer Schmelzsicherung hat der Bimetall-Schalter den Vorteil, dass er ohne großen Aufwand für eine jede gewünschte Auslösetemperatur entwickelt werden kann. Des Weiteren ist es möglich, ihn mit einer Flip-Flop-Charakteristik als schnellen Schalter auszugestalten. Ferner ist es möglich, ihn als monostabilen Schalter oder bistabilen Schalter auszugestalten. Der monostabile Bimetall-Schalter schaltet sich nach dem Abkühlen wieder selbst ein. Der bistabile Bimetall-Schalter kehrt nicht mehr selbstständig in seine Ausgangslage zurück.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine zu dem Bimetall-Schalter parallel geschaltete Heizwendel vorgesehen, die ein automatisches Wiedereinschalten erst nach Aufheben eines Kurzschlusses zulässt. Die Unempfindlichkeit des Bimetall-Schalters gegenüber Einschaltstromspitzen sowie das Fehlen eines Alterungseffektes durch eine Temperaturbeanspruchung im Anwendungsbereich des Starters sind weitere Vorteile des Bimetall-Schalters gegenüber einer herkömmlichen Schmelzsicherung.
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Des Weiteren wird ein Start/Stopp-System für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches eine Mehrzahl von unterschiedlich ausgelegten Startern und eine entsprechende Anzahl zugeordneter, unterschiedlich ausgelegter Bimetall-Schalter aufweist, wobei der jeweilige Bimetall-Schalter dazu eingerichtet ist, bei Ansprechen ein einen Betrieb des zugeordneten Starters unterbrechendes Relais zu betätigen.
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Vorteilhafterweise kann mittels des Bimetall-Schalters oder mittels des Polymerschalters ein gezieltes Abschalten des Starters bei Überlastung erzielt werden. Des Weiteren kann damit auch eine Regulierung der Ansteuerzeiten des Starters bewerkstelligt werden, womit eine aufwändige Logik-Programmierung der Ansteuerungszeiten vorteilhafterweise entfallen kann. Weiter können verschiedene Bimetall-Schalter oder Polymerschalter mit unterschiedlichen Größen in einer Applikation kombiniert werden.
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Die erfindungsgemäße Thermoüberwachung mittels Polymerschalter oder Bimetall-Schalter kann auch noch einen weiteren Vorteil haben. Für unterschiedliche Applikationen können unterschiedliche Strategien eingesetzt sein, um einen Missbrauch des Starters und von sonstigen Komponenten zu verhindern. Die Ansteuerung des Starters wird dabei meist über Zeitfenster realisiert. Eine solche maximale Ansteuerzeit kann beispielsweise 30 Sekunden betragen. Nach einer solchen Ansteuerung von 30 Sekunden folgt insbesondere eine Pause von beispielsweise 60 Sekunden.
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Je nach Belastung ist es aber möglich, dass es innerhalb der maximalen Ansteuerzeit von beispielsweise 30 Sekunden zu keiner Überhitzung kommt, so dass noch weitere Zeit für einen Startversuch verwendet werden könnte. Handelt es sich jedoch um einen extremen Start, so könnte die Belastungsgrenze bereits deutlich unterhalb von 30 Sekunden überschritten sein. Dabei wird die Ausgangstemperatur des Starters vor der Belastung erfindungsgemäß beachtet. Somit kann es durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung kaum zu einer Beschädigung des Starters und eventuell von sonstigen Komponenten kommen.
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Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Starters für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, welche mit einer Batterie gekoppelt ist; und
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2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Starters für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges.
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Die 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Starters 101 für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges. Der Starter 101 hat einen Polymerschalter 103. Der Polymerschalter 103 ist zwischen einer Klemme 105 und einer Einzugswicklung 107 des Starters 101 geschaltet. Die Klemme 105 ist beispielsweise als Litze 45 ausgebildet.
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Mit der Klemme 105 ist ein Startermotor 109 gekoppelt. Der Startermotor 109 ist weiter mit einer Haltewicklung 111 gekoppelt. Die Haltewicklung 111 sowie die Einzugswicklung 107 sind mittels eines Relais 113 schaltbar. Der Starter 101 ist über eine Klemme 115 und über eine Klemme 117 mit der Batterie 119 gekoppelt.
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Die Klemme 115 ist beispielsweise als Klemme 30 des Kraftfahrzeuges ausgebildet. Die Klemme 117 ist beispielsweise als Klemme 50 des Kraftfahrzeuges ausgebildet.
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Die Batterie 119 hat eine Spannungsquelle 121 und einen dazu in Serie geschalteten Widerstand 123.
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Zwischen der Klemme 115 und der Batterie 119 ist ein Widerstand 125 geschaltet.
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Zwischen der Klemme 117 und der Batterie 119 sind ein Zündschloss 127 und ein dazu in Serie geschalteter Widerstand 129 geschaltet.
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Die 2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Starters für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges.
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In einem Schritt 201 wird ein Relais bereitgestellt, welches dazu eingerichtet ist, einen Betrieb des Starters zu unterbrechen.
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In einem Schritt 203 wird in Serie zu dem Relais ein Polymerschalter geschaltet. Der Polymerschalter ist dazu eingerichtet, bei Ansprechen das unterbrechende Relais zu betätigen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10200800430881 A1 [0014]
- EP 1313946 B1 [0015]
- DE 3922492 A1 [0016]
