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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Einspurvorgangs eines Einspurritzels eines Startermotors für einen Fahrzeugantrieb, bei dem ein Anker des Startermotors bewegt wird.
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Stand der Technik
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Es sind Startermotoren bekannt, bei denen beim Startvorgang ein Einspurritzel des Startermotors mit Hilfe eines Hubmagneten in einen Zahnkranz eines Fahrzeugantriebs, insbesondere eines Verbrennungsmotors, eingespurt wird. Beispielsweise schließt das Einspurritzel beim oder vor dem Erreichen einer eingespurten Endposition eine Kontaktbrücke im Hubmagneten, wodurch der elektrische Startermotor mit Strom versorgt wird.
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Im Idealfall sind das Einspurritzel des Startermotors und ein entsprechender Zahnkranz im Fahrzeugantrieb derart relativ zueinander verdreht angeordnet, dass bei einem Aktivieren eines Hubmagneten das Einspurritzel unmittelbar in den Zahnkranz hineingleitet. Jedoch ist es auch möglich, dass ein Zahn des Ritzels beim Einspurvorgang zunächst ganz oder teilweise mit einem Zahn des Zahnkranzes überlappt und dadurch das direkte Einspuren verhindert wird. Insbesondere bei einem verschlissenen Ritzel oder einem verschlissenen Zahnkranz kann es in einer solchen Situation dazu kommen, dass der Startermotor zu rotieren beginnt und das Einspurritzel wegen der Zahnstellung nicht in den Zahnkranz einspurt. Vielmehr können die Zähne des Einspurritzels und die Zähne des Zahnkranzes übereinander hinweggleiten, so dass der Fahrzeugantrieb von dem Startermotor nicht angetrieben wird.
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Bei herkömmlichen Startermotoren wird beispielsweise dementsprechend überprüft, ob nach einer bestimmten Zeit ein Einspurvorgang abgeschlossen ist. Falls nach dieser bestimmten Zeit kein erfolgreicher Einspurvorgang detektiert werden kann, wird beispielsweise der Einspurvorgang abgebrochen und kann neu gestartet werden. Dies kann sich aber ungünstig auswirken auf den Betrieb von Startermotoren in Start-Stopp-Systemen, bei denen ein Neustart des Fahrzeugantriebs in möglichst geringer Zeit erfolgen soll.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann daher darin gesehen werden, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Einspurvorgangs eines Einspurritzels eines Startermotors für einen Fahrzeugantrieb anzugeben, mit welchen sich in kürzerer Zeit eine Eigenschaft des Einspurvorgangs bestimmen lässt.
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Die Aufgabe wird gelöst mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt wird ein Verfahren zum Überwachen eines Einspurvorgangs eines Einspurritzels eines Startermotors für einen Fahrzeugantrieb bereitgestellt, bei dem ein Anker des Startermotors bewegt wird. Hierbei wird eine Geschwindigkeit einer Bewegung des Ankers erfasst und, auf der Basis der erfassten Geschwindigkeit, eine Eigenschaft des Einspurvorgangs ermittelt.
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Die Geschwindigkeit des Ankers entspricht beispielsweise der Geschwindigkeit, mit der das Einspurritzel sich in Richtung eines Zahnkranzes des Fahrzeugantriebs bewegt. Die erfasste Geschwindigkeit kann somit in vorteilhafter Weise dazu verwendet werden, zu beurteilen, wie der Einspurvorgang des Einspurritzels verläuft oder verlaufen ist. Zudem kann die ermittelte Eigenschaft in vorteilhafter Weise auch in einer Prognose über den weiteren Verlauf des Einspurvorgangs liegen, um beispielsweise auf Basis der Prognose eine Steuerung des Einspurvorgangs zu kontrollieren.
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In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die ermittelte Eigenschaft wenigstens eines der folgenden: einen erfolgreich durchführbaren Einspurvorgang, einen erfolgreich durchgeführten Einspurvorgang, einen verzögert ablaufenden Einspurvorgang, einen nicht erfolgreich durchgeführten Einspurvorgang, einen nicht erfolgreich durchführbaren Einspurvorgang, eine Zahn-auf-Zahn-Stellung des Einspurritzels bei dem Einspurvorgang. Somit kann mit geringem Aufwand eine Qualität des Einspurvorgangs beurteilt werden.
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Beim Erfassen der Geschwindigkeit kann in verschiedenen Ausführungsformen ein zeitlicher Verlauf der Geschwindigkeit aufgenommen werden. Dementsprechend kann das Ermitteln der Eigenschaft eine Auswertung eines Geschwindigkeitsverlaufs umfassen. Beispielsweise wird mit einer vorgegebenen zeitlichen Auflösung eine Momentangeschwindigkeit des Ankers festgestellt und als Grundlage für die Ermittlung der Eigenschaft des Einspurvorgangs verwendet. Dadurch wird es vereinfacht möglich, eine Eigenschaft des Einspurvorgangs bereits während des noch ablaufenden Einspruchvorgangs zu ermitteln. Somit kann beispielsweise schneller auf bestimmte ermittelte Eigenschaften reagiert werden.
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In verschiedenen Ausführungsformen erfolgt das Erfassen der Geschwindigkeit durch eine Messung eines Signalprofils, insbesondere eines Stromprofils, an einem Starterrelais des Startermotors. Die Messung des Signalprofils kann beispielsweise an einer Klemme des Starterrelais erfolgen, über die ein Hubmagnet zur Anziehung des Ankers mit Strom versorgt wird, wobei hierfür vorzugsweise ein Shunt als Messwiderstand eingesetzt wird. Beispielsweise ist eine solche Klemme eine sogenannte Klemme 50 einer Fahrzeugelektrik. Aus dem Signalprofil kann beispielsweise ein Rückschluss auf die jeweilige Geschwindigkeit des Ankers gezogen werden. Hierzu wird beispielsweise der Signalverlauf des Signalprofils ausgewertet, insbesondere bezüglich absoluter Größen im Signalverlauf und Steigungen im Signalverlauf.
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Es ist auch möglich, dass für einen Startermotor ein Referenzprofil erstellt wird, welches beispielsweise einen idealen, erfolgreich durchgeführten Einspurvorgang darstellt. Ein solches Referenzprofil lässt sich beispielsweise analytisch oder durch Referenzmessungen vor Inbetriebnahme des Startermotors erstellen.
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Dementsprechend ist es möglich, dass das Ermitteln der Eigenschaft ein Vergleichen des gemessenen Signalprofils mit einem Referenzprofil umfasst. Bei einem derartigen Vergleich kann somit mit geringem Aufwand die Eigenschaft des Einspurvorgangs ermittelt werden.
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Das Signalprofil eines Einspurvorgangs kann sich über die Lebensdauer des Startermotors hinweg verändern, so dass sich das Signalprofil eines erfolgreich durchgeführten Einspurvorgangs am Beginn der Lebensdauer von einem Signalprofil bei einem erfolgreich durchgeführten Einspurvorgang gegen Ende der Lebensdauer unterscheidet. Dementsprechend kann das Referenzprofil in vorteilhafter Weise anpassbar, insbesondere anpassbar in Abhängigkeit einer Lebensdauer des Startermotors, gewählt sein. Dementsprechend kann über einen Vergleich mit einem angepassten Referenzprofil auch eine abgelaufene Lebensdauer des Startermotors ermittelt bzw. geschätzt werden. Beispielsweise ist eine momentane Lebensdauer durch die Zahl der bereits absolvierten Startvorgänge oder durch Zahl fehlerbehafteter Startvorgänge des Startermotors definiert. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Grad der Abnutzung des Startermotors, insbesondere des Einspurritzels und/oder des zugehörigen Zahnkranzes, bestimmt werden. Wenn anhand eines gemessenen Signalverlaufs beispielsweise ein bestimmter Grad der Abnutzung ermittelt wird, dann kann dies signalisiert werden, um mögliche weitere Maßnahmen anzustoßen.
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Alternativ oder zusätzlich ist es in verschiedenen Ausführungsformen möglich, dass beim Ermitteln der Eigenschaft des Einspruchvorgangs ein Vergleichen einer ersten Amplitudenüberhöhung in dem Signalprofil mit einer zweiten Amplitudenüberhöhung in dem Signalprofil durchgeführt wird. Dementsprechend kann das Ermitteln der Eigenschaft mit geringem Aufwand erfolgen.
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Beispielsweise wird der Einspurvorgang als erfolgreich durchgeführt ermittelt, wenn die zweite Amplitudenüberhöhung um einen Schwellwert geringer als die erste Amplitudenüberhöhung ist. Beispielsweise wird mittels des Schwellwerts vorab festgelegt, um welchen Betrag sich zwei zeitlich aufeinander folgende Amplitudenüberhöhungen voneinander unterscheiden sollen, um einen erfolgreich durchgeführten Einspurvorgang feststellen zu lassen. Ein solcher Schwellwertvergleich kann mit geringem Aufwand sowohl in der Herstellung als auch im Betrieb durchgeführt werden.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann das Ergebnis der ermittelten Eigenschaft für weitere, folgende Aktionen ausgewertet werden. Beispielsweise wird wenigstens eines der folgenden ausgeführt, wenn der Einspurvorgang nicht als erfolgreich durchgeführt ermittelt wird: Das Signalprofil wird gespeichert, beispielsweise, um es später mit weiteren gespeicherten Signalprofilen gemeinsam auszuwerten; ein Fehlerzähler wird erhöht, um beispielsweise bei einem Service oder einer Inspektion des Startermotors als Hinweis auf einen Verschleiß des Startermotors ausgewertet zu werden; der Einspurvorgang wird abgebrochen und/oder neu gestartet, um eine mögliche mechanische Abnutzung bei einem fehlerhaften Einspurvorgang zu verhindern bzw. zu verringern; eine Warnmeldung wird ausgegeben, beispielsweise an eine Steuerelektronik oder über die Steuerelektronik an einen Nutzer.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zum Überwachen eines Einspurvorgangs eines Einspurritzels eines Startermotors für einen Fahrzeugantrieb bereitgestellt, bei dem ein Anker des Startermotors bewegt wird. Die Vorrichtung umfasst einen Sensor, der eingerichtet ist, eine Geschwindigkeit einer Bewegung des Ankers zu erfassen, und einen Detektor, der eingerichtet ist, auf der Basis der erfassten Geschwindigkeit eine Eigenschaft des Einspruchvorgangs zu ermitteln.
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Eine derartige Vorrichtung lässt sich beispielsweise vorteilhaft bei Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren, einsetzen. Durch die Ermittlung des Eigenschaft des Einspruchvorgangs auf Basis der Geschwindigkeit kann diese Ermittlung mit geringer zeitlicher Verzögerung, insbesondere bereits während des Einspurvorgangs, erfolgen. Damit lässt sich eine derartige Vorrichtung vorteilhaft bei Verbrennungsmotoren mit Start-Stopp-Funktion einsetzen, bei denen ein schneller und fehlerfreier Startvorgang von Bedeutung ist, insbesondere im Vergleich mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren ohne Start-Stopp-Funktion.
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Die Vorrichtung kann jedoch auch mit anderen Verbrennungsmotoren, insbesondere langsam auslaufenden Motoren, oder Motoren mit Automatikgetrieben verwendet werden, unabhängig davon, ob eine Start-Stopp-Funktion für solche Motoren implementiert ist.
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Verschiedene Ausgestaltungsformen der Vorrichtung, insbesondere des Sensors und des Detektors, ergeben sich aus den zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens, welche sich mit dem Sensor und dem Detektor realisieren lassen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen
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1 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Überwachen eines Einspurvorgangs eines Einspurritzels,
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2 eine schematische Darstellung eines ersten beispielhaften Einspurvorgangs,
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3 eine schematische Darstellung eines zweiten beispielhaften Einspurvorgangs,
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4 ein erstes beispielhaftes Signalprofil,
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5 ein zweites beispielhaftes Signalprofil, und
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6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Überwachen eines Einspurvorgangs eines Einspurritzels.
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1 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Überwachen eines Einspurvorgangs eines Einspurritzels. In einem Schritt 101 wird der Einspurvorgang gestartet, beispielsweise indem ein Anker des Startermotors über einen Hubmagneten in Bewegung gebracht wird. In einem folgenden Schritt 103 wird eine Geschwindigkeit einer Bewegung des Ankers erfasst. In einem Schritt 105 wird auf der Basis der im Schritt 103 erfassten Geschwindigkeit eine Eigenschaft des Einspurvorgangs ermittelt.
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Die Eigenschaft des Einspurvorgangs besteht beispielsweise darin, wie bzw. mit welcher Qualität der Einspurvorgang abläuft. Beispielsweise kann der Einspurvorgang ordentlich bzw. zügig durchgeführt werden, so dass ein erfolgreich durchgeführter Einspurvorgang vorliegt. Falls der Einspurvorgang aber von einem derartigen, idealen Verlauf abweicht, kann als Eigenschaft auch ein fehlerbehafteter Einspurvorgang ermittelt werden, wobei verschiedene Abstufungen für einen solchen fehlerhaften Einspurvorgang möglich sind.
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2 zeigt beispielsweise einen schematisch dargestellten Ablauf eines erfolgreichen Einspurvorgangs. Dabei sind beispielhaft ein Zahn 210 des Einspurritzels eines Startermotors und Zähne 220 eines Zahnkranzes eines zu startenden Fahrzeugantriebs, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, dargestellt. In der Darstellung der 2a wird beispielsweise mit Hilfe des Hubmagneten eine Kraft in Richtung des Pfeils auf den Zahn 210 ausgeübt, um diesen in die Zähne 220 des Zahnkranzes einzuspuren. Der Zahn 210 ist dabei derart relativ zu den Zähnen 220 des Zahnkranzes positioniert, dass ein Einspuren unmittelbar und ohne Behinderungen erfolgen kann. Dementsprechend ist in 2b der Zahn 210 des Einspurritzels im eingespurten Zustand im Zahnkranz dargestellt.
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In 3 ist beispielhaft ein fehlerbehafteter Einspurvorgang eines Zahnes 310 eines Einspurritzels in Zähne 320 eines Zahnkranzes dargestellt. In einer in 3a gezeigten Ausgangsstellung, bei der der Zahn 310 in Bewegung gesetzt wird, ist dieser relativ zum Zahnkranz so positioniert, dass sich der Zahn 310 mit einem der Zähne 320 gegenüberliegt. Dies resultiert beispielsweise in einer Anordnung, wie sie in 3b dargestellt ist, bei der der Zahn 310 an einen der Zähne 320 anstößt. In diesem Fall kann auch von einer Zahn-auf-Zahn-Stellung des Einspurritzels gesprochen werden. Man kann hierbei erkennen, dass es nicht zu einem unmittelbaren Einspuren des Einspurritzels kommt. Vielmehr wird der Einspurvorgang zumindest verzögert ablaufen, insbesondere im Vergleich mit einem ideal ablaufenden Einspurvorgang. Zudem ist es in dieser Konstellation möglich, dass der Einspurvorgang nicht erfolgreich durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann es sein, dass das Einspurritzel zu rotieren beginnt und die Zähne des Einspurritzels auf den Zähnen des Zahnkranzes reiben und es so zu einem ratschenartigen Geräusch kommt. Ein solcher Vorgang kann auch als Ratschen des Einspurritzels bezeichnet werden.
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In verschiedenen Ausgestaltungen kann es bei einer Zahn-auf-Zahn-Stellung erforderlich sein, dass von den Zähnen des Ritzels eine Einspurfeder überdruckt wird, was zu einem langsameren Einfahren des Ankers des Startermotors führt, was in Form der Geschwindigkeit detektierbar ist. Ein solches langsames Einfahren kann zum einen ein späteres Einspuren des Einspurritzels in den Zahnkranz zur Folge haben oder aber das sogenannte Ratschen indizieren, also ein kontinuierliches Springen des Ritzels auf den Zahnkranz, welches den Startvorgang verhindern kann.
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Durch die Auswertung der Geschwindigkeit, insbesondere eines Verlaufs der Geschwindigkeit des Ankers beim Einspurvorgang, kann ermittelt werden, welche Eigenschaft der Einspurvorgang aufweist. Insbesondere kann ermittelt werden, ob der Einspurvorgang eine der oben genannten Eigenschaften eines fehlerfreien oder fehlerbehafteten Einspurvorgangs aufweist. Die ermittelte Eigenschaft kann für weitere Aktionen verwendet werden. Beispielsweise kann, wenn ein Startvorgang, der zu einem Ratschen führt, erkannt wird, dieser abgebrochen bzw. neu gestartet werden. Dadurch sinkt die mechanische Belastung auf das Einspurritzel und den Zahnkranz, was die Lebensdauer des Startermotors erhöhen kann. Auch kann die jeweilige Eigenschaft des Einspurvorgangs über die Lebensdauer analysiert werden, beispielsweise durch Zwischenspeichern der ermittelten Eigenschaft, um bei einer Wartung oder Inspektion verwendet zu werden. Beispielsweise kann bei vermehrt auftretenden fehlerbehafteten Einspurvorgängen auf eine Abnutzung des Einspurritzels geschlossen werden und dementsprechend ein Austausch empfohlen werden.
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Wenn bei der Ermittlung eines fehlerbehafteten Einspurvorgangs dieser abgebrochen bzw. neu gestartet wird, kann eine erhöhte Sicherheit für einen Einspurvorgang erreicht werden, was insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit Start-Stopp-Funktion günstig ist.
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Die Geschwindigkeit kann beispielsweise auf Basis eines Signalprofils erfasst werden. Beispielsweise wird hierfür ein Strom an einem Starterrelais gemessen, wobei hierfür vorzugsweise ein Shunt als Messwiderstand eingesetzt wird. Beispielsweise werden Beträge, Amplitudenwerte oder auch eine Steigung des Signalprofils ausgewertet. Alternativ oder zusätzlich kann ein gemessenes Signalprofil auch mit einem gespeicherten Referenzprofil verglichen werden.
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4 zeigt einen beispielhaften Signalverlauf eines Signalprofils in Abhängigkeit der Zeit t. Der Signalverlauf der 4 entspricht beispielsweise einem erfolgreich durchgeführten Einspurvorgang. Aus der Graphik ist zu erkennen, dass nach einem Beginn des Einspurvorgangs, bei dem ein Hubmagnet mit Strom versorgt wird und eine Bewegung des Ankers beginnt, die Kraft auf das Ritzel bzw. den Anker wegen des kleiner werdenden Luftspalts im magnetischen Kreis ansteigt. Eine Geschwindigkeit einer Bewegung des Ankers ergibt sich aus der Steigung im Signalverlauf, beispielsweise aus einer rückinduzierten elektromagnetischen Kraft, welche sich als rückinduzierte Spannung in den Windungen des Hubmagneten entgegen einer Batteriespannung bemerkbar macht. Das Signal steigt bis zu einer ersten Amplitudenüberhöhung 401 an und fällt danach leicht ab. Bei einer günstigen Position des Einspurritzels ist es nicht notwendig, eine Einspurfeder zu überdrücken, so dass die Geschwindigkeit des Ankers nahezu unverändert bleibt. Dadurch ist es ausreichend, mit geringerer elektromagnetischer Kraft auf den Anker einzuwirken, was sich in der zweiten Amplitudenüberhöhung 402 bemerkbar macht. Die zweite Amplitudenüberhöhung 402 liegt betragsmäßig sichtbar unter der ersten Amplitudenüberhöhung 401. Beispielsweise ist die Differenz zwischen erster und zweiter Amplitudenüberhöhung 401, 402 größer als ein Schwellwert, so dass ein erfolgreich durchgeführter Einspurvorgang angenommen werden kann.
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In 5 ist ein weiterer beispielhafter Signalverlauf eines Einspurvorgangs dargestellt. Ähnlich wie in 4 sind auch in 5 eine erste und eine zweite Amplitudenüberhöhung 501, 502 zu erkennen. Jedoch ist die zweite Amplitudenüberhöhung 502 ungefähr gleich groß wie die erste Amplitudenüberhöhung 501. Dementsprechend kann aus dem Verlauf abgeleitet werden, dass eine Geschwindigkeit des Ankers im Verlauf des Einspurvorgangs verzögert wurde und deswegen ein zumindest teilweise fehlerbehafteter Einspurvorgang vorliegt. Beispielsweise kann abgeleitet werden, dass eine Zahn-auf-Zahn-Stellung des Einspurritzels mit dem Zahnkranz vorliegt.
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Insbesondere kann aus einem Verlauf, wie er in der 5 dargestellt ist, bereits während des Einspurvorgangs erkannt werden, dass dieser nicht fehlerfrei abläuft. Folglich kann der Einspurvorgang vorzeitig abgebrochen werden, um ihn beispielsweise neu zu starten. Folglich kann ein potenziell fehlerfreier, neuer Startvorgang schneller initiiert werden als bei einem herkömmlichen Startverfahren, bei dem beispielsweise nur das Ergebnis des Einspurvorgangs betrachtet wird.
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Eine Auswertung des gemessenen Signalprofils des Einspurvorgangs kann in verschiedenen Ausführungsformen auch durch einen Vergleich mit einem Referenzprofil erfolgen, welches beispielsweise einen Verlauf des erfolgreich durchgeführten Einspurvorgangs darstellt. Beispielsweise ähnelt ein solches Referenzprofil dem in 4 dargestellten Signalprofil.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Startersystems mit einer Startersteuerung 601, einem Starterrelais 603 und einem Startermotor 605. Das System umfasst ferner eine Überwachungsvorrichtung 607 mit einem Sensor 609 und einem Detektor 611, wobei der Sensor 609 mit einem Messwiderstand oder Shunt 613 gekoppelt ist.
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Die Startersteuerung 601 ist mit dem Starterrelais 603 gekoppelt, um über das Starterrelais 603 einen Startvorgang des Startermotors 605 auszulösen. Die Startersteuerung kann mit der Überwachungsvorrichtung 607 gekoppelt sein, um eine Information über einen zu startenden Startvorgang an die Vorrichtung 607 zu liefern. Der Sensor 609 erfasst über den Messwiderstand 613 ein Signal, insbesondere einen Strom, am Starterrelais 603. Aus dem Verlauf des gemessenen Signals kann eine Geschwindigkeit einer Bewegung des Ankers im Startermotor 605 abgeleitet werden. Auf Basis der erfassten Geschwindigkeit bzw. auf Basis des gemessenen Signalprofils wird in dem Detektor eine Eigenschaft des Einspruchvorgangs ermittelt. Bezüglich der verschiedenen Möglichkeiten der Auswertung und Ermittlung durch die Vorrichtung 607 bzw. dem Detektor 611 wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden.
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Ein System, wie es in 6 dargestellt ist, lässt sich insbesondere in einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor vorteilhaft einsetzen. Insbesondere eignet sich ein solches System für Motoren mit einer Start-Stopp-Funktion, bei denen der Verbrennungsmotor während einer Standphase des Fahrzeugs, beispielsweise während eines Ampelstopps, gestoppt wird und bei einem Weiterfahrwunsch eines Fahrers über den Startermotor erneut gestartet wird.
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Zusammenfassend stellt die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit, welche es insbesondere ermöglichen, dass ein Einspurvorgang eines Einspurritzels eines Startermotors derart überwacht wird, dass in kurzer Zeit eine Eigenschaft des Einspurvorgangs festgestellt werden kann, insbesondere ob der Einspurvorgang fehlerfrei oder fehlerbehaftet durchgeführt wird. Insbesondere kann ein fehlerbehafteter Einspurvorgang detektiert werden, bevor der Einspurvorgang abgeschlossen ist.
