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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Betätigung einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem Starter, der mit der Kurbelwelle verbindbar ist, ferner mindestens einer Batterie, die mit mindestens einem Starter über eine Schalteinrichtung verbindbar ist und mit einer Steuereinheit, die mit der mindestens einen Batterie und dem mindestens einen Starter verbunden ist. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betätigen der Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine sowie auf die Verwendung der Vorrichtung sowie des Verfahrens bei der Wartung einer Verbrennungskraftmaschine.
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Stand der Technik
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Bei Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen werden heutzutage elektrische Startersysteme eingesetzt, die mit Stromspeichern, wie z. B. Blei-Säure-Batterien, in Verbindung stehen. Um eine Beschädigung oder einen übermäßig starken Verschleiß der Verbrennungskraftmaschine, des Startersystems oder des Stromspeichers zu vermeiden, stellen die Hersteller der Verbrennungskraftmaschinen bestimmte Belastungsprofile zur Verfügung, welche die Verbrennungskraftmaschinen beispielsweise bei Service- und Wartungsarbeiten durchlaufen. Diese Belastungsprofile sind in der Regel zeitbasiert.
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Bei der Wartung von Verbrennungskraftmaschinen führt das Servicepersonal häufig Arbeiten aus, bei denen beispielsweise ein manuell erzeugtes Signal an die Steuerung der Verbrennungskraftmaschine übermittelt wird, welches bewirkt, dass ein Starter der Verbrennungskraftmaschine die Verbrennungskraftmaschine durchdreht. Der Hauptzweck einer derartigen Vorgehensweise, insbesondere bei großen Verbrennungskraftmaschinen, liegt darin, das manuell durchzuführende Durchpumpen eines Schmiermittels oder die Spülung eines Ölkreislaufs nach einem Ölwechsel während einer Wartungsarbeit zu erreichen. Vergleichbare Spülvorgänge werden beispielsweise durchgeführt, wenn eine biogasbetriebene Verbrennungskraftmaschine nach einer längeren Stillstandsphase erneut gestartet wird.
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Werden diese Durchdrehvorgänge der Verbrennungskraftmaschine ohne weitere Kontrollmöglichkeiten durchgeführt, können die dazu eingesetzten Startermotoren überhitzen, was zu einer erheblichen Beschädigung derselben führen kann, so dass deren Austausch erforderlich wird. Sind die Starter mit Temperatursicherungen ausgerüstet, so ist nach einem Durchdrehvorgang aufgrund der dabei aufgetretenen Erwärmung des Starters dessen Abkühlen abzuwarten, was die Servicezeiten in die Länge zieht. Des Weiteren können die Stromspeicher, welche die Starter der Verbrennungskraftmaschinen mit Strom speisen, tiefentladen werden, sollte sich ein derartiges Starten im Rahmen eines Service- oder Wartungstermins über längere Zeit hinziehen, so dass der entsprechende Stromspeicher erheblichen Schaden nehmen kann.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Betätigung einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, mit mindestens einem Starter, der mit der Kurbelwelle verbindbar ist, ferner mindestens einen Stromspeicher, der mit dem mindestens einen Starter über eine Schalteinrichtung verbindbar ist, und mit einer Steuereinheit, die mit dem mindestens einen Stromspeicher und dem mindestens einen Starter verbunden ist. Die Steuereinheit verarbeitet Informationen
- a) zur Stromaufnahme des mindestens einen Starters und/oder
- b) eines Temperatur-Stromaufnahmeprofils des mindestens einen Starters und/oder
- c) eines Stromanforderungs-Zeitprofils des mindestens einen Stromspeichers und/oder
- d) einer gemessenen Temperatur ϑ des mindestens einen Stromspeichers und/oder
- e) Zustandsdaten des mindestens einen Stromspeichers als Funktion von Strom und Temperatur f (l, ϑ)
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Die erfindungsgemäße Lösung wird insbesondere bei der Durchführung von Servicearbeiten vorgeschlagen, die bei Verbrennungskraftmaschinen in regelmäßigen Intervallen fällig sind. Es kann eine Beschädigung der Komponenten vermieden werden, da nunmehr die Möglichkeit besteht, den mindestens einen Starter einzusetzen, um die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine ohne Absicht des Starts durchzudrehen. Dies kann in vorteilhafter Weise bei Wartungsarbeiten beispielsweise dazu genutzt werden, einen Ölkreislauf durchzuspülen.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann die Steuereinheit, die die oben genannten Informationen verarbeitet, in einen Stromspeicher integriert sein, was beispielsweise bei einer Lithium-Ionen-Batterie realisiert werden kann. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Steuereinheit in einer eigenen Steuereinheit nur zu diesem Zweck oder in bereits bestehenden Steuereinheiten auszubilden.
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In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann der mindestens eine Stromspeicher Teil eines Lithium-Ionen-Batteriesystems oder eines sonstigen Batteriesystems sein.
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Betätigung einer Kurbelwelle ist ein Zähler vorgesehen, der die Anzahl der Betätigungen der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine zählt, die nicht zu einem Start der Verbrennungskraftmaschine geführt haben. Anhand dieser Information kann beispielsweise im Rahmen von Diagnosearbeiten nachvollzogen werden, welcher stationären Belastung ein Starter-Batterie-Strang außerhalb der regulären Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine ausgesetzt war. Gleiches gilt für Stationärmotoren.
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In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung liest die Steuereinheit Informationen zum Zustand des mindestens einen Stromspeichers, beispielsweise eines Lithium-Ionen- oder eines Blei-Säure-Batteriesystems unmittelbar aus. Durch diese Ausgestaltungsmöglichkeit kann die ohnehin an einer Lithium-Ionen-Batterie vorgesehene Sensorik oder im Markt verbreitete Batteriesensoren für Blei-Säure-Batterien genutzt werden, entsprechende Informationen, die den Batteriezustand charakterisieren, an die Steuereinheit weiterzugeben.
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung ist in vorteilhafter Weise eine Unterbrechereinheit vorgesehen, die bei Ansteuerung durch die Steuereinheit eine Stromversorgung des mindestens einen Starters unterbricht. Diese Unterbrechungsmöglichkeit bietet eine Eingriffsmöglichkeit für den Fall, dass der Starter eine unzulässig hohe Temperatur aufgrund mehrfacher oder zu langer vorangegangener Vorgänge aufgebaut hat und die Abkühlungsphase des Starters zu kurz war.
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Darüber hinaus bezieht sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung auf ein Verfahren zum Betätigen der Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine zum Durchdrehen der Verbrennungskraftmaschine mittels der Kurbelwelle, wobei die Verbrennungskraftmaschine mittels der Kurbelwelle über mindestens einen Starter durchgedreht wird, abhängig
- - von einer Leistungskurve des mindestens einen Starters als Funktion einer Stromaufnahme und/oder
- - von der Temperatur des mindestens einen Starters als Funktion des Stromes I und/oder
- - von einer Stromanforderung eines Stromes I des mindestens einen Stromspeichers als Funktion der Zeit und/oder
- - von der gemessenen Temperatur ϑ des mindestens einen Stromspeichers und/oder
- - vom Zustand des mindestens einen Stromspeichers, insbesondere der Temperatur ϑ und des durch den Stromspeicher lieferbaren Stromes I.
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Durch Berücksichtigung der entsprechenden Informationen kann eine Strategie in der Steuereinheit hinterlegt werden, die beispielsweise bei Serviceintervallen von Verbrennungskraftmaschinen durch das Servicepersonal automatisiert abgerufen und wohldefiniert vorgegeben werden kann, oder die das Startersystem der Verbrennungskraftmaschine vor Missbrauch oder Beschädigung bei schwierigen Startbedingungen schützt.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird der mindestens eine Starter zur Betätigung der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine mittels einer Schaltstrategie betätigt, der die in der Steuereinheit hinterlegten Informationen berücksichtigt.
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Schließlich bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bei der Wartung einer Verbrennungskraftmaschine oder während Startvorgängen unter schwierigen Bedingungen.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann nunmehr eine Beschädigung, insbesondere von Starterkomponenten beziehungsweise diese speisenden Stromspeichern, z. B. Lithium-Ionen-Batterien oder Blei-Säure-Batterien, vermieden werden. Durch eine auf oben genannten Informationen beruhende, in der Steuereinheit hinterlegte Schaltstrategie lässt sich im Rahmen von Serviceintervallen die Verbrennungskraftmaschine kontrolliert durchdrehen, so dass beispielsweise bei einem Serviceintervall ein Ölkreislauf zur Schmierung der Komponenten der Verbrennungskraftmaschine wieder in Gang gesetzt werden kann, ohne das Erfordernis, die Verbrennungskraftmaschine zu starten. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lassen sich die Dauer von Servicearbeiten, der Aufwand und die Kostenbelastung sowie die Belastung für das Servicepersonal erheblich herabsetzen. Des Weiteren kann eine Schaltstrategie für die Startvorgänge unter schwierigen Bedingungen, z. B. Starts in extremen Umweltumgebungen oder mit schlecht zündfähigen Kraftstoffgemischen, hinterlegt werden. Dies schützt die oben beschriebenen Komponenten auch im realen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine vor Beschädigungen und damit verbundenen Kosten aufgrund fällig werdender Reparaturen und Ausfällen sowie Stillstandszeiten.
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Die Schaltstrategie, die anhand der in der Steuereinheit hinterlegten Informationen entworfen wird, wird in der Steuereinheit hinterlegt und kann an einem einzelnen Starter-Stromspeicher-Strang implementiert werden oder kann so modifiziert werden, dass diese für mehrere Stränge aus Startermotoren und Stromspeichern nutzbar ist.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich bei Startersystemen von Verbrennungskraftmaschinen einsetzen, die sowohl durch Lithium-Ionen-Stromspeicher als auch durch Blei-Säure-Stromspeichersysteme elektrisch gespeist werden. Da die relevanten Informationen für die Zustandsparameter des mindestens einen Starters und des Stromspeichers, ob Lithium-Ionen-Batterie oder Blei-Säure-Batterie, in der Steuereinheit für die Verbrennungskraftmaschine vorliegen, ist ein Umgehen dieser hinterlegten Informationen für eine missbräuchliche Nutzung der beteiligten Komponenten durch das bedienende Personal ausgeschlossen, sofern in der Schaltstrategie hinterlegt.
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung besteht insbesondere in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, beispielsweise beim Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien, deren Sensorik in Gestalt von Stromsensoren und Temperatursensoren zur Übertragung von Informationen an die Steuereinheit zu nutzen. Die Steuereinheit kann beispielsweise in vorteilhafter Weise äußerst bauraumsparend in mindestens einer Batterie eines Lithium-Ionen-Batteriesystems untergebracht werden. Für den Fall, dass die mindestens eine Startvorrichtung über einen anderen Stromspeicherelektrisch gespeist wird, besteht die Möglichkeit, die Steuereinheit als Stand-Alone-Einheit auszubilden oder in eine vorhandene Steuereinheit zu integrieren und entsprechend zu verschalten.
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Sollten über die Verbrennungskraftmaschine Signale an die Steuereinheit gelangen, welche eine Überlastung anzeigen, so kann über die Steuereinheit eine Unterbrechereinheit angesteuert werden, die die Stromversorgung zu dem Starter, der die Verbrennungskraftmaschine aktuell durchdreht, unterbricht. Des Weiteren kann mittels eines Zählers ermittelt werden, wie oft die Verbrennungskraftmaschine - außerhalb ihrer regulären Funktion - bereits in einem Serviceintervall betätigt worden ist, ohne dass beabsichtigt war, die Verbrennungskraftmaschine im Service zu starten.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung können Einrichtungen zur Durchführung des manuellen Pumpens entfallen, einhergehend mit einer entsprechenden Bauraum- und Kostenersparnis sowie Gewichts- und Reibungsreduktion in der Verbrennungskraftmaschine und damit einhergehend eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung von Starterkomponenten einer Verbrennungskraftmaschine und
- 2 eine schematische Darstellung eines zweistrangig ausgebildeten Startersystems zur Betätigung einer Verbrennungskraftmaschine.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt die Komponenten einer Starteinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine, 2 zeigt in schematischer Weise ein zweistrangig ausgebildetes Startersystem für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Steuereinheit.
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1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit einer Kurbelwelle 12. Die Kurbelwelle 12 weist an einem Ende einen Zahnkranz 46 auf, der mit einem Ritzel 44 eines Starters 14 kämmt. Der Starter 14 bildet beispielsweise einen ersten Strang 40, einen Stromspeicher 18 und einen weiteren Stromspeicher 24 umfassend. Diese sind beispielsweise innerhalb des ersten Strangs 40 in Reihe geschaltet. Mittels einer Schalteinrichtung 16 kann der erste Strang 40, den Starter 14 beinhaltend, betätigt werden. Mit diesem ersten Strang 40 lässt sich die Kurbelwelle 12 der Verbrennungskraftmaschine 10 beispielsweise im normalen Betriebszustand starten oder im Rahmen eines Servicetermins betätigen und ohne Startabsicht durchdrehen.
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Wie aus der schematischen Darstellung gemäß 1 hervorgeht, ist optional zum ersten Strang 40 ein zweiter Strang 42 vorgesehen. Dieser umfasst analog zum ersten Strang 40 einen weiteren Starter 20, der über beispielsweise einen Stromspeicher 18 und einen weiteren Stromspeicher 24 elektrisch gespeist wird und ebenfalls zum Start der Verbrennungskraftmaschine 10 oder zum Durchdrehen derselben mittels der Kurbelwelle 12 eingesetzt werden kann. Analog zum Starter 14 umfasst der weitere Starter 20 ein Ritzel 44, welches - hier nicht näher dargestellt - mit dem Zahnkranz 46, der die Kurbelwelle 12 umschließt, kämmt.
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Sowohl die Komponenten des ersten Strangs 40 als auch die Komponenten des optionalen zweiten Strangs 42 sind mit einer Steuereinheit 26 verbunden. Die Komponenten des ersten Strangs 40 sowie die Komponenten des optionalen zweiten Strangs 42 sind unabhängig voneinander betätigbar. Dies bedeutet, dass die Kurbelwelle 12 der Verbrennungskraftmaschine 10 sowohl mittels der Komponenten des ersten Strangs 40 also auch mittels der Komponenten des zweiten Strangs 42 durchgedreht oder auch gestartet werden kann, was dem Normalbetrieb entspricht.
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In der Darstellung gemäß 1 sind der Stromspeicher 18 sowie der weitere Stromspeicher 24 beispielsweise Teil eines Lithium-Ionen-Batteriesystems 34 oder eines Blei-Säure-Batteriesystems 36.
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Im vorliegenden Zusammenhang ist unter einer Stand-Alone-Lösung zu verstehen, dass die Steuereinheit 26, welche das bewusste Nutzen eines Starters 14 beziehungsweise eines weiteren Starters 20 zur Bewegung der Kurbelwelle 12 unter Berücksichtigung der Parameter von Stromspeichern 18, 24 und Startern 14, 20 ermöglicht, entweder auf dem bereits vorhandenen Motorsteuergerät oder der Zellensteuerung eines Lithium-Ionen-Systems abgebildet werden kann, oder in einem separaten Steuergerät implementiert ist, was nur diesem Zweck dient. Dadurch kann beispielsweise eine Nachrüstung ohne einen Eingriff in eine bereits bestehende Motorsteuerung erfolgen.
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2 ist in schematischer Weise zu entnehmen, dass der erste Strang 40 und der optionale zweite Strang 42 jeweils mit der Steuereinheit 26 verbunden sind. Der Stromspeicher 18 und der weitere Stromspeicher 24 eines jeden Strangs sind in der Darstellung gemäß 2 beispielsweise als Teil eines Lithium-Ionen-Batteriesystems 34 ausgeführt. Einem jeden der Stromspeicher 18, 24 des ersten Strangs 40 sowie des optionalen zweiten Strangs 42 sind Sensoren 28 zugeordnet. Dabei umfassen die Sensoren 28 eine jeden Stromspeichers 18, 24 Temperatursensoren 30 sowie Stromsensoren 32. Zwischen den Stromspeichern 18, 24 des ersten Strangs 40 sowie des optionalen zweiten Strangs 42 befinden sich die Schalteinrichtung 16 beziehungsweise die weitere Schalteinrichtung 22 sowie die Starter 14 beziehungsweise 20. Die Schalteinrichtungen 16, 22 können alternativ in die Starter 14, 20 integriert sein. Sowohl der erste Strang 40 als auch der optionale zweite Strang 42 sind mit Masse 48 verbunden und weisen sowohl einen Zähler 50 als auch eine Unterbrechereinheit 52 auf. Über den Zähler 50 kann beispielsweise die Anzahl der Betätigungsvorgänge der Kurbelwelle 12 der Verbrennungskraftmaschine 10 über den Starter 14 im ersten Strang 40 oder über den weiteren Starter 20 im optionalen zweiten Strang 42 gezählt werden. Sowohl der erste Strang 40 als auch der optionale zweite Strang 42 umfassen jeweils eine Unterbrechereinheit 52, mit welcher eine Unterbrechung der elektrischen Energieversorgung, beispielsweise im Falle einer Überhitzung des Starters 14 beziehungsweise des weiteren Starters 20 erfolgt.
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In der Steuereinheit 26 gemäß den 1 und 2 sind beispielsweise Daten zur Stromaufnahme des mindestens einen Starters 14, 20 hinterlegt, ebenso wie ein Temperatur-/Stromaufnahmeprofil des Starters 14 sowie des weiteren Starters 20. Des Weiteren verfügt die Steuereinheit 26 über Informationen, die aus einem Stromanforderungs-/Zeitprofil des mindestens einen Stromspeichers 18, 24 stammen, sowie über Daten einer gemessenen Temperatur ϑ des mindestens einen Stromspeichers 18, 24, die beispielsweise über die Temperatursensoren 30 der Stromspeicher 18, 24 an die Steuereinheit 26 übermittelt werden. Die Steuereinheit 26 verfügt darüber hinaus über Zustandsdaten des mindestens einen Stromspeichers 18, 24 als Funktion von Strom und Temperatur.
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Für den Fall, dass die Stromspeicher 18, 24 Teil eines Lithium-Ionen-Batteriesystems 34 sind oder ein bekannter Sensor auf den Blei-Säure-Batterien verbaut ist, verfügen diese über entsprechende Sensoren 28 als auch über die Temperatursensoren 30, über welche die Temperatur ϑ des Stromspeichers 18, 24 an die Steuereinheit 26 übermittelt werden kann.
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Die Steuereinheit 26 verfügt somit über die Betriebscharakteristika der Startvorrichtungen in Gestalt des ersten Strangs 40 und des optional vorgesehenen zweiten Strangs 42, die den Starter 14, den Stromspeicher 18 sowie den weiteren Stromspeicher 24 beziehungsweise den weiteren Starter 20, den Stromspeicher 18 und den weiteren Stromspeicher 24 umfassen.
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Wird beispielsweise im Rahmen eine Servicetermins die Verbrennungskraftmaschine 10 über die Komponenten des ersten Strangs 40, d. h. über den Starter 14, durchgedreht bei einer Nicht-Startabsicht, wird dieser Vorgang durch den Zähler 50 gezählt. Das Durchdrehen der Verbrennungskraftmaschine 10 über das Kämmen des Ritzels 44 mit dem Zahnkranz 46 der Kurbelwelle 12 erfolgt nur dann, wenn der Betriebszustand des beteiligten Starters, in diesem Fall des Starters 14 des ersten Strangs 40, hinsichtlich seiner Temperatur- und Stromaufnahme geeignet ist, einen Durchdrehvorgang ohne Beschädigung vorzunehmen. Gleiches gilt für die beteiligten Stromspeicher 18, 24 des ersten Strangs 42. Deren Stromanforderungszeitprofil ist in der Steuereinheit 26 hinterlegt, so dass eine maximal lieferbare Stromstärke für eine maximale Zeitdauer bekannt ist, während welcher ein Durchdrehen der Kurbelwelle 12 der Verbrennungskraftmaschine 10 ohne unzulässige Beanspruchung der mechanischen Komponenten und ohne Überbeanspruchung der elektrochemischen Stromspeicher erfolgen kann. Zudem ist die Temperatur der Stromspeicher 18, 24 des ersten Strangs 40 in der Steuereinheit 26 bekannt, ebenso wie die Zustandsdaten der Stromspeicher 18, 24 als Funktion von Strom und Temperatur.
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Abhängig von diesen Daten wird ein Durchdrehen der Kurbelwelle 12 über den Starter 14 des ersten Strangs 40 für eine zulässige Zeitdauer vorgenommen. Wird diese Zeitdauer überschritten oder werden die maximal zulässigen Temperaturwerte für die Temperatur des Starters 14 beziehungsweise der Stromspeicher 18, 24 überschritten, so erfolgt ein Abbrechen des Durchdrehvorgangs während Service und Starts unter schwierigen Bedingungen der betreffenden Verbrennungskraftmaschine 10, ohne dass diese oder die zum Durchdrehen der Kurbelwelle 12 erforderlichen Komponenten des ersten Strangs 40 Schaden nehmen.
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In diesem Fall könnte beispielsweise ein Durchdrehen der Verbrennungskraftmaschine 10 über den optionalen zweiten Strang 42 beziehungsweise den weiteren Starter 20 und den mit diesen verbundenen Stromspeichern 18, 24 vorgenommen werden, sofern die entsprechenden Belastungsprofile des weiteren Starters 20 hinsichtlich Temperatur und Stromaufnahme sowie die Belastungsprofile für die Stromspeicher 18, 24 hinsichtlich Maximalstromstellung und entsprechender Zeitdauer das Durchdrehen der Verbrennungskraftmaschine 10 ohne Startabsicht zulassen. Werden die zulässigen Grenzwerte hinsichtlich Stromstärke, Temperatur sowie Zeit überschritten, erfolgt über die auch im zweiten Strang 42 vorgesehene Unterbrechereinheit 52 eine Unterbrechung der Stromversorgung des weiteren Starters 20.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
