DE19647286A1 - Anlasser für eine Verbrennungskraftmaschine - Google Patents
Anlasser für eine VerbrennungskraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Anlasser für eine Verbrennungskraftmaschine nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Steuerelektronik hierfür.
Beim Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine erfolgt der Anlaßvorgang üblicherweise
überwacht durch eine menschliche Person, d. h. der Operator erkennt ein Hochdrehen
der Verbrennungskraftmaschine und beendet den Startvorgang. Dies hat zu Folge, daß
der Anlasser bis zu 1 sec. (unter Umständen auch länger) unnötig betrieben wird. Aus
diesem Grund muß der Anlasser robuster ausgelegt sein als bei einer optimalen Führung
des Startvorganges notwendig. Zur Verkürzung des Startvorganges sind daher
verschiedene Vorschläge bereits bekannt. Bei einer Ausführungsform werden
Spannungsschwankungen zwischen den Klemmen 50 und 30 (bei Kraftfahrzeugen)
erfaßt, hieraus werden Rechteckimpulse geformt und gezählt, wobei das Abschalten
nach einer bestimmten vorgegebenen Anzahl von Impulsen erfolgt. In einer anderen
Ausführungsform wird im Anlasser ein Sensor untergebracht, der die Drehzahl des
Anlassers erfaßt und bei Erreichen einer bestimmten vorgegebenen hohen Drehzahl den
Anlaßvorgang abbricht. Die erste Ausführungsform hat eine verhältnismäßig hohe Rate
von Fehlerkennungen bzw. Störungen, insbesondere bei höheren Temperaturen, da keine
bzw. zuviel Impulse entstehen können. Die zweite Ausführungsform ist durch den
Einsatz eines Sensors verhältnismäßig teuer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Anlasser für
Verbrennungskraftmaschinen zur Verfügung zu stellen, der eine Starterkennung hat, die
mit verhältnismäßig einfachen Mitteln auskommt und weitgehend störunanfällig ist.
Bei dem eingangs beschriebenen Anlasser (Elektromotor) wird die Aufgabe gelöst mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und/oder 3.
Erfindungsgemäß hat der Anlasser eine Steuerelektronik, die einen Anlaßvorgang unter
Erfassung des Anlasserstromes auswertet, der zu Beginn des Anlaßvorganges sehr hoch
ist und mit Zunahme der Rotation der Verbrennungskraftmaschine abnimmt um
anschließend beim Hochdrehen der Verbrennungskraftmaschine auf den Leerlaufstrom
des Anlassers abzufallen. Die erfindungsgemäße Steuerelektronik macht sich eine
Besonderheit des Drehwiderstandes der Verbrennungskraftmaschine zu Nutze, nämlich
die Schwankungen, die vom Komprimieren und Dekomprimieren der
Verbrennungskraftmaschine herrühren. Der erfindungsgemäße Anlasser ist somit
geeignet für Verbrennungskraftmaschinen, die beim Drehen einen schwankenden
Drehmomentverlauf (aufgenommenes Drehmoment) haben. Dieses ist insbesondere bei
Hubkolben-Brennkraftmaschinen ausgeprägt. Mit den Schwankungen des
Drehwiderstandes der Brennkraftmaschine muß auch der Anlasser ein schwankendes
Drehmoment abgeben. Hierdurch hat der Anlasser eine entsprechende schwankende
Stromaufnahme, die bei einem Komprimiervorgang der Brennkraftmaschine etwas höher
ist als bei einem Dekomprimiervorgang. Mit dem Drehen der Brennkraftmaschine hat
man entsprechend im Stromverlauf des Anlassers periodische Schwankungen, die
wegfallen, sobald der Anlasser nicht mehr die Verbrennungskraftmaschine dreht
(Erreichen der Selbstlaufdrehzahl der Verbrennungskraftmaschine bzw. Ausspuren des
Anlassers aufgrund Hochdrehen der Verbrennungskraftmaschine). Die Steuerelektronik
erkennt nun dieses Ausbleiben der regelmäßigen Schwankungen des Anlasserstroms, die
von den unterschiedlichen Drehwiderständen der Verbrennungskraftmaschine je nach
Lage derer Kurbelwelle herrühren, und bricht entsprechend den Anlaßvorgang ab. Das
Abbrechen des Anlaßvorgangs kann hierbei noch eine kleine zeitliche Sicherheitszugabe
beinhalten, beispielsweise bis zu 0,3 sec., um sicherzustellen, daß der Startvorgang
beendet ist.
Besonders vorteilhaft kann auch eine Abnahme des Anlaßstroms erfaßt und der
Anlaßvorgang dann beendet werden, wenn zusätzlich zum Ausbleiben der periodischen
Stromschwankungen auch eine Abnahme des Anlaßstromes vorliegt. Alternativ oder
zusätzlich kann auch der Wert des Anlaßstroms erfaßt werden und zusätzlich zum
Ausbleiben der periodischen Schwankungen des Starterstroms ein Unterschreiten eines
vorgegebenen Stromwertes und/oder ein Erreichen eines tiefsten Stromwertes des
vorliegenden Startervorgangs als Kriterium für das Ende des Startvorganges mit
herangezogen werden. Die Ermittlung des Anlasserstroms erfolgt vorteilhaft über ein
Filter, das sehr kurze Stromschwankungen filtert (glättet), um ein sicheres Erkennen der
drehmomentabhängigen Stromschwankungen bzw. des Stromverlaufs (der
Stromabnahme) zu gewährleisten.
Alternativ oder zusätzlich kann auch die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine erfaßt
werden, wobei das Abschalten erst erfolgt, wenn die Drehzahl der
Verbrennungskraftmaschine oberhalb eines vorgegebenen Wertes liegt, der insbesondere
zwischen 200 und 800 U/min. gewählt wird. Dieser Wert kann auch von anderen
Variablen abhängig sein, beispielsweise von der Temperatur der Brennkraftmaschine.
Vorzugsweise bleibt der Operator des Startvorgangs Herr über den Startvorgang selbst,
d. h. er kann jeder Zeit den Startvorgang abbrechen, auch während der periodischen
Schwankungen des Anlasserstroms.
Alternativ oder zusätzlich zur Erfassung der Schwankungen des Anlaßstroms kann die
Steuerelektronik während des Anlaßvorganges eine zeitliche Ableitung des Anlaßstroms
bzw. eine Abnahme des Anlaßstroms erfassen und, sofern die Ableitung bzw. Abnahme
unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegt und auch der Anlaßstrom selbst einen
vorgegebenen Wert unterschritten hat, den Anlaßvorgang abbrechen. Die Ableitung bzw.
Abnahme des Anlaßstroms wird ebenfalls vorteilhaft über ein Filter ermittelt, dessen
Zeitkonstante vorzugsweise so lang bemessen ist, daß auch die Stromschwankungen
auf Grund der Drehmomentschwankungen geglättet werden. Hierdurch kann die
Stromabnahme beim Anspringen des Motors sicher von den kurzzeitigen
Stromabnahmen bei einem Dekompressionsvorgang unterschieden werden.
Der Anlasserstrom wird auf einfacher Weise durch Spannungsmessung an einem Shunt
erfaßt, der im Stromkreis des Anlassers liegt (Arbeitsstromkreis). Als Shunt eignet sich
hier insbesondere ein Stromkabel des Anlassers selbst und besonders vorteilhaft das
kurze Stromkabel, das den Anlassermotor mit dem Schalter für den Anlaßstrom
(Magnetschalter), in Kraftfahrzeugen üblicherweise Klemme 45, verbindet.
Um sicherzustellen, daß Motor und Anlasser bei Beginn des Anlaßvorganges die Drehzahl
0 haben, wird vorteilhaft eine Funktionssperre in die Steuerelektronik eingesetzt, die eine
Startwiederholung erst nach einer Wartezeit von ca. 0,5 bis 4 sec., insbesondere ca. 2
sec. nach einem abgebrochenen Startvorgang oder nach einem Abstellen der
Verbrennungskraftmaschine ermöglicht. Vorteilhaft wird in der Steuerelektronik bei einer
Startwiederholung, beispielsweise innerhalb von 30 sec. und insbesondere innerhalb von
15 sec. auch eine Funktionssperre einzelner oder aller der oben beschriebenen
anlaßspezifischen Schaltvorgängen abgelegt, die diese Funktionen außer Kraft setzt, so
daß die Anlaßdauer entweder allein durch den Operator oder nur durch einzelne der oben
genannten Funktionen bestimmt wird. Vorteilhaft wird bei einem solchen Wiederholstart
zumindest die Funktion außer Kraft gesetzt, die bei dem vorhergehenden Start zum
Abschalten des Startvorganges geführt hat. Hierdurch wird erreicht, daß eine
Fehlfunktion (zu frühes Beenden des Anlaßvorganges durch die Steuerelektronik) bei
einem erneuten Anlaßvorgang nicht wiederholt wird, so daß auch bei einer Störung der
Erkennung des Motorstarts (Störung des Erkennens der Selbstlaufdrehzahl des
Verbrennungsmotors) bei einem erneuten Startversuch ein Start möglich ist.
Mit der Erfindung ist ein schneller und leiser Komfortstart und eine Steigerung der
Starterqualität (Langzeitfunktion) möglich. Vorzugsweise wird der Starter mit einer
autonomen Steuerelektronik, insbesondere mit einer Steuerelektronik, die an oder in dem
Anlasser selbst integriert ist, ausgerüstet. Da erfindungsgemäß die wesentlichen
Überwachungsparameter direkt am Starter abgenommen werden können, ist hierdurch
ein besonders kostengünstiger Aufbau möglich. Der erfindungsgemäße Starter ist
prinzipiell für alle Otto- und Dieselmotoren einsetzbar.
Neben der Starterkennung kann der Starter noch übliche Zusätze, wie ein kontrolliertes
Einspuren bzw. einen thermischen Überlastungsschutz haben. Aufgrund der geringeren
Belastung des erfindungsgemäßen Anlassers (Anlaßvorgänge werden durchschnittlich
mehrere zehntel Sekunden früher als bei von einem Operator kontrollierten
Anlaßvorgängen abgebrochen und der Anlasser dreht weniger hoch (auf
Leerlaufdrehzahl)) kann der Anlasser hinsichtlich seiner Festigkeitsauslegung leichter
(schwächer) als übliche Anlasser ausgelegt werden, so daß auch hier Gewichts- und
Kostenvorteile entstehen.
Da die Steuerelektronik für den Startvorgang als autonome Einheit, die beispielsweise
nachgerüstet werden kann und abwärts kompatibel ist, ausgelegt ist, gehört mit zur
Erfindung eine Steuerelektronik, wie sie oben und im folgenden beschrieben ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 einen Anlasser, wie er in einem Kraftfahrzeug angeschlossen ist;
Fig. 2 eine Strom-Drehzahl-Kurve des Anlassers; und
Fig. 3 eine typische Starterkennlinie.
In Fig. 3 sind die allgemeinen Kennlinien eines Anlassermotors 2 (ein Elektromotor)
dargestellt, wobei die Kennlinien bis zum Stillstand des Anlassermotors unter Last
aufgezeichnet sind. Bei dem Anlassermotor 2 (Starter) handelt es sich um eine 12 V,
1,8 kW Ausführung. Im gewöhnlichen Starterbetrieb wird der Anlassermotor nur über
ca. die linke Hälfte seines Kennlinienbereiches, d. h. bis etwa 500 bis 700 A betrieben.
Der übliche Arbeitsbereich 20 des Starters liegt zwischen 300 und 500 A, der
Leerlaufbereich 10 liegt um 100 A. Dazwischen (ca. 150 A bis 300 A) liegt ein Bereich
30, der bei einem Betrieb des Startermotors zwar durchschritten wird, dies aber in einer
verhältnismäßig kurzen Zeit, die der Motor braucht, um auf die Leerlaufdrehzahl
hochzudrehen. Mit der Abhängigkeit der Stromaufnahme zu dem dem Startermotor
abverlangten Drehmoment M und dem Bereich 30 stehen zwei Mittel zur Verfügung, den
Startvorgang einer Brennkraftmaschine sicher zu erkennen: mit dem schwankenden
Drehmoment beim Drehen der Verbrennungskraftmaschine schwankt gleichermaßen
auch der Strom 1 und beim Übergang des Startermotors von seinem Arbeitsbereich 20 in
seinen Leerlaufbereich 10 tritt in verhältnismäßig kurzer Zeit eine deutliche
Stromabnahme auf. Prinzipiell könnte auch statt des Stromes die abnehmende Spannung
U oder auch die abgegebene Leistung P herangezogen werden, die abgegebene Leistung
P läßt sich jedoch meßtechnisch nur aufwendig erfassen und bei der Verwendung der
Spannung U hat es sich gezeigt, daß durch die Einflüsse anderer Aggregate
Spannungsänderungen, insbesondere auch temperaturabhängig, auftreten, die ein
Erkennen des Anspringens der Brennkraftmaschine verhindern oder vortäuschen können.
Ein solcher Startermotor 2 mit einer zugehörigen Überwachungselektronik
(Steuerelektronik) 3 und einem Magnetschalter 4 bildet einen Anlasser 1 für eine (nicht
dargestellte) Verbrennungskraftmaschine, wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen zum
Einsatz kommt. Weiterhin sind in Fig. 1 noch typische Elemente dargestellt, wie sie
beim Betrieb des Anlassers 1 bzw. der Brennkraftmaschine zum Einsatz kommen. Von
einer Batterie 5 ist eine Masseleitung 6 mit einem Generator 7 verbunden, der beim
Betrieb der Verbrennungskraftmaschine der üblichen Stromversorgung (incl. Laden der
Batterie 5) dient. Die Plusleitung der Batterie ist mit einem Zündanlaßschloß 8
verbunden, von dem eine Klemme 50 bei einer Betätigung des Zündanlaßschlosses 8 (+)
spannungsführend ist. Die Klemme 50 ist mit einer Klemme 50a der
Überwachungselektronik verbunden, deren Schaltelement 9 beim Schließen des
Zündanlaßschlosses 8 von der Klemme 50a auf Durchgang zu einer Klemme 50b
geschaltet ist. Die Klemme 50b versorgt den Magnetschalter 4 (ein Relais) mit
Spannung, so daß dieser zwischen seinen Klemmen 30 und 45 auf Durchgang schaltet.
Von der Klemme 30, die fest mit der Plusleitung der Batterie 5 verbunden ist, wird nun
der Stromkreis über einen Shunt 11 zu dem Startermotor 2 hin geschlossen, so daß über
die Masse des Startermotors dieser mit der Batteriespannung verbunden ist (abgesehen
von Spannungsabfällen in den Leitungen bzw. dem Shunt 11). Der Startermotor 2
gelangt hierdurch in Eingriff mit der Brennkraftmaschine und dreht gemeinsam mit dieser
hoch, wobei, wie in Fig. 2 dargestellt, über die Zeit t der durch den Startermotor 2
fließende Strom I abnimmt mit ansteigender Drehzahl nM der
Verbrennungskraftmaschine. Durch Messen des Spannungsabfalls an dem Shunt 11, der
unmittelbar in Serie zu dem Startermotor 2 liegt, ist der Überwachungselektronik 3 der
Stromfluß durch den Startermotor 2 bekannt. Dieser weist Schwankungen 12 auf, die
von unterschiedlichen Drehwiderständen (aufgenommenes Drehmoment) der
Verbrennungskraftmaschine, bedingt durch Kompression (hoher Strom, hohes Moment)
und anschließende Dekompression (niedriges Moment, niedriger Strom), herrühren.
Gleichzeitig treten auch um 180° phasenverschoben Schwankungen 13 in der Drehzahl
des Verbrennungsmotors auf, da dieser bei einem niedrigeren Drehwiderstand
(Dekompression) leichter hochdreht und dem Startermotor 2 weniger Leistung (Moment)
abverlangt. Beim Anspringen 14 der Verbrennungskraftmaschine kuppelt der
Startermotor 2 aus, so daß dieser in kurzer Zeit seine Leerlaufdrehzahl und seinen
Leerlaufstrom 10 erreicht. Auch dieses erkennt die Überwachungselektronik 3 durch
Abgriff des Spannungsabfalls am Shunt 11 und wertet den Wegfall der periodischen
Schwankungen 12 zusammen mit dem Stromabfall bei 14 (bzw. dem hier vorliegenden
niedrigen Strom wert) als Anspringen der Verbrennungskraftmaschine aus und unterbricht
über das Schaltelement 9 den Stromfluß zwischen den Klemmen 50a und 50b, so daß
auch bei geschlossenem Zündanlaßschloß 8 der Magnetschalter 4 entregt und der
Stromfluß zwischen den Klemmen 30 und 45 unterbrochen wird. Hierdurch wird der
Startermotor 2 bereits wenige Millisekunden nach dem Anspringen der
Verbrennungskraftmaschine abgeschaltet.
Claims (10)
1. Anlasser für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Steuerelektronik, die einen
Anlaßvorgang unter Erfassung der Höhe eines Anlasserstroms auswertet und bei
Erkennen eines Starts der Verbrennungskraftmaschine den Anlaßvorgang
unterbricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik (3) eine regelmäßige
Wiederkehr von Zu- und Abnahmen (12) des Anlasserstroms (I) erfaßt, die von
drehwinkelabhängigen Drehmomenten der Verbrennungskraftmaschine herrühren,
und daß das Unterbrechen bei einem Ausbleiben (bei 14) der regelmäßigen
Wiederkehr der Zu- und Abnahmen der Anlasserstroms erfolgt.
2. Anlasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik (3)
während des Anlaßvorgangs auch eine Abnahme (30) des Anlasserstroms (1) erfaßt
und den Anlaßvorgang erst dann unterbricht, wenn auch eine Abnahme des
Anlasserstroms vorliegt.
3. Anlasser für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Steuerelektronik, die einen
Anlaßvorgang unter Erfassung eines Anlasserstroms auswertet und bei Erkennen
eines Starts der Verbrennungskraftmaschine den Anlaßvorgang unterbricht,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik (3) während des Anlaßvorgangs
eine zeitliche Ableitung des Anlaßstroms erfaßt und unterhalb eines vorgegebenen
negativen Wertes der Ableitung bei einem Anlasserstrom unterhalb eines
vorgegebenen Anlasserstromwertes bzw. bei einer vorgegebenen zeitlichen
Abnahme des Anlasserstroms unterhalb des vorgegebenen Wertes des
Anlasserstroms den Anlaßvorgang unterbricht.
4. Anlasser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Erfassung des Anlasserstroms (I) über einen Shunt (11) erfolgt.
5. Anlasser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Shunt (11) ein
Stromkabel des Anlassers (1) ist.
6. Anlasser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Shunt (11) das
Stromkabel zwischen einem Magnetschalter (4) des Anlassers (1) und dem
Anlassermotor (2) ist.
7. Anlasser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuerelektronik (3) während des Anlaßvorganges auch die Drehzahl (nM) der
Verbrennungskraftmaschine erfaßt und das Unterbrechen erst erfolgt, wenn die
Drehzahl (nM) der Verbrennungskraftmaschine oberhalb eines vorgegebenen
Wertes liegt.
8. Anlasser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuerelektronik (3) bei einer Wiederholung des Anlaßvorganges innerhalb einer
vorbestimmten Zeit außer Funktion gesetzt ist.
9. Anlasser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuerelektronik (3) einen Anlaßvorgang erst nach Ablauf einer vorbestimmten
Zeit nach einem vorhergehenden Anlaßvorgang oder nach einem Abstellen der
Verbrennungskraftmaschine zuläßt.
10. Steuerelektronik nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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