DE19709298C2 - Startersysteme für einen Verbrennungsmotor sowie Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Startersysteme für einen Verbrennungsmotor sowie Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Startersysteme für einen Ver­ brennungsmotor sowie Verfahren zum Starten eines Verbrennungs­ motors.
Es ist bekannt, daß man einen Verbrennungsmotor mit Hilfe von Kurzzeitspeichern in Form von Kondensatoren starten kann. Hierbei wird die zum Starten benötigte Energie von einem Langzeitspeicher in Form einer Bordnetzbatterie (mit 12 oder 24 Volt) mit Hilfe eines hochsetzenden Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers (sog. Hochsetzsteller) auf ein höheres Spannungsniveau gebracht und in einem oder mehreren Kondensatoren gespeichert. Derartige Startersysteme sind z. B. aus der SU 1265388 A1 (MOSC AUTOMECH) sowie der EP 0 390 398 A1 (ISUZU) bekannt. Bei einfacheren Syste­ men liegt der Kondensatorspeicher auf gleichem Spannungsniveau wie die Fahrzeugbatterie, hier ist also kein Hochsetzsteller zwischen­ geschaltet. Beispiele hierfür geben die DE 41 35 025 A1 (MAGNETI MARELLI) sowie US-PS 5 041 776 (ISUZU). Bei allen vorgenannten Systemen ist die Batterie während des Startvorgangs vom Startermo­ tor getrennt, das Starten erfolgt also vollständig mit der im Kondensatorspeicher gespeicherten Energie.
Bei einfachen Systemen der zweitgenannten Art (ohne Hochsetzstel­ ler) ist ferner in der JP 02175350 A (ISUZU) und JP 02175351 A (ISUZU) vorgeschlagen worden, die Batterie und den vorgeladenen Kondensator beim Starten parallel zu schalten, so daß beide Ener­ giespeicher zum Startvorgang beitragen.
Aus der EP 0 403 051 A1 (ISUZU) ist es ferner bekannt, mit Hilfe einer Steuereinrichtung und einer Temperaturerfassung einen zum Speichern der Startenergie dienenden Kondensator nur bis zu einem bestimmten variablen Spannungspegel aufzuladen, der von der je­ weils vorliegenden Temperatur des Motorkühlmittels abhängt.
Neben den obigen Vorschlägen, die eine Verwendung von Kondensato­ ren als Speicher für die Startenergie betreffen, gibt es auch Vorschläge für andere Anwendungen, z. B. als Speicher für die von elektrischen Heizungen benötigte Energie. So offenbaren die EP 0 533 037 B1 (MAGNETI MARELLI) eine elektrische Katalysatorheizung und die EP 0 420 379 B1 eine elektrische Glühanlage für einen Dieselmotor, wobei die Heizenergie jeweils in einem Kondensator­ speicher bereitgehalten wird.
Schließlich sind aus der W093/11003 (BOSCH) sowie der EP 0 688 698 A2 (BMW et al) Bordnetzsysteme mit einem Starter und zwei elektrischen Speichern in Form einer Starterbatterie und einer Bordnetzbatterie bekannt, die gemeinsam geladen, beim Starten jedoch getrennt werden. Bei der letztgenannten Veröffentlichung sind die beiden Batterien über eine Koppelschaltung in Form einer Reglereinheit verbunden, welche den Ladevorgang steuert.
Die bekannten Startersysteme mit Kondensatorspeicher gewährleisten ein sichereres Starten, insbesondere bei großer Kälte, und erlauben eine kleinere Auslegung der - an sich für die Kurzzeitentladung beim Starten wenig geeigneten - herkömmlichen Fahrzeugbatterie.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, Startersysteme mit Kurz- und Langzeitspeicher mit einer besseren Ausnutzung der Speicher anzugeben. Dazu gehört auch die Bereitstellung entsprechender Verfahren zum Starten. Die Lösung beruht auf Energieverteilung zwischen Kurz- und Langzeitspeicher und Anpassung an die Motortemperatur.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfaßt ein Startersystem für einen Verbrennungsmotor folgendes:
  • - einen elektrischen Startermotor,
  • - einen elektrischen Kurzzeitspeicher, insbesondere einem Kondensatorspeicher, der nach Aufladung zum Speisen des Starters dient;
  • - einer Steuereinrichtung, die eine Entnahme eines Anteils der im Kurzzeitspeicher gespeicherten Energie zum Speisen eines oder mehrerer Verbraucher vor dem Startvorgang veranlaßt, wobei die Größe dieses Anteils temperaturabhängig steuerbar ist, derart, daß sie bei tiefen Temperaturen kleiner als bei hohen Temperaturen ist; und
  • - einer Einrichtung zur direkten oder indirekten Temperaturerfassung des Verbrennungsmotors, welche mit der Steuereinrichtung verbunden ist (Anspruch 1).
Diesem ersten Aspekt der Erfindung liegen folgende Erkenntnisse zugrunde: bei tiefen Temperaturen des Verbrennungsmotors, ins­ besondere bei strengem Frost wie -20°C, ist die zum Starten benö­ tigte elektrische Energie wesentlich größer als bei hohen Tempera­ turen, etwa bei Betriebstemperatur. Dies beruht im wesentlichen auf dem wesentlich größeren Widerstand, den der Verbrennungsmotor aufgrund der bei Kälte größeren Viskosität des Öls der Starter­ drehung entgegensetzt. Das Startersystem muß für die tiefsten in der Praxis vorkommenden Temperaturen ausgelegt sein. Das heißt die Kapazität des Kondensators ist für die meistens vorkommenden höheren Temperaturen stark überdimensioniert. Dies gilt insbeson­ dere für Ausgestaltungen, bei denen der Kondensatorspeicher die gesamte zum Starten erforderliche Energie speichern soll und gilt in etwas abgeschwächtem Ausmaß aber auch für solche Ausgestaltun­ gen, bei denen ein Teil der Startenergie der Langzeitbatterie entnommen wird und nur ein Teil vom Kurzzeitspeicher zu speichern ist. Um nicht bei den meist vorkommenden höheren Temperaturen den Kondensator mit mehr Energie zu beladen als beim Starten benötigt wird, schlägt die obengenannte EP 0 403 051 A1 (ISUZU) vor, mit steigender Temperatur geringere Energiemengen zu speichern.
Die Erfindung (erster Aspekt) geht hingegen einen anderen Weg: denn auch eine temperaturabhängige Beladung des Kurzzeitspeichers ändert nichts daran, daß dieser für die tiefste vorkommende Tempe­ ratur dimensioniert sein muß - und damit überdimensioniert ist. Es wurde erkannt, daß - bei höheren Temperaturen nicht benötigte - Anteil der Kurzzeitspeicherkapazität in den Dienst anderer Ver­ braucher (als den Starter) gestellt werden kann, um diese vor­ zugsweise bereits vor dem starten des Verbrennungsmotors kurzzei­ tig mit hoher Leistung versorgen zu können. Bei hohen Temperatu­ ren, wie z. B. Betriebstemperatur, steht für diese zusätzlichen Verbraucher ein relativ großer Energie- und Leistungswert vor dem Starten zur Verfügung. Mit abnehmender Temperatur des Verbren­ nungsmotors sinkt dieser Betrag, da für den Startvorgang ein größerer Energieanteil vorgehalten werden muß. Bei entsprechender Dimensionierung des Kondensatorspeichers bleibt bei der tiefsten vorkommenden Temperatur gerade keine Energie für die zusätzlichen Verbraucher übrig. Ihre Speisung kann - in diesem relativ selten auftretenden Fall - z. B. auf die Zeit unmittelbar nach dem Starten verschoben werden, wenn ein vom Verbrennungsmotor angetriebener Generator ausreichend Energie liefert.
Unter "Kurzzeitspeicher" wird vorzugsweise jeder Speicher für elektrische Energie verstanden, bei dem der größte Teil (z. B. 97%) der gespeicherten Maximalenergie zerstörungsfrei innerhalb von 60 Sekunden, vorzugsweise innerhalb von 30 Sekunden und besonders vorzugsweise innerhalb von 15 Sekunden entnommen werden kann. Neben Kondensatoren können sich hierfür auch chemische Energie­ speicher für hohe Leistungsentnahme handeln, z. B. um sog. alka­ lische Sekundärsysteme, z. B. alkalische Nickel/Kadmium-Systeme oder Nickel/Eisen-Systeme, die z. B. Sinter-Elektroden oder Faser­ struktur-Elektroden enthalten können. "Langzeitspeicher" ist hingegen ein Speicher, dem nach voller Aufladung die gesamte gespeicherte Energie nur in Zeiträumen größer als 10 min entnommen werden kann.
Vorteilhaft handelt es sich bei dem Verbraucher um eine elektri­ sche Heizung vorzugsweise eine Katalysatorheizung (Anspruch 2). Zur Erfüllung zukünftiger strenger Abgasbestimmungen wird es voraussichtlich erforderlich werden, die Abgaskatalysatoren bei Otto-Motoren bereits vor dem Starten des Verbrennungsmotors elek­ trisch zu beheizen. Hierdurch erreicht man, daß der Katalysator bereits bei den ersten Zündungen auf seiner Betriebstemperatur liegt und damit effektiv arbeitet. Die Erfindung erlaubt eine schnelle Vorheizung des Katalysators praktisch ohne baulichen Zusatzaufwand, indem der - andernfalls überdimensionierte - Kurz­ zeitspeicher bei nicht zu tiefen Temperaturen des Verbrennungs­ motors als Zwischenspeicher für die Katalysator-Heizenergie dient. Anders als bei Speisung aus einer herkömmlichen Langzeitbatterie (die typischerweise minimale Entladezeiten größer als 30 Minuten aufweist) wird der Kurzzeitspeicher unter geringer Leistungsauf­ nahme aus der Batterie oder - bei einem früheren Fahrzyklus - aus dem Bordnetz langsam aufgeladen und zum Aufheizen des Katalysators praktisch schlagartig entladen. Gegenüber einem herkömmlichen Blei-Säure-Akkumulator erfolgt die Beheizung mit hoher elektri­ scher Leistung, und damit sehr schnell, etwa innerhalb einer oder einigen wenigen Sekunden. Auch andere Heizungen, z. B. Scheibenhei­ zungen, können vorteilhaft vor dem Starten mit hoher Leistung gespeist werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Startersystem für einen Verbrennungsmotor, mit
  • - einem elektrischen Startermotor;
  • - einem elektrischen Kurzzeitspeicher, insbesondere einem Kondensatorspeicher, der nach Aufladung zum Speisen des Starters dient;
  • - einem elektrischen Langzeitspeicher; und
  • - einer Koppelschaltung, die beim Starten eine gleichzeitige Energieentnahme aus dem Kurzzeitspeicher und dem Langzeitspeicher erlaubt, wobei der Anteil der dem Langzeitspeicher und/oder dem Kurzzeitspeicher entnommenen Energie und/oder Leistung durch eine zugehörige Steuereinrichtung aktiv steuerbar ist (Anspruch 3).
Diesem zweiten Aspekt liegt der Gedanke zugrunde, den Kurzzeit­ speicher nicht so groß zu dimensionieren, daß er auch bei ganz tiefen Temperaturen den Verbrennungsmotor alleine starten kann, sondern vielmehr dem Kurzzeitspeicher und dem Langzeitspeicher (z. B. in Form eines herkömmlichen Schwefelsäure-Bleiakkumulators) gleichzeitig Energie zu entnehmen. Einfache Parallelschaltungen von Batterie und Kondensatorspeicher sind - die oben erwähnt - aus den japanischen Veröffentlichungen 02175350 A (ISUZU) sowie 02175351 A (ISUZU) bekannt. Es handelt sich hierbei aber um ganz einfache Startersysteme. In der Entwicklung fortgeschrittenere bekannte Systeme weisen hingegen einen Hochsetzsteller von der Batterie zum Kondensatorspeicher auf, der beim Starten die beiden Speicher voneinander getrennt hält (siehe z. B. die eingangs er­ wähnte SU 1265388 A1 (MOSK AUTOMECH)). Er dient dazu, den Kon­ densatorspeicher auf ein gegenüber dem Langzeitspeicher erhöhtes Spannungsniveau zu laden.
Die Erfindung (zweiter Aspekt) geht einen anderen Weg, indem sie eine aktiv steuerbare Kopplung zwischen den beiden Energiespei­ chern nicht (nur) beim Laden des Kurzzeitspeichers vorsieht, son­ dern auch beim Entladen während des Startvorgangs. Die Beteiligung beider Energiespeicher erlaubt eine kleinere Dimensionierung des Kurzzeitspeichers bei gleichzeitiger Anpassung der relativen Leistungsentnahme an die i.a. unterschiedlichen Charakteristika der beiden verschiedenen Speichertypen. Unter "aktiv steuerbar" wird nicht (nur) die Möglichkeit einer Zu- und Abschaltung des Langzeitspeichers und/oder Kurzeitspeichers verstanden, sondern die Möglichkeit einer kontinuierlichen Verstellung des Anteils der Energie und/oder Leistung, welche dem Langzeitspeicher und/oder dem Kurzzeitspeicher beim Starten entnommen wird.
Vorteilhaft wird dem Langzeitspeicher hierbei nur gerade so viel Leistung entnommen, wie unter voller Nutzung der maximalen Abgabeleistung des Kurzzeitspeichers zum Starten erforderlich ist (Anspruch 4). Wie oben ausgeführt wurde, hängt die zum Starten erforderliche Leistung u. a. stark von der Temperatur des Verbrennungsmotors ab. Der Betrag der dem Langzeitspeicher entnommenen Leistung kann daher auf der Grundlage einer Messung des momentanen Temperaturwerts anhand einer bekannten Temperaturabhängigkeitsfunktion gesteuert werden. Diese Ausgestaltung führt zu einer minimalen Kurzzeitbelastung des Langzeitspeichers.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird dem Kurzzeit­ speicher nur gerade so viel Leistung entnommen, wie unter voller Nutzung der maximalen Abgabeleistung des Langzeitspeichers zum Starten erforderlich ist (Anspruch 5). Dies erlaubt es, den bei der jeweiligen Temperatur maximal möglichen Anteil der im Kurz­ zeitspeicher gespeicherten Energie für andere Zwecke als zum Starten zu verwenden, insbesondere für die Speisung anderer Ver­ braucher vor dem Starten, wie den im Zusammenhang mit Anspruch 2 erwähnten Heizungen (insb. Katalysatorheizung).
Die maximale Abgabeleistung wird vorteilhaft dadurch entnommen, daß die Koppelschaltung den Langzeitspeicher mit optimaler Anpassung belastet, d. h. daß der effektive Innenwiderstand der Koppelschal­ tung ungefähr gleich dem Innenwiderstand des Langzeitspeichers ist. Bei dieser Anpassung sind Widerstände zwischen der Langzeit­ batterie und der Koppelschaltung zu berücksichtigen (indem man sie entweder dem Eingangswiderstand der Koppelschaltung oder dem Innenwiderstand des Langzeitspeichers zuschlägt). Diese Ausgestal­ tung weist dem Langzeitspeicher einen vergleichsweise größeren Anteil an der Gesamtleistung zu und erlaubt damit eine vergleichs­ weise kleinere Dimensionierung des Kurzzeitspeichers. Bei Abwand­ lungen dieser Ausgestaltung wird dem Langzeitspeicher nur ein bestimmter Bruchteil der größtmöglichen Leistung entnommen, z. B. Bruchteile im Bereich von 50 bis 100%, vorteilhaft 65 bis 100%, vorzugsweise 75 bis 100% und besonders vorzugsweise 90 bis 100% der größtmöglichen Leistung.
Vorzugsweise arbeitet der Kurzzeitspeicher auf einem anderen, insbesondere einem höheren Spannungsniveau als der Langzeitspei­ cher (Anspruch 6). Vorzugsweise umfaßt dann die Koppelschaltung einen Spannungswandler, z. B. einen Hochsetzsteller, der Strom von dem einen-auf das andere Spannungsniveau bringen kann. Die ver­ schiedenen Spannungsniveaus können vorteilhaft den verschiedenen technischen Eigenheiten der beiden verschiedenen Speichertypen angepaßt sein. So erreicht ein Kondensatorspeicher i.a. seine größte Energiespeicherdichte bei einem relativ hohen Spannungs­ niveau (z. B. bei 300 Volt), während eine Akkumulatorbatterie - je nach verwendetem Batterietyp und Anzahl der in Serie geschalteten Zellen - in der Regel niedrigere Spannungen liefert, die i.a. der Spannung eines Niederspannungsbordnetzes entsprechen (z. B. 12 oder 24 Volt). Ein Hochsetzsteller kann z. B. durch eine Induk­ tionspumpschaltung gebildet sein. Eine solche ist z. B. aus einer Serienschaltung einer Induktivität und eines elektronischen Schalters aufgebaut, die bei geschlossenem Schalter von Strom aus dem Langzeitspeicher durchflossen ist. Zwischen diesen beiden Elementen befindet sich eine Abzweigung zu dem auf höherem Spannungsniveau liegenden. Kurzzeitspeicher, welche mit einer rückflußverhindernden Diode ausgerüstet ist. Durch Öffnen des Schalters entsteht durch Induktion eine (im Prinzip beliebig hohe) Spannungsspitze, welche den Strom kurzfristig zum hohen Spannungs­ niveau fließen läßt und damit hochsetzt. Durch Vergrößern oder Verkleinern der Schaltfrequenz des Schalters läßt sich die hoch­ gesetzte Strommenge entsprechend vergrößern bzw. verkleinern.
Vorteilhaft wird der Startermotor einem Wechselrichter mit Gleich­ spannungs-Zwischenkreis gespeist, wobei der Kurzzeitenergiespei­ cher auf dem Spannungsniveau des Gleichspannungs-Zwischenkreises liegt (Anspruch 7). Ein Gleichspannungs-Zwischenkreis-Wechselrich­ ter schneidet beispielsweise aus einer konstant gehaltenen Zwi­ schenkreis-Gleichspannung mit Hilfe von elektronischen Schaltern (z. B. Feldeffekttransistoren oder IGBT's) breitenmodulierte Pulse heraus, die - gemittelt durch die Induktivität des Generators - zu nahezu glatten Gleichströmen gewünschter Spannung oder Wechsel­ strömen gewünschter Frequenz, Amplitude und Phase führen. Beson­ ders vorteilhaft ist daher der Start er als Drehstrommaschine (auch Drehfeldmaschine genannt) ausgebildet. Hierunter wird - im Gegen­ satz zu einer Stromwendermaschine - eine insbesondere komutatorlo­ se Maschine verstanden, in der z. B. der Ständer ein magnetisches Drehfeld erzeugt, welches um 360° umläuft und den Läufer mitnimmt. Der Starter kann insbesondere als Asynchronmaschine, z. B. mit Kurzschlußläufer, oder als Synchronmaschine, z. B. mit Läufer mit ausgeprägten Magnetpolen ausgebildet sein. Der Kurzschlußläufer bei der Asynchronmaschine kann z. B. ein Käfigläufer mit Kurz­ schlußstäben in Axialrichtung sein. Bei anderen Ausgestaltungen der Asynchronmaschine weist der Läufer Wicklungen auf, die z. B. über Schleifringe extern kurzgeschlossen werden können. Die ausge­ prägten Magnetpole des Läufers bei der Synchronmaschine realisiert man z. B. durch Permanentmagnete oder durch Elektromagnete, die z. B. über Schleifringe mit Erregerstrom gespeist werden können. Der Starter kann indirekt, etwa über Ritzel, Vorgelege etc. mit der Verbrennungsmotorwelle gekoppelt sein. Vorteilhaft sitzt aber ein Teil des Starters, insbesondere der Läufer, direkt auf der Motorwelle und ist vorzugsweise drehfest mit ihr gekoppelt oder koppelbar. Der Läufer kann beispielsweise auf der zum Getriebe führenden Welle sitzen, oder an der anderen Seite des Verbren­ nungsmotors auf dem dort blind endenden Wellenstummel. Ein anderer Teil des Starters, insbesondere der Ständer, ist drehfest mit einem nicht drehbaren Teil verbunden o der lösbar verbindbar, z. B. dem Motor- oder Getriebegehäuse.
Eine wechselrichtergesteuerte Drehstrommaschine kann neben der Starterfunktion vorteilhaft eine oder mehrere Zusatzfunktionen haben, z. B. die Funktion eines Generators für die Bordnetzversor­ gung, einer zusätzlichen Fahrzeugantriebsmotor, als zusätzliche Fahrzeugbremse und/oder einer aktiven Glättungsvorrichtung für Drehungleichförmigkeiten, die bei Verbrennungsmotoren aufgrund deren diskontinuierlicher Arbeitsweise auftreten. Die Umsteuerung vom Motor- in den Generatorbetrieb erfolgt durch entsprechende Umsteuerung der magnetischen Felder anhand entsprechender Wech­ selrichteransteuerung.
Die Erfindung ist auch auf Verfahren zum Starten eines Verbren­ nungsmotors gerichtet. Bezüglich der Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahren wird auf die Ansprüche 8 und 9 sowie die vorstehenden und folgenden Ausführungen zum Star­ tersystem und dessen Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele verwiesen.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und der angefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. In der Zeich­ nung zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm der für einen Verbraucher entnehmbaren relativen Energie als Funktion der Temperatur (erster Aspekt);
Fig. 2 ein Diagramm der vom Kurzzeitspeicher und vom Langzeit­ speicher gelieferten Leistungsanteile als Funktion der Temperatur (zweiter Aspekt);
Fig. 3 eine Schemadarstellung der wichtigsten Funktionseinhei­ ten der Startersysteme (erster und zweiter Aspekt);
Fig. 4 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Starten (erster Aspekt);
Fig. 5 ein Flußdiagramm eines anderen Verfahrens zum Starten (zweiter Aspekt).
Fig. 1 veranschaulicht die Energieverhältnisse bei einem Ausfüh­ rungsbeispiel des ersten Aspekts der Erfindung. Aufgetragen ist der Anteil ev der im Kondensator gespeicherten Energie, der für den Verbraucher abgezweigt wird, als Funktion der Temperatur des Verbrennungsmotors. Der Anteil ev ist definiert als Verhältnis des für den Verbraucher abgezweigten Energiebetrags Ev und des Betrags der gesamten im Kondensator gespeicherten Energie Etotal. Bei dem einen Extremwert, der tiefsten vorkommenden Temperatur Tmin, ist der Verbraucherenergienteil ev gleich null. Zum Starten wird die gesamte gespeicherte Energie benötigt, d. h. der Startenergieanteil eStart/kalt ist gleich eins. Bei der höchsten vorkommenden Temperatur Tmax, z. B. der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors, wird nur ein Teil der gespeicherten Energie zum Starten benötigt, d. h. der Startenergieanteil eStart/warm ist deutlich kleiner als eins. Der verbleibende Energiebetrag kann hier zur Speisung eines Verbrau­ chers vor dem Starten dienen, d. h. der Verbraucherenergieanteil ev/warm ist gleich der Differenz von eins und eStart/warm. Fig. 1 ver­ anschaulicht schematisch ev für alle Werte zwischen Tmin und Tmax. Aufgrund des mit zunehmender Temperatur abnehmenden Widerstands, den der Verbrennungsmotor dem Starter entgegensetzt, sowie der abnehmenden Startdrehzahl, handelt es sich bei der dargestellten Abhängigkeit um eine stetige und nur ansteigende (oder konstante) Funktion.
Fig. 2 veranschaulicht die Leistungsverhältnisse bei einem Aus­ führungsbeispiel gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Aufgetra­ gen ist hier die (für einen bestimmten Moment) beim Starten erfor­ derliche Gesamtleistung als Funktion der Temperatur. Entsprechend den obigen Ausführungen ist die Gesamtleistung bei der tiefsten vorkommenden Temperatur Tmin maximal und nimmt mit steigender Temperatur bis zur höchsten Temperatur Tmax ab. Gestrichelt darge­ stellt ist die maximale Leistungsentnahme aus dem Kurzzeitspei­ cher, welche temperaturunabhängig - und damit in der Darstellung eine horizontale Gerade - ist. Da beim zweiten Aspekt der Erfin­ dung Kurzzeitspeicher und Batterie beim Starten zusammenwirken, liegt die maximale Kurzzeitspeicherleistung unterhalb der maxima­ len Gesamtleistung bei der tiefsten vorkommenden Temperatur Tmin, bildet also eine Art Sockel. Der Batterie wird nur in demjenigen (schraffiert dargestellten) Temperaturbereich Energie entnommen, bei dem die Gesamtleistungskurve über diesem Sockel liegt. Dies ist in Fig. 2 beispielhaft für eine Temperatur etwas oberhalb Tmin dargestellt. Bei mittleren Temperaturen unterschreitet die Kurve der Gesamtleistung den Sockel. Das heißt, bei Temperaturen ober­ halb des Schnittpunkts erfolgt das Starten ausschließlich aus dem Kurzzeitspeicher, die Batterie trägt hierzu nicht bei. Zu anderen (nicht gezeigten) Zeitpunkten kann die maximale Kurzzeitspeicher­ leistung auch bei Tmax die erforderliche Gesamtleistung unter­ schreiten, so daß dann die Batterie beitragen muß. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen kann die maximale Kurzzeit­ speicherleistung zu allen Zeitpunkten unterhalb der erforderlichen Gesamtleistung bei Tmax liegen, so daß zu allen Zeitpunkten die Batterie zum Starten beiträgt.
Ein Startersystem weist gemäß Fig. 3 (für ein Kraftfahrzeug, z. B. einen Personenkraftwagen) einen Verbrennungsmotor 1 auf, der Drehmoment über eine Antriebswelle 2 (z. B. die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 1), eine Kupplung 3 und weitere (dicht gezeig­ te) Teile eines Antriebsstrangs auf die Antriebsräder des Fahr­ zeugs abgibt. Bei der hier interessierenden Starterfunktion ist die Kupplung 3 geöffnet. Auf der Antriebswelle 2 sitzt eine als Starter dienende elektrische Maschine 4, hier eine Asynchron- Drehstrommaschine. Sie weist einen direkt auf der Antriebswelle 2 sitzenden und drehfest mit ihr verbundenen Läufer 5 sowie einen z. B. am Gehäuse des Verbrennungsmotors 1 abgestützten Ständer 6 auf. Der Starter 4 (sowie die unten näher beschriebenen Einrich­ tungen zu seiner Speisung und zur Energiespeicherung) sind so dimensioniert, daß der Verbrennungsmotor 1 vorzugsweise direkt (d. h. ohne Schwungradfunktion oder ähnliches) gestartet werden kann und vorzugsweise auch keine Über- oder Untersetzung zwischen Starter 4 und Verbrennungsmotor 1 angeordnet ist, so daß beide permanent zusammenlaufen können. Die (nicht dargestellte) Wicklung des Ständers 6 wird durch einen Wechselrichter 7 mit elektrischen Strömen und Spannungen praktisch frei einstellbarer Amplitude, Phase und Frequenz gespeist. Es handelt sich z. B. um einen Gleich­ spannungs-Zwischenkreis-Wechselrichter, welcher aus einer im wesentlichen konstanten Zwischenkreis-Gleichspannung mit Hilfe von elektronischen Schaltern z. B. sinusbewertete breitenmodulierte Pulse herausschneidet, die - gemittelt durch die Induktivität der elektrischen Maschine 4 - zu nahezu sinusförmigen Strömen der gewünschten Frequenz, Amplitude und Phase führen. Der Wechselrich­ ter ist im wesentlichen aus einem maschinenseitigen Gleichspan­ nungs-Wechselspannungsumrichter 7a, einem Zwischenkreis 7b und einem bordnetzseitigen Gleichspannungswandler 7c aufgebaut. Ein Kurzzeitenergiespeicher 8, z. B. ein Kondensatorspeicher, liegt - elektrisch gesehen - im Zwischenkreis 7b. Der Wandler 7c ist mit einem Fahrzeugbordnetz 9 und einem Langzeitenergiespeicher, hier einer Bordnetzbatterie 10, gekoppelt. Das Bordnetz 9 und die Batterie 10 liegen auf einem niedrigen Spannungsniveau, z. B. 12 oder 24 Volt. Der Zwischenkreis 7b liegt demgegenüber auf einer erhöhten Spannung, die vorteilhafterweise im Bereich zwischen 48 und 350 Volt liegt. Die elektrische Maschine 4 kann nach dem Startvorgang, bei dem sie elektrische Energie benötigt, als Gene­ rator fungieren, d. h. elektrische Energie liefern. Der Wandler 7c ist daher als bidirektionaler Wandler ausgebildet, um einerseits für den Startvorgang bzw. dessen Vorbereitung elektrische Energie aus der Bordnetzbatterie 10 in den Zwischenkreis 7b bringen zu können, und um andererseits beim Generatorbetrieb Energie aus dem Zwischenkreis 7b auf die Niederspannungsseite zu überführen, um Verbraucher des Bordnetzes 9 zu speisen und die Bordnetzbatterie 10 zu laden. Der Umrichter 7a wandelt im Motorbetrieb die Gleich­ spannung des Zwischenkreises 7b in Wechselspannung um, im Genera­ torbetrieb speist er die von der elektrischen Maschine 4 geliefer­ te Energie nach Gleichrichtung in den Zwischenkreis 7b ein. Der Kondensatorspeicher 8 ist in der Lage, Spannungspulse mit einer für eine hohe Pulsfrequenz (vorteilhaft im Bereich von 20 bis 100 kHz) mit der erforderlichen Flankensteilheit zu liefern. Er dient ferner als Energiespeicher für die zum Starten benötigte Energie, ggf. im Zusammenwirken mit der Batterie 10. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist für die Bereitstellung flankensteiler Pulse ein gesonderter, besonders schnell entlad­ barer Kondensatorspeicher vorgesehen, der über nur geringe Kapazität zu verfügen braucht. Die Aufladung des Kondensatorspei­ chers 8 kann entweder im Generatorbetrieb durch die elektrische Maschine 4 über den Umrichter 7a, oder bei Stillstand des Fahr­ zeuges aus der Batterie 10 über den Wandler 7c erfolgen. Ein Hochleistungsverbraucher 11, z. B. eine elektrische Katalysatorhei­ zung, ist über ein Verbrauchersteuergerät 12 elektrisch mit dem Zwischenkreis 7b gekoppelt. Die Speisung des Hochleistungsver­ brauchers 11 erfolgt vorteilhaft auf einem hohen Spannungsniveau, z. B. dem Spannungsniveau des Zwischenkreises 7b. In diesem Fall dient das Verbrauchersteuergerät 12 nicht als Gleichspannungswandler, sondern nur als Stromsteuergerät. Bei anderen Ausführungsformen hat es zusätzlich die Funktion eines Spannungswandlers zu höheren oder niedrigeren Spannungen. Ein übergeordnetes Steuergerät 13 steuert den Wechselrichter 7, und zwar den Umrichter 7a und den Wandler 7c, sowie das Verbrauchersteuergerät 12. Es gibt dem Umrichter 7a Amplitude, Phase und Frequenz des an den Starter 4 zu liefernden Dreiphasenstroms vor. Dem Wandler 7c gibt es den Strom­ betrag, die Stromrichtung und den Betrag des Spannungsherauf- bzw. -herabsetzung vor. Dem Verbrauchersteuergerät 12 gibt es schließ­ lich vor, welchen Strombetrag dieses aus dem Zwischenkreis 7b entnehmen soll und ggf. welche Spannungsdifferenz dabei zu über­ winden ist. Das Steuergerät 13 empfängt Eingangssignale von einem Temperatursensor 14, der Information z. B. über die Kühlmittel­ temperatur des Verbrennungsmotors 1 liefert. Es empfängt ferner Eingangssignale von einem (nicht gezeigten) Drehwinkelgeber, aus denen es die momentane Drehzahl der Antriebswelle 2 ermitteln kann. Ferner kann es eine Reihe weiterer Informationen erhalten, z. B. betreffend die Stellung der Drosselklappe des Verbrennungs­ motors 1, oder den Zündzeitpunkt.
Im folgenden wird die Funktion des Startersystems von Fig. 3 gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung anhand des Flußdiagramms gemäß Fig. 4 erläutert: Im Schritt S1 wird der Kondensatorspeicher 8 aufgeladen. Die Aufladung erfolgt auf einen feststehenden vor­ gegebenen Wert, der z. B. durch den Sollwert der Zwischenkreis­ spannung vorgegeben ist. Nach Möglichkeit erfolgt die Ladung des Kondensatorspeichers 8 bereits bei laufendem Verbrennungsmotor aus der dann als Generator fungierenden elektrischen Maschine 4. Bei längerem Fahrzeugstillstand entlädt sich der Kondensatorspeicher 8 aber allmählich, so daß er dann ganz oder teilweise durch Ener­ gieentnahme aus der Bordnetzbatterie 10 aufzuladen ist. Im Schritt S2 ermittelt das Steuergerät 13 die momentane Temperatur des Verbrennungsmotors anhand der vom Temperatursensor 14 gelieferten Meßinformation. Im Schritt S3 ermittelt das Steuergerät 13 z. B. anhand eines abgespeicherten Kennfeldes diejenige Energiemenge, die erwartungsgemäß bei der im vorangegangenen Schritt ermittelten Temperatur zum Starten benötigt wird. Auf der Grundlage der er­ mittelten benötigten Energiemenge und dem bekannten Wert der im Kondensatorspeicher gespeicherten Energiemenge ermittelt das Steuergerät im Schritt S4 denjenigen Anteil der im Kondensator­ speicher 8 gespeicherten Energie, der bei der vorliegenden Tempe­ ratur nicht zum Starten benötigt wird. Im Schritt S5 fragt das Steuergerät 13 ab, ob ein Kommando zum Start des Verbrennungs­ motors - etwa durch Betätigung des Zündschlüssels - gegeben wurde. Falls dies nicht der Fall ist, führt das Steuergerät 13 die Schritte S2 bis S5 wiederholt aus. Falls hingegen ein Startkom­ mando gegeben wurde, schreitet es zum folgenden Schritt S6 fort. (Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen befindet sich das Programm in einem passiven Wartezustand; erst nach Erhalt eines Startkommandos führt es dort Aktionen gemäß den Schritten S2 und S4 durch). Im Schritt S6 veranlaßt das Steuergerät 13, daß der Hochleistungsverbraucher 11, hier eine Katalysatorheizung, mit kurzfristig sehr hoher Leistung mit dem nicht benötigten Anteil der Energie gespeist wird. Der Katalysator kommt dadurch sofort z. B. auf Betriebstemperatur und steht damit bereits bei den ersten Zündungen für die stoffliche Umsetzung schädlicher Abgase bereit. Im Schritt S7 wird schließlich der Verbrennungsmotor 1 unter Verwendung des im Kondensatorspeicher 8 verbliebenen Energiean­ teils gestartet.
Das Flußdiagramm gemäß Fig. 5 erläutert eine Abwandlung der Funk­ tionsweise des Startersystems von Fig. 3 gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung: Bezüglich der Schritte S11, S12 und S13 wird auf die obigen Ausführungen zu den Schritten S1, S2 und S3 verwiesen, die auch hier vollinhaltlich zutreffen. Im Schritt S14 wird auf der Grundlage des Ergebnisses im Schritt S13 sowie dem bekannten Wert der im Kondensatorspeicher 8 gespeicherten Energiemenge derjenige Energieanteil ermittelt, der diesem bei der vorliegenden Temperatur der Bordnetzbatterie 10 für den Startvorgang entnommen werden muß. Im Schritt S15 wird - entsprechend den obigen Aus­ führungen zum Schritt S5 - abgefragt, ob ein Startkommando gegeben wurde. (Auch bei dieser Ausführungsform kann die Startkommando- Abfrage vor Ausführung der Schritte S12, S13 und S14 erfolgen.) Im Schritt S16 veranlaßt das Steuergerät 13 schließlich das Starten des Verbrennungsmotors 1 unter Energieentnahme aus dem Kondensa­ torspeicher 8 und ggf. aus der Bordnetzbatterie 10 entsprechend dem im Schritt S14 ermittelten Anteil. Bei einer anderen (nicht gezeigten) Ausführungsform werden die Schritte S14 und S16 im Verlauf des Startvorgangs häufig wiederholt durchlaufen, um auch eine ggf. vorhandene zeitliche Veränderung des zu entnehmenden Energieanteils im Verlauf des Startvorgangs zu berücksichtigen. Eine solche Zeitabhängigkeit kann z. B. dadurch auftreten, daß sich der Kondensatorspeicher 8 im Verlauf des Ladevorgangs entlädt und gegen Ende seines Entladungsvorgangs nur noch weniger Energie liefern kann, so daß der der Bordnetzbatterie 10 zu entnehmende Anteil zunimmt. Genau genommen wird bei dieser Ausführungsform also im Schritt S14 der Leistungsanteil ermittelt, der bei der vorliegenden Temperatur und zu dem betreffenden Zeitpunkt im Verlauf des Startvorgangs der Bordnetzbatterie 10 entnommen werden muß. Im Schritt S16 erfolgt dann eine entsprechende Leistungs­ entnahme aus dem Kondensator und der Batterie entsprechend dem im Schritt 14 ermittelten Leistungsanteil.
Zusammenfassend liegt der Erfindung also der Gedanke zugrunde, die Temperaturabhängigkeit der zum Starten benötigten Energiemenge dicht bei der Aufladung des Kurzzeitspeichers zu berücksichtigen, sondern beim Entladungs- und/oder Startvorgang. Dies ist besonders vorteilhaft für solche Startersysteme, bei denen der Kurzzeit­ speicher spannungsmäßig auf einem vorgegebenen Niveau liegen soll, etwa dem Niveau des Zwischenkreises eines der Speisung des Star­ ers dienenden Wechselrichters.

Claims (9)

1. Startersystem für einen Verbrennungsmotor (1), mit:
  • - einem elektrischen Startermotor (4),
  • - einem elektrischen Kurzzeitspeicher (8), insbesondere einem Kondensatorspeicher, der nach Aufladung zum Spei­ sen des Starters (4) dient;
  • - einer Steuereinrichtung (13), die eine Entnahme eines Anteils der im Kurzzeitspeicher gespeicherten Energie zum Speisen eines oder mehrerer Verbraucher (11) vor dem Startvorgang veranlaßt, wobei die Größe dieses Anteils temperaturabhängig steuerbar ist, derart, daß sie bei tiefen Temperaturen kleiner als bei hohen Temperaturen ist; und
  • - einer Einrichtung (14) zur direkten oder indirekten Temperaturerfassung des Verbrennungsmotors (1), welche mit der Steuereinrichtung verbunden ist.
2. Startersystem nach Anspruch 1, Bei welchem der Verbraucher (11) eine elektrische Heizung, insbesondere eine Katalysator­ heizung ist.
3. Startersystem für einen Verbrennungsmotor (1), mit
  • - einem elektrischen Startermotor (4);
  • - einem elektrischen Kurzzeitspeicher (8), insbesondere einem Kondensatorspeicher, der nach Aufladung zum Spei­ sen des Starters (4) dient;
  • - einem elektrischen Langzeitspeicher (10); und
  • - einer Koppelschaltung (7c), die beim Starten eine gleichzeitige Energieentnahme aus dem Kurzzeitspeicher (8) und dem Langzeitspeicher (10) erlaubt, wobei der Anteil der dem Langzeitspeicher (10) und/oder dem Kurz­ zeitspeicher (8) entnommenen Energie und/oder Leistung durch eine zugehörige Steuereinrichtung (13) aktiv steuerbar ist.
4. Startersystem nach Anspruch 3, wobei dem Langzeitspeicher (10) nur so viel Leistung entnommen wird, wie unter Nutzung der maximalen Abgabeleistung des Kurzzeitspeichers (8) zum Starten erforderlich ist.
5. Startersystem nach Anspruch 3, wobei dem Kurzzeitspeicher (8) nur so viel Leistung entnommen wird, wie unter Nutzung der maximalen Abgabeleistung des Langzeitspeichers (10) zum Starten erforderlich ist.
6. Startersystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Kurzzeitspeicher (8) auf einem anderen, insbesondere höheren Spannungsniveau als der Langzeitspeicher (10) arbeitet, und die Koppelschaltung (7c) einen Spannungswandler, z. B. einen Hochsetzsteller umfaßt.
7. Startersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Starter von einem Wechselrichter (7) mit Gleichspannungs-Zwi­ schenkreis (7b) gespeist wird und der Kurzzeitspeicher (8) im Gleichspannungs-Zwischenkreis (7b) liegt.
8. Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors (1) mit einem elektrischen Startermotor (4), mit folgenden Schritten:
  • - Aufladen eines Kurzzeitspeichers (8) durch Energieent­ nahme aus einem Langzeitspeicher (10);
  • - Ermitteln der Energiemenge, die zum Starten des Ver­ brennungsmotors (1) benötigt wird;
  • - aufgrund eines Startkommandos Entnahme des nicht zum Starten benötigten Anteils der gespeicherten Energie und Speisen eines oder mehrerer Verbraucher (11) mit dieser Energie; und
  • - Starten des Verbrennungsmotors (1) unter Verwendung des im Kurzzeitspeicher (8) verbliebenen Energieanteils.
9. Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors (1) mit einem elektrischen Startermotor (4), mit folgenden Schritten:
  • - Aufladen eines Kurzzeitspeichers (8) durch Ener­ gieentnahme aus einem Langzeitspeicher (10);
  • - Starten des Verbrennungsmotors (1) unter gleichzeitiger Energieentnahme aus dem Kurzzeitspeicher (8) und dem Langzeitspeicher (10), wobei der dem Langzeitspeicher (10) und/oder dem Kurzzeitspeicher (8) entnommene Ener­ gieanteil aktiv gesteuert wird.
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