DE19951597C1

DE19951597C1 - Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen und Verfahren zu deren Betätigung

Info

Publication number: DE19951597C1
Application number: DE1999151597
Authority: DE
Inventors: Herbert Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-10-27
Filing date: 1999-10-27
Publication date: 2001-03-15
Anticipated expiration: 2019-10-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, mit mindestens zwei Startern (10, 11) mit unterschiedlicher Untersetzung sowie ein Verfahren zur Betätigung dieser Startvorrichtung. Die Starter (10, 11) sind über eine elektrische Schwellwert-Steuerung (21) abhängig von äußeren Parametern wie Motortemperatur und Motordrehzahl derart ansteuerbar, daß entweder der eine Starter (10) oder der andere Starter (11) oder beide gemeinsam aktivierbar sind. DOLLAR A Zur Erzielung möglichst kurzer Startzeiten ist vorgesehen, daß beide Starter (10, 11) unabhängig voneinander über eine gemeinsame Getriebestufe (14) an die Antriebswelle (16) der Brennkraftmaschine (15) an- bzw. von ihr abkoppelbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, mit mindestens zwei Startern, mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen sowie ein Verfahren zu deren Betätigung.

Stand der Technik

Üblicherweise werden Startvorrichtungen für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, durch einen darauf abgestimmten Starter gestartet, welcher von der Akkumulatorbatterie des Kraftfahrzeugbordnetzes versorgt wird. Die Auslegung des Starters ist so gewählt, daß im sogenannten Kaltstart bei Öltemperaturen des Verbrennungsmotors von unter -20°C Drehzahlen beim Durchdrehen der Maschine von 80 bis 130 Umdrehungen pro Minute erreicht werden. Hierzu werden meistens Starter mit einem sogenannten Vorgelege verwendet, dessen Untersetzungsverhältnis normalerweise größer als i = 3,0 ist. Für den Start bei Temperaturen oberhalb von 0°C erreicht der Starter dann maximal 300 bis 350 Umdrehungen pro Minute. Sobald er von der Brennkraftmaschine überholt wird, öffnet sich sein Freilauf.

Für größere Fahrzeuge wie Omnibusse ist es bekannt, zum Starten der Brennkraftmaschine zwei gleichgroße Starter parallel zu schalten und miteinander derart zu verriegeln, daß sie nur gemeinsam aktiviert werden können und auch gemeinsam abgeschaltet werden.

Aus der DE 197 05 610 A1 ist ferner eine Starteinheit für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges bekannt, die einen konventionellen Starter in Kombination mit einem Starter/Generator aufweist, welche abhängig von der Temperatur der Brennkraftmaschine durch eine elektrische Steuerung je nach Vorgabe entweder den konventionellen Starter oder den Starter/Generator oder beide gemeinsam aktiviert. Bei tiefen Temperaturen wird dort der konventionelle Starter mit einer relativ großen Untersetzung zum Starten aktiviert, gegebenenfalls zusammen mit dem Starter/Generator, wodurch der Hochlauf unterstützt wird. Bei Temperaturen oberhalb einer vorgegebenen Schwellwerttemperatur wird lediglich der Starter/Generator zum Starten der Brennkraftmaschine eingeschaltet, der mit kleinerer Untersetzung bzw. im Direktantrieb beim Warmstart die Starterfunktion allein übernimmt.

Nachteilig bei den bekannten Ausführungen ist, daß der Starter/Generator entweder mit der Brennkraftmaschine oder mit dem Schaltgetriebe des Fahrzeugs ständig gekoppelt ist und somit während des Betriebs der Brennkraftmaschine ständig mitangetrieben wird, was den Wirkungsgrad verschlechtert. Ferner ist nachteilig, daß der Starter/Generator eine Doppelfunktion hat und im Starterbetrieb nur zum Warmstart der Brennkraftmaschine im oberen Temperaturbereich allein verwendet wird.

Mit der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, den Startvorgang von Brennkraftmaschinen über einen möglichst großen Temperaturbereich sowohl beim Kaltstart zu ermöglichen, als auch beim Warmstart auf Drehzahlwerte nahe der Leerlaufdrehzahl der Verbrennungsmaschine vor deren Einspritzung/Zündung anzuheben.

Aus der DE 198 52 085 C1 ist weiterhin eine Starteinrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bekannt, die zwei konventionelle Starter aufweist, die an einen gemeinsamen Zahnkranz koppelbar sind. In einem ersten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, zunächst beide Starter mit dem Zahnkranz zu koppeln, wobei zunächst der stärkere beider Starter die Brennkraftmaschine losreißt, während der zweite und schwächere und für eine höhere Drehzahl ausgelegte Starter geschleppt wird. Mit dem Abschalten des stärkeren Starters wird der schwächere Starter eingeschaltet, um mit diesem schwächeren Starter die Brennkraftmaschine in höhere Drehzahlbereiche zu schleppen. In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass bei einem Warmstart der Brennkraftmaschine und damit verringertem Schleppmoment die Brennkraftmaschine nur mit dem leistungsmäßig schwächeren Starter angedreht wird. Das erste Ausführungsbeispiel hat den Nachteil, dass der Startvorgang immer mit dem stärkeren Starter eingeleitet wird. Bei Warmstarts ist dies nicht bedarfsgerecht, so daß dann das Bordnetz unnötig belastet wird. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist zwar eine Verbesserung möglich, es ist jedoch nicht vorgesehen, alternativ ausschließlich den stärkeren Starter zum Andrehen zu verwenden.

Aus der FR 2 526 087 A ist eine einzelne Startvorrichtung bekannt, die ein einzelnes Andrehritzel aufweist, welches durch zwei parallel geschaltete und immer nur gleichzeitig einschaltbare Startermotoren antreibbar ist. Beide Startermotoren können immer nur gleichzeitig betrieben werden. Diese bekannte Startvorrichtung ist als Ersatz zweier einzelner Starter zum Andrehen von Dieselmotoren vorgesehen. Im Gegensatz zur Verwendung zweier einzelner Starter ist zwar u. a. der Verkabelungsaufwand geringer, es kann jedoch entsprechend einem bespielsweise temperaturabhängigen und daher sich verändernden Andrehmomentenbedarf das Drehmomentangebot seitens der Startanlage nicht angepasst werden. Bei geringen Andrehmomentenbedarf ist die Startvorrichtung stark überdimensioniert, der Strombedarf ist unnötig hoch, das Bordnetz wird unnötig stark belastet.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Startvorrichtung mit den im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmalen hat den Vorteil, daß durch ein vollständiges, unabhängiges An- bzw. Abkoppeln der beiden Starter vom Triebstrang der Brennkraftmaschine die Startdrehzahl der Brennkraftmaschine für die Kraftstoffeinspritzung soweit angehoben werden kann, daß der Startvorgang bis zum Erreichen der Leerlaufdrehzahl der Verbrennungsmaschine deutlich schneller erfolgen kann, was insbesondere in Start- Stop-Betrieb besonders bedeutsam ist. Bei guter Abstimmung der Kraftstoffeinspritzung kann damit bereits beim ersten Einspritz- und Zündvorgang die Brennkraftmaschine ihre Leerlaufdrehzahl erreichen. Ferner können die Gemischaufbereitung durch die hohe Startdrehzahl im Warmstart optimiert und dadurch die Abgaswerte verbessert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei neueren Kraftfahrzeugen üblicherweise bereits ein elektronisches Steuergerät für die Brennkraftmaschine vorhanden ist, dem sowohl die Motor-Öltemperatur als auch die Kurbelwellendrehzahl als Meßsignale zur Verfügung stehen und daß ohne größeren Aufwand zur Steuerung der beiden Starter heranzuziehen ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Dabei wird in vorteilhafter Weise ein in den meisten Fällen vorhandener Zahnkranz einer Schwungscheibe an der Kurbelwelle als gemeinsame Getriebestufe für die beiden Starter verwendet, die mit Abstand voneinander mit je einem Einspurritzel ein- und ausrückbar am Umfang des Zahnkranzes angeordnet sind. Die Realisierbarkeit der Erfindung wird auch dadurch vereinfacht, daß hierfür konventionelle Starter mit relativ geringem Aufwand auf- bzw. umgerüstet werden können.

Für den Erststart ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, daß die Steuerung bei tieferen Temperaturen der Brennkraftmaschine den Starter mit der größeren Untersetzung aktiviert. Das Untersetzungsverhältnis i ist dabei vorzugsweise größer 3. Des weiteren ist vorgesehen, daß die Steuerung bei Wiederholstarts bzw. bei höheren Temperaturen den Starter mit der kleineren Untersetzung aktiviert. Das Untersetzungsverhältnis i ist hier vorzugsweise kleiner 3. Im Idealfall bei i = 1 ist ein Direktstarter verwendbar, beim dem das Startergetriebe ganz wegfällt. Bei sehr tiefen Motortemperaturen wird in vorteilhafter Weise vorgeschlagen, daß die Steuerung zum Starten der Brennkraftmaschine beide Starter aktiviert. Für diesen Fall aber auch für jeden weiteren Startvorgang, insbesondere für jeden Kaltstart wird in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß die Steuerung zunächst beide Starter aktiviert und beim Erreichen einer vorgebbaren Drehzahl der Brennkraftmaschine den Starter mit der höheren Untersetzung abschaltet und abkoppelt. Zweckmäßiger Weise wird ein solches Abschalten des Starters mit der höheren Untersetzung jedoch nur dann durchgeführt, wenn die Motortemperatur oberhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt, da sonst das sogenannte Schleppmoment der Brennkraftmaschine zu groß wäre und das Erreichen der Startdrehzahl verzögern würde.

In vorteilhafter Weise wird der Starter mit der kleineren Untersetzung so ausgelegt, daß er oberhalb der vorgegebenen Motortemperatur die Brennkraftmaschine zum Starten auf eine möglichst hohe Kurbelwellendrehzahl (n_KW ca. 500. . .600 Umdrehungen pro Minute) hochdreht.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Blockschema der erfindungsgemäßen Startvorrichtung und Fig. 2-4 zeigen verschiedene Ablaufprogramme zur Steuerung der Startvorrichtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 ist ein erster konventioneller Starter mit 10 und ein zweiter konventioneller Starter mit 11 bezeichnet. Beide Starter haben unterschiedliche Untersetzungen und sind jeweils über ein Einspurritzel 12 bzw. 13 in einen Zahnkranz 14 einer Brennkraftmaschine 15 zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs einrückbar. Der Zahnkranz 14 befindet sich, wie üblich, am Umfang einer Schwungscheibe, die auf einer Seite einer Kurbelwelle 16 der Brennkraftmaschine drehfest angebracht ist. Beide Starter sind ferner in üblicher Weise über jeweils ein Einrückrelais 17 bzw. 18 an den Pluspol einer Akkumulatorbatterie im Bordnetz des Kraftfahrzeugs angeschlossen. Durch das Einrückrelais 17 bzw. 18 wird der jeweilige Starter 10 bzw. 11 jeweils durch Vorrücken des Einspurritzels 12 bzw. 13 mit dem Zahnkranz 14 zum Eingriff gebracht und sodann eingeschaltet. Die Einrückrelais 17 bzw. 18 sind jeweils über eine Steuerleitung 19 bzw. 20 mit einem elektronischen Steuergerät 21 verbunden, mit dem u. a. in bekannter Weise die Zündung und Einspritzung der Brennkraftmaschine gesteuert wird und mit der zusätzlich über eine elektronische Schwellwertsteuerung die beiden Starter 10 und 11 mittels der Steuerleitungen 19 und 20 aktivierbar sind. Über einen Signaleingang 22 erhält das Steuergerät 21 ein Startsignal zum Starten der Brennkraftmaschine 15 als ein Ein-Signal sowie ein Aus- Signal zum Beenden des Startvorgangs. Das Startsignal kommt dabei entweder von einem handbetätigbaren Startschalter oder im Falle eines Start-Stop-Betriebs von einem Gaspedal- Schalter. Über einen weiteren Signaleingang 23 erhält das Steuergerät 21 das elektrische Signal eines Temperatursensors, der die Öltemperatur der Brennkraftmaschine 15 und somit die jeweilige Motortemperatur mißt. Über einen dritten Signaleingang 24 wird das elektrische Signal eines Drehzahlsensors auf das Steuergerät 21 gegeben, mit dem die Kurbelwellendrehzahl n_KW der Brennkraftmaschine 15 gemessen wird. Abhängig von diesen äußeren Parametern wird mittels vorgegebener Schwellwerte im Steuergerät 21 festgelegt, welcher Starter 10 bzw. 11 beim Auftreten eines Startsignals am Signaleingang 22 zum Andrehen der Brennkraftmaschine 15 aktiviert wird.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist für eine Brennkraftmaschine 15 von etwa 120 kW-Antriebsleistung ein erster Starter 10 mit 1,7 kW-Leistung und ein zweiter Starter 11 mit 2,0 kW-Leistung vorgesehen. Der erste Starter 10 hat ein Vorgelege mit einer Untersetzung von i = 4,36 und überträgt damit über Ritzel und Zahnkranz auf die Kurbelwelle 16 ein maximales Drehmoment M_KW = 165 Nm (Newtonmeter). Der zweite Starter 11 ist dagegen als Direktstarter ohne Vorgelege ausgebildet, so daß dort die Untersetzung i = 1 beträgt. Er überträgt auf die Kurbelwelle über Ritzel und Zahnkranz der Brennkraftmaschine ein maximales Drehmoment von M_KW = 45 Nm. Beide Starter sind mit einem Freilauf versehen, welcher dann öffnet, sobald die am Ritzel jeweils wirksame Drehzahl der Brennkraftmaschine die Leerlaufdrehzahl des jeweiligen Starters überholt. Für den ersten Starter 10 öffnet der Freilauf ab einer Kurbelwellendrehzahl von n_KW = 300/min und beim zweiten Starter 11 ab einer Kurbelwellendrehzahl von n_KW = 500/min.

Im folgenden werden anhand der Fig. 2 bis 4 verschiedene im Steuergerät 21 programmierbare Steuerungen der Startvorrichtung beschrieben.

Nach einem ersten Programmablauf gemäß Fig. 2 wird zur Auslösung eines Startvorgangs nach einem Startsignal im Schritt 100 abhängig von der Öltemperatur der Brennkraftmaschine 15 über die Schwellwertsteuerung des Steuergeräts 21 im Programmschritt 101 entweder der erste Starter 10 oder der zweite Starter 11 über die gemeinsame Getriebestufe des Zahnkranzes 14 an die als Abtriebswelle vorgesehene Kurbelwelle 16 der Brennkraftmaschine angekoppelt bzw. von ihr abgekoppelt. Die Schwellwertsteuerung (Schwelle ist frei wählbar!) ist dabei auf einen Temperaturwert von 30°C eingestellt. Bei tieferen Temperaturen der Brennkraftmaschine 15 wird im Schritt 102 nur der erste Starter 10 mit dem größeren Untersetzungsverhältnis aktiviert. Bei höheren Temperaturen der Brennkraftmaschine ab 30°C wird dagegen im Schritt 103 nur der zweite Starter 11 aktiviert, da dieser Starter als Direktstarter mit i = 1 gegenüber dem ersten Starter 10 eine kleinere Untersetzung aufweist, kann mit ihm die Brennkraftmaschine 15 auf eine höhere Drehzahl als bisher üblich gebracht werden, wodurch insbesondere im Start-Stop- Betrieb der Andrehvorgang abgekürzt werden kann, indem zunächst die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine hochgedreht und erst beim Erreichen einer vorgebbaren Mindestdrehzahl die Kraftstoffeinspritzung und Zündung erfolgt. Dadurch kann die Leerlaufdrehzahl der Maschine bereits mit der ersten Kraftstoffeinspritzung erreicht und der Startvorgang beendet werden. Dies ist insbesondere in städtischen Bereichen bei Ampelstops oder bei einem Verkehrsstau ein beachtlicher Beitrag zur Luft- und Klimaverbesserung. Die üblichen Andrehwerte von etwa 300 Kurbelwellen-Umdrehungen pro Minute können mit der erfindungsgemäßen Startvorrichtung bis dicht unter die übliche Leerlaufdrehzahl von n_KW = 600/min angehoben werden. Sobald diese Drehzahl erreicht wird, wird dies im Schritt 104 erkannt und mit Schritt 105 wird die Startvorrichtung abgeschaltet.

In einer weiteren Programmablauf-Variante gemäß Fig. 3 kann im Steuergerät 21 ein weiterer Temperatur-Schwellwert von beispielsweise von 0°C vorgesehen sein, so daß unterhalb dieses Schwellwerts beide Starter 10 und 11 vom Steuergerät 21 zum Starten der Brennkraftmaschine 15 gleichzeitig aktiviert werden. Damit wird auch bei sehr tiefen Temperaturen ein Starten der Brennkraftmaschine in einer möglichst kurzen Zeit sichergestellt. Die Programmschritte 200 bis 205 entsprechen dabei den Schritten 100 bis 105 aus Fig. 2. Der weitere Temperatur-Schwellwert wird dabei im Schritt 206 abgefragt, um ggf. im Schritt 207 beide Starter 10 und 11 einzuschalten.

Bei einer weiteren, im Steuergerät 21 programmierbare Alternative der Ansteuerung der erfindungsgemäßen Startvorrichtung für eine möglichst kurzzeitige Andrehphase der Brennkraftmaschine ist gemäß Fig. 4 vorgesehen, daß bei einem Startsignal am Eingang 22 gemäß Schritt 300 zunächst beide Starter 10 und 11 vom Steuergerät 21 über die Steuerleitungen 19 und 20 im Schritt 301 aktiviert werden und daß beim Erreichen einer vorgegebenen Drehzahl der Brennkraftmaschine von n_KW < 300/min. mittels einer Schwellwertschaltung des Steuergeräts 21 über Schritt 302 im Schritt 305 der erste Starter 10 mit der größeren Untersetzung abgeschaltet und ausgespurt wird. Zur Erhöhung der Startsicherheit ist hierbei außerdem auch noch gemäß Schritt 305 die Öltemperatur mit heranzuziehen, so daß der erste Starter mit der größeren Untersetzung nur dann drehzahlabhängig abgeschaltet wird, wenn die Motortemperatur/Öltemperatur oberhalb eines vorgegebenen Schwellwerts von z. B. 30°C liegt. Das Abschalten des ersten Starters 10 beim Startvorgang der Brennkraftmaschine 15 ist somit lediglich für sogenannte Warmstarts vorgesehen. Das Kaltstartvermögen der Startvorrichtung wird dadurch nicht beeinträchtigt. Das Abschalten der Startvorrichtung im Schritt 307 erfolgt wie in Fig. 2 und 3 über eine Leerlaufabfrage im Schritt 304.

Claims

1. Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen mit mindestens zwei Startern (10, 11) mit unterschiedlicher Untersetzung, die über eine elektrische Schwellwert-Steuerung (21) abhängig von äußeren Parametern wie der Motortemperatur derart ansteuerbar sind, daß entweder der eine Starter (10) oder der andere Starter (11) oder beide gemeinsam aktivierbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß beide Starter (10, 11) unabhängig voneinander über eine gemeinsame Getriebestufe (14) an die Abtriebswelle (16) der Brennkraftmaschine (15) mechanisch an- bzw. von ihr abkoppelbar sind.

2. Startvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Getriebestufe ein Zahnkranz (14) einer Schwungscheibe an der als Kurbelwelle (16) ausgebildeten Abtriebswelle der Brennkraftmaschine (15) ist, an deren Umfang die beiden Starter (10, 11) mit Abstand voneinander mit je einem Einspurritzel (12, 13) ein- und ausrückbar angeordnet sind.

3. Startvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (21) den Starter (10) mit der größeren Untersetzung, vorzugsweise mit i < 3, bei tieferen Temperaturen der Brennkraftmaschine (15), vorzugsweise T < 30°C für Startvorgänge aktiviert.

4. Startvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (21) den Starter (11) mit der kleineren Untersetzung, vorzugsweise mit i ≦ 3, bei höheren Temperaturen der Brennkraftmaschine (15), vorzugsweise bei T ≧ 30°C für Startvorgänge aktiviert.

5. Startvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (21) zum Starten der Brennkraftmaschine (15) zunächst beide Starter (10, 11) aktiviert und beim Erreichen einer vorgebbaren Drehzahl der Brennkraftmaschine (15) den Starter (10) mit der größeren Untersetzung abschaltet und abkoppelt.

6. Startvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (21) die drehzahlabhängige Abschaltung nur oberhalb einer vorgegebenen Motortemperatur durchführt.

7. Startvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Starter (11) mit der kleineren Untersetzung die Brennkraftmaschine (15) zum Starten auf eine Kurbelwellendrehzahl von vorzugsweise n_KW < 600/min hochdreht.

8. Startvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Starter (11) mit der kleineren Untersetzung als Direktstarter (i = 1) ausgebildet ist.

9. Startvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung mit einem Steuergerät (21) erfolgt, dem die Drehzahl und die Öltemperatur der Brennkraftmaschine (15) als elektrische Signale zugeführt sind.

10. Verfahren zur Betätigung der Startvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Starter (10, 11) durch Steuersignale der elektrischen Schwellwert-Steuerung (21) unabhängig voneinander aktiviert werden (Fig. 2).

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Kaltstart zumindest der Starter (10) mit der größeren Untersetzung und bei einem Warmstart nur der Starter (11) mit der kleineren Untersetzung aktiviert wird (Fig. 1 und 2).

12. Verfahren zur Betätigung der Startvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Startvorgang zunächst beide Starter (10, 11) aktiviert werden und daß beim Erreichen einer vorgegebenen Drehzahl und Temperatur der Brennkraftmaschine (15) der Starter (10) mit der größeren Untersetzung deaktiviert wird (Fig. 3).