DE4105708A1 - Nachruestbares start-stop-automatikgeraet fuer den umweltschonenden und kraftstoffsparenden betrieb von motoren fuer personenkraftwagen (pkw) im "stop and go"- und ampelverkehr - Google Patents

Description

Die Erfindung nimmt bezug auf das Sachgebiet der Kraft­ fahrzeugelektrik und -elektronik speziell für PKW mit 12 V Bordspannungsnetz.

Sie beschäftigt sich mit der Problematik des unnötigen Schadstoffausstoßes von im Leerlauf betriebenen Verbren­ nungskraftmaschinen von PKW an ampelgeregelten Kreuzungen oder im "Stop and Go"-Verkehr bei Verkehrsstau.

Es sind Systeme bekannt, die eine automatische Motorab­ schaltung bei Leerlauf oder Schub und einen Neustart durch Einlegen des 1. Ganges ermöglichen.

Dieses sind Entwicklungsergebnisse der Volkswagenwerke AG, welche serienmäßig im VW-Polo (Öko-Polo) bei der Herstel­ lung fest integriert sind.

Nachteilig wirkt sich aus, daß diese Systeme weder bei damit nicht ausgestatteten VW-Fahrzeugtypen, noch bei PKW anderer Hersteller nachrüstbar sind.

Dieser Umstand ist Gegenstand der Problematik, mit der sich die Erfindung beschäftigt.

Die Erfindung ermöglicht die Serien- und Massenproduktion von Steuergeräten, deren Einbau in jeden PKW-Typ problem­ los möglich ist und welche durch Integration in das vor­ handene Bordnetz im Zusammenspiel mit Zusatzeinrichtungen (Sensor zur Erfassung der Leerlaufstellung des Schalthe­ bels, sowie Bedienelemente wie Kippschalter und Quit­ tiertaster) im folgenden beschriebene Vorgänge ermög­ licht.

Nachdem im herkömmlichen Fahrbetrieb der Motor Betriebs­ temperatur erreicht hat, wird mit Hilfe des Kippschalters während der Fahrt der Automatikbetrieb eingeschaltet. Wird jetzt mit dem Schalthebel zum Beispiel beim Heran­ fahren an eine ampelgesperrte Kreuzung die Leerlaufstel­ lung (Zwangsstellung im losgelassenen Zustand des Hebels) gewählt, geht der Motor nach ca. 1 bis 3 Sekunden aus. Diese Zeit ist im Gerät wahlweise fest einstellbar. Wird die Kreuzung freigegeben, erfolgt durch leichten Druck auf das Gaspedal der Neustart. Dabei wird die Dauer des Startvorganges vom Fahrer bestimmt. Im Moment des Los­ lassens des Gaspedals wird der Startvorgang (Zeit des An­ lassens) beendet. Erneuter Druck auf das Pedal (z. B. beim Anfahren) bewirkt keinen erneuten Startvorgang. Der Motor bleibt jetzt so lange an, bis nach Verlassen der Leerlaufstellung wieder die Anwahl der Leerlaufstellung des Schalthebels erfolgt. Das heißt für den Normalfall: Einlegen des 1. Ganges, anfahren, schalten, an der näch­ sten gesperrten Kreuzung wieder anhalten und Leerlauf einlegen. Im Sonderfall wird der Motor zum Beispiel bei kurzem Verlassen der Zwangsleerlaufstellung (Hebel wird aus der Zwangsleerlaufstellung in die Leerlaufstellung zwischen 1. und 2. Gang gebracht und wieder zurück in die Zwangsstellung) ebenfalls abgeschaltet.

Wenn der Motor während des Startvorganges, der durch Loslassen des Gaspedals beendet wird, nicht angesprungen ist, kann durch erneuten Druck auf das Pedal der Start­ vorgang nicht wiederholt werden. Es ist bewußt auf ein aufwendiges System verzichtet worden, welches den Unter­ schied erkennt zwischen einem Motor, der vom Anlasser bewegt wird oder bereits in Folge einsetzender Zündung selbst läuft.

Der Fahrer jedoch erkennt diesen Unterschied sofort. In diesem Fall ist durch kurzen Druck auf den Quittierta­ ster, der als Zusatzeinrichtung neben dem Kippschalter am Armaturenbrett installiert ist, die Startwiederholung vorbereitet.

Durch Betätigung des Gaspedals kann in oben beschriebener Weise der Anlaßvorgang wiederholt werden.

In der Regel ist dieses Hilfsprogramm nicht notwendig, weil schon ein sehr kurzer Startimpuls den Motor sicher anspringen läßt.

Ein kurzes Verweilen des Schalthebels in der Leerlauf­ zwangsstellung welches z. B. beim Schalten vom 2. in den 3. und vom 3. in den 4. Gang und umgekehrt, nicht zu ver­ meiden ist, führt nicht zur Motorabschaltung!

Die Abschaltung erfolgt nur dann, wenn der Schalthebel sich länger als 1 bis 3 Sekunden in der Zwangsleerlauf­ stellung befindet.

Ist ersichtlich, daß beim Heranfahren an eine gesperrte Kreuzung diese gleich freigegeben wird, kann durch Fest­ halten des Schalthebels in der Leerlaufstellung zwischen 1. und 2. Gang ein unnötiges Abschalten des Motors für eine eventuelle Dauer von 1 bis 5 Sekunden bis zum Neu­ start verhindert werden.

Diese Variante ist besonders wichtig im zähfließenden Verkehr.

Während des Startvorganges werden automatisch die Schein­ werfer (nicht das Standlicht), welche sich bei Fahrt in Dunkelheit in Betrieb befinden, zur Entlastung der Auto­ batterie abgeschaltet.

Vorteile der Erfindung Ökologischer Effekt

Der bisweilen minutenlange Schadstoffausstoß durch laufen­ de Motoren an ampelgeregelten Kreuzungen kann durch eine automatische Motorabschaltung optimal reduziert werden. Auch bei Ausrüstung mit Katalysator ergibt sich noch ein schadstoffreduzierender Effekt, denn der umweltfreundlich­ ste Motor ist der abgeschaltete Motor.

Testfahrten von 6 bis 10 km im Stadt- und Berufsverkehr beweisen, daß der Motor auf dieser Distanz 8 bis 10 Minuten und länger nutzlos im Leerlauf betrieben wird.

Ökonomischer Effekt

Experten schätzen ein, daß der Benzinverbrauch bei 3 Minuten "Standgas" - also Leerlaufbetrieb des Motors effektiv einer Fahrleistung von 1 Kilometer entspricht.

Der Effekt dieses sinnlosen Verbrauches tritt bei allen Fahrzeugtypen, auch jenen mit schadstoffreduzierenden Katalysatoren auf.

Aufbau des Systems

Das Start-Stop-Automatikgerät besteht aus einer bestückten Leiterplatte zur Realisierung der Steuerfunktion sowie 3 Ausgangsrelais, welche die Funktion der Zündung, der Scheinwerfer und des Anlaßvorganges übernehmen. Leiter­ platte und Relais befinden sich in einem Gehäuse mit den Abmessungen 130×96×40 mm, an dessen Breitseiten sich die Flachsteckanschlußkontakte der Relais und einer 8-poligen Steckerleiste zur Korrespondenz mit der vorhandenen Elek­ trik und den Zusatzeinrichtungen befinden. (vergl. Fig. 1) Die Zusatzeinrichtungen bestehen aus:

• - Kipp-Umschalter zur Inbetriebnahme der Automatik
• - Quittiertaster zur eventuell erforderlichen Start­ wiederholung
• - induktivem Näherungsinitiator zur Erfassung der Zwangs­ leerlaufstellung des Schalthebels
• - für den jeweiligen PKW-Typ angepaßte Vorrichtung zur Aufnahme des Näherungsinitiators

Gewerbliche Nutzung

Für die Herstellung der Automatikgeräte stehen Konstrukti­ onspläne, Leiterplattentopologie, Bestückungsplan und Stromlaufplan zur Verfügung.

Der Einbau, die Installation der Zusatzeinrichtungen und die Integration in das vorhandene Bordnetz kann von jeder KfZ-Elektrikwerkstatt vorgenommen werden.

Autoproduzenten können bereits bei der Herstellung der Fahr­ zeuge entweder den Einbau der Geräte gleich vornehmen oder für eine eventuelle spätere Nachrüstung vorbereiten.

Funktionsbeschreibung Stromlaufplan Fig. 1

Befindet sich der Umschalter"Automatik" S1 in O-Stellung wird über die Dioden V01 und V02 L-Potential an die Spulen der Relais K1 und K2 geführt, so daß diese erregt sind. Damit ist die Zündung über die Kontakte von K1 ständig eingeschaltet.

Die Kontakte von K2 schalten die Scheinwerfer ein, falls der Lichtschalter LS (bei Bedarf) eingeschaltet ist. In diesem Schaltzustand von S1 ist die Automatik außer Betrieb. Wird S1 in Stellung 1 gebracht, erhält das System L-Potential. Durch C3 wird FF3 gesetzt, so daß V3 nicht durchgesteuert ist und K3 (Startrelais) nicht erregt wird. V2 dagegen ist durchgesteuert und K2 (Scheinwerferrelais) erregt.

Durch C1 wird FF1 im Einschaltmoment gesetzt, so daß an L-Potential liegt und V1 über den Inverter durchgesteuert ist. Damit ist K1 erregt und die Zündung bleibt während des Umschaltvorganges auf "Automatik" eingeschaltet. Ebenso bleiben die Scheinwerfer eingeschaltet und der An­ lasser ausgeschaltet.

Solange die Zündung eingeschaltet bleibt, wird über von FF1 an E3 von V1.3 L-Potential geführt, so daß FF3 nicht zurückgesetzt wird.

Mit dem induktiven Näherungsinitiator V0 wird die Leerlauf­ stellung des Schalthebels zwischen dem 3. und 4. Gang er­ faßt. (Zwangsstellung des losgelassenen Hebels im Leerlauf) Bei bewußter Wahl dieser Hebelstellung wird nach 1-3 Se­ kunden die Spannungsversorgung des Steuergerätes Zündung unterbrochen. Durch die Hebelstellung erfolgt an den Aus­ gängen des Initiators ein Pegelwechsel.

Durch den Pegelwechsel an A und von V0 wird an A von V1.2 ein kurzer L-Impuls erzeugt.

Damit wird:

• 1. FF2 über E1 gesetzt, so daß an A von FF2 H-Potential liegt (vor dem L-Impuls durch A von V1.2 wurde E2 von FF2 auf H-Potential gehoben!)
• 2. V1.1 über E2 an seinen Eingängen auf L-Potential belas­ sen, so daß FF1 über E2 nicht zurückgesetzt wird
• 3. der monostabile Multivibrator V1.4 über E gestartet, welcher über seinen Einstellregler eine variable Zeit­ einstellung von 1-3 Sekunden gestattet.

Die Dauer des L-Impulses an A von V1.2 ist durch C1.2 und R1.2 so bemessen, daß A von V1.4 schneller L-Potential annimmt, als der L-Pegel an A von V1.2 abgeklungen ist. Damit ist gewährleistet, daß V1.1 an A H-Potential be­ hält.

Nachdem A von V1.2 wieder H-Pegel annimmt liegen E2 und E3 von V1.1 auf H-Pegel.

Nach dem Zeitablauf von 1-3 Sekunden wird A von V1.4 wieder auf H-Pegel gebracht. Damit sind alle Eingänge von V1.1 auf H-Pegel. FF1 wird über E2 zurückgesetzt, Ausgang nimmt H-Pegel an, V1 ist nicht mehr durchgesteuert, das Zündrelais K1 ist entregt - die Spannungsversorgung des Steuergerätes Zündung wird unterbrochen und der Motor geht aus.

Der Neustart des Motors wird durch Druck auf das Gaspedal bewirkt. Hierbei öffnet der Vergaserschalter und an E1 von FF3, E1 von V1.3 und am Eingang des dem Eingang von V1.3 vorgeschalteten Inverters liegt H-Pegel an.

Über von FF1 wird E3 von V1.3 ebenfalls H-Potential zu­ geführt. Die Kombination von R1.3 und C1.3 am Ausgang des Inverters läßt das eigentlich an E2 von V1.3 entstehende L-Signal zeitverzögert wirken, so daß über einen kurzen Augenblick alle 3 Eingänge von V1.3 H-Potential haben. Damit entsteht an A von V1.3 ein kurzer L-Impuls, der FF3 zurücksetzt, so daß

• 1. A von FF3 L-Pegel annimmt. V3 ist damit durchgesteuert und das Startrelais K3 wird erregt, über dessen Schließ­ kontakte, welche parallel zum Zündanlaßschalter liegen, der Anlasser betätigt wird.
• 2. zeitgleich während des Startvorganges an von FF3 H-Pegel liegt, so daß V2 nicht mehr durchgesteuert ist, das Lichtrelais K2 entregt wird und damit die Scheinwer­ fer abgeschaltet werden.
• 3. zeitgleich während des Startvorganges über E1 FF1 gesetzt, V1 durchgesteuert und das Zündrelais K1, welches die Zündung einschaltet, erregt wird,
• 4. FF2 zurückgesetzt wird und damit E3 von V1.1 an L-Po­ tential gelegt wird und damit an E2 von FF1 H-Pegel liegt.

Solange das Gaspedal betätigt wird, kann FF3 über E1 nicht gesetzt werden. Durch Loslassen des Gaspedals führt der Vergaserschalter VGS wieder L-Pegel sowohl an E1 von FF3 als auch an E1 von V1.3. Damit nimmt A von FF3 wieder H-Pegel an. K2 wird erregt und K3 entregt. Damit ist der Neustartvorgang abgeschlossen. Die Dauer des Druckes auf dem Gaspedal bestimmt somit die Dauer des Startvorganges. Ein erneuter Druck auf das Gaspedal löst keinen erneuten Startvorgang aus, da E3 von V1.3 L-Potential führt wegen von FF1→L.

Somit kann an A von V1.3 kein L-Impuls ausgelöst werden, welcher FF3 zurücksetzen würde.

Falls der Motor über die Dauer des Starts nicht angesprun­ gen ist kann ohne Betätigung des Tasters S2 durch erneuten Druck auf das Gaspedal der Startvorgang natürlich aus o. g. Gründen nicht wiederholt werden.

Befindet sich der Schalthebel in Leerlaufstellung, liegt an von V0 L-Potential. Damit wird durch Betätigung des Tasters S2 an E2 FF1 zurückgesetzt und das Relais Zündung "Ein" wird entregt. Damit aber an E3 von V1.3 wieder H-Pegel, so daß der durch den Druck auf das Gaspedal be­ dingte Pegelwechsel an A von V1.3 wieder den Startvorgang auslösen kann. Die Startwiederholung kann beliebig oft betätigt werden.

Mit S2 ist auch das Abschalten des im Stand laufenden Motors möglich, wenn z. B. an einer Ampelkreuzung der Startvorgang zu früh ausgelöst wurde und der Motor unnötig lange laufen würde, bis die Ampelphase eine Weiterfahrt ermöglicht. Voraussetzung zum Abschalten ist, daß der Schalthebel sich in der Leerlaufstellung befindet. Während des normalen Fahrbetriebes ist der Taster S2 unwirksam, da von V0 dann H-Pegel führt und FF1 an E2 damit nicht zurückgesetzt werden kann.

Ein nur kurzes Verharren des Schalthebels in dieser Zwangsstellung im Leerlauf führt nicht zur Motorabschaltung. Dieses kurze Verharren wird z. B. ausgelöst durch Schaltvorgänge:

• - Schalten vom 2. in den 3. Gang
• - Schalten vom 3. in den 4. Gang und zurück.

Hier wäre die Abschaltung auch nicht erwünscht. Zwar wird durch den Pegelwechsel an den Ausgängen von V0 an A von V1.2 ein L-Impuls erzeugt, der aber auf den Ausgang A von V1.1 keinen Einfluß hat. Es können nicht alle 3 Eingänge von V1.1 gleichzeitig H-Pegel haben, denn bevor V1.4 nach Ablauf von 1-3 Sekunden auf seinen Ausgang wieder H-Potential schaltet, wurde über E2 FF2 zurückgesetzt, da A von V0 sofort wieder L-Potential angenommen hat. Damit liegt an E3 von V1.1 ebenfalls L-Potential, so daß FF1 über E2 nicht zurückgesetzt werden kann und damit die Zündung bei nur kurzzeitiger Schalthebelstellung im Leerlauf nicht unterbrochen wird.

Vorhandenes Bordnetz

• - Zündschalter Zs Klemme 15 erhält Spannung, wenn die Zündung eingeschaltet ist. Die positive Spannung wird der Abschaltautomatik über eine der Bordsicherungen F zugeführt, welche von Klemme 15 des Zündschalters versorgt wird.
• - Klemme 30 und 50 des Zündanlaßschalters ZAS werden durch Betätigen des ZAS überbrückt und lösen den Startvorgang aus. Parallel zum Schaltkontakt von K3 (Relais Anlasser "Ein"). Der Startvorgang kann sowohl durch Betätigung des ZAS als auch durch Erregen von K3 ausgelöst werden.
• - Die direkte Verbindung zwischen Zündschalter Zs Klemme 15 und dem Steuergerät Zündung STGZ ist galvanisch getrennt. Die Verbindung wird wieder hergestellt durch die Kontakte von K1 (Relais Zündung "Ein").
• - Die direkte Verbindung zwischen Lichtschalter LS und Lenksäulenschalter LSS ist galvanisch getrennt. Die Verbindung wird wieder hergestellt durch die Kontakte von K2 (Relais Scheinwerfer "Ein")
  Licht und Zündung können nunmehr nur noch im erregten Zustand von K2 und K1 eingeschaltet werden gleichgültig, ob Automatikbetrieb oder nicht!
• - Der Vergaserschalter VGS liefert dem Schubabschaltgerät bei unbetätigtem Gaspedal L-Potential.
  Der Pegelwechsel dieses Schalters wird zusätzlich der Auswertelektronik des Gerätes über einen Flachsteckverbinder X1 : 1 und einer Entkopplungsdiode V4 zugeführt.

Periphere Zusatzeinrichtungen

• - Schalter S1 (Umschalter) dient dem Ein- und Ausschalten der Abschalt- und Startautomatik.
• - Taster S2 dient der Startwiederholung nach eventuellem Fehlstart bzw. der gewollten Motorabschaltung nach ungewolltem Start.
• - S1 und S2 sind an geeigneter Stelle auf dem Armaturenbrett nachinstalliert.
• - Der induktive Näherungsinitiator V0 ist so installiert, daß nur die Leerlaufstellung des losgelassenen Schalthebels einen Pegelwechsel an A und hervorruft, gleichgültig, ob der Hebel in diesen Bereich herein- oder herausbewegt wird. Schaltwirksam ist jedoch nur das Hineinbewegen (A → H und → L)

Claims (3)

1. Kriterium der problemlosen Nachrüstbarkeit des Automatikgerätes einschließlich der Zusatzeinrichtungen für alle PKW-Typen mit 12 V Betriebsspannung und Integration in deren vorhandenes Bordnetz.

2. Modus des Start-Stop-Ablaufes

• - Stop des Motors durch zeitabhängiges Verharren des Schalthebels in der Zwangsleerlaufstellung
• - Start des Motors durch leichten Druck auf das Gaspedal, wobei Startzeitpunkt und Länge der Startzeit durch den Fahrer bestimmt werden können
• - Möglichkeit der Startwiederholung nach eventuellem Fehlstart
• - Scheinwerferabschaltung während des Startvorganges zur Entlastung der Batterie (wenn keine Starterbatterie extra vorhanden ist)
• - Umschaltmöglichkeit von Normal- auf Automatikbetrieb und umgekehrt

3. Logik- und Stromlaufplan (siehe Fig. 1), der die Ablauffolge nach Anspruch 2 ermöglicht und der im beschreibenden Teil ausführlich erläutert ist.