EP1105642B1 - Verfahren zur startabschaltung einer brennkraftmaschine - Google Patents

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EP1105642B1
EP1105642B1 EP98942474A EP98942474A EP1105642B1 EP 1105642 B1 EP1105642 B1 EP 1105642B1 EP 98942474 A EP98942474 A EP 98942474A EP 98942474 A EP98942474 A EP 98942474A EP 1105642 B1 EP1105642 B1 EP 1105642B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
starter
internal combustion
combustion engine
current
time
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP98942474A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1105642A1 (de
Inventor
Gerhard KÖLLE
Manfred Ackermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1105642A1 publication Critical patent/EP1105642A1/de
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Publication of EP1105642B1 publication Critical patent/EP1105642B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N11/00—Starting of engines by means of electric motors
    • F02N11/08—Circuits or control means specially adapted for starting of engines
    • F02N11/0848—Circuits or control means specially adapted for starting of engines with means for detecting successful engine start, e.g. to stop starter actuation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N2200/00—Parameters used for control of starting apparatus
    • F02N2200/04—Parameters used for control of starting apparatus said parameters being related to the starter motor
    • F02N2200/044—Starter current

Definitions

  • the invention relates to a method for starting shutdown an internal combustion engine with those in the preamble of claim 1 mentioned features.
  • DE 195 03 537 A1 proposed electronic detection the self-running of the internal combustion engine by detection the ripple of a battery voltage and / or to realize a starter current.
  • a comparison of the absolute value of the battery voltage or of the starter current with a reference value around the Detect self-running of the internal combustion engine is that the operating conditions of the Internal combustion engine can only be considered insufficiently are, so that, for example, a cold start and a Warm start of the internal combustion engine cannot be taken into account are.
  • the method according to the invention with that in claim 1 mentioned features offers the advantage that for determination the time of the start shutdown information about the operating state of the internal combustion engine be considered indirectly.
  • a signal proportional to the starter current for determination evaluated at the time of the start shutdown where a characteristic curve with a Starter current proportional signal is evaluated, which depends on an operating state of the internal combustion engine depends on an optimized start switch-off immediately after the internal combustion engine has run itself possible so that a start time reduction, especially when the internal combustion engine is warm is achieved.
  • the procedure is simple can be used for all internal combustion engines, only an adaptation of the characteristics of the operating state the internal combustion engine certain parameters necessary is.
  • FIG. 1 shows the typical course of a starter current I S of a starter motor of an internal combustion engine over time t.
  • the starter current I S increases to a first maximum value I 1 at time t 1 .
  • the starter current I S then changes into a ripple range before it changes into a current I 0 after the internal combustion engine has run itself.
  • the ripple of the starter current I S is known to result from the compression and decompression phases of the internal combustion engine that change during the starting phase.
  • the phases are recorded with a positive or negative slope of the starter current I S.
  • the phases of negative slope of the starter current are detected by the time periods t 2 to t 3 , t 4 to t 5 and so on, while the phases of positive slope from the time periods t 3 to t 4 and t 5 to t 6 and so are further recorded.
  • Each starter current maximum I 2 , I 4 or I 6 is assigned a voltage minimum at times t 2 , k 4 and t 6 .
  • the time duration of the starter current is determined with a negative gradient starting from each maximum of the starter current I 2 , I 4 and I 6 and compared with a permanently stored time characteristic.
  • An operating state of the internal combustion engine can be concluded from the first current maximum I 1 of the starter current I S. It is known, for example, that at different operating temperatures of the internal combustion engine, the first maximum I 1 has a corresponding value which can be assigned to the operating temperatures.
  • FIG. 2 This information is further evaluated on the basis of the correlation shown in FIG. 2 between a crankshaft speed of the internal combustion engine and the starter current I S.
  • the characteristic curves of FIG. 2 represent the correlation of a crankshaft speed n with the starter current I S.
  • a closed freewheel clutch and a quasi-stationary operation of the starter motor and the internal combustion engine are assumed.
  • a total of three characteristics are plotted for three different operating temperatures, namely at -20 ° C, + 20 ° C and + 80 ° C. 10 denotes an area which defines the end area of a start-up support for the starter in a cold internal combustion engine.
  • a characteristic curve 12 defines a minimum crankshaft speed n for self-running in a warm internal combustion engine.
  • the resulting characteristic curves of the crankshaft speed n over the starter current I S are converted into linearized characteristic curves.
  • a "warm” characteristic curve is denoted by 14 and a “cold” characteristic curve running parallel thereto is denoted by 16.
  • a switch-off criterion can be determined if no misfiring or combustion misfires occur.
  • temperatures ⁇ 0 ° C there is no intersection between the minimum required speed n and the starter current I S.
  • a time characteristic curve is formed for switching off the internal combustion engine. Different time characteristics for different operating states of the internal combustion engine, for example depending on an operating temperature, can be stored and processed. By defining an output temperature T crit of, for example, 10 ° C., a distinction can be made between characteristics of> T crit and ⁇ T crit . These characteristic curves are switched, for example, by evaluating the current maxima I 1 , I 2 of the starter current I S , since these provide the information as to whether it is a cold or warm internal combustion engine.
  • the amplitude of the maxima I 1 and I 2 , the time interval between the amplitudes t 2 -t 1 and the difference I 2 -I 1 can be a criterion for recognizing a warm or a cold internal combustion engine.
  • the point in time to switch off the start using a common Characteristic curve is determined, for example a common characteristic for a warm and a cold Internal combustion engine is used.
  • the open one-way clutch can be detected over the course of the starter current I S.
  • the observation time up to which an open one-way clutch has to wait at least before the start can be switched off corresponds to the time for 0.8 to 1 half turn of the crankshaft at unchanged engine speed n without combustion torques, corresponding to the ignition interval for a 4-cylinder -Brennkraftmaschine.
  • the factor 0.8 results because the warm-up phase and the starter motor do not fall below approximately 20% of the internal combustion engine cycle time when the overrunning clutch is closed.
  • a speed determination of the speed n can take place via the closed phase of the freewheel clutch that precedes an opening phase of the one-way clutch according to the correlation between the starter current I S and the crankshaft speed n (warm characteristic curves).
  • the corresponding starter current I S results in a correspondingly smaller assigned speed value n. This is compensated for at low internal combustion engine temperatures by the fact that there the relative adhesion phase at 0 ° C to typically 50 % or at -20 ° C to typically 70%. If one stays there at a factor of 0.8, an opening phase of the freewheel clutch is also safely bridged at negative temperatures.
  • a cold internal combustion engine can be clearly detected via the high current level of the starter current I S and a slight reduction between the current maxima I 1 and I 2 , so that a switch to a longer waiting time, i.e. a correspondingly different time characteristic, can be carried out ,
  • This has the advantage that, when the internal combustion engine is switched off, misfires (to a certain degree) do not lead to the internal combustion engine coming to a standstill. If necessary, in order to bridge at least one complete misfire in the time characteristic, a longer delay time can be set when the overrunning clutch is open.
  • the starter current I S is evaluated in that, after the starter motor has been connected to the voltage source (motor vehicle battery), a preliminary phase is faded out up to the time t 0 .
  • the gradients of the starter current I S are then continuously evaluated by forming the current maxima I 2 , I 4 , I 6 ... at the end of each phase with a positive slope. From the negative slope of the starter current I S, these values form a delay time up to which the negative slope of the starter current I S must continue unchanged in order to trigger a current shutdown.
  • the function T shutdown f 1 (I 1 ) applies here to determine the warm or cold characteristic curves.
  • the characteristic curves 14 and 16 shown in FIG. 2 can be determined as follows.
  • FIG. 3 Another method for switching off an internal combustion engine is explained with reference to FIG. 3, in which the motor vehicle battery voltage U is used as the signal proportional to the starter current instead of the starter current I S.
  • the course of the voltage U battery voltage
  • the voltage U has a ripple that is opposite to the ripple of the starter current I S, that is to say the voltage U is falling in sections with increasing starter current I S and in sections with falling starter current I S the voltage U is rising.
  • the times t 2 , t 4 and t 6 with the currents I 2 , I 4 and I 6 are entered in FIG. 3.
  • the voltage U is tapped at a terminal of the starter motor, which is connected to the positive pole of the vehicle battery.
  • U U Batt - I S (Ri Batt + Ri L )
  • U Batt is the open circuit voltage of the motor vehicle battery
  • I S the starter current
  • Ri Batt the internal resistance of the motor vehicle battery
  • Ri L the line resistance from the connection terminal to the motor vehicle battery.
  • the internal battery resistance Ri Batt and the open circuit voltage U Batt are fundamentally dependent on the motor vehicle battery used, on the temperature and on the state of charge.
  • the overall non-linear relationship is shown in the following table, with the open circuit voltage U Batt in volts and the battery internal resistance Ri Batt in milliohms: Battery charge temperature 0% 80% 50% + 20 ° C 12.00 / 5.00 11.76 / 5.45 11.51 / 6.14 0 ° C 11.69 / 5.75 11.43 / 6.24 11.17 / 6.88 -10 ° C 11.54 / 6.46 11.27 / 6.90 11.00 / 7.60 -20 ° C 11.38 / 7.56 11.11 / 8.07 10.83 / 8.65
  • the line resistance Ri L in series with the battery internal resistance Ri Batt has a nominal resistance of 1 mOhm, corresponding to the line length from the positive connection of the motor vehicle battery to the connection terminal of the starter motor. This value depends on the temperature coefficient of the cable material, i.e. usually copper.
  • the voltage U_0 thus contains the battery open circuit voltage minus the voltage drop due to the electrical consumers connected at this time.
  • the required voltage window is between 10 V and +13 V.
  • a necessary voltage window is 7 volts up to +13 volts.
  • the start process must be in operation electrical auxiliary consumers located systematically recorded and over the entire time range of Start process are recorded. Is crucial the level and the course of each Currents, since under certain circumstances an elimination of the electrical auxiliary consumers via a suitably dimensioned Filter is done.
  • FIG. 3 shows hatched time ranges, each of which corresponds to a time window in a phase of increasing voltage U.
  • the phase of rising voltage U corresponds, according to FIG. 1, to the phase of a falling starter current I S , so that the same applies to starter current I S.
  • the starting shutdown of the internal combustion engine results after the time period has been exceeded within a rising phase of voltage U at time t A.
  • An increase in the accuracy of the determination of the switch-off point t A when evaluating the voltage U as a signal proportional to the starter current can be achieved by eliminating vehicle-specific setting variables, in particular with regard to the motor vehicle battery and the connecting line to the connecting terminal of the starter motor, and by having as little influence as possible on temperature and service life influences on the determination of the start shutdown.
  • the voltage U at the connection terminal of the starter motor is first measured at the time of the maximum value of the starter current I S , that is to say the current I 1 at the time t 1 , at which the voltage U has its minimum U min .
  • Istag is the estimated maximum starter current
  • Ista is the simulated maximum starter current
  • U Batt the motor vehicle battery open circuit voltage
  • U min the minimum voltage at the connection terminal of the starter motor
  • U xx the brush voltage of the starter motor plus the induced voltage of the starter motor
  • Ri G the estimated battery internal resistance Ri Batt plus the Line resistance Ri L and Ra is a contact resistance plus a ground-side line resistance plus a winding resistance of the starter motor and a portion of the starter brushes.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Startabschaltung einer Brennkraftmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
Stand der Technik
Es ist bekannt, daß Brennkraftmaschinen mittels einer Startvorrichtung gestartet werden müssen, da diese nicht von alleine anlaufen. Hierzu werden üblicherweise Startermotoren eingesetzt, die über ein als sogenanntes Einrückrelais ausgebildetes Starterrelais mit einer Spannungsquelle verbunden werden, und gleichzeitig ein Ritzel des Startermotors mit einem Zahnkranz eines Schwungrades der Brennkraftmaschine zum Andrehen in Eingriff gebracht wird. Zum Einschalten des Starterrelais ist es bekannt, dieses über einen externen Schalter, beispielsweise einem Zündschalter oder Startschalter des Kraftfahrzeuges anzusteuern. Nach Erreichen des Selbstlaufes der Brennkraftmaschine muß der Startermotor ausgespurt werden, um einer Geräuschentwicklung und einem Verschleiß vorzubeugen. Bekannt ist eine manuelle Startabschaltung, durch Loslassen des Zünd- beziehungsweise Startschalters. Um eine Komforterhöhung in Kraftfahrzeugen zu erreichen, sind Lösungen bekannt, eine automatische Startabschaltung der Brennkraftmaschine durchzuführen. So ist beispielsweise in der DE 195 03 537 A1 vorgeschlagen, eine elektronische Erkennung des Selbstlaufes der Brennkraftmaschine durch Erfassung der Welligkeit einer Batteriespannung und/oder eines Starterstroms zu realisieren. Es erfolgt ein Vergleich des Absolutwertes der Batteriespannung oder des Starterstromes mit einem Referenzwert um den Selbstlauf der Brennkraftmaschine zu detektieren. Hierbei ist nachteilig, daß Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine nur ungenügend berücksichtigbar sind, so daß, beispielsweise ein Kaltstart und ein Warmstart der Brennkraftmaschine nicht berücksichtigbar sind.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit dem im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß zur Bestimmung des Zeitpunktes der Startabschaltung Informationen über den Betriebszustand der Brennkraftmaschine indirekt berücksichtigt werden. Dadurch, daß ein dem Starterstrom proportionales Signal zur Bestimmung des Zeitpunktes der Startabschaltung ausgewertet wird, wobei eine Kennlinie mit einem dem Starterstrom proportionalen Signal ausgewertet wird, welches von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängig ist, ist eine optimierte Startabschaltung unmittelbar nach Selbstlauf der Brennkraftmaschine möglich, so daß eine Startzeitverkürzung, insbesondere bei betriebswarmer Brennkraftmaschine erreicht wird. Das Verfahren ist in einfacher Weise für alle Brennkraftmaschinen einsetzbar, wobei lediglich eine Anpassung der Kennlinien der von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine bestimmten Parameter notwendig ist.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß als dem Starterstrom proportionales Signal eine Batteriespannung einer den Startermotor versorgenden Kraftfahrzeugbatterie ausgewertet wird. Hierdurch wird es möglich, ohne eine Drehzahlinformation einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine den Zeitpunkt der Startabschaltung zu optimieren.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1
den Verlauf eines Starterstroms;
Figur 2
Korrelationen zwischen dem Starterstrom und einer Kurbelwellendrehzahl einer Brennkraftmaschine und
Figur 3
den Batteriespannungsverlauf während einer Startphase.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist der typische Verlauf eines Starterstromes IS eines Startermotors einer Brennkraftmaschine über der Zeit t gezeigt. Mit Einschalten des Startermotors steigt der Starterstrom IS auf einen ersten Maximalwert I1 zum Zeitpunkt t1. Anschließend geht der Starterstrom IS in einen Welligkeitsbereich über, ehe er nach Selbstlauf der Brennkraftmaschine in einen Strom I0 übergeht. Die Welligkeit des Starterstromes IS ergibt sich bekannterweise aus den während der Startphase wechselnden Kompressions- und Dekompressionsphasen der Brennkraftmaschine. Beginnend ab einem Zeitpunkt t0, der einen definierten Abstand vom Zeitpunkt t1, beispielsweise 150 ms beträgt, werden die Phasen mit positiver beziehungsweise negativer Steigung des Starterstromes IS erfaßt. Im gezeigten Beispiel werden die Phasen negativer Steigung des Starterstromes durch die Zeitspannen t2 bis t3, t4 bis t5 und so weiter erfaßt, während die Phasen positiver Steigung von den Zeitspannen t3 bis t4 und t5 bis t6 und so weiter erfaßt sind. Jedem Starterstrommaximum I2, I4 beziehungsweise I6 ist ein Spannungsminimum zu den Zeitpunkten t2, k4 und t6 zugeordnet.
Zum Ermitteln des Zeitpunktes der Startabschaltung wird beginnend ab jedem Maximum des Starterstromes I2, I4 und I6 die Zeitdauer des Starterstromes mit negativem Gradient ermittelt und mit einer fest abgelegten Zeitkennlinie verglichen. Die fest abgelegte Zeitkennlinie bestimmt sich aus einer Funktion tAbschalt = f(I1). Anhand des ersten Strommaximums I1 des Starterstromes IS kann auf einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine geschlossen werden. So ist bekannt, daß bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen der Brennkraftmaschine das erste Maximum I1 einen entsprechenden, den Betriebstemperaturen zuordbaren Wert aufweist.
Diese Information wird anhand der in Figur 2 gezeigten Korrelation zwischen einer Kurbelwellendrehzahl der Brennkraftmaschine zum Starterstrom IS weiter ausgewertet. Die Kennlinien der Figur 2 stellen die Korrelation einer Kurbelwellendrehzahl n zu dem Starterstrom IS dar. Hierbei wird von einer geschlossenen Freilauf-Kupplung und einem quasi-stationären Betrieb des Startermotors und der Brennkraftmaschine ausgegangen. Es sind insgesamt drei Kennlinien für drei unterschiedliche Betriebstemperaturen, nämlich bei -20°C, +20°C und +80°C aufgetragen. Mit 10 ist ein Bereich gekennzeichnet, der den Endbereich einer Hochlaufunterstützung des Starters bei einer kalten Brennkraftmaschine definiert. Eine Kennlinie 12 definiert eine Mindest-Kurbelwellendrehzahl n für einen Selbstlauf bei einer warmen Brennkraftmaschine. Die sich ergebenden Kennlinien der Kurbelwellendrehzahl n über dem Starterstrom IS sind in linearisierte Kennlinien überführt. Eine "Warm"-Kennlinie ist mit 14 und eine hierzu parallel verlaufende "Kalt"-Kennlinie ist mit 16 bezeichnet. Eine gute Korrelation zwischen dem Starterstrom IS und der Drehzahl n ergibt sich für Temperaturen > ca. 10°C und für einen Drehzahlbereich n bis ca. 300 l/min. Für eine betriebswarme Brennkraftmaschine kann hieraus ein Abschaltkriterium ermittelt werden, wenn keine Zünd- oder Verbrennungsaussetzer auftreten. Für Temperaturen < 0°C ergibt sich kein Schnittpunkt zwischen der mindesterforderlichen Drehzahl n und dem Starterstrom IS.
Durch Auswertung der sich gemäß Figur 1 ergebenden Strom-Zeit-Werte für den Starterstrom IS mit der Drehzahl-Strom-Beziehung gemäß Figur 2 wird eine Zeitkennlinie zur Startabschaltung der Brennkraftmaschine gebildet. Hierbei können unterschiedliche Zeitkennlinien für unterschiedliche Betriebszustände der Brennkraftmaschine, beispielsweise in Abhängigkeit einer Betriebstemperatur, abgelegt und verarbeitet werden. Durch Definition einer Ausgangstemperatur TKrit von beispielsweise 10°C kann zwischen Kennlinien von > TKrit und < TKrit unterschieden werden. Das Umschalten dieser Kennlinien erfolgt beispielsweise durch Auswertung der Strommaxima I1, I2 des Starterstroms IS, da diese die Informationen liefern, ob es sich um eine kalte oder betriebswarme Brennkraftmaschine handelt. Insbesondere über die Amplitude der Maxima I1 und I2, den Zeitabstand der Amplituden t2-t1 sowie die Differenz I2-I1 kann ein Kriterium zur Erkennung einer warmen beziehungsweise einer kalten Brennkraftmaschine sein.
Zur Vereinfachung kann vorgesehen sein, daß der Zeitpunkt zur Startabschaltung anhand einer gemeinsamen Kennlinie ermittelt wird, wobei beispielsweise eine gemeinsame Kennlinie für eine warme und eine kalte Brennkraftmaschine verwendet wird.
Für eine Startabschaltung nach sicherem Selbstlauf der Brennkraftmaschine muß die Abschaltung über die Zeitdauer der offenen Freilauf-Kupplung erfolgen. Die offene Freilauf-Kupplung kann über den Verlauf des Starterstromes IS detektiert werden. Die Beobachtungszeit bis zu der bei einer offenen Freilauf-Kupplung mindestens gewartet werden muß, bevor die Startabschaltung erfolgen darf, entspricht der Zeit für 0,8 bis 1 halbe Umdrehung der Kurbelwelle bei unveränderter Durchdrehdrehzahl n ohne Verbrennungsmomente, entsprechend des Zündabstandes bei einer 4-Zylinder-Brennkraftmaschine. Der Faktor 0,8 ergibt sich, da bei warmer Brennkraftmaschine und Vorgelegestartermotor die Kraftschlußphase, bei geschlossener Freilauf-Kupplung circa 20 % der Taktzeit der Brennkraftmaschine nicht unterschreitet.
Eine Drehzahlermittlung der Drehzahl n kann über die jeweils einer Öffnungsphase der Freilauf-Kupplung vorausgehenden Geschlossenphase der Freilauf-Kupplung nach der Korrelation zwischen dem Starterstrom IS und der Kurbelwellendrehzahl n (Warmkennlinien) erfolgen. Bei Temperaturen von deutlich unter +20°C und/oder teilentladener Kraftfahrzeugbatterie ergibt sich bei gleichem Starterstrom IS ein entsprechend kleinerer zugeordneter Drehzahlwert n. Dies kompensiert sich bei niederen Brennkraftmaschinen-Temperaturen dadurch, daß dort die relative Kraftschlußphase bei 0°C auf typisch 50% oder bei -20°C auf typisch 70% ansteigt. Bleibt man auch dort beim Faktor 0,8, so wird eine Öffnungsphase der Freilauf-Kupplung bei negativen Temperaturen ebenfalls sicher überbrückt. Spätestens aus der zweiten Kompressionsphase bei Kalttemperaturen ist über das hohe Stromniveau des Starterstromes IS und eine geringe Absenkung zwischen den Strommaximas I1 und I2 eindeutig eine kalte Brennkraftmaschine detektierbar, so daß auf eine höhere Wartezeit, also eine entsprechend andere Zeitkennlinie, umgeschaltet werden kann. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß bei der Startabschaltung der Brennkraftmaschine Verbrennungsaussetzer (bis zu einem bestimmten Grade) nicht zum Stillstand der Brennkraftmaschine führen. Gegebenenfalls kann zur Überbrückung von mindestens einem vollständigen Verbrennungsaussetzer bei der Zeitkennlinie eine höhere Verzögerungszeit bei offener Freilauf-Kupplung eingestellt werden.
Insgesamt wird der Starterstrom IS ausgewertet, indem nach Verbinden des Startermotors mit der Spannungsquelle (Kraftfahrzeugbatterie) eine Vorphase bis zum Zeitpunkt t0 ausgeblendet wird. Anschließend werden die Gradienten des Starterstromes IS ständig ausgewertet, indem die Strommaxima I2, I4, I6... am Ende je einer Phase mit positiver Steigung gebildet werden. Diese Werte bilden über die Zeitkennlinien ab negativer Steigung des Starterstromes IS eine Verzögerungszeit bis zu der die negative Steigung des Starterstromes IS unverändert anhalten muß, um eine Stromabschaltung auszulösen. Hierbei gilt die Funktion TAbschalt = f1(I1), zur Ermittlung der Warmbeziehungsweise Kaltkennlinien. Nach der zweiten vollständigen Kompressionsphase wird über zwei Strommaxima, I2-I4, I4-I6,... am Ende je einer Phase mit positivem Stromgradienten entschieden, ob die Temperatur der Brennkraftmaschine >0°C oder <0°C beträgt. Bei niedriger Temperatur erfolgt eine Umschaltung der Zeitkennlinie auf TAbschalt = f2(I1). Hierdurch kann erreicht werden, daß bei kalter Brennkraftmaschine (große Werte des Starterstromes IS) keine Startabschaltung erfolgt. Gleichzeitig wird die Verzögerungszeit bei kleinerem Starterstrom IS (höherer Temperatur der Brennkraftmaschine) automatisch über die abgelegte Kennlinie verkleinert, damit ein zu hoher Drehzahlwert n bei höherer Temperatur der Brennkraftmaschine zum Abschaltzeitpunkt vermieden.
Die in Figur 2 dargestellten Kennlinien 14 und 16 lassen sich wie folgt ermitteln.
Beispielhafte Berechnungen der applikationsabhängigen Verzögerungszeit:
Die vereinfachte (linearisierte) 'Warmkennlinie' nach Figur 2 lautet: Nkwwarm = Nkwl *(1.-I1/Iwk)    Nkwl = 300 l/min
   Iwk = 1000 A
Für die 'Kaltkennlinie' gilt vereinfacht eine parallel verschobene Gerade: Nkwkalt = Nkwwarm- 50 l/min
Für die Verzögeruhgszeit (tfenster) in Abhängigkeit der Kurbelwellendrehzahl gilt: tfenster=120.*Faktor/(Nkw*Nzz)    Nzz=4; Zylinderzahl Faktor=0,8; s. oben tfenster = 24./Nkw
Die nach diesen (linearisierten) Formeln ermittelten Drehzahlen und Wartezeiten für die warme und kalte Brennkraftmaschine sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:
I1/A Nkwwarm l/min Nkwkalt l/min Tfenwarm/ ms Tfenkalt/ ms
100 270 220 89 109
200 240 190 100 126
300 210 160 114 150
400 180 130 133 185
500 150 100 160 240
600 120 70 200 343
700 90 40 267 600
800 60 10 400 2400
Wobei
I1 [A]
das Strommaximum bei Beginn einer fallenden Stromkurve,
Nkwwarm [l/min]
die geschätzte Warmdrehzahl,
Nkwkalt [l/min]
die geschätzte Kaltdrehzahl,
Tfenwarm [ms]
die Mindestverzögerungszeit bei warmer Brennkraftmaschine und
Tfenkalt [ms]
die Mindestverzögerungszeit bei kalter Brennkraftmaschine ist.
Anhand von Figur 3 wird ein weiteres Verfahren zur Startabschaltung einer Brennkraftmaschine erläutert, bei dem anstelle des Starterstromes IS die Kraftfahrzeugbatteriespannung U als starterstromproportionales Signal verwendet wird. Der Verlauf der Spannung U (Batteriespannung) verhält sich beim Startvorgang der Brennkraftmaschine spiegelbildlich zum Starterstrom IS. Die Spannung U weist eine Welligkeit auf, die der Welligkeit des Starterstromes IS entgegengesetzt ist, das heißt, bei Abschnitten mit steigendem Starterstrom IS ist die Spannung U fallend, und bei Abschnitten mit fallendem Starterstrom IS ist die Spannung U steigend. Zur Verdeutlichung sind in Figur 3 die Zeitpunkte t2, t4 und t6 mit den Strömen I2, I4 und I6 eingetragen. Die Spannung U wird an einer Klemme des Startermotors abgegriffen, die mit dem Pluspol der Fahrzeugbatterie in Verbindung steht. Hierbei gilt die Beziehung: U = UBatt - IS(RiBatt+RiL)
Wobei UBatt die Leerlaufspannung der Kraftfahrzeugbatterie ist, IS der Starterstrom, RiBatt der Innenwiderstand der Kraftfahrzeugbatterie und RiL der Leitungswiderstand von der Anschlußklemme zur Kraftfahrzeugbatterie.
Der Batterieinnenwiderstand RiBatt und die Leerlaufspannung UBatt sind grundsätzlich von der verwendeten Kraftfahrzeugbatterie, von der Temperatur und vom Ladezustand abhängig. Der insgesamt nichtlineare Zusammenhang ergibt sich aus nachfolgender Tabelle, wobei die Leerlaufspannung UBatt in Volt und der Batterieinnenwiderstand RiBatt in Milliohm angegeben sind:
Batterieladezustand Temperatur 0 % 80 % 50 %
+20°C 12,00/5,00 11,76/5,45 11,51/6,14
0°C 11,69/5,75 11,43/6,24 11,17/6,88
-10°C 11,54/6,46 11,27/6,90 11,00/7,60
-20°C 11,38/7,56 11,11/8,07 10,83/8,65
Für Temperaturen T>20°C gilt, daß der Batterieinnenwiderstand RiBatt noch etwas fallend und die Leerlaufspannung UBatt noch etwas ansteigend verlaufen.
Der in Reihe zum Batterieinnenwiderstand RiBatt liegende Leitungswiderstand RiL hat einen Nennwiderstand von 1 mOhm, entsprechend der Leitungslänge vom Plusanschluß der Kraftfahrzeugbatterie bis zur Anschlußklemme des Startermotors. Dieser Wert ist abhängig vom Temperaturkoeffizienten des Leitungsmaterials, also in der Regel von Kupfer.
Insgesamt ergibt sich hierdurch, daß bei höheren Temperaturen T > +10°C und normalen Batterieladezuständen sich ein Gesamtwiderstand von circa 6 bis 7 mOhm einstellt. Bei niederen Temperaturen und schlecht geladener Kraftfahrzeugbatterie erhöht sich der Gesamtwiderstand auf Werte von circa 7 bis 9 mOhm.
Um ein aufwendiges Momentanmessen des Batterieinnenwiderstandes RiBatt zu vermeiden, der sich bei kurzen Belastungsimpulsen nur sehr aufwendig durchführen läßt, da nur mit großen Meßströmen, von circa 100 A auch eine entsprechende Meßgenauigkeit erreicht wird, kann bei der Errechnung des Zeitpunktes der Startabschaltung der Brennkraftmaschine der Batterieinnenwiderstand RiBatt von 6 mOhm angenommen werden, da dieser Widerstandswert bei > 10°C und normal geladener Batterie die Mehrzahl aller möglichen Betriebsfälle der Brennkraftmaschine abdeckt.
In jedem Fall ergibt sich durch diese Annahme ein sicheres Abschaltkriterium, da bei niedrigen Temperaturen automatisch ein größerer Strom IS geschätzt wird, und damit ein vergrößertes Zeitfenster bis zur Startabschaltung aktiviert wird.
Um bei der Auswertung der Spannung U als dem Starterstrom proportionales Signal die Leerlaufspannung und weitere elektrische Verbraucher zu eliminieren, er= folgt eine erste Messung der Spannung U nach einer Initialisierungsphase tin vor Beginn einer Relaiseinzugsphase eines dem Startermotor zugeordneten Einrückrelais. Hieraus folgt: U_0 = UBatt - IVerb 0(RiBatt + RiL) wobei UBatt die Leerlaufspannung und IVerb ein zum Startzeitpunkt angeschlossener Strom anderer elektrischer Verbraucher ist. Die Spannung U_0 beinhaltet also die Batterieleerlaufspannung abzüglich dem Spannungsabfall durch die zu diesem Zeitpunkt angeschlossenen elektrischen Verbraucher. Es ergibt sich ein notwendiges Spannungsfenster von 10 V bis +13 V.
Die Hauptmessung der Spannung U erfolgt nach 150 ms nach Schließen des Hauptkontaktes des Startermotors also zum Zeitpunkt t0. Hierbei ergibt sich: U_1 = UBatt - (IVerb + IS) · (RiBatt + RL)
Durch Differenzbildung der zuletzt genannten Gleichung ergibt sich eine Spannungsdifferenz dU = IS (RiBatt + RL), wobei für den Widerstandswert RiBatt + RL pauschal ein Widerstand RX = 6 mOhm eingesetzt wird. Hierdurch ergibt sich IS = (U_0 - U_1)/6 mOhm.
Ein notwendiges Spannungsfenster beträgt somit 7 Volt bis +13 Volt. Um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen, müssen die zum Startvorgang sich im Betrieb befindlichen elektrischen Nebenverbraucher systematisch erfaßt und über den gesamten Zeitbereich des Startvorganges aufgezeichnet werden. Entscheidend ist hierbei das Niveau und der Verlauf der jeweiligen Ströme, da unter Umständen auch eine Eliminierung der elektrischen Nebenverbraucher über ein geeignet dimensioniertes Filter erfolgt.
In der Figur 3 sind schraffierte Zeitbereiche dargestellt, die jeweils einem Zeitfenster in einer Phase steigender Spannung U entsprechen. Die Phase steigender Spannung U entspricht, gemäß Figur 1 der Phase eines fallenden Starterstromes IS, so daß für den Starterstrom IS entsprechendes gilt.
Durch Vergleich der sich ergebenden Zeitspannen mit der entsprechend des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine zugeordneten Kennlinien, beispielsweise Warmkennlinie oder Kaltkennlinie, ergibt sich nach Überschreiten der Zeitspanne innerhalb einer steigenden Phase der Spannung U zum Zeitpunkt tA die Startabschaltung der Brennkraftmaschine.
Eine Erhöhung der Genauigkeit der Bestimmung des Abschaltpunktes tA, bei Auswertung der Spannung U als dem Starterstrom proportionales Signal läßt sich erreichen, indem kraftfahrzeugspezifische Einstellgrößen, insbesondere hinsichtlich der Kraftfahrzeugbatterie und der Verbindungsleitung zur Anschlußklemme des Startermotors eliminiert, und Temperatur- und Lebensdauereinflüsse möglichst wenig Einfluß auf die Bestimmung der Startabschaltung haben.
Hierzu wird die Spannung U an der Anschlußklemme des Startermotors zunächst zum Zeitpunkt des Maximalwertes des Starterstromes IS, also des Stromes I1 zum Zeitpunkt t1 gemessen, bei dem die Spannung U ihr Minimum Umin hat. Zu diesem Zeitpunkt ist der induktive Spannungsanteil Null (L*di/dt = 0; di/dt = 0) und der aus einer Drehzahl des Startermotors resultierende Spannungsanteil Uista relativ klein und unabhängig von einer Temperatur des Startermotors. Dieser beträgt 0,3 bis 0,5 V im gesamten möglichen Temperaturbereich.
Unter Zugrundelegung dieser Randbedingungen lassen sich für Umin zwei Gleichungen aufstellen, über die sich der Starterstrom IS zu diesem Zeitpunkt an der Anschlußklemme und der Widerstand, der sich aus dem Batterieinnenwiderstand RiBatt und dem Leitungswiderstand RiL ermitteln läßt. Es gilt: Istag = (Umin - Vxx)/Ra und Rig= (UBatt - Umin)/IS, wobei Istag der geschätzte Maximalstarterstrom, Ista der simulierte Maximalstarterstrom, UBatt die Kraftfahrzeugbatterie-Leerlaufspannung, Umin die Minimalspannung an der Anschlußklemme des Startermotors, Uxx die Bürstenspannung des Startermotors zuzüglich der induzierten Spannung des Startermotors und RiG der geschätzte Batterieinnenwiderstand RiBatt zuzüglich des Leitungswiderstandes RiL sowie Ra ein Kontaktwiderstand zuzüglich eines masseseitigen Leitungswiderstandes zuzüglich eines Wicklungswiderstandes des Startermotors und eines auf die Starterbürsten entfallenden Anteils ist.
Nachfolgend werden die anhand einer Simulation in einem angenommenen Temperaturbereich von -20°C bis +80°C ermittelten Ergebnisse wiedergegeben. Ein Abgleichpunkt liegt bei +20°C. Die eingesetzten Parameter gelten für einen 1,8 kW Startermotor mit magnetischer Erregung.
Batteriezustand
Ub0 [V] 12,0 12,0 11,5 11,1
Ladezustand [%] 100 100 80 80
RiBatt [mOhm] 4 5 6,3 8,1
Starter-Umgeb.temp. T[°C] 80 20 0 -20
U30min[V] 6,4 5,7 5,0 4,4
Ista[A] 1020 960 820 700
Ri[mOhm] 5,5 6,5 7,8 9,6
Istag[A] 1050
(1128)		 949 770 615
Rig[mOhm] 5,3 (5,0) 6,6 8,4 10,9
Uista[V] 0,4 0,5 0,32 0,29

Claims (11)

  1. Verfahren zur Startabschaltung einer Brennkraftmaschine, wobei ein mit der Brennkraftmaschine zum Andrehen in Eingriff bringbarer Startermotor bei Selbstlauf der Brennkraftmaschine ausgespurt und abgeschaltet wird, und der Zeitpunkt der Startabschaltung aus einem Verlauf eines Starterstromes des Startermotors ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Starterstrom (IS) proportionales Signal zur Bestimmung des Zeitpunktes (tA) der Startabschaltung ausgewertet wird, wobei eine Kennlinie mit einem dem Starterstrom proportionalen Signal ausgewertet wird, welche von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängig ist, wobei die Zeitkennlinie (tA = f(IS)) anhand eines ersten Strommaximums (I1) des Starterstromes (IS) ausgewählt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Welligkeit des Starterstromes (IS) beginnend mit den Strommaxima (I2, I4, I6) während eines fallenden Verlaufes des Starterstromes (IS) die Zeitdauer (t) mit negativem Gradient ermittelt und mit wenigstens einer fest abgelegten Zeitkennlinie verglichen wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinien von einer Temperatur der Brennkraftmaschine abhängig sind.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von einer wählbaren kritischen Temperatur (TKrit) bei Überschreiten der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine von der kritischen Temperatur (TKrit) eine Warmkennlinie und bei Unterschreiten eine Kaltkennlinie verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für eine warme und eine kalte Brennkraftmaschine eine gemeinsame Zeitkennlinie verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkennlinien aus einer Korrelation zwischen einer Kurbelwellendrehzahl (n) und dem Starterstrom (IS) ermittelt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradienten des Starterstromes (IS) nach Ausblendung einer Vorphase ab einem Zeitpunkt (t0) ausgewertet werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als dem Starterstrom (IS) proportionales Signal die Kraftfahrzeugbatteriespannung (U) ausgewertet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Messung der Kraftfahrzeugbatteriespannung (U) ein Batterieinnenwiderstand (RiBatt) und ein Leitungswiderstand (RiL) von einer Anschlußklemme des Startermotors zur Kraftfahrzeugbatterie berücksichtigt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einfluß weiterer momentaner elektrischer Verbraucher des Kraftfahrzeuges auf die Kraftfahrzeugbatteriespannung (U) eliminiert wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einfluß kraftfahrzeugspezifischer Größen, insbesondere ein Ladungszustand der Batterie, eine Temperatur der Batterie, auf die Kraftfahrzeugbatteriespannung (U) eliminiert wird.
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