EP2128629A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion des Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Detektion des Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors Download PDF

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EP2128629A2
EP2128629A2 EP09100184A EP09100184A EP2128629A2 EP 2128629 A2 EP2128629 A2 EP 2128629A2 EP 09100184 A EP09100184 A EP 09100184A EP 09100184 A EP09100184 A EP 09100184A EP 2128629 A2 EP2128629 A2 EP 2128629A2
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EP
European Patent Office
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voltage
combustion engine
internal combustion
detecting
electrical system
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EP09100184A
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French (fr)
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EP2128629B1 (de
EP2128629A3 (de
Inventor
Thomas May
Erik Walossek
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Publication of EP2128629A3 publication Critical patent/EP2128629A3/de
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    • G—PHYSICS
    • G07—CHECKING-DEVICES
    • G07C—TIME OR ATTENDANCE REGISTERS; REGISTERING OR INDICATING THE WORKING OF MACHINES; GENERATING RANDOM NUMBERS; VOTING OR LOTTERY APPARATUS; ARRANGEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS FOR CHECKING NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • G07C5/00—Registering or indicating the working of vehicles
    • G07C5/08—Registering or indicating performance data other than driving, working, idle, or waiting time, with or without registering driving, working, idle or waiting time
    • G07C5/0841—Registering performance data
    • G07C5/085—Registering performance data using electronic data carriers
    • 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 specially adapted for starting of engines
    • F02N11/0848—Circuits 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
    • F02N2200/06—Parameters used for control of starting apparatus said parameters being related to the power supply or driving circuits for the starter
    • F02N2200/063—Battery voltage

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for detecting the operating state of an internal combustion engine.
  • Various electrical consumers on board a motor vehicle such as navigation devices, driver assistance systems for the active support of the driver in the operation of the motor vehicle and automatic toll collection devices need information about the current operating state of the entire vehicle for proper operation.
  • the function of some electrical consumers should always be available when the engine of the motor vehicle is in operation and thus moves the motor vehicle.
  • the above-mentioned consumers such as navigation device, driver assistance system and toll collection device, it is the same for example for on-board music systems, whether the vehicle is in operation or not, because the music system makes sense both at standstill of the engine as well as in the operation of the vehicle can be used.
  • the above-mentioned automatic toll collection devices must be activated during operation of the vehicle and should pull when possible with the engine off little to no electrical power.
  • the operating state of the motor vehicle is usually determined by means of available control signals in the electrical system, these control signals are usually available only in electrical on-board bus systems, which is located behind the dashboard for built-in appliances. If an electrical load, such as a navigation device, a driver assistance system, a toll collection device or other device that should always be available while driving, subsequently and / or temporarily used in the vehicle, so it is not permanently installed, this system is usually exclusively the cigarette lighter, at best a standardized plug for power supply available. Located next to this power source usually no externally accessible electrical signal sources in the interior of a motor vehicle. Even plug contacts, which provide electric power only when the ignition is switched off, are not available in conventional motor vehicles. In order to switch off an electrical load in a motor vehicle automatically when driving interrupted and turn on again when driving, it is therefore necessary to switch off the consumer manually and turn on again.
  • an electrical load such as a navigation device, a driver assistance system, a toll collection device or other device that should always be available while driving, subsequently and / or temporarily used
  • the invention provides a method and a device for detecting the operating state of an internal combustion engine. According to the invention, the time course of an existing on-board voltage is monitored and characteristic patterns of the on-board voltage profile are derived by the method and the device when the internal combustion engine is in operation and when this internal combustion engine is at rest.
  • the method according to the invention for detecting the operating state of an internal combustion engine comprises the following steps: a) measuring the standby voltage of a vehicle electrical system, b) detecting a sudden voltage drop in the vehicle electrical system, c) detecting a voltage increase beyond the level of the open circuit voltage to a stable level of an operating voltage for detecting an operating internal combustion engine and d) measuring the operating voltage, e) detecting a gradual voltage drop over a period of more than half a second to a stable rest voltage for the detection of an idle state internal combustion engine. Further advantageous embodiments of the method according to the invention are specified in the subclaims to claim 1.
  • the device according to the invention for detecting the operating state of an internal combustion engine comprises: a) at least one device for electrical connection to a vehicle electrical system, b) at least one device for measuring and storing a measured voltage, c) at least one device for measuring the time and d) at least one device for performing a comparison of different measured values at different times, preferably a microcontroller. Further advantageous embodiments of the device according to the invention are specified in the subclaims to claim 10.
  • the invention requires that the electrical voltage of the vehicle electrical system of a motor vehicle is provided by a starter battery, which is usually the case, the electrical voltage in the electrical system is dependent on the operating condition of the motor vehicle. Resting and operating voltages of approx. 6V are usual today for small vehicles, approx. 12V for passenger vehicles (Passenger car) and about 24V for trucks and large construction, traction or drive machinery, such as excavators, tractors for agriculture, ships or aircraft. In addition to these voltages, voltages of approx. 9V, approx. 18V, approx. 28V and approx. 32V DC are provided in exceptional cases, depending on the configuration of a starter battery on board.
  • An electrical load which should be available during operation of the vehicle and should be switched off when the engine to save power, uses the method of the invention to derive the operating state of the motor vehicle from the exact time course of the vehicle electrical system voltage.
  • FIG. 1 is a diagram of a voltage waveform 1 of the electrical voltage in a vehicle electrical system of a passenger car during the start phase abc shown over the time t.
  • the on-board voltage on conventional power supply elements such as cigarette lighter or board socket, about 12 V, which corresponds to the usual rest voltage of a starter battery for passenger cars.
  • This exemplary voltage can also be 6V, 9V, 18V, 24V, 28V or 32V and also have different voltages depending on the type of vehicle.
  • this voltage once recognized by a device for carrying out the method according to the invention as a rest voltage, is used as the base voltage in relation to which the further voltage curve during the phases b and c is classified.
  • the voltage of a starter battery suddenly decreases from the higher standby voltage to a lower working voltage, from about 9V to about 10V.
  • the typical sudden drop in voltage at start-up varies between different battery types and capacities between 0.5 and 3V. Typical is the voltage drop of about 1V to 2V.
  • a usual starting process of a conventional internal combustion engine of a passenger car takes between 0.5 seconds to 10 seconds, in exceptional cases or poorly maintained engines even longer.
  • the electrical voltage of the electrical system does not rise by a parallel alternator for power and charge the starter battery, because the required number of revolutions during startup is not enough to increase the on-board voltage.
  • the entire power supply of all electrical loads in the electrical system is interrupted in favor of the electric starter so as not to unnecessarily burden the starter battery during cranking. In this case, the electrical voltage of the vehicle electrical system drops to 0V during phase b.
  • the electrical voltage of the electrical system increases to the operating or charging voltage of about 14V.
  • This overvoltage of at least 0.5 V, typically from 1 V to 2 V is maintained by a control electronics in the alternator over a wide speed curve to load the starter battery with the required overvoltage can. It would be possible to stabilize the electrical voltage of the electrical system within a certain interval rule technically, but this is usually not the case, but the electrical voltage of the electrical system is usually removed directly from the starter battery. This circumstance makes it possible for electrical consumers, which are installed subsequently or transitionally in a vehicle, to derive the operating state of the internal combustion engine from the time profile of the electrical voltage of the vehicle electrical system.
  • the above course of the on-board voltage over time during the starting process of the internal combustion engine is typical and is independent of the type of internal combustion engine.
  • the starter battery has a rest voltage, reduces its voltage under heavy load by the starting process and the voltage applied to the starter battery voltage is increased by the charging operation of the internal combustion engine.
  • Diesel engines such as diesel or Glühkolbenmotore, but also turbines need during operation except possibly existing control electronics no further electrical energy.
  • spark-ignited engines such as petrol or gasoline engines, have typical voltage spikes and / or voltage dips 2 of the spark plugs or the ignition coils in the vehicle electrical system.
  • the charging process of an ignition coil is suddenly interrupted by a breaker contact or by a charging electronics and the spark plug connected to the ignition coil serves as a discharge resistor of the energy present in the ignition coil.
  • the spark with high voltage on the spark plug and also the change of ignition coil charge for charging interruption is possible from the electrical system only with extensive measures for shielding.
  • the ignition processes in the vehicle electrical system can be measured by means of slight voltage peaks with low capacitance. These voltage peaks and / or voltage dips 2 are of short duration and occur synchronously with the ignition frequency of the motor. In a four-stroke engine with four cylinders, the ignition frequency is two sparks per revolution.
  • the method according to the invention for detecting the operating state of an internal combustion engine can be configured such that these voltage peaks and / or voltage dips 2 are detected, which is equivalent to a gasoline engine with spark ignition in operation. With auto-igniters, this detection is not possible because these voltage spikes do not exist there.
  • the residual ripple 3 of the vehicle electrical system can also be measured.
  • the residual ripple 3 in the electrical system with a frequency that is synchronous to the transmission ratio of the engine speed to alternator speed comes through the power generation by an alternator to conditions.
  • Some alternators generate alternating current, which is first rectified and possibly largely smoothed, other alternators generate three-phase current, which is also converted by appropriate interconnection in a wavy DC. This wavy DC is used to charge the starter battery, the residual ripple 3 is not compensated by the capacitive effect of the starter battery.
  • FIG. 2 is the electrical voltage waveform 10 of a vehicle electrical system in a passenger car during the shutdown def of the engine shown.
  • phase d in which the internal combustion engine is in operation, and the on-board voltage of about 14V is optionally superimposed with voltage peaks and / or voltage dips 2 or a residual ripple 3
  • phase e in which the internal combustion engine by interrupting the spark ignition over several Turns to a halt.
  • the on-board voltage is reduced on the one hand by the elimination of the charging voltage of the alternator, on the other hand, optionally existing smoothing capacitors discharge, so that the electrical voltage of the electrical system not suddenly, but gradually from the operating or charging voltage to the rest voltage of the starter battery by approx.
  • the detection of an off motor is delayed by 30 s to 10 min, preferably by 2 min to 5 min.
  • This has the advantage that an engine can be switched off for a short time, for example, by a device for gasoline saving in front of a traffic light or in front of a barrier, without that the corresponding consumer is turned off.
  • Navigation devices sometimes take several minutes to initialize, for example, to search for satellites.
  • Driver assistance systems should be available during this time, and automatic toll collection devices should also not be switched off and on again by briefly switching off the engine so as not to interrupt toll collection due to the short break in the journey.
  • the once-detected open-circuit voltage is temporarily stored for a future comparison with other voltages during starting and during operation. It has proven to be advantageous to wait after once detected AusStation of the engine between 1 min and 30 min, preferably between 5 min and 10 min before the open circuit voltage is measured and stored to wait for a stabilization of the electrical system voltage.
  • the electrical voltage may still vary in the first time after the engine is switched off by a trailing radiator fan, by a trailing fuel pump, by an automatically retracting top, by electric door and window closers, by alarm systems and by slowly discharging electrical consumers.
  • Flowchart 100 illustrates the flow of steps for detecting an operating one Internal combustion engine. Beginning at start 101, the quiescent voltage of the electrical system is measured in step 102 until a sudden voltage drop is detected. Without a voltage drop, step 102 is repeated until the voltage drop is detected. Alternatively to the repetitive measurement, a differential signal can also be detected so that the falling edge is detected. If a voltage drop has been detected, the method according to the invention proceeds in step 103, in which a reduction in the on-board voltage to 0 V or 1 V to 2 V, depending on the circuit layout of the electrical system is detected. If the voltage drop lasts between 01 and 10 s, the duration is measured in a loop and then rises to a voltage, measurement in step 104, which is above the level of the rest voltage, is the condition for an operating internal combustion engine Fulfills.
  • Flowchart 200 likewise has, after the start in step 201, a loop in step 202, in which the operating voltage of the vehicle electrical system is measured.
  • step 203 in which the gradual voltage drop is detected, advantageously by calculating a quotient of voltage drop per unit time or by measuring a differential signal that must not exceed a predetermined magnitude to detect a gradual voltage drop.
  • phase f in FIG. 2 Measurement in step 204, the condition for an idle state internal combustion engine is met.
  • FIG. 4 shows a simplified block diagram 300 of a device for detecting the operating state of an internal combustion engine, which monitors the time course of the electrical system voltage and according to the inventive method when the typical patterns of start and / or shutdown are detected, outputs a corresponding signal, for example to turn a connected consumer on or off.
  • the device according to the invention initially has a device for connection to a vehicle electrical system 301, advantageously in the form of a plug or in the form of a contact for the cigarette lighter. About this plug, the electrical consumer located thereon is also supplied with electrical energy.
  • An arrangement for measuring and storing a measured voltage 302, 303 ideally consists of an A / D converter, which provides a digitally readable value of the measured electrical voltage and which can also be stored in an electronic memory 303.
  • a past time measuring device 304 is necessary to measure the length of the current interruption, voltage drop or voltage spikes to distinguish whether it is a sudden voltage drop in the millisecond range or a gradual voltage drop in the fractional seconds to seconds range.
  • the device has a device for carrying out an electronic comparison 305 of the measured electrical Tensions over time. This function is best provided by a generic microcontroller, which has its own program memory.
  • the microcontroller uses the voltage differences measured over time from the A / D converter, forms a quotient of voltage difference and time between two stable electrical voltages and differentiates depending on the numerical values, whether it is a sudden or a negative one gradual voltage drop, or a voltage increase is.
  • the method according to the invention and the device according to the invention are advantageous for retrofitting devices. Especially in the future used toll collection devices for private vehicle traffic must be installed within a short retrofit time in a larger number of vehicles. For this purpose, such toll collection devices that are powered by the cigarette lighter with power and are otherwise attached to the dashboard or on the windshields, so that these devices are no internal control signals available.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion des Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors und eine dazu korrespondierende Vorrichtung. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, aus dem zeitlichen Verlauf (1) der elektrischen Spannung des Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges den Betriebszustand des das Kraftfahrzeug ansteuernden Verbrennungsmotors abzuleiten. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur automatischen Ein- und Ausschaltung nachgerüsteter elektrischer Verbraucher in einem Kraftfahrzeug, die im Betrieb eingeschaltet und im Ruhezustand des Fahrzeuges ausgeschaltet sein sollen, wie z.B. Navigationssysteme, Fahrerassistenzsysteme und insbesondere automatische Mauterfassungssysteme.

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion des Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors.
    • STAND DER TECHNIK
  • Verschiedene elektrische Verbraucher an Bord eines Kraftfahrzeuges, wie beispielsweise Navigationsgeräte, Fahrerassistenzsysteme zur aktiven Unterstützung des Fahrers im Betrieb des Kraftfahrzeuges und automatische Mauterfassungsgeräte benötigen zum ordnungsgemäßen Betrieb eine Information über den augenblicklichen Betriebszustand des gesamten Fahrzeuges. Darüber hinaus soll die Funktion mancher elektrischer Verbraucher stets dann zur Verfügung stehen, wenn der Motor des Kraftfahrzeuges in Betrieb ist und somit sich das Kraftfahrzeug bewegt. Im Unterschied zu den oben genannten Verbrauchern, wie Navigationsgerät, Fahrerassistenzsystem und Mauterfassungsgerät, ist es beispielsweise für an Bord befindliche Musikanlagen gleich, ob sich das Fahrzeug in Betrieb befindet oder nicht, weil die Musikanlage sowohl im Stillstand des Motors wie auch im Betrieb des Fahrzeuges sinnvoll genutzt werden kann. Besonders die eingangs erwähnten automatischen Mauterfassungsgeräte müssen im Betrieb des Fahrzeuges aktiviert sein und sollten nach Möglichkeit bei abgestelltem Motor geringen bis gar keinen elektrischen Strom ziehen.
  • Der Betriebszustand des Kraftfahrzeuges wird üblicherweise mit Hilfe von im Bordnetz zur Verfügung stehenden Steuersignalen festgestellt, wobei diese Steuersignale üblicherweise nur in elektrischen Bord-Bussystemen zur Verfügung stehen, welches sich hinter dem Armaturenbrett für Einbaugeräte befindet. Soll ein elektrischer Verbraucher, beispielsweise ein Navigationsgerät, ein Fahrerassistenzsystem, ein Mauterfassungsgerät oder ein anderes Gerät, das während der Fahrt stets zur Verfügung stehen soll, nachträglich und/oder vorübergehend im Fahrzeug eingesetzt, also nicht fest eingebaut werden, so steht diesem System üblicherweise ausschließlich der Zigarettenanzünder, im Bestfall ein standardisierter Stecker zur Stromversorgung zur Verfügung. Neben dieser Stromquelle befinden sich üblicherweise keine von außen zugänglichen elektrischen Signalquellen im Innenraum eines Kraftfahrzeuges. Selbst Steckkontakte, die ausschließlich bei eingeschalteter Zündung elektrischen Strom zur Verfügung stellen, sind in üblichen Kraftfahrzeugen nicht vorhanden. Um einen elektrischen Verbraucher in einem Kraftfahrzeug automatisch bei Fahrtunterbrechung abzuschalten und bei Fahrtaufnahme wieder einzuschalten, ist es somit notwendig, den Verbraucher manuell ab- und wieder einzuschalten.
    • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion des Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors zur Verfügung. Erfindungsgemäß wird der zeitliche Verlauf einer vorhandenen Bordspannung überwacht und aus charakteristischen Mustern des Bordspannungsverlaufes wird durch das Verfahren und die Vorrichtung abgeleitet, wann sich der Verbrennungsmotor in Betrieb und wann sich dieser Verbrennungsmotor im Ruhezustand befindet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion des Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors umfasst die folgenden Schritte: a) Messen der Ruhespannung eines Bordnetzes, b) Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls in dem Bordnetz, c) Detektieren eines Spannungsanstiegs über das Niveau der Ruhespannung hinaus bis zu einem stabilen Niveau einer Betriebsspannung zur Detektion eines sich in Betrieb befindlichen Verbrennungsmotors und d) Messen der Betriebsspannung, e) Detektieren eines allmählichen Spannungsabfalls über den Zeitraum von mehr als einer halben Sekunde bis zu einer stabilen Ruhespannung zur Detektion eines sich im Ruhezustand befindlichen Verbrennungsmotors. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen zu Anspruch 1 angegeben.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion des Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors, weist auf: a) mindestens eine Vorrichtung zur elektrischen Verbindung mit einem Bordnetz, b) mindestens eine Vorrichtung zum Messen und Speichern einer gemessenen Spannung, c) mindestens eine Vorrichtung zum Messen der Zeit und d) mindestens eine Vorrichtung zum Durchführen eines Vergleichs verschiedener Messwerte zu verschiedenen Zeiten, bevorzugt ein Mikrocontroller. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen zu Anspruch 10 angegeben.
  • Die Erfindung setzt voraus, dass die elektrische Spannung des Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges durch eine Starterbatterie zur Verfügung gestellt wird, was üblicherweise auch der Fall ist, wobei die elektrische Spannung im Bordnetz abhängig vom Betriebszustand des Kraftfahrzeuges ist. Heute üblich sind Ruhe- und Betriebsspannungen von ca. 6V für Kleinfahrzeuge, ca. 12V für Personenkraftfahrzeuge (Personen-KFZ) und ca. 24V für Lastkraftwagen und große Bau-, Zug- oder Antriebsmaschinen, wie beispielsweise Bagger, Traktoren für die Landwirtschaft, Schiffe oder Flugzeuge. Neben diesen Spannungen werden in Ausnahmefällen auch Spannungen von ca. 9V, ca. 18V, ca. 28V und ca. 32V Gleichstrom zur Verfügung gestellt, je nach Konfiguration einer an Bord befindlichen Starterbatterie. Ein elektrischer Verbraucher, der im Betrieb des Fahrzeuges zur Verfügung stehen soll und bei ausgeschaltetem Motor zur Stromersparnis ausgeschaltet sein soll, bedient sich des erfindungsgemäßen Verfahrens, um den Betriebszustand des Kraftfahrzeuges aus dem exakten zeitlichen Verlauf der Bordnetzspannung abzuleiten.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    ein Diagramm eines Spannungsverlaufes eines Bordnetzes in einem Personen-KFZ während der Anlassphase,
    Figur 2
    ein Diagramm eines Spannungsverlaufes eines Bordnetzes in einem Personen-KFZ während der Abstellphase,
    Figur 3
    zwei Flussdiagramme zur Verdeutlichung des Verfahrens zur Detektion der Betriebszustände des Verbrennungsmotors,
    Figur 4
    ein einfaches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
    BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • In Figur 1 ist ein Diagramm eines Spannungsverlaufes 1 der elektrischen Spannung in einem Bordnetz eines Personen-KFZ während der Startphase a-b-c über die Zeit t dargestellt. Beginnend mit der ersten Phase a, in welcher sich der Verbrennungsmotor im Ruhezustand befindet, weist die Bordspannung an üblichen Stromversorgungselementen, wie beispielsweise Zigarettenanzünder oder Bordsteckdose, etwa 12 V auf, was der üblichen Ruhespannung einer Starterbatterie für Personen-KFZ entspricht. Diese beispielhafte Spannung kann auch 6V, 9V, 18V, 24V, 28V oder 32V betragen und je nach Fahrzeugtyp auch andere Spannungen aufweisen. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird diese einmal von einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Ruhespannung erkannte Spannung als Basisspannung verwendet in Relation zu welcher der weitere Spannungsverlauf während der Phasen b und c eingestuft wird. Wird ein Verbrennungsmotor gestartet, so verringert sich die Spannung einer Starterbatterie plötzlich von der höheren Ruhespannung auf eine geringere Arbeitsspannung, von etwa 9V bis etwa 10V. Der typische plötzliche Spannungsabfall beim Startvorgang variiert zwischen verschiedenen Batterietypen und Kapazitäten zwischen 0,5 und 3V. Typisch ist der Spannungsabfall von ca. 1V bis 2V. Ein üblicher Startvorgang eines üblichen Verbrennungsmotors eines Personen-KFZ dauert zwischen 0,5 Sekunden bis zu 10 Sekunden, in Ausnahmefällen oder bei schlecht gewarteten Motoren auch länger. Innerhalb dieser Zeit b steigt auch die elektrische Spannung des Bordnetzes nicht durch eine parallel geschaltete Lichtmaschine zur Stromversorgung und Ladung der Starterbatterie, weil die erforderliche Umdrehungszahl beim Startvorgang nicht reicht, die Bordspannung zu erhöhen. Je nach Schaltungslegung, wird in manchen Fahrzeugen die gesamte Stromversorgung aller elektrischer Verbraucher im Bordnetz zu Gunsten des elektrischen Anlassers unterbrochen, um die Starterbatterie während des Anlassens nicht unnötig zu belasten. In diesem Fall sinkt die elektrische Spannung des Bordnetzes während der Phase b auf 0V ab.
  • Mit Start des Verbrennungsmotors bei Beginn der Phase c steigt die elektrische Spannung des Bordnetzes auf die Betriebs- oder Ladespannung von etwa 14V. Diese Überspannung von mind. 0,5 V, typischerweise von 1V bis 2V wird von einer Regelelektronik in der Lichtmaschine über einen breiten Drehzahlverlauf aufrechterhalten, um die Starterbatterie mit der erforderlichen Überspannung laden zu können. Es wäre möglich, die elektrische Spannung des Bordnetzes innerhalb eines bestimmten Intervalls regeltechnisch zu stabilisieren, dies ist aber gewöhnlich nicht der Fall, sondern die elektrische Spannung des Bordnetz wird üblicherweise direkt von der Starterbatterie abgenommen. Dieser Umstand ermöglicht es, elektrischen Verbrauchern, die nachträglich oder übergangsweise in einem Fahrzeug installiert werden, den Betriebszustand des Verbrennungsmotors aus dem zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung des Bordnetzes abzuleiten.
  • Der oben dargestellte Verlauf der Bordspannung über die Zeit während des Startvorganges der Verbrennungsmaschine ist typisch und ist unabhängig vom Typ des Verbrennungsmotors. Die Starterbatterie weist eine Ruhespannung auf, verringert ihre Spannung bei starker Belastung durch den Startvorgang und die an der Starterbatterie anliegende Spannung wird durch den Ladevorgang während des Betriebes der Verbrennungsmaschine erhöht. Selbstzünder, wie beispielsweise Diesel- oder Glühkolbenmotore, aber auch Turbinen benötigen während des Betriebes außer einer möglicherweise vorhandenen Steuerelektronik keine weitere elektrische Energie. Fremdgezündete Motoren hingegen, wie beispielsweise Benzin- oder Ottomotore, weisen im Bordnetz typische Spannungspitzen und/oder Spannungseinbrüche 2 der Zündkerzen oder der Zündspulen auf. Zur Erzeugung des Zündfunkens wird der Ladevorgang einer Zündspule plötzlich durch einen Unterbrecherkontakt oder durch eine Ladeelektronik unterbrochen und die mit der Zündspule verschaltete Zündkerze dient als Entladewiderstand der in der Zündspule vorhandenen Energie. Der Funkenschlag mit hoher elektrischer Spannung an der Zündkerze und auch der Wechsel von Zündspulenladung zur Ladeunterbrechung ist vom Bordnetz nur mit umfangreichen Maßnahmen zur Abschirmung möglich. Üblicherweise sind aber die Zündvorgänge im Bordnetz durch geringfügige Spannungspitzen mit geringer Kapazität messbar. Diese Spannungspitzen und/oder Spannungseinbrüche 2 sind von nur kurzer Dauer und treten synchron zur Zündfrequenz des Motors auf. Bei einer Viertaktmaschine mit vier Zylindern beträgt die Zündfrequenz zwei Zündfunken pro Umdrehung. Bei typischen Drehzahlen von 800 min-1 bis 6.000 min-1 für Personen-KFZ-Motore mit vier Zylindern ergibt das eine Frequenz von 1.600 min-1 bis 12.000 min-1 (26 2/3 Hz bis 200 Hz). Für langsam laufende Motore, beispielsweise große Einzylinder oder Schiffsmotore ergeben sich Zündfrequenzen von 50 min-1 bis 400 min-1 (5/6 Hz bis 6 2/3 Hz). Optional zur Messung des elektrischen Spannungsverlaufes des Bordnetzes kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion des Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors dadurch ausgestaltet werden, dass diese Spannungsspitzen und/oder Spannungseinbrüche 2 detektiert werden, was gleichbedeutend mit einem sich in Betrieb befindlichen Ottomotor mit Fremdzündung ist. Bei Selbstzündern ist diese Detektion nicht möglich, weil diese Spannungsspitzen dort nicht existieren. Alternativ oder kumulativ kann auch die Restwelligkeit 3 des Bordnetzes gemessen werden. Die Restwelligkeit 3 im Bordnetz mit einer Frequenz, die synchron zum Übersetzungsverhältnis der Motordrehzahl zu Lichtmaschinendrehzahl ist, kommt durch die Stromerzeugung durch eine Lichtmaschine zu stande. Manche Lichtmaschinen erzeugen Wechselstrom, der zunächst gleichgerichtet und gegebenenfalls weitgehend geglättet wird, andere Lichtmaschinen erzeugen Drehstrom, der ebenfalls durch entsprechende Verschaltung in einen welligen Gleichstrom umgewandelt wird. Dieser wellige Gleichstrom wird zur Ladung der Starterbatterie verwendet, wobei die Restwelligkeit 3 auch durch die kapazitive Wirkung der Starterbatterie nicht ausgeglichen wird.
  • Um den kurzzeitigen Spannungsabfall, gegebenenfalls auch -ausfall, beim Starten des Motors in Phase b von einer dauerhaften Entfernung der Starterbatterie, beispielsweise bei der Fahrzeug- und/oder Batteriewartung zu unterscheiden, ist es vorteilhaft, wenn dieser dauerhafte Spannungsabfall als Störung detektiert wird. Besonders solche elektrischen Verbraucher, die über eine eigenen Pufferbatterie verfügen, beispielsweise zur Versorgung einer internen Systemuhr oder zur Überbrückung kurzzeitiger Spannungsausfälle beim Starten, ist die Möglichkeit der Detektion einer Störung sinnvoll, damit die interne Pufferbatterie des elektrischen Verbrauchers nicht unnötig entladen wird. Denn der Verbraucher wird in diesem Fall nicht eingeschaltet.
  • In Figur 2 ist der elektrische Spannungsverlauf 10 eines Bordnetzes in einem Personen-KFZ während der Abstellphase d-e-f des Verbrennungsmotors dargestellt. Beginnend bei Phase d, in der sich der Verbrennungsmotor in Betrieb befindet, und die Bordspannung von etwa 14V gegebenenfalls mit Spannungsspitzen und/oder Spannungseinbrüchen 2 oder einer Restwelligkeit 3 überlagert ist, folgt eine Phase e, in welcher der Verbrennungsmotor durch Unterbrechung der Fremdzündung über mehrere Umdrehungen zum Stillstand kommt. Innerhalb dieser Phase e verringert sich die Bordspannung einerseits durch den Fortfall der Ladespannung der Lichtmaschine, andererseits entladen sich gegebenenfalls vorhandene Glättungskondensatoren, so dass die elektrische Spannung des Bordnetzes nicht plötzlich, sondern allmählich von der Betriebs- oder Ladespannung auf die Ruhespannung der Starterbatterie um ca. 0,5, typischerweise um 1V bis 2V, abfällt. Der exakte zeitliche Verlauf des elektrischen Spannungsabfalls ist abhängig von der Charakteristik des Verbrennungsmotors mit Lichtmaschine, ist aber nicht plötzlich (Spannungsabfall im wenige ms-Bereich), sondern allmählich (Bereich zwischen 0,1 s bis 5 s). Nach dem allmählichen Spannungsabfall stabilisiert sich die Spannung des Bordnetzes in Phase f auf die Ruhespannung, im vorliegenden Beispiel 12V.
  • In Ausgestaltung der Erfindung wird die Detektion eines ausgeschalteten Motors um 30 s bis 10 min, bevorzugt um 2 min bis 5 min verzögert. Dies hat den Vorteil, dass ein Motor kurzzeitig ausgeschaltet werden kann, beispielsweise durch eine Vorrichtung zum Benzinsparen vor einer Ampel oder vor einer Schranke, ohne dass das der entsprechende Verbraucher ausgeschaltet wird. Navigationsgeräte, brauchen zum Teil mehrere Minuten, bis sie sich initialisiert haben, um bspw. Satelliten zu suchen. Fahrerassistenzsysteme sollten in dieser Zeit zur Verfügung stehen und automatische Mauterfassungsgeräte sollten durch ein kurzzeitiges Ausschalten des Motors auch nicht aus- und wieder eingeschaltet werden, um durch die kurzzeitige Fahrtunterbrechung die Mauterfassung nicht zu unterbrechen. Durch die Verzögerung der Detektion eines ausgeschalteten Verbrennungsmotors führen also kurzzeitige Fahrtunterbrechungen, wie ein Tankstopp, Be- und Entladen von Personen oder von Transportgütern, Ein- und Aussteigen von Fahrgästen eines Taxis, aber auch unfreiwillige Fahrtunterbrechungen, wie ungewolltes so genannte Abwürgen eines Motors beim Anfahren, nicht zu einem ungewollten Aus- und wieder Einschalten des entsprechenden elektrischen Verbrauchers.
  • Um den Betriebszustand des Verbrennungsmotors aus dem Verlauf der elektrischen Spannung der Bordspannung sicher detektieren zu können, ist es von Vorteil, wenn die einmal erkannte Ruhespannung für einen zukünftigen Vergleich mit anderen Spannungen beim Starten und bei Betrieb zwischengespeichert wird. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, nach einmal detektiertem AusZustand des Verbrennungsmotors zwischen 1 min und 30 min, bevorzugt zwischen 5 min und 10 min zu warten, bevor die Ruhespannung gemessen und gespeichert wird, um eine Stabilisierung der elektrischen Spannung des Bordnetzes abzuwarten. Die elektrische Spannung kann in der ersten Zeit nach Ausschalten des Motors noch variieren durch einen nachlaufenden Kühlerlüfter, durch eine nachlaufende Kraftstoffpumpe, durch ein automatisch einfahrendes Verdeck, durch elektrische Tür- und Fensterschließer, durch Alarmanlagen und durch sich langsam entladende elektrische Verbraucher.
  • In Figur 3 sind zwei Flussdiagramme 100 und 200 des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Flussdiagramm 100 stellt den Ablauf der Schritte zur Detektion eines sich in Betrieb befindlichen Verbrennungsmotors dar. Beginnend bei Start 101 wird in Schritt 102 solange die Ruhespannung des Bordnetzes eingemessen, bis ein plötzlicher Spannungsabfall detektiert wird. Ohne Spannungsabfall wird Schritt 102 solange wiederholt, bis der Spannungsabfall detektiert wird. Alternativ zur sich wiederholenden Messung kann auch ein Differentialsignal detektiert werden, so dass die abfallende Flanke detektiert wird. Sofern ein Spannungsabfall detektiert wurde, schreitet das erfindungsgemäße Verfahren fort in Schritt 103, in welchem eine Verringerung der Bordspannung bis auf 0V oder um 1V bis 2V, je nach Schaltungslegung der Bordnetzes detektiert wird. Dauert der Spannungsabfall zwischen 01, und 10 s, die Dauer wird in einer Schleife gemessen, und steigt danach auf eine Spannung an, Messung in Schritt 104, die über dem Niveau der Ruhespannung liegt, so ist die Bedingung für einen sich in Betrieb befindlichen Verbrennungsmotor erfüllt.
  • Flussdiagramm 200 weist ebenfalls nach Beginn in Schritt 201 eine Schleife in Schritt 202 auf, in welcher die Betriebsspannung des Bordnetzes gemessen wird. Sobald sich die Bordspannung um ein vorbestimmtes Maß pro Zeiteinheit ändert, schreitet das Verfahren fort in Schritt 203, in welchem der allmähliche Spannungsabfall detektiert wird, vorteilhaft durch Berechnung eines Quotienten aus Spannungsabfall pro Zeiteinheit oder durch Messung eines Differentialsignals, das eine vorbestimmte Größe nicht überschreiten darf, um einen allmählichen Spannungsabfall zu detektieren. Sobald die Bordspannung ein stabiles Niveau erreicht hat, Phase f in Figur 2, Messung in Schritt 204, ist die Bedingung für einen sich im Ruhezustand befindlichen Verbrennungsmotor erfüllt.
  • Figur 4 zeigt schließlich ein vereinfachtes Blockschaltbild 300 einer Vorrichtung zur Detektion des Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren den zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung des Bordnetzes überwacht und wenn die typischen Muster eines Start- und/oder Abschaltvorganges erkannt werden, ein entsprechendes Signal ausgibt, beispielsweise, um einen daran angeschlossenen Verbraucher ein- oder auszuschalten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zunächst eine Vorrichtung zur Verbindung mit einem Bordnetz 301 auf, vorteilhaft in Form eines Steckers oder in Form eines Kontaktes für den Zigarettenanzünder. Über diesen Stecker wird der daran befindliche elektrische Verbraucher auch mit elektrischer Energie versorgt.
  • Eine Anordnung zum Messen und Speichern einer gemessenen Spannung 302, 303 besteht im Idealfall aus einem A/D-Wandler, der einen digital auslesbaren Wert der gemessenen elektrischen Spannung zur Verfügung stellt und der auch in einem elektronischen Speicher 303 gespeichert werden kann. Eine Vorrichtung zum Messen der vergangenen Zeit 304 ist notwendig, um die Länge der Stromunterbrechung, des Spannungsabfalls oder der Spannungspitzen zu messen, um daran zu unterscheiden, ob es sich um einen plötzlichen Spannungsabfall im Millisekundenbereich oder um einen allmählichen Spannungsabfall im Sekundenbruchteil bis Sekundenbereich handelt. Schließlich weist die Vorrichtung eine Vorrichtung zur Durchführung eines elektronischen Vergleichs 305 der gemessenen elektrischen Spannungen über die Zeit auf. Diese Funktion wird am besten durch einen gattungsgemäßen Mikrocontroller bereitgestellt, welcher einen eigenen Programmspeicher aufweist. In diesem Fall bedient sich der Mikrocontroller der über die Zeit gemessenen elektrischen Spanungsunterschiede aus dem A/D-Wandler, bildet einen Quotienten aus Spannungsunterschied und Zeit zwischen zwei stabilen elektrischen Spannungen und unterscheidet in Abhängigkeit der Zahlenwerte, ob es sich um einen plötzlichen oder um einen allmählichen Spannungsabfall, bzw. einen Spannungsanstieg handelt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung weist sich als vorteilhaft für Nachrüstgeräte. Besonders in Zukunft eingesetzte Mauterfassungsgeräte für den privaten KFZ-Verkehr müssen innerhalb einer kurzen Nachrüstzeit in eine größere Anzahl Fahrzeuge eingebaut werden. Hierzu eignen sich solche Mauterfassungsgeräte, die durch den Zigarettenanzünder mit Strom versorgt werden und ansonsten auf dem Armaturenbrett oder an der Windschutzscheiben befestigt werden, so dass diesen Geräten keine internen Steuersignale zur Verfügung stehen.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Detektion des Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors aufweisend die folgenden Schritte:
    a) Messen der Ruhespannung eines Bordnetzes (102),
    b) Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls in dem Bordnetz (103),
    c) Detektieren eines Spannungsanstiegs über das Niveau der Ruhespannung hinaus bis zu einem stabilen Niveau einer Betriebsspannung (104)
    zur Detektion eines sich in Betrieb befindlichen Verbrennungsmotors und
    d) Messen der Betriebsspannung (202),
    e) Detektieren eines allmählichen Spannungsabfalls über den Zeitraum von mehr als einer halben Sekunde bis zu einer stabilen Ruhespannung (203, 204)
    zur Detektion eines sich im Ruhezustand befindlichen Verbrennungsmotors.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gemessene Ruhespannung zwischengespeichert wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Detektion eines sich im Ruhezustand befindlichen Verbrennungsmotors um 30 sek bis 10 min, bevorzugt von 2 min bis 5 min verzögert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zur positiven Detektion eines sich in Betrieb befindlichen Verbrennungsmotors mit Fremdzündung zusätzlich Spannungsspitzen und/oder Spannungseinbrüche (2) mit einer Frequenz von 50 min-1 (5/6 Hz) bis zu 12.000 min-1 (200 Hz), bevorzugt mit einer Frequenz von 400 min-1 (5/6 Hz) bis 6.000 min-1 (100 Hz).
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Spannungsmessung an der Starterbatterie, an einem Zigarettenanzünder oder an einem Bordnetz zur Stromversorgung externer Stromverbraucher vorgenommen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Niveau der Ruhespannung 1 bis 30 min nach Detektion eines sich im Ruhezustand befindlichen Verbrennungsmotors, bevorzugt 5 bis 10 min nach Detektion eines sich im Ruhezustand befindlichen Verbrennungsmotors gemessen und zwischengespeichert wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein plötzlicher Spannungsabfall von weniger als 1 min, bevorzugt von weniger als 30 sek Dauer mit einem darauf folgenden Anstieg der Spannung zu einer positiven Detektion eines sich in Betrieb befindlichen Verbrennungsmotors führt und ein längerer plötzlicher Spannungsabfall zu einer Detektion einer Störung oder einer Entfernung der Starterbatterie vom Bordnetz führt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der plötzliche Spannungsabfall mindestens 0,5 V, bevorzugt, 1 V bis 2 V beträgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der allmähliche Spannungsabfall mindestens 0,5 V, bevorzugt 1V bis 2V beträgt.
  10. Vorrichtung zur Detektion des Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, aufweisend
    a) mindestens eine Vorrichtung zur elektrischen Verbindung mit einem Bordnetz,
    b) mindestens eine Vorrichtung zum Messen und Speichern einer gemessenen Spannung,
    c) mindestens eine Vorrichtung zum Messen der Zeit und
    d) mindestens eine Vorrichtung zum Durchführen eines Vergleichs verschiedener Messwerte zu verschiednen Zeiten, bevorzugt ein Mikrocontroller.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei ein Schalter für einen elektrischen Verbraucher vorgesehen ist, der bei Detektion eines sich in Betrieb befindlichen Verbrennungsmotors, den elektrischen Verbraucher einschaltet und bei Detektion eines sich im Ruhezustand befindlichen Verbrennungsmotors den elektrischen Verbraucher ausschaltet.
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