JP2012531558A - スタータ制御部の運転方法、コンピュータプログラム、およびスタータ制御部 - Google Patents

Abstract

とりわけ車両の内燃機関を始動するためのスタータモータを有する始動装置（１）の運転方法が記載される。ここで該スタータモータ（２）は、電気エネルギー蓄積器の電気エネルギーを、切換リレー（３）を備えるスタータ制御部（５）を介して印加することによりオン／オフすることができる。始動装置（１）の寿命を長くするために、スタータモータ（２）は始動過程で、スタータ制御部（５）により電力制御される。

Description

本発明は、とりわけ車両の内燃機関を始動するためのスタータモータを備える始動装置の運転方法に関する。

ここでスタータモータは、電気エネルギー蓄積器の電気エネルギーを、切換リレーを備えるスタータ制御部を介して印加することによりオン／オフすることができる。本発明はさらに、コンピュータプログラムおよび車両の内燃機関のための始動装置に関するものであり、車両はスタータモータと、電気エネルギー蓄積器と、切換リレーとを有し、切換リレーはスタータ制御部によって制御可能であり、スタータモータと電気エネルギー蓄積器との間の電気切換接点を形成する。

内燃機関を始動するためのスタータモータを有する始動装置は公知であり、スタータモータは線路を介して電気エネルギー蓄積器、とりわけスタータバッテリのプラス極と直接接続され、帰還線路を介して、自動車の場合には従来のようにボディを介してマイナス極と接続される。配線は実質的にただ１つのプラス側の線路しかないので、製造が比較的容易であり、安価である。始動装置は、制御電子回路と接続することのできる機械的または電気機械的制御部によって制御される。この種の始動装置の構造は簡単である。内燃機関を始動するための始動装置の一部は、車両において、季節温度変動のための大きな温度範囲で運転される。スタート・ストップシステムを備える運転でも、運転温度範囲は内燃機関のコールドスタートの場合よりも大きい。

特許文献１には、切換装置として並列に接続された２つのトランジスタによる、スタータモータのスイッチオンのための切換装置が記載されており、ここでは基本的に１つのトランジスタだけが動作し、各トランジスタの機能性を検査するために手段が設けられている。

ＤＥ１０２３１０８８Ａ１

本発明の課題は、冒頭に述べた形式の始動装置の運転方法、コンピュータプログラム、および始動装置を改善し、内燃機関を始動するための始動装置が、過酷な使用であっても長い寿命を有するようすることである。

発明の開示
この課題は本発明によれば請求項１と７と８の対象によって解決される。従属請求項は、本発明の好ましい改善形態を示す。

本発明の基本思想は、スタータモータの要求プロフィールを検査し、それに依存してスタータモータに電気エネルギーの電力を印加することである。スタータモータの要求プロフィール、すなわちスタータモータの所要電力は、内燃機関を回すために必要な電力に依存することが判明した。内燃機関を回転させるためのトルク（機関始動回転トルク）は、もっぱらその中にある機関オイルの粘度に基づき機関の温度に依存する。たとえば約＋２０℃の常温では、機関を回転させるためのトルクは、内燃機関のコールドスタートの場合よりも小さい。判明した要求プロフィールにより、スタータモータに必要なトルク電力は、低温の場合には大きく、高温の場合には小さいことが分かった。さらに電気バッテリの電力は、温度が低いと低下する。

この課題は、スタータモータが始動過程で、スタータ制御部により電力制御されることによって解決される。したがってスタータモータで使用される最大電力を変化し、スタータピニオン、内燃機関のリングギヤ、整流器の摺動カーボンブラシ、ベアリング、ならびに切換リレーの接点部材における磨耗を低減することができる。さらにスタータモータと始動装置の切換数を高めることができる。このことは、スタート・ストップシステムを使用する場合に有利である。

とりわけ搭載電源が電圧降下する際に電力を適切に選択して配分することにより、給電される電子構成部品の最小電圧を下回らないようにすることができる。これにより、電圧安定化のために使用される補助手段、たとえばＤＣ／ＤＣコンバータを省略することができる。

本発明の方法の実施形態では、スタータモータが離散的電力ステップで電力制御される。スタータモータを、変化する機関始動回転トルクに直接依存して適合制御することもできる。しかしこのような可変制御は面倒である。したがって簡単な方法によれば、離散的な電力ステップが使用される。これにより制御を、より簡単かつ安価に実現することができる。

内燃機関の機関始動回転トルクを決定する主な影響量を求めるために、スタータ制御部により、内燃機関の温度に関する情報が問い合わされ、スタータモータは決定され、求められた目下の内燃機関の温度範囲に依存して電力制御される。

簡単な方法によれば、スタータモータはスタータ制御部により、３つ、好ましくは４つのステップで電力制御される。３または４のステップは有利には、スタータモータの所要の電力または所要の電力プロフィールを、必要な最小電力、高められた電力、非常に高められた電力、および最大電力に配分するのに十分である。この配分により、始動過程時に関与する構成部材の磨耗を低減することができ、さらに電力の所要のリソースを節約し、綿密に使用することができる。

好ましくは電力ステップは、始動過程時にスタータ制御部により時間に依存して切り換えられる。したがって小さな電力でスタータモータを噛み合わせ、始動のために内燃機関を段階的な電力で駆動することができる。この場合、短時間の起動の後、この電力をスタータ制御部により時間制御して高めることができる。この時間に依存する切り換えは、内燃機関の温度に依存して行うことも、依存せずに行うこともできる。時間に依存する制御は、形式に固有に適合することもでき、スタータ制御部の自己学習機能と結び付けることができる。この自己学習機能は、始動装置の経年変化を始動過程時に検知し考慮する。

この課題は、スタータ制御部で実行されるときに、前記方法のすべてのステップを実施するためのプログラム指令を伴ってプログラムメモリにロードされるコンピュータプログラムによっても解決される。コンピュータプログラムは、内燃機関を始動するための始動装置に対して、形式固有にパラメータにより適合することができ、したがって非常に簡単かつ安価な適合が可能であるという利点を有する。ここではすでに存在するセンサ、たとえば１つまたは複数の温度センサの測定値、およびすでに存在するタイマ、あるいはプロセッサ解決ではカウンタを考慮して、スタータ制御部によりスタータモータを種々のパラメータに依存して電力制御する。

この課題は、スタータモータのための電力制御装置を備えるスタータ装置によって解決される。電力制御装置は、バッテリの電力を内燃機関の始動回転抵抗に適合し、始動過程に関与するコンポーネントの磨耗を全体で低減し、電気エネルギーを節約することができるという利点を有する。これにより始動装置の寿命が、とりわけ車両のスタート・ストップシステムのため切換数またはサイクル数が増大しても延びる。

好ましい実施形態では、電力制御装置をできるだけ簡単に構成するために、電力制御装置は所定の抵抗を備える切換可能な線路を有する。これらの線路は、スタータ制御部を介して電力スイッチにより、とりわけ切換リレーと接続および遮断される。抵抗を備える切換可能な線路を、使用される電力に適合するために設けることは本発明の技術的範囲である。線路を接続および遮断するために、高電力スイッチ、たとえば電子スイッチを使用することができ、好ましくは電気機械的切換リレーが使用される。なぜなら電気機械的切換リレーは、大きな電流を長期間、問題なしに切り換えることができるからである。

抵抗は、線路の部分区間に組み込むことができる。択一的に抵抗は、線路の全長にわたり、高められた線路抵抗として構成することもできる。

別の有利な実施形態によれば、切換可能な線路は銅よりも抵抗の高い材料から形成されている。好ましくは切換可能な線路は鋼および／またはアルミニウムから作製されている。

鋼およびアルミニウムは銅よりも高い抵抗を有し、とりわけ銅よりも安価な材料である。鋼はアルミニウムより安価であり、高い抵抗を有する。したがって両材料ともコスト的に有利である。

好ましい実施形態によれば、切換可能な線路は、スタータモータとエネルギー蓄積器、とりわけバッテリのプラス極との間に接続されている。したがって帰還線路は、従来の始動装置の場合のように車両ボディを介して効率的に形成することができる。

切換可能な線路は前置抵抗として接続されている。複数の線路を閉じることにより、使用される電力が１つの線路を使用する場合よりも高まる。なぜなら有効な線路内の全オーム抵抗が、抵抗の並列接続によって全体として低くなるからである。

択一的に電力制御装置を、スタータモータとエネルギー蓄積器のマイナス側との間に接続することができる。銅よりも安価な材料からなる抵抗の高い複数の切換可能な線路により、スタータモータを駆動するための電力を変化することができる。アース側での構造はより簡単に実現できる。なぜならこれら線路を通常の場合でもプラス側より単純に構成することができるからである。すなわちスタータモータからボディまたはバッテリへの実際の線路全体に中断部がないからである。プラス側には多数の付加的な中断部、たとえばヒューズ、スイッチ、発進阻止装置等の部材があり、これらは複数の並列線路の取付けを困難にする。さらに半導体スイッチ素子は、アース路にあるいわゆるローサイドスイッチとして、プラス路にあるハイサイドスイッチよりも簡単に制御することができる。しかし基本的な相違点はない。

前記および後で説明する特徴はそれぞれ記述した組合せでだけ使用可能なのではなく、他の組合せでも使用可能であることは理解されよう。

本発明を、添付図面に基づいて詳細に説明する。

第１の実施形態による始動装置の概略的回路図である。 第２の実施形態による始動装置の回路図である。 第３の実施形態による始動装置の回路図である。 第４の実施形態による始動装置の概略的回路図である。 始動装置の動作状態の表である。 本発明の方法のフローチャートである。

図１は、スタータモータ２と、バッテリ４のプラス側とスタータモータ２との間に往路線路Ｈ０を介して接続された切換リレー３とを備える始動装置１を示す。切換リレー３はスタータにあり、ソレノイドスイッチとも称される。ソレノイドスイッチは、ピニオンの機械的噛み合い機能と、主電流に対する切換機能の両方を引き受ける（以下に説明する）。図示しないスタータピニオンの噛み合いに用いる、スタータモータ２のスタータリレーが、切換リレー３を含む。切換リレー３は従来技術から公知である。往路線路Ｈ０は、オーム抵抗Ｒ_Ｈ０を有し、スタータモータ２からバッテリ４へのマイナス側の帰還線路Ｒは簡単にＲ_ＬＲとして示したオーム線路抵抗を有する。バッテリ４は内部オーム抵抗Ｒ_ｉ４を有する。第１の実施形態によれば、始動装置１のプラス側は電力制御装置２０によって構成されている。電力制御装置２０は、往路線路Ｈ０に対して並列の少なくとも１つの切換可能な線路２１を有する。並列の切換可能な線路２１は規定の線路抵抗Ｒ_ＬＨ１を有する。好ましくは並列の線路２１の抵抗Ｒ_ＬＨ１は、空間的なただ１つの抵抗に限定されるのではなく、適切に材料選択することにより、並列の線路２１全体にわたっている。好ましくは切換可能な線路２１は、安価な材料、たとえば鋼またはアルミニウムから、銅製の従来の往路線路Ｈ０よりも高い抵抗で作製されている。アルミニウムは、３７ｍ／Ω＊ｍｍ^２の導電率を、鋼は１０ｍ／Ω＊ｍｍ^２の導電率を、銅は５７ｍ／Ω＊ｍｍ^２の導電率を有する。並列の接続可能な線路２１は電力スイッチ２１２によってオンオフされる。

電力スイッチ２１２は、電子電力スイッチ、たとえばＭＯＳＦＥＴであるか、または電気機械的切換リレーである。電力スイッチ２１２は、ＣＰＵ６を備える制御部５によって制御される。制御部５はプログラムメモリ７として構成されており、図示しない内燃機関の温度を検出するためのサーモセンサ８と接続されている。ＣＰＵ６はさらに電子時計９と接続されている。したがって制御部５は、ＣＰＵ６および時計９とともにタイマ回路を形成する。

切換接点Ｓ１が電力スイッチ２１２により閉成されると、線路２１を介してスタータモータ２の使用電力が高められる。したがってスタータモータ２の電力は、電力制御装置２０により変化することができる。スタータモータ２は、内燃機関の始動のために比較的高い機関始動回転トルクが必要な場合に比較的大きなトルクを出力すること。機関始動回転トルクは、たとえば温度が低いときにエンジンオイルの粘度のため大きくなる。

図２は図１の始動装置１を示すが、相違点は、電力制御装置２０が切換可能な並列の線路２１を１つだけ有するのではなく、少なくとも３つの並列線路２１、２２、２３が設けられていることである。すべての並列線路２１、２２、２３はそれぞれ切換可能な電力スイッチ２１２、２２２、２３２を有し、これらは制御部５により制御されて、それぞれ切換接点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を閉成する。３つの並列線路２１、２２、２３に基づいて、スタータモータ２を、図１の実施形態よりも大きく、細分化された範囲で電力制御することができる。これにより、噛み合いの際、および内燃機関のスタート時の電力過剰が回避される。スタータピニオン、リングギヤ、ベアリング、およびスタータリレーの接点ボルトのポールにおける不必要に大きな磨耗が、電力制御により阻止される。

別の好ましい実施形態によれば、種々異なるオーム抵抗を備える線路２１、２２、２３が形成されており、したがって並列線路２１、２２、２３を所定のように追加接続することにより、スタータモータ２を規定のように制御するために、制御部５による電力制御２０が実施される。

図３と図４は、それぞれ図１と図２の択一的な実施形態を示す。ここでの相違点は、少なくとも１つの並列線路２１がスタータモータ２およびバッテリ４のマイナス側帰還線路Ｒに配置されていることである。

好ましくは上に述べたように線路全体にわたって延在する帰還線路としての線路２１、２２、２３の抵抗は、図４には簡単にＲ_ＬＲ１、Ｒ_ＬＲ２およびＲ_ＬＲ３により図示されている。

図５は、内燃機関が始動装置１によってそれぞれ始動され４つの温度範囲１、２、３、４を表の形で示す。第１の温度範囲は＋２０℃超であり、電力スイッチ２１２、２２２、２３２のすべての切換接点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が開放されている。スタータモータ２は、従来の往路線路Ｈ０を介して切換リレー３により制御される。

第２の温度範囲２は０℃から＋２０℃までであり、制御部５により所定の電力スイッチ、たとえば２２２または２３２が閉成される。始動装置１における電流回路、すなわち電流網の全体抵抗が低減され、スタータの電力が高められる。したがってスタータモータ２は、内燃機関における高まった機関始動回転トルクを克服する。

第３の温度範囲３は−１０℃から０℃までであり、たとえば切換接点Ｓ１とＳ２が閉成される。電力スイッチ２３２の切換接点Ｓ３は閉じられない。スタータモータ２はこの温度範囲３では、内燃機関を理想的に始動するために電力が強く高められる。

第４の温度領域は−１０℃未満の温度である。この温度範囲では、電力スイッチ２１２、２２２、２３２の切換接点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が閉成され、したがって最大電力がバッテリ４から出力され、始動装置１の電流回路全体における抵抗は最小である。これによりスタータモータ２では最大電力が使用され、機関始動回転トルクの高くなった内燃機関を始動することができる。

図６は、本発明の方法を実施するためにスタータ制御部５が実施する方法ステップのフローチャートである。

第１のステップＳ１０でスタートパルスが、たとえばスタートノブの操作により、または点火キーの操作により制御部５によって情報システム、たとえばＣＡＮバスを介して検出される。スタート・ストップシステムの場合、スタートパルスはフットブレーキの解除またはアクセルペダルの操作により検出することができる。第２のステップＳ２０で、温度センサ８に内燃機関の目下の温度が問い合わされる。

これに基づき第３のステップＳ３０で、温度が評価され、所定の温度範囲１、２、３または４に割り当てられる。

ステップＳ４０では、どの線路スイッチ２１２、２２２および／または２３２が電力制御装置２０で閉成されており、どれが開放したままであるかが決定される。

ステップＳ５０で、主電流経路、すなわち往路線路Ｈ０が切換リレー３により閉成され、これによりスタータモータ２が通電され、内燃機関が始動される。

続いて問い合わせステップＡ１で、所定の時間ｔ内で内燃機関が始動したか否かが問い合わされる。始動していれば、切換リレー３がステップＳ６０で遮断され、スタータ制御部５は方法フローの終了に進む。

内燃機関が所定の時間後にまだ始動していなければ、ステップＳ７０で、さらなる線路２１、２２または２３を電力スイッチを介して接続することにより電力が高められ、これにより内燃機関の始動特性が改善される。

ステップＳ８０では、自己学習機能として、スタータ制御部５の新たな切換の組合せが、実際に測定されたパラメータとともにプログラムメモリ７に記憶される。

択一的に個別のスイッチ２１２、２２２および２３２を始動過程中に緩慢に追加接続し、これによりスタータモータ２が搭載電源を、突然の非常に高い起動電流により負荷しないようにすることができる。したがってスタータ電流は始動時に段階的に高められる。すべての図面は概略的であり、縮尺通りではない。その他、本発明にとって重要なものだけが図示されている。

Claims (10)

1. とりわけ車両の内燃機関を始動するためのスタータモータを有する始動装置（１）の運転方法であって、
   該スタータモータ（２）は、電気エネルギー蓄積器の電気エネルギーを、切換リレー（３）を備えるスタータ制御部（５）を介して印加することによりオン／オフする方法において、
   スタータモータ（２）を始動過程で、スタータ制御部（５）により電力制御する、ことを特徴とする方法。
2. スタータモータ（２）は、離散的な電力ステップで電力制御される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. スタータ制御部（５）は、内燃機関の温度に関する情報を、スタータモータ（２）による始動過程前に問い合わせ、スタータモータ（２）を内燃機関の温度に依存して電力制御する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. スタータモータ（２）はスタータ制御部（５）により、３つ、好ましくは４つのステップで電力制御される、ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
5. 電力ステップは時間に依存してスタータ制御部（５）により切り換えられる、ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。
6. スタータ制御部（５）で実行されるときに、請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法のすべて過程を実施するために、プログラムメモリ（７）にプログラム指令とともにロード可能なコンピュータプログラム。
7. 車両の内燃機関用の始動装置（１）であって、スタータモータ（２）と、電気エネルギー蓄積器と、切換リレー（３）とを有し、該切換リレーはスタータ制御部（５）により制御され、スタータモータ（２）と電気エネルギー蓄積器との間の電気切換接点を形成する始動装置において、
   始動装置（１）は、スタータモータ（２）用の電力制御装置（２０）によって構成されている、ことを特徴とする始動装置。
8. 電力制御装置は、所定のオーム抵抗を有する切換可能な並列の線路（２１、２２、２３）を有し、該線路は、スタータ制御部（５）を介し、とりわけ切換リレーを有する電力スイッチ（２１２、２２２、２３２）によって接続および遮断される、ことを特徴とする請求項７に記載の始動装置。
9. 切換可能な並列の線路（２１、２２、２３）は、鋼および／またはアルミニウムから作製されている、ことを特徴とする請求項７または８に記載の始動装置。
10. 切換可能な並列の線路（２１、２２、２３）は、スタータモータ（２）とエネルギー蓄積器との間に接続されている、ことを特徴とする請求項７から９までのいずれか一項に記載の始動装置。

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