-
Die
Erfindung bezieht sich auf einen Starter zum Starten eines Verbrennungsmotors
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie auf ein Verfahren zur
Ansteuerung eines derartigen Starters.
-
Um
Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen zu reduzieren, werden
derzeit Verfahren und Systeme entwickelt und zum Teil auch bereits
eingesetzt, welche eine Start-Stopp-Funktion enthalten, die die
als Brennkraftmaschine ausgestaltete Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs
unter bestimmten Voraussetzungen bzw. bei Vorliegen vorgegebener Abschaltbedingungen
automatisch abschaltet und bei Vorliegen vorgegebener Einschaltbedingungen automatisch
wieder einschaltet. Derartige Verfahren und Systeme sind vor allem
für den Stadtverkehr zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs
geeignet, da im Stadtverkehr das Fahrzeug oft an Ampeln oder aufgrund
des Verkehrs zum Stehen kommt und der Betrieb der Brennkraftmaschine
nicht erforderlich ist.
-
Üblicherweise
wird der Motorstart bei derartigen Start-Stopp-Systemen mit einem
kostengünstigen Ritzelstarter durchgeführt. Bekannte
Ritzelstarter umfassen zumindest ein sog. Einrückrelais,
welches bei Startaufforderung aufgrund eines in der Relaisspule
aufgebauten Magnetfeldes den Relaisanker anzieht, wodurch das Ritzel über
den Einrückhebel nach vorne gegen den Zahnkranz geschoben
wird. Gleichzeitig schließt der Relaisanker des Einrückrelais über
eine Kontaktbrücke den Hauptstromkreis des Startermotors
zwischen Batterie und Startermotor, so dass sich der als Elektromotor
ausgebildete Startermotor in Bewegung setzen (drehen) und die mit
ihm mittels Ritzel verbundene Antriebswelle zum Drehen bringen kann.
-
Die
Verwendung von kostengünstigen Ritzelstartern hat jedoch
einige Nachteile. So beschreibt die
DE 10 2006 047 608 A1 das
Problem eines sog. Kontaktschweißens. Hierbei handelt es
sich um einen elektrischen Überschlag, der durch die beim Öffnen
und Schließen des Relaisschalters verursachten hohen Feldstärken
an den Schaltkontakten hervorgerufen werden kann. Zur Lösung
dieses Problems sieht die o. g. Schrift einen zusätzlichen
Schalter vor, der parallel zum Relaisschalter angeordnet ist und derart
betrieben wird, dass er zumindest beim Ein- oder Ausschalten des
Relaisschalters geschlossen ist.
-
Ein
weiteres Problem bei der Verwendung von 12 V-Ritzelstartern zum
Starten eines Verbrennungsmotors im Rahmen einer Start-Stopp-Einrichtung
stellen die unter Umständen sehr hohen Spannungseinbrüche
an der Batterie beim Starten des Verbrennungsmotors bis unter 8
V dar. Dies kann zu Störungen im Bordnetz und zu Fehlfunktionen
bzw. Fehleinträgen in verschiedenen Steuergeräten
führen. Aufgabe der Erfindung ist es, dieses Problem zu Lösen
oder zumindest zu minimieren.
-
Diese
Aufgabe wird durch einen Starter nach Anspruch 1, sowie ein Verfahren
zur Ansteuerung eines entsprechenden Starters nach Anspruch 6 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
-
Der
erfindungsgemäße Ritzelstarter zum Starten eines
Verbrennungsmotors umfasst gemäß dem Stand der
Technik ein Einschaltrelais bzw. eine Start-Schalteinheit, mittels
derer ein Hauptstrompfad zwischen einer einen Startmotor speisenden
Batterie und dem Startermotor geöffnet oder geschlossen wird.
Dazu wird – wie bereits eingangs beschrieben – bei
Verwendung eines Einschaltrelais als Start-Schalteinheit bei einer
Startaufforderung aufgrund eines in der Start-Relaisspule aufgebauten Magnetfeldes
der Relaisanker angezogen, wodurch das Ritzel über den
Einrückhebel nach vorne gegen den Zahnkranz geschoben wird.
Gleichzeitig schließt der Relaisanker des Einrückrelais über
eine Kontaktbrücke den Hauptstromkreis des Startermotors
zwischen Batterie und Startermotor, so dass sich der als Elektromotor
ausgebildete Startermotor in Bewegung setzen (drehen) und die mit
ihm mittels Ritzel verbundene Antriebswelle zum Drehen bringen kann.
-
Die
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Hauptstrompfad zumindest
eine zweite Schalteinheit umfasst, die mittels einer Steuerelektronik
derart ansteuerbar ist, dass während des gesamten Startvorgangs
des Verbrennungsmotors unterschiedliche Gesamtwiderstände
im Hauptstrompfad zwischen der Batterie und des Startermotors einstellbar
sind bzw. anliegen. Durch eine entsprechende Auslegung bzw. Änderung
des Gesamtwiderstands während des Startvorgangs kann der
Spannungseinbruch, der normalerweise beim Startvorgang beim Schließen
der Start-Schalteinheit hervorgerufen wird, deutlich reduziert werden.
-
Vorteilhafterweise
ist die zweite Schalteinheit derart ansteuerbar, dass beim Schließen
des Hauptstrompfades durch die Start-Schalteinheit zu Beginn des
Startvorgangs im Hauptstrompfad ein erster Gesamtwiderstand zwischen
der Batterie und dem Startermotor anliegt, und nach einem vorgegebenen
Zeitintervall nach Schließen des Hauptstrompfades ein zweiter
Gesamtwiderstand im Hauptstrompfad zwischen der Batterie und dem
Startermotor anliegt, wobei der zweite Gesamtwiderstand kleiner
ist als der erste Gesamtwider stand. Demnach wird beim Startvorgang
die zweite Schalteinheit derart angesteuert, dass zu Beginn des
Startvorgangs beim Schließen der Start-Schalteinheit (durch
die der Hauptstrompfad beim Start erstmalig geschlossen wird) der
erste Gesamtwiderstand anliegt und nach einem vorgegebenen Zeitintervall
die zweite Schalteinheit derart betätigt wird, dass der
zweite Gesamtwiderstand anliegt.
-
Aufgrund
der entsprechenden Ausgestaltung des Starters wird der Starter beim
Motorstart aufgrund des anliegenden höheren Gesamtwiderstands vor
dem Startermotor für eine bestimmte Zeit mit einer reduzierten
Spannung betrieben. Dadurch wird die Batterie zunächst
auch nur mit einer reduzierten Stromentnahme belastet und der der
Spannungseinbruch bildet sich nicht so stark aus. Erst nach Ablauf des
vorgegebenen Zeitintervalls nach dem Anlaufen bzw. nach dem Einspuren
wird der Starter aufgrund des dann niedrigeren Gesamtwiderstands
vor dem Startermotor mit einer höheren Spannung, idealerweise
mit der vollen Spannung betrieben. Obwohl der Startermotor mit der
höheren Spannung betrieben wird, wird die Stromentnahmen
aus der Batterie nicht signifikant ansteigen sondern den Wert annehmen der
von der Drehzahl und Belastung vorgegeben wird. Dadurch reduziert
sich auch der Spannungseinbruch an der Batterie entsprechend. Auch
aufgrund der hervorgerufenen Vorbelastung der Batterie (die dadurch
in der Lage ist, nun einen höheren Strom zu liefern) wird
der Spannungseinbruch reduziert. (Der Spannungseinbruch entsteht
durch die Stromaufnahme beim Einschalten des üblicherweise
stehenden Starters.
-
Um
ein derartiges Gesamtwiderstandsverhalten im Hauptstrompfad zwischen
Batterie und Startermotor erreichen zu können, muss der
Starter, insbesondere der Hauptstrompfad entsprechend ausgebildet
sein. Hierzu gibt es verschiedene Alternativen. Zur Vereinfachung
wird im Folgenden unter einem Schließen der Start-Schalteinheit
ein Schließen des Hauptstrompfades durch Schließen
des Schließschalters der Start-Schalteinheit verstanden.
-
Weiter
bedeutet ein Schließen der zweiten Schalteinheit, dass
der Stromfluss im Hauptstrompfad über den Schalter der
zweiten Schalteinheit zugelassen wird. Ist die zweite Schalteinheit
geöffnet, wird kein Stromfluss zugelassen.
-
In
einer ersten Alternative ist der Starter bzw. der Hauptstrompfad
derart ausgestaltet, dass die ansteuerbare zweite Schalteinheit
mit der Start-Schalteinheit bzw. dem den Hauptstromkreis schließenden Schalter
der Start-Schalteinheit in Serie geschaltet ist. Parallel zu dieser
ansteuerbaren zweiten Schalteinheit ist ein Widerstandselement angeordnet,
so dass sich bei geschlossener Start-Schalteinheit und geöffneter
zweiter Schalteinheit ein höhere Gesamtwiderstand im Hauptstrompfad
vor dem Startermotor einstellt bzw. anliegt, als bei geschlossenem Start-Schalteinheit
und geschlossener zweiter Schalteinheit. Vorteilhafterweise wird
dazu die zweite Schalteinheit mit einem niederohmigen Lastwiderstand überbrückt.
Die zweite Schalteinheit kann hierbei als Lastrelais ausgebildet
sein, und das Widerstandselement kann ein separates Bauelement (Lastwiderstand)
sein. Alternativ kann an Stelle eines separaten Bauelements auch
der Leiter in dem Teil ohne dem Schalter derart ausgestaltet sein,
dass er einen höheren Widerstand erzeugt, als der Leiter
im anderen Teil der Parallelschaltung mit der zweiten Schalteinheit.
-
Bei
einer derartigen Ausgestaltung wird während des Startvorgangs
die zweite Schalteinheit derart angesteuert, dass während
des Schließens bzw. zeitgleich mit dem Schließen
der Start-Schalteinheit der Stromfluss durch die zweite Schalteinheit
unterbrochen ist, d. h. der Schalter ist zu diesem Zeitpunkt geöffnet.
Der Strom fließt somit von der Batterie über das
Widerstandselement zum Startermotor, wodurch der Startermotor mit
einer reduzierten Spannung betrieben wird. Demnach wird die Batterie
zu diesem Zeitpunkt auch nur mit einer reduzierten Stromentnahme
belastet. Erst nach einem vorgegebenen Zeitintervall nach Schließen
der Start-Schalteinheit wird der Stromfluss durch die zweite Schalteinheit
zugelassen, d. h. der Schalter wird geschlossen. Dadurch fließt
der Strom (aufgrund des geringeren Widerstands in diesem Pfad) vorrangig über
den den Schalter umfassenden Pfad. Dadurch wird der Startermotor
mit einer höheren Spannung beaufschlagt. Da sich die Maschine
aber bereits in Bewegung befindet, wird die anfängliche Änderung
der Stromentnahme (zusätzliche Stromentnahme) an der Batterie deutlich
geringer ausfallen und der Spannungseinbruch reduziert sich im Vergleich
zu herkömmlichen Startern entsprechend.
-
In
einer weiteren Alternative ist der Starter bzw. der Hauptstrompfad
derart ausgestaltet, dass die ansteuerbare zweite Schalteinheit
parallel zu einer zumindest die Start-Schalteinheit bzw. den den Hauptstromkreis
schließenden Schalter der Start-Schalteinheit und ein Widerstandselement
umfassende Schalter-Widerstands-Serienschaltung angeordnet ist,
so dass sich bei geschlossener Start-Schalteinheit und geöffneter
zweiter Schalteinheit ein höherer Gesamtwiderstand im Hauptstrompfad
vor dem Startermotor einstellt bzw. anliegt, als bei geschlossener
zweiter Schalteinheit. Auch hier kann die zweite Schalteinheit als
Lastrelais ausgebildet sein und das Widerstandselement ein separates Bauelement
(Lastwiderstand) sein. Alternativ kann an Stelle eines separaten
Bauelements auch der Leiter in der den Schalter der Starteinheit
umfassenden Teil der Parallelschaltung derart ausgestaltet sein, dass
der einen höheren Widerstand erzeugt, als der Leiter im
anderen Teil der Parallelschaltung.
-
Bei
einer derartigen Ausgestaltung wird während des Startvorgangs
die zweite Schalteinheit derart angesteuert, dass während
des Schließens bzw. zeitgleich mit dem Schließen
der Start-Schalteinheit der Stromfluss durch die zweite Schalteinheit
unterbrochen ist, d. h. der Schalter ist zu diesem Zeitpunkt geöffnet.
Der Strom fließt somit von der Batterie über die
Schalter-Widerstands-Serienschaltung zum Startermotor, wodurch der
Startermotor mit einer reduzierten Spannung betrieben wird. Demnach
wird die Batterie zu diesem Zeitpunkt auch nur mit einer reduzierten
Stromentnahme belastet.
-
Erst
nach einem vorgegebenen Zeitintervall nach Schließen der
Start-Schalteinheit wird der Stromfluss durch die zweite Schalteinheit
zugelassen, d. h. der Schalter wird geschlossen. Dadurch fließt
der Strom (aufgrund des geringeren Widerstands in diesem Pfad) vorrangig über
den (nur) den zweiten Schalter umfassenden Pfad. Dadurch wird der
Startermotor mit einer höheren Spannung beaufschlagt. Da
sich die Maschine aber bereits in Bewegung befindet, wird die anfängliche Änderung
der Stromentnahme (zusätzliche Stromentnahme) an der Batterie
deutlich geringer ausfallen und der Spannungseinbruch reduziert
sich im Vergleich zu herkömmlichen Startern entsprechend.
-
Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher
erläutert. Dabei zeigt die
-
1 eine
erste alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
Starters, und
-
2 eine
zweite alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
Starters.
-
In
der 1 ist ein Starter zum Starten eines hier nicht
dargestellten Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug in vereinfachter
Form mit einer Batterie B einem Startermotor M dargestellt, welche bei
geschlossenem Hauptstrompfad HP miteinander verbunden sind. Der
Starter umfasst eine erste Start-Schalteinheit SE mit einem Schließschalter
S0, mittels dessen der Hauptstrompfad HP über den Hauptstrompfad
HP_A geschlossen wird. Die Start-Schalteinheit SE ist hier in sehr
vereinfachter Form dargestellt. Prinzipiell ist die Start-Schalteinheit SE
als Einrückrelais ausgebildet, welches bei Startaufforderung
Kl 50 durch ein in der Relaisspule aufgebauten Magnetfeldes
den Relaisanker anzieht, wodurch das Ritzel über den Einrückhebel
nach vorne gegen den Zahnkranz geschoben wird. Gleichzeitig schließt
der Relaisanker des Einrückrelais über eine Kontaktbrücke
bzw. Schließschalter S0 den Hauptstromkreis zwischen Batterie
B und Startermotor M, so dass sich der als Elektromotor ausgebildete Startermotor
M in Bewegung setzen (drehen) und die mit ihm mittels Ritzel verbundene
Antriebswelle zum Drehen bringen kann.
-
Weiter
ist eine mit einer Steuerelektronik E ansteuerbare zweite Schalteinheit
S1 im vorgesehen, die mit der Start-Schalteinheit SE bzw. mit dem Schließschalter
S0 der Start-Schalteinheit SE in Serie geschaltet ist. Parallel
zu der ansteuerbaren Schalteinheit S1 ist ein Widerstandselement
R angeordnet, so dass bei geschlossener Start-Schalteinheit SE bzw.
S0 und geöffneter zweiter Schalteinheit S1 die Batterie
B über den ersten Teil-Hauptstrompfad HP_A mit dem Startermotor
M verbunden ist, wobei bei geschlossener zweiter Schalteinheit S1
die Batterie über den ersten und zweiten Teil-Hauptstrompfad
HP_A und HP_B mit dem Startermotor M verbunden ist.
-
Zum
Erreichen eines geringeren Spannungseinbruchs an der Batterie beim
Starten des hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors erfolgt
die Ansteuerung des Starters wie folgt, wobei davon ausgegangen
wird, dass unter der Voraussetzung, dass die zweiten Schalteinheit
S1 stromlos ist, der Schalter der zweiten Schalteinheit geschlossen
ist: Im Startfall wird die Klemme 50 Kl 50 aktiv
und betätigt dadurch die Schalt-Starteinheit SE, wodurch
der Schließschalter S0 geschlossen wird. Gleichzeitig wird
aufgrund des Signals der aktiven Klemme 50 Kl 50 die
zweite Schalteinheit S1 durch entsprechende Ansteuerung durch die
Steuerelektronik E derart bestromt, dass sich die Schalteinheit
S1 für ein vorgegebenes Zeitintervall von bspw. 200 ms öffnet,
so dass der Startstrom im Hauptstromkreis HP_A über den
Widerstand R geführt und somit begrenzt wird. Dadurch wird
die Batterie nur mit einer reduzierten Stromentnahme belastet.
-
Nach
der voreingestellten Verzögerungszeit wird die zweite Schalteinheit
S1 geschlossen, so dass die Batterie B und der Startermotor M (u.
a.) über die niederohmige Leitung verbunden werden, vgl.
Teil-Hauptstrompfad HP_B. Ab diesem Zeitpunkt wird der Startermotor
M somit mit voller Spannung betrieben. Da sich aber in der drehenden
Maschine bereits eine entgegen der Betriebsspannung gerichtete Energie
(Gegen-EMK, bzw. Gegen-ElektroMotorischeKraft) aufgebaut hat, fällt
die Stromentnahme an der Batterie nun deutlich geringer als und
der Spannungseinbruch reduziert sich entsprechend.
-
Analog
zur 1 ist der Starter gemäß 2 zum
Starten eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors in einem
Kraftfahrzeug in vereinfachter Form ebenfalls mit einer Batterie
B einem Startermotor M dargestellt, welche bei geschlossenem Hauptstrompfad
HP miteinander verbunden sind. Der Starter umfasst eine erste Start-Schalteinheit
SE mit einem Schließschalter S0, mittels dessen der Hauptstrompfad
HP über den Hauptstrompfad HP_A, der einen niederohmigen
Widerstand R umfasst, geschlossen wird. Die Start-Schalteinheit
SE ist hier ebenfalls in sehr vereinfachter Form dargestellt, wobei
die Funktionsweise die gleiche ist, wie sie in 1 beschrieben
wurde.
-
Weiter
ist eine mit einer Steuerelektronik E ansteuerbare zweite Schalteinheit
S1 im vorgesehen, die parallel zu einer die Start-Schalteinheit
SE bzw. den Schließschalter S0 und den Widerstand R umfassende
Schalter-Widerstands-Serienschaltung angeordnet ist, so dass bei
geschlossener Start-Schalteinheit SE bzw. S0 und geöffneter
zweiter Schalteinheit S1 die Batterie B über den ersten Teil-Hauptstrompfad
HP_A mit dem Startermotor M verbunden ist, wobei bei geschlossener
zweiter Schalteinheit S1 die Batterie über den ersten und zweiten
Teil-Hauptstrompfad HP_A und HP_B mit dem Startermotor M verbunden
ist. Die zweite Schalteinheit S1 kann auch durch einen geeigneten
Mosfet ersetzt werden.
-
Zum
Erreichen eines geringeren Spannungseinbruchs an der Batterie beim
Starten des hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors erfolgt
die Ansteue rung des Starters wie folgt, wobei davon ausgegangen
wird, dass unter der Voraussetzung, dass die zweiten Schalteinheit
S1 stromlos ist, der Schalter der zweiten Schalteinheit geschlossen
ist: Im Startfall wird die Klemme 50 Kl 50 aktiv
und bestätigt dadurch die Schalt-Starteinheit SE, wodurch
der Schließschalter S0 geschlossen wird. Gleichzeitig wird
aufgrund des Signals der aktiven Klemme 50 Kl 50 die
zweite Schalteinheit S1 durch entsprechende Ansteuerung durch die
Steuerelektronik E derart bestromt, dass sich die Schalteinheit
S1 für ein vorgegebenes Zeitintervall von bspw. 200 ms öffnet,
so dass der Startstrom im Hauptstromkreis HP über den den
Widerstand R umfassenden Teil-Hauptstrompfad HP_A geführt
und somit begrenzt wird. Dadurch wird die Batterie nur mit einer
reduzierten Stromentnahme belastet.
-
Nach
der voreingestellten Verzögerungszeit wird die zweite Schalteinheit
S1 geschlossen, so dass die Batterie B und der Startermotor M über
die niederohmige Leitung des Teil-Hauptstrompfads HP_B verbunden
werden. Ab diesem Zeitpunkt wird der Startermotor M somit mit voller
Spannung betrieben. Da sich aber in der drehenden Maschine bereits eine
Gegen-Elektromotorische Kraft (GegenEMK) aufgebaut hat, fällt
die Stromentnahme an der Batterie nun deutlich geringer als und
der Spannungseinbruch reduziert sich entsprechend.
-
Der
erfindungsgemäße Starter sowie die angegebene
Ansteuerung des erfindungsgemäßen Starter bringt – wie
bereits oben erläutert wurde – eine Reihe von
Vorteilen. Ein wesentlicher Punkt ist, dass die hohen Spannungseinbrüche
an der Batterie sowie im gesamten Bordnetz während des
Startvorgangs stark reduziert werden können, wobei gleichzeitig
aber die Maximalleistung des Starters erhalten bleiben kann. Ggf.
kann mit einem derartigen Starter eine im Sinne der Leistung kleinere
Batterie verwendet werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102006047608
A1 [0004]