DE10007959A1

DE10007959A1 - Starter

Info

Publication number: DE10007959A1
Application number: DE10007959A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Koelle; Peter Ahner; Manfred Ackermann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2001-08-30
Also published as: EP1173675A1; AU3919401A; EP1173675B1; DE10190619D2; ZA200108572B; MXPA01010690A; BR0104574A; DE50101115D1; WO2001063123A1; JP2003524114A; US20020123408A1; CN1363016A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Starter (S) für einen Verbrennungsmotor (VM), wobei der Starter (S) ein Getriebe (GT) aufweist. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß das Getriebe (GT) zumindest eine erste Getriebeübersetzung (i¶1¶) und eine zweite Getriebeübersetzung (i¶2¶) aufweist, die niedriger als die erste Getriebeübersetzung (i¶1¶) ist, daß zumindest während einer ersten Startphase eines Startvorgangs die erste Getriebeübersetzung (i¶1¶) verwendet wird und daß, zumindest ab der Überschreitung einer vorgegebenen Umgebungstemperatur, während einer zeitlich hinter der ersten Startphase liegenden zweiten Startphase die zweite Getriebeübersetzung (i¶2¶) verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Starters einer Brennkraftma schine, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Starter der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Das Getrie be derartiger Starter kann beispielsweise durch ein Ein spurgetriebe gebildet sein, das die Schubbewegungen des Einrückrelais und die Drehbewegung des elektrischen Star termotors in geeigneter Weise auf das Ritzel überträgt.

Die zum Starten von Verbrennungsmotoren eingesetzten Elektromotoren sind Gleich-, Wechsel- oder Drehstrommoto ren. Besonders als Startermotor geeignet ist der Gleich strom-Reihenschlußmotor, da er das erforderliche hohe An fangsdrehmoment zur Überwindung der Andrehwiderstände und zur Beschleunigung der Triebwerksmassen entwickelt.

Überwiegend wird das Drehmoment des Starters über ein Ritzel und einen Zahnkranz auf das Schwungrad an der Kur belwelle des Verbrennungsmotors übertragen. In vereinzel ten Fällen werden aber auch Keilriemen, Zahnriemen, Ket ten, Getriebe oder die Direktübertragung auf die Kurbel welle gewählt. Der Ritzelstarter kann wegen der großen Übersetzung zwischen Starterritzel und Zahnkranz der Motorschwungscheibe derart ausgelegt werden, daß das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen hoch ist.

Unabhängig vom speziell eingesetzten Startertyp ist der Abgasemissionswert beim Startvorgang vergleichsweise hoch, da der Verbrennungsablauf unterhalb der Leerlauf drehzahl des Verbrennungsmotors nicht optimal ist.

Zur Lösung dieses Problems ist es bereits bekannt, den Verbrennungsmotor beim Startvorgang bis auf eine Drehzahl hochzuschleppen, die nahe bei der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors liegt. Die hierzu notwendigen Startmo mente und Drehzahlen können nur durch eine hohe Startlei stung erreicht werden, da die Kennlinie sowohl hohe Startmomente beim Beginn des Startvorgangs als auch hohe Drehzahlen zur Unterstützung des Hochlaufs überdecken muß. Um diese Startmomente und Drehzahlen zur Verfügung zu stellen wurde bereits vorgeschlagen, zwei konventio nelle Starter, einen mit und einen ohne Vorgelege, derart zu überlagern, daß sowohl die hohen Drehmomente als auch die hohen Drehzahlen abgedeckt werden. Nachteilig ist hierbei der hohe Hardwareaufwand von zwei Startern und ein zusätzlicher Steuerungsaufwand, um die Überlagerung der beiden Kurzschlußströme im Bordnetz zu vermeiden.

Vorteile der Erfindung

Dadurch, daß das Getriebe zumindest eine erste Getriebe übersetzung und eine zweite Getriebeübersetzung aufweist, die niedriger als die erste Getriebeübersetzung ist, daß zumindest während einer ersten Startphase eines Startvor gangs die erste Getriebeübersetzung verwendet wird, und daß, zumindest ab der Überschreitung einer vorgegebenen Umgebungstemperatur, während einer zeitlich hinter der ersten Startphase liegenden zweiten Startphase die zweite Getriebeübersetzung verwendet wird, ist es möglich, den Verbrennungsmotor mit einem einzigen Starter auf eine Drehzahl hochzuschleppen, die nahe der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors liegt, bevor Kraftstoff in die Zy linder eingespritzt und gezündet wird.

Da somit praktisch keine Verbrennung unterhalb der Leer laufdrehzahl stattfindet, ermöglicht der erfindungsgemäße Starter eine deutliche Verringerung des beim Startvorgang auftretenden Abgasemissionswertes, mit einem im Vergleich zu Lösungen mit zwei Startern geringen Aufwand.

Bei extrem tiefen, unterhalb der vorgegebenen Umgebung stemperatur liegenden Umgebungstemperaturen von bei spielsweise weniger als -10°C kann es allerdings vorteil haft sein, den Starter nur mit der ersten Getriebeüber setzung zu betreiben, da dann insgesamt deutlich höhere Antriebsmomente erforderlich sind.

Nachfolgend wird jedoch der Fall angenommen, daß die vor gegebene Umgebungstemperatur überschritten wird, d. h. daß die zweite Getriebeübersetzung zum Einsatz kommt.

Die erfindungsgemäße Lösung mit Umschaltung der Überset zung während des Startvorgangs kommt mit einer deutlich reduzierten Startleistung aus, da die Leistung durch die Übersetzungsänderung im Verlauf des Startvorgangs ange paßt wird.

Vorzugsweise beginnt die erste Startphase mit dem Anfang des Startvorgangs. In diesem Fall werden die ersten Kom pressionshübe aufgrund der hohen Anfangsübersetzung mit einer guten Beschleunigung und mit einem hohen Drehmoment durchfahren. Dadurch kann das beim Beginn des Startvor gangs höhere Lastmoment, das unter anderem durch die Gas federmomente und zusätzliche Verlustmomente des Verbren nungsmotors erzeugt wird, überwunden werden, wobei durch die höheren Trägheitsmomente ein zusätzlicher Glättungs effekt entsteht.

Wenn sich die zweite Startphase mit der niedrigeren Über setzung direkt an die erste Startphase anschließt wird beim Umschalten auf diese niedrigere Übersetzung, auf grund der dann verkleinerten Gesamtträgheit, eine zügige Weiterbeschleunigung der Kurbelwelle auf die entsprechend der reduzierten Übersetzung erhöhte stationäre Kurbelwel lendrehzahl erreicht.

Beim Umschalten auf die niedrigere Übersetzung ergibt sich durch das Abbremsen der Starterdrehmasse zunächst ein Drehmomentschub. Aufgrund der dann verkleinerten Ge samtträgheit erfolgt anschließend die erwähnte zügige Weiterbeschleunigung der Kurbelwelle auf die entsprechend der reduzierten Übersetzung erhöhte stationäre Kurbelwel lendrehzahl.

Insgesamt wird auf diese Weise die volle Hochlaufunter stützung erreicht. Das auf die Kurbelwelle übertragene Antriebsmoment kann, je nach Auslegung der Getriebeüber setzungen, bei höheren Drehzahlen im Vergleich zu her kömmlichen Startern beispielsweise mehr als verdoppelt werden. Gegenüber dem Antrieb mit der niedrigeren Getrie beübersetzung sind die Drehzahleinbrüche in der Kompres sionsphase erheblich verkleinert. Der erfindungsgemäße Starter kann dadurch in einem großen Starttemperaturbe reich eingesetzt werden, und innerhalb des häufig auftre tenden Starttemperaturbereichs wird eine deutlich höhere Startdynamik erreicht.

Der Wechsel von der ersten Getriebeübersetzung zu der zweiten Getriebeübersetzung erfolgt vorzugsweise gesteu ert oder geregelt.

In diesem Zusammenhang ist es denkbar, daß der Wechsel von der ersten Getriebeübersetzung zu der zweiten Getrie beübersetzung, in Abhängigkeit von speziellen Eigenschaf ten des Verbrennungsmotors, zeitgesteuert erfolgt.

Weiterhin kann der Wechsel von der ersten Getriebeüber setzung zu der zweiten Getriebeübersetzung drehzahlabhän gig erfolgen.

In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn der Wechsel von der ersten Getriebeübersetzung zu der zweiten Getriebeübersetzung bei der Drehzahl erfolgt, bei der die Drehmomente an der Kurbelwelle für die erste Getriebe übersetzung und die zweite Getriebeübersetzung zumindest annähernd gleich groß sind.

Der Wechsel von der ersten Getriebeübersetzung zu der zweiten Getriebeübersetzung kann auch dann erfolgen, wenn das am Getriebe übertragene Drehmoment negativ wird, d. h. wenn am Getriebe ein Antriebsdrehmoment vom Verbrennungsmotor auf den Starter übertragen wird. In diesem Fall würde es sich um eine Selbststeuerung handeln.

Der Wechsel von der ersten Getriebeübersetzung zu der zweiten Getriebeübersetzung kann beispielsweise durch ein Planetengetriebe erfolgen. In diesem Fall kann der Ein trieb des Planetengetriebes am Sonnenrad und der Abtrieb am Planetenträger liegen. Das Hohlrad des Planetengetrie bes kann bei der ersten Getriebeübersetzung fixiert und bei der zweiten Getriebeübersetzung über eine Kupplung mit der Sonnenradseite verbunden sein. Eine Kupplung zwi schen Hohlrad und Planetenträger oder zwischen Planeten träger und Sonnenrad ist zur Darstellung der zweiten Ge triebeübersetzung ebenfalls denkbar.

Weiterhin kann der erfindungsgemäße Starter in Form eines Startergenerators vorliegen, der während des Betriebs des Verbrennungsmotors mit der Kurbelwelle verbunden bleibt und Energie in das Bordnetz einspeist.

Für den Fall, daß der Startvorgang abgebrochen wird bevor der Verbrennungsmotor gestartet wurde kann vorgesehen sein, daß automatisch auf die erste Getriebeübersetzung umgeschaltet wird, sofern diese zum Zeitpunkt des Ab bruchs des Startvorgangs nicht ohnehin schon verwendet wird.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Ein schematisches Blockschaltbild einer Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 Den Verlauf des auf die Kurbelwelle übertrage nen Drehmoments, der Kurbelwellendrehzahl und der Leistung, in einem Fall, in dem die erste Getriebeübersetzung gleich neun und die zweite Getriebeübersetzung gleich drei ist.

Fig. 3 Die bei einem Startvorgang auftretenden Dreh zahlverläufe in Abhängigkeit von der Zeit, bei einer ausschließlichen Verwendung einer ersten Getriebeübersetzung, die gleich neun ist, bei einer ausschließlichen Verwendung einer zweiten Getriebeübersetzung, die gleich drei ist, und bei einem erfindungsgemäßen Wechsel von der ge nannten ersten zu der genannten zweiten Getrie beübersetzung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Blockschalt bild eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfin dung ist der Starter mit S und das zugehörige Getriebe mit GT bezeichnet. Die Abtriebswelle des Starterelektro motors ist kraftschlüssig mit dem Getriebe GT verbindbar, welches seinerseits kraftschlüssig mit dem Verbrennungs motor VM verbindbar ist, beispielsweise durch einen Ein rückgetriebeteil des Getriebes GT.

Das Getriebe DT weist einen Steuereingang ST auf, an den ein Steuersignal angelegt werden kann, das einen Wechsel von der ersten Getriebestufe i₁ zu der zweiten Getriebe stufe i₂, und umgekehrt, auslösen kann, wobei es selbst verständlich ebenfalls denkbar ist, daß mehr als nur zwei Getriebestufen vorgesehen sind.

Der Starter S weist nur eine einzige elektrische Maschine auf, und der Wechsel von der ersten Getriebeübersetzung i₁ zu der zweiten Getriebeübersetzung i₂ kann, wie oben erwähnt, zeitgesteuert und/oder drehzahlabhängig oder auf irgend eine andere Weise geeignet gesteuert oder geregelt erfolgen.

Obwohl dann gegenüber bekannten Startern kein verbesser tes Abgasverhalten erzielt wird, ist es denkbar, daß un terhalb einer vorgegebenen Umgebungstemperatur nur die erste Getriebeübersetzung i₁ verwendet wird, um das bei extrem niedrigen Umgebungstemperaturen erforderliche hohe Antriebsdrehmoment zu erzeugen. In diesem Fall würde das an den Steuereingang ST angelegte Steuersignal zusätzlich von der Umgebungstemperatur abhängen.

Die Betriebsart mit der Verwendung von nur einer Getrie beübersetzung stellt jedoch lediglich einen Sonderfall dar, der von der vorliegenden Erfindung mit umfaßt werden soll.

Die höhere erste Getriebeübersetzung i₁ ist vorzugsweise bezüglich der Kaltstartgrenztemperatur optimiert. Die niedrigere zweite Getriebeübersetzung i₂ ist vorzugsweise auf die Generatorübersetzung bei höheren Kurbelwellendrehzahlen und auf die Hochlaufunterstützung beim Start beziehungsweise auf das Hochschleppen auf eine Drehzahl optimiert, die im Bereich der Leerlaufdrehzahl des Ver brennungsmotors VM liegt. Die Optimierung erfolgt dabei vorzugsweise für einen Umgebungstemperaturbereich, der oberhalb von 20°C liegt.

In Fig. 2 ist der das Drehmoment der Kurbelwelle in Nm auf der linken vertikalen Achse 11 aufgetragen, die Lei stung in W ist auf der rechten vertikalen Achse 12 aufge tragen, und die Drehzahl der Kurbelwelle in 1/min ist auf der horizontalen Achse 10 aufgetragen.

Fig. 2 zeigt den Verlauf des auf die Kurbelwelle über tragenen Drehmoments, der Kurbelwellendrehzahl und der Leistung, in einem Fall, in dem die erste Getriebeüber setzung i₁ = 9 und die zweite Getriebeübersetzung i₂ = 3 ist.

In dem in Fig. 2 dargestellten Fall erfolgt der Wechsel von der ersten Getriebeübersetzung i₁ zu der zweiten Ge triebeübersetzung i₂ drehzahlabhängig bei der Drehzahl, bei der das mit der ersten Getriebeübersetzung i₁ erziel te Drehmoment gleich dem bei dieser Kurbelwellendrehzahl mit der zweiten Getriebeübersetzung i₂ erzielten Drehmo ment ist, beziehungsweise von diesem überschritten wird.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Fall erfolgt der Wechsel von der ersten Getriebeübersetzung i₁ = 9 zu der zweiten Getriebeübersetzung i₂ = 3 bei einer Kurbelwellendrehzahl von etwa 215 Umdrehungen pro Minute.

An der ebenfalls in Fig. 2 dargestellten Leistungskenn linien Pi₁ und Pi₂ ist ablesbar, daß die Leistung in ei nem Drehzahlbreich zwischen 200 und 500 Umdrehungen pro Minute in etwa verdoppelt wird.

In Fig. 3 ist die Drehzahl in 1/min auf der vertikalen Achse 13 aufgetragen, und die Zeit in sec ist auf der ho rizontalen Achse 14 aufgetragen.

Fig. 3 zeigt die bei einem Startvorgang auftretenden Drehzahlverläufe in Abhängigkeit von der Zeit, bei einer ausschließlichen Verwendung einer ersten Getriebeüberset zung i₁ = 9, bei einer ausschließlichen Verwendung einer zweiten Getriebeübersetzung i₂ = 3, und bei einem erfin dungsgemäßen Wechsel von der genannten ersten zu der ge nannten zweiten Getriebeübersetzung i = 9/3.

Die in Fig. 2 dargestellten Kurvenverläufe gelten für den Startvorgang eines V6-Verbrennungsmotors, d. h. für einen Verbrennungsmotor VM der sechs Zylinder aufweist, von denen jeweils drei in einer Reihe liegen, wobei die beiden Reihen V-förmig zueinander angeordnet sind. Wei terhin gelten die in Fig. 2 dargestellten Kurven für ei ne Umgebungstemperatur von 20°C.

Dem Kurvenverlauf ist zu entnehmen, daß im Falle der aus schließlichen Verwendung der ersten Getriebeübersetzung i₁ = 9 für die gewählten Startbedingungen nur eine mittlere Dynamik und eine begrenzte stationäre Drehzahl von unge fähr 280 Umdrehungen pro Minute erreicht wird.

Im Gegensatz hierzu wird im Falle der ausschließlichen Verwendung der zweiten Getriebeübersetzung von i₂ = 3 eine hohe stationäre Drehzahl von ungefähr 400 Umdrehungen pro Minute erreicht. Bei dieser Getriebeübersetzung i₂ wird allerdings nur eine mäßige Anfangsbeschleunigung erzielt.

Weiterhin wird der Startvorgang im Bereich der ersten Verdichtung sehr unsicher, die in der Darstellung bei un gefähr 0,18 Sekunden erfolgt, da die Drehzahl zu diesem Zeitpunkt nur noch ungefähr 60 Umdrehungen pro Minute be trägt. Ein Verbrennungsmotor VM mit einem etwas höheren Schleppmoment wäre unter diesen Umständen bereits nicht mehr, oder zumindest nicht mehr sicher startbar.

Die mit i = 9/3 bezeichnete Kurve zeigt den Startvorgang mit dem erfindungsgemäßen Starter.

Es ist zu erkennen daß durch den Wechsel von der während der ersten Startphase verwendeten ersten Gerriebeüber setzung i₁ = 9 zu der während der zweiten Startphase ver wendeten zweiten Getriebeübersetzung i₂ = 3 insgesamt die höchste Startdynamik erreicht wird. Sowohl das Anfangs drehmoment als auch die stationäre Drehzahl sind jeweils optimal.

Obwohl die Erfindung vorstehend anhand eines Ausführungs beispiels beschrieben wurde, bei dem das Getriebe zwei Getriebeübersetzungen aufweist, ist die Erfindung keines falls auf diese Anzahl von Getriebeübersetzungen be schränkt. Je nach Ausgestaltung des Verbrennungsmotors VM können auch mehr als zwei Getriebeübersetzungen einge setzt werden.

Der Wechsel zwischen den Getriebeübersetzungen kann von weiteren Umgebungsbedingungen oder Motorparametern derart abhängig gemacht werden, daß nicht in jedem Fall alle vorhandenen Getriebeübersetzungen verwendet werden.

Insbesondere dann, wenn der Starter S ein Startergenera tor ist, kann für den Generatorbetrieb eine eigene Ge triebeübersetzung vorgesehen sein.

Claims

1. Starter (S) für einen Verbrennungsmotor (VM), wobei der Starter (S) ein Getriebe (GT) aufweist, dadurch ge kennzeichnet, daß das Getriebe (GT) zumindest eine erste Getriebeübersetzung (i₁) und eine zweite Getriebeüberset zung (i₂) aufweist, die niedriger als die erste Getriebe übersetzung (i₁) ist, daß zumindest während einer ersten Startphase eines Startvorgangs die erste Getriebeüberset zung (i₁) verwendet wird, und daß, zumindest ab der Über schreitung einer vorgegebenen Umgebungstemperatur, wäh rend einer zeitlich hinter der ersten Startphase liegen den zweiten Startphase die zweite Getriebeübersetzung (i₂) verwendet wird.

2. Starter (S) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Startphase mit dem Anfang des Startvorgangs beginnt.

3. Starter (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zweite Startphase an die erste Startphase anschließt.

4. Starter (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel von der ersten Getriebeübersetzung (i₁) zu der zweiten Getriebeüberset zung (i₂) gesteuert oder geregelt erfolgt.

5. Starter (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel von der ersten Getriebeübersetzung (i₁) zu der zweiten Getriebeüberset zung (i₂) zeitgesteuert erfolgt.

6. Starter (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel von der ersten Getriebeübersetzung (i₁) zu der zweiten Getriebeüberset zung (i₂) drehzahlabhängig erfolgt.

7. Starter (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel von der ersten Getriebeübersetzung (i₁) zu der zweiten Getriebeüberset zung (i₂) bei der Drehzahl erfolgt, bei der die Drehmo mente an der Kurbelwelle für die erste Getriebeüberset zung (i₁) und die zweite Getriebeübersetzung (i₂) zumin dest annähernd gleich groß sind.

8. Starter (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel von der ersten Getriebeübersetzung (i₁) zu der zweiten Getriebeüberset zung (i₂) dann erfolgt, wenn das am Getriebe (GT) über tragene Drehmoment negativ wird.

9. Starter (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel von der ersten Getriebeübersetzung (i₁) zu der zweiten Getriebeüberset zung (i₂) über ein Planetengetriebe erfolgt.

10. Starter (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrieb des Planetengetriebes am Sonnenrad und der Abtrieb am Planetenträger liegt.

11. Starter (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlrad des Planetenge triebes bei der ersten Getriebeübersetzung (i₁) fixiert ist, und daß das Hohlrad des Planetengetriebes bei der zweiten Getriebeübersetzung (i₂) über eine Kupplung mit der Sonnenradseite verbunden ist.

12. Starrer (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen Startergene rator handelt.

13. Starter (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Abbruch des Start vorgangs automatisch auf die erste Getriebeübersetzung (i₁) umgeschaltet wird, sofern diese zum Abbruchzeitpunkt nicht ohnehin schon verwendet wird.