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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Unterbrechung des Startvorgangs bei Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
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Verbrennungsmotoren werden immer häufiger mit elektronischen Motorsteuerungen ausgestattet, die inzwischen auch bei kleinen und kleinsten Verbrennungsmotoren zunehmend den Vergaser verdrängen. Derartige Verbrennungsmotoren umfassen in der Regel eine Motorsteuerung, die neben der elektronischen Einspritzung z. B. auch die Zündspule und die Benzinpumpe des Fahrzeugs ansteuert. Weiterhin sind derartige Verbrennungsmotoren mit einem E-Starter und einem Kick-Starter ausgestattet, mit denen der Motor gestartet werden kann.
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Bei sehr kalten Temperaturen oder im Falle einer teilentladenen Batterie kann es vorkommen, dass der E-Starter sehr lange oder öfter betätigt werden muss, um den Verbrennungsmotor zu starten. Dabei kann die Fahrzeugbatterie so weit entladen werden, dass selbst ein manuelles Anlassen des Verbrennungsmotors mittels Kick-Starter nicht mehr möglich ist, da nicht mehr ausreichend Energie zur Versorgung der Motorsteuerung zur Verfügung steht. Trotz Kick-Starter ist es in einem solchen Fall nicht mehr möglich, den Verbrennungsmotor in Gang zu bringen.
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Aus der
DE 697 20 360 T2 ist ein Verfahren zum Steuern des Abschaltens eines Fahrzeuganlassers bekannt, bei dem die Versorgungsspannung des Starters gemessen und die Stromversorgung des Starters unterbrochen wird, wenn diese Spannung einen Grenzwert erreicht.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Startfähigkeit eines Verbrennungsmotors mit E-Starter und Kick-Starter in jedem Fall sicherzustellen und zumindest einen Start mittels Kick-Starter zu ermöglichen.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 9 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, den Batteriezustand (z. B. durch Auswertung der Batteriespannung) zu überwachen und den elektrischen Startvorgang zu unterbrechen, bevor die Spannung an der Batterie soweit abgefallen ist, dass ein Startvorgang selbst mit Kick-Starter nicht mehr möglich ist. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß eine Unterbrecherschaltung vorgesehen (vorzugsweise im Steuergerät integriert), die den E-Starter automatisch ausschaltet, wenn der Batteriezustand eine vorgegebene Ausschaltbedingung erfüllt. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass die Batterie nicht zu weit entladen werden kann und in jedem Fall sichergestellt ist, dass der Verbrennungsmotor zumindest noch mittels Kick-Starter gestartet werden kann.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung erzeugt die Unterbrecherschaltung ein Ausschaltsignal, wenn die Netzspannung einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ermittelt ein geeigneter Algorithmus in der Software des Steuergerätes mehrere Minima der Netzspannung und berechnet daraus den Gradienten der Minima. Aus dem Verlauf dieser Geraden (und Berücksichtigung eines aktuellen Spannungswerts) kann erkannt werden, wann die Bordnetzspannung einen kritischen Spannungswert unterschreiten wird. Der Startvorgang mit E-Starter kann somit rechtzeitig vorher unterbrochen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Unterbrecherschaltung ein Verzögerungsglied, das das Ausschalten des E-Starters nach dem Eintritt der Ausschaltbedingung zeitlich verzögert. Die Verzögerung hat folgenden Grund: In der Anfangs- bzw. Hochlaufphase des E-Starters wird die Batterie in der Regel stärker belastet, als in einer späteren Phase, in der sich der E-Starter mit nahezu konstanter Drehzahl dreht. Dadurch kommt es in der Hochlaufphase zu einem relativ starken Unterschwingen der Netzspannung, wobei die Netzspannung einen kritischen Wert unterschreiten kann. In der folgenden Phase erholt sich die Netzspannung aber meist wieder, wobei die kritische Netzspannung wieder überschritten wird. Mittels des Verzögerungsglieds kann verhindert werden, dass der Startvorgang des E-Starters bereits in der Hochlaufphase durch den kurzzeitigen Reset des Steuergerätes unterbrochen wird, wenn die Netzspannung kurzfristig unter den kritischen Spannungswert sinkt.
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Das Verzögerungsglied umfasst vorzugsweise einen Kondensator und kann z. B. als RC-Glied realisiert sein.
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Die Unterbrecherschaltung umfasst vorzugsweise ein Steuergerät und ein Steuerrelais, mit dem z. B. ein Starterrelais des E-Starters angesteuert wird.
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Der Batteriezustand kann dem Fahrer z. B. optisch oder akustisch mitgeteilt und der Fahrer gegebenenfalls dazu aufgefordert werden, das Fahrzeug mittels Kick-Starter zu starten.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1: den Verlauf der Batteriespannung während eines Startvorgangs bei unterschiedlichen Ladezuständen der Batterie;
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2: eine schematische Blockdarstellung eines Verbrennungsmotors mit Motorsteuerung;
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3: ein Ausführungsbeispiel einer Unterbrecherschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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4: ein Ausführungsbeispiel einer Unterbrecherschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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5: ein Ausführungsbeispiel einer Verzögerungsschaltung;
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6: den Verlauf der Batteriespannung bei Startunterbrechung bei Vorliegen einer ersten Ausschaltbedingung; und
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7: den Verlauf der Batteriespannung bei Startunterbrechung bei Vorliegen einer zweiten Ausschaltbedingung.
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1 zeigt den Verlauf der Batteriespannung UBat bei einem elektrischen Start für unterschiedliche Ladezustände der Batterie. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 1 den Verlauf der Batteriespannung UBat bei voll aufgeladener Batterie 15, das Bezugszeichen 2 den Verlauf der Batteriespannung UBat bei teilentladener Batterie und das Bezugszeichen 3, den Verlauf der Batteriespannung UBat bei nahezu vollständig entladener Batterie.
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In der Hochlaufphase A zeigt die Batteriespannung UBat einen relativ ausgeprägten Unterschwinger, der dadurch entsteht, dass zunächst auf Grund des Trägheitsmoments des Verbrennungsmotors ein hohes Losbrechmoment durch den E-Starters 9 erforderlich ist. In der zweiten Phase B dreht dann der E-Starter mit nahezu konstanter Drehzahl. Die Minima 20 der Batteriespannung UBat entstehen durch die einzelnen Kompressionsphasen der Zylinder des Verbrennungsmotors 4, in denen ebenfalls ein höheres Drehmoment vom E-Starter gefordert wird.
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Bei voll aufgeladener Batterie (Kurve 1) bewegt sich die Batteriespannung UBat immer überhalb einer kritischen Mindestspannung URes, und der Verbrennungsmotor 4 startet nach wenigen Umdrehungen.
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Bei teilentladener Batterie (Kurve 2) unterschreitet die Batteriespannung UBat in der Hochlaufphase A die Schwelle URes (z. B. 5,5 V). Dadurch fällt das Steuergerät der Motorsteuerung kurzfristig aus. Nach dem Überschreiten der Schwelle URes initialisiert sich das Steuergerät 5 dann wieder während einer Initialisierungsphase tini. Danach steht noch ausreichend Energie zur Verfügung, um den Startvorgang fortzusetzen und den Verbrennungsmotor 4 zu starten.
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Bei nahezu vollständig entladener Batterie (Kurve 3) wird die Schwelle URes immer nur kurzfristig überschritten. Ein Startvorgang ist in diesem Fall nicht mehr möglich.
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Wird der Startvorgang bei schwacher Batterie 15 zu lange fortgesetzt oder zu oft wiederholt, kann ein Startvorgang selbst mit Kick-Starter nicht erfolgreich sein, da nicht mehr ausreichend Energie in der Batterie zur Verfügung steht, um die elektronische Motorsteuerung 5 und die Komponenten zu versorgen.
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2 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines Verbrennungsmotors 4 mit Motorsteuerung. Die Motorsteuerung umfasst ein Steuergerät 5, das ein Einspritzventil 7, eine Benzinpumpe 11 und eine Zündspule 6 ansteuert. Derartige Motorsteuerungen sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Der Verbrennungsmotor 4 umfasst ferner verschiedene Sensoren 8, wie z. B. Drehzahl- und Temperatursensoren, sowie einen E-Starter 9. Die einzelnen Elemente 5–9 werden von der Batterie 15 mit elektrischer Energie versorgt.
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3 zeigt eine Unterbrecherschaltung 10, die das Steuergerät 5 mit einer Schaltstufe 11 und eine in der Peripherie des Steuergeräts 5 integrierte elektrische Schaltung (Relais 12) umfasst. Die Unterbrecherschaltung 10 dient dazu, den E-Starter 9 rechtzeitig abzuschalten, bevor die Batterie 15 vollständig entladen ist.
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Das Steuergerät (5) tastet hierzu die Batteriespannung UBat ab, wertet mittels eines geeigneten Algorithmus die Batteriespannung aus und erzeugt bei einer vorgegebenen Ausschaltbedingung ein Ausschaltsignal an der Schaltstufe 11 am Ausgang out. Im vorliegenden Beispiel wird der Startvorgang abgebrochen, wenn die Netzspannung UBat einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet. Andere Ausschaltkriterien sind gleichfalls definierbar.
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Die Unterbrecherschaltung 10 umfasst ein Steuerrelais 12, das an der Klemme 15 (geschaltete Batteriespannung UBat) und der Klemme 50 (Zündschloss auf Stellung „Starten” 13) angeschlossen und mit dem Starterrelais 14 des Starters 9 verbunden ist. Wenn die vorgegebene Ausschaltbedingung erfüllt ist, unterbricht das Steuerrelais 12 den Strompfad zum Starterrelais 14 und somit den Startvorgang. Der Motor lässt sich somit nicht mehr über die Zündschlossstellung „Starten” 13 starten.
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Ein Nachteil dieser Unterbrecherschaltung 10 besteht darin, dass der Startvorgang unterbrochen wird, wenn die Netzspannung auch nur kurzfristig unter den Schwellenwert fällt. Gerade bei teilentladener Batterie 15 (siehe Kurve 2 von 1) treten Unterschwinger auf, die zum Unterbrechen des Startvorgangs führen würden, obwohl die Energie in der Batterie 15 nach dem kurzen Spannungsunterschwinger noch ausreichen würde, um den Motor zu starten. Eine Unterbrechung des Startvorgangs ist in diesem Fall nicht erwünscht. Eine Unterbrecherschaltung 10, die diesem Aspekt Rechnung trägt, ist in 4 dargestellt.
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4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Unterbrecherschaltung 10, die neben den bereits aus 3 bekannten Elementen eine an der Schaltstufe 11 des Steuergeräts 5 angeschlossene Verzögerungsschaltung 16, sowie einen Schalter 17 (z. B. Transistorschalter) umfasst, der zwischen dem Steuerrelais 12 und Masse angeschlossen ist. Die Verzögerungsschaltung 16 dient dazu, den nachgeordneten Schalter 17 während kurzfristiger Unterschwinger geschlossen zu halten, so dass der Startvorgang insbesondere während der Hochlaufphase A nicht unterbrochen wird. Die Verzögerungszeit Δt ist derart einzustellen, dass der Startvorgang bei kurzfristigem Unterschreiten des Schwellenwerts nicht unterbrochen wird, aber bei längeren Spannungseinbrüchen rechtzeitig unterbrochen wird.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Verzögerungsschaltung 16, die hier als RC-Glied realisiert ist. Die Verzögerungsschaltung umfasst einen Wiederstand R und einen gegen Masse geschalteten Kondensator C. Das RC-Glied ist mit der Basis eines Bipolar-Transistors 17 verbunden, der wiederum am Steuerrelais 12 angeschlossen ist. Fällt die Batteriespannung UBat unter den Schwellenwert, schaltet das Signal out der Schaltstufe 11 auf low, der Transistor 17 bleibt aber noch eine Zeit lang eingeschaltet. Erst wenn die Verzögerungszeit des RC-Glieds 16 überschritten ist, schaltet der Transistor 17 in den hochohmigen Zustand und unterbricht den Startvorgang.
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6 zeigt den Verlauf 18 der Batteriespannung UBat bei teilweise entladener Batterie 15. Etwa bei Erreichen des zweiten Minimums 20 unterschreitet die Batteriespannung UBat einen vorgegebenen Schwellenwert SW, so dass das Steuergerät 5 ein Ausschaltsignal erzeugt. Nach einer Verzögerungszeit wird der Startvorgang unterbrochen. Das Bezugszeichen 19 bezeichnet den Verlauf der Batteriespannung UBat ohne Startunterbrechung. Der untere Teil der 6 zeigt das Schaltsignal am Transistor 17 und ein Signal Bat, mit dem der Fahrer auf den niedrigen Batterie-Ladezustand hingewiesen wird. Der Fahrer kann in diesem Fall den Kick-Starter benutzen, um den Motor zu starten.
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7 zeigt den gleichen Spannungsverlauf der Batterie UBat wie 6. In diesem Fall ist das Steuergerät 5 jedoch derart eingerichtet, dass aus wenigstens zwei Minima 20 ein Gradient 21 gebildet wird. Dadurch kann im Voraus abgeschätzt werden, wann die Batteriespannung die kritische Grenze URes erreichen würde. Der Startvorgang kann somit rechtzeitig unterbrochen werden.
