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Die
Erfindung betrifft einen Anlasser für eine Verbrennungskraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Steuerelektronik hierfür.
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Beim
Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine erfolgt der Anlaßvorgang üblicherweise überwacht
durch eine menschliche Person, d. h. der Operator erkennt ein Hochdrehen
der Verbrennungskraftmaschine und beendet den Startvorgang. Dies
hat zur Folge, daß der
Anlasser bis zu 1 sec. (unter Umständen auch länger) unnötig betrieben wird. Aus diesem
Grund muß der
Anlasser robuster ausgelegt sein als bei einer optimalen Führung des
Startvorganges notwendig. Zur Verkürzung des Startvorganges sind
daher verschiedene Vorschläge
bereits bekannt. Bei einer Ausführungsform
werden Spannungsschwankungen zwischen den Klemmen 50 und 30 (bei
Kraftfahrzeugen) erfaßt,
hieraus werden Rechteckimpulse geformt und gezählt, wobei das Abschalten nach
einer bestimmten vorgegebenen Anzahl von Impulsen erfolgt. In einer
anderen Ausführungsform
wird im Anlasser ein Sensor untergebracht, der die Drehzahl des
Anlassers erfaßt
und bei Erreichen einer bestimmten vorgegebenen hohen Drehzahl den
Anlaßvorgang
abbricht. Die erste Ausführungsform
hat eine verhältnismäßig hohe
Rate von Fehlerkennungen bzw. Störungen,
insbesondere bei höheren
Temperaturen, da keine bzw. zuviel Impulse entstehen können. Die
zweite Ausführungsform
ist durch den Einsatz eines Sensors verhältnismäßig teuer.
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Aus
der älteren
Anmeldung
DE 195 03
537 A1 ist ein Anlasser für eine Verbrennungskraftmaschine
mit einer Steuerelektronik bekannt, welche ein Einlassvorgang unter
Erfassung der Höhe
eines Anlasserstromes auswertet und bei Erkennen eines Starts der
Verbrennungskraftmaschine den Anlassvorgang dann unterbricht, wenn
die Steuerelektronik das Ausbleiben einer regelmäßigen Wiederkehr von Zu- und
Abnahmen des Anlasserstroms detektiert. Ferner ist aus der
DE 41 42 084 C1 eine
Steuerschaltung bekannt, bei der mittels eines frequenzgesteuerten
Schaltrelais ein Abschaltrelais für den Anlasser einer Brennkraftmaschine
derart angesteuert wird, dass oberhalb einer Mindestdrehzahl der
Starterstromkreis unterbrochen wird. Darüber hinaus ist aus der
DE 43 38 638 A1 bekannt,
eine neuerliche Betätigung
des Anlassers bei einem abgebrochenen Startvorgang dadurch zu erreichen,
dass ein Zeitverzögerungsglied
z.B. in Form einer Transistorschaltung den Anlasser während eines
festgelegten Zeitraums nach einer Betätigung blockiert.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen funktionssicheren Startvorgang
mittels einer zuverlässigen
und störunanfälligen Starterkennung mit
einfachen Mitteln zu realisieren.
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Bei
dem eingangs beschriebenen Anlasser (Elektromotor) wird die Aufgabe
gelöst
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und/oder 3.
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Erfindungsgemäß hat der
Anlasser eine Steuerelektronik, die einen Anlaßvorgang unter Erfassung des
Anlasserstromes auswertet, der zu Beginn des Anlaßvorganges
sehr hoch ist und mit Zunahme der Rotation der Verbrennungskraftmaschine abnimmt,
um anschließend
beim Hochdrehen der Verbrennungskraftmaschine auf den Leerlaufstrom des
Anlassers abzufallen. Die erfindungsgemäße Steuerelektronik macht sich
eine Besonderheit des Drehwiderstandes der Verbrennungskraftmaschine zu
Nutze, nämlich
die Schwankungen, die vom Komprimieren und Dekomprimieren der Verbrennungskraftmaschine
herrühren.
Der erfindungsgemäße Anlasser
ist somit geeignet für
Verbrennungskraftmaschinen, die beim Drehen einen schwankenden Drehmomentverlauf
(aufgenommenes Drehmoment) haben. Dieses ist insbesondere bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen
ausgeprägt.
Mit den Schwankungen des Drehwiderstandes der Brennkraftmaschine
muß auch
der Anlasser ein schwankendes Drehmoment abgeben. Hierdurch hat
der Anlasser eine entsprechende schwankende Stromaufnahme, die bei
einem Komprimiervorgang der Brennkraftmaschine etwas höher ist
als bei einem Dekomprimiervorgang. Mit dem Drehen der Brennkraftmaschine
hat man entsprechend im Stromverlauf des Anlassers periodische Schwankungen,
die wegfallen, sobald der Anlasser nicht mehr die Verbrennungskraftmaschine
dreht (Erreichen der Selbstlaufdrehzahl der Verbrennungskraftmaschine
bzw. Ausspuren des Anlassers aufgrund Hochdrehen der Verbrennungskraftmaschine).
Die Steuerelektronik erkennt nun dieses Ausbleiben der regelmäßigen Schwankungen
des Anlasserstroms, die von den unterschiedlichen Drehwiderständen der
Verbrennungskraftmaschine je nach Lage derer Kurbelwelle herrühren, und
bricht entsprechend den Anlaßvorgang
ab. Das Abbrechen des Anlaßvorgangs
kann hierbei noch eine kleine zeitliche Sicherheitszugabe beinhalten,
beispielsweise bis zu 0,3 sec., um sicherzustellen, daß der Startvorgang
beendet ist. Um sicherzustellen, daß Motor und Anlasser bei Beginn des
Anlaßvorganges
die Drehzahl 0 haben, wird vorteilhaft eine Funktionssperre in die
Steuerelektronik eingesetzt, die eine Startwiederholung erst nach
einer Wartezeit von ca. 0,5 bis 4 sec., insbesondere ca. 2 sec.
nach einem abgebrochenen Startvorgang oder nach einem Abstellen
der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.
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Stromkabel,
das den Anlassermotor mit dem Schalter für den Anlaßstrom (Magnetschalter), in Kraftfahrzeugen üblicherweise
Klemme 45, verbindet.
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Vorteilhaft
wird in der Steuerelektronik bei einer Startwiederholung, beispielsweise
innerhalb von 30 sec. und insbesondere innerhalb von 15 sec. auch eine
Funktionssperre einzelner oder aller der oben beschriebenen anlaßspezifischen
Schaltvorgängen abgelegt,
die diese Funktionen außer
Kraft setzt, so daß die
Anlaßdauer
entweder allein durch den Operator oder nur durch einzelne der oben
genannten Funktionen bestimmt wird. Vorteilhaft wird bei einem solchen
Wiederholstart zumindest die Funktion außer Kraft gesetzt, die bei
dem vorhergehenden Start zum Abschalten des Startvorganges geführt hat. Hierdurch
wird erreicht, daß eine
Fehlfunktion (zu frühes
Beenden des Anlaßvorganges
durch die Steuerelektronik) bei einem erneuten Anlaßvorgang
nicht wiederholt wird, so daß auch
bei einer Störung
der Erkennung des Motorstarts (Störung des Erkennens der Selbstlaufdrehzahl
des Verbrennungsmotors) bei einem erneuten Startversuch ein Start
möglich
ist.
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Mit
der Erfindung ist ein schneller und leiser Komfortstart und eine
Steigerung der Starterqualität (Langzeitfunktion)
möglich.
Vorzugsweise wird der Starter mit einer autonomen Steuerelektronik,
insbesondere mit einer Steuerelektronik, die an oder in dem Anlasser
selbst integriert ist, ausgerüstet.
Da erfindungsgemäß die wesentlichen Überwachungsparameter
direkt am Starter abgenommen werden können, ist hierdurch ein besonders
kostengünstiger Aufbau
möglich.
Der erfindungsgemäße Starter
ist prinzipiell für
alle Otto- und Dieselmotoren einsetzbar.
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Neben
der Starterkennung kann der Starter noch übliche Zusätze, wie ein kontrolliertes
Einspuren bzw. einen thermischen Überlastungsschutz haben. Aufgrund
der geringeren Belastung des erfindungsgemäßen Anlassers (Anlaßvorgänge werden durchschnittlich
mehrere zehntel Sekunden früher als
bei von einem Operator kontrollierten Anlaßvorgängen abgebrochen und der Anlasser
dreht weniger hoch (auf Leerlaufdrehzahl)) kann der Anlasser hinsichtlich
seiner Festigkeitsauslegung leichter (schwächer) als übliche Anlasser ausgelegt werden,
so daß auch
hier Gewichts- und Kostenvorteile entstehen.
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Da
die Steuerelektronik für
den Startvorgang als autonome Einheit, die beispielsweise nachgerüstet werden
kann und abwärtskompatibel
ist, ausgelegt ist, gehört
mit zur Erfindung eine Steuerelektronik, wie sie oben und im folgenden
beschrieben ist.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher beschrieben.
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Besonders
vorteilhaft kann auch eine Abnahme des Anlaßstroms erfaßt und der
Anlaßvorgang dann
beendet werden, wenn zusätzlich
zum Ausbleiben der periodischen Stromschwankungen auch eine Abnahme
des Anlaßstromes
vorliegt. Alternativ oder zusätzlich
kann auch der Wert des Anlaßstroms
erfaßt
werden und zusätzlich
zum Ausbleiben der periodischen Schwankungen des Starterstroms ein
Unterschreiten eines vorgegebenen Stromwertes und/oder ein Erreichen
eines tiefsten Stromwertes des vorliegenden Startervorgangs als
Kriterium für das
Ende des Startvorganges mit herangezogen werden. Die Ermittlung
des Anlasserstroms erfolgt vorteilhaft über ein Filter, das sehr kurze
Stromschwankungen filtert (glättet),
um ein sicheres Erkennen der drehmomentabhängigen Stromschwankungen bzw.
des Stromverlaufs (der Stromabnahme) zu gewährleisten.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann auch die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine erfaßt werden,
wobei das Abschalten erst erfolgt, wenn die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine
oberhalb eines vorgegebenen Wertes liegt, der insbesondere zwischen
200 und 800 U/min. gewählt
wird. Dieser Wert kann auch von anderen Variablen abhängig sein,
beispielsweise von der Temperatur der Brennkraftmaschine.
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Vorzugsweise
bleibt der Operator des Startvorgangs Herr über den Startvorgang selbst,
d. h. er kann jeder Zeit den Startvorgang abbrechen, auch während der
periodischen Schwankungen des Anlasserstroms.
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Alternativ
oder zusätzlich
zur Erfassung der Schwankungen des Anlaßstroms kann die Steuerelektronik
während
des Anlaßvorganges
eine zeitliche Ableitung des Anlaßstroms bzw. eine Abnahme des Anlaßstroms
erfassen und, sofern die Ableitung bzw. Abnahme unterhalb eines
vorgegebenen Wertes liegt und auch der Anlaßstrom selbst einen vorgegebenen
Wert unterschritten hat, den Anlaßvorgang abbrechen. Die Ableitung
bzw. Abnahme des Anlaßstroms
wird ebenfalls vorteilhaft über
ein Filter ermittelt, dessen Zeitkonstante vorzugsweise so lang
bemessen ist, daß auch
die Stromschwankungen auf Grund der Drehmomentschwankungen geglättet werden.
Hierdurch kann die Stromabnahme beim Anspringen des Motors sicher
von den kurzzeitigen Stromabnahmen bei einem Dekompressionsvorgang unterschieden
werden.
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Der
Anlasserstrom wird auf einfacher Weise durch Spannungsmessung an
einem Shunt erfaßt, der
im Stromkreis des Anlassers liegt (Arbeitsstromkreis). Als Shunt
eignet sich hier insbesondere ein Stromkabel des Anlassers selbst
und besonders vorteilhaft das kurze
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Es
zeigen
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1 einen
Anlasser, wie er in einem Kraftfahrzeug angeschlossen ist;
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2 eine
Strom-Drehzahl-Kurve des Anlassers; und
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3 eine
typische Starterkennlinie.
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In 3 sind
die allgemeinen Kennlinien eines Anlassermotors 2 (ein
Elektromotor) dargestellt, wobei die Kennlinien bis zum Stillstand
des Anlassermotors unter Last aufgezeichnet sind. Bei dem Anlassermotor 2 (Starter)
handelt es sich um eine 12 V, 1,8 kW Ausführung. Im gewöhnlichen
Starterbetrieb wird der Anlassermotor nur über ca. die linke Hälfte seines Kennlinienbereiches,
d. h. bis etwa 500 bis 700 A betrieben. Der übliche Arbeitsbereich 20 des
Starters liegt zwischen 300 und 500 A, der Leerlaufbereich 10 liegt
um 100 A. Dazwischen (ca. 150 A bis 300 A) liegt ein Bereich 30,
der bei einem Betrieb des Startermotors zwar durchschritten wird,
dies aber in einer verhältnismäßig kurzen
Zeit, die der Motor braucht, um auf die Leerlaufdrehzahl hochzudrehen.
Mit der Abhängigkeit
der Stromaufnahme zu dem dem Startermotor abverlangten Drehmoment
M und dem Bereich 30 stehen zwei Mittel zur Verfügung, den
Startvorgang einer Brennkraftmaschine sicher zu erkennen: mit dem
schwankenden Drehmoment beim Drehen der Verbrennungskraftmaschine
schwankt gleichermaßen
auch der Strom I und beim Übergang
des Startermotors von seinem Arbeitsbereich 20 in seinen
Leerlaufbereich 10 tritt in verhältnismäßig kurzer Zeit eine deutliche
Stromabnahme auf. Prinzipiell könnte
auch statt des Stromes die abnehmende Spannung U oder auch die abgegebene
Leistung P herangezogen werden, die abgegebene Leistung P läßt sich
jedoch meßtechnisch
nur aufwendig erfassen und bei der Verwendung der Spannung U hat
es sich gezeigt, daß durch
die Einflüsse
anderer Aggregate Spannungsänderungen,
insbesondere auch temperaturabhängig,
auftreten, die ein Erkennen des Anspringens der Brennkraftmaschine
verhindern oder vortäuschen
können.
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Ein
solcher Startermotor 2 mit einer zugehörigen Überwachungselektronik (Steuerelektronik) 3 und
einem Magnetschalter 4 bildet einen Anlasser 1 für eine (nicht
dargestellte) Verbrennungskraftmaschine, wie sie beispielsweise
in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt. Weiterhin sind in 1 noch
typische Elemente dargestellt, wie sie beim Betrieb des Anlassers 1 bzw.
der Brennkraftmaschine zum Einsatz kommen. Von einer Batterie 5 ist
eine Masseleitung 6 mit einem Generator 7 verbunden,
der beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine der üblichen Stromversorgung
(incl. Laden der Batterie 5) dient. Die Plusleitung der
Batterie ist mit einem Zündanlaßschloß 8 verbunden,
von dem eine Klemme 50 bei einer Betätigung des Zündanlaßschlosses 8 (+)
spannungsführend
ist. Die Klemme 50 ist mit einer Klemme 50a der Überwachungselektronik
verbunden, deren Schaltelement 9 beim Schließen des
Zündanlaßschlosses 8 von
der Klemme 50a auf Durchgang zu einer Klemme 50b geschaltet
ist. Die Klemme 50b versorgt den Magnetschalter 4 (ein
Relais) mit Spannung, so daß dieser
zwischen seinen Klemmen 30 und 45 auf Durchgang
schaltet. Von der Klemme 30, die fest mit der Plusleitung
der Batterie 5 verbunden ist, wird nun der Stromkreis über einen
Shunt 11 zu dem Startermotor 2 hin geschlossen,
so daß über die Masse
des Startermotors dieser mit der Batteriespannung verbunden ist
(abgesehen von Spannungsabfällen
in den Leitungen bzw. dem Shunt 11). Der Startermotor 2 gelangt
hierdurch in Eingriff mit der Brennkraftmaschine und dreht gemeinsam
mit dieser hoch, wobei, wie in 2 dargestellt, über die Zeit
t der durch den Startermotor 2 fließende Strom I abnimmt mit ansteigender
Drehzahl nM der Verbrennungskraftmaschine.
Durch Messen des Spannungsabfalls an dem Shunt 11, der
unmittelbar in Serie zu dem Startermotor 2 liegt, ist der Überwachungselektronik 3 der
Stromfluß durch
den Startermotor 2 bekannt. Dieser weist Schwankungen 12 auf,
die von unterschiedlichen Drehwiderständen (aufgenommenes Drehmoment)
der Verbrennungskraftmaschine, bedingt durch Kompression (hoher
Strom, hohes Moment) und anschließende Dekompression (niedriges Moment,
niedriger Strom), herrühren.
Gleichzeitig treten auch um 180° phasenverschoben
Schwankungen 13 in der Drehzahl des Verbrennungsmotors
auf, da dieser bei einem niedrigeren Drehwiderstand (Dekompression)
leichter hochdreht und dem Startermotor 2 weniger Leistung
(Moment) abverlangt. Beim Anspringen 14 der Verbrennungskraftmaschine
kuppelt der Startermotor 2 aus, so daß dieser in kurzer Zeit seine
Leerlaufdrehzahl und seinen Leerlaufstrom 10 erreicht.
Auch dieses erkennt die Überwachungselektronik 3 durch
Abgriff des Spannungsabfalls am Shunt 11 und wertet den
Wegfall der periodischen Schwankungen 12 zusammen mit dem
Stromabfall bei 14 (bzw. dem hier vorliegenden niedrigen Stromwert)
als Anspringen der Verbrennungskraftmaschine aus und unterbricht über das
Schaltelement 9 den Stromfluß zwischen den Klemmen 50a und 50b,
so daß auch
bei geschlossenem Zündanlaßschloß 8 der
Magnetschalter 4 entregt und der Stromfluß zwischen
den Klemmen 30 und 45 unterbrochen wird. Hierdurch
wird der Startermotor 2 bereits wenige Millisekunden nach
dem Anspringen der Verbrennungskraftmaschine abgeschaltet.