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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Steuerschaltung nach der Gattung
des Hauptanspruchs.
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Derartige Steuerschaltungen sind in Brennkraftmaschinenanlagen und
insbesondere in Kraftfahrzeugen üblich, da Brennkraftmaschinen nicht selbst anlaufen
und daher gestartet werden müssen, wozu als Energiespeicher eine vom Fahrzeug mitgeführte
Batterie und als Starter ein Reihenschlußmotor dienen. Der relativ große Strom,
der das im Starter eingebaute Einrück- oder Steuerrelais aufnimmt, wird über Arbeitskontakte
eines Startrelais gesteuert, dessen Wickluntüber einen Startschalter mit der Batterie
verbunden ist. Bei Diesel-Brennkraftmaschinen bedarf es keines weiteren Schalters,
abgesehen von einem Glühschalter zum Vorglühen. Bei nach dem Otto-Prinzip arbeitenden
Brennkraftmaschinen ist noch ein Zündschalter vorgesehen, der vor dem Betätigen
des Startschalters einzuschalten ist; häufig ist zur Bedienungsvereinfachung der
Zündschalter mit dem Startschalter zu einem Zündanlaßschalter zusammengefaßt. Um
zu verhindern, daß der Starter auf dem bereits laufenden Motor arbeitet sind mechanische
Anlaßwiederholsperren vorgesehen, die ein Abschalten der Zündung mechanisch erzwingen,
ehe erneut der Starter betätigt werden kann. Wird dieser Schalter jedoch sehr rasch
bedient, so ist es möglich, daß die Brennkraftmaschine dennoch noch läuft und der
Starter erneut auf die bereits laufende Brennkraftmaschine aufgeschaltet wird, was
zu Beschädigungen
oder Zerstörungen des Starterritzels oder des
Brennkraftmaschinenzahkkranzes, in den das Ritzel einspurt, führen kann0 Es ist
ferner wünschenswert, daß der Startvorgang nicht zeitlich zu stark ausgedehnt wird,
weil dies den Starter thermisch überbeanspruchen kann und weil die Batterie überlastet
werden kann0 Schließlich ist es auch erwünscht, den Startvorgang bei Erreichen derjenigen
Drehzahl spätestens abzubrechen, bei der die Brennkraftmaschine zuverlässig selbständig
läuft, um ein überdrehen des Starters zu verhindern0 Insbesondere die letztgenannten
Forderungen sind in kleineren Brennkraftmaschinenanlagen, wie beispielsweise in
raftfahrzeugen, seither unerfüllt gewesene Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße
Steuerschaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Rauptanspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, daß der Startvorgang schonend durchgeführt, bei Erreichen der vorgegebenen
Drehzahl der Brennkraftmaschine selbsttätig beendet und bei Fehlstartversuchen der
Startvorgang rechtzeitig abgebrochen wird. Außerdem sorgt die Anordnung für-eine
Begrenzung der Beanspruchung von Starter und Batterie.
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Die Steuerschaltung läßt sich bei Serienfertigung preiswert herstellen
und kann zur Verlängerung der Lebensdauer von Batterie und Starteranlage beitragen.
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Von Vorteil ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
daß sämtliche Einflußgrößen in einfacher Weise erfaßt werden können, wie beispielsweise
die Starterdrehzahl, die Startertemperatur, die Außentemperatur, die Brennkraftmaschnnendrehzahl
und die Startdauer. Auch läßt sich bei nach dem Otto-Prinzip arbeitenden Brennkraftmaschinen
mit einer Zündanlage und einem Zündschalter eine Anlaßwiederholsperre in einfacher
Weise verwirklichen.
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Ein besonderer Vorteil einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
besteht darin, daß der Startvorgang selbsttätig nach Erreichen einer vorgegebenen
Brennkraftmaschinen-Drehzahl beendet wird0 Zu diesem Zweck wird die Periodendauer
oder der zeitliche Abstand zwischen zwei Drehzahlgeberimpulsen mit einer Fest-Zeit
verglichen und es wird dann, wenn die Fest-Zeit gleich oder größer als die Periodendauer
oder der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen des Drehzahlgebers
der Brennkraftmaschine ist, der Startvorgang beendet. Beispielsweise kann hierzu
ein monostabiler Multivibrator (Monoflop) vorgesehen sein, dessen Eingang die Drehzahlgeberimpulse
zugeführt werden und an dessen Ausgang dann eine Pegeländerung eintritt, die als
Schaltsignal verwertet wird, wenn der zeitliche Abstand zweier Impulse am Eingang
größer ist als die eingestellte Zeitkonstante des monostabilen MultivibratorsO Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind an Stelle
dieses monostabilen Multivibrators ein astabiler Multivibrator und ein Vorwahlzähler
vorgesehen, dessen Zähleingang mit einem Drehzahlgeber der Brennkraftmaschine verbunden
ist, dessen Uberlaufausgang (Erreichen der vorgewählten Zahl) mit dem Rückstelleingang
des Steuergliedes verbunden ist und dessen Rückstelleingang von dem astabilen Multivibrator
angesteuert ist.
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Zu Beginn eines Starvorganges wird der astabile Multivibrator mit
diesem Anfangs zeitpunkt synchronisiert, indem beispielsweise vom Startschalter
ein Schaltimpuls ausgelöst und dem Rückstelleingang des astabilen Multivibrators
zugeführt wird. Der Ausgang des astabilen Multivibrators setzt in zeitlich konstanten
Abständen, die einstellbar sind und der zuvor angegebenen Fest-Zeit entsprechen,
den Vorwahlzähler auf die vorgewählte Zahl, der dann von dieser Zahl ausgehend die
zugeführten Impulse des Drehzahlgebers zählt Kommt das nächste Signal des astabilen
Multivibrators ehe die der Vorwahlzahl entsprechende Impulszahl eingegangen ist,
dann beginnt der Zähler von neuem zu zählend Erreicht der Zähler die Endzahl vorher,
so erscheint an seinem Uberlaufausgang ein Signal, das zum Abschalten des Startvorganges
diente Der Vorwahlzähler kann beispielsweise bei Null beginnen und aufwärts bis
zu einer gewünschten Zahl zählen oder er kann jeweils mit dem Rückstellimpuls auf
eine gewünschte Zahl voreingestellt werden und zählt dann abwärts bis Null,
wobei
dann bei Erreichen des Null-Standes der tberlaufausgang ein Signal abgibt. Von Vorteil
ist dabei, daß die gewünschte Drehzahl, bei der der Startvorgang beendet wird, sehr
leicht einstellbar ist, weil entweder die Frequenz des astabilen Multivibrators
oder aber die Vorwahlzahl des Zählers hierzu verändert werden können.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zur Steuerung der maximalen
Starterlaufzeit während eines Startvorganges ein Zeitglied vorgesehen, das mit Beginn
des Startvorganges angestoßen wird und das nach Ablauf seiner einstellbaren Zeitkonstante
den Startvorgang beendet, soweit dieser nicht zuvor beendet oder abgebrochen wurde,
Dabei kann in vorteilhafter Weise diese Zeit temperaturabhängig sein, indem beispielsweise
als Zeitglied ein mono stabiler Multivibrator (Monoflop) verwendet wird, dessen
zeitbestimmendes RC-Glied einen temperaturabhängigen Widerstand umfaßt.
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Es kann bei derartigen Starteranlagen vorkommen, daß das Ritzel des
Starters nicht in den Zahnkranz der zu startenden Brennkraftmaschine einspurt, weil
beispielsweise Zahnecke auf Zahnecke stehen. Dabei kann die Ein~ zugswicklung eines
vorgesehenen Einrückrelais verbrennen, wenn der Startvorgang nicht sogleich unterbrochen
wird.
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Es ist daher bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ein zweites
Schaltglied vorgesehen, dessen Eingang
sowohl mit dem Startschalterstromkreis
als auch mit einem Drehzahlgeber der Brennkraftmaschine verbunden ist und dessen
Ausgangssignal zum Beenden des Startvorganges führt. Die Zeitkonstante dieses Zeitgliedes
ist auf einen so kleinen Wert eingestellt, daß während dieser Zeit keine bleibenden
Schäden auftreten können; andererseits ist die eingestellte Zeitkonstante etwas
größer als die Zeit, die erfahrungsgemäß vom Einschalten des Startschalters bis
zur Beendigung des Einspurvorganges des Ritzels bzw. dem Eingeben des ersten Drehzahl
geb ersignal es der Brennkraftmaschine vergeht.
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Die erfindungsgemäße Steuerschaltung ermöglicht eine erhebliche Vereinfachung
und insbesondere eine erhebliche Vermindung des Aufwandes für Schutzvorrichtungen
in Starteranlagen, bei denen seither aufwendige Startsperr-Relais, Startwiederhol-Relais,
Startdoppel-Relais in Verbindung mit relativ komplizierten Schaltungen erforderlich
waren.
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Ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Steuerschaltung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Das Blockschaltbild zeigt eine Ausführungsform der Steuerschaltung
in schematisierter Darstellung.
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Beschreibung der Erfindung Starteranlagen für Brennkraftmaschinen
umfassen einen in der Zeichnung nicht dargestellten, als Starter dienenden Reihenschlußmotor
dessen mit der genormten Bezeichnung versehene Klemme 50 mit einem Arbeits kontakt
1 eines Relais 2 verbunden ist, wobei eine Leitung vom Arbeitskontakt 1 weiterführt
zu dem mit Klemme 30 bezeichneten Plus-Pol einer ebenfalls nicht dargestellten Batterie.
Die Klemme 50 am Starter führt zu einem im Starter an- oder eingebauten Elektromagnet,
der ae nach Starterbauart auch mechanische Aufgaben übernimmt, wie beispielsweise
das axiale Verschieben des Ritzels des Starters und der darüber hinaus einen Arbeitskontakt
betätigt, über den der eigentliche Starterstrom von der Batterie zum Starter fließt0
Die Wicklung des Relais 2 ist an einen Starttaster 3 angeschlossen, der andererseits
ebenfalls mit der Klemme 30, dem Plus-Pol der Batterien verbunden ist, an die auch
ein ebenso wie der Starttaster 3 manuell zu betätigender Zündschalter 15 angeschlossen
ist, Der andere Anschluß der Wicklung des Relais 2 ist an den Kollektor eines npn
Transistors TRS geführt;, dessen Emitter mit Masse verbunden isto (Auch der Minus-Pol
der Batterie ist mit Masse verbunden)0 An die von der Wicklung des Relais 2 zum
Kollektor
des Transistors ER1 führende Leistung sind ferner ein
Widerstand R9, ein Kondensator C7 und eine Diode D2 mit ihrer Kathode angeschlossen.
R9 und D2 dienen als Schutzbeschaltung zum Vermeiden von Spannungsspitzen, die dem
Transistor TRi gefährlich werden könnten. An den anderen Anschluß des Kondensators
C7 ist ein Ans teuer- oder Synchronisiereingang eines astabilen Multivibrators 4
angeschlossen, der eine Rechteckspannung erzeugt, deren Frequenz und Impuls-Pausen-Verhältnis
durch eine entsprechende Beschaltung, angedeutet durch den Kondensator C11 und den
Widerstand Ril, einstellbar ist0 An den Ausgang des astabilen Multivibrators 4 ist
ein Kondensator 04 angeschlossen, an dessen anderen Anschluß ein an Masse führender
Widerstand R4 sowie ein Rückstelleingang eines Zählers 5 angeschlossen sind0 Ein
Zähleingang des Zählers 5 ist mit einer Signalleitung 6 verbunden, auf der den verschiedenen
Gliedern der Steuerschaltung Impulse zugeführt werden, deren Frequenz proportional
und deren zeitlicher Abstand somit umgekehrt proportional der momentanen Drehzahl
der Brennkraftmaschine ist0 Der Zähler 5 ist ferner mit zwei weiteren Anschlüssen
versehen, an die einerseits ein Eingang eines Inverters 7 und andererseits die Kathode
einer Diode Di angeschlossen sind. Einer dieser Anschlüsse des Zählers ist der Überlaufanschluß,
der nach Erreichen des voreingestellten Zahlenwertes
seinen Pegel
ändert, Der andere Anschluß ist ein Aus schalter, der bei entsprechender Singalzuführung
den Zähler 5 außer Betrieb setzt. Die Verbindung dieser beiden Anschlüsse miteinander
hat zur Folge, daß der Zähler 5 sich bei Erreichen des voreingestellten Zählwerts
selbst abschaltet0 Die Diode Di ist mit ihrem Anodenanschluß mit dem Kondensator
C7 und ebenso mit einem Stelleingang eines als Steuerglied dienenden Flipflops 8
verbunden0 An dieselbe Leitung ist auch ein Eingang eines NOR-Gatters 9 und ein
Ansteuereingang eines Monoflops 10 ange schlossen, An einem zweiten Eingang des
NOR-Gatters 9 ist die Signalleitung 6 geführt und es ist an den Ausgang des NORGatters
9 ein Ansteuereingang eines Monoflops ii angeschlossen. Die Monoflops 10 und 11
erzeugen an ihrem Ausgang ein Rechtecksignal vorgegebener Dauer, das mit Zuführen
des Ansteuersignales beginnt und dessen Dauer durch eine äußere Beschaltung in Form
der RC-Eombinationen C3R3 bzwO C2R2 erfolgt.
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Die Ausgänge der beiden Monoflops 10 und ii sind an Eingänge eines
NOR-Gatters 12 geführt dessen Ausgang an einen Rückstellanschluß des Flipflop 8
geführt ist0 An den nichtinvertierenden Ausgang des Flipflop 8 ist über einen Widerstand
R1 die Basis des Transistors TRl angeschlossen0 Außerdem liegt an demselben Ausgang
des Flipflop 8 ein Widerstand R9, der andererseits an den
Kollektor
eines Transistors ER2 angeschlossen ist, von dem eine Leitung 13 zu einem weiteren
Eingang des NOR-Gatters 12 geführt ist. An die Basis des npn-Transistors ER2, dessen
Emitter mit Masse verbunden ist, ist ein RC-Glied RiOCiO angeschlossen, wobei der
Kondensator C10 zwischen Basis und Masse und der Widerstand R10 zwischen Basis und
dem Kollektor des Transistors TRl liegt.
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An dem nicht mit der Klemme 30 verbundenen Anschluß des Zündschalters
15 ist ein andererseits an Masse liegender Dämpfungswiderstand Ril sowie ein Kondensator
C5 angeschlossen, dessen anderer Anschluß mit einem weiteren Eingang des NOR-Gatters
12 verbunden ist. Außerdem ist an denselben Eingang des NOR-Gatters 12 die Parallelschaltung
eines Widerstandes R5 und einer Diode D3 angeschlossen, wobei der Widerstand R5
andererseits an Masse liegt und die Diode mit ihrer Anode an Masse angeschlossen
ist und mit ihrer Kathode mit dem erwähnten Eingang des NOR-Gatters 12 verbunden
ist0 An denselben Eingang des NOR-Gatters 12 ist auch ein Rückstelleingang eines
weiteren Flipflop 14 angeschlossenO Der Stelleingang des Flipflops 14 ist über einen
Kondensator C8 mit dem invertierenden Ausgang des Flipflops 8 verbunden. Außerdem
ist an diesen Stelleingang ein Widerstand R8 angeschlossen, der andererseits an
Masse liegt, Der nichtinvertierende Ausgang
des Flipflop 14 ist
mit einem weiteren Eingang des NOR-Gatters 12 verbunden.
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Die Wirkungsweise der Schaltung ist wie folgt: Nach dem Schließen
des Zündschalters 15 ist durch den dabei über den Kondensator C5 geleiteten Impuls
das Flipflop 14 zurückgesetzt und über das NOR-Gatter 12 das Flipflop 8 ebenfalls
zurückgesetzt* Der Transistor TRi ist gesperrt, Wird nun die Starttaste 3 gedrückt,
so erhöht sich das Potential am Kollektor des Transistors TR1 auf etwa die Batteriespannung,
es fließt jedoch wegen der Sperrung des Transistors TR1 zunächst kein Strom0 Der
durch das Drücken der Starttaste 3 entstehende positive Impuls synchronisiert oder
triggert den astabilen Multivibrator 4, dessen Ausgang über den Kondensator 04 einen
Rückstellimpuls auf den Zähler 5 gibt, der dadurch zählbereit wird.
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Derselbe durch C7 entstehende positive Impuls setzt das Flipflop 8
und steuert die Monoflops 10 und 11 an, Durch das Umschalten des Flipflop 8 wird
der Transistor TRi leitend und es fließt Strom durch das Relais 2, dessen Arbeitskontakt
1 daraufhin geschlossen wird, worauf Strom zur Starterklemme 50 fließen kann. Damit
setzt der Startvorgang ein. Erscheinen während einer vorgegebenen Zeit von beispielsweise
einer Sekunde keine Drehzahlimpulse auf der Signalleitung 6, was bedeutet, daß die
Brennkraftmaschine vom Starter nicht in Drehung versetzt wird, so schaltet das Monoflop
11 über einen * sowie der Zahler 5 zurückgestellt.
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Impuls an seinem Ausgang, der dem NOR-Gatter 12 zugeführt wird, das
Flipflop 8 zurück, worauf der Transistor DR1 sperrt und das Relais 2 abfällt und
den Arheitskontakt 1 öffnet. Erscheinen dagegen auf der Signalleitung 6 Impulse,
so steuern sie das Mono-flop 1i immer wieder an, ehe ein susgangsimpuls erscheinen
kann0 Die auf der Signalleitung 6 ankommenden Impulse werden vom Zähler 5 gezählt,
der beispielsweise von einer vorgewählten'Zahl abwärtszählt. Bei geringer Drehzahl
und dementsprechend niederer Frequenz der Impulse auf der Signalleitung 6 kommt
das nächste Signal vom astabilen Multivibrator 4 über den Kondensator C4, ehe der
Zähler auf Null gezählt hat (bzw. bei von Null ausgehendem Zähler den voreingestellten
Zählwert erreicht hat).
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Mit zunehmender Drehzahl der Brennkraftmaschine nimmt die Frequenz
der Impulse auf der Signalleitung 6 ebenfalls zu, bis ein Wert erreicht ist, bei
dem der Zähler seinen Endwert oder Zählwert erreicht hat, ehe der nächste Impuls
vom astabilen Multivibrator 4 über C4 den Zähler rückstellt. Damit erscheint am
uberlaufausgang des Zählers 5 ein Signal, das einerseits den Zähler 5 außer Betrieb
nimmt und andererseits über den Inverter 7 dem NOR-Gatter 12 zugeführt wird, das
seinerseits das Flipflop 8 zurücksetzt, wodurch aufgrund des dadurch bewirkten Sperren
des Transistors R1 der Startvorgang durch Abschalten des Relais 2 beendet wird0
Gelingt
es dem Starter nicht, die Brennkraftmaschine auf eine Drehzahl zu beschleunigen,
bei der die Frequenz der Impulse auf der Signalleitung 6 ausreichend groß ist, um
den Zähler während der von dem astabilen Multivibrator vorgegebenen Zeit bis zum
Endwert zählen zu lassen, was bedeutet, daß der Motor noch nicht angesprungen ist,
dann schaltet nach einer vorgegebenen Zeit von beispielsweise 20 Sekunden, die durch
C3R3 einstellbar ist, das Monoflop 10 um und stellt über das NOR-Gatter 12 das Flipflop
8 zurück, das dann wiederum den Startvorgang beendet0 Ebenso kann auch der Benutzer
selbst durch Loslassen der Starttaste 3 den Startvorgang jedereit unterbrechen.
Um in diesem letzteren Fall ein Rückstellen des Flipflop 8 in die Ausgangslage zu
erreichen ist der Transistor TR2 vorgesehen, der nach Loslassen der Starttaste 3
sperrt und über'die Leitung 13 und das NOR-Gatter 12 das Flipflop 8 zurücksetztO
Durch das Zurücksetzen des Flipflop 8, unabhängig davon, über welchen der Eingänge
des NOR-Gatters 12 dieses Rückstellen erfolgt, wird über C8 das Flipflop 14 gesetzt,
worauf dessen nichtinvertierender Ausgang über das ETOR-Gatter 12 das Flipflop 8
sperrt, wobei das Flipflop 14 nur dadurch rückgesetzt werden kann, daß der Zündschalter
15 geöffnet und danach wieder geschlossen wird. Dies sichert die Funktion der Anlaßwiederholsperre.
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Der Rückstelleingang des Flipflop 14 könnte, statt unmittelbar über
den Kondensator C5 auch über ein Zeitglied angesteuert werden, um damit eine gewisse
Mindestzeit der Anlaßwiederholsperre enzustellen, die gewährleistet, daß der Anker
des Starters zum Stillstand gekommen ist und nicht bei noch drehendem Anker wieder
eingeschaltet wird. Dies kann bei größeren Anlagen von Vorteil sein, um bei möglicherweise
bereits abgenutzter Ankerbremse ein Wiedereinschalten bei noch laufendem Anker zu
verhindern0 Die Diode D 1 stoppt die von C 7 kommenden Impulse, wenn am Überlaufausgang
ein Signal ansteht, also der Zähler seinen Endstand erreicht hat. Dies wirkt als
Sperre für das Starten bei bereits laufender Brennkraftmaschine.