[0001] Die Erfindung betrifft einen Anlasser für eine Verbrennungskraftmaschine nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Steuerelektronik hierfür.
[0002] 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 zu 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.
[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Anlasser für Verbrennungskraftmaschinen
zur Verfügung zu stellen, der eine Starterkennung hat, die mit verhältnismäßig einfachen
Mitteln auskommt und weitgehend störunanfällig ist.
[0004] Bei dem eingangs beschriebenen Anlasser (Elektromotor) wird die Aufgabe gelöst mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
[0005] Der erfindungsgemäße Anlasser für eine Verbrennungskraftmaschine hat eine Steuerelektronik,
die die Hohe des Anlasserstroms auswertet und beim Erkennen eines Motorstarts der
Verbrennungskraftmaschine den Anlaßvorgang unterbricht, auch wenn der Operator den
Anlaßvorgang an sich noch aufrecht hält, beispielsweise durch Halten eines Zündschlüssels
in der Startposition oder durch Drücken eines Anlaßknopfes. Erfindungsgemäß erhält
die Steuerelektronik die Höhe des Anlasserstroms durch Abriff eines Spannungsabfalls,
der an zumindest einem Bestandteil des Magnetschalters des Anlassers auftritt. Grundsätzlich
ist zwar Jeder Shunt, der in dem Anlasserstromkreis liegt, geeignet, um die Höhe des
Anlasserstroms zu ermitteln, der Abriff an einem von dem Anlasserstrom durchflossenen
Bestandteil des Magnetschalters hat jedoch den Vorteil, daß der Abriff einerseits
preiswert an dem Magnetschalter und andererseits mit kurzen Leitungswegen unmittelbar
in der Nähe des Anlassermotors erfolgen kann, wodurch eine hohe Betriebssicherheit
und geringe Störeinstrahlung gewährleistet ist.
[0006] Vorzugsweise wird der Spannungsabfall am Ein- und Auslaß des Anlasserstroms am Magnetschalter
abgenommen, wobei dies bevorzugt an den Schraubverbindungen des Magnetschalters (Klemmen
30 und 45) erfolgt.
[0007] Dadurch, daß die Anschlüsse der Steuerelektronik auf standardmäßig bestehende Klemmen
(Anschlüsse) des Anlassers bzw. des dazugehörigen Magnetschalters zurückgreift, kann
die Steuerelektronik als autonome Einheit an den bereits bekannten Anlassersystemen
nachgerüstet werden Die erfindungsgemäße Steuerelektronik läßt sich beispielsweise
an dem Gehäuse eines Anlassers befestigen, wobei die Anschlüsse der Steuerelektronik
zu den Klemmen des Magnetschalters geführt werden. Die Verkabelung des Anlassers bleibt
unverändert mit der Ausnahme, daß der Schaltstrom des Magnetschalters nicht diesem
direkt, sondern der Steuerelektronik zugeführt wird. Als Shunt für die Messung des
Anlasserstroms dient bei dieser Anordnung die Strombrücke im Magnetschalter.
[0008] Erfindungsgemäß hat der Anlasser vorteilhaft 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 dabei eine Besonderheit
des Drehwiderstandes der Verbrennungskraftmaschine zu Nutze, nämlich die Schwankungen,
die vom Komprimieren und Dekomprimieren der Verbrennungskraftmaschine herrühren. Der
erfindungsgemäße Anlasser ist somit insbesondere geeignet für Verbrennungskraftmaschinen,
die beim Drehen einen schwankenden Drehmomentverlauf (aufgenommenes Drehmoment) haben.
Dieses ist besonders 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.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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. 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.
[0014] 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.
[0015] 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.
[0016] 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.
[0017] Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher beschrieben.
[0018] Es zeigen
- Figur 1
- einen Anlasser, wie er in einem Kraftfahrzeug angeschlossen ist;
- Figur 2
- eine Strom-Drehzahl-Kurve des Anlassers; und
- Figur 3
- eine typische Starterkennlinie.
[0019] In Figur 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

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.
[0020] 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 Figur 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.
Das Durchschalten erfolgt mittels einer Magnetschalterbrücke 15, die die Klemme 30
mit der Klemme 45 verbindet. Von der Klemme 30, die fest mit der Plusleitung der Batterie
5 verbunden ist, wird nun der Stromkreis über eine Leitung 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. der Magnetschalterbrücke
15). Der Startermotor 2 gelangt hierdurch in Eingriff mit der Brennkraftmaschine und
dreht gemeinsam mit dieser hoch, wobei, wie in Figur 2 dargestellt, über die Zeit
t der durch den Startermotor 2 fließende Strom

abnimmt mit ansteigender Drehzahl n
M der Verbrennungskraftmaschine. Durch Messen des Spannungsabfalls an der Magnetschalterbrücke
15 über die Klemmen 30 und 45, die unmittelbar in Serie zu dem Startermotor 2 liegen,
ist der Überwachungselektronik 3 der Stromfluß durch den Startermotor 2 bekannt. Der
Spannungsabfall an der Magnetschalterbrücke 15 kann sehr preiswert abgenommen werden,
da an den Klemmen 30 und 45 Schraubverbindungen vorhanden sind. Die Leitungen der
Überwachungselektronik 3 für den Abriff des Spannungsabfalls können leicht zusammen
mit der Plusleitung der Batterie 5 an der Klemme 30 bzw. der Leitung 11 an der Klemme
45 angeschraubt werden. Die Überwachungselektronik 3 kann somit ohne Eingriff in den
Anlasser 2 oder den Magnetschalter 4 angeklemmt werden. Eine solche Überwachungselektronik
3 stellt eine autonome Einheit dar, die an ein bestehendes Startsystem angeschlossen
oder von diesem wieder getrennt werden kann, wobei die Funktion des Startvorganges
stets erhalten bleibt. Der Stromfluß durch den Startermotor 2 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
Abriff des Spannungsabfalls an der Magnetschalterbrücke 15 und wertet den Wegfall
der periodischen Schwankungen 12 zusammen mit dem Stromabfall bei 14 (oder dem hier
vorliegenden niedrigen Stromwert) als Anspringen der Verbrennungskraftmaschine aus
und unterbricht über das Schaltelement 9 den Stromfluß zwischen den Hemmen 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.
1. Anlasser für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Steuerelektronik (3), die einen
Anlaßvorgang unter Erfassung der Höhe eines Anlasserstroms (

) auswertet und bei Erkennen eines Starts (14) der Verbrennungskraftmaschine den Anlaßvorgang
unterbricht, und einem Magnetschalter (4), durch den der Anlasserstrom (

) fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik (3) die Höhe des Anlasserstroms
(

) über einen Spannungsabfall an zumindest einem von dem Anlasserstrom (

) durchflossenen Bestandteil (15) des Magnetschalters (4) erhält.
2. Anlasser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Abriff des Spannungsabfalls an
dem Einlaß (KL30) und dem Auslaß (KL45) des Anlasserstroms (

) am Magnetschalter(4).
3. Anlasser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Abriff
des Spannungsabfalls, vorzugsweise beide Abriffe des Spannungsabfalls, über eine Klemmverbindung,
insbesondere eine Schraubverbindung, erfolgen.
4. Anlasser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steuerelektronik (3) eine regelmäßige Wiederkehr von Zu- und Abnahmen (12) des Anlasserstroms
(

) erfaßt, die von drehwinkelabhängigen Drehmomenten der Verbrennungskraftmaschine
herrühren, und daß das Unterbrechen bei einem Ausbleiben (bei 14) der regelmäßigen
Wiederkehr der Zu- und Abnahmen der Anlasserstroms erfolgt.
5. Anlasser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik (3) während
des Anlaßvorgangs auch eine Abnahme (30) des Anlasserstroms (

) erfaßt und den Anlaßvorgang erst dann unterbricht, wenn auch eine vorgegebene Abnahme
des Anlasserstroms vorliegt.
6. Anlasser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik
(3) während des Anlaßvorgangs eine zeitliche Ableitung des Anlaßstroms erfaßt und
unterhalb eines vorgegebenen negativen Wertes der Ableitung bei einem Anlasserstrom
unterhalb eines vorgegebenen Anlasserstromwertes bzw. bei einer vorgegebenen zeitlichen
Abnahme des Anlasserstroms unterhalb des vorgegebenen Wertes des Anlasserstroms den
Anlaßvorgang unterbricht.
7. Anlasser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steuerelektronik (3) während des Anlaßvorganges auch die Drehzahl (nM) der Verbrennungskraftmaschine erfaßt und das Unterbrechen erst erfolgt, wenn die
Drehzahl (nM) der Verbrennungskraftmaschine oberhalb eines vorgegebenen Wertes liegt.
8. Anlasser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steuerelektronik (3) bei einer Wiederholung des Anlaßvorganges innerhalb einer vorbestimmten
Zeit außer Funktion gesetzt ist.
9. Anlasser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steuerelektronik (3) einen Anlaßvorgang erst nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit
nach einem vorhergehenden Anlaßvorgang oder nach einem Abstellen der Verbrennungskraftmaschine
zuläßt.
10. Anlasser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steuerelektronik als eine autonome Einheit, insbesondere an dem Anlasser, ausgebildet
ist.
11. Steuerelektronik nach einem der vorhergehenden Ansprüche.