Beschreibung

Titel

Verfahren zum Ermitteln der Drehzahl eines Starters

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Drehzahl eines Starters zum Starten von Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Verbrennungsmotoren heutiger Kfz werden im Allgemeinen von einem so genannten Ritzelstarter gestartet. Dieser umfasst im Wesentlichen einen Gleichstrommotor mit einem vom Motor angetriebenen Ritzel, das in einen Zahnkranz der Kurbelwelle eingerückt wird und den Verbrennungsmotor beim Startwunsch andreht. Wird ein Startbefehl durch das Motorsteuergerät initiiert, bewirkt dieser, dass ein so genanntes Einrückrelais anzieht und das Ritzel in den Zahnkranz der Kurbelwelle einspurt. Wenn das Einrückrelais angezogen ist, wird automatisch ein Hauptstrompfad geschlossen, der den Starter mit elektrischer Leistung versorgt. Dadurch wird der eigentliche Andrehvorgang gestartet.

Bei Fahrzeugen, die für einen Start- Stopp- Betrieb ausgelegt sind, wird das Ritzel in man- chen Fällen bereits vor dem Stillstand des Verbrennungsmotors in den Zahnkranz eingerückt. Der nachfolgende Startvorgang kann somit erheblich schneller durchgeführt werden, da das Ritzel beim Start bereits eingerückt ist. In diesem Fall wird der Starter, sobald ein Stopp-Signal erkannt wird, in Drehzahl versetzt und das Ritzel eingerückt, noch bevor der Verbrennungsmotor vollständig zum Stillstand gekommen ist. Um ein möglichst ge- rausch- und verschleißarmes Einspuren zu gewährleisten, muss das Starterritzel genau auf die Umfangsgeschwindigkeit der Kurbelwelle gebracht und synchron eingerückt werden. Die Drehzahl des Starters muss daher sehr genau bekannt sein.

Die Starter- Drehzahl könnte z. B. mittels eines Drehzahl-Sensors gemessen werden. Dies ist jedoch relativ aufwendig und teuer.

Offenbarung der Erfindung

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl eines Starters zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patenanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, die Starter- Drehzahl aus elektrischen Größen zu berechnen. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Drehzahl- Bestimmung ohne einen speziellen Drehzahlsensor auskommt und somit besonders einfach und kostengünstig zu realisieren ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Starter- Drehzahl n aus der Klemmenspannung U ₄₅ des Starters und/oder der Bürstenspannung U _br und ggf. dem Ankerstrom I des Starters berechnet. Zum Messen der einzelnen Größen sind vorzugsweise entsprechende Strom- bzw. Spannungssensoren vorgesehen. Die Bürstenspannung wird vorzugsweise mittels eines Algorithmus geschätzt.

Die Starter- Drehzahl kann beispielsweise aus folgender Beziehung berechnet werden:

_{n =} U ₄₅ - I - R^ - i - k _B - u _{br (1)}

Dabei ist:

U ₄₅ die äußere Klemmenspannung des Starters I der Starterstrom,

Rstatt der Ankerwiderstand, Ub _r die Bürstenspannung, und k _n ein Maschinenparameter, der insbesondere die Konstruktion des Starters und die

Magnetfeldstärke berücksichtigt. kB = Konstante für stromabhängigen Bürstenspannungsabfall

Die elektrischen Größen U ₄₅ , U^ und I werden vorzugsweise im Leerlauf, insbesondere beim Auslaufen des Starters gemessen. Im stromlosen Auslaufbetrieb des Starters (d.h.

die Verbindung zur Versorgungsspannung ist unterbrochen) reduziert sich Gleichung (1) zu:

n , ^υ * - ^υ * (2) k _n

Die Spannungen U ₄₅ und U _br sind dabei generatorische Größen.

Zu Beginn des Fahrbetriebs, insbesondere beim Kaltstart, wird die Starter- Drehzahl vorzugsweise nach Formel (1) oder (2) berechnet.

Der Berechnungs-Algorithmus wird vorzugsweise anhand einer gemessenen Drehzahl, insbesondere der Motor- Drehzahl, kalibriert. Im eingerückten Zustand des Starters entspricht die Motor- Drehzahl der Starter- Drehzahl (unter Berücksichtigung des übersetzungsverhältnisses zwischen Starter- Ritzel und Zahnkranz bzw. Kurbelwelle). Die Motor- Drehzahl steht üblicherweise im Motor- Steuergerät zur Verfügung. Der Berechnungs- Algorithmus (z. B. (1) oder (2)) kann somit mittels der Motor- Drehzahl kalibriert werden. Zu diesem Zweck kann z. B. ein Korrekturparameter (k _korr ) bestimmt werden.

Bei weiteren Starts heizt sich der Starter zunehmend auf. Wegen der Abhängigkeit der Größen U _br und k _n von der Startertemperatur und dem Alterungszustand des Starters, kann die gemäß Gleichung (1) oder (2) berechnete Starter- Drehzahl relativ stark vom tatsächlichen Wert abweichen. Es wird daher vorgeschlagen, die Drehzahl-Berechnung anzupassen und wenigstens den Temperaturgang zu kompensieren.

Zur Berechnung der Starter- Drehzahl n kann beispielsweise folgende Gleichung angesetzt werden:

_n _ U ₄₅ - k _koiτ - U _br - (l - k _br - δT) k _n - (l + k _m - δT)

Dabei ist δT eine Temperaturänderung des Starters gegenüber dem letzten Start, k _m und k _br sind Temperaturkoeffizienten, die vorzugsweise linear und temperaturunabhängig sind, und k _korr ist ein Korrekturfaktor, der die Abweichung der Berechnung beim Kaltstart korrigiert.

Die Anfangstemperatur des Starters vor dem ersten Start wird als gleich angenommen, wie die Motortemperatur. Diese wird bei allen gängigen Motoren gemessen und der Wert liegt im Steuergerät vor.

Die Temperaturänderung δT ergibt sich vorzugsweise aus einem thermischen Modell, das die thermischen Vorgänge im Starter widerspiegelt. Zur Bestimmung der Starter- Temperatur bzw. dessen Temperaturänderung wird vorzugsweise die bei einem Startvorgang auftretende Verlustenergie geschätzt und die Temperatur bzw. Temperaturänderung anhand des thermischen Modells berechnet.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird die Verlustenergie basierend auf einem in einem Speicher hinterlegten Datensatz bestimmt. Der Datensatz umfasst beispielsweise die Verlustenergie bei einem Startvorgang in Abhängigkeit von einer Anfangstemperatur in Form einer Tabelle (Look-up-table). Die Startertemperatur bzw. dessen Temperaturänderung wird dann vorzugsweise anhand des thermischen Modells berechnet.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die bei einem Startvorgang auftretende Verlustenergie Wi aus einer elektrischen Energiebilanz ermittelt, für die bei- spielsweise:

W, = l ² - R _stat + U _br - I (4)

angesetzt werden kann. Dabei ist U _br die Bürstenspannung, I der Ankerstrom und R _stat der ohmsche Widerstand des Ankers. Die Bürstenspannung U^ wird hier als bekannt vorausgesetzt, d.h. abhängig vom Strom als Kennfeld hinterlegt oder als Konstante hinterlegt, der Ankerwiderstand R _sta t ist bekannt.

Der Ankerstrom I von Gleichung (4) kann beispielsweise aus dem Drehzahlverlauf des Starters bei einem Startvorgang ermittelt werden. Hierzu wird die n = f(l) Kennlinie des Starters als Kennfeld hinterlegt. Diese Kennlinie wird dann auf die aktuelle Temperatur umgerechnet und liefert die zeitabhängigen Starterströme. Zur Bestimmung der Starter- Drehzahl wird vorzugsweise die vom Motor- Steuergerät gelieferte Motor- Drehzahl während der Andrehphase herangezogen.

Alternativ könnte der Ankerstrom I auch während des Startvorgangs gemessen und basierend darauf die Verlustenergie Wi ermittelt werden. Die Startertemperatur bzw. dessen

Temperaturänderung ergibt sich dann wiederum aus dem thermischen Modell für den Starter.

Die bezüglich der Temperatur kompensierte Starter- Drehzahl, z.B. gemäß Gleichung (3), kann bei einem nachfolgenden Start wiederum an den gemessenen, tatsächlichen Wert n angepasst werden. Zu diesem Zweck wird wiederum im eingerückten Zustand des Starters die Motordrehzahl n _mot gemessen, die Starter- Drehzahl n z. B. gemäß (3) berechnet, und der Berechnungs-Algorithmus im Falle einer Abweichung zwischen den beiden Drehzahlen n, n _mot korrigiert. Zum Zwecke der Korrektur kann z. B. eine korrigierte Temperatur bzw. Temperaturänderung δT eingeführt werden. Die vom thermischen Modell geschätzte Temperatur bzw. Temperaturänderung δT _est kann z. B. mittels eines Korrekturfaktors k _th korrigiert werden. Es kann z.B. folgende Beziehung angesetzt werden:

AT = Ic ₁₁₁ - AT _1- (5)

wobei δT _est die vom thermischen Modell geschätzte Temperatur ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ritzelstarters;

Fig. 2 ein Flussdiagramm zur Darstellung der wesentlichen Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Berechnen der Starter- Drehzahl n; und

Fig. 3 ein thermisches Modell für den Starter zur Bestimmung einer Startertempe- ratur bzw. Temperaturänderung.

Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Starters 1 für

Verbrennungsmotoren, wie er insbesondere bei Kraftfahrzeugen zur Anwendung kommt. Der Starter 1 umfasst im Wesentlichen einen Gleichstrommotor 2, 3, bestehend aus ei-

nem Anker 2 mit Ankerwicklungen und einem Stator mit mehreren Permanentmagneten 3. Die im Anker 2 enthaltenen Ankerwicklungen werden über Bürsten 4 mit elektrischer Leistung versorgt. An der Motorwelle 5 ist ein Ritzel 7 befestigt, das bei einem Startvorgang in einen Zahnkranz 8 der Kurbelwelle 9 einrückt. Zum Ein- bzw. Ausrücken des Ritzels 7 ist ein Einrückmechanismus 6 vorgesehen, der üblicherweise einen Einrückhebel, sowie ein Einrückrelais umfasst, mittels dessen der Hauptstrompfad des Starters 1 geschaltet wird.

Der Starter 1 umfasst ein eigenes Starter- Steuergerät 10, das u. a. dazu genutzt wird, die Drehzahl n des Starters 1 zu berechnen und den Starter 1 entsprechend zu regeln. Der Starter 1 ist hier für den Einsatz in Fahrzeugen mit einem Start- Stopp- Betrieb ausgelegt. Bei einem Start- Stopp- Betrieb wird der Verbrennungsmotor in bestimmten Fahrsituationen, wie z.B. bei einem Halt vor einer Ampel, automatisch ausgeschaltet und dabei ein Stopp-Signal STOP erzeugt. Sobald der Fahrer wieder losfahren möchte und hierzu beispielsweise das Bremspedal loslässt, wird der Verbrennungsmotor neu gestartet. Wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors bereits so weit gesunken ist, dass ein Selbststart nicht mehr möglich ist, wird er mittels des Starters 1 neu gestartet. Das Ritzel wird dabei zunächst auf die Motor- Drehzahl gebracht, so dass es synchron zum Zahnkranz 8 läuft, und dann in den Zahnkranz 8 des auslaufenden Motors eingerückt. Die Starter- Drehzahl n wird mittels eines mathematischen Algorithmus berechnet, für den beispielsweise folgen- de Gleichung angesetzt werden kann:

_n _ U ₄₅ - k _koiτ - U _br - (l - k _br - δT) k _n - (l + k _m - δT)

Dabei ist

U ₄₅ die äußere Klemmenspannung des Starters

I der Starterstrom,

R _s tat der Ankerwiderstand,

U _br die Bürstenspannung, und k _n ein Maschinenparameter, der insbesondere die Konstruktion des Starters und die Magnetfeldstärke berücksichtigt, und k _k o _rr , k _br und k _m Korrekturfaktoren.

Beim Kaltstart des Verbrennungsmotors gilt δT = 0 und k _korr = 1. Als Starter- Temperatur wird die Umgebungstemperatur, wie z. B. die öl-Temperatur herangezogen. Die Span-

nungen U ₄₅ (Klemmenspannung) und U _br (Bürstenspannung) werden beim Hochfahren des Starters im Leerlauf gemessen und daraus die Drehzahl n berechnet.

Fig. 2a zeigt die wesentlichen Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Berechnen der Starter- Drehzahl n basierend auf Gleichung (3) für den Fall eines Kaltstarts. In Schritt 20 wird der Starter 1 zunächst hochgefahren und das Ritzel 7 mit dem Zahnkranz 8 synchronisiert. Die Drehzahl n des Starters 1 wird dabei in Schritt 21 anhand von Gleichung (3) berechnet, wobei δT = 0 und k _korr = 1 ist. Die Spannungen U ₄₅ und U _br werden im Leerlauf gemessen. Sobald die gewünschte Drehzahl n erreicht ist, wird das Ritzel 7 in den Zahn- kränz 8 des auslaufenden Verbrennungsmotors eingerückt (Schritt 22).

Da die Motordrehzahl im eingerückten Zustand der Starter- Drehzahl n entspricht (unter Berücksichtigung des übersetzungsverhältnisses), kann der Algorithmus kalibriert werden. Zu diesem Zweck wird in Schritt 23 die Motor- Drehzahl gemessen und in Schritt 24 ein Korrekturfaktor k _korr berechnet, mit dem der Algorithmus (3) angepasst wird.

Bei nachfolgenden Starts, bei denen die Starter- Temperatur höher ist als die Umgebungstemperatur, muss die Temperaturabhängigkeit der Bürstenspannung U _br und des Maschinenparameters k _n berücksichtigt werden. Die Temperatur bzw. Temperaturände- rung des Starters wird dabei vorzugsweise mittels eines thermischen Modells des Starters bestimmt.

Fig. 2b zeigt die wesentlichen Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Berechnen der Starter- Drehzahl n basierend auf Gleichung (3) bei einem nachfolgenden Start- Vorgang (Warmstart). Dabei wird in einem ersten Schritt 30 zunächst ermittelt, ob ein Stopp-Signal STOP vorliegt. Falls ja (J), wird der Starter 1 hochgefahren und das Ritzel 7 mit dem Zahnkranz 8 synchronisiert. Die Drehzahl n des Starters 1 wird dabei gemäß Gleichung (3) berechnet. Die Temperaturänderung δT aus Gleichung (3) ergibt sich aus einem Temperaturmodell des Starters, wie es in Fig. 3 beispielhaft dargestellt ist. Das Temperatur- modell berechnet in Schritt 32 eine Temperatur bzw. Temperaturänderung des Starters 1 unter Berücksichtigung einer Anfangstemperatur, des Energieeintrags beim letzten Start und der Abkühl-Zeitdauer seit dem letzten Start. Der Energieeintrag kann z. B. mit Gleichung (4) berechnet werden.

Das Ergebnis der Drehzahl- Berechnung wird in Schritt 33 ausgegeben. Wenn die Starter- Drehzahl n gleich der Motordrehzahl ist, wird das Ritzel 7 in Schritt 34 eingerückt.

In den folgenden Schritten 35 und 36 wird der Berechnungs-Algorithmus wiederum kalibriert. Hierzu wird in Schritt 35 die Motor- Drehzahl n _mot gemessen und mit der zuvor berechneten Starter- Drehzahl n verglichen. Bei einer Abweichung wird in Schritt 36 ein Korrekturfaktor k _th für die vom thermischen Modell geschätzte Temperatur ermittelt.

Fig. 3 zeigt die wesentlichen Elemente eines Temperaturmodells des Starters 1, das im vorliegenden Beispiel einen thermischen Widerstand R _Zu ι für die Zuleitungen des Starters 1, eine thermische Kapazität des Ankers C _Ank , einen thermischen Widerstand R _Luf ts _P des Luftspaltes zwischen Bürsten 4 und Anker 2, eine thermische Kapazität der Magneten 3 C _M ag, sowie einen thermischen Ableitwiderstand R _A bi parallel zur thermischen Kapazität C _Mag der Magneten 3 umfasst. Der in das thermische Netz hineinfließende Wärmestrom ist mit dem Bezugszeichen 11 angezeigt.

Der Wärmestrom kann beispielsweise aus einer im System hinterlegten Tabelle ausgele- sen werden. Wahlweise könnte der Wärmestrom auch aus einer Energiebilanz berechnet werden, für die beispielsweise Gleichung (4) angesetzt werden kann.

Der Ankerstrom I kann dabei wahlweise gemessen oder aus der Drehzahlinformation des Motor- Steuergeräts n _mot ermittelt werden. Die Bürstenspannung U _br wird vorzugsweise geschätzt. Als Ergebnis liefert das thermische Modell eine Temperatur bzw. Temperaturänderung, die dann in Gleichung (3) eingesetzt wird.