Beschreibung

Titel

Startvorrichtung mit Temperaturkompensation

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Startvorrichtung für Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Verbrennungsmotoren der meisten heutigen Fahrzeuge werden mittels eines so genannten Ritzelstarters gestartet. Bekannte Ritzelstarter umfassen ein so genanntes Einrückrelais, das einen Einrückhebel anzieht, der das Ritzel in den Zahnkranz des Verbrennungsmotors ein- spurt. Wenn das Einrückrelais vollständig angezogen hat, wird automatisch ein Schalter betätigt, der im Strompfad des Elektromotors vorgesehen ist. D.h. das Einzugsrelais erfüllt zwei Aufgaben: Zum einen bewegt es das Ritzel nach vorne und spurt es in den Zahnkranz des Verbrennungsmotors ein; zum anderen schaltet der Relaisanker kurz vor seiner Endlage den Hauptstromschalter des Starters, so dass letzterer sich zu drehen beginnt.

Beim Anziehen des Starterrelais kommt es zu einer Geräuschentwicklung, die vor allem darauf beruht, dass das Ritzel mit seiner seitlichen Flanke gegen die Flanke des Zahnkranzes schlägt. Bei Fahrzeugen, die für einen Start- Stopp- Betrieb ausgelegt sind, wird das Starterrelais um ein Vielfaches öfter betätigt als bei Fahrzeugen ohne Start- Stopp-System. Gerade bei solchen Fahrzeugen ist das vorstehend beschriebene Einspurgeräusch daher besonders störend. Zur Geräuschreduktion ist es bekannt, zweistufige Einzugsrelais zu verwenden. Mit diesen wird das Starterritzel nach dem Ausschalten des Verbrennungsmotors zunächst vor- eingespurt und verbleibt in dieser Halteposition, bis ein neuer Startwunsch erkannt wird. In der Halteposition wird der Hauptstrom zum Startermotor noch nicht geschaltet. Erst beim Signal „Starten" wird der Anker des Relais vollständig eingezogen und der Hauptstromschalter geschlossen. Beim Voreinspuren ist die Dynamik bzw. Geschwindigkeit, mit der sich das Ritzel nach vorne bewegt, wesentlich kleiner. Das zweistufige Relais hat somit den Vorteil, dass das Einspurgeräusch stark verringert werden kann.

Um das Ritzel in die Halteposition zu bewegen und dort zu halten, wird bei den bisherigen Startern eine Stromregelung durchgeführt. Dabei wird die Durchflutung der Wicklung so geregelt, dass sich ein Gleichgewicht zwischen den Federkräften (in Rückwärtsrichtung) des Relais und der Einzugskraft (in Vorwärtsrichtung) des Relaisankers einstellt, wenn sich das Ritzel in der Halteposition befindet.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines bekannten Ritzelstarters zum Starten eines Verbrennungsmotors. Der Ritzelstarter umfasst ein Starterrelais 1, mittels dessen ein Hauptstrompfad 7 zum Startermotor 4 geschlossen bzw. geöffnet werden kann. Bei einem Startwunsch, wie z.B. dem Betätigen des Fahrpedals (bei Fahrzeugen mit Start- Stopp- Einrichtung), wird das Relais 1 über die Versorgungsleitung 8 bestromt und zieht an. Dadurch wird das Ritzel 5 über einen Einrückhebel 11 nach vorne bewegt, bis es in einen Zahnkranz 6 des Kfz-Verbrennungsmotors (nicht gezeigt) einspurt.

Der Starter wird gemäß dem Stand der Technik in einem zweistufigen Verfahren betrieben. Nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors wird die Wicklung des Relais 1 zunächst so bestromt, dass das Ritzel 5 in den Zahnkranz 6 des Verbrennungsmotors einrückt und in dieser Halteposition verbleibt. Der bewegliche Teil 2 des Schalters 9 berührt in diesem Zustand die zugehörigen Kontakte 3 noch nicht, d.h. der Schalter 9 ist noch geöffnet. Um das Ritzel 5 in der Halteposition zu halten, wird eine Stromregelung durchgeführt. Die auf den Anker 12 wirkenden magnetischen Kräfte (in der Figur nach rechts) stehen dabei im Gleichgewicht zu den Federkräften (in der Figur nach links gerichtet). Erst wenn ein Startsignal erkannt wird, wird der Anker 12 vollständig eingezogen und der Hauptstromschalter 9 geschlossen. Der Elektromotor 4 beginnt sich dann zu drehen.

Diese Stromregelung ist relativ aufwendig, war jedoch erforderlich, da im Motorraum eines Kfz relativ starke Temperaturschwankungen möglich sind. Das Einzugsrelais kann dabei Temperaturen in einem Bereich von etwa -30 ⁰ C (Kaltstart- Temperatur) bis zu einer oberen Grenztemperatur von etwa 130 ⁰ C ausgesetzt werden. Der Widerstand der Erregerwicklung des Relais verändert sich in diesem Temperaturbereich um etwa 70%. Durch die Stromregelung kann die änderung des Spulenwiderstandes kompensiert und eine gleich bleibende Einzugskraft erreicht werden.

Offenbarung der Erfindung

Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Startervorrichtung mit einem zweistufigen Starterrelais zu schaffen, bei der eine Stromregelung nicht mehr erforderlich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patenanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, das Starterrelais mit wenigstens zwei Wicklungen zu realisieren, die unabhängig voneinander betrieben werden können. (Als „Wicklung" sollen hier auch Wicklungsabschnitte verstanden werden, die unabhängig voneinander betreibbar sind). Dabei wird eine erste Wicklung dazu verwendet, das Ritzel bzw. ein anderes Kopplungselement in die Halteposition zu bewegen. Die zweite Wicklung dient erfindungsgemäß dazu, das Relais vollständig anzuziehen und somit den Hauptstromschalter des Elektromotors zu schließen. Zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Spulenwiderstandes ist im Strompfad wenigstens einer der Wicklungen ein NTC- Element (NTC: Negative Temperature Coefficent) angeschlossen. Das NTC- Element ist dabei in Serie zur betreffenden Relaiswicklung geschaltet. NTC- Elemente haben einen negativen Tem- peraturkoeffizienten, d.h. einen Widerstand, der mit steigender Temperatur abnimmt. Der mit der Temperatur steigende Widerstand der Relaiswicklung kann somit kompensiert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das erfindungsgemäße NTC- Element im Strompfad der ersten Relaiswicklung vorgesehen, die zum Voreinspuren des Ritzels bzw. ersten Kopplungselements dient. Im Strompfad der anderen Relaiswicklung ist vorzugsweise kein NTC-Element vorgesehen.

Zum selektiven Ansteuern der einzelnen Wicklungen ist vorzugsweise je ein Schalter in deren Stromkreis vorgesehen. Die einzelnen Schalter sind vorzugsweise mit einem Steuergerät verbunden und können von diesem situationsabhängig angesteuert werden.

Die Relaiswicklungen können wahlweise als Wicklungsabschnitte einer durchgehenden Wicklung oder als separate Wicklungen realisiert sein. Im ersteren Fall umfasst die Gesamtwicklung z. B. einen Mittenabgriff.

Die Relaiswicklungen wirken vorzugsweise auf dasselbe Betätigungselement, wie z.B. einen Relaisanker.

Das erfindungsgemäße Einzugsrelais kann auch mehr als zwei Wicklungen umfassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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

Fig. 1 einen bekannten Starter für Kfz-Verbrennungsmotoren mit zweistufigem Einzugsrelais;

Fig. 2 ein Schaltbild des Starterstrom kreises mit einem zweistufigen Einzugsrelais;

Fig. 3a Kraft-Hub-Kennlinien bei unterschiedlichen Temperaturen und einem Starterrelais ohne NTC-Widerstand; und

Fig. 3b Kraft-Hub-Kennlinien bei unterschiedlichen Temperaturen und einem Starterrelais mit NTC-Widerstand.

Ausführungsformen der Erfindung

Bezüglich der Erläuterung von Fig. 1 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen. Fig. 2 zeigt das elektrische Schaltbild einer Startvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die ohne Stromregelung auskommt. Das Starterrelais 1 ist hier zweistufig aufgebaut und umfasst eine erste Wicklung 14 und eine zweite Wicklung 15, die getrennt voneinander ansteuerbar sind. Im Strompfad der beiden Wicklungen 14,15 ist jeweils ein Schalter Sl bzw. S2 angeordnet, mit denen die Wicklungen 14,15 separat ein- bzw. ausgeschaltet werden können. Die Schalter sind mit einem Steuergerät 10 verbunden und werden von diesem situationsabhängig angesteuert. Das Steuergerät 10 ist vorzugsweise das Steuergerät, in dem der Start- Stopp-Algorithmus hinterlegt ist. Der in den Wicklungen 14,15 erzeugte magnetische Fluss wirkt hier auf einen gemeinsamen Anker 12. (Verschiedene Anker wären natürlich auch denkbar).

Das Starterrelais 1 hat zwei Funktionen; zum einen das Einspuren des Ritzels 5 in den Zahnkranz 6 des Verbrennungsmotors sowie das Halten des Ritzels 5 in dieser Halteposition, und zum anderen das Schließen des im Hauptstrompfad 7 des Elektromotors 4 angeordneten Schalters 9. Zum Starten des Verbrennungsmotors wird das Ritzel 5 zunächst - z. B. unmittelbar nach dem Ausschalten des Verbrennungsmotors - in die Halteposition gebracht. Hierzu wird der Schalter Sl geschlossen, der Schalter S2 bleibt geöffnet. Die Voreinspur- wicklung 14 wird dann von der Batterie 17 über den Zündschalter 16 und den Schalter Sl mit elektrischer Leistung versorgt.

Im Strompfad 8a der Voreinzugswicklung 14 ist ein NTC-Widerstand 13 angeordnet. Dieser ist wegen seines negativen Temperaturkoeffizienten in der Lage, den positiven Temperaturkoeffizienten der Voreinzugswicklung 14 bei Temperaturschwankungen zu kompensieren. Der Gesamtwiderstand der Anordnung und somit auch der durch die Wicklung 14 fließende Strom sind somit im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur. Es stellen sich daher ein relativ gleichmäßiger Stromfluss durch die Wicklung 14 und relativ konstante Relaiskräfte ein, die das Ritzel 5 in der Halteposition halten.

Bei einem Startwunsch wird zusätzlich der Schalter S2 geschlossen und somit die Einzugswicklung 15 bestromt. Der Anker 12 wird dadurch entgegen der Federkraft in seine Endposition (hier nach links) bewegt und schließt den Hauptschalter 9. Der Elektromotor 4 wird somit von der Batterie 17 mit elektrischer Leistung versorgt und beginnt sich zu drehen.

Fig. 3a zeigt verschiedene Kraft-Hub-Kennlinien des Relais 1 bei einer Ausführungsform des Starterstromkreises ohne NTC-Widerstand 13. Dabei zeigt die Kennlinie 18 den Verlauf der Federkennlinie. Die Kraft-Hub-Kennlinie bei maximaler Temperatur (z.B. 130 ⁰ C) ist mit dem Bezugszeichen 19, und die Kraft-Hub-Kennlinie bei Kaltstart- Temperatur mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichnet.

Die Federkennlinie 18 zeigt am Ort S ₀ eine Barriere 21, die die Halteposition des Ritzels 5 definiert. Wenn die auf den Anker 12 ausgeübte Kraft innerhalb der Barriere 21 (der gesamten senkrechten Linie) liegt, bleibt das Ritzel 5 in der Halteposition stehen. Die Relais- Kraft 19 bei 130 ⁰ C liegt hier oberhalb der Federkennlinie 18 und innerhalb der Barriere 21. Das Ritzel 5 wird somit eingespurt und bleibt in der Halteposition S ₀ stehen. Bei einem Kaltstart (Kennlinie 20) ist die Relais- Kraft dagegen wesentlich höher und übersteigt auch die Barriere 21. Es besteht somit die Gefahr, dass der Hauptschalter 9 unabsichtlich geschlossen wird.

Fig. 3b zeigt die Kraft-Hub-Kennlinien 19,20 für die Schaltung gemäß Fig. 2 mit eingebautem NTC-Widerstand 13. Wie zu erkennen ist, liegen beide Kennlinien 19,20 oberhalb der Federkennlinie 18. In diesem Fall übersteigt die Kaltstartkennlinie 20 die Barriere 21 jedoch nicht. Das Einzugsrelais kann somit im gesamten Temperaturbereich problemlos betrieben werden.