用于运行内燃机的起动机的方法、监视装置和起动机与流程

本发明涉及一种用于运行特别是商用车的内燃机的起动机的方法、一种用于实施该方法的监视装置和一种带有这种监视装置的起动机。本发明因而特别是涉及汽车特别是商用车的技术领域以及尤其用于商用车的内燃机的起动机的领域。

背景技术：

由于内燃机通常不能自己起动，即在没有辅助情况下起动，所以汽车具有电的起动机(起动器)，该起动机用于使得内燃机运动，以便起动内燃机。与多数轿车相反，商用车比如载重车通常没有例如通过所谓的电池传感器—其可以给出关于商用车中的电池状态的状况—进行电池监视。因而在商用车中通常未提供关于电池电压u0、主电流ibat、电池内部电阻或内阻rbat、电池工作状态(英文：stateofhealth，soh)、电池充电状态(英文：stateofcharge，soc)以及功能状态(英文：stateoffunction，sof)的信息。因此，这种信息无法供在商用车中构造的计算单元(例如电机控制器，英文：enginecontrolunit，ecu)使用，因而不能用来有效地控制电机或起动机和/或把可能的报警提示输出给商用车的驾驶员。

起动机具有起动机电机(电动机)，借助该起动机电机将扭矩施加到待起动的内燃机上，以便起动该内燃机。在起动过程期间—在该期间起动机起动或者试图起动内燃机，大多需要必须供应给起动机的大电流和/或大的电功率。这往往导致开关接触部的大应力，借助该开关接触部来控制或切换电流和/或电功率供应给起动机。特别是由于大电流在开关接触部上会出现磨损，这对其功能不利，或者甚至使其无法工作。例如会出现材料消蚀，这会降低开关接触部的耐久性。

此外，在开关接触部未完全闭合时，特别是在断开和/或闭合期间，由于开关接触部内的高电压和大电流，会出现电弧形成，其中，电流建立了跨越未完全闭合的开关接触部的气隙的路径，形成了等离子体。在这种情况下，由于在开关接触部中和/或上通过大电流和/或电弧引起的高温，闭合的开关接触部会出现熔接，从而开关接触部可以持久地、不受控地给起动机电机供应电流，这大多导致起动机中的损坏。

技术实现要素：

根据本发明，提出具有独立权利要求的特征的一种用于运行特别是商用车的内燃机的起动机的方法、一种用于实施该方法的监视装置和一种带有这种监视装置的起动机。有利的设计是从属权利要求以及后续说明的主题。

本发明提出了一种起动机，其意外失效的风险得到降低或消除。为此，本发明采用在借助开关接触部的起动机电机激活和/或去激活期间确定在起动机的开关接触部内出现电弧形成，并基于此利用剩余寿命估计值。

基于本发明的起动机尤其具有：用于驱动内燃机的起动机电机；和磁性开关，该磁性开关具有电磁的促动器(例如带可移动的衔铁的线圈)和被该促动器触动的开关接触部，其中，该开关接触部接于起动机电机之前，以便使得该起动机电机与供电接头(特别是端子30)连接，或者使得该起动机电机与供电接头断开。此外，可以设置控制接头(特别是端子50)，用于给电磁的促动器通电。

激活起动机电机在此特别是意味着接通起动机电机，即给起动机电机施加电流，以便驱动起动机电机。相应地，起动机电机的去激活尤其意味着切断起动机电机，即特别是使得起动机电机与电源和/或电压源断开。

电弧形成在此尤其是指通过和/或利用开关接触部来产生导电的连接，尽管开关接触部至少未完全处于闭合状态。电弧或者导电的连接在此可以通过包围开关接触部或者透过开关接触部的介质而产生，该介质可以例如是空气。例如，电弧形成可以在火花放电期间产生。特别地，电弧形成可以包括产生等离子体，和/或导致很高的温度，所述温度足以使得开关接触部的接触材料熔化。

“确定出现电弧形成”在此优选是指，发现了表明出现电弧形成的证据。特别地，“确定出现电弧形成”可以包括，在开关接触部中和/或在开关接触部附近发现了特别大的电功率和/或电能的消散。

“确定出现电弧形成”至少有时在起动机电机的激活和/或去激活期间进行，这在此是指，“确定出现电弧形成”并非必定持久地进行和/或在整个起动过程中进行，而是根据优选的实施方式也仅仅在一个或多个时段内进行，例如在起动过程开始和/或结束时进行。

本发明提供了如下优点：通过确定出现电弧形成，可以发现和/或估计出对开关接触部和/或起动机造成的由此引起的磨损和/或由此引起的损坏。本发明因而提供了如下优点：在预估到开关接触部和/或起动机由于一个或多个电弧形成因磨损的原因而出现功能失效之前，可以估计出开关接触部和/或起动机的状态，和/或估计出开关接触部和/或起动机的预期寿命或剩余寿命。换句话说，本发明提供了如下优点：能及时地发现或预测出起动机和/或开关接触部的危急的功能失效。因此本发明能实现向车辆驾驶员指明起动机的已发生的磨损和/或危急的功能失效，以便预防起动机意外地失效。本发明因此提供了如下优点：能够优选地以较小的代价来避免车辆无法发动和/或出故障。

“确定电弧形成”优选包括：确定电弧形成的时长和/或确定由电弧形成所致的能量转换。这提供了如下优点：也可以定量地检测和/或表征一个或多个电弧形成，因而也可以定量地检测和/或表征由此引起的对起动机的开关接触部造成的磨损。因而能以高的可靠性和/或精确度确定剩余的预期工作时长或寿命。

“确定因电弧形成所致的能量转换”优选包括：对在开关接触部中消散的电功率在电弧形成的时长内求积分。这提供了如下优点：因电弧形成引起的磨损能特别精确地予以量化，因而能够特别可靠地确定起动机的状态或剩余寿命。

“在起动机激活期间确定电弧形成”优选包括：在开关接触部闭合时确定电弧形成。替代地或附加地，“在起动机电机激活期间确定电弧形成”优选包括：在开关接触部闭合期间在开关接触部抖动时确定电弧形成。特别地，在起动机电机激活时和/或在开关接触部闭合时开关接触部的接触部件会出现回弹或抖动(英文：contactbounce)，从而闭合的开关接触部的先前产生的电接触一次或多次地短暂地又脱离，以便然后在闭合。在这种抖动期间，开关接触部的两个接触部件的空间距离尤其可以非常小，从而在这段时间内可以有利于在这些接触部件之间出现电弧形成。因而可以特别有利的是，在开关接触部闭合期间进行电弧形成确定，因为在闭合期间有很大的可能性会出现电弧形成。

“在起动机电机去激活期间确定电弧形成”优选包括：在开关接触部断开时确定电弧形成。由于即使在起动机电机去激活期间，即当开关接触部断开时，至少有时在开关接触部的各接触部件之间存在很小的距离，所以即使在开关接触部断开期间也有利于出现电弧形成。因此可以特别有利的是，替代于或附加于在开关接触部闭合时确定电弧形成，也可以在开关接触部断开时进行电弧形成确定。根据优选的实施方式，可以放弃在开关接触部持续不变地断开或闭合期间确定电弧形成，因为根据优选的实施方式，在这些情况下或者在这些时段内，没有或者只有很小的出现电弧形成的危险。

对电弧形成的确定优选基于确定在起动机的用来使得起动机与车载电压电网连接的供电接头上的或者流经该供电接头的电压和/或电势和/或电流来进行。该供电接头尤其可以是起动机的所谓的端子-30-接头。这能以特别可靠的方式实现确定电压的存在和/或改变，和/或确定电流的流动和/或改变，并与所述状态或给定状态相比较。于是，在开关接触部要断开之时或者断开之时确定存在电压和/或确定电流流动，可以例如表明存在电弧形成。此外，这提供了如下优点：可以把“确定电压和/或电流”特别简单地整合在车载电压电网中的合适的位置，由此可以特别成本低廉地和/或以特别低的代价在开关接触部中和/或上确定电弧形成。

优选地，确定电压和/或电势和/或电流在开关接触部的背离起动机电机的一侧进行。替代地或附加地，确定电压和/或电势和/或电流也可以在开关接触部的面向起动机电机的一侧进行。特别优选地，确定电压和/或电势和/或电流在起动机中的位置进行，或者这样进行：借此能确定经由开关接触部流至起动机电机的电流。这提供了如下优点：能以几乎直接的方式确定流经起动机电机和/或开关接触部的电流。

监视装置优选具有两个接头，该监视装置利用这些接头与开关接触部并联地连接。换句话说，监视装置优选设计成能在开关接触部的两侧确定电压和/或电流。这提供了如下优点：能特别可靠地确定在开关接触部上的电压降和/或流经开关接触部的电流和/或在开关接触部中消散的电功率。监视装置因此优选被设计用于至少有时确定在第一位置的电压和/或电势和/或流经该第一位置的电流，和/或至少有时确定在第二位置的电压和/或电势和/或流经该第二位置的电流。以电源为参照，优选第一位置位于开关接触部的输入侧，第二位置位于输出侧。

优选地，监视装置可集成到起动机中，和/或可设置在起动机上。在此，监视装置可以例如加装在已有的起动机中，从而本发明的优点也可以用于已有的通常的起动机。

优选地，监视装置具有和/或构造成电子控制机构比如集成电路和/或微控制器(ic或asic)。这提供了如下优点：监视装置能以特别简单的方式集成到开关接触部和/或起动机中。此外，这优选提供了如下优点：监视装置能以特别成本低廉和/或紧凑的方式提供。

应当理解，在不脱离本发明的范畴的情况下，上述特征和下面还要说明的特征不仅可以以分别给定的组合使用，而且可以以其它组合使用或单独使用。

由说明书和附图可得到本发明的其它优点和设计。

本发明借助实施例在附图中示意性地示出，并将在下面参考附图予以描述。

附图说明

图1为根据一个优选实施方式的商用车的车载电压网络的示意图；

图2～4示出曲线图，这些曲线图说明了根据第一优选实施方式的用来运行或监视起动机的方法；

图5说明了根据另一个优选实施方式的用来运行起动机的方法；

图6说明了根据另一个优选实施方式的用来运行起动机的方法。

具体实施方式

图1所示为根据一种优选实施方式的车辆例如商用车的车载电压网络10的示意图。车载电压网络10在此特别是具有起动机12，该起动机特别是具有：监视装置，其具有电子控制机构14和开关24；磁性开关，其具有电磁促动器(例如带可移动的衔铁的线圈)16和开关触头或开关20；和起动机电机18。起动机电机18的电源接头t45(端子45)在此可经由开关20与起动机12的电源接头t30(端子30)连接，该电源接头又与电压源22电连接。起动机电机18在开关20闭合时由电压源22供应电能，而在开关20断开时与电压源22分开。电压源22优选包括电池和/或发电机或者如此设计。开关20可通过电磁促动器16予以控制或切换，其中，根据该优选的实施方式，该电磁促动器16又可以通过监视装置的开关24予以控制，以便在识别出起动机存在过载时使得起动机电机18与电压源22分开，并由此切断起动机或起动机电机18。起动机的用于电磁促动器的内部的控制接头用t50i(端子t50i)标出，在此与电子测量装置14连接的(外部的)控制接头用t50(端子t50)标出。起动机12在此被设计用于当在控制接头t50上施加合适的信号例如车载电压时触动或起动车辆的内燃机19。

电磁促动器16具有如下功能：在控制情况下借助开关20在电压源22与起动机电机之间产生电接触，并使得起动机的小齿轮与待驱动的内燃机19的齿圈耦联。如果起动机电机与内燃机耦联并且由电压源驱动，则起动机电机对内燃机19的齿圈施加扭矩，以便使得该内燃机运动并由此起动。

此外，车载电压网络10具有计算单元26(例如所谓的电机控制器ecu)，该计算单元与监视装置处于通信连接(虚线)中。车载电压网络10也具有保险箱28，例如熔断保险件位于该保险箱中，以便在车载电压网络10中的电流过高情况下禁止该电流，并且保护车载电压网络10及其电负载免受损坏。其它位于车载电压网络10中的电负载示意性地用部件30来表示，该部件可以例如包括空调压缩机、导航系统和/或供暖系统。

提供给起动机12并且通常提供给车载电压网络10的电压一方面由电压源22的电势提供，另一方面由接地电势32提供。

在起动机12中，全部的组件都由电压源22供应电压，也就是说，特别是监视装置的电子控制机构14以及磁性开关的电磁促动器16可以由电压源22供应电压。

根据所示优选实施方式的监视装置被设计用于在点t30和t45求取或测量电压u30或u45和/或电流i30或i45，以便基于所求得的电压和/或电流监视起动机12的工作，特别是以便识别出在开关20中的电弧形成。

监视装置特别是与计算单元26通信，该计算单元可选地可以参与识别电弧形成。例如，监视装置可以被设计用于基于所求得的电压和/或所求得的电流将信号传递至计算单元。计算单元可以被设计用于基于分析和/或基于由监视装置提供的信号必要时识别起动机存在电弧形成。换句话说，对所求得的电压u30和/或u45或电流i30和/或i45的分析可以已经在监视装置14中进行，和/或借助于由计算单元26的监视装置14提供的信号在计算单元26中进行。

此外根据第一优选的实施方式，监视装置代替通常构造的机电的前置继电器，该前置继电器通常即在没有监视装置情况下控制磁性开关。

下面参照图2～4介绍根据第一优选实施方式的用于运行或监视起动机12的方法。

所述方法根据该优选的实施方式是特别有利的，因为在开关20断开时，电流也会通过未完全闭合的或者部分断开的机械的接触部而引起电弧形成。在此，电弧形成对于接触部出现的磨损来说至关重要，因为特别是沿车辆的长时间的使用期间预期在很多起动过程中重复地形成电弧。特别地，在电弧形成时电功率转变为热量会对开关20特别是机械的接触部位加热，从而达到机械的接触部位或接触材料的熔点温度，由此开关20和/或机械的接触部位发生严重的材料消蚀和/或熔接，从而起动机电机18以不受控的方式与电压源22连接，并且在起动机电机18过载情况下才通过触发过载保护装置而与电压源22断开。但这可以通过采用下述的方法根据优选实施方式予以防止。

根据第一优选的实施方式，在第一步骤中在起动过程开始时—这应称为时段a—并且在第二步骤中在起动过程结束时在开关接触部断开或者起动机电机去激活时—这应称为时段b—获知电弧形成。

在起动过程开始时的时段a可以特别是与起动过程的预旋转阶段在时间上重叠，其中，预旋转阶段是一个时段，在该时段内起动机电机18准备好驱动或起动内燃机19。例如，预旋转阶段可以包括或者局限于如下时段：在该时段内，起动机电机18尚未与内燃机19机械地耦联。与此不同地可以存在驱动阶段，该驱动阶段包括或者局限于如下时段：在该时段内，起动机电机18与内燃机19机械地耦联，以便能够机械地驱动内燃机19。

在时段a中，特别是在闭合的开关接触部或开关20抖动期间，在两个接触部件之间会出现小的气隙，从而开关20在短暂的时段内未完全闭合，并且由于未完全闭合的开关20的气隙在抖动期间会有电流流动，形成电弧。根据该优选的实施方式，电弧形成的这种形式通过求取在车载电压网络10中的点t30或t45处的电压u30和u45来获知。在接触部或开关20完全闭合情况下，无论电压u30还是电压u45都骤降基本上相同的值或量值，从而预期的电压骤降在点t30和t45处基本上相同大小。换句话说，这意味着，在开关20完全闭合时，在点t30和t45之间不存在明显的电势差。

这是因为，完全闭合的开关20具有很小的电阻rkontakt，该电阻与点t30和t45之间的电压差δukontakt满足如下关系，其中，ikontakt表示流经开关20的电流：

u30-u45＝δukontakt＝rkontakt·ikontakt。

如果该电压差δukontakt达到和/或超过了预定的阈值δukontakt,limit，则这可以是形成电弧的证据。因此，用数学公式表示，根据该优选的实施方式，在存在如下关系式时可以认为或者确认电弧形成：

δukontakt>δukontakt,limit。

点t30和t45之间的电压差的预定的阈值δukontakt,limit可以例如通过相应的测量在具有这种起动机12的内燃机19的电机测试期间求取，并且优选也被考虑用于以相同系列生产的其它内燃机19。阈值δukontakt,limit在此可以作为恒定的即不随时间改变的值存在，和/或例如在起动机和/或内燃机19的工作期间予以调整，以便考虑或者一同考虑在起动机12和/或内燃机19的寿命期间接触电阻rkontakt的可能的变化。

在时段a期间电弧形成的时长和/或大小可以例如通过在起动过程开始期间在接触部的有时多次的回弹期间出现的电弧形成的时长和/或大小的累加而产生。

图2示范性地在曲线图2000中示出电压u30(曲线2010)、电压u45(曲线2012)和与其相比较的在点t50(见图1)施加的u50(曲线2014)的时间曲线，在该曲线图中，在水平轴2002上以秒绘出时间，并在竖直轴上以任意单位绘出电压。特别是在起动过程开始时，即在大致从时间点0.0s延续至大约0.1s的时段a2020内，在此可以观察到接触部的回弹和在这种情况下出现的因电压剧烈振荡所致的电弧形成。

图3以曲线图3000示出图2的曲线图2000的大约50ms～大约70ms的时段的放大图。在此能清楚地看到接触部的回弹或者在这种情况下出现的电弧形成3010，因为在此在时间点大约61ms处电压u30(曲线2010)大致与电压u45(曲线2012)相反地发展，因而形成了明显的电压差δukontakt。因而可以借此基于适当地选取阈值δukontakt,limit来识别出或者发现电弧形成，该阈值在接触部回弹时或者在电弧形成时被δukontakt超过。

在起动过程结束时，此时开关20闭合，例如通过将电磁的促动器16去激活，可以再次出现电弧形成。

如图4中可见，当开关20或接触部在约为6.07s的时间点3020断开时，电压u50(曲线2014)在点t50迅速下降。根据预期，在接触部断开时，电压u30(曲线2010)升高，而电压u45(曲线2012)下降，这是因为起动过程结束了。然而，这首先导致电弧形成3030，如特别是借助电压u45(曲线2012)的缓慢下降和电流i30(曲线4010)的时间曲线的同时出现的凸肩可见，其中，后者以任意单位在轴2006上绘出。该电弧形成3030也会在开关20中的接触区域内由于接触材料的熔融而导致显著的材料消蚀。无论针对于每次单独的起动过程还是在多次的和/或优选全部的起动过程中，在电弧形成时传输的或者转换的电能或电功率在此可以被考虑用于求取开关20的接触区域的磨损或退化程度。

电弧形成的时长和/或程度可以基于所求取的开始时间点tstart和结束时间点tend来表示，其中，开始时间点tstart和结束时间点tend又借助上述电压差δukontakt及其与阈值δukontakt,limit的比例来求取。于是可以例如当电压差达到和/或超过阈值时存在开始时间点tstart，并且当电压差又下降到该阈值以下时达到结束时间点tend。替代地或附加地，对开始时间点tstart的求取也可以借助电流i30(曲线4010)的时间曲线来进行。特别地，结束时间点tend也可以这样来确定或求取：电流i30(曲线4010)下降到相应的阈值i30limit以下，该阈值可以例如设定为0a或几乎为0a。因而可以特别是当满足如下条件时达到结束时间点tend：

i30<i30limit≈0a。

如图4中可见，在接触部断开时，电弧形成首先导致电流i30(曲线4010)减小至大约20a，然后在形成电弧的情况下电流i30(曲线4010)大致直线地下降到结束值。在这种情况下在接触部上耗散的电功率可以导致接触部急剧地加热，由此接触材料会快速地熔化，并且会导致接触部受损。

借助图5将介绍用于运行起动机12的另一方法，采用该方法能够基于目前累计的电弧形成时长来求取出起动机12或开关20的预期寿命。

图5示出一种曲线图5000，其中，在水平轴5002上绘出已经进行的起动过程的次数，并在竖直轴5004上绘出在这种情况下累计的全部的电弧形成时长。

基于该方法，例如可以根据参照图2～4介绍的方法在每个启动过程中求取电弧形成时长。在这里，在每个启动过程中，在此求得的电弧形成时长与先前累计的电弧形成时长累加起来，由此更新的全部的电弧形成时长在曲线图5000中作为相应的测量值5010示出。为了求取预期的寿命5020，然后对目前的启动过程的所求取的更新的电弧形成时长5010予以近似和推算，从而借助推算5040可以估计出达到预定的最大的电弧形成时长5030，进而估计出最大预期的寿命5020。因而当全部累计的电弧形成时长达到和/或超过预定的电弧形成时长5030时，达到最大预期的寿命5020。寿命和/或最大寿命并非必须被求取为时段，而是也可以求取为剩下的起动过程的次数。

例如可以基于此来确定在预期达到最大寿命5020之前还能进行多少次起动过程。此外，可以基于还剩下的起动过程并基于先前的起动过程的规律或频繁度来推断出直至达到最大寿命5020还剩下的预期时长。这两者能实现让驾驶员及时地得到提示和/或警报，然后要对车辆予以检修，以便避免由于起动机12损坏而造成车辆无法发动。

对有时求取的累计的时长5010的推算5040可以利用最佳合适的函数来进行，采用该函数能以最小的偏差来近似先前的值。例如，线性的和/或平方的和/或立方的函数可以适合于近似和/或推算累计的电弧形成时长的先前值5010的曲线。为了推算，顾及到或者考虑到累计的电弧形成时长的优选至少两个所求取的值5010。

对于一定的开关20来说—具有一定的接触材料和一定的接触部断开与闭合动态特性及特定于应用的通过接触部特别是借助于电弧形成的能量传输性，可以例如借助模拟和/或计算和/或也可以根据经验求取和预先确定最大的电弧形成时长5020。替代地或附加地，可以在求取和/或确定最大的电弧形成时长5020时考虑对组件比如起动机12测试，或者对整个内燃机19连同起动机12在内进行测试。

此外，可以预先确定最大寿命的前期阶段5050，在达到该前期阶段时要向驾驶员输出报警提示。例如，在每次起动过程中都可以把先前的寿命或者已经经过的起动过程的次数与该前期阶段5050相比较，并且在达到或者超过该前期阶段5050时引起输出报警提示。

下面借助图6介绍用于运行起动机12的另一优选的实施方式，该实施方式在很多方面都相应于参照图5介绍的实施方式，其中，与其不同地，根据该优选的实施方式，为了求取预期的寿命，并未基于先前累计的电弧形成时长，而是基于先前累计的通过电弧形成而消散的电功率。

相应地，在曲线图6000中在水平轴6002上绘出已经经过的起动过程的次数，并在竖直轴6004上绘出在这种情况下累计的通过电弧形成而消散的电能。相应于先前的实施方式，对全部累积的通过电弧形成而消散的电能的在各次起动过程中求取的累计值6010予以近似和推算，从而把推算6040与最大寿命6020和最大消散量6030的预先确定的前期阶段6050相比较。在达到最大消散量6030时，因而就达到了最大寿命6020，并且预期起动机12因电弧形成所致的磨损而失效。

在起动过程中消散的电能e可以通过电压差δukontakt与电流i30的乘积在电弧形成时长内的积分来得到：

时间点tstart和tend在此相应于在电弧形成开始或结束时的相应时间点。如果一个起动过程具有多个在时间上彼此分开的电弧形成，则可以把在这种情况下消散的各个能量累加起来。

最大消散量6030即最大可消散的能量—在其达到时就认为起动机18失效或者出于其它原因将其确定为阈值—可以借助模拟和/或计算和/或也可以根据经验予以求取和预先确定，且可以例如与开关20的接触材料和/或接触部断开与闭合动态特性有关。

由累积的通过电弧形成而消散的电能的最近求取的值6010得到的和/或由推算6040得到的时间点6020在此相应于最大寿命的结束。如果剩下的寿命相比于由前期阶段6050得到的时间点比较短，则可以有利的是，在需要维护方面输出报警提示。