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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine
nach der Gattung des ersten unabhängigen Hauptanspruchs. Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine.
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Zur
Reduzierung des Verbrauchs und der Emissionen von Kraftfahrzeugen
finden zunehmend sogenannte Start-Stopp Verfahren Verbreitung. Bei den
derzeitigen Start-Stopp Verfahren erfolgt der Motorstart mittels
einer elektrischen Maschine, wie z.B. einem Riemen- oder Kurbelwellen-Starter-Generator oder
auch einem üblichen
Starter. Typischerweise erfolgt der Start, indem beim Hochdrehen
der Brennkraftmaschine durch Einspritzen von Kraftstoff und nachfolgender
Zündung
ein Drehmoment der Brennkraftmaschine erzeugt wird, wobei bei ausreichender Drehzahl
der Brennkraftmaschine der Starter wieder ausgerückt wird.
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Aus
der
EP 1 036 928 A2 ist
eine Startvorrichtung bekannt, bei der beim Abstellen der Brennkraftmaschine
zumindest ein in Kompression gehender Zylinder identifiziert wird,
und bei Vorliegen einer Startanfrage in diesen Zylinder Kraftstoff
eingespritzt wird.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, dass ein Erfassungsmittel Betriebsparameter einer Brennkraftmaschine
erfasst, wobei ein Berechnungsmittel unter Berücksichtigung der erfassten
Betriebsparameter vor einem Start der Brennkraftmaschine eine Startstrategie
vorgibt, wobei das Berechnungsmittel in Abhängigkeit von der vorgegebenen
Startstrategie Steu ergrößen zur
Steuerung eines Motorhochlaufs festlegt,
und ein Kontrollmittel
den Motorhochlauf überwacht,
und
bei einem von der Startstrategie abweichenden Motorhochlauf die
Steuergrößen entsprechend
anpasst.
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Das
entsprechende erfindungsgemäße Verfahren
hat dementsprechend den Vorteil, dass vor einem Start der Brennkraftmaschine
unter Berücksichtigung
von erfasste Betriebsparametern eine Startstrategie zum Starten
der Brennkraftmaschine vorgegeben wird und dass in Abhängigkeit
von der vorgegebenen Starstrategie Steuergrößen zur Steuerung eines Motorhochlaufs
festgelegt werden und der Motorhochlauf überwacht wird und bei einem
von der Startstrategie abweichenden Motorhochlauf die Steuergrößen so angepasst
werden, dass ein durch die Startstrategie vorgegebener Motorhochlauf
erreicht wird.
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Dieses
Vorgehen hat den besonderen Vorteil, dass bereits vor dem Start
der Brennkraftmaschine, also noch bevor die Kurbelwelle in Bewegung versetzt
wird, eine Startstrategie, nach der der Start und der entsprechende
Motorhochlauf erfolgen soll, festgelegt wird. Insbesondere kann
die Startstrategie den unterschiedlichen vorliegenden Startbedingungen,
die sich in Abhängigkeit
von den Betriebsparameter ermitteln lässt, angepasst werden, so dass
der Start der Brennkraftmaschine optimal erfolgen kann. Da bereits
vor dem Start in Abhängigkeit
von der festgelegten Startstrategie Steuergrößen bestimmt werden, ist in
vorteilhafter Weise der gemäß der Steuerstrategie
zu erwartende Motorhochlauf bekannt. Weicht der überwachte Motorhochlauf von
dem zu erwartenden Motorhochlauf ab, so ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
die Steuergrößen derart
anzupassen, dass der Motorhochlauf so erfolgt, dass die Startstrategie
optimal umgesetzt wird.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch
angegebenen Verfahrens möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das Erfassungsmittel eine Kolbenposition
mindestens eines Zylinders erfasst, und ein Berechnungsmittel unter Berücksichtigung
der mindestens einen erfassten Kolbenposition vor einem Start der
Brennkraftmaschine eine Startstrategie vorgibt. In Abhängigkeit von
einer bekannten Kolbenposition mindestens eines Zylinders sind alle
weiteren Arbeitstakte vor Beginn des Starts zu bestimmen und so
ist es in vorteilhafter Weise möglich
sowohl die Starstrategie und als auch die Steuergrößen darauf
entspre chend anzupassen.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn das Erfassungsmittel eine Kolbenposition
mindestens eines Zylinders erfasst, der beim Start zuerst in Kompression
oder in einen Saugtakt geht, und das Berechnungsmittel mindestens
unter Berücksichtigung
der erfassten Kolbenposition vor einem Start der Brennkraftmaschine
eine Startstrategie vorgibt. Ist bei einer direkteinspritzenden
Brennkraftmaschine die Kolbenposition eines zuerst in Kompression
gehenden Zylinders bekannt bzw. bei einer Brennkraftmaschine mit
Saugrohreinspritzung die Kolbenposition des zuerst in den Saugtakt
gehenden Zylinders bekannt, kann die Startstrategie in vorteilhafter
Weise darauf abgestimmt werden. So kann es beispielsweise bei einer
ungünstigen
Kolbenposition vorgesehen sein auf eine Einspritzung in diesem Zylinder
oder im Saugrohr in dem relevanten Takt zu verzichten und die Startstrategie
darauf entsprechend einzustellen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass ein
Speichermittel die von dem Kontrollmittel beim Motorhochlauf angepassten
Steuergrößen abspeichert,
und dass das Kontrollmittel, bei einem wiederholten von der Startstrategie
abweichenden Motorhochlauf auf die abgespeicherten Steuergrößen zurückgreift.
So kann bspw. aus einem adaptiven Kennfeld in vorteilhafter Weise
bei einem erneuten Start auf bewährte
Steuergrößen zurückgegriffen
werden, so dass der Motorhochlauf von Beginn an optimal verlaufen
kann.
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Weiterhin
ist von Vorteil, wenn bei einer Brennkraftmaschine mit variabler
Ventilsteuerung, das Berechnungsmittel Steuergrößen für eine Ventilsteuerung derart
festlegt, dass der Motorhochlauf der vorgegebenen Starstrategie
folgt. So ist es in vorteilhafter Weise möglich, weitere Einflussmöglichkeiten zu
nutzen, um einen Motorhochlauf optimal zu gestalten.
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Weiterhin
ist von Vorteil, wenn bei einer Brennkraftmaschine mit variabler
Verdichtung, das Berechnungsmittel Steuergrößen für eine Verdichtungssteuerung
derart festlegt, dass der Motorhochlauf der vorgegebenen Startstrategie
folgt. So ist es in vorteilhafter Weise möglich, weitere Einflussmöglichkeiten
zu nutzen, um einen Motorhochlauf optimal zu gestalten.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn die Startstrategie Steuergrößen festlegt,
die einen Starter oder Starter-Generator in Leistung und/oder Drehzahl
variabel über
die Zeit an steuern. Dies hat den Vorteil, dass mit einem variabel
ansteuerbaren Starter auch die Gemischaufbereitung während der
Verdichtungs- bzw. Saugphase, die bei der Verdichtung im Brennraum
entstehende Temperatur und das vom Starter abgegebene Drehmoment
angepasst werden können
und so weitere Freiheitsgrade zur Festlegung einer Startstrategie
und zur Durchführung
eines optimalen Starts bietet.
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Gemäß eines
weiteren Ausführungsbeispiels ist
es vorgesehen, dass das Berechnungsmittel in Abhängigkeit von den vor dem Start
der Brennkraftmaschine erfassten Betriebsparameter einen möglichen
Selbstentzündungs-Betriebszustand
der Brennkraftmaschine erkennt und eine Startstrategie vorgibt,
die diesen Selbstentzündungs-Betriebszustand verhindert.
Anhand der erfassten Betriebsparameter ist es in vorteilhafter Weise
möglich,
einen potenziellen Selbstentzündungs-Betriebszustand
vorherzusagen und die vorzugebene Startstrategie so anzupassen,
dass dieser Betriebszustand vermieden bzw. verhindert wird.
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Weiterhin
ist es von besonderem Vorteil, wenn die erfindungsgemäßen Vorrichtungen
auch als Verfahren ausgestaltet sind
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Computerprogramm-Produkt
mit Programmcode vorgesehen, wobei der Programmcode auf einem maschinenlesbaren
Träger
gespeichert ist, zur Durchführung
mindestens eines der erfindungsgemäßen Verfahren, wenn das Programm
auf einem Computer oder Steuergerät ausgeführt wird. Dies hat den besonderen
Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren
unabhängig
von einer Vorrichtung zur Verfügung
gestellt werden kann.
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Zeichnungen
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Dabei bilden
alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination
den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung
in den Patentansprüchen
oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig von
ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in
den Zeichnungen.
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Es
zeigen
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1 schematisch
den Ablauf eines Start-Stopp-Betriebes;
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2 schematisch
die Überwachung
des Motorhochlaufs;
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3 schematisch
ein erfindungsgemäßes Steuergerät.
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Beschreibung
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Die
Erfindung geht von der Überlegung
aus, dass bereits vor dem Starten der Brennkraftmaschine ausgehend
von erfassten oder ermittelten Betriebsparametern eine Startstrategie
festgelegt wird, anhand dessen Steuergrößen für den Motorhochlauf festgelegt
werden.
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Insbesondere
ist es hilfreich bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen die
Kolbenposition des zuerst in Kompression gehenden Zylinders zu ermittelt
und bei Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung die Kolbenposition
des zuerst in die Saugphase gehenden Zylinders zu ermitteln.
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Zur
Identifikation des Startzylinders kann beispielsweise ein Absolutwinkelsensor
eingesetzt werden, der an der Nocken- und/oder Kurbelwelle montiert
ist und die momentane Winkellage der Kurbelwellen angibt. Der Absolutwinkelsensor
erlaubt es weiterhin, das Steuergerät schneller mit der Brennkraftmaschine
zu synchronisieren, als es mit den herkömmlichen Synchronisationsverfahren über Bezugsmarken
am Kurbelwellengeberrad und/oder einem Phasengeberrad an der Nockenwelle
möglich ist.
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1 zeigt
schematisch den Ablauf eines erfindungsgemäßen Start-Stopp-Betriebs. Im
Schritt 10 befindet sich das Steuergerät in einer Vorstart-Phase.
Im Start-Stopp-Betrieb bleibt die Zündung (KL15) entweder eingeschaltet
oder wird in definierten Zeitabständen kurzzeitig bestromt, so
dass das Steuergerät
regelmäßig an der
Versorgungsspannung anliegt. Dadurch wird die sonst notwendige Neusynchronisation
des Steuergeräts
mit dem Motor beim Start unnötig,
und die verschiedenen Betriebsparameter relevanter Motorfunktionen
werden regelmäßig aktualisiert.
Alternativ kann diese Aufgabe auch nur von einer speziellen Teilfunktion
im Steuergerät während der
Stopp-Phase übernommen
werden, so dass nicht immer das gesamte Steuergerät aktiviert werden
muss.
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Im
Schritt 20 werden dann relevante Betriebsparameter erfasst.
Folgende Betriebsparameter kommen als Eingangsgrößen beispielsweise in Frage:
Startzylinder, Kolbenpositi on, Motor-, Motoröl-, Kühlwasser-, Ansaugluft-, Umgebungsluft-,
Katalysator- und Kraftstofftemperatur, Kraftstoffrail-, Umgebungsluftdruck,
Kraftstoffqualität,
Batteriespannung, Ventilsteuerzeiten, -hub, Verdichtungsverhältnis, Gang,
Kupplung, Stellung Drosselklappe, Gaspedal-, Bremspedalstellung,
Zeit und andere.
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Ausgehend
von der erfassten oder ermittelten Betriebsparametern wird eine
Startstrategie bestimmt anhand dessen Steuergrößen für einen Motorhochlauf festgelegt
werden. Eine Startstrategie kann beispielsweise einen Kaltstart
oder Heißstart berücksichtigen
oder einen Start-Stopp-Betrieb oder darauf ausgerichtet sein einen
schnellen Motorhochlauf zu realisieren oder einen Motorhochlauf derart
gestalten, dass Selbstentzündungsbetriebszustände vermieden
werden.
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Im
Schritt 30 wird überprüft, ob die
Startstrategie durchgeführt
werden kann. Sind Bedingungen für
die Startstrategie ungünstig
oder nicht erfüllt
wird zum Schritt 100 verzweigt, in dem entschieden wird, ob
ein in der Zündfolge
nachfolgender Zylinder ausgewählt
wird – Schritt 100 – oder ob
ein alternativer Startvorgang eingeleitet wird – Schritt 120.
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Liegen
geeignete Bedingungen zur Durchführung
der Startstrategie vor, werden im Schritt 40 relevante
Steuergrößen ausgelesen.
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Relevante
Steuergrößen sind
beispielsweise: Einspritzzeitpunkt, -Winkel, -menge; Zündzeitpunkt,
-Winkel; abzugebendes Motormoment; Zeit- oder Winkeldauer der Ansteuerung
des Starters; Ventilsteuerzeiten, -hub; Verdichtungsverhältnis; Stellung
Drosselklappe, Abgasrückführventil
und weitere.
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Im
Schritt 50 werden die Steuergrößen an die jeweiligen Komponenten
ausgegeben und im Schritt 60 erfolgt dann der Start der
Brennkraftmaschine.
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Im
nachfolgenden Schritt 70 wird vorzugsweise nach einem ersten
Arbeitstakt überprüft, ob die Steuergrößen zu einem
gemäß Startstrategie
vorgegebenen Motorhochlauf geführt
haben. Bei Abweichungen werden die Steuergrößen im Schritt 200 so angepasst,
dass der gewünschte
Motorhochlauf erreicht wird. Im Schritt 50 werden dann
die neuen Steuergrößen an die
Komponenten ausgegeben. Schritt 60 wird in diesem Zyklus übersprungen
und im Schritt 70 erneut überprüft, ob der Motorhochlauf entsprechend
der Startstrategie erfolgt. Bei Abweichungen werden ggf. wieder über den
Schritt 200 die Steuerwerte angepasst.
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Als
Rückfallebene
für den
Fall, dass der Start nicht erfolgreich war, wird bei der Überprüfung in Schritt 70 in
den Schritt 120 verzweigt, in dem dann ein alternativer
Startvorgang eingeleitet wird.
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Bei
einem erfolgreichen Start folgt der Schritt 80, in dem
die Brennkraftmaschine in den Normalbetrieb gebracht wird.
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Bei
Vorliegen einer Stopp-Anforderung erfolgt je nach Abstellkonzept
die Abstellung der Brennkraftmaschine geregelt oder ungeregelt.
Mit einer Verzweigung in den Schritt 90 wird eine ungeregelte Motorabstellung
eingeleitet, bei der die Kurbelwelle ohne Beeinflussung frei ausläuft. Ist
eine geregelte Motorabstellung vorgesehen, wird folgt der Schritt 190.
Eine geregelte Motorabstellung hebt darauf ab, eine Brennkraftmaschine
und insbesondere die Kurbelwelle in einen definierten Zustand abzustellen,
so dass bei einem nachfolgenden Start eine optimale Kolbenposition
im Hinblick auf Startzeit, Verbrauch, Emission, Bordnetzbelastung
etc. erreicht wird.
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Nach
der Motorabstellung im Schritt 90 bzw. 190 wird
auf den Vorstart-Schritt 10 zurück verwiesen, womit ein neuer
Betriebszyklus beginnen kann.
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Werden
im Schritt 30 keine Bedingungen zur Durchführung der
Startstrategie vorgefunden, so wird wie beschrieben in den Schritt 100 verzweigt.
Vorzugsweise wird versucht, einen Zylinder zu finden, für den die
Bedingungen erfüllt
sind, also beispielsweise der Zylinder eine geeignete Kolbenposition
aufweist. So verzweigt der Schritt 100 in der Regel zunächst zu Schritt 110.
Hier wird ein in der Zündfolge
nachfolgende Zylinder ausgewählt
und in den Schritt 20 verzweigt, so dass die Routine erneut
ablaufen kann. Wird im Schritt 30 erneut keine geeignete
Bedingung registriert, wird typischer Weise im Schritt 100 die Schleife
solange wiederholt, bis alle Zylinder abgefragt sind. Liegt immer
noch keine geeignete Bedingung vor, verzweigt der Schritt 100 auf
den Schritt 120 und leitet einen alternativen Startvorgang
ein.
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Im
Schritt 120 wird die vorliegende Startstrategie zunächst abgebrochen.
Eine mögliche
Startalternative ist, Steuergrößen für einen
nicht optimierten Motorhochlauf bereitzuhalten. Diese Steuergrößen können beispielsweise
so gewählt
sein, dass für
die Einspritzung und die Zündung
Standardwerte verwendet werden, der Starter kann hingegen mit Steuergrößen für eine bevorzugte
Startstrategie, beispielsweise einem Start-Stopp-Betrieb, angesteuert werden.
Als weitere Alternative kann es auch vorgesehen sein, einen „klassischen" Normalstart einzuleiten,
bei dem der Starter in herkömmlicher
Art betrieben wird.
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Im
nachfolgenden Schritt 130 werden die Steuergrößen an die
Komponenten ausgegeben, wonach im Schritt 140 der Start
erfolgt, wobei dann im Schritt 70 überprüft wird, ob der Start erfolgreich
war.
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Für den Fall,
dass die Brennkraftmaschine nicht startet, wird vom Schritt 70 in
den Schritt 120 zurückverzweigt
und ein erneuter Startversuch unternommen. Nach wiederholtem Startversagen
kann es auch vorgesehen sein, geeignete Fehlerreaktionen einzuleiten.
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2 zeigt
im Detail die Schritte nach Start der Brennkraftmaschine im Schritt 70.
Wie bereits unter 1 beschreiben, werden im Schritt 40 Steuerwerte
gemäß der Startstrategie
ausgelesen und im Schritt 50 an Komponenten 300 der
Brennkraftmaschine ausgegeben, wobei dann im Schritt 60 (in 2 nicht
gezeigt) ein Start erfolgt. Nach Dem Start der Brennkraftmaschine
werden im Wesentlichen unabhängig
von den übrigen
Schritten in einem Schritt 220 Betriebsparameter beispielsweise
kontinuierlich oder in bestimmten Zeitabständen eingelesen, so dass ggf.
ein zeitlicher Verlauf relevanter Betriebsparameter ermittelt werden
kann.
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Nach
Startbeginn wird im Schritt 70 anhand der im Schritt 220 ermittelten
Betriebsparameter überprüft, ob ein
Motorhochlauf gemäß der vorgegebenen
Startstrategie vorliegt. Weichen die ermittelten Betriebsparameter
von den gemäß Startstrategie
erwarteten Betriebsparameter ab, werden im Schritt 200 die
Steuerwerte so angepasst, dass der gewünschte Motorhochlauf erreicht
wird. Die neuen Steuerwerte werden im Schritt 50 an die
Komponenten 300 ausgegeben und der Erfolg im Schritt 70 überprüft und bei
erneuten Abweichungen wieder in den Schritt 200 verzweigt.
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In 3 ist
mit gestrichelter Umrandung eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur
Steuerung einer Brennkraftmaschine 500 dargestellt. Die
Vorrichtung 1, vorzugsweise ein Steuergerät, umfasst
ein Berechnungsmittel 410, ein Erfassungsmittel 420,
ein Kontrollmittel 430 und ein Speichermittel 440.
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Das
Erfassungsmittel 420, vorzugsweise ein Empfänger, Analog-Digital-Wandler
oder ähnliches, erfasst
Betriebsparameter der Brennkraftmaschine und leitet entsprechende
Signale an das Berechnungsmittel 410 und and das Kontrollmittel 430 weiter.
Das Berechnungsmittel 410, vorzugsweise ein Mikroprozessor
oder allgemein eine Recheneinheit, berechnet oder ermittelt anhand
der erfassten Betriebsparameter eine für einen Start der Brennkraftmaschine
geeignete Startstrategie und legt Steuergrößen so fest, dass der Motorhochlauf
gemäß der gewünschten
Startstrategie erfolgt. Die Steuergrößen und ggf. die Startstrategie
werden an das Kontrollmittel 430 weiter gegeben. Das Kontrollmittel 430 kann
bspw. als separate Einheit aufgebaut sein oder auch Teil der Funktionalität des Berechnungsmittel 410 sein. Über das
Kontrollmittel 430 und ggf. weitere Funktionsmodule werden
Komponenten der Brennkraftmaschine mit den festgelegten Steuergrößen angesteuert.
Das Kontrollmittel 430 überwacht
anhand erfasster Betriebsparameter, ob der Motorhochlauf beim Start
der vorgegebenen Startstrategie entspricht. Weicht der Motorhochlauf
bzw. bestimmte Betriebsparameter von den für die Startstrategie erwarteten
Parameter ab, passt das Kontrollmittel 430 die Steuergrößen entsprechend
an, um einen optimalen Motorhochlauf gemäß gewünschter Startstrategie zu erreichen.
Die angepassten bzw. adaptierten Steuergrößen werden in einem Speichermittel 440 abgespeichert,
so dass bei einem erneuten Start mit entsprechend Startstrategie
bereits angepasste Werte zur Verfügung stehen.
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Zur
Ausgabe der Steuergrößen gemäß der Startstrategie
können
die Steuergrößen beispielsweise
in Kennfeldern, -linien, speziellen Wertetabellen, Speichereinheiten
eines neuronalen Netzes oder anderen Speichereinheiten abgelegt
sein und auch adaptiv erlernt werden, so dass stets ein zeit-, Verbrauchs-
und emissionsoptimierter Start erreicht wird.
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Abhängig von
den Betriebsparametern wird jeweils die optimale Startstrategie
und entsprechende Steuergrößen ermittelt
und festgelegt, um optimale Startbedingungen für die Brennkraftmaschine zu erreichen.
Treten trotz der vorgewählten
Steuergrößen dennoch
nicht optimale Betriebszustände
ein, beispielsweise Motorvibrationen, werden beispielsweise in einem
Start-Stopp Betrieb für
den nächsten Start
die Steuergrößen so gewählt, dass
ein erneutes Auftreten dieser Effekte verhindert wird. Es muss jedoch
dann gesichert sein, dass durch die Neuwahl der nun nicht optimal
gewählten
Vorsteuerungsgrößen, dennoch
eine 100%-ige Startzuverlässigkeit
erreicht wird, ggf. sind die Vorsteuerungswerte auch anzupassen.
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Alternativ
kann auch auf Betrieb mit klassischem Starterstart (= längeres Durchdrehen
des Starters) umgeschaltet werden. Gleiches gilt nach einem Startabbruch
bzw. einem erfolglosen Startversuch während eines Start-Stopp-Betriebes.
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Sind
allgemein die Bedingungen für
einen erfolgreichen „Starterunterstützten Direktstart" beispielsweise nach
der Abfrage der Umgebungsbedingungen im Motor vor dem Start für den betreffenden Startzylinder
nicht vollständig
erfüllt,
z.B. im Falle, dass die Kolbenposition des Startzylinders nicht
optimal ist, so kann auch mittels Starterdurchdrehen, der in der
Zündfolge
nachfolgende Zylinder aus dem Ansaug- in den Kompressionstakt überführt und
die Startroutine an diesem Zylinder durchgeführt werden.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
bzw. Steuergerät
mit darin programmierten Motorsteuerungsfunktionen erlaubt es, Einspritz-
und Zündimpulse
getrennt voneinander und zu beliebigen Zeitpunkten bzw. Kurbelwellenwinkeln
auszugeben. Es erlaubt weiterhin, eine elektrische Maschine, wie
zum Beispiel einen Starter oder Starter-Generator, zeitvariabel
bzw. variabel über
den Nocken- bzw. Kurbelwellenwinkel, anzusteuern. Ebenso erlaubt
es, bei Systemen mit variabler Verdichtung bzw. Ventilsteuerung,
das Verdichtungsverhältnis,
bzw. die Phasen- und Hublage der Ein- und Auslassventile während des
Startvorganges zu variieren.
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Bei
Systemen mit variabler Ventilsteuerung kann darüber hinaus durch das Verstellen
der Ventilsteuerzeiten für
Einlass- und Auslassnockenwelle entweder der Füllungsgrad in der Verdichtungsphase bzw.
das abgegebene Motormoment gesteuert werden. In der Verdichtungsphase
kann z.B. durch ein späteres
oder auch früheres
Schließen
des Einlassventils der Füllungsgrad
im Kompressionszylinder abhängig
von den Umgebungsbedingungen im Motor verändert werden.
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Im
Hinblick auf eine Regelung des abgegebenen Motormomentes in Bezug
auf Vermeidung von Motorvibrationen beim Start, kann ein Teil der
Verbrennungsenergie z.B. durch ein früheres Öffnen des Auslassventils in
den Auslasskanal abgegeben werden, um so das Motormoment effektiv
zu reduzieren. Umgekehrt kann die Steuerzeit der Auslassnockenwelle
auch in Richtung: „Auslassventil öffnet spät" verändert werden,
um das Verbrennungsmoment über
einen größeren Kurbelwellen-Winkelbereich ausnutzen
zu können.
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Eine
mögliche
Startstrategie kann beispielsweise einen speziellen Regelungsalgorithmus
vorsehen und so z.B. anhand des Verdichtungsverhältnisses und/oder der Ventilsteuerzeiten,
der im Zylinder eingeschlossenen Luftmasse und der Starterdrehzahl,
der Temperaturverlauf während
der Verdichtungsphase vorhersagen oder simulieren. Danach können die
Ausgangsgrößen des
Regelalgorithmus bzw. die Steuerwerte so gestellt werden, dass eine für die Selbstentzündung kritische
Temperatur nicht überschritten
wird.
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Bei
Systemen mit variabler Verdichtung kann zusätzlich während des Verdichtungs- und
Verbrennungsvorganges das Verdichtungsverhältnis variiert werden, um so
die Verdichtungstemperatur und den Verdichtungsdruck zu steuern.
Erkennt man, z.B. anhand eines Temperatur- oder Brennraumdrucksensors,
dass die Verdichtungstemperatur bzw. der Verdichtungsdruck zu hoch
ist, wird die Verdichtung des Motors verringert (=Expansion des
Zylinders zu größerem Hubraum).
Ist umgekehrt die Verdichtungstemperatur bzw. der Verdichtungsdruck
für eine
optimale Gemischaufbereitung zu niedrig, wird das Verdichtungsverhältnis des
Motors erhöht.
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Beim
erfindungsgemäßen Vorgehen,
wird das Problem der Selbstentzündung
bei hohen Motortemperaturen durch gezielte Abstimmung von Kompression,
Einspritzung und Zündung
verhindert. Durch gemeinsame Optimierung von Starteransteuerung
und Verbrennung, bietet diese Startvariante zusätzlich ein großes Potenzial
zur Startzeitverkürzung.
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Das
erfindungsgemäße Vorgehen
erlaubt es, die Startstrategie bzw. den Motorhochlauf im Wesentlichen
auf zwei Prinzipien zu stützen:
Einer leistungsoptimierten Ansteuerung eines Starters, als startunterstützende bzw.
-vorbereitende Maßnahme, und
einer optimalen Steuerung bzw. Regelung der ersten Verbrennungen
bis zum Erreichen der Soll-Leerlaufdrehzahl.
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Die
vorgeschaltete Ansteuerung eines Starters als startunterstützende Maßnahme erfolgt
in der Weise, dass im ersten OT-Durchgang ein Drehzahloptimum von
der Starterdrehzahl für
die darauffolgende Verbrennung erreicht wird. Dies kann zum einem
bedeuten, dass der Starter abhängig
von der Kolbenposition im Kompressionstakt beim Start derart leistungsgesteuert
wird, dass im OT-Durchgang z.B. die größtmögliche Motordrehzahl (=kinetische Energie
bzw. Drehmoment) erreicht wird. Zum anderen kann die Ansteuerung
des Starters jedoch auch derart erfolgen, dass während der Kompressionsphase
anhand der Starterdrehzahl ein Optimum in der Gemischaufbereitungszeit
für die
darauffol gende Verbrennung geschaffen wird. Soll heißen, dass
z.B. abhängig
von der Kraftstoffqualität,
der Motor-, Kühlwasser-, Öltemperatur;
Verdichtung des Motors, etc., die Starterdrehzahl bzw. die daraus
resultierenden Kolbengeschwindigkeit, derart gesteuert wird, dass sich
in der Kompressionsphase im Zylinder ein möglichst homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch ausbildet, welches
anschließend
gezündet
wird.
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Durch
gezielte Überwachung
der Brennraumtemperatur mittels beispielsweise eines Temperatursensors
oder auch eines Druckverlaufs eines Brennraumdrucksensors, kann
so z.B. auch die Verdichtungstemperatur unterhalb der für eine Selbstentzündung kritischen
Temperatur gehalten werden, indem gezielt Wandwärmeverluste an die Zylinderwand
während
der Verdichtung zugelassen werden.
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In
beiden Varianten liefert der Starter also ein Anfangs-Drehmoment,
zu welchem sich anschließend
das durch die erste Verbrennung erzeugte Verbrennungsmoment zu einem
Gesamt-Motormoment addiert. Hieraus resultiert letztendlich der
Drehzahlanstieg beim Motorhochlauf. Der Starter wird zusätzlich,
abhängig
von der Startposition, nur solange entweder winkel- oder zeitbasiert
angesteuert, wie es notwendig ist, um beim Überstreichen des OT die vordefinierte
Drehzahl sicherzustellen. D.h. der Starter wird aktiv so früh als möglich wieder
abgeworfen, um unnötige
Bordnetzbelastungen bzw. auch Startgeräusche zu vermeiden.
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Durch
dieses Zusammenspiel von optimiertem Starter- und Verbrennungsmoment,
wie auch optimaler Starteransteuerung, wird eine sehr kurze Startzeit
erreicht, was dieses System sowohl für ein Start-Stopp-System, als
auch allgemein zum schnelleren Starten eines Motors besonders attraktiv
macht und gleichzeitig ein deutliches Plus an Komfort darstellt.
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Als
Startzylinder für
die erste Verbrennung wird ebenso der Zylinder im Kompressionstakt
verwendet, der vor dem Start beispielsweise mittels eines Absolutwinkelsensors
an der Kurbelwelle identifiziert wird.
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Wie
beschrieben ist es auch vorgesehen, nicht primär vor oder während der
Verdichtungsphase in den Kompressionszylinder, sondern erst nach dem Überstreichen
des oberen Totpunkts, also wenn sich der Kolben bereits in der Expansionsphase
des Arbeitstaktes befindet, Kraftstoff in den Zylinder einzuspritzen
und anschließend
das Luft- Kraftstoff-Gemisch
zu zünden.
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Der
Ablauf von Einspritzung und Zündung kann
dabei sowohl zeit-, als auch winkelbasiert erfolgen. Dieses Startverfahren
kann zusätzlich
auch auf den zweiten und weiteren in der Zündfolge folgenden Verbrennungsvorgänge angewandt
werden, um einen zeit-, verbrauchs- und emissionsoptimierten Start
realisieren zu können.
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D.h.,
die Startroutine, wie sie in 1 bzw. 2 dargestellt
ist, regelt z.B. anhand des Drehzahl-, oder auch Drehzahlgradientenverlaufs
der vorhergehenden Verbrennung jeweils die Parameter (Einspritzzeitpunkt,
-menge, Zündzeitpunkt)
für die nachfolgende
Verbrennung, um einen zeit-, verbrauchs- und emissionsoptimierten
Start zu erreichen.
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Durch
die gezielte Abstimmung des Motormomentes (z.B. geringere eingespritzte
Kraftstoffmenge, späterer
Zündzeitpunkt)
können
darüber
hinaus auch Motorvibrationen, welche eventuell durch die ersten
Verbrennungen (= Vollastverdichtungen bzw. – Verbrennungen) auftreten
und sich z.B. störend
auf den Fahrzeuginnenraum übertragen
können (=Komforteinbuße), minimiert
bzw. verhindert werden.
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Nicht
zuletzt kann dadurch aber auch ein Überschwinger in der Drehzahl über die
Soll-Leerlaufdrehzahl,
wie er derzeit meist beim Startvorgang eintritt, reduziert werden,
so dass der Motor schneller seinen gewünschten Betriebszustand erreicht.
Ein schnelles Erreichen des gewünschten
Betriebszustandes des Motors ist im Start-Stopp-Betrieb essentiell
für ein
schnelles Losfahren nach einem z.B. Ampelstopp.
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Zusätzlich wirkt
sich ein reduzierter Überschwinger
in der Drehzahl auch auf das Startgeräusch des Motors aus. Ein „Aufheulen" des Motors durch
eine überhöhte Drehzahl
beim Start wird somit wirksam unterdrückt.
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Alternativ
können
die Einspritz- und Zündimpulse
abhängig
von den oben erwähnten
Eingangsgrößen bzw.
Betriebsparameter jedoch auch vor oder während der Kompressionsphase,
d.h. noch vor Erreichen des oberen Totpunkts, erfolgen. Dabei muss jedoch
anhand der Eingangsgrößen (z.B.
Motor-, Kühlwasser-, Öl-, Ansauglufttemperatur,
etc.) gewährleistet
sein, dass eventuelle Selbstentzündungseffekte
sicher ausgeschlossen werden können.
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Dies
kann, wie oben beschrieben, z.B. durch gezielte Ansteuerung des
Starters erreicht werden, beispielsweise indem man die Verdichtungstemperatur überwacht
und durch gezielte Wandwärmeverluste
an die Zylinderwand diese unter eine für die Selbstentzündung kritische
Temperaturschwelle hält.
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Eine
weitere Alternative ist, wie beschrieben, eine erhöhte Einspritzmenge
(-Anfettung) für
die ersten Verbrennungen, da so die in den Zylindern eingeschlossene
Luft stärker
abgekühlt
wird (höhere
Verdampfungsenthalpie), und so die Temperatur im Brennraum unter
die Selbstentzündungstemperatur gebracht
werden kann.
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Darüber hinaus
ist die Erfindung auch für
ein Start-Stopp-System bei Fahrzeugen mit Saugrohreinspritzung (SRE)
geeignet und kann hier auch für den
Kaltstart angewendet werden. Die Einspritzimpulse müssen hierbei
für die
einzelnen Zylinder während
des Saugtaktes bei geöffneten
Einlassventilen oder vorgelagert ins Saugrohr bei noch geschlossenen
Einlassventilen erfolgen. Somit kann auch bei diesen Systemen sowohl
beim Heißstart,
während des
z.B. Start-Stopp-Betriebes, wie auch beim Kaltstart die Startzeit
deutlich verkürzt
und der Motorhochlauf zeit-, verbrauchs- und emissionsoptimiert gestaltet
werden.
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Der
Starter muss, aufgrund der auf den Saugtakt beschränkten Einspritzmöglichkeiten,
in beiden Anwendungen jedoch länger
angesteuert werden als bei Systemen mit Direkteinspritzung. Auch
hier kann man jedoch ein Optimum der Starteransteuerung finden.
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Steht
der Kolben des Startzylinders im Saugtakt, z.B. nahe am oberen Totpunkt
bei geöffneten Einlassventilen,
wird bereits aus diesem Zylinder gestartet. Einspritz- und Zünd-Timing können auch
hier frei gewählt
werden. Jedoch muss abhängig
von den im Motor herrschenden Randbedingungen (wie z.B. Raildruck,
Kraftstofftemperatur, etc.) bei der Wahl des Einspritzzeitpunktes
darauf geachtet werden, dass bei durchdrehendem Starter die für die im
Zylinder angesaugte Luftmasse, z.B. für eine stöchiometrische Verbrennung benötigte Kraftstoffmenge,
noch vor dem Schließen
der Einlassventile, vollständig
in den Zylinder eingespritzt werden kann.
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Der
Starter muss ausgehend von einer Startposition nahe der OT-Lage
hierzu um mindestens eine Kurbelwellenumdrehung (360°KW) angesteuert werden,
bis der Startzylinder seinen Verdichtungstakt abgeschlossen hat
und sich im Arbeitstakt befindet.
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Steht
der Zylinder im Saugtakt nahe am unteren Totpunkt (UT) bzw. kurz
vor Ende des Saugtaktes (=Einlass schließt), so dass zum einen die
Zeit zum Absetzen der notwendigen Kraftstoffmenge vor Einlass schließt nicht
ausreichen sollte und auch keine nennenswerte Turbulenz durch die
angesaugte Luft im Zylinder mehr entsteht, wird zum Vorteil einer besseren
Gemischaufbereitung auf den in der Zündfolge nachfolgenden Zylinder
als Startzylinder ausgewichen. Dieser muss dann zunächst aus
seinem Ausstoßtakt
in den Saugtakt überführt werden,
was eine Ansteuerung des Starters um einen Winkel oder einer Zeit
von mehr als einer Kurbelwellenumdrehung (>360°KW)
zur Folge hätte.
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Im
Idealfall, wenn der Startzylinder in einer mittleren Position im
Saugtakt (ca.90°KW)
steht, ergibt sich für
die Starteransteuerung ein Winkel bzw. eine Zeit von einer dreiviertel
Kurbelwellenumdrehung (ca.270°KW).
Die Starteransteuerung ist dann nur geringfügig länger als die maximale Ansteuerzeit des
Starters von etwa einer halben Kurbelwellenumdrehung (ca. 180°KW) bei BDE-Systemen
mit Einspritzung in den Kompressionstakt. Der Starter wird dabei
ebenso wie bei den Systemen mit Direkteinspritzung beschrieben angesteuert,
um einen zeit-, verbrauchs- und emissionsoptimierten Start zu erreichen.
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Die
Gefahr der Selbstentzündung
bei hohen Motortemperaturen ist bei SRE-Start-Stopp-Systemen durch z.B.
eine erhöhte
Einspritzmenge (Anfettung) während
des Saugtaktes bzw. kurz vor Öffnen der
Einlassventile (EÖ)
zu verhindern. Durch eine vorgelagerte Einspritzung ins Saugrohr
kurz vor EÖ oder
während
des Ansaugtaktes wird die Ansaugluft, die sich während z.B. einer Stopp-Phase
im Start-Stopp-Betrieb durch die abgegebene Motorwärme und
auch durch starke Sonneneinstrahlung übermäßig erhitzt, aufgrund der Verdampfung
des flüssigen
Kraftstoffes abgekühlt.
Somit wird die Temperatur des Kraftstoff-Luft-Gemisches deutlich
abgesenkt und kann bei der anschließenden Verdichttung unter die
Temperaturschwelle für
Selbstentzündung gehalten
werden. Im Start-Stopp-Betrieb
würde eine Verschlechterung
der Emissionen aufgrund einer erhöhten Einspritzmenge durch den
bereits aufgeheizten Katalysator unschädlich gemacht und wäre somit unproblematisch.
Es muss jedoch gewährleistet
werden, dass während
z.B. einer langen Stopp-Phase, die Temperatur im Katalysator nicht
unter die Konvertierungstemperatur absinkt.