DE10024438A1 - Startverfahren und Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen - Google Patents
Startverfahren und Startvorrichtung für BrennkraftmaschinenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Startverfahren und eine Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine (10) von Kraftfahrzeugen, deren Kurbelwelle (11) mit einer elektrischen Maschine (14) zum Andrehen der Brennkraftmaschine verbunden ist. Von einem Startsteuergerät (19) werden Kurbelwellenstellung und -drehung erfaßt und zur Steuerung eines jeden Startvorganges der Brennkraftmaschine verwertet. Dabei wird die Kurbelwelle (11) von der elektrischen Maschine (14) für jeden Startvorgang zunächst in einer Positionierphase in eine Startposition gebracht. DOLLAR A Zur Erzielung möglichst kurzer Startzeiten und möglichst kleinem Andrehmoment der elektrischen Maschine ist vorgesehen, dass in einer der Positionierphase nachfolgenden Startphase in dem mindestens ersten, in Kompression gehenden Zylinders der Brennkraftmaschine (10) eine erste Verbrennung mit verringerter Kompression und verringertem Füllgrad ausgelöst wird, die das Andrehmoment der elektrischen Maschine (14) unterstützt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Startverfahren für eine
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie eine Startvorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
Kraftfahrzeuge, die hinsichtlich des Kraftstoffverbrauches
optimiert sind, erfordern u. a. ein Abschalten der
Brennkraftmaschine an Ampeln im sogenannten Start-Stopp-
Betrieb sowie ein Abschalten und Auskuppeln der
Brennkraftmaschine in sogenannten Schubphasen. Dies führt zu
einer deutlich erhöhten Startzykluszahl der
Brennkraftmaschine. Andererseits werden durch zunehmenden
Fahrzeugkomfort deutlich erhöhte Forderungen an die
elektrische Bordnetzleistung gestellt. Zur Realisierung
einer hohen Generatorleistung im unteren Drehzahlbereich der
Brennkraftmaschine sowie einer hohen Startzykluszahl der
Brennkraftmaschine, wurde inzwischen eine elektrische
Maschine entwickelt, die sowohl als Starter als auch als
Generator nutzbar ist und als Starter-Generator bezeichnet
wird. Im Generatorbetrieb wird dabei die elektrische
Maschine von der Brennkraftmaschine über ein
Umschaltgetriebe bereits im unteren Drehzahlbereich mit zur
Stromerzeugung ausreichend hohen Drehzahlen angetrieben,
wogegen beim Startvorgang der Brennkraftmaschine die
elektrische Maschine im Motorbetrieb die Brennkraftmaschine
mit kleiner Drehzahl und großem Drehmoment antreibt. Der
Start der Brennkraftmaschine erfordert hierbei einen
Antrieb, der auf die Kaltstartgrenztemperatur von etwa
Minus 25°C dimensioniert ist und auf die dann auftretende
Summe von Schleppmoment, Gasfedermoment und
Beschleunigungsmoment der Brennkraftmaschine ausgelegt sein
muß. Da das beim Andrehvorgang wirksame Trägheitsmoment des
Starter-Generators gegenüber dem eines konventionellen
Starters erheblich geringer ist, muß das Andrehmoment des
Starter-Generators entsprechend stark erhöht werden, damit
die Drehzahl der Kurbelwelle durch die Kompression in den
Zylindern der Brennkraftmaschine nicht zu stark absinkt.
Aus der DE 198 58 992 A1 ist es bereits bekannt, mit einem
Startsteuergerät vor jedem Startvorgang der
Brennkraftmaschine dessen Schleppmoment durch Drehen der
Kurbelwelle mittels des Starter-Generators zu erfassen und
abhängig davon einen Kaltstart oder Warmstart mit einem
entsprechend unterschiedlichen Startablauf durchzuführen.
Während bei warmer Brennkraftmaschine dort ein sogenannter
Direktstart wie bei einem konventionellen Starter mit vollem
Andrehmoment der elektrischen Maschine durchgeführt wird,
erfolgt bei kalter Brennkraftmaschine zunächst eine
Positionierung der Kurbelwelle mittels des Starter-
Generators in eine Startposition und anschließend wird ein
zunächst abgekuppeltes Schwungrad vom Starter-Generator auf
eine vorgegebene Drehzahl gebracht und dann über eine
Schaltkupplung das rotierende Schwungrad für einen
sogenannten Impulsstart auf die Kurbelwelle aufgeschaltet.
Hierbei ist nachteilig, dass mit dem Schwungrad das Gewicht
des Fahrzeugs und damit auch der Kraftstoffverbrauch steigt,
und dass für das Hochdrehen des Schwungrades eine relativ
lange Startzeit und dementsprechend viel elektrische Energie
benötigt wird. Bei einem Warmstart wird außerdem ein
dynamischer Startablauf dadurch erschwert, dass mit der
ersten vollen Kompression eines Zylinders an seinem oberen
Totpunkt die Drehzahl der Kurbelwelle so stark einbricht,
dass zur Vermeidung eines Zurückpendelns bei dem ersten in
Kompression gehenden Zylinder noch keine Zündung erfolgen
darf.
Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt das Andrehmoment
der elektrischen Maschine und die Startzeit der
Brennkraftmaschine zu verringern.
Das erfindungsgemäße Startverfahren für die
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die zur
Durchführung des Verfahrens vorgesehene Starteinheit mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 19 hat den Vorteil,
dass durch eine vom Startsteuergerät durchgeführte
Kompressions- und Füllgradverringerung in dem ersten, in der
Startphase in Kompression gehenden Zylinder der
Brennkraftmaschine eine deutliche Herabsetzung des
Andrehmomentes der elektrischen Maschine bei einem Warm- und
Kaltstart sowie durch Vermeidung eines sogenannten
Impulsstartes eine deutliche Verringerung der Startzeit bei
einem Kaltstart erreicht wird. Damit wird außerdem eine
effektive Unterstützung der dem Motor andrehenden
elektrischen Maschine beim Start-Stopp-Betrieb erreicht, was
zu einer deutlichen Herabsetzung der Warmstartzeit führt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bereits bei einer
nicht einmal halben Umdrehung der Kurbelwelle bereits eine
erste Verbrennung in dem ersten in Kompression gehenden
Zylinder ausgelöst werden kann, die das volle Andrehmoment
der elektrischen Maschine unterstützt, so dass bereits nach
kürzester Zeit ein zum Selbstlauf führendes Drehmoment an
der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine erzeugt wird. Mit
einer geeigneten Programmierung des Startsteuergerätes kann
in an sich bekannter Weise z. B. durch eine
Temperaturmessung an der Brennkraftmaschine entschieden
werden, ob ein Kaltstart oder ein Warmstart durchzuführen
ist. Statt einer Temperaturmessung kann hierfür aber auch
das Schleppmoment der Brennkraftmaschine durch Drehen der
Kurbelwelle mittels der elektrischen Maschine in an sich
bekannter Weise ermittelt und zur Auslösung eines Kaltstarts
oder Warmstarts verwendet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben
sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten
Merkmalen. Da bei Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen durch die
Drehung der Kurbelwelle die Zylinder in relativ kurzen Zeit-
bzw. Drehabständen in Kompression gehen, wird für ein
möglichst gleichmäßiges Andrehen der Brennkraftmaschine das
Andrehmoment der elektrischen Maschine während der
Startphase durch mehrere Verbrennungen mit verringerter
Kompression und verringertem Luftfüllgrad unterstützt. Dabei
werden in vorteilhafter Weise bei den nacheinander in
Kompression gehenden Zylindern deren Kompression und
Füllgrad in Stufen auf ihren vollen Wert von 100% erhöht.
Die Abstufung kann dabei vom Startsteuergerät fest
vorgegeben sein. In vorteilhafter Weise wird jedoch
vorgeschlagen, dass Kompression und Füllgrad jeweils
abhängig vom vorausgehenden Drehzahlverhalten der mit dem
Andrehmoment der elektrischen Maschine beaufschlagten
Kurbelwelle mit einem dafür geeigneten Programm des
Startsteuergerätes gesteuert werden.
Für eine optimale Unterstützung des Andrehmomentes der
elektrischen Maschine ist ferner von wesentlicher Bedeutung,
dass in der Startphase die Verbrennung mit einer dem
verringerten Füllgrad des Zylinders angepaßten verringerten
Kraftstoffmenge ausgelöst wird.
Für eine verbesserte Startdynamik ist ferner von erheblicher
Bedeutung, dass abhängig von dem vom Startsteuergerät
erfaßten Zustand der Brennkraftmaschine in der
Positionierphase die Kurbelwelle in eine erste Startposition
für einen Warmstart oder in eine nachfolgend zweite
Startposition für einen Kaltstart der Brennkraftmaschine
gebracht wird. In vorteilhafter Weise wird dabei für einen
Warmstart die Startposition vom Startsteuergerät bei etwa
60° vor dem oberen Kolben-Totpunkt des in Kompression
gehenden Zylinders vorgegeben. Für den Kaltstart wird dabei
in vorteilhafter Weise die Startposition bei etwa 40° vor
dem oberen Totpunkt des in Kompression gehenden Zylinders
vorgegeben.
Durch verspätetes Schließen der Einlaßventile gegenüber dem
Normalbetrieb der Brennkraftmaschine werden Kompressions-
und Füllgrad des in Kompression gehenden Zylinders, in
vorteilhafter Weise über eine freie Ventilsteuerung
verringert. Hierzu ist eine elektromagnetische
Ventilsteuerung besonders geeignet, wobei aber auch
mechanische Ventilhubsteuerungen hierbei als Alternativen in
Betracht kommen. Da sich bei Brennkraftmaschinen mit hohen
Zylinderzahlen die Last- bzw. Gasfedermomente der
aufeinanderfolgenden Kompressionen in störender Weise
addieren, wird in vorteilhafter Weise vorgeschlagen, dass
bei Brennkraftmaschinen mit geradzahligen Zylinderzahlen bei
mehr als sechs Zylindern an jedem zweiten, in Kompression
gehenden Zylinder der Füllgrad und die Kompression auf Null
gesteuert wird. Die Füllgradstufen der übrigen Zylinder
können dann, wie vorerwähnt, in Stufen aufeinander abgestimmt
werden. Der Übergang zur vollen Zylinderzahl kann über das
Startsteuergerät problemlos dann erfolgen, wenn die Drehzahl
einen vorgegebenen Grenzwert zum Selbstanlauf überschreitet.
Für jeden Startvorgang muß die Kurbelwelle zunächst von der
elektrischen Maschine in der Positionierphase in ihre
Startposition gebracht werden; und zwar im Hinblick auf den
ersten in Kompression gehenden Zylinder. Bei einem Warmstart
im sogenannten Start-Stopp-Betrieb wird dies in
vorteilhafter Weise dadurch realisiert, dass mit Beginn der
Stopphase die Kurbelwelle beim Auspendeln von der
elektrischen Maschine in ihre Startposition gebracht und bis
zur nachfolgenden, vom Fahrzeugführer auszulösenden
Startphase gehalten wird. Bei einem Kaltstart wird dagegen
die Kurbelwelle allein von der elektrischen Maschine in die
dem Kaltstart zugeordnete Startposition gedreht. Alternativ
zur freien Ventilsteuerung ist hierbei auch eine
Verringerung der Kompression und des Füllgrades über
sogenannte Leckagen im Zylinder vorzunehmen. Hierzu wird in
vorteilhafter Weise vorgeschlagen, durch langsames Drehen
der Kurbelwelle in die Startposition am ersten in
Kompression gehenden Zylinder Kompression und Füllgrad über
Leckagen des Zylinders zu verringern. Falls dies zuviel Zeit
erfordert, wird zweckmäßiger Weise die Kurbelwelle von der
elektrischen Maschine während der Positionierphase zunächst
in ihre Startposition gebracht, um durch eine vorgegebene
Verweildauer in der Startposition bis zum Beginn der
Startphase Kompressions- und Füllgrad über Leckagen des
Zylinders zu verringern. Für ein genaues Ansteuern der
Startposition kann dabei das Drehmoment der elektrischen
Maschine reduziert werden. Zweckmäßiger Weise wird die
Kurbelwelle solange in ihrer Startposition gehalten, bis der
Gasfederdruck des in Kompression gehenden Zylinders auf
einen Restwert abgesunken ist.
Abhängig von der Reduzierung des Kompressions- und
Füllgrades der ersten in Kompression gehenden Zylinder der
Brennkraftmaschine werden über eine an sich bekannte
Einspritzsteuerung auch entsprechend reduzierte
Kraftstoffmengen in die jeweiligen Zylinder eingespritzt.
Bei Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung ist es dabei
besonders vorteilhaft, dass während der ersten
Kompressionsphase mit verringerter Kompression die
vorgegebene Kraftstoffmenge eingespritzt wird. Bei
Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung ist es dagegen
vorteilhaft, dass vor der ersten Kompressionsphase mit
verringerter Kompression, vorzugsweise in der Ansaugphase
vor dem unteren Totpunkt des Kolbens des in Kompression
gehenden Zylinders die vorgegebene Kraftstoffmenge über das
noch geöffnete Einlaßventil eingespritzt wird. In beiden
Fällen läßt sich dann mit einem relativ kleinen Drehwinkel
der Kurbelwelle von etwa 100° eine erste, das Andrehmoment
der elektrischen Maschine unterstützende Verbrennung
auslösen.
Das erfindungsgemäße Startverfahren wird mit einer
Starteinrichtung durchgeführt, bei der das Startsteuergerät
mit einem Dreh- und Lagesensor der Kurbelwelle und
ausgangsseitig mit der elektrischen Maschine, der
Ventilsteuerung und der Kraftstoff-Einspritzsteuerung der
Brennkraftmaschine verbunden ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in den nachfolgend
beschriebenen Ausführungsbeispielen an Hand der zugehörigen
Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 das Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeuges in
schematischer Darstellung mit einer Starteinrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Startverfahrens und
Fig. 2 zeigt eine Tabelle für eine abgestufte Reduzierung
des Füllgrades durch abgestuftes Schließen des jeweiligen
Einlaßventils vor dem oberen Totpunkt beziehungsweise durch
abgestuftes Öffnen und Schließen vor dem unteren Totpunkt.
In der schematischen Darstellung eines Antriebsaggregates
für Kraftfahrzeuge nach Fig. 1 ist die Brennkraftmaschine
mit 10 bezeichnet. Dabei handelt es sich um einen
vierzylindrigen Ottomotor, dessen Kurbelwelle 11 mit einem
Dreh- und Lagesensor 12 zusammenwirkt. Ferner ist die
Kurbelwelle 11 über ein Schaltgetriebe 13 mit einer
elektrischen Maschine 14 verbunden, die als Starter-
Generator mit der Brennkraftmaschine 10 zusammenwirkt. Die
Kurbelwelle 11 ist ferner über eine Kupplung 15 mit einem
Fahrzeuggetriebe 16 verbunden, über dessen Ausgang
Antriebsräder 17 des nicht dargestellten Kraftfahrzeugs von
der Brennkraftmaschine 10 angetrieben werden. Des Weiteren
ist ein elektronisches Motorsteuergerät 18 vorhanden, mit
dem die nicht dargestellten Einspritzventile Ein- und
Auslaßventile sowie die Zündung an den einzelnen Zylindern
der Brennkraftmaschine 10 gesteuert werden und in dem
außerdem die Stellung der Kurbelwelle erfaßt wird. Mit dem
Motorsteuergerät 18 ist ferner ein elektronisches
Startsteuergerät 19 elektrisch verbunden, welches
eingangsseitig über eine Signalleitung 20 mit dem Dreh- und
Lagesensor 12 verbunden ist und ausgangsseitig sowohl das
Schaltgetriebe 13 als auch die elektrische Maschine 14
steuert. Es kommuniziert ferner mit dem Motorsteuergerät 18.
Das Schaltgetriebe 13 ist vom Startsteuergerät 19 derart
ansteuerbar, dass es bei Startvorgängen die dann motorisch
betriebene elektrische Maschine 14 mit großem Drehmoment und
kleiner Drehzahl auf die Kurbelwelle 11 aufschaltet. Im
Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 14 wird dagegen
das Schaltgetriebe 13 so umgeschaltet, dass auch im Leerlauf
der Brennkraftmaschine 10 die elektrische Maschine 14 mit
ausreichend hoher Drehzahl betrieben wird, um das nicht
dargestellte Bordnetz des Kraftfahrzeugs in ausreichendem
Maße zu versorgen. Mit dem Dreh- und Lagesensor 12 ist die
jeweilige genaue Position der Kurbelwelle 11 und damit auch
die Stellung der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine
10 im Startsteuergerät 19 erfaßt. Über einen Schalter 21,
der z. B. im Zündschloß des Kraftfahrzeugs integriert ist,
kann vom Fahrzeugführer ein Kaltstart ausgelöst werden. Über
einen Gaspedalschalter 22 kann im Start-Stopp-Betrieb des
Kraftfahrzeugs ein Warmstart ausgelöst werden.
In einem ersten Ausführungsbeispiel soll nunmehr das
erfindungsgemäße Startverfahren für einen Kaltstart und
einen Warmstart näher erläutert werden.
Der erste Startvorgang ist immer ein Kaltstart. Er wird mit
dem Schließen des Startschalters 21 ausgelöst. Im
Startsteuergerät 19 wird über den Sensor 12 die Position der
Kurbelwelle 11 und damit die Positionen der Kolben in den
Zylindern erfaßt. In der nun folgenden Positionierphase wird
die elektrische Maschine 14 und das Schaltgetriebe 13 vom
Startsteuergerät 19 auf Motorbetrieb geschaltet und die
elektrische Maschine 14 beginnt die Kurbelwelle 11 mit einem
vom Startsteuergerät 19 vorgegebenen Drehmoment in ihre für
einen Kaltstart vorgegebene Startposition zu drehen.
Zugleich wird an dem ersten, bei der Kurbelwellendrehung in
Kompression gehenden Zylinder das Einlaßventil vom
Startsteuergerät 19 über das Motorsteuergerät 18 geöffnet
bzw. offengehalten, bis die Startposition bei 40° vor dem
oberen Totpunkt (OT) des in Kompression gehenden Zylinders
erreicht ist. Dann wird das Einlaßventil geschlossen und bei
direkter Einspritzung eine gegenüber dem Leerlauf reduzierte
Einspritzmenge in den Zylinder eingespritzt. Mit der nunmehr
beginnenden Startphase wird die Kurbelwelle 11 von der
elektrischen Maschine mit vollem Andrehmoment gedreht und
nach einer viertel Umdrehung wird in dem Zylinder mit
reduzierter Kompression eine erste Verbrennung ausgelöst,
welche die elektrische Maschine 14 unterstützt und die
Kurbelwelle 11 beschleunigt.
Nunmehr geht auch der zweite Zylinder in Kompression, wobei
das Startsteuergerät 19 über das Motorsteuergerät 18 das
Einlaßventil des zweiten Zylinders nunmehr bei 60° vor dem
oberen Totpunkt zur Erzielung eines reduzierten
Kompressions- und Füllgrades schließt. Auch hier wird
nunmehr eine entsprechend reduzierte Kraftstoffmenge
eingespritzt und nach etwa 1/3 Kurbelwellendrehung wird in
dem zweiten Zylinder eine zweite, den Hochlauf der
Brennkraftmaschine 10 unterstützende Verbrennung ausgelöst.
Nachfolgend geht der dritte Zylinder in Kompression und auch
hier wird über das Startsteuergerät 19 das Einlaßventil des
dritten Zylinders erst 80° vor dem oberen Totpunkt
geschlossen. Somit wird auch die dritte Kompression
reduziert und nach etwa 1/3 Kurbelwellendrehung erfolgt eine
dritte, den Hochlauf der Brennkraftmaschine unterstützende
Verbrennung. Erst wenn der vierte Zylinder in Kompression
geht, wird die Kompressionsreduzierung abgeschaltet, so dass
der weitere Hochlauf der Brennkraftmaschine durch die
elektrische Maschine 14 nunmehr von der Brennkraftmaschine
10 mit ihren Leerlaufparametern bezüglich Kompression,
Füllgrad, Einspritzmenge und Zündzeitpunkt unterstützt wird.
Aus der Tabelle nach Fig. 2 ist erkennbar, dass mit einer
derartigen Abstufung der Schließstellung der Einlaßventile
eine abgestuft, verringerte Kompression und ein abgestuft,
verringerter Luftfüllgrad erzielt wird, mit dem der maximale
sogenannte Gasfederdruck in den Zylindern deutlich
herabgesetzt wird. Dadurch läßt sich mit dem vorgegebenen
Andrehmoment der elektrischen Maschine die Startphase der
Brennkraftmaschine deutlich abkürzen. Durch diese Stufung
mit ansteigendem Füllgrad der Zylinder ist nur ein minimales
Kaltstart-Andrehmoment von der elektrischen Maschine
aufzubringen, da die mit zunehmenden Füllgrad steigende
Kompressionsarbeit durch die vorausgegangene unterstützende
Verbrennung geleistet wird, ohne dass es zu einem
Drehzahleinbruch kommt. Über den Sensor 12 wird das
Erreichen der Leerlaufdrehzahl erfaßt und der Startvorgang
durch das Startsteuergerät 19 beendet, indem beispielsweise
die elektrische Maschine 14 und das Schaltgetriebe 13
nunmehr auf Generatorbetrieb umgeschaltet wird.
Im Start-Stopp-Betrieb wird beispielsweise das Kraftfahrzeug
an Ampeln für kurze Zeit angehalten und die
Brennkraftmaschine dabei abgeschaltet. Beim Auspendeln der
Kurbelwelle wird dabei vom Startsteuergerät 19 der bei einem
nachfolgenden Warmstart als erster in Kompression gehende
Zylinder erfaßt und die Kurbelwelle mit Hilfe der
elektrische Maschine 14 in die für einen Warmstart
vorgegebene Startposition gebracht. Sie wird dort bis zur
nachfolgenden, vom Fahrzeugführer durch Schließen des
Fahrpedalschalters 22 auszulösende Startphase mit Hilfe der
elektrischen Maschine 14 gehalten. Das Einlaßventil des
betreffenden Zylinders wird ebenfalls bis zu dieser
Startposition offengehalten. Für den Warmstart ist eine
Startposition von 60° vor dem oberen Totpunkt (OT) des
ersten in Kompression gehenden Zylinders vorgesehen.
Mit der Startphase beim Warmstart wird nun das Einlaßventil
geschlossen, die reduzierte Kraftstoffmenge in den Zylinder
eingespritzt und die Kurbelwelle 11 mit dem vollen
Andrehmoment der elektrischen Maschine 14 beschleunigt. Nach
etwa 90° Kurbelwellendrehung wird dann eine erste
Verbrennung ausgelöst, die das Andrehmoment der elektrischen
Maschine 14 unterstützt. Dabei geht nachfolgend der zweite
Zylinder in Kompression. Auch hierbei wird noch ein
reduzierter Kompressions- und Füllgrad erzielt, indem das
Einlaßventil erst 90° vor OT geschlossen wird. Da bei einem
Warmstart das Schleppmoment der Brennkraftmaschine 10
wesentlich geringer ist als bei einem Kaltstart, kann hier
bereits mit dem dritten, in Kompression gehenden Zylinder
die Reduzierung des Füllgrades mit dem Startsteuergerät 19
abgeschaltet werden, so dass bereits mit der dritten
Verbrennung der weitere Hochlauf der Brennkraftmaschine
gesichert ist. Das Startsteuergerät 19 beendet auch hier mit
dem Erreichen der Leerlaufdrehzahl den Startvorgang und
schaltet die elektrische Maschine sodann in den
Generatorbetrieb um.
Ist das Kraftfahrzeug mit einer sogenannten Schubabschaltung
ausgerüstet, so wird auch hierfür am Ende der Schubphase
durch Betätigen des Gaspedalschalters 22 der zuvor
beschriebene Warmstart der Brennkraftmaschine ausgelöst.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Startverfahrens für Brennkraftmaschinen wird in der
Positionierphase das Einlaßventil am ersten in Kompression
gehenden Zylinder der Brennkraftmaschine bei einem Kaltstart
vom Startsteuergerät 19 im unteren Totpunkt geschlossen, so
dass die Startposition bereits mit der Überwindung des
Kompressionsbeginnes im ersten Zylinder angesteuert werden
muß. Um dennoch für den ersten Zylinder einen reduzierten
Kompressions- und Füllgrad zu erreichen, wird nunmehr die
Kurbelwelle 11 der Brennkraftmaschine 10 von der
elektrischen Maschine 14 mit stark verringertem Andrehmoment
in die für einen Kaltstart vorgegebene Startposition
gedreht, wobei die sich dabei aufbauende Kompression durch
Leckagen im Zylinder wieder weitgehend abgebaut wird. In der
anschließenden Startphase wird dann die Kurbelwelle 11 mit
vollem Andrehmoment der elektrischen Maschine 14 gedreht.
Auch hier wird nach etwa 1/3-Kurbelwellendrehung in dem in
Kompression gehenden Zylinder der Brennkraftmaschine eine
erste Verbrennung mit verringerter Kompression und
verringertem Füllgrad ausgelöst, der das Andrehmoment der
elektrischen Maschine 14 unterstützt. Dies führt bei
Brennkraftmaschinen mit kleinen Zylinderzahlen zu einer
vereinfachten Ausführungsform, da sie ohne zusätzliche
Steuerung der Einlaßventile auskommt, sofern der
Startvorgang bereits mit einer verringerten Kompression des
ersten Zylinders zu einem stabilen Hochlaufen der
Brennkraftmaschine führt.
Auch bei einem Warmstart wird bei derartigen
Brennkraftmaschinen die verringerte Kompression im ersten
Zylinder ohne zusätzliche Ansteuerung der Einlaßventile
realisiert, da sowohl im Start-Stopp-Betrieb, als auch im
Schubbetrieb mit dem jeweils vorherigen Abschalten der
Brennkraftmaschine die Startposition beim Auspendeln der
Kurbelwelle von der elektrischen Maschine 14 angesteuert und
dort festgehalten wird. Durch die Leckagen im Zylinder wird
auch hier während der Verweildauer bis zum erneuten Start
die im Zylinder bereits vorhandene Kompression weitgehend
abgebaut, so dass mit dem Schließen des Gaspedalschalters 22
die Startphase mit verringerter erster Kompression
durchlaufen und nach etwa 1/3-Kurbelwellendrehungen eine
erste, das Andrehmoment der elektrischen Maschine 14
unterstützende Verbrennung ausgelöst wird.
Alternativ zu der zuvor beschriebenen Positionierphase beim
Kaltstart ist es ebenso gut möglich, dass die Kurbelwelle 11
während der Positionierphase mit der vollen Andrehkraft der
elektrischen Maschine 14 in die Startposition gebracht wird
und dass dann durch eine vom Startsteuergerät 19 vorgegebene
Verweildauer in der Startposition die bereits durch das
Schließen des Einlaßventils vorhandene Teilkompression durch
Leckagen im Zylinder soweit abgebaut oder verringert wird,
dass in der nachfolgenden Startphase im ersten Zylinder
Kompression und Füllgrad in angestrebtem Umfang reduziert
werden.
Da das von der elektrischen Maschine zu überwindende
Schleppmoment der Brennkraftmaschine bei einem Kaltstart
wesentlich höher ist, als bei einem Warmstart, ist es
wichtig, dass die von der elektrischen Maschine zusätzlich
noch zu überwindende Kompression insbesondere in dem ersten
Zylinder beim Kaltstart stärker herabgesetzt wird, als beim
Warmstart. Über das Drehverhalten der Brennkraftmaschine in
der Positionierphase kann daher der warme oder kalte Zustand
der Brennkraftmaschine von dem Startsteuergerät erfaßt
werden. Alternativ dazu kann dies auch durch eine
Temperaturmessung der Brennkraftmaschine vom
Startsteuergerät erfaßt werden. Abhängig vom Zustand der
Brennkraftmaschine wird dann in der Positionierphase die
Kurbelwelle in eine erste Startposition für einen Warmstart
oder in eine nachfolgende zweite Startposition für einen
Kaltstart der Brennkraftmaschine gebracht. Die erste
Startposition wird bei etwa 60° vor dem oberen Totpunkt und
die zweite Startposition bei etwa 40° vor dem oberen
Totpunkt des in Kompression gehenden Zylinders vorgegeben.
Wie bereits zuvor erwähnt, wird bei Brennkraftmaschinen mit
einer Direkteinspritzung die vorgegebene Kraftstoffmenge
während der ersten Kompressionsphase mit verringerter
Kompression eingespritzt. Bei Brennkraftmaschinen mit
Saugrohreinspritzung wird die Kraftstoffmenge über das noch
geöffnete Einlaßventil eingespritzt. Die Einspritzung
beginnt dabei vorzugsweise ab dem unteren Totpunkt des in
Kompression gehenden Zylinders.
Die verringerte Kompression in der Startphase bewirkt
einerseits eine Herabsetzung des benötigten Andrehmomentes
der elektrischen Maschine aus der Startposition der
Kurbelwelle. Sie erreicht aber andererseits auch noch einen
ausreichenden Luftfüllgrad von 25 bis 40%, mit dem dann bei
entsprechend angepaßter Kraftstoff-Einspritzmenge bereits
eine erste, das Andrehmoment stark unterstützende
Verbrennung im Zylinder erzielt wird.
Startversuche mit derartig ausgerüsteten Brennkraftmaschinen
zeigen bei unterschiedlichen Auspendelstellungen der
Brennkraftmaschine, dass aufgrund der relativ kleinen Start-
Trägheitsmomente sehr starke Unterschiede im Startablauf,
insbesondere in der Startdynamik und im minimal benötigten
Andrehmoment vorhanden sind. Bei kleinen und mittleren
Zylinderzahlen von drei bis sechs Zylindern sowie beim
Dieselmotor sind diese Start-Positions-Abhängigkeiten
besonders ausgeprägt. Bei Startvorrichtungen mit einem
Starter-Generator erwartet man eine sichere und dynamische
Startfunktion, wobei bei der Kaltstartgrenztemperatur eine
Startzeit bis zu einigen Sekunden noch akzeptabel ist,
während beim Warmstart die Reduzierung der Startzeit im
Vordergrund steht. Die Reduzierung des benötigten
Andrehmomentes ist deshalb wichtig, weil der im
Generatorbetrieb notwendige Dauerstrom einerseits und der
Startstrom andererseits in einem solchen Verhältnis stehen,
dass der Generatorstrom auslegungsbestimmend bleibt. In
diesem Fall läßt sich der Aufwand für die elektrische
Maschine und den für den Motorbetrieb erforderlichen
Wechselrichter minimieren.
Mit dem erfindungsgemäßen Startverfahren ist eine
Koordination des Startablaufs und der Startapplikation mit
einer abgestuften Kompressions- und Füllgradsteuerung der
ersten zur Verbrennung beitragenden Zylinder bei minimiertem
Andrehmoment möglich, die zu einem sicheren Kaltstart und
einen Warmstart mit deutlich reduzierter Startzeit führt.
Neben der bekannten Drehwinkelsensorik können zusätzlich
auch Drehzahl und Drehwinkelsignale der elektrischen
Maschine mitverwendet werden.
Da bei einem Kompressionsabbau durch Leckagen bei tiefen
Temperaturen der Brennkraftmaschine und bei entsprechend
großen Einspritzmengen eine relativ große Einspritzzeit
benötigt werden kann, muß die Kurbelwelle ggf. bis zum Ende
der Einspritzzeit in ihrer Einspritzstellung festgehalten
werden. Gegenüber Brennkraftmaschinen mit konventionellem
Starter wird hier bei einem Warmstart die Kurbelwelle mit
relativ kleinem Trägheitsmoment aus ihrer Startposition
beschleunigt. Dabei wird zur Überwindung der ersten
verringerten Kompression nur etwa 20% Energie gegenüber
einer vollen Kompression benötigt, so dass die Drehzahl nach
einer Anfangsbeschleunigung bereits einen hohen Wert von
beispielsweise 150 bis 200 Umdrehungen/Minute erreicht. Sie
wird im oberen Totpunktbereich des ersten Zylinders auf etwa
diesem Niveau stagnieren, aber nicht wie bei der Überwindung
einer vollen Kompression total einbrechen. Nach dem oberen
Totpunkt kann eine Teilenergie der Dekompression und bis zu
ca. 40% des vollen Drehmomentes einer Verbrennung in diesem
Zylinder genutzt werden, so dass die nachfolgende volle
Kompression ohne Drehzahleinbruch überwunden und
anschließend der Selbstlauf mit hoher Dynamik erreicht wird.
Bei einem Kaltstart läßt sich die Positionierung der
Kurbelwelle der Brennkraftmaschine auch bei Kaltstart-
Grenztemperaturen mit einem vergleichsweise kleinen
Andrehmoment durchführen, das beispielsweise 50% unter dem
vollen Andrehmoment liegen kann. Dies ist möglich, wenn man
eine maximale Positionierzeit von etwa zwei Sekunden sowie
als maximalen bis zur Startposition zu durchlaufenden
Drehwinkel (Positionierwinkel) den Zündabstand - also 180°
bei einer Vier-Zylinder-Maschine - als noch zulässig
erachtet.
Bekanntlich wird bei Drehzahlen deutlich unter 100 min-1 mit
zunehmender Kompression im Zylinder mit steigendem
Andrehmoment der größte Teil der Energiezufuhr durch die
Zunahme der Leckage- und Wandwärmeverluste im Zylinder
verbraucht und nur ein kleinerer Teil führt zu einer
Erhöhung der Kurbelwellendrehzahl. Diese Verluste werden nun
dadurch verringert, dass die Kurbelwelle in der
Positionierphase im zweiten Ausführungsbeispiel zunächst mit
einem kleineren Andrehmoment in ihre Startposition gebracht
wird und erst aus dieser Position heraus die Umschaltung auf
das volle Andrehmoment vorgenommen wird. Die geeignete
Startposition wird ähnlich wie bei der
Warmstartpositionierung so gewählt, dass in der ersten
Beschleunigungsphase nur eine verringerte Kompression
durchlaufen werden muß. Der Luftfüllgrad und damit auch die
nach dem oberen Totpunkt durch die Verbrennung erreichbaren
Drehmomente haben aber bereits einen hohen Wert zur
Unterstützung des Startvorganges.
In Fig. 2 sind in einer Tabelle die Verhältnisse in den
Zylindern bei verringerter Kompression deutlich gemacht.
Die Tabelle gibt den Luftfüllgrad in % auf dem maximal
möglichen Wert, den Verichtungsgrad gegenüber Normaldruck
sowie den im oberen Totpunkt in bar gemessenen Gasfederdruck
und die sich daraus ergebende Gasfeder-Energie an, und zwar
bei einem abgestuft ansteigenden Startwinkel. Dabei ist der
Startwinkel derjenige Winkel, den die Kurbelwelle in der
Startposition gegenüber dem oberen Totpunkt des ersten in
Kompression gehenden Zylinders einnimmt. Die Tabelle zeigt,
daß bei verringerter Kompression die von der elektrischen
Maschine beim Startvorgang aufzubringende Gasfeder-Energie
deutlich überproportional gegenüber dem Füllgrad reduziert
wird.
Claims (19)
1. Startverfahren für eine Brennkraftmaschine (10) eines
Kraftfahrzeuges mit einem Fahrzeuggetriebe (16) zwischen
der Kurbelwelle (11) der Brennkraftmaschine und den
Antriebsrädern (17) des Kraftfahrzeuges, mit einer
Kupplung (15) zwischen dem Fahrzeuggetriebe und der
Kurbelwelle, mit einer elektrischen Maschine (14), die
zum Andrehen der Brennkraftmaschine mit der Kurbelwelle
verbunden ist, sowie mit einem Startsteuergerät (19) zur
Erfassung der Kurbelwellenstellung und -drehung und zur
Steuerung eines jeden Startvorganges der
Brennkraftmaschine, wobei für jeden Startvorgang die
Kurbelwelle von der elektrischen Maschine in einer
Positionierphase in eine Startposition vor OT gebracht
wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einer
anschließenden Startphase in dem mindestens ersten, in
Kompression gehenden Zylinder der Brennkraftmaschine (10)
eine erste Verbrennung mit verringerter Kompression und
verringertem Füllgrad ausgelöst wird, die das in der
Startphase an der Kurbelwelle (11) wirksame Andrehmoment
der elektrischen Maschine (14) unterstützt.
2. Startverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass während der Startphase das Andrehmoment der
elektrischen Maschine (14) durch mehrere Verbrennungen
mit verringerter Kompression und verringertem Füllgrad in
den Zylindern der Brennkraftmaschine (10) unterstützt
wird.
3. Startverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Kompression und der Füllgrad in Stufen auf ihren
vollen Wert (100%) erhöht werden.
4. Startverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass Kompression und Füllgrad jeweils abhängig vom
vorausgehenden Drehzahlverlauf der Kurbelwelle (11)
gesteuert werden.
5. Startverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in der Startphase die
Verbrennung mit einer dem verringerten Füllgrad des
Zylinders angepaßten verringerten Kraftstoffmenge
ausgelöst wird.
6. Startverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von dem vom
Startsteuergerät (19) erfaßtem Zustand der
Brennkraftmaschine (10) in der Positionierphase die
Kurbelwelle (11) in eine erste Startposition für einen
Warmstart oder in eine nachfolgende zweite Startposition
für einen Kaltstart der Brennkraftmaschine gebracht wird.
7. Startverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Startposition bei etwa 60° vor dem oberen
Totpunkt des in Kompression gehenden Zylinders der
Brennkraftmaschine (10) vorgegeben wird.
8. Startverfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die zweite Startposition bei etwa
40° vor dem oberen Totpunkt des in Kompression gehenden
Zylinders der Brennkraftmaschine (10) vorgegeben wird.
9. Startverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass über eine freie
Ventilsteuerung der Einlaßventile Kompression und
Füllgrad des in Kompression gehenden Zylinders verringert
wird.
10. Startverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass bei Brennkraftmaschinen mit
geradzahligen Zylinderzahlen von < 6 bei jedem zweiten in
Kompression gehenden Zylinder Kompression und Füllgrad
auf 0% gesteuert wird.
11. Startverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass im Start-Stopp-Betrieb des Fahrzeugs mit Beginn
einer Stopphase die Kurbelwelle (11) beim Auspendeln von
der elektrischen Maschine (14) in eine Startposition
gebracht und bis zur nachfolgenden, vom Fahrzeugführer
auszulösenden Startphase gehalten wird.
12. Startsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass Kompression und Füllgrad des
ersten in Kompression gehenden Zylinders durch langsames
Drehen der Kurbelwelle (11) in die Startposition über
Leckagen der Zylinder verringert wird.
13. Startverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle während der
Positionierphase von der elektrischen Maschine (14) in
die Startposition gebracht und dass Kompression und
Füllgrad des ersten in Kompression gehenden Zylinders
durch eine vorgegebene Verweildauer in der Startposition
über Leckagen des Zylinders verringert werden.
14. Startverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
dass die Kurbelwelle (11) solange in ihrer Startposition
gehalten wird, bis der Gasfederdruck des in Kompression
gehenden Zylinders durch Leckagen auf einen Restwert
abgesunken ist.
15. Startverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Brennkraftmaschine
mit Direkteinspritzung während der ersten
Kompressionsphase mit verringerter Kompression die
vorgegebene Kraftstoffmenge eingespritzt wird.
16. Startverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, dass bei einer Brennkraftmaschine mit
Saugrohreinspritzung vor der vorzugsweise ersten
Kompressionsphase mit verringerter Kompression,
vorzugsweise ab dem unteren Totpunkt des in Kompression
gehenden Zylinders die vorgegebene Kraftstoffmenge über
das noch geöffnete Einlaßventil eingespritzt wird.
17. Startverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass mit der durch die
Startposition der Kurbelwelle (11) vorgegebenen ersten
verringerten Kompression ein Luftfüllgrad von 25 bis 40%
erreicht wird.
18. Startverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass beim Erreichen eines
vorgegebenen Drehzahlwertes der Kurbelwelle (11) der
Füllgrad und die Kompression auf 100% der Leerlaufwerte
gesetzt werden.
19. Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines
Kraftfahrzeugs zur Durchführung eines Startverfahrens
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Startsteuergerät (19) zur Durchführung der Positionier-
und der Startphase eingangsseitig mit einem Dreh- und
Lagesensor (12) der Kurbelwelle (11) und ausgangsseitig
mit der elektrischen Maschine (14), einer Ventilsteuerung
und einer Kraftstoff-Einspritzsteuerung (18) der
Brennkraftmaschine (10) verbunden ist.
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