DE10132671A1 - Verfahren zum Start eines Viertakt-Verbrennungsmotors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Viertakt-Verbrennungsmotors (1). In einem Zylinder (2) bewegt sich ein Kolben (5) oszillierend in der Längsrichtung des Zylinders (2). Dabei wird taktweise Luft über ein Einlaßventil (7) durch ein Saugrohr (8) in den Zylinder (2) angesaugt und anschließend verdichtet. Im Zylinder (2) wird Verdichtungswärme erzeugt, die zumindest einem nahe dem Einlaßventil (7) gelegenen Abschnitt des Saugrohres (8) zugeleitet wird. Damit wird eine gezielte, schnelle Erwärmung dieses Abschnittes bewirkt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Viertakt-Verbrennungsmotors mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Beim Kaltstart eines Verbrennungsmotors mit einer Einspritzvorrichtung für Kraftstoff ist die Gemischaufbereitung des zu bildenden Kraftstoff-Luft-Gemisches während der ersten Einspritzungen nicht optimal. Die kalte Ansaugluft und auch der geringe Unterdruck im Ansaugsystem während des Startvorganges stehen der Bildung eines für eine optimale Verbrennung gewünschten Kraftstoff-Luft-Nebels entgegen. Eine Teilmenge des eingespritzten Kraftstoffes schlägt sich an der Saugrohrwand und auf den Ventilen nieder. Zur Kompensation dieses Effektes und Erzielung eines guten Startverhaltens des Verbrennungsmotors wird in der Startphase üblicherweise eine Übermenge an Kraftstoff eingespritzt. Das nicht optimal aufbereitete Kraftstoff-Luft-Gemisch führt bei der Verbrennung zu einer unerwünschten Erhöhung der Emissionswerte. Unverbrannter Kraftstoff kann einen Wandfilm bilden, der vor den ersten Zündungen in das Abgassystem gelangen und zur Verschlechterung der Emissionswerte beitragen kann. Auch ein ggf. im Abgassystem angeordneter Katalysator weist bei einem Kaltstartvorgang noch nicht die erforderliche Betriebstemperatur auf. Unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Abgas können durch den Katalysator noch nicht konvertiert werden, was ebenfalls zu einer unerwünschten Erhöhung der Schadstoffwerte im Abgas beiträgt.
• Es sind Vorrichtungen bekannt zur Erwärmung der Ansaugluft, bei denen die Ansaugluft an betriebswarmen Teilen des Verbrennungsmotors wie beispielsweise der Abgasanlage zur Erwärmung vorbeigeführt wird. Bei einem Kaltstart ist ein derartiges System jedoch nicht wirksam.
• Die unzulängliche Gemischaufbereitung insbesondere während der ersten Kurbelwellenumdrehungen kann des weiteren zu einem schlechten Zündverhalten und damit zu einem unkomfortablen, unrunden Anspringen des Verbrennungsmotors führen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Starten eines Viertakt-Verbrennungsmotors bereitzustellen, bei dem die entstehende Schadstoffemission verringert ist.
• Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach dem Anspruch 1 gelöst.
• Dazu wird vorgeschlagen, zumindest ein nahe dem Einlaßventil gelegenen Abschnitt des Saugrohres über die beim Starten des Verbrennungsmotors im Zylinder entstehende Verdichtungswärme blitzartig zu erwärmen. Schon beim ersten Kompressionshub des Kolbens im Zylinder entsteht eine hinreichende Wärmemenge, die sofort zur Erwärmung des Einlaßbereiches zur Verfügung steht und damit eine blitzartige Erwärmung desselben ermöglicht. Schon der erste Einspritzvorgang kann dadurch in erwärmten Umgebungsbedingungen erfolgen, in dessen Folge eine verbesserte Gemischbildung von eingespritztem Kraftstoff und Luft ermöglicht ist. Eine Kondensation von Kraftstofftröpfchen an kalten Motorteilen ist vermieden. Die ersten Einspritzungen können mit verringerter Kraftstoffmenge erfolgen, wobei ein gutes Anspringen des Verbrennungsmotors mit geringem Schadstoffausstoß ermöglicht ist.
• Dazu wird zweckmäßig während der ersten Umdrehungen, insbesondere der ersten zwei bis vier Umdrehungen der Kurbelwelle das Auslaßventil geschlossen gehalten. Der Verbrennungsmotor ist dazu mit einer Auslaßventilabschaltung versehen. Durch das Saugrohr und das Einlaßventil wird Luft in den Zylinder eingesaugt und anschließend verdichtet. Die angesaugte Luft wird durch die Verdichtung erwärmt und verbleibt zunächst im Zylinder, da das Auslaßventil geschlossen gehalten ist. Beim erneuten Öffnen des Einlaßventils wird die heiße Luft in das Saugrohr gedrückt und erwärmt dieses blitzartig zumindest in seinem nahe dem Einlaßventil gelegenen Abschnitt. Auch der Brennraum selbst ist schnell erwärmt. Anschließend wird die Auslaßventilabschaltung aufgehoben und der Verbrennungsmotor in den gewöhnlichen Startbetriebszustand überführt. Die Kompressionswärme erzeugt schon bei wenigen Kurbelwellenumdrehungen eine schnelle und hinreichende Erwärmung des Brennraumes und des Ansaugbereiches, in dessen Folge kurzfristig verbesserte Bedingungen für eine Gemischaufbereitung und eine saubere Verbrennung beim Starten mit verringertem Schadstoffausstoß gegeben sind.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung wird während der Phase mit geschlossenem Auslaßventil das Einlaßventil über einige Umdrehungen der Kurbelwelle geschlossen gehalten und anschließend wieder geöffnet. Bei geschlossenem Auslaßventil wird also zunächst Luft über das Saugrohr und das geöffnete Einlaßventil angesaugt. Anschließend erfolgt eine Einlaßventilabschaltung, in dessen Folge die zuvor angesaugte Luft mehrfach verdichtet und damit auf ein erhöhtes Temperaturniveau erwärmt wird. Anschließend wird zunächst das Einlaßventil wieder geöffnet, in dessen Folge die erhitzte Ansaugluft in das Saugrohr ausströmt. Durch die vorhergehende mehrfache Kompression ist ein höheres Temperaturniveau der Ansaugluft und damit eine verbesserte Erwärmung des Brennraumes und des Saugrohres erzielbar. Im Anschluß daran wird auch die Auslaßventilabschaltung aufgehoben und der Verbrennungsmotor in den gewöhnlichen Startbetriebszustand überführt.
• Bei den genannten Varianten des Verfahrens ist zweckmäßig während der Phase mit geschlossenem Auslaßventil die Einspritzvorrichtung sowie die Zündvorrichtung abgeschaltet. Dadurch findet zunächst eine schnelle Erwärmung des Brennraumes, des Einlaßventils und des Saugrohres statt. Bei anschließender Einschaltung der Einspritzvorrichtung und der Zündvorrichtung sind durch die vorausgegangene Erwärmung bereits bei der ersten Zündung und Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches entsprechend gute Zünd- und Verbrennungsbedingungen gegeben. Der Schadstoffausstoß ist bereits bei den ersten Zündungen und Verbrennungen gering. Der Verbrennungsmotor springt komfortabel und rundlaufend an.
• In einer alternativen Ausbildung des Verfahrens ist während der Phase mit geschlossenem Auslaßventil beim Beginn des Startvorganges zunächst die Einspritzvorrichtung und die Zündvorrichtung abgeschaltet. Anschließend erfolgt eine Zuschaltung der Zündung und der Einspritzung für eine erste Verbrennung im Brennraum. Das Auslaßventil wird noch während eines auf die Zündung folgenden Ausstoßtaktes geschlossen gehalten, in dessen Folge die heißen Abgase beim nächsten Öffnen des Einlaßventiles mit hoher Temperatur in das Saugrohr einströmen. Anschließend wird der Verbrennungsmotor in den gewöhnlichen Startbetrieb überführt. Bei dieser Variante des Verfahrens wird zusätzlich zur Kompressionswärme auch die Verbrennungswärme zur schlagartigen Erwärmung desjenigen Motorbereichs genutzt, in dem die Gemischbildung, Zündung und Verbrennung erfolgt. Die erste Verbrennung mit anschließend geschlossen gehaltenem Auslaßventil erfolgt dabei zweckmäßig mit Luftüberschuß in Form eines sogenannten Magerstartes, so daß beim Austritt der entstehenden Abgase in das Saugrohr und der anschließenden Gemischbildung hinreichend Sauerstoff in der Ansaugluft für die nachfolgenden Verbrennung vorhanden ist.
• Der Start des Verbrennungsmotors erfolgt dabei zweckmäßig mit erhöhter Drehzahl. Dadurch entstehen beim Anspringen weniger Verluste. Der Wirkungsgrad ist erhöht und der Motor läuft während der ersten Umdrehungen runder. Zur weiteren Verbesserung der Gemischbildungs-, Zündungs- und Verbrennungsbedingungen kann das Startverfahren mit erhöhter Verdichtung erfolgen, wodurch eine erhöhte Verdichtungs-Endtemperatur der angesaugten Luft und damit eine verbesserte schnelle Vorwärmung des Ansaugbereiches und des Brennraumes gegeben ist.
• Ausführungsbeispiele des Verfahrens werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 in einer Prinzipdarstellung einen Viertakt-Verbrennungsmotor mit einer Saugrohreinspritzung zum Betrieb mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,
• Fig. 2 eine Diagramm-Darstellung der erzielbaren Verdichtungs-Endtemperatur abhängig von der variabel eingestellten Verdichtung.
• Fig. 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung einen Viertakt-Verbrennungsmotor 1 mit einem Zylinder 2, in dem ein Kolben 5 längsverschieblich geführt ist. Der Kolben 5 ist über ein Pleuel 3 mit einer Kurbelwelle 4 verbunden. Die Kurbelwelle 4 ist um eine Kurbelwellenachse 26 drehbar gelagert. Ein angedeuteter Anlasser 23 kann mit der Kurbelwelle 4 zum Starten des Verbrennungsmotors 1 in Eingriff gebracht werden. Ein Brennraum 6 ist durch den Kolben 5 und den Zylinder 2 begrenzt. Ein Saugrohr 8 ist über ein Einlaßventil 7 mit dem Brennraum 6 verbindbar. Eine nicht näher gezeigte Einspritzvorrichtung 11 umfaßt eine im Saugrohr 8 angeordnete Einspritzdüse 16 zum Einspritzen von Kraftstoff 12. Bei einer Bewegung des Kolbens 5 in Richtung der Kurbelwelle 4 wird Luft durch das geöffnete Einlaßventil 7 und das Saugrohr 8 in Richtung des Pfeiles 17 angesaugt. Im Bereich der Einspritzdüse 16 wird dabei ein Kraftstoff-Luft-Gemisch 13 gebildet und durch das Einlaßventil 7 in den Brennraum 6 gefördert. Die Einspritzdüse 16 kann für eine Direkteinspritzung auch im Bereich des Brennraumes 6 angeordnet sein.
• Zur Ableitung der bei einer Verbrennung des Kraftstoff- Luft-Gemisches 13 im Brennraum 6 entstehenden Abgase ist ein Abgasrohr 10 vorgesehen, welches über ein Auslaßventil 9 mit dem Brennraum 6 verbindbar ist. Bei geöffnetem Auslaßventil 9 werden die Abgase durch das Abgasrohr 10 in Richtung des Pfeiles 18 ausgestoßen. Zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches 13 im Brennraum 6 ist eine nicht näher gezeigte Zündvorrichtung 14 mit einer Zündkerze 15 vorgesehen.
• Der Kolben 5 ist über einen Kolbenbolzen 24 gelenkig mit dem Pleuel 3 verbunden. Über eine nicht näher dargestellte, beispielsweise hydraulische Vorrichtung zur Erhöhung der Kompression ist ein Kolbenboden 22 des Kolbens 5 relativ zum Kolbenbolzen 24 in Richtung des Doppelpfeiles 25 verschieblich gestaltet. Es kann auch zweckmäßig sein, die Kurbelwellenachse 26 der Kurbelwelle 4 relativ zum Zylinder 2 und dessen Brennraum 6 derart verschieblich zu gestalten, daß der Abstand zwischen der Kurbelwellenachse 26 und dem Dach des Brennraumes 6 verringerbar ist.
• Der Verlauf der im Brennraum 6 erzielbaren Verdichtungs- Endtemperatur T der angesaugten und verdichteten Luft ist beispielhaft im Diagramm nach Fig. 2 gezeigt. Bei einer Hubbewegung des Kolbens 5 in Richtung des Brennraumes 6 wird die im Zylinder 2 enthaltene Luft bei geschlossenem Einlaß- und Auslaßventil 7, 9 verdichtet und dabei erwärmt. Die Verdichtungs-Endtemperatur T ist abhängig von der Ansaugtemperatur T_ans der Luft im Saugrohr 8 (Fig. 1). Beispielhaft sind drei Verlaufskurven der Verdichtungs-Endtemperatur T abhängig von verschiedenen Ansaugtemperaturen T_ans1, T_ans2, T_ans3 von 20°C, 30°C und 50°C gezeigt. Bei einer gewöhnlichen Verdichtung V von etwa 9 im Brennraum 6 (Fig. 1) und einer Ansaugtemperatur T_ans1 von 20°C ist eine Verdichtungs-Endtemperatur T_A im gezeigten Ausführungsbeispiel von etwa 345°C erzielbar. Durch Erhöhung der Verdichtung V (vgl. Fig. 1) auf beispielsweise 14 kann die Verdichtungs-Endtemperatur T auf einen Wert von T_B von etwa 455°C im gezeigten Ausführungsbeispiel erhöht werden.
• Nach Fig. 1 weist der Kolbenboden 22, eine innenseitige Oberfläche 21 des Brennraumes 6 und eine Zylinderwand 20 des Zylinders 2 eine Keramikbeschichtung auf. Neben der erhöhten Temperatur- und Verschleißfestigkeit ist wegen der vergleichsweise geringen Wärmeleitfähigkeit die tatsächliche Erzielung der Verdichtungs-Endtemperatur T (Fig. 2) unterstützt und beim Kondensieren von Kraftstoff 12 an den keramikbeschichteten Teilen vermieden.
• Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst der Anlasser 23 betätigt und damit die Kurbelwelle 4 in Drehung versetzt. Über den Pleuel 3 wird der Kolben 5 in eine oszillierende Hubbewegung im Zylinder 2 versetzt. Über eine nicht näher dargestellte Auslaßventilabschaltung bleibt beim Startvorgang während der ersten zwei bis vier Umdrehungen der Kurbelwelle 4 das Auslaßventil 9 geschlossen. Durch das Saugrohr angesaugte und im Zylinder 2 befindliche Luft wird komprimiert und dadurch erwärmt. Das Einlaßventil 7 ist in geöffneter Position gezeigt, in dessen Folge die Luft entlang des Pfeiles 19 in das Saugrohr 8 strömt. Durch die erwärmte Luft wird das Saugrohr 8 zumindest in seinem nahe dem Einlaßventil 7 gelegenen Abschnitt schnell erwärmt. Die Einspritzdüse 16 liegt im erwärmten Bereich, in dessen Folge bei einer anschließenden Einspritzung von Kraftstoff 12 sich ein Kraftstoff-Luft-Gemisch 13 unter erwärmten und damit verbesserten Bedingungen bildet und anschließend über das Einlaßventil 7 in den Zylinder 2 angesaugt werden kann. Im darauf folgenden gewöhnlichen Startbetrieb wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch über die Zündkerze 15 im Brennraum 6 gezündet. Die Auslaßventilabschaltung wird aufgehoben und das entstehende Abgas kann über das Auslaßventil 9 und das Abgasrohr 10 entweichen.
• In einer Weiterbildung des Verfahrens wird zunächst das Auslaßventil 9 geschlossen und Luft über das Einlaßventil 7 in den Zylinder 2 angesaugt. Anschließend bleiben das Einlaß- und Auslaßventil 7, 9 über einige Umdrehungen der Kurbelwelle 4 geschlossen, in dessen Folge die Luft im Zylinder 2 bzw. Brennraum 6 mehrfach komprimiert und erwärmt wird. Anschließend wird zunächst das Einlaßventil 7 geöffnet, indessen Folge die erwärmte Luft entlang des Pfeiles 19 in das Saugrohr 8 strömt. Das Verfahren wird dann in zuvor beschriebener Weise weitergeführt. Bei beiden genannten Ausbildung des Verfahrens bleibt während der Phase der Auslaßventilabschaltung die Einspritzvorrichtung 11 sowie die Zündvorrichtung 14 abgeschaltet. Nach Erwärmung des Brennraumes 6, des Einlaß- und Auslaßventiles 7, 9 sowie des Saugrohres 8 wird der Verbrennungsmotor 1 in den gewöhnlichen Startbetrieb überführt, wobei die Einspritzvorrichtung 11 zugeschaltet und dadurch ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet und anschließend im Brennraum 6 durch die ebenfalls zugeschaltete Zündvorrichtung 14 mit der Zündkerze 15 gezündet wird.
• In einer weiteren Ausbildung des Verfahrens ist während der Phase mit geschlossenem Auslaßventil 9 beim Beginn des Startvorganges die Einspritzvorganges 11 sowie die Zündvorrichtung 14 zunächst abgeschaltet. Es kann optional als erstes eine schnelle Erwärmung des Saugrohres 8 in der zuvor beschriebenen Weise erfolgen. Dann wird die Einspritzvorrichtung 11 sowie die Zündvorrichtung 14 zugeschaltet und ein Kraftstoff-Luft-Gemisch 13 mit Luftüberschuß im Brennraum 6 gebildet. Anschließend erfolgt eine Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches 13 über die Zündkerze 15, indessen Folge der Kolben 5 in einem Arbeitstakt abwärts in Richtung der Kurbelwelle 4 bewegt wird. In einer anschließenden Hubbewegung des Kolbens 5 wird ein Ausstoßtakt durchgeführt, bei dem das Auslaßventil 9 jedoch geschlossen gehalten ist. Beim anschließenden Öffnen des Einlaßventiles 7 treten heiße, wegen des Luftüberschusses sauerstoffhaltige Abgase aus dem Brennraum 6 entlang des Pfeiles 19 in das Saugrohr 8 ein. Nachfolgend wird der Verbrennungsmotor 1 in den gewöhnlichen Betrieb überführt, bei dem die Ventilabschaltung aufgehoben ist und die bei der Verbrennung entstehenden Abgase durch das Abgasrohr 10 entweichen. Der Start des Verbrennungsmotors 1 mit den beschriebenen Verfahren erfolgt mit erhöhter Drehzahl zunächst des Anlassers 23 und anschließende der Kurbelwelle 4.

Claims (8)

1. Verfahren zum Starten eines Viertakt-Verbrennungsmotors (1), bei dem sich in einem Zylinder (2) ein Kolben (5) oszillierend in Längsrichtung des Zylinders (2) bewegt und wobei taktweise Luft über ein Einlaßventil (7) durch ein Saugrohr (8) in den Zylinder (2) angesaugt und anschließend verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Zylinder (2) Verdichtungswärme erzeugt wird, die zumindest einem nahe dem Einlaßventil (7) gelegenen Abschnitt des Saugrohres (8) zugeleitet wird und damit eine gezielte, schnelle Erwärmung dieses Abschnittes bewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der ersten insbesondere zwei bis vier Umdrehungen einer mit dem Kolben (5) über ein Pleuel (3) verbundenen Kurbelwelle (4) ein Auslaßventil (9) zwischen dem Zylinder (2) und einem Abgasrohr (10) geschlossen gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Phase mit geschlossenem Auslaßventil (9) das Einlaßventil (7) über einige Umdrehungen der Kurbelwelle (4) geschlossen gehalten und anschließend wieder geöffnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß während der Phase mit geschlossenem Auslaßventil (9) eine Einspritzvorrichtung (11) für Kraftstoff (12) sowie eine Zündvorrichtung (14) für ein im Verbrennungsmotor (1) gebildetes Kraftstoff-Luft-Gemisch (13) abgeschaltet sind.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Phase mit geschlossenem Auslaßventil (9) beim Beginn des Startvorganges die Einspritzvorrichtung (11) sowie die Zündvorrichtung (14) zunächst abgeschaltet und anschließend zugeschaltet werden, daß nach einer ersten Zündung und Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches (13) während eines auf die Zündung folgenden Auslaßtaktes das Auslaßventil (9) geschlossen gehalten und anschließend in den gewöhnlichen Betrieb überführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung mit Luftüberschuß erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Start des Verbrennungsmotors (1) mit erhöhter Verdichtung (V) erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Start des Verbrennungsmotors (1) mit erhöhter Drehzahl erfolgt.