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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Start einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs sowie ein dementsprechendes Verfahren.
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Stand der Technik
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Zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs, zur Verbesserung der elektrischen Bordnetzleistung und zur Verbesserung des Startverhaltens bei einem Start-Stopp-Betrieb werden insbesondere integrierte Starter – Generatoren auf der Kurbelwelle sowie riemengetriebene Startergeneratoren eingesetzt. Diese Systeme haben im Gegensatz zu konventionellen Startsystemen bezogen auf die Kurbelwelle nur ein kleines Trägheitsmoment, da keine, oder beim riemengetriebenen Startgenerator eine im Verhältnis zum konventionellen Starter nur kleine Übersetzung, zwischen Antrieb und Kurbelwelle besteht. Hierdurch wird die notwendige Drehmomentanforderung beim Start gegenüber konventionellen Systemen deutlich erhöht.
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Die beim Start notwendigen Drehmomentanforderungen werden insbesondere durch die Gasfedermomente der Brennkraftmaschine beeinflusst. Der instationäre Anteil der Gasfedermomente hängt hierbei insbesondere von der Auspendel-Stellung bzw. Startposition des Motors ab.
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Aus der
DE 100 24 438 A1 ist bereits ein Startverfahren bekannt, bei dem die Kurbelwelle von einer elektrischen Maschine für jeden Startvorgang zunächst in einer Positionierphase in eine Startposition gebracht wird. Ferner ist es vorgesehen, dass in der Startphase in dem mindestens ersten, in Kompression gehenden Zylinder der Brennkraftmaschine eine erste Verbrennung mit verringerter Kompression und verringertem Füllgrad ausgelöst wird, um somit das Andrehmoment der elektrischen Maschine zu unterstützen.
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Aus der
DE 100 30 001 A1 ist ein Verfahren zum kontrollierten Abstellen einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem nach Beendigung des regulären Betriebes der Brennkraftmaschine eine Versteileinrichtung angesteuert wird und die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bzw. die Nockenwelle in eine vorgebbare Winkelstellung bewegt wird.
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Aus der
DE 102 43 494 A1 ist eine Motorbremsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit einer Dekompressionseinrichtung ausgerüstet ist. Zum Abbremsen der Brennkraftmaschine wird die Dekompressionseinrichtung zeitweise geöffnet, sodass aus einem Arbeitszylinderraum Druckluft bzw. Gas unter Druck in eine Auslassleitung abziehbar ist.
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Die für den Start-Stopp-Betrieb entwickelten Systeme weisen gegenüber konventionellen Startsystemen mit separaten Elektrostartern ein vergleichsweise geringes Trägheitsmoment an der Kurbelwelle auf. Insbesondere bei einer stromminimierten Auslegung dieser Systeme wird im Vergleich zu konventionellen Systemen nur ein geringes Startmoment bei Drehzahl Null erreicht.
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Die
DE 196 32 074 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines mit einem Starter-Generator gekoppeltem ventilgesteuerten Verbrennungsmotors, bei dem vor dem Starten die Gaswechselventile über einen Ventil-Stellantrieb derart verstellt werden, dass der Verbrennungsmotor praktisch kompressionslos ist. Zum Start des Verbrennungsmotors arbeitet der Starter-Generator im Motorbetrieb und beschleunigt die Kurbelwelle auf eine Mindestdrehzahl. Nach Erreichen der Mindestdrehzahl werden die Zylinder des Verbrennungsmotors im Sinne eines weiterführenden Verbrennungsmotor-Betriebes gezündet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des entsprechenden unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass zum Start einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, wobei mindestens ein Zylinder ein Dekompressionsventil aufweist, die Vorrichtung beim Abstellen der Brennkraftmaschine das mindestens eine Dekompressionsventil derart betätigt, dass die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in eine bevorzugte Startposition gelangt.
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Entsprechend wird für das erfindungsgemäße Verfahren, beim Abstellen der Brennkraftmaschine das mindestens eine Dekompressionsventil derart betätigt, dass die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in eine bevorzugte Startposition gelangt.
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Vorrichtung und Verfahren gestatten es so in vorteilhafter Weise, die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine beim Abstellen in eine bevorzugte Startposition zu bringen, wobei die Startposition vorteilhaft so gewählt wird, das ein nachfolgender Start erleichtert durchgeführt werden kann.
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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 die Vorrichtung oder durch das Verfahren bei einem Start der Brennkraftmaschine mindestens ein Dekompressionsventil derart betätigt wird, dass ein dem Start entgegenwirkendes Startdrehmoment verringert wird. Durch dieses Vorgehen wird in vorteilhafter Weise das entgegenwirkende Startdrehmoment, vorzugsweise das Gasfedermoment in der Kompressionsphase, verringert und der Startvorgang erleichtert bzw. beschleunigt.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn eine elektrische Maschine die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in eine bevorzugte Startposition bringt. So kann insbesondere bei einem System mit einem Starter-Generator, dieser Starter dazu genutzt werden die Kurbelwelle in eine bevorzugte Startposition zu bringen, um einen nachfolgenden Start zu erleichtern.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass bei mehreren Zylindern mit Dekompressionsventilen diese Zylinder in der Zündfolge aufeinander folgen. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass beim Nichterreichen einer für einen Start notwendigen Mindestdrehzahl bei einem in der Zündfolge nachfolgenden Zylinder über ein Dekompressionsventil der Druck bzw. das Gasfedermoment reduziert werden kann.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn ein oder zwei Zylinder der Brennkraftmaschine ein Dekompressionsventil aufweisen. Da erfindungsgemäß beim Abstellen der Brennkraftmaschine die Kurbelwelle in eine bevorzugte Startposition gelangt, ist es in vorteilhafter Weise möglich zur Reduzierung des Startdrehmomentes nur ein oder zwei Zylinder mit einem Dekompressionsventil auszustatten, wodurch Materialeinsatz und technischer Aufwand erheblich reduziert werden können.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die bevorzugte Startposition in einem Drehwinkelsegment liegt, der einen Kurbelwellenwinkel-Bereich von Anzahl der Zylinder mit Dekompressionsventil (n_d) × 720°/Zylinderzahl (n) überstreicht. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, die bevorzugte Startposition in einen relativ großen Kurbelwellenwinkel-Bereich zu legen, so dass beim Abstellen der Brennkraftmaschine die Kurbelwellen in vorteilhafter und zuverlässiger Weise eine bevorzugte Startposition erreicht.
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Besonders von Vorteil ist es, wenn das mindestens eine Dekompressionsventil derart betätigt wird, dass, wenn ein Kolben der Brennkraftmaschine einen oberen Totpunkt durchschreitet, die Drehzahl der Kurbelwelle nicht unter eine vorgegebene Drehzahl fällt. Auf diese Weise wird verhindert, dass insbesondere, wenn der Kolben einen oberen Totpunkt in der Kompressionsphase überschreitet die Drehzahl nicht abfällt.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn das mindestens eine Kompressionsventil nur dann betätigt wird, wenn die Kurbelwelle ohne eine solche Betätigung voraussichtlich eine günstige Startposition erreicht. Durch die Reduzierung der Betätigung auf die nur notwendigen Vorgänge wird die Lebensdauer eines Dekompressionsventils erhöht.
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Besonders vorteilhaft ist es das erfindungsgemäße Verfahren in einem Steuergerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu implementieren, sodass in einfacher und vorteilhafter Weise die Vorgänge für den Start einer Brennkraftmaschine zentral, koordiniert und gesteuert werden können.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Start einer Brennkraftmaschine,
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2 schematisch ein Diagramm mit dem Drehzahlverlauf beim Abstellen einer Brennkraftmaschine,
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3 schematisch geeignete Kurbelwellenwinkel-Bereiche für eine bevorzugte Startposition,
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4 schematisch den Drehzahlverlauf beim Start einer Brennkraftmaschine.
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1 zeigt schematisch einen prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Start einer Brennkraftmaschine. Mit der Ziffer 10 ist eine Brennkraftmaschine mit vier Zylinder 11–14 gekennzeichnet. Einem ersten und zweiten Zylinder 11, 12 der Brennkraftmaschine ist jeweils ein Dekompressionsventil 21, 22 zugeordnet ist. Über eine Kurbelwelle 60 ist die Brennkraftmaschine 10 mit einem Startsystem 50 verbunden. Ein an der Kurbelwelle angeordneter Drehzahlsensor 40 gibt drehzahlrepräsentierendes Signal an ein Steuergerät 30 zur weiteren Verarbeitung weiter. Das Steuergerät 30 verarbeitet unter anderem die Drehzahlsignale und steuert mindestens ein Dekompressionsventil 21, 22.
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Beim Startsystem 50 handelt es sich vorzugsweise um einen integrierten Starter-Generator auf der Kurbelwelle 60 oder einem riemengetriebenen Startgenerator. Es ist jedoch auch denkbar, herkömmliche Anlasser bzw. Starter zu verwenden. Weiterhin muss die Erfassung der Drehzahl der Kurbelwelle 60 nicht zwangsläufig über einen Drehzahlsensor 40 direkt an der Kurbelwelle 60 erfolgen, sondern auch andere Verfahren, über die die Drehzahl der Kurbelwelle 60 zu ermitteln ist, sind möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, zwei in der Zündfolge aufeinanderfolgende Zylinder 11, 22 jeweils mit einem Dekompressionsventil 21, 22 auszustatten. Durch dieses Vorgehen wird die Anzahl der benötigten Dekompressionsventile 21, 22 reduziert und in der Stopp-Phase der Brennkraftmaschine 10 die Steuerung der Auspendellage auf eine bevorzugte Startposition in einem für den Start günstigen Kurbelwellenwinkel-Bereich vereinfacht.
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2 zeigt ein typisches Abstellverhalten einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine, wobei die Kurven 200 und 300 den Drehzahlverlauf mit zunehmenden Drehwinkel der Kurbelwelle darstellen. Die gestrichelte Kurve 300 stellt hierbei den Drehzahlverlauf bei einer ungebremsten Kurbelwelle 60 und die durchgezogene Kurve 200 den Verlauf bei einer gebremsten Kurbelwelle dar. Der obere Totpunkt in der Nähe des Zündzeitpunkts für den ersten Zylinder 11 befindet sich im dargestellten Diagramm bei 180°, der Zünd-OT des nachfolgenden zweiten Zylinders 12 folgt 180° später bei 360°. Die Zünd-OTs der nachfolgenden Zylinder 13, 14 folgen entsprechend. Die Bereiche der korrespondieren Kompressionsphasen der Zylinder sind mit Z1 bis Z4 gekennzeichnet. Die Umrandung der Bereiche Z1 und Z2 weist darauf hin, dass der erste und zweite Zylinder 11, 12 jeweils mit einem Dekompressionsventil 21, 22 versehen ist. Mit ,100' ist ein Dekompressionsbereich gekennzeichnet, in dem die Dekompressionsventile im Wesentlichen zur Anwendung kommen.
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Wie den Kurven zu entnehmen ist, nimmt die Drehzahl in der Kompressionsphase in Richtung des Zünd-OTs ab und erreicht beim Durchlaufen des Zünd-OTs ein Minimum. Unterschreitet die Drehzahl der Kurbelwelle eine bestimmte Drehzahl, reicht das Drehmoment der Kurbelwelle nicht mehr aus, das in der Kompressionsphase aufgebaute Gasfedermoment zu überwinden und kommt zum Stillstand, wobei das anstehende Gasfedermoment die Kurbelwelle in eine entgegengesetzte Drehbewegung auspendeln lässt. Für das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel pendelt die Kurbelwelle gebremst oder ungebremst ca. 90° vor einem Zünd-OT aus.
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Für eine gegebene Brennkraftmaschine ist es ohne Weiteres möglich, anhand der sich beim Abstellen der Brennkraftmaschine einstellenden Drehzahl die voraussichtliche Auspendelposition der Kurbelwelle zu ermitteln. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, wenn die voraussichtliche Auspendelposition nicht in ein bevorzugtes Startsegment fällt, das Auslaufen der Kurbelwelle 60 mit Hilfe eines Dekompressionsventils 21, 22 derart zu beeinflussen, dass eine gewünschte, bevorzugte Auspendelposition bzw. Startposition der Kurbelwelle erreicht wird.
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Stellt Kurve 300 beispielsweise einen gemessenen bzw. ermittelten Drehzahlverlauf für ein ungebremstes Auslaufen der Kurbelwelle dar, werden anhand dieser Daten von einem Steuergerät 30 Maßnahmen ergriffen, beispielsweise eine geeignete Betätigung der vorhandenen Dekompressionsventile 21, 22, um einen geeigneten mit Kurve 200 dargestellten Drehzahlverlauf zu erreichen, der die Kurbelwelle 60 in eine geeignete Startposition auspendeln lässt.
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Das Abstellverhalten der Kurbelwelle nach Kurve 200 ist beispielsweise zu erreichen, indem die vorhandenen Dekompressionsventile 21, 22 jeweils im Winkelbereich 30° bis 0° vor OT geöffnet werden. Diese späte Dekompression kurz vor OT bewirkt eine starke Bedämpfung des Ausschwingverhaltens, da der Kompressionsdruck ohne ein Gegenmoment abgebaut wird.
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Das Steuern der Auspendellage kann auch ohne Zusatzaufwand über das Steuergerät durch das Festlegen eines Zylinders als letzten Verbrennungszylinder beim Abstellen des Motors erfolgen. Ferner ist auch der Eingriff auf die Ventilsteuerung, beispielsweise das frühe Öffnen der Auslassventile, eine Möglichkeit der Bedämpfung und der Erzeugung relativ früher Auspendellagen.
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In 3 ist schematisch dargestellt, welche Auspendelpositionen erfindungsgemäß geeignet sind. Die Kurven Zyl1 und Zyl2 zeigen schematisch die Positionen bzw. Arbeitstakte des ersten und zweiten Zylinders 11, 12, die in der Zündfolge aufeinanderfolgen und im vorliegenden Beispiel mit einem Dekompressionsventil 21, 22 versehen sind. Mit der Ziffer 100 ist ein Dekompressionsbereich gekennzeichnet, in dem die Dekompressionsventile 21, 22 vorzugsweise zur Anwendung kommen. Der Dekompressionsbereich 100 im vorliegenden Beispiel beginnt bei einem Kurbelwellenwinkel 720°, bei dem sich der erste Zylinder 11 im unteren Totpunkt UT der Kompressionsphase und der zweite Zylinder 12 im Gaswechsel-OT befindet und endet bei einem Kurbelwellenwinkel 1080°, bei dem sich dann der zweite Zylinder 12 in seinem Zünd-OT befindet. Der Dekompressionsbereich 100 überstreicht somit die Kompressionsphasen der ersten beiden Zylinder 11, 12. Für einen optimalen Start der Brennkraftmaschine pendelt die Kurbelwelle vorzugsweise in eine optimale Auspendellage 150 aus. Im vorliegenden Beispiel erstreckt sich die optimale Auspendellage 150 im Wesentlichen über den gesamten Kompressionsbereich des ersten Zylinders 11, der Bereich beginnt hier bei 720° und hört bei 900° auf. Pendelt die Kurbelwelle in dieser optimalen Auspendellage 150 aus, so sind beim Start unter Einsatz der Dekompressionsventile 21, 22 nur geringe Gasfedermomente zu überwinden, insbesondere durchschreitet der Drehwinkel der Kurbelwelle auch die Kompressionsphase des zweiten Zylinders 12, in der gegebenenfalls das zugehörige Dekompressionsventil 22 das Gasfedermoment ein weiteres Mal verringern kann, und so einen schnelleren Anlauf der Brennkraftmaschine 10 ermöglicht. Ohne das Startverhalten wesentlich zu beeinträchtigen, ist es ausreichend, wenn die Kurbelwelle 60 in eine bevorzugte Auspendellage 170 auspendelt. Die bevorzugte Auspendellage 170 erstreckt sich im vorliegenden Fall über ein Kurbelwellenwinkelsegment das 90° vor dem Zünd-OT des vierten Zylinders (ZOT4) beginnt und 90° nach dem Zünd-OT des ersten Zylinders (ZOT1) endet.
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Die Größe der bevorzugten Auspendellage 170 wird im Wesentlichen von der Anzahl der Zylinder mit Dekompressionsventil n_d und der Anzahl der vorhandenen Zylinder n ab, wobei der folgende Zusammenhang gilt: n_d × 720°/n = Kurbelwellenwinkel-Bereich der bevorzugten Auspendellage 170. Die bevorzugte Auspendellage 170 ist typischer Weise derart angeordnet, dass der Beginn dieser Lage im Wesentlichen in der Mitte der Ansaugphase des ersten in Kompression gehenden Zylinders zusammenfällt und endet, sobald der letzte dekomprimierende Zylinder ca. die Mitte der Kompressionsphase erreicht hat. Es ist jedoch ohne Weiteres denkbar, dass die bevorzugte Auspendellage je nach Anwendungsfall auch einen größeren oder kleineren Bereich überstreichen kann, insbesondere ist es auch denkbar diesen Bereich asymmetrisch auszulegen.
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Bei der Verwendung von zwei Dekompressionsventilen für zwei Zylinder in Folge ist die Auspendelbeeinflussung deshalb besonders robust, weil dann der gesamte Bereich des ersten mit einem Dekompressionsventil versehenen Zylinders zum Toleranzfeld für eine optimale Startregelung zählt. Wobei eine Ausdehnung dieser optimalen Auspendellage 150 um 60°–90° nach oben und unten in Richtung einer bevorzugten Auspendellage 170 immer noch eine deutliche Startverbesserung gegenüber einem Normalstart darstellt. Je weiter die Auspendelposition außerhalb der bevorzugten Auspendellage liegt desto mehr nähert sich das Startverhalten in Richtung einer Brennkraftmaschine ohne einer erfindungsgemäßen Dekompressionshilfe.
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Beim Start aus dem optimalen Positionsbereich kann die Dekompressionsregelung des ersten Zylinders vollständig für die Startdynamik genutzt werden. Im Bereich des zweiten Dekompressions-Zylinders kann bei relativ niedriger Drehzahl nochmals leicht dekomprimiert werden, während bei relativ hohen Drehzahlen zu Gunsten der besseren Verbrennung auf eine zweite Dekompression gegebenenfalls verzichtet werden kann.
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Ist alternativ nur ein Zylinder mit einem Dekompressionsventil ausgestattet, so wird vorzugsweise die Auspendel-Steuerung so ausgelegt, dass die Auspendelposition in die Mitte bzw. in die zweite Hälfte der Kompressionsphase des in der Zündphase des vorgeordneten Zylinders fällt.
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In 4 ist schematisch der zeitliche Drehzahlverlauf der Kurbelwelle beim Start einer Brennkraftmaschine dargestellt, wobei die gestrichelte Kurve 400 den Verlauf mit einer vorhandenen Dekompressionsregelung und die Kurve 500 den Verlauf ohne Dekompressionsregelung darstellt. Wie bereits in 2 dargestellt und beschrieben durchläuft die Drehzahl der Kurbelwelle beim Durchschreiten des oberen Totpunktes eines Zylinders ein lokales Drehzahlminimum. Bei vorliegender Dekompressions-Regelung durchläuft ein Zylinder mit Dekompressionsventil nach ca. 0,2 Sekunden einen Zünd-OT, wobei die Drehzahl mit Hilfe der Dekompressionsregelung geringfügig abfällt. Im nachfolgenden Zünd-OT ist eine für den Start erforderliche Mindestdrehzahl SD überschritten und der Start der Brennkraftmaschine 10 kann dann nach ca. 430 Millisekunden erfolgen.
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Ohne Dekompressionsregelung reicht das durch den Starter nach 0,2 Sekunden zur Verfügung gestellte Drehmoment nicht aus, das Gasfedermoment in der Kompressionsphase zu überwinden und die Drehzahl der Kurbelwelle fällt stark ab und kommt gegebenenfalls wieder zum Stehen. Im vorliegenden Fall ist erst nach 640 Millisekunden eine ausreichende Drehzahl im Bereich des Zünd-OTs erreicht. Durch die erfindungsgemäße Dekompressionsregelung ergibt sich somit im vorliegenden Fall ein Zeitgewinn von ca. 230 Millisekunden. Dieser Zeitgewinn kommt dann erheblich zum Tragen, wenn die Brennkraftmaschine in einem sogenannten Start-Stopp-Betrieb betrieben wird.
