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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 nach Gattung des zweiten unabhängigen Hauptanspruchs.
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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 wird in diesen Zylinder Kraftstoff
eingespritzt wird.
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Problematisch
ist in der in
EP 1
036 928 A2 beschriebenen Startvorrichtung jedoch das Einspritzen
von Kraftstoff in eine Kompressionsphase bei hohen Motortemperaturen.
Beim Motorstart aus „tiefen" Kolbenpositionen
nahe dem UT (unterer Totpunkt), erreicht das eingeschlossene Gemisch
in der Kompressionsphase Temperaturen von über 400 °C, wodurch teilweise Selbstentzündungsreaktionen
ausgelöst
werden können.
Dies ist zum Teil akustisch als klopfende Verbrennung wahrnehmbar
und muss aus Gründen
des Bau teileschutzes vermieden werden. Da diese Problematik der
Selbstentzündung
insbesondere bei einem Wiederholstart einer Brennkraftmaschine während des
Start-Stopp-Betriebes eines Fahrzeugs besonders häufig und
zudem in sehr kurzen Zeitabständen
hintereinander auftreten kann, muss gerade in diesem Betriebsmodus
garantiert sein, dass die Selbstentzündung sicher verhindert wird.
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Die
Selbstentzündung
ist eine Funktion von verschiedenen Motorparametern (Motortemperatur, Aufladung,
allg. geo-metrischen Motordaten, z.B. Verdichtungsverhältnis),
von der Gemischzusammensetzung (Lambda, Kraftstoffqualität,...) und
vom Einspritz-Timing.
Sie tritt, abhängig
von den momentan herrschenden Bedingungen im Zylinder, meist nahe
an der OT-Lage (= Moment der höchsten
Verdichtungstemperatur) auf und schränkt somit wichtige im Steuergerät programmierte
Motorfunktionen, wie z.B. Funktionen, die den Wirkungsgrad des abgegebenen
Motormoments über
eine Verstellung des Zündwinkels
steuern sollen, stark ein bzw. macht deren Ausführung unmöglich. Dadurch kann der Motor, abhängig von
der jeweiligen Momentanforderung, u.a. nicht optimal betrieben werden,
was sich nicht nur auf die Laufkultur des Motors, sondern auch auf den
Verbrauch und teilweise auch auf die entstehenden Emissionen, negativ
auswirkt. Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, dass ein Berechnungsmittel vor einem Start der Brennkraftmaschine
einen möglichen
Selbstentzündungs-Betriebszustand
in Abhängigkeit
von Betriebsparameter erkennt und zur Verhinderung dieses möglichen
Selbstentzündungs-Betriebszustands
geeignete Steuergrößen ermittelt.
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Das
entsprechende erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen des zugehörigen
unabhängigen
Anspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, dass vor einem Start der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit
von Betriebsparametern ein möglicher Selbstentzündungs-Betriebszustand
erkannt wird, und zur Verhinderung dieses möglichen Selbstentzündungs-Betriebszustand
geeignete Steuergrößen ermittelt
werden.
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Durch
das erfindungsgemäße Vorgehen kann
bereits vor einem Start der Brennkraftmaschine, also noch bevor
die Kurbelwelle in Bewegung versetzt wird, in vorteilhafter Weise
sichergestellt werden, dass bei Betriebsparametern, die auf eine mögliche Selbstentzündung des
Kraftstoffs während des
Starts hinweisen, geeignete Steuergrößen ermittelt werden, anhand
derer Komponenten der Brennkraftmaschine, insbesondere ein Starter
o der eine Einspritzvorrichtung, während des Starts derart angesteuert
bzw. beeinflusst werden, dass eine Selbstentzündung des Kraftstoffs bzw.
ein Selbstentzündungs-Betriebszustand verhindert
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 in Abhängigkeit
von den Steuergrößen zumindest
ein Starter und/oder eine Einspritzvorrichtung beeinflusst wird. Dies
erlaubt es einen Starter so zu betreiben, dass beispielsweise die
sich einstellende Kolbenbewegung derart ist, das eine Selbstentzündung des
Kraftstoffs vermieden wird. Wird zusätzlich auch auf die Einspritzung
eingewirkt, so können
beide in vorteilhafter Weise aufeinander abgestimmt werden.
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Weiterhin
ist von Vorteil, wenn für
die Ermittlung der Steuergrößen als
Betriebsparameter zumindest die Position eines beim Start zuerst
in Kompression oder in einen Saugtakt gehenden Zylinders und/oder
eine Größe, die
eine Brennraumtemperatur repräsentiert,
berücksichtigt
werden. Ist die Position eines zuerst in Kompression gehenden Zylinders
bekannt, können
anhand dessen die Steuergrößen derart
gewählt,
ermittelt oder berechnet werden, dass eine Selbstentzündung vermieden
wird. Ist zusätzlich auch
die Brennraumtemperatur oder vergleichbar die Motor- oder Öltemperatur
bekannt, können
die Steuergrößen präziser bestimmt
werden, um eine Selbstentzündung
zu vermeiden.
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Eine
weitere vorteilhaft Ausgestaltung sieht vor, dass die Einspritzung
derart beeinflusst wird, dass bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine
die Kraftstoff-Einspritzung erst erfolgt, nachdem der in Kompression
gehende Zylinder seinen oberen Totpunkt durchschritten hat. Dieses
Vorgehen hat den besonderen Vorteil, das Kraftstoff erst in der Expansionsphase
eingespritzt und somit eine Selbstentzündung des Kraftstoffes verhindert
wird, da während
der Kompressionsphase nur Frischluft und kein Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet
wird.
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Gemäß einer
weiter vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die Drehzahl
des Starters derart beeinflusst wird, dass die Brennraumtemperatur
unterhalb einer kritischen Temperaturschwelle bleibt. Dies hat den
Vorteil, dass insbesondere bei einer Reduzierung der Drehzahl in
der Nähe
des oberen Totpunkts der Temperaturanstieg moderater ausfällt und
eine kritische Temperaturschwelle, bei der sich der Kraftstoff selbst
entzünden
kann, vermieden wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Modifikation sieht vor, dass die Drehzahl des
Starters derart beeinflusst wird, dass der Brennraumdruck unterhalb
einer kritischen Druckschwelle bleibt. Hier ergibt sich der Vorteil,
dass insbesondere bei einer Reduzierung der Drehzahl in der Nähe des oberen
Totpunkts der Druckanstieg moderater ausfällt und eine kritische Druckschwelle,
bei der sich der Kraftstoff selbst entzünden kann, vermieden wird.
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Schließlich sieht
eine weitere Ausbildung vor, dass eine Einspritzmenge derart erhöht wird, dass
die Brennraumtemperatur unterhalb einer kritischen Temperaturschwelle
bleibt oder fällt.
Durch eine vermehrte Kraftstoffzufuhr wird das Luft/Kraftstoffgemisch
abgekühlt,
so dass in vorteilhafter Weise eine Selbstentzündung vermieden werden kann.
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Zeichnungen
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Es
zeigen
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1 schematisch
einen Ablauf eines Start-Stopp-Betriebes; 2 schematisch
die Überwachung
des Motorhochlaufs; 3 schematisch ein erfindungsgemäßes Steuergerät.
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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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Beschreibung
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Die
Erfindung geht von der Überlegung
aus, bereits vor einem Start der Brennkraftmaschine anhand von Betriebsparametern
zu erkennen, ob während
des Starts und Motorhochlaufs die Gefahr einer möglichen Kraftstoff-Selbstentzündung besteht.
Wird ein potenzieller Selbstentzündungs-Betriebszustand erkannt,
werden zur Verhinderung dieses Betriebszustands geeignete Steuergrößen für den Start
der Brennkraftmaschine ermittelt oder angepasst.
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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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Das
in 1 schematisch gezeigte Ausführungsbeispiel eines Start-Stopp-Betriebs,
zeigt beispielhaft ein mögliches
Einsatzfeld bzw. technisches Umfeld der Erfindung.
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Der
beispielhafte Start-Stopp-Betrieb stellt sich wie folgt dar: 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, Kolbenposition, 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 Kalt- Wiederhol-
oder Heißstart
berücksichtigen
oder einen Start-Stopp-Betrieb oder darauf ausgerichtet sein einen
schnellen Motorhochlauf zu realisieren oder weitere Strategien zur
Erreichung eines optimalen Motorhochlaufs. Erfindungsgemäß ist es
bspw. in diesem Schritt 20 oder auch in den nachfolgenden
Schritten vorgesehen, anhand der ermittelten Betriebsparameter zu überprüfen, ob
beim Start bzw. beim Motorhochlauf möglicherweise ein Selbstentzündungs-Betriebszustand auftreten
kann. Wird ein solche Betriebszustand prognostiziert, ist es vorgesehen
die Startstrategie und die Steuergrößen so abzustimmen, dass ein
Selbstentzündungs-Betriebszustand verhindert
wird.
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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
beispielsweise einer Einspritzvorrichtung und/oder einem Starter
ausgegeben und und 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 unter Vermeidung der prognostizierten
Selbstzündung
geführt
haben. Bei Abweichungen vom Soll-Motorhochlauf werden die Steuergrößen im Schritt 200 so
angepasst, dass der gewünschte
Motorhochlauf erreicht wird. Im Schritt 50 werden dann
die neuen Steuergrößen ebenfalls unter
der Bedingung einer sicheren Vermeidung von Selbstzündungseffek ten
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 Vermeidung von Selbstzündung, verkürzte Startzeit, optimaler Motorhochlauf
geringere Bordnetzbelastung, bessere Gemischaufbereitung 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
nachfolgender 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, die jedoch vorzugsweise ebenfalls eine
Selbstentzündung
sicher vermeidet, 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 bei dann im Schritt 60 (in 2 nicht
gezeigt) ein Start erfolgt. Nach Startbeginn 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 unter Vermeidung von Selbstentzündung 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 an 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 mit sicherer Vermeidung von Selbstentzündungseffekten
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 Berechnungsmittels
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 Starstrategie 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 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 Kraftstoff-Selbstentzündungen, werden 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 „Starterunterstützen 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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Eine
mögliche
Startstrategie kann beispielsweise einen speziellen Regelungsalgorithmus
vorsehen und so z.B. anhand des Verdichtungsverhältnisses, 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.
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Die
vorgeschaltete Ansteuerung eines Starters als startunterstützende Maßnahme erfolgt
in der Weise, dass in der Kompressionsphase eine mögliche Selbstentzündung sicher
verhindert wird. Dies kann zum einem bedeuten, dass der Starter
abhängig
von der Kolbenposition beim Start in der Kompressionsphase derart
leistungsgesteuert wird, dass ein bestimmter Temperatur- oder auch
Druckanstieg im Brennraum während
der Verdichtung erreicht wird.
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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 darauffolgende 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. die Verdichtungstemperatur unterhalb der für eine Selbstentzündung kritischen
Temperatur gehalten werden, indem gezielt Wärme an die Zylinderwand abgegeben
wird.
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Der
Starter wird zusätzlich,
abhängig
von der Startposition, nur solange entweder winkel- oder zeitbasiert
angesteuert, wie es notwendig ist, um beim Überstreichen des OTs 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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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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Die
primäre
Einspritzung nach OT hat mehrere Vorteile: Zum einen wird hier die
Problematik der Selbstentzündung
dadurch verhindert, dass kein vorgemischtes Luft-Kraftstoff-Gemisch, sondern nur Frischluft
verdichtet wird. Es befindet sich also während der Kompressionsphase
kein zündfähiges Gemisch
im Zylinder, welches sich durch die hohen Verdichtungstemperaturen
von selbst entzünden
kann. Unbeabsichtigt klopfende Verbrennungen, die den Motor schädigen können, werden
somit wirksam unterdrückt.
Zum anderen ist durch die Vermeidung der Selbstentzündung die
Wahl des Zündzeitpunktes nicht
eingeschränkt,
sodass durch Variation von Einspritz- und Zündzeitpunkt sowie der Kraftstoffmenge das
erzeugte Verbrennungsmoment, und damit direkt das abgegebene Motormoment,
derart gesteuert werden kann, dass der Motorhochlauf einem definierten
Drehzahlverlauf folgt und so z.B. 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, bzw. 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. 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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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 auch dort Selbstzündungseffekte
sicher zu vermeiden.
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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 Selbstentzündungseffekte sicher zu vermeiden
bzw. einen zeit-, verbrauchs- und emissionsoptimierten Start zu
erreichen.
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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 Selbstentzundungseffekte 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 unter eine kritische Temperaturschwelle für die Selbstentzündung 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. 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 beim Heißstart eine
mögliche
Selbstzündung
sicher verhindert werden.
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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 zur Vermeidung von Selbstentzündungseffekten
beschrieben angesteuert.
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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 Verdichtung 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.