DE102004043528B4 - A method for optimizing an internal direct start of a spark-ignition variable compression ratio internal combustion engine - Google Patents

A method for optimizing an internal direct start of a spark-ignition variable compression ratio internal combustion engine Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Optimieren eines internen Direktstarts einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis, bei dem das Verdichtungsverhältnis im Betrieb der Brennkraftmaschine überwacht wird und in jeder Abschaltphase der Brennkraftmaschine (1) in einem geschlossenen Regelkreis (2) so geregelt wird, dass der Kolben des beim Wiederstart als ersten zu zündenden Zylinders (3) in einer Stellung kurz hinter seinem oberen Totpunkt stehen bleibt.Method for optimizing an internal direct start of a spark ignition internal combustion engine with variable compression ratio, in which the compression ratio is monitored during operation of the internal combustion engine and in each shutdown phase of the internal combustion engine (1) in a closed loop ( 2 ) is controlled so that the piston of the re-start as the first to be ignited cylinder (3) stops in a position shortly after top dead center.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren eines internen Direktstarts einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis.The The present invention relates to a method for optimizing a internal direct starts of a spark-ignition internal combustion engine with variable Compression ratio.

Unter einem internen Direktstart, im englischen als „instantstart” oder „fast-start” bezeichnet, versteht man den Startvorgang einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung ohne Benutzung eines herkömmlichen elektrischen Anlassers. Nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine erfolgt der Wiederstart dadurch, dass in einen Zylinder eine bestimmte Kraftstoffmenge unter Druck eingespritzt wird, der Kraftstoff mit der im Zylinder befindlichen Luft ein zündfähiges Gemisch bildet, dieses Gemisch durch einen Zündvorgang (üblicherweise den Funken einer Zündkerze) zur Explosion gebracht und die Brennkraftmaschine durch das dabei entstehende Drehmoment in Gang gesetzt wird. Derartige Startverfahren sind bekannt und beispielsweise in der DE 197 41 294 A1 und DE 197 43 492 A1 beschrieben. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil einer Start-Stop-Strategie für die Brennkraftmaschine und kommen vor allem im Stadtbetrieb zum Einsatz (Stop and Go). Sie dienen der Kraftstoffersparnis und der Vermeidung bzw. Verminderung von Schadstoffemissionen.An internal direct start, referred to in English as "instant start" or "fast start", is the starting process of a fuel injection internal combustion engine without the use of a conventional electric starter. After switching off the internal combustion engine, the restart takes place in that a certain amount of fuel is injected under pressure in a cylinder, the fuel forms an ignitable mixture with the air in the cylinder, this mixture by an ignition (usually the spark of a spark plug) brought to the explosion and the internal combustion engine is set in motion by the resulting torque. Such starting methods are known and, for example, in the DE 197 41 294 A1 and DE 197 43 492 A1 described. They are an essential part of a start-stop strategy for the internal combustion engine and are mainly used in city operations (Stop and Go). They serve to save fuel and avoid or reduce pollutant emissions.

Weiterhin ist aus der DE 102 55 149 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Direktstartvorrichtung bekannt. Die Brennkraftmaschine wird am Ende eines vorangehenden Betriebes kontrolliert abgestellt. Dazu wird bei Erkenne einer Abstellanforderung der Brennkraftmaschine zunächst eine Initialisierungsphase, anschließend eine Ausdrehphase und zum Schluss eine Auspendelphase durchlaufen. In je der der drei Phasen wird die Brennkraftmaschine in einen von Sollwerten definierten Zustand überführt.Furthermore, from the DE 102 55 149 A1 a method for operating an internal combustion engine with direct starting device known. The internal combustion engine is turned off at the end of a preceding operation. For this purpose, upon detection of a shutdown request of the internal combustion engine, an initialization phase, followed by a turn-off phase and finally an oscillation phase, are completed. In each of the three phases, the internal combustion engine is converted into a state defined by desired values.

Eine der Schwierigkeiten derartiger Startverfahren besteht darin, dass die Brennkraftmaschine beim Abschalten häufig nicht in einer Stellung stehen bleibt, die für einen Wiederstart günstig ist. Eine andere Schwierigkeit besteht darin, dass die Kompressionsarbeit der Brennkraftmaschine beim Wiederstart möglichst klein sein sollte. Dies steht jedoch im Widerspruch zu dem Erfordernis hoher Verdichtungsverhältnisse zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine.A The difficulty of such starting methods is that the internal combustion engine when switching off often not in one position stops standing for a reboot cheap is. Another difficulty is that the compression work the internal combustion engine should be as small as possible when restarting. However, this is in contradiction to the requirement of high compression ratios to increase the efficiency of the internal combustion engine.

Brennkraftmaschinen mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis sind seit längerer Zeit bekannt, z. B. aus US 4,469,055 , WO 86/01562 und WO 96/27079 . Änderungen des Verdichtungsverhältnisses, bei dem es sich um das Verhältnis zwischen den Volumina des Brennraumes im oberen und unteren Totpunkt des betreffenden Kolbens handelt, lassen sich z. B. durch Änderungen des Kolbenhubes erzielen. Es sind Brennkraftmaschinen mit diskreter oder kontinuierlicher Einstellung des Verdichtungsverhältnisses bekannt.Internal combustion engines with variable compression ratio have been known for some time, z. B. off US 4,469,055 . WO 86/01562 and WO 96/27079 , Changes in the compression ratio, which is the ratio between the volumes of the combustion chamber in the top and bottom dead center of the respective piston, can be z. B. by changing the piston stroke achieve. There are internal combustion engines with discrete or continuous adjustment of the compression ratio known.

Zudem ist aus der DE 102 58 872 A1 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Betrieb eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis bekannt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Starten des Verbrennungsmotors mit einem Verdichtungsverhältnis erfolgt, das gegenüber Verdichtungsverhältnissen im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors verringert ist.Moreover, from the DE 102 58 872 A1 a method and an apparatus for operating a multi-cylinder variable compression ratio internal combustion engine known. The method is characterized in that starting of the internal combustion engine takes place with a compression ratio which is reduced in relation to compression ratios during normal operation of the internal combustion engine.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Optimieren eines internen Direktstarts einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis anzugeben, bei dem die Änderbarkeit des Verdichtungsverhältnisses zum Verbessern der Voraussetzungen für den internen Direktstart ausgenutzt werden.Of the The present invention is based on the object, a method for optimizing an internal direct start of a spark-ignition internal combustion engine with changeable Indicate compression ratio, where the changeability the compression ratio to improve the requirements for the internal direct start be exploited.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.The Invention and advantageous embodiments of the invention are in the claims Are defined.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in jeder Abschaltphase der Brennkraftmaschine das Verdichtungsverhältnis so beeinflusst, dass die Brennkraftmaschine in einem für den Wiederstart optimalen Drehwinkelbereich stehen bleibt.According to one Aspect of the present invention is in each shutdown of the Internal combustion engine influences the compression ratio so that the internal combustion engine in an optimal for the restart Rotation angle range stops.

Das Verdichtungsverhältnis kann hierbei je nach der Drehwinkellage der Brennkraftmaschine während des Auslaufs erhöht oder verringert werden. Zweckmäßigerweise erfolgt die Beeinflussung des Verdichtungsverhältnisses so, dass der Kolben des beim Wiederstart als ersten zu zündenden Zylinders in einer Position kurz hinter seinem oberen Totpunkt stehen bleibt.The compression ratio can in this case, depending on the angular position of the internal combustion engine during the Spout increased or reduced. Conveniently, the influencing of the compression ratio takes place so that the piston of the Re-start as the first to be ignited Cylinder in a position just past its top dead center remains.

Grundsätzlich ist eine Beeinflussung des Verdichtungsverhältnisses in der Abschaltphase durch eine vorgegebene Steuerung des Verdichtungsverhältnisses möglich. Vorzugsweise ist je doch vorgesehen, dass das Verdichtungsverhältnis in jeder Abschaltphase in einem geschlossenen Regelkreis geregelt wird, bei dem eine optimale Drehwinkelstellung der Brennkraftmaschine als Führungsgröße und die Ist-Drehwinkelstellung als Rückführgröße dienen können. Im einfachsten Fall ist die Regelung eine PID Regelung, wenngleich natürlich auch andere Regelungen möglich sind.Basically an influence on the compression ratio in the shutdown by a predetermined control of the compression ratio possible. Preferably, however, is ever provided that the compression ratio regulated in each shut-off phase in a closed loop is, in which an optimal rotational angular position of the internal combustion engine as a reference and the Actual angular position serve as feedback variable can. In the simplest case, the control is a PID control, though Naturally also other regulations possible are.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung, der unabhängig von dem ersten Aspekt oder auch gemeinsam mit dem ersten Aspekt verwendet werden kann, ist vorgesehen, dass das Verdichtungs-Verhältnis in jeder Startphase auf einen optimalen, vorzugsweise seinen kleinsten Wert eingestellt wird.According to a second aspect of the invention, which can be used independently of the first aspect or together with the first aspect, it is provided that the compaction ratio in each start phase is set to an optimum, preferably its smallest value.

Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die von der Brennkraftmaschine während des internen Direktstarts zu leistende Kompressionsarbeit und damit das aufzubringende Drehmoment minimal sind. Nach erfolgreichem Start kann dann das Verdichtungsverhältnis auf einen für den weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlichen Wert umgestellt werden.On This way, it ensures that the engine's while the internal direct start to be done compression work and thus the applied torque is minimal. After successful start then can the compression ratio on one for the further operation of the internal combustion engine required value be converted.

Anhand der Zeichnung werden weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Es zeigt:Based The drawing will further details of the method according to the invention explained. It shows:

1 eine schematische Anordnung einer Brennkraftmaschine und eines elektronischen Betriebssteuergerätes, und 1 a schematic arrangement of an internal combustion engine and an electronic control unit, and

2 eine Regelanordnung zum Regeln des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine in der Abschaltphase. 2 a control arrangement for controlling the compression ratio of the internal combustion engine in the shutdown phase.

1 zeigt in sehr schematischer Weise eine Brennkraftmaschine 1 mit einem zugeordneten elektronischen Betriebssteuergerät 2. Die Brennkraftmaschine 1 ist als fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung ausgebildet, die mit sogenannten internen Direktstarts (also oh ne mechanischen Anlasser) gestartet werden kann, wie in der Beschreibungseinleitung erläutert wurde. 1 shows in a very schematic way an internal combustion engine 1 with an associated electronic control unit 2 , The internal combustion engine 1 is designed as a spark-ignited reciprocating internal combustion engine with fuel injection, which can be started with so-called internal direct starts (ie oh ne mechanical starter), as explained in the introduction to the description.

Die Brennkraftmaschine 1 ist ferner so ausgebildet, dass ihr Verdichtungsverhältnis (kontinuierlich oder diskret) geändert werden kann. Zu diesem Zweck sind den Zylindern 3 der Brennkraftmaschine Stelleinrichtungen 4 zugeordnet, durch die sich beispielsweise der Kolbenhub ändern lässt. Da derartige Stelleinrichtungen zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses bekannt sind, wird hierauf nicht näher eingegangen.The internal combustion engine 1 is further configured so that its compression ratio (continuous or discrete) can be changed. For this purpose are the cylinders 3 the internal combustion engine actuating devices 4 assigned, by which, for example, change the piston stroke. Since such adjusting means for changing the compression ratio are known, this will not be discussed in detail.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Optimieren der internen Direktstarts wird das Verdichtungsverhältnis von dem elektronischen Betriebssteuergerät 2 laufend überwacht und gesteuert/geregelt, wozu das Betriebssteuergerät 2 mit den Stelleinrichtungen 4 durch eine Signalleitung 5 verbunden ist. Das Betriebssteuergerät 2 ermittelt ferner laufend die Drehwinkelstellung der Brennkraftmaschine. Hierzu ist der Brennkraftmaschine z. B. in üblicher Weise ein Kurbelwellensensor 6 (und ggf. Nockenwellensensor) zugeordnet, der entsprechende Drehwinkelinformationen über eine Signalleitung 7 an das Betriebssteuergerät 2 abgibt.In the method according to the invention for optimizing the internal direct starts, the compression ratio of the electronic operation control device 2 constantly monitored and controlled / regulated, including the operation control unit 2 with the adjusting devices 4 through a signal line 5 connected is. The operating control unit 2 also determines continuously the rotational position of the internal combustion engine. For this purpose, the internal combustion engine z. B. in the usual way, a crankshaft sensor 6 (and possibly camshaft sensor) associated, the corresponding rotation angle information via a signal line 7 to the operating control unit 2 emits.

Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine 1 in jeder Abschaltphase so beeinflusst, dass die Brennkraftmaschine in einem für den Wiederstart optimalen Drehwinkelbereich stehen bleibt. Während es rein theoretisch eine einzige optimale Drehwinkelstellung gibt, genügt es jedoch für praktische Zwecke, wenn die Brennkraftmaschine in einem (kleinen) Drehwinkelbereich stehen bleibt. Es handelt sich hierbei um einen Drehwinkelbereich, der kurz hinter dem oberen Totpunkt desjenigen Kolbens liegt, dessen Zylinder beim Wiederstart als erster gezündet wird.According to the first aspect of the invention, the compression ratio of the internal combustion engine 1 influenced in each shutdown phase so that the internal combustion engine stops in an optimal rotation angle range for the restart. While there is a single optimal angular position theoretically, it is sufficient for practical purposes when the engine stops in a (small) rotation angle range. This is a rotation angle range which is just behind the top dead center of the piston whose cylinder is the first to be ignited when restarting.

Wenngleich es unterschiedliche Möglichkeiten gibt, das Verdichtungsverhältnis im erfindungsgemäßen Sinne zu beeinflus sen, ist jedoch eine bevorzugte Möglichkeit eine Regelung in Form eines geschlossenen Regelkreises, wie er in 2 in schematischer Weise dargestellt ist. Der im Betriebssteuergerät 2 integrierte Regelkreis umfasst einen Sollwertsteller 8 zum Vorgeben einer optimalen Drehwinkelstellung als Führungsgröße und eine Messeinrichtung 9 zum Bereitstellen der Ist-Drehwinkelstellung als Rückführgröße. Anhand der hieraus gebildeten Regelabweichung wird im eigentlichen Regler 10 eine Stellgröße ermittelt, die über die Signalleitung 5 den Stelleinrichtungen 4 zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses zugeführt wird. Bei dem Regler 10 handelt es sich im einfachsten Fall um einen PID-Regler, wenngleich auch andere Regler verwendet werden können.Although there are different ways to influence the compression ratio in the sense according to the invention, however, a preferred possibility is closed-loop control as described in US Pat 2 is shown in a schematic manner. The in the operating control unit 2 integrated control loop includes a setpoint adjuster 8th for specifying an optimal angular position as a reference variable and a measuring device 9 for providing the actual rotational angle position as a feedback variable. Based on the resulting deviation is in the actual controller 10 determines a manipulated variable via the signal line 5 the adjusting devices 4 for changing the compression ratio is supplied. At the regulator 10 In the simplest case, it is a PID controller, although other controllers can be used.

Durch diese Regelung wird erreicht, dass die Brennkraftmaschine in der vorgegebenen Drehwinkelstellung bzw. zumindest in dem vorgegebenen Drehwinkelbereich stehen bleibt. Der Kolben, dessen Zylinder beim Wiederstart als erster gezündet wird, hat daher eine für seinen Arbeitshub optimale Stellung, wodurch der interne Start entsprechend erleichtert wird.By This regulation is achieved that the internal combustion engine in the predetermined angular position or at least in the predetermined rotation angle range stop. The piston, whose cylinder when restarting as first detonated therefore, has one for his working position optimal position, whereby the internal start accordingly is relieved.

Entsprechend dem zweiten Aspekt der Erfindung wird in jeder Startphase das Verdichtungsverhältnis auf einen optimalen Wert, vorzugsweise seinen kleinsten Wert eingestellt. Hierzu ist lediglich erforderlich, dass das Betriebssteuergerät 2 über die Signalleitung 5 die Einstelleinrichtungen 4 vor jedem internen Direktstart so verstellt, dass das Verdichtungsverhältnis seinen optimalen bzw. kleinsten Wert annimmt.According to the second aspect of the invention, in each starting phase, the compression ratio is set to an optimum value, preferably its smallest value. For this it is only necessary that the operation control unit 2 over the signal line 5 the adjustment devices 4 adjusted before each internal direct start so that the compression ratio assumes its optimum or smallest value.

Dadurch wird die von der Brennkraftmaschine beim Start zu leistende Kompressionsarbeit entsprechend gering, wodurch der anschließende interne Direktstart der Brennkraftmaschine ebenfalls erheblich erleichtert wird.Thereby becomes the compression work to be performed by the engine at startup correspondingly low, whereby the subsequent internal direct start of the Internal combustion engine is also greatly facilitated.

Wenn das Betriebssteuergerät 2 einen erfolgreichen internen Direktstart der Brennkraftmaschine erkannt hat, stellt es das Verdichtungsverhältnis auf einen Wert ein, der für den folgenden Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlich ist.When the operation control unit 2 has detected a successful internal direct start of the internal combustion engine, it sets the compression ratio nis to a value that is required for the subsequent operation of the internal combustion engine.

Jeder der beiden Aspekte der Erfindung ermöglicht eine erhebliche Erleichterung und damit Optimierung des internen Direktstartvorganges. Vorzugsweise werden beide Möglichkeiten gemeinsam ergriffen, wenngleich auch jede der beiden Maßnahmen für sich allein eingesetzt werden kann.Everyone The two aspects of the invention allow a considerable relief and thus optimization of the internal direct start process. Preferably Both options taken together, although each of the two measures for themselves can be used alone.

Claims (6)

Verfahren zum Optimieren eines internen Direktstarts einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis, bei dem das Verdichtungsverhältnis im Betrieb der Brennkraftmaschine überwacht wird und in jeder Abschaltphase der Brennkraftmaschine (1) in einem geschlossenen Regelkreis (2) so geregelt wird, dass der Kolben des beim Wiederstart als ersten zu zündenden Zylinders (3) in einer Stellung kurz hinter seinem oberen Totpunkt stehen bleibt.Method for optimizing an internal direct start of a spark ignition internal combustion engine with variable compression ratio, in which the compression ratio is monitored during operation of the internal combustion engine and in each shutdown phase of the internal combustion engine ( 1 ) in a closed loop ( 2 ) is controlled so that the piston of the re-start as the first to be ignited cylinder ( 3 ) stops in a position just past its top dead center. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des Verdichtungsverhältnisses in jeder Abschaltphase eine PID-Regelung verwendet wird.Method according to claim 1, characterized in that that for the regulation of the compression ratio in each shutdown phase a PID control is used. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regelung eine optimale Drehwinkelstellung der Brennkraftmaschine (1) als Führungsgröße und die Ist-Drehwinkelstellung als Rückführgröße dienen.A method according to claim 1 or 2, characterized in that in the control of an optimal rotational angular position of the internal combustion engine ( 1 ) serve as a reference variable and the actual angular position as a feedback variable. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis im Betrieb der Brennkraftmaschine (1) überwacht und während der Startphase auf einen optimalen Wert eingestellt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the compression ratio during operation of the internal combustion engine ( 1 ) and set to an optimal value during the starting phase. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als optimaler Wert des Verdichtungsverhältnisses sein kleinster Wert dient.Method according to claim 4, characterized in that that as optimum value of the compression ratio its smallest value serves. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erkennen eines erfolgreichen Starts der Brennkraftmaschine (1) das Verdichtungsverhältnis auf einen für den weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlichen Wert umgestellt wird.A method according to claim 4 or 5, characterized in that after detecting a successful start of the internal combustion engine ( 1 ) the compression ratio is changed to a value required for the further operation of the internal combustion engine.
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