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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine, sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine.
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Bedingt durch den Start einer Brennkraftmaschine ist es häufig der Fall, dass die Brennkraftmaschine gegen Ende der Startphase und unmittelbar nach dem Start in einer Drehzahl betrieben wird, die über einer so genannten Leerlaufdrehzahl liegt, mit der die Brennkraftmaschine normalerweise im Leerlauf betrieben wird. Dies wird als Überschwingen der Drehzahl bezeichnet. Ein Überschwingen der Drehzahl führt einerseits zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch und wird andererseits als unkomfortabel empfunden, beispielsweise von dem Fahrer eines mit der Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeugs.
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Es ist vom Markt her bekannt, ein Überschwingen der Drehzahl durch einen Zündwinkeleingriff zu kompensieren. Hierbei wird der Zündwinkeleingriff durch eine Zündwinkelspätverstellung, die eine Verminderung des Moments der Brennkraftmaschine zur Folge hat, realisiert.
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Das bekannte Verfahren hat den Nachteil, dass die Zündwinkelspätverstellung zu einem schlechten Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine führt und somit einen höheren 9 Kraftstoffverbrauch bedingt.
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Wird die Brennkraftmaschine in noch warmem Zustand gestartet, so wird ein besonders hohes Startmoment erreicht. Dieses Startmoment kann häufig mittels des bekannten Verfahrens nicht mehr vollständig kompensiert werden, da die Zündwinkelspätverstellung dann nur eine unzureichende Stellmöglichkeit für das Moment der Brennkraftmaschine zur Verfügung stellt. Das bekannte Verfahren ist damit nicht oder nur unzureichend beispielsweise für den Einsatz in einem Start-Stop-Betrieb geeignet, bei dem die Brennkraftmaschine automatisch abgestellt und wieder angestellt wird.
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Die
DE 10 2006 032 548 A1 zeigt ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine, das bevorzugt beim Start-Stopp-Betrieb angewandt werden kann. In dem bekannten Verfahren wird vor dem Starten überprüft, ob ein Überschwingen der Drehzahl der Brennkraftmaschine zu erwarten ist. Ist dies der Fall, wird innerhalb der Startphase eine Kraftstoffabschaltung für mindestens einen Zylinder durchgeführt. Dadurch wird das Moment der Brennkraftmaschine reduziert. Nachteilig hierbei ist ein mögliches „Stottern“ der Brennkraftmaschine in der Startphase, was von einem Fahrer subjektiv als fehlerbehaftet und unkomfortabel angesehen wird.
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Aus der
DE 197 40 192 A1 ist ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei zum Starten der Brennkraftmaschine die einzuspritzende Kraftstoffmenge aus einer Kennlinie entnommen wird.
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Aus der
DE 10 2004 037 167 A1 ist ein Verfahren für einen Start-Stopp-Betrieb bekannt, wobei eine Startstrategie vorgegeben wird und in Abhängigkeit dieser Startstrategie die Steuergrößen zur Steuerung eines Motorhochlaufs festgelegt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Überschwingen der Drehzahl nach einem Start der Brennkraftmaschine auf möglichst einfache Weise wirkungsvoll zu reduzieren und somit einerseits den Komfort zu erhöhen und andererseits den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine dadurch gelöst, dass unmittelbar vor oder nach einem ersten Erreichen einer vorgegebenen Leerlaufdrehzahl eine Einspritzmenge an Kraftstoff in mindestens einen Brennraum der Brennkraftmaschine für mindestens einen Zyklus der Brennkraftmaschine so reduziert wird, dass ein unstöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis erzeugt wird. Unter dem Begriff „Zyklus“ werden dabei zwei Kurbelwellenumdrehungen, also 720°, verstanden. Ebenso gebräuchlich ist dafür der Begriff „Arbeitsspiel“.
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Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, die Drehzahl der Brennkraftmaschine während der Startphase durch eine gezielte Regulierung der Einspritzmenge das Überschwingen der Drehzahl der Brennkraftmaschine über die Leerlaufdrehzahl zu reduzieren. Die Einspritzmengen können dabei in den unterschiedlichen Brennräumen variieren. Die dabei durch ein Computerprogramm, das in einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine ablauffähig ist, ermittelte Einspritzmenge weicht damit von einer stöchiometrischen Einspritzmenge ab. Ein Luft-Kraftstoff-Gemisch wird erfindungsgemäß unterstöchiometrisch bzw. „mager“. Definitionsgemäß ist die stöchiometrische Einspritzmenge die Kraftstoffmenge, die in einem Verhältnis zu einer definierten Luftmenge für eine vollkommene Verbrennung des eingesetzten Kraftstoffs notwendig ist, ohne dass Sauerstoff fehlt oder übrig bleibt. Bei einem größeren Kraftstoffanteil spricht man von einem „fetten“ Luft-Kraftstoff-Gemisch, bei einem geringeren Kraftstoffanteil spricht man von einem „mageren“ Luft-Kraftstoff-Gemisch.
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Bei der Ermittlung der jeweiligen Einspritzmenge können auch Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, die der Steuer- und Regeleinrichtung zur Verfügung stehen, wie z.B. eine Temperatur der Brennkraftmaschine, eine Drehmomentanforderung , ein Umgebungsdruck, ein Zündwinkel oder eine Zeitspanne zum letzten Stopp, mit einbezogen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren spart somit Kraftstoff und verbessert das subjektive Empfinden des Fahrers beim Startvorgang.
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Das Verfahren eignet sich bevorzugt für den Einsatz bei einem Start-Stopp-Betrieb der Brennkraftmaschine. Bei dem Start-Stopp-Betrieb wird die Brennkraftmaschine immer dann gestoppt, wenn das Fahrzeug steht, beispielsweise vor einer roten Ampel. Nach dem Stopp genügt es, bspw. lediglich ein Fahrpedal zu berühren und der Motor startet wieder automatisch. Fahrzeuge mit Start-Stopp-Betrieb stoßen weniger CO2 aus und verbrauchen weniger Kraftstoff. Das bedeutet für das Startverfahren, dass es sich nach einem Stopp bei einem folgenden sog. Nachstart überwiegend um einen Warmstart handelt, der abweichend von einem üblichen Startverfahren nicht mit einem „fetten“ und damit leistungsfördernden Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben werden muss. Letzteres ist nur bei einem Kaltstart nötig. Das „fette“ Luft-Kraftstoff-Gemisch kann bei dem Nachstart leicht starkes Überschwingen der Drehzahl bewirken. Das Überschwingen der Drehzahl und eine damit verbundene unnötige Steigerung des Drehmoments wird durch die erfindungsgemäße Kraftstoffreduzierung beim Erreichen der Leerlaufdrehzahl wirkungsvoll verhindert.
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Vorteilhaft ist auch, dass die Einspritzmenge um einen Reduktionsfaktor reduziert wird, wobei der Reduktionsfaktor zwischen 30 und 100% liegt. Bevorzugt kann dabei unmittelbar vor Erreichen der Leerlaufdrehzahl (ca. 25% unterhalb der Leerlaufdrehzahl eine plötzliche, starke Reduzierung der Einspritzmenge stattfinden, die im Wesentlichen einen Abbruch eines Hochlaufs der Drehzahl bewirkt. Dabei muss die Reduzierung der Einspritzmenge derart bemessen sein, dass zwar die Leerlaufdrehzahl erreicht wird, anschließend aber in den folgenden Zyklen die Drehzahl nur noch kaum und später gar nicht mehr erhöht wird. Dies wird durch einen weiteren Verlauf der jeweiligen Einspitzmenge unterstützt, da sich an die plötzliche, starke Reduzierung der Einspritzmenge bevorzugt eine wesentlich geringer verlaufende Reduzierung der Einspritzmenge anschließen kann. Der Reduktionsfaktor kann über die verschiedenen Zyklen konstant, aber auch variabel sein.
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Im weiteren Fortschreiten des Startvorgangs wird die Drehzahl durch die anhaltende Reduzierung der Einspritzmenge derart reduziert, dass wieder die Leerlaufdrehzahl erreicht wird. Deshalb wird für die Erfindung weiter vorgeschlagen, dass kurz vor einem zweiten Erreichen der Leerlaufdrehzahl die Einspritzmenge wieder erhöht wird. Die Einspritzmenge muss rechtzeitig wieder erhöht werden, um die Brennkraftmaschine am Laufen zu halten. Ein entsprechender Offset zur Leerlaufdrehzahl ist in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung als ein Festwert oder eine Funktion abhängig von eine Betriebsgröße der Brennkraftmaschine vorgegeben. Der Offset liegt bevorzugt ca. 25 % über der Leerlaufdrehzahl. Da dieser Zeitpunkt schon gegen Ende der Startphase liegt und die Brennkraftmaschine bereits nach dem Durchlauf einiger Zyklen annähernd rund läuft, ist es nun möglich, die Einspritzmenge derart auszuregeln, dass die Brennkraftmaschine die Leerlaufdrehzahl wieder erreicht und diese anschließend im Wesentlichen dann auch bis zu einer Beendigung der Startphase beibehält.
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Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielhaft erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Diagramm mit einem zeitlichen Verlauf einer Einspritzmenge und einem Drehzahlverlauf in einer Startphase bei einer Brennkraftmaschine in einem Nachstart bei einem Start-Stopp-Betrieb;
- 2 ein Flussdiagramm mit dem Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahren; und
- 3 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt im oberen Bereich einen zeitlichen Verlauf einer Einspritzmenge E während einer Startphase eines Kraftfahrzeugs in einem Nachstart bei einem Start-Stopp-Betrieb. Im unteren Bereich wird der zeitliche Verlauf einer Drehzahl D der Brennkraftmaschine während der Startphase beim Start-Stopp-Betrieb gezeigt. In beiden Darstellungen stellt eine dünne Linie einen möglichen Verlauf ohne den Einsatz des erfindungsgemäßen, also eines herkömmlichen Verfahrens dar; die dicke Linie zeigt den jeweiligen Verlauf mit dem Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das erfindungsgemäße Verfahren wird von einem Computerprogramm, das in einer Steuer- und Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine ablauffähig ist, gesteuert.
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Zum Zeitpunkt t0 wird der Anlasser zum Starten des Kraftfahrzeugs betätigt, die Drehzahl D erhöht sich gemäß der Umdrehungsgeschwindigkeit des Anlassers (vgl. Bezugszeichen 10). Zum Zeitpunkt t1 beginnt eine Einspritzung in einen Brennraum der Brennkraftmaschine. Die Einspritzmenge E ist dabei relativ hoch (vgl. Bezugszeichen 12), um ein „fettes“ und damit leistungsförderndes Luft-Kraftstoff-Gemisch in die ersten Zyklen mit einer Zündung im Brennraum zu erzeugen. Unter dem Begriff „Zyklus“ werden dabei zwei Kurbelwellenumdrehungen, also 720°, verstanden. Die Drehzahl D steigt dabei rasch an (vgl. Bezugszeichen 14). Während dieser Zyklen wird jedoch die Einspritzmenge E bereits reduziert (vgl. Bezugszeichen 16), die Drehzahl D erhöht sich dabei weiterhin.
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Kurz vor Erreichen einer in der Steuer- und Regeleinrichtung vorgegebenen Leerlaufdrehzahl DL zum Zeitpunkt t2 (ca. 25% unterhalb der Leerlaufdrehzahl) wird die Einspritzmenge E plötzlich und drastisch reduziert (vgl. Bezugszeichen 18). Wegen der Massenträgheit erhöht sich aber dennoch die Drehzahl D (vgl. Bezugszeichen 20), jedoch wird die Beschleunigung der Drehzahlveränderung stark gebremst. Nach der drastischen Reduzierung der Einspritzmenge E (vgl. Bezugszeichen 18), wird die Einspritzmenge E pro Zyklus nur noch wenig verringert (vgl. Bezugszeichen 22); die Drehzahl D erhöht sich dennoch geringfügig (vgl. Bezugszeichen 24) um dann nach weiterer Reduzierung der Einspritzmenge E (vgl. Bezugszeichen 25) letztendlich wieder abzufallen (vgl. Bezugszeichen 26). Wie aus 1 ersichtlich ist, bewirkt die Absenkung der Einspritzmenge E eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs gegenüber einem herkömmlichen Verfahren um den Faktor F1 . Ebenso wird dadurch eine Reduzierung der Drehzahl D um einen Faktor F2 realisiert, was ein ungewolltes und störendes Überschwingen der Drehzahl D bewirkt.
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In der Steuer- und Regeleinrichtung ist ein Grenzwert DG für die Drehzahl D definiert, der oberhalb der Leerlaufdrehzahl DL liegt. Der Grenzwert DG gibt an, bei welcher Drehzahl D die Einspritzung E wieder erhöht werden muss, um die Brennkraftmaschine während der Startphase am Laufen zu halten. Zur Steuerung können auch Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, die der Steuer- und Regeleinrichtung zur Verfügung stehen, wie z.B. eine Temperatur der Brennkraftmaschine, eine Drehmomentenanforderung, ein Umgebungsdruck, ein Zündwinkel oder eine Zeitspanne zum letzten Stopp, mit einbezogen werden. Der so definierte Grenzwert DG , der bei der Drehzahlreduzierung wirkt, ist zum Zeitpunkt t3 erreicht. 1 zeigt hinter dem Zeitpunkt t3 den Anstieg der Einspritzmenge E (vgl. Bezugszeichen 28). Die Drehzahl D fällt jedoch zunächst wegen der Massenträgheit weiter ab, solange bis zum Zeitpunkt t4 , wo wieder die Leerlaufdrehzahl DL erreicht ist. Einige Zyklen nach dem Startbeginn läuft die Brennkraftmaschine schon üblicherweise stabil. Die Steuer- und Regeleinrichtung ist nun in der Lage, bis zum Ende der Startphase die Einspritzmenge E derart auszuregeln, dass die Drehzahl D auf der Leerlaufdrehzahl DL gehalten wird (vgl. Bezugszeichen 30). Die Startphase ist zum Zeitpunkt t5 abgeschlossen.
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2 zeigt ein Flussdiagramm zu einem möglichen Ablauf der Startphase bei im Nachstart bei dem Start-Stopp-Betrieb. Zum START läuft der Anlasser des Kraftfahrzeugs, die erste Einspritzung beginnt, die Drehzahl D der Brennkraftmaschine erhöht sich. In Schritt 100 wird von der Steuer- und Regeleinrichtung abgefragt, ob die Drehzahl D der Brennkraftmaschine die vorgegebene Drehzahl D (ca. 25 % unterhalb der Leerlaufdrehzahl) erreicht hat. Ist dies der Fall, wird die Einspritzmenge E in Schritt 110 drastisch reduziert (vgl. Bezugszeichen 18 in 1). Daran anschließend wird in Schritt 120 die Einspritzmenge E pro Zyklus nur noch gering reduziert (vgl. Bezugszeichen 24 und 26 in 1). Danach wird in Schritt 130 abgefragt, ob der Grenzwert DG oberhalb der Leerlaufdrehzahl DL (ca. 25 % oberhalb der Leerlaufdrehzahl) erreicht ist. Ist dies der Fall (Zeitpunkt t3 ), wird in Schritt 140 die Einspritzmenge E wieder erhöht (vgl. Bezugszeichen 28 in 1). Danach wird in Schritt 150 die Einspritzmenge E derart durch die Steuer- und Regeleinrichtung ausgeregelt, dass die Leerlaufdrehzahl DL bis zum Ende der Startphase gehalten werden kann.
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3 zeigt das technische Umfeld der Erfindung. Im Einzelnen zeigt die 3 die Brennkraftmaschine 40 mit dem Brennraum 42, der von einem Kolben 44 beweglich abgedichtet wird. Ein Wechsel der Füllungen des Brennraums 42 wird durch wenigstens ein Einlassventil 46 und ein Auslassventil 48 gesteuert, die dazu von entsprechenden Aktoren 50, 52 betätigt werden. In der Ausgestaltung der 3 dient ein Injektor 54 zur Dosierung von Kraftstoff in eine Luftfüllung des Brennraums 42. Das resultierende Gemisch aus Kraftstoff und Luft wird von einer Zündkerze 56 gezündet. Die Füllung des Brennraums 42 mit Luft erfolgt aus einem Ansaugrohr 58, das eine Drosselklappe 62, die von einem Drosselklappen-Steller 64 betätigt wird, sowie einen Luftmassenmesser 66 aufweist.
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Die Brennkraftmaschine 40 wird von der Steuer- und Regeleinrichtung 72 gesteuert, die dazu Signale verarbeitet, in denen sich verschiedene Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 40 abbilden. In der Darstellung der 3 sind das vor allem Signale mL des Luftmassenmessers 66, das Signal FW eines Fahrerwunschgebers 74, der eine Drehmomentanforderung des Fahrers erfasst, und das Signal n eines Drehzahlgebers 76, der eine Drehzahl n einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 40 erfasst.
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Es versteht sich, dass moderne Brennkraftmaschinen 40 mit einer Vielzahl weiterer Geber und/oder Sensoren ausgerüstet sind, die hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Beispiele solcher Sensoren sind Temperatursensoren, Drucksensoren, Abgassensoren, et cetera. Die Aufzählung der Geber 66,74 und 76 ist insofern nicht abschließend gemeint. Es muss auch nicht für jeden von der Steuer- und Regeleinrichtung 72 verarbeiteten Betriebsparameter ein eigener Sensor vorhanden sein, weil die Steuer- und Regeleinrichtung 72 verschiedene Betriebsparameter mithilfe von Rechenmodellen aus anderen, gemessenen Betriebsparametern modellieren kann.
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Aus den empfangenen Gebersignalen bildet die Steuer- und Regeleinrichtung 72 unter anderem Stellgrößen zur Einstellung des von der Brennkraftmaschine 40 zu erzeugenden Drehmoments. In der Ausgestaltung der 3 sind dies insbesondere eine Stellgröße S_K zur Ansteuerung des Injektors 54, eine Stellgröße S_Z zur Ansteuerung der Zündkerze 56 und eine Stellgröße S_L_DK zur Ansteuerung des Drosselklappen-Stellers.
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Im Übrigen ist die Steuer- und Regeleinrichtung 72 dazu eingerichtet, insbesondere dazu programmiert, das erfindungsgemäße Verfahren oder eine seiner Ausgestaltungen durchzuführen und/oder den entsprechenden Verfahrensablauf zu steuern.
