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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer direkteinspritzenden
Brennkraftmaschine, eine Einspritzanlage für eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine,
sowie eine Verwendung der Einspritzanlage.
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Das
Kaltstartverhalten, beziehungsweise die Fähigkeit, bei
niedrigen Temperaturen überhaupt zu starten, kann bekanntermaßen
bei Brennkraftmaschinen dadurch verbessert werden, daß eine
erhöhte Menge an Kraftstoff in die Zylinder eingespritzt wird.
Insbesondere bei Kraftstoffen mit schlechtem Verdampfungsverhalten
bei niedrigen Temperaturen, z. B. Alkoholkraftstoffen, beziehungsweise
bei deren Mischungen mit erdölbasierten Kraftstoffen, kann
dabei eine Hochdruckpumpe zum Fördern des Kraftstoffs ihre
Fördergrenzen erreichen.
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Die
DE 10 2006 025 920
A1 schlägt daher vor, zusätzlich zu dem
normalen Betriebskraftstoff einen Startkraftstoff, welcher eine
hinreichende Entzündlichkeit aufweist, um einen Kaltstart
der Brennkraftmaschine zu ermöglichen, einzuspritzen. Nachteilig
ist hier der erhöhte Bauaufwand für die Speicherung
und für die Zuführung eines zweiten Kraftstoffs für
die Brennkraftmaschine.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Einspritzanlage
zur Verfügung zu stellen, welche auf einfache Weise zur
Verbesserung des Kaltstartverhaltens von Verbrennungsmotoren mit
Direkteinspritzung beitragen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche.
In den Unteransprüchen sind jeweils bevorzugte Ausführungsformen
angegeben.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Starten einer
mehrzylindrigen, direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit zumindest
gruppenweise unabhängig steuerbaren Einspritzventilen in
den Zylindern wird Kraftstoff von mindestens einer Einspritzpumpe über
zumindest einen Kraftstoffrail zur Verfügung gestellt.
Weiterhin erfindungsgemäß spritzen beim Anlassen
der Brennkraftmaschine unter Kaltstartbedingungen die Einspritzventile
einer Starterzylindergruppe eine erhöhte Startmenge an
Kraftstoff in die Starterzylinder ein, während die Einspritzventile einer
Abschaltzylindergruppe keinen Kraftstoff oder weniger Kraftstoff
als die erhöhte Startmenge in die Abschaltzylinder einspritzen.
Das bedeutet, daß im wesentlichen der von der mindestens
einen Einspritzpumpe zur Verfügung gestellte Kraftstoff
in die Starterzylindergruppe eingespritzt werden kann und nicht,
wie herkömmlich, auf alle Zylinder der Brennkraftmaschine
verteilt wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß für
jeden einzelnen Zylinder der Starterzylindergruppe eine höhere
Menge an Kraftstoff bereitgestellt werden kann, als wenn die mindestens eine
Einspritzpumpe alle Zylinder versogen müßte.
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Unter
Kaltstartbedingungen im Sinne der Erfindung sind solche Bedingungen
zu verstehen, bei denen bei Einspritzung der maximal zur Verfügung stehenden
Kraftstoffmenge in alle Zylinder, eine nicht ausreichende Kraftstoffmenge
verdunstet und verdampft werden kann, um eine sichere Entflammung des
Kraftstoff-Luft-Gemischs zu ermöglichen. Insbesondere liegen
Kaltstartbedingungen bei nicht betriebswarmer Brennkraftmaschine
und niedrigen Umgebungstemperaturen, z. B. bei Temperaturen unter minus
10 Grad Celsius, vor. Darüber hinaus beeinflussen die Art
und die Qualität des Kraftstoffs, bzw. der Alkohol-, insbesondere
Ethanolanteil die Verdampfungseigenschaften und bestimmten somit ebenfalls
die Kaltstartbedingungen. Bevorzugt erfolgt eine adaptive Erkennung
der die Kaltstartbedingungen beeinflussenden Faktoren. Wann immer
von Verdampfung des Kraftstoffs die Rede ist, soll darunter auch
eine Kombination aus Verdampfung und Verdunstung zu verstehen sein.
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Unter
einer erhöhten Startmenge an Kraftstoff ist im Sinne der
Erfindung ein entsprechend angefettetes Gemisch zu verstehen, also
eine größere Menge, als diejenige Menge, welche
bei einem Warmstart vollständig bei der Einspritzung verdampfen
würde. Durch Einspritzen der erhöhten Startmenge
erhöht sich die absolute, verdampfte Menge an Kraftstoff
im Zylinder, so daß sich vorteilhaft ein zündfähiges
Gemisch bildet. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Lambda)
kann, bezogen auf den verdampften Anteil der erhöhten Kraftstoffmenge,
dennoch etwa stöchiometrisch sein.
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Wenn
der von der mindestens einen Hochdruckeinspritzpumpe bereitgestellte
Kraftstoff nicht für alle Zylinder ausreicht, wird Kraftstoff
bevorzugt auf weniger als eine Gesamtzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine
verteilt. Diese bilden dann die Starterzylindergruppe, wobei vorteilhaft
alle Zylinder der Starterzylindergruppe mit einer für eine
Zündung des jeweiligen Zylinders ausreichenden Startmenge an
Kraftstoff versorgt werden. Das Zünden eines Zylinders
kann dabei anhand einer Erhöhung der Drehzahl von einer
Anlasserdrehzahl auf eine Start-Enddrehzahl erkannt werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die Anzahl der Zylinder in der Starterzylindergruppe
maximal so groß gewählt, daß alle Zylinder
der Starterzylindergruppe mit einer für eine Zünden
ausreichende Startmenge an Kraftstoff versorgt werden können.
Ein Vorteil der Ausführungsform besteht darin, daß bei besonders
ungünstigen Ausgangsbedingungen, beispielsweise besonders
niedrigen Umgebungstemperaturen, eine kleinere Anzahl an Zylindern
der Brennkraftmaschine der Starterzylindergruppe zugeordnet werden
kann, so daß der begrenzte, von der Hochdruckeinspritzpumpe
zur Verfügung gestellte Kraftstoff wiederum so auf die
Zylinder der Starterzylindergruppe aufgeteilt werden kann, daß jeder
dieser Zylinder eine so große Kraftstoffmenge erhält,
daß dieser zuverlässig zündet. Die Startmenge
an Kraftstoff, welche ausreicht, um ein Zünden eines Zylinders
zu gewährleisten, wird vorzugsweise in Abhängigkeit von
einer Umgebungstemperatur, bzw. einer Temperatur der Brennkraftmaschine
und/oder einer Drehzahl der Brennkraftmaschine ermittelt. Weiterhin
bevorzugt wird in Kenntnis der notwendigen Startmenge an Kraftstoff
eine Anzahl an Zylindern berechnet, welche in einem Motorzyklus
mit der Startmenge versorgt werden kann und festgestellt, ob diese
Anzahl kleiner ist als die Gesamtzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine.
Wenn dies nicht der Fall ist, bedeutet das, daß alle Zylinder
der Brennkraftmaschine mit ausreichend Kraftstoff versorgt werden
können. In diesem Fall bedarf es keiner Verbesserung des
Kaltstartverhaltens. Sofern jedoch die berechnete Anzahl an Zylindern
kleiner ist als die Gesamtzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine,
so wird vorteilhaft die erfindungsgemäße Einteilung
der Zylinder in eine Starterzylindergruppe und eine Abschaltzylindergruppe
durchgeführt. Bevorzugt wird gerade die errechnete Anzahl
an Zylindern der Starterzylindergruppe zugeordnet. Dadurch wird
vorteilhaft erreicht, daß die maximal mögliche
Anzahl an Zylindern an dem Kaltstartvorgang teilnimmt und somit
zum Komfort in der Startphase beiträgt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung spritzen die
Einspritzventile der Starterzylindergruppe bei erfolgter Zündung
der Zylinder der Starterzylindergruppe Kraftstoff in reduzierter Menge
gegenüber der Startmenge ein. Die Menge an eingespritztem
Kraftstoff wird dabei vorzugsweise schrittweise über mehrere
Motorzyklen reduziert, insbesondere in Abhängigkeit von
der Motordrehzahl, der Umgebungstemperatur und/oder der Temperatur der
Brennkraftmaschine. Sobald durch diese Reduzierung der eingespritzten
Kraftstoffmenge der von der mindestens einen Einspritzpumpe geförderte Kraftstoff
ausreicht um einen oder mehrere weitere Zylinder mit Kraftstoff,
insbesondere mit einer für ein Zünden ausreichenden
Startmenge an Kraftstoff zu versorgen, spritzen die Einspritzventile
zumindest eines Teils der Zylinder der Abschaltzylindergruppe Kraftstoff
in die Abschaltzylinder ein. Der Vorgang kann vorteilhaft so lange
wiederholt werden, bis alle Zylinder der Brennkraftmaschine den
Startvorgang abgeschlossen haben. In der Praxis werden jedoch in der
Regel bis zum Abschluß des Startvorgangs im Zuge der Drehzahlerhöhung
sämtliche Zylinder der Abschaltzylindergruppe mit Kraftstoff
versorgt.
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Das
Zünden der Zylinder der Starterzylindergruppe und/oder
das Zünden der Zylinder der Abschaltzylindergruppe wird
vorzugsweise anhand der Motordrehzahl und/oder mittels Brennraumdrucksensoren
detektiert. Das Vorliegen von Kaltstartbedingungen wird vorzugsweise
anhand der Kühlwassertemperatur und/oder der Motoröltemperatur
und/oder der Umgebungstemperatur überprüft. Das
Verfahren wird vorzugsweise bei Kaltstartbedingungen mit niedrigen
Umgebungstemperaturen von unter Null Grad Celsius, insbesondere
unter minus zehn Grad Celsius angewendet.
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Weiterhin
bevorzugt wird das Verfahren bei einem Betrieb der Otto-Brennkraftmaschine
mit einem Kraftstoff, der Anteile von Alkohol enthält,
beziehungsweise bei einem Betrieb mit einem Gemisch aus einem solchen
Alkoholkraftstoff und erdölbasiertem Otto-Kraftstoff durchgeführt,
besonders bevorzugt bei einem Kraftstoff mit einem Alkoholanteil,
insbesondere Ethanolanteil von mehr als 5%.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Einspritzanlage einer
mehrzylindrigen, direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit zumindest
gruppenweise unabhängig steuerbaren Einspritzventilen in
den Zylindern, mit mindestens einer Einspritzpumpe und mit zumindest
einem Kraftstoffrail, über das die Einspritzventile von
der mindestens einen Einspritzpumpe mit Kraftstoff versorgt werden.
Die erfindungsgemäße Einspritzanlage zeichnet
sich durch Sensormittel, welche zumindest geeignet sind, Kaltstartbedingungen
der Brennkraftmaschine zu erfassen, sowie durch ein Steuergerät
aus, welches den Start der Brennkraftmaschine nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren steuert. Die mindestens eine Einspritzpumpe ist bevorzugt
eine Hochdruckeinspritzpumpe. Die Einspritzanlage wird bevorzugt
mit einem Alkoholkraftstoff betrieben, wozu auch eine Mischung aus
Alkoholkraftstoff und erdölbasiertem Otto-Kraftstoff zu
zählen ist, insbesondere ein Kraftstoff mit einem Alkoholanteil
von mehr als 5%. Eine entsprechende Verwendung der Einspritzanlage
ist daher ein weiterer Gegenstand der Erfindung.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Die Erläuterungen gelten für das erfindungsgemäße
Verfahren und für die erfindungsgemäße
Einspritzanlage. Die Ausführungen sind beispielhaft und
schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
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Es
zeigen:
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1 ein
Flußdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
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2 Anlaßvorgänge
in einem Zeitdiagramm.
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In
der 1 ist ein Flußdiagramm zur Erläuterung
einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens dargestellt. Der Schritt 100 stellt eine Startanforderung
an eine mehrzylindrige, direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit
zumindest gruppenweise unabhängig steuerbaren Einspritzventilen in
den Zylindern dar, bei der Kraftstoff von mindestens einer Einspritzpumpe,
insbesondere von einer Hochdruckeinspritzpumpe über zumindest
einen Kraftstoffrail zur Verfügung gestellt wird. In Schritt 101 wird
zunächst eine Motortemperatur geprüft. Dies kann
beispielsweise anhand einer Kühlwassertemperatur und/oder
einer Motoröltemperatur und/oder anhand einer Umgebungstemperatur
erfolgen. Im Falle eines Kaltstarts, also ohne vorherige Vorwärmung
des Kühlwassers und/oder des Öls ist die Temperatur
der Brennkraftmaschine im wesentlichen von der Umgebungstemperatur
bestimmt. Je nach Temperatur werden zwei Fälle 102, 103 unterschieden.
Im Fall 102 liegt die Temperatur der Brennkraftmaschine
unter einer Grenztemperatur, welche beispielsweise zwischen Null
und minus zehn Grad Celsius gewählt wird. Im Fall 103,
wenn die Temperatur der Brennkraftmaschine über der wählbaren Grenztemperatur
liegt, folgt unmittelbar Schritt 108, der einen gesteuerten
Motorstart beinhaltet, bei dem Kraftstoff auf alle Zylinder der
Brennkraftmaschine eingespritzt wird, wobei die Einspritzmenge abhängig von
der Drehzahl und der Temperatur der Brennkraftmaschine sind. Dieses
Verfahren ist nach dem Stand der Technik bekannt. Im Fall 102 folgt
dagegen Schritt 104 entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren,
wonach beim Anlassen der Brennkraftmaschine die Einspritzventile
einer Starterzylindergruppe eine erhöhte Startmenge an
Kraftstoff in die Starterzylinder einspritzen und die Einspritzventile
einer Abschaltzylindergruppe keinen, oder weniger Kraftstoff in
die Abschaltzylinder einspritzen. Das bedeutet, daß die
Einspritzung in weniger als die Gesamtzahl aller Zylinder der Brennkraftmaschine
erfolgt. Die Einspritzmenge je Zylinder ist abhängig von Drehzahl
und Temperatur, was bedeutet, daß diese in der Regel schrittweise
mit jedem Motorzyklus reduziert wird. Dabei wird in Schritt 105 überprüft,
ob die aktuell pro Zylinder der Starterzylindergruppe eingespritzte
Menge an Kraftstoff bereits auf die maximal mögliche Einspritzmenge
pro Zylinder bei Einspritzung auf alle Zylinder der Brennkraftmaschine
abgesunken ist.
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Das
heißt, es wird überprüft, ob die Hochdruckeinspritzpumpe
alle Zylinder der Brennkraftmaschine versorgen könnte.
Die Überprüfung wird vorzugsweise je Motorzyklus
einmal durchgeführt. Solange die Überprüfung
negativ ausfällt (106) erfolgt weiter die Einspritzung
des zur Verfügung stehenden Kraftstoffs auf die Zylinder
der Starterzylindergruppe gemäß Schritt 104.
Wird die Bedingung in Schritt 105 dagegen erfüllt
(107) bedeutet dies, daß nunmehr alle Zylinder
der Brennkraftmaschine mit ausreichend Kraftstoff versorgt werden
können, was Schritt 108 entspricht. Im Schritt 109 wird überprüft,
ob die Motordrehzahl eine derartige Drehzahl erreicht hat, daß der
Startvorgang als abgeschlossen gilt. Solange dies nicht der Fall
ist (110) erfolgt weiter der gesteuerte Motorstart gemäß Schritt 108,
ansonsten ist der Startvorgang abgeschlossen und die Brennkraftmaschine
läuft normal (Schritt 111).
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In 2 sind
zwei Startvorgänge über jeweils drei Motorzyklen 1, 2, 3 oben
und 1', 2', 3' unten im Bild dargestellt.
Dargestellt sind die Einspritzzeiträume und Zündzeitpunkte
bei einem zeitlichen Verlauf von links nach rechts, welcher durch
die Pfeile 4 angedeutet ist. Die Ereignisse sind in vier
Zeilen untereinander jeweils pro Zeile für einen Zylinder
dargestellt. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich also
beispielhaft auf eine vierzylindrige, direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine,
ohne die Erfindung hinsichtlich der Art der Brennkraftmaschine zu
beschränken. Der obere Ereignisverlauf zeigt einen Kaltstart,
welcher bei einer Temperatur oberhalb einer Grenztemperatur (vgl.
Schritt 101 in 1) erfolgt. Im Zeitraum 11 wird
Kraftstoff in den ersten Zylinder eingespritzt und anschließend
zum Zündzeitpunkt Z gezündet. Nachfolgend wird
die gleiche Menge Kraftstoff in den dritten Zylinder während
des Einspritzzeitraums 31 eingespritzt. Die jeweils auf
die Einspritzung von Kraftstoff folgende Zündung wird nachfolgend
nicht mehr ausdrücklich erwähnt. Ebenso wenig
sind die Zündereignisse Z in dem Diagramm durchgehend mit
dem Bezugszeichen Z versehen, um die Übersichtlichkeit
zu verbessern. Es folgen die Einspritzzeiträume 41 und 21 des
vierten und zweiten Zylinders, womit der erste Motorzyklus 1 abgeschlossen
ist. Im nachfolgenden, zweiten Motorzyklus 2 ist der Einspritzzeitraum 12 des
ersten Zylinders vergleichsweise kürzer als der Einspritzzeitraum 11 des
ersten Zylinders im ersten Motorzyklus 1. Das selbe gilt
für die nachfolgenden Einspritzzeiträume 32, 42, 22 des
dritten vierten und zweiten Zylinders im zweiten Motorzyklus 2.
Im dritten Motorzyklus 3 sind die Einspritzzeiträume 13, 33, 43 und 23 wiederum
verkürzt, die Brennkraftmaschine geht nunmehr von dem gesteuerten
Motorstart in den normalen Motorlauf über. Im Vergleich
dazu zeigt der unten dargestellte, zeitliche Ereignisverlauf einen
Kaltstart bei einer Motortemperatur unterhalb der Grenztemperatur, bei
der die mindestens eine Hochdruckeinspritzpumpe nicht in der Lage
ist, ausreichend viel Kraftstoff zu fördern, um alle Zylinder
mit der notwendigen, erhöhten Startmenge an Kraftstoff
zu versorgen. Im dargestellten Beispiel sind der zweite und dritte
Zylinder als Zylinder der Starterzylindergruppe ausgewählt
worden und werden zunächst mit soviel Kraftstoff versorgt,
wie notwendig ist, um eine Zündung angesichts der niedrigen
Temperaturen zu ermöglichen. Dies ist der Fall, wenn eine
ausreichende Menge an Kraftstoff durch den Einspritzvorgang verdampft
wurde. Insbesondere bei Alkoholkraftstoffen muss bei niedrigen Temperaturen
eine größere Menge Kraftstoff eingespritzt werden,
um die gleiche Menge verdampften Kraftstoffs im Zylinder zu erhalten,
wie bei betriebswarmem Motor. Der Einspritzzeitraum 31' des
dritten Zylinders, ebenso wie der Einspritzzeitraum 21' des
zweiten Zylinders beginnt hier beispielsweise bereits vor dem Kompressionshub
des Zylinders, wobei das sogenannte Einspritzevent auch später
erfolgen kann. Die zeitliche Lage des dargestellten Einspritzevents
unterliegt generell keiner Einschränkung. Die zeitliche
Dauer des Einspritzevents ist hier schematisch länger dargestellt,
um die erhöhte Startmenge an eingespritztem Kraftstoff anzudeuten.
Tatsächlich ist diese deutlich kürzer. Im nachfolgenden
Zyklus 2' werden wiederum nur der zweite und dritte Zylinder
mit Kraftstoff versorgt, nämlich in den Einspritzzeiträumen 32' und 22',
wobei die Menge an eingespritztem Kraftstoff gegenüber
dem ersten Zyklus 1' bereits verringert ist. Eine Versorgung
aller vier Zylinder mit dieser Menge an Kraftstoff wäre
jedoch in dem zweitem Zyklus 2' noch nicht möglich.
Im dritten Zyklus 3' ist die notwendige Kraftstoffmenge
für den zweiten und dritten Zylinder, welche in den Einspritzzeiträumen 33' und 23' eingespritzt
wird, soweit gesunken, daß auch der erste und vierte Zylinder
mit der entsprechenden Menge Kraftstoff versorgt werden können,
was dementsprechend in den Einspritzzeiträumen 13' und 43' auch
erfolgt. Die Brennkraftmaschine geht nur in einen nach dem Stand
der Technik bekannten Anlassvorgang über. Auf diese Art
und Weise erfolgt vorteilhaft ein sicheres Anlassen auch bei besonders
niedrigen Temperaturen, wobei der Anlaßvorgang selber verzögert
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006025920
A1 [0003]