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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer dieselmotorisch betriebenen Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Es hat sich herausgestellt, dass es bei modernen dieselmotorischen Brennkraftmaschinen, beispielsweise bei Brennkraftmaschinen mit Common-Rail-Technik, zu Startschwierigkeiten kommen kann, wenn die Temperatur im Winter stark abfällt. Dies gilt ganz besonders, wenn alternative Kraftstoffe wie Pflanzenöl oder entsprechende Gemische verwendet werden.
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Es wurde bereits versucht, den Kraftstoff vor der Einspritzung über Wärmetauscher aus dem Kühlkreislauf des Motors zu erwärmen. Diese Maßnahme hat sich zwar nach dem Start als wirkungsvoll erwiesen, konnte die Startprobleme aber nicht mindern, da für die Startphase noch kein angewärmter Kraftstoff zur Verfügung steht.
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Es wurde auch bereits versucht, den Kraftstoff elektrisch vorzuheizen, indem die Kraftstoffleitung vor der Hochdruckpumpe mit einer elektrischen Heizmanschette umwickelt wurde. Auf diese Weise konnten Erfolge bei der Startfähigkeit erzielt werden, es hat sich jedoch herausgestellt, dass sehr lange Vorheizzeiten benötigt werden und die Batterie damit sehr stark belastet wird.
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Bei einer weiteren angedachten Lösung wurde versucht nur die Injektoren vorzuwärmen. Dabei wurde an jeden Injektor eine Glühkerze so angekoppelt, dass ein Wärmeübergang zwischen Glühkerze und Injektor stattfinden kann. Auch hier musste sehr lange vorgeheizt werden, um bei tiefen Temperaturen die Brennkraftmaschine starten zu können. Zudem ist die Kopplung einer Glühkerze an jeden Injektor aufwendig und teuer.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Starten einer dieselmotorisch betriebenen Brennkraftmaschine so zu verbessern, dass die Brennkraftmaschine auch bei tiefen Temperaturen bereits nach einer kurzen Vorheizzeit gestartet werden kann. Weiterhin sollen keine teuren Einbauten oder Umbauten erforderlich sein.
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Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zum Starten einer dieselmotorisch betriebenen Brennkraftmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 1. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass nicht die Temperatur des zur Einspritzung bereitstehenden Kraftstoffes maßgeblich für die Startprobleme verantwortlich ist, sondern insbesondere die Temperatur des Kraftstoffes im Injektor, der den Betätigungsmechanismus für das Magnetventil zum Öffnen der Verbindung zwischen Servovolumen und Rücklauf umgibt. Bei sehr kaltem und zähflüssigem Kraftstoff kann dieser Mechanismus, der meist einen zu bewegenden Anker aufweist, gar nicht oder nur sehr langsam betätigt werden. Das bedeutet, dass das Magnetventil des Injektors nicht in den durch die Steuerung vorgesehenen Intervallen öffnet und schließt.
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Dadurch, dass die Magnetspule so angesteuert wird, dass ein elektrischer Wechselstrom in der Spule fließt, der ein magnetisches Wechselfeld generiert, welches in elektrisch leitenden Komponenten in der Nähe der Magnetspule Wirbelströme induziert, deren Verluste die Komponenten aufheizen, wird der Kraftstoff erwärmt, der diese Komponenten, also insbesondere einen Spulenkern und den Anker, umgibt. Da diese Komponenten praktisch als Heizelemente für den umgebenden Kraftstoff fungieren, müssen die Komponenten möglichst schnell in einen hohen Temperaturbereich gebracht werden und dann für einen bestimmten Zeitraum in diesem Temperaturbereich gehalten werden, in dem sie schnell eine möglichst große Wärmemenge an den umgebenden Kraftstoff abgeben können. Es werden deshalb die Komponenten auf eine vorherbestimmte Heiz-Temperatur aufgeheizt und über einen Zeitraum auf dieser Heiz-Temperatur gehalten. Die Heiz-Temperatur ist dabei als Temperaturbereich zu verstehen, der zum Teil von der Genauigkeit einer Temperaturermittlung, aber auch von der Trägheit einer Regelung abhängt. Der Zeitraum kann beispielsweise empirisch ermittelt und von der Temperatur der Brennkraftmaschine abhängig gemacht werden. In diesem Fall würde die Magnetspule also von der Steuerung immer dann mit einem Wechselstrom angesteuert werden, wenn die Temperatur der Brennkraftmaschine vor dem Start unterhalb einer bestimmten Grenztemperatur liegt.
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Die Startbedingungen für die Brennkraftmaschine sind dann erreicht, wenn der die Komponenten umgebende Kraftstoff eine Temperatur erreicht hat, die eine schnelle Bewegung des Betätigungsmechanismus erlaubt. Je tiefer die Temperatur der Brennkraftmaschine vor dem Start liegt, je länger muss die Magnetspule entsprechend angesteuert werden. Die empirisch ermittelten Werte können in der Steuerung abgelegt und entsprechend der Temperatur der Brennkraftmaschine vor dem Start abgerufen werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Wie bereits oben erläutert wurde, ist die Zeitspanne, in der die Magnetspule mit Wechselstrom beaufschlagt wird, von der Temperatur der Brennkraftmaschine vor dem Startvorgang abhängig. Unterschiedliche Kraftstoffe erreichen die Viskosität, die benötigt wird, um eine schnelle Bewegung des Betätigungsmechanismus und damit einen problemlosen Startvorgang gewährleisten zu können, bei unterschiedlichen Temperaturen. Es wird deshalb vorteilhaft der die Komponenten umgebende Kraftstoff auf eine Start-Temperatur erhitzt, die in Abhängigkeit von dem verwendeten Kraftstoff gewählt wird. Das führt dazu, dass die Zeitspanne, in der die Magnetspule mit Wechselstrom angesteuert wird, nicht nur in Abhängigkeit von der Temperatur der Brennkraftmaschine, sondern auch in Abhängigkeit zu dem verwendeten Kraftstoff gesetzt wird. Dies kann beispielsweise automatisch erfolgen, in dem die Kraftstoffart von der Steuerung über einen entsprechenden Sensor abgefragt wird.
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Es muss in jedem Fall sichergestellt werden, dass die Komponenten, die vor dem Start der Brennkraftmaschine als Heizelemente fungieren, nicht in ihrer eigentlichen Funktion während des Betriebs der Brennkraftmaschine beeinträchtigt werden. So darf beispielsweise der die Komponenten umgebende Kraftstoff keine Temperatur erreichen, bei der bereits eine Oxidation des Kraftstoffs einsetzt. Die Heiz-Temperatur wird deshalb so gewählt, dass sich an den Komponenten keine Ablagerungen bilden und/oder weder Beschichtungen der Komponenten noch die Komponenten selbst beschädigt werden. Die Magnetspule darf folglich nur mit begrenzter Energie angesteuert werden, auch wenn dadurch die Zeitspanne bis zum Erreichen der Start-Temperatur minimal verlängert wird.
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Wenn nicht alle Parameter für die Ansteuerung der Magnetspule empirisch ermittelt werden, kann auch eine einfache Regelung erfolgen. Erfindungsgemäß wird hierzu die Temperatur der Komponenten indirekt über den elektrischen Widerstand der Magnetspule bestimmt.
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Da Metalle zu den Kaltleitern gehören und die Magnetspule üblicherweise aus Kupfer besteht, erhöht sich der elektrische Widerstand bei Temperaturen, die oberhalb der Raumtemperatur liegen, praktisch linear mit der Erwärmung der Magnetspule. Man kann davon ausgehen, dass bei einer Temperaturerhöhung um 100 K eine Erhöhung des elektrischen Widerstands um etwa 40% bezogen auf den Ausgangswert eintritt. Auf dieser Grundlage lässt sich hinreichend genau bestimmen, wann die Heiz-Temperatur erreicht ist. In den meisten Fällen ist die Magnetspule in einen topfförmigen Kern eingebracht. Der durch die Magnetspule induktiv erhitzte Kern umgibt die Magnetspule – innen wie außen – fast vollständig, so dass die Wärme des Kerns sehr schnell auf die Magnetspule übergeht und sich Kern und Magnetspule auf gleicher Temperatur befinden.
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Die Magnetspule wird mit einem Wechselstrom aus einem Wechselstromgenerator angesteuert, um ein magnetisches Wechselfeld erzeugen zu können. Es könnte ein rechteckiger, dreieckiger oder beliebig anderer Stromverlauf gewählt werden. Besonders vorteilhaft wird die Magnetspule aber über einen sinusförmigen Wechselstrom über einen elektrischen Schwingkreis angesteuert. Dieser kann in einfacher Weise aus einem Kondensator und der Magnetspule selbst aufgebaut werden. Ein derart aufgebauter Schwingkreis ist geeignet, einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, da der Wechselstromgenerator nur die durch Induktion aus dem Schwingkreis entfernte elektrische Energie nachliefern muss, nicht jedoch die zum Auf- und Abbau des magnetischen Wechselfeldes nötige Blindenergie. Auf diese Weise steht ein Großteil der eingesetzten Energie für die Erwärmung der Komponenten zur Verfügung.
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Die Heizleistung könnte beispielsweise über die Stromstärke oder die Schwingfrequenz des Wechselstroms gesteuert werden. Vorteilhaft wird das Aufheizen der Komponenten jedoch über eine Pulsweitenmodulation gesteuert. Auf diese Weise lässt sich ein gepulster Betrieb der Heizung realisieren. Dazu wird bei vorgegebener Periodendauer die Einschaltdauer der Heizung variiert.
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Eine Pulsfrequenz, die sich für diesen Einsatz bewährt hat, liegt bei 0,25 Hz, wobei eine Periodendauer aus einer Einschaltzeit bis zu drei Sekunden und einer Pause von einer Sekunde besteht. Die Pulsweite lässt sich folglich zwischen null und drei Sekunden modulieren.
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Um die Temperatur der Magnetspule und damit die Temperatur der Komponenten unbeeinflusst von der Bestromung der Magnetspule ermitteln zu können, wird die Temperatur der Magnetspule zwischen den einzelnen Pulsen bestimmt. Dies gelingt am besten, wenn man die Bestimmung der Temperatur in den Bereich der Perioden legt, in dem unabhängig von der momentanen Pulsweite immer eine Pause angesetzt ist. In diesem Fall ist sowohl bei größter als auch bei geringster Pulsweite eine unbeeinflusste und einfach durchzuführende Temperaturbestimmung möglich.
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Die Heiz-Temperatur der Komponenten soll also so hoch liegen, dass der die Komponenten umgebende Kraftstoff möglichst schnell auf die Start-Temperatur aufgeheizt wird, dass aber die Komponenten nicht beschädigt werden. Die Magnetspule wird folglich – zumindest bei niederen Ausgangstemperaturen – zuerst mit der vorherbestimmten maximalen Pulsweite bestromt, bis die Komponenten die Heiz-Temperatur erreicht haben. Danach muss nur noch so viel Wärmeenergie erzeugt werden, dass die Komponenten in dem Temperaturbereich der Heiz-Temperatur gehalten werden. Es muss also nur die Wärme nachgeführt werden, die von den Komponenten an den umgebenden Kraftstoff abgegeben wird. Besonders vorteilhaft wird deshalb zum Halten der Heiz-Temperatur die Einschaltzeit der einzelnen Pulse pro Periodendauer verringert.
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Da der die Komponenten umgebende Kraftstoff immer wärmer wird, wird der Temperaturunterschied zwischen dem Kraftstoff und den auf Heiz-Temperatur gehaltenen Komponenten immer geringer. Dadurch wird Wärmeenergie von den Komponenten immer langsamer an den Kraftstoff abgegeben und die Pulsweite muss immer weiter reduziert werden, um die Komponenten nicht über die Heiz-Temperatur aufzuheizen. Nach Erreichen der Heiz-Temperatur wird deshalb die Einschaltzeit pro Periodendauer der einzelnen Pulse bis zum Erreichen der Start-Temperatur weiter verringert.
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Die gesamte Heizzeit kann empirisch ermittelt und für bestimmte Kraftstoffe und bestimmte Temperaturen der Brennkraftmaschine vor dem Start in der Steuerung abgelegt werden. Über die Messung des Widerstands der Magnetspule in den Bestromungspausen ist es aber auch möglich, den Zeitpunkt zu ermitteln, an dem der die Komponenten umgebende Kraftstoff die Start-Temperatur erreicht hat.
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Zu diesem Zeitpunkt geben die Komponenten nur noch sehr langsam Wärmeenergie an den Kraftstoff ab. Es ist nur noch eine sehr geringe Pulsweite erforderlich um die Komponenten auf ihrer Heiz-Temperatur zu halten. Deshalb gilt in dem die Komponenten umgebenden Kraftstoff die Start-Temperatur dann als erreicht, wenn ein bestimmter Anteil der Anfangspulsweite benötigt wird, um die Komponenten auf Heiz-Temperatur zu halten.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das anhand der Zeichnung eingehend erläutert wird.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines elektromagnetischen Injektors, wie er zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird,
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2 ein Diagramm zur Bestromung der Magnetspule und
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3 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die dargestellte Einspritzdüse ist als elektromagnetischer Injektor 1 ausgebildet. In dem Injektor 1 ist eine Anzahl von Hohlräumen vorgesehen, die alle miteinander in Verbindung stehen. Der Leckageraum 4 ist direkt an den Rücklauf 7 in den Kraftstofftank oder andere niederdruckführende Leitungen angeschlossen. Unterhalb des Leckageraums 4 befindet sich der Ventilsteuerraum 5. Dieser ist über die Ablaufdrossel 2 mit dem Leckageraum 4. verbunden.
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Über die Zulaufdrossel 3 ist der Ventilsteuerraum 5 an den Hochdruckzulauf 8 angeschlossen. Ebenfalls steht mit dem Hochdruckzulauf 8 das Kammervolumen 6 in Verbindung.
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Bei geöffnetem Injektor 1 wird der Inhalt des Kammervolumens 6 über die Spritzlöcher 9 in den hier nicht dargestellten Brennraum eingespritzt. Der Hohlraum um die Düsenfeder 10, der sich mit Leckagekraftstoff aus dem Kammervolumen 6 und dem Ventilsteuerraum 5 füllt, ist über eine Bohrung ebenfalls an den Leckageraum 4 angeschlossen.
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In dem Leckageraum 4 befindet sich ein elektromagnetisches Ventil zum Verschließen der Ablaufdrossel 2. Dieses elektromagnetische Ventil weist eine Magnetspule 13, einen topfförmigen Spulenkern 20, eine Ventilfeder 12, eine Ankerfeder 11 und den Anker 15 auf. An der unteren Platte des Ankers 15 ist die Ventilkugel 16 zum Verschließen der Ablaufdrossel 2 angebracht. Die Ablaufdrossel 2 bildet zusammen mit dem elektromagnetischen Ventil ein Ablaufventil. Die Magnetspule 13 ist mit der Anschlussbuchse 14 verbunden. Über die Anschlussbuchse 14 wird ein elektrisches Steuergerät angeschlossen, mit dem die zum ordnungsgemäßen Betrieb des Injektors 1 notwendigen elektrischen Impulse erzeugt werden.
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Im unteren Bereich des Injektors 1 befindet sich die Düsennadel 19, mit der das Kammervolumen 6 gegen die Spritzlöcher 9 verschlossen wird. Nach oben setzt sich die Düsennadel 19 über die Druckschulter 18 in den Steuerkolben 17 fort. Die obere Stirnfläche des Steuerkolbens 17 bildet die untere Begrenzungswand des Ventilsteuerraumes 5.
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In der gezeigten Darstellung befindet sich der Injektor 1 in geschlossenem Zustand. Dabei ist die Magnetspule 13 nicht bestromt und die Ventilfeder 12 drückt den Anker 15 in seine unterste Stellung. Die Ventilkugel 16 verschließt dabei die Ablaufdrossel 2. Über den Hochdruckzulauf 8 und die Zulaufdrossel 3 herrscht in dem Ventilsteuerraum 5 der auch am Hochdruckzulauf 8 anliegende Druck. Dieser Druck wirkt folglich auch auf die obere Stirnfläche des Steuerkolbens 17.
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Der gleiche Druck herrscht in dem Kammervolumen 6. Hier wirkt der Druck des Kraftstoffs auf die Druckschulter 18. Da deren in Achsrichtung der Düsennadel 19 projizierte Fläche kleiner ist als die Stirnfläche des Steuerkolbens 17, ist die Druckkraft auf die Druckschulter 18 in Öffnungsrichtung kleiner als die Druckkraft auf den Steuerkolben 17 in Schließrichtung. In Schließrichtung wirkt zusätzlich die Kraft der Düsenfeder 10. Hierdurch wirkt eine resultierende Kraft, welche die Düsennadel 19 in geschlossener Stellung hält.
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Soll nun Kraftstoff in den hier nicht dargestellten Brennraum über die Spritzlöcher 9 eingespritzt werden, wird die Magnetspule 13 entsprechend bestromt. Dabei wird die obere Platte des Ankers 15 von der Magnetspule 13 und dem das Magnetfeld verstärkenden Spulenkern 20 angezogen, wobei sich der Anker 15 gegen die Kraft der Ventilfeder 12 hebt.
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Die Ventilkugel 16 hebt von der Ablaufdrossel 2 ab und gibt die Verbindung zwischen dem Ventilsteuerraum 5 und dem Leckageraum 4 frei. Es kann nun Kraftstoff aus dem Ventilsteuerraum 5 austreten, wodurch der hohe Druck in diesem Raum nachlässt. Dadurch verändert sich das Verhältnis der auf den Steuerkolben 17 wirkenden Kräfte. Da der Druck auf die Druckschulter 18 unverändert bleibt, sich aber der Druck auf die obere Stirnfläche des Steuerkolbens 17 verringert, bewegt sich die Düsennadel 19 nach oben und gibt die Spritzlöcher 9 frei.
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Zum Schließen des Injektors 1 wird die Magnetspule 13 wieder stromlos geschaltet. Die Ventilfeder 12 drückt nun den Anker 15 wieder in seine untere Stellung, in der die Ventilkugel 16 die Ablaufdrossel 2 verschließt. Über die Zulaufdrossel 3 baut sich im Ventilsteuerraum 5 sehr schnell wieder der an dem Hochdruckzulauf 8 anliegende Druck auf. Der Steuerkolben 17 und die damit verbundene Düsennadel 19 werden wieder nach unten gedrückt und verschließen die Spritzlöcher 9. Damit kann kein Kraftstoff aus dem Kammervolumen 6 mehr in den Brennraum austreten.
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Nach einer längeren Betriebspause bei geringer Umgebungstemperatur kühlt auch der Kraftstoff in den miteinander in Verbindung stehenden Hohlräumen des Injektors 1 ab. Abhängig von der verwendeten Kraftstoffart kann dessen Viskosität ansteigen. Dies gilt. insbesondere wenn als Kraftstoff Pflanzenöl verwendet wird. Diese zähe Flüssigkeit würde die Bewegung des Ankers 15 behindern, der das Ablaufventil 2, 16 zwischen dem Ventilsteuerraum 5 und dem Leckageraum 4 betätigt und damit den Servomechanismus zur Steuerung des Injektors 1 blockieren. Ein Einspritzvorgang könnte dadurch unmöglich werden, oder zumindest stark behindert werden.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Magnetspule 13 vor dem Starten einer kalten Brennkraftmaschine mit einem Wechselstrom beschickt. Durch den Wechselstrom wird ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches in elektrisch leitfähigen Materialien einen Wirbelstrom induziert. Hiervon sind insbesondere der topfförmige Spulenkern 20 und der Anker 15 betroffen. Diese Komponenten werden durch die Verluste des induzierten Wirbelstroms erhitzt. Da diese Komponenten von dem Kraftstoff im Leckageraum 4 umgeben sind, wird die erzeugte Wärmeenergie ebenso an den Kraftstoff weitergeleitet, so dass auch dieser erwärmt wird.
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Diejenige Temperatur, auf die die Komponenten aufgeheizt werden können, ohne dabei beschädigt zu werden, und ohne Ablagerungsbildung aus dem Kraftstoff zu verursachen, wird hier als Heiz-Temperatur bezeichnet. Diese Heiz-Temperatur ist von dem Kraftstoff und von den Komponenten selbst abhängig. Es kann aber auch fester Wert in der Steuerung hinterlegt werden, der für die Verwendung aller bekannten Kraftstoffe passt.
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Wenn die Brennkraftmaschine nur mit einer Kraftstoffart betrieben werden soll, ist die Start-Temperatur konstant. Der Wert kann in diesem Fall als fester Wert in der Steuerung hinterlegt werden.
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Die Steuerung des Heizvorgangs kann von dem vorhandenen Motor-Management-System übernommen werden. Es ist aber genauso möglich eine separate Steuerung zu verwenden, die idealerweise mit dem Motor-Management-System in Verbindung steht. Um eine gegenseitige Störung der beiden Steuerungen zu vermeiden, sollte in diesem Fall die Magnetspule während des Heizvorgangs von dem Motor-Management-System abgekoppelt werden. Zum Starten der Brennkraftmaschine muss dann die Heiz-Steuerung entkoppelt und die Magnetspule wieder mit dem Motor-Management-System verbunden werden.
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3 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens als Flussdiagramm. Bei dem Ausführungsbeispiel wurde ein hoher Automatisierungsgrad angenommen, so dass eine Bedienperson praktisch keine eigenen Entscheidungen treffen muss. Selbstverständlich ist aber auch ein geringerer Automatisierungsgrad möglich.
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Für den Startvorgang einer dieselmotorischen Brennkraftmaschine sind mehrere Parameter entscheidend. Bei einer Brennkraftmaschine, die mit unterschiedlichen Kraftstoffen betrieben werden kann, ist es aufgrund der sehr unterschiedlichen Kraftstoffeigenschaften von Bedeutung, welcher Kraftstoff gerade verwendet wird. Da sich die Kraftstoffe gerade in ihrem Verhalten bei niedrigen Temperaturen unterscheiden, ist die vorherrschende Außentemperatur genauso wichtig, wie der Umstand, ob die Brennkraftmaschine erst vor kurzer Zeit abgestellt wurde. Die Außentemperatur und die seit dem Abstellen vergangene Zeit spiegeln sich in Zusammenschau in der Motortemperatur wider.
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Es wird deshalb in einem ersten Schritt 21 die Motortemperatur abgefragt. Das kann beispielsweise über die Ermittlung der Kühlwassertemperatur erfolgen. Diese Temperatur ist mitentscheidend dafür, ob ein Motor sofort gestartet werden kann, oder ob vor dem Startvorgang noch Maßnahmen durchgeführt werden müssen.
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In Schritt 22 wird ermittelt, welcher Kraftstoff verwendet wird. Dies kann beispielsweise über einen speziellen Kraftstoffsensor erfolgen. Es ist aber auch möglich, eine Eingabe der Bedienperson anzufordern oder beim Betanken die Kraftstoffart in der Steuerung zu hinterlegen. Sollte die Brennkraftmaschine nur mit einer Kraftstoffart zu betreiben sein, kann dieser Schritt entfallen.
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In der Steuerung ist für jede Kraftstoffart eine Start-Temperatur hinterlegt. Das ist eine Temperatur, bei der die Brennkraftmaschine gestartet werden kann, ohne dass weitere Maßnahmen vor dem Startvorgang durchgeführt werden müssen. Wird die Brennkraftmaschine nur mit einem Kraftstoff betrieben, ist auch nur eine Start-Temperatur hinterlegt. Die Start-Temperatur wird in Schritt 23 von der Steuerung abgefragt.
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In Schritt 24 findet ein Vergleich zwischen der Motortemperatur und der abgefragten Start-Temperatur statt. Dabei wird überprüft ob die Motortemperatur größer oder gleich der Start-Temperatur ist. Wenn dies zutrifft, sind die Startbedingungen gegeben und es kann zu Schritt 29 gesprungen werden. Hier kann beispielsweise eine entsprechende Anzeige aktiviert werden, die der Bedienperson signalisiert, dass der Startvorgang durchgeführt werden kann.
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Sollte die Motortemperatur aber unterhalb der ermittelten Start-Temperatur liegen, muss der Leckageraum 4 beheizt werden, damit eine ungehinderte und schnelle Bewegung des Ankers 15 möglich ist. Die Magnetspule 13 soll deshalb mit einem sinusförmigen Wechselstrom beschickt werden. Die Einschaltdauer des Wechselstroms wird über eine Pulsweitenmodulation geregelt.
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Ein Diagramm zu einer vorteilhaften Bestromung der Magnetspule 13 ist in 2 gezeigt. In dem dargestellten ersten Puls 30 und dem zweiten Puls 31 ist der zugrunde liegende Wechselstrom als sinusförmige Kurve angedeutet. Der Wechselstrom besitzt vorteilhaft ein Frequenz zwischen 10 und 400 kHz. Unterhalb von 10 kHz müsste mit einer zu hohen Stromstärke gearbeitet werden, um die benötigte Heizleistung generieren zu können. Oberhalb von 400 kHz könnte die Isolierung der Spule leiden. Eine Frequenz von 100 kHz hat sich als besonders geeignet erwiesen. Bei dieser Frequenz besitzt die generierte Heizleistung die erforderliche Größe und auch die Eindringtiefe des Wechselmagnetfeldes in das Material der Komponenten 15, 20 ist noch so groß, dass die Komponenten nicht nur an ihrer Oberfläche erhitzt werden und eine lokale Überhitzung zu befürchten wäre.
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Die in 2 dargestellte Periodendauer beträgt vier Sekunden. Für die Einschaltzeit, bzw. die Pulsweite stehen drei Sekunden zur Verfügung, die sowohl für den ersten 30, als auch für den zweiten Puls 31 voll ausgenützt sind. Die Pause 32 zwischen den einzelnen Pulsen 30, 31 ist immer mit wenigstens einer Sekunde angesetzt. Wenn die Pulsweite reduziert wird, verlängert sich automatisch die Pause 32, so dass die Periodendauer von vier Sekunden unverändert bleibt und sich so auch die Puls-Frequenz von 0,25 Hz nicht ändert.
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In Schritt 25 wird nun zuerst eine Messung des elektrischen Widerstands der Magnetspule 13 durchgeführt. Da die Magnetspule 13 durch ihre Anordnung innerhalb des topfförmigen Spulenkerns 20 sehr schnell dieselbe Temperatur annimmt, lässt sich die Temperatur des Spulenkerns 20 in einfacher Weise über den elektrischen Widerstand der Magnetspule 13 bestimmen. Der elektrische Widerstand von metallischen Leitern in dem betrachteten Temperaturbereich hängt näherungsweise linear von der Temperatur des elektrischen Leiters ab. So erhöht sich der Widerstand bei Kupfer um etwa 40% des Ausgangswertes wenn die Temperatur um 100 K ansteigt.
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Ist die Temperatur der Magnetspule und damit die Temperatur der eigentlichen Heizelemente, insbesondere des Spulenkerns 20 und des Ankers 15 bekannt, so kann in Schritt 26 die Pulsweite festgelegt werden.
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In der Steuerung ist ein Heiz-Temperatur-Schwellwert hinterlegt, der von Material und Beschichtung der Magnetspule 13, insbesondere aber des Ankers 15 und des Spulenkerns 20, aber ebenso vom Kraftstoff abhängt. Der Heiz-Temperatur-Schwellwert ist so gewählt, dass sich an diesen Teilen weder Ablagerungen bilden, noch diese Teile beschädigt werden können, wenn sie sich auf einer Temperatur innerhalb innerhalb des Heiz-Temperatur-Bereichs befinden. Der Heiz-Temperatur-Schwellwert kann sowohl für unterschiedliche Kraftstoffe als auch für verschiedene Injektoren in etwa auf einen festen Wert gesetzt werden. Bei der Festlegung der Pulsweite in Schritt 26 wird nun überprüft, wie weit die über den elektrischen Widerstand der Magnetspule 13 bestimmte Temperatur, insbesondere des Spulenkerns 20, von dem festgelegten Heiz-Temperatur-Schwellwert entfernt ist. Liegt die ermittelte Temperatur noch weit unterhalb der Heiz-Temperatur, wird die maximale Pulsweite von drei Sekunden (siehe 2) gewählt, um die Komponenten 15, 20 möglichst schnell nahe an die Heiz-Temperatur heran zu bringen.
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In Schritt 27 wird nun überprüft, ob der Kraftstoff in dem Leckageraum 4 bereits die Start-Temperatur erreicht hat. Auf diesen Prozess wird später detailliert eingegangen. Zum jetzigen Zeitpunkt kann die Start-Temperatur noch nicht erreicht sein, da bisher noch kein Heizstrom geflossen ist.
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Es wird deshalb auf Schritt 28 gesprungen und der in 2 gezeigte Puls 30, 31 mit einer Einschaltzeit von drei Sekunden und die darauf folgende Pause 32 von einer Sekunde werden an die Magnetspule 13 gesendet. Durch den Wechselstrom baut die Magnetspule 13 ein magnetisches Wechselfeld auf, welches in dem topfförmigen Spulenkern 20 und in dem Anker 15 Wirbelströme induziert. Dadurch werden sowohl der Anker 15, als auch der Spulenkern 20 erwärmt. Weil die Magnetspule 13 fast vollständig von dem Spulenkern 20 eingeschlossen ist, überträgt sich dessen Temperatur sehr schnell auf die Magnetspule 13 und beide Komponenten liegen praktisch auf dem gleichen Temperaturniveau.
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Es wird nun wieder zu Schritt 25 zurück gesprungen. Dort werden eine neuerliche Messung des elektrischen Widerstands der Magnetspule 13 und eine Bestimmung der Temperatur der Komponenten 15, 20 durchgeführt. Nach der Sendung des ersten Pulses wird die Temperatur im Regelfall immer noch unter der Heiz-Temperatur liegen. Es wird deshalb in Schritt 26 wieder die gleiche Pulsweite, also wieder eine Periode mit einer Einschaltzeit von drei Sekunden und einer Pause von einer Sekunde, festgelegt.
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Diese Schleife aus den Schritten 25 bis 28 wird solange durchlaufen bis die über den Widerstand bestimmte Temperatur einen Schaltwert überschreitet, der eine bestimmte Differenz zu dem Heiz-Temperatur-Schwellwert aufweist. Der Anker 15 und der Spulenkern 20 befinden sich nun auf einer Temperatur, die eine schnelle Aufheizung des Kraftstoffs im Leckageraum 4 gewährleistet, die aber noch keinen Schaden an den Teilen verursacht.
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Ab diesem Zeitpunkt muss in den Komponenten 15, 20 nur noch in dem Maß Wärme erzeugt werden, wie sie die Teile 15, 20 an den Kraftstoff in dem Leckageraum 14 abgeben, die Temperatur der Teile 15, 20 selbst muss dagegen jetzt nicht mehr erhöht werden. Es wird daher ab diesem Zeitpunkt weniger Heizleistung benötigt.
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In Schritt 26 wird die Pulsweite deshalb nun reduziert. Dabei wird beispielsweise die Einschaltzeit auf zweieinhalb Sekunden begrenzt, während die Pause auf eineinhalb Sekunden verlängert wird. Die Reduzierung der Pulsweite ist aber abhängig von der Größe der Überschreitung des Schaltwerts.
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So wird bei einer ermittelten Temperatur, die den Schaltwert nur wenig überschreitet, nur eine geringe Reduzierung der Pulsweite vorgenommen. Wird der Schaltwert dagegen erheblich überschritten und die ermittelte Temperatur erreicht fast den Heiz-Temperatur-Schwellwert, fällt die Reduzierung der Pulsweite größer aus.
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Je weiter sich der Kraftstoff in dem Leckageraum 4 erwärmt, desto geringer wird der Temperaturunterschied zwischen dem Kraftstoff und dem Spulenkern 20 bzw. dem Anker 15. Der Wärmeübergang von diesen Teilen auf den Kraftstoff geht daher langsamer von statten.
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Da die erzeugte Wärme also nicht mehr so schnell an den Kraftstoff abgeführt werden kann, wird sich die Temperatur von Anker 15 und Spulenkern 20 erhöhen. Bevor sie den Heiz-Temperatur-Schwellwert erreicht, wird die Pulsweite weiter reduziert, um die Wärmeerzeugung an die verringerte Wärmeabgabe an den Kraftstoff anzupassen.
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Es kann ebenso vorkommen, dass bei einer Messung in Schritt 25 festgestellt wird, dass der Heiz-Temperatur-Schwellwert bereits überschritten wurde. In diesem Fall ist es sinnvoll, die Pulsweite in Schritt 26 um einen größeren Betrag zu reduzieren, um die Temperatur der Komponenten 15, 20 wieder unter die kritische Heiz-Temperatur abzusenken.
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Es ist aber genauso möglich, dass nach einer größeren Reduzierung der Pulsweite in Schritt 26, bei der nächsten Messung in Schritt 25 eine Temperatur ermittelt wird, die zu weit unter dem Heiz Temperatur-Schwellwert, unter Umständen sogar unter dem Schaltwert liegt. In diesem Fall wird die Pulsweite in Schritt 26 wieder verlängert.
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Durch die Schleife mit den Schritten 25 bis 29 wird folglich eine Regelung erreicht, mit der die Komponenten 15, 20 immer nahe an dem Heiz-Temperatur-Schwellwert gehalten werden. Ein Überschreiten der Heiz-Temperatur ist nur für einen kurzen Zeitraum möglich, in dem sich noch keine negative Auswirkung auf die Beschaffenheit der nur kurzzeitig überhitzten Teile ergeben kann. Es ist somit ein möglichst schnelles Erreichen der Start-Temperatur gewährleistet, ohne dass dabei Beschädigungen zu befürchten sind.
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Je weiter der Kraftstoff in dem Leckageraum 4 erwärmt wird, umso weiter muss die Pulsweite reduziert werden, damit Anker 15 und Spulenkern 20 die Heiz-Temperatur nicht überschreiten. Wenn der Kraftstoff die Start-Temperatur erreicht hat, besteht zwischen der Temperatur des Kraftstoffs im Leckageraum 4 und der Temperatur von Anker 15 und Spulenkern 20 eine bekannte Differenz. Es kann jetzt nur noch wenig Wärme an den Kraftstoff übertragen werden. Um Anker 15 und Spulenkern 20 nicht auf eine Temperatur oberhalb der Heiz-Temperatur aufzuheizen, muss die Pulsweite auf ein Minimum reduziert werden.
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Die aktuelle, in Schritt 26 festgelegte Pulsweite, die über die in Schritt 25 durchgeführte Messung ermittelt wurde, kann daher als Maß dafür verwendet werden, wie weit die Temperatur des Kraftstoffs noch von der Start-Temperatur entfernt ist, oder ob der Kraftstoff die Starttemperatur bereits erreicht hat. Die Überprüfung findet jeweils in Schritt 27 statt. Es wird also nach jeder Festlegung der Pulsweite überprüft, ob bereits die minimale, der Start-Temperatur zugeordnete Pulsweite erreicht ist.
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Damit nicht bei einer nur vorrübergehenden, einmaligen Reduzierung der Einschaltzeit auf die minimale Pulsweite, beispielsweise aufgrund eines Überschwingers, fälschlicherweise auf das Erreichen der Start-Temperatur geschlossen wird, kann in die Regelung noch ein Zähler eingebaut werden. Hierdurch lässt sich die Sicherheit erhöhen. Es besteht dann die Möglichkeit, dass beispielsweise erst dann auf das Erreichen der Start-Temperatur geschlossen wird, wenn bei zwei hintereinander liegenden Durchlaufen der Schleife die jeweils minimale Pulsweite festgelegt wurde.
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Wenn in Schritt 27 darauf geschlossen wird, dass die Start-Temperatur erreicht ist, wird auf Schritt 29 weitergeschaltet und es wird der Bedienperson die Startbereitschaft signalisiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Injektor
- 2
- Ablaufdrossel
- 3
- Zulaufdrossel
- 4
- Leckageraum
- 5
- Ventilsteuerraum
- 6
- Kammervolumen
- 7
- Rücklauf
- 8
- Hochdruckzulauf
- 9
- Spritzlöcher
- 10
- Düsenfeder
- 11
- Ankerfeder
- 12
- Ventilfeder
- 13
- Magnetspule
- 14
- Anschlussbuchse
- 15
- Anker
- 16
- Ventilkugel
- 17
- Steuerkolben
- 18
- Druckschulter
- 19
- Düsennadel
- 20
- Spulenkern
- 21
- Abfrage der Motortemperatur
- 22
- Bestimmung der Kraftstoffart
- 23
- Abfrage der Start-Temperatur
- 24
- Vergleich zwischen Motortemperatur und Start-Temperatur
- 25
- Temperatur ermitteln
- 26
- Pulsweite festlegen
- 27
- Ermittlung, ob Start-Temperatur erreicht ist
- 28
- Puls an Magnetspule senden
- 29
- Signalisieren der Startbereitschaft
- 30
- erster Puls
- 31
- zweiter Puls
- 32
- Pause
