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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors mit angeschlossenem Drucklufttank.
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Der Anschluss eines Drucklufttanks direkt an die Brennkammern der Zylinder eines Verbrennungsmotors mittels zusätzlicher Ladeventile ist aus der
WO 2009/036992 A1 und der
WO 2011/015336 A1 bekannt. Des Weiteren wird auf den Artikel
„Das Downsizing-Boost-Konzept auf Basis der pneumatischen Hybridisierung von Ottomotoren" von L. Guzella et al. in der MTZ Motortechnische Zeitschrift, Ausgabe 01/2010, Seiten 52 bis 58 verwiesen. Die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2012 212 048.3 , die hiermit vollumfänglich einbezogen wird, beschreibt einen hub- und phasenvariablen Ventiltrieb für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, der für die Betätigung von Ladeventilen für Druckluft aus einem Drucklufttank geeignet ist.
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Zum Starten eines Verbrennungsmotors ist bei Kraftfahrzeugen in der Regel ein Anlasser mit einem Elektromotor und einem auf der Starterwelle verschiebbaren Ritzel vorgesehen. Die Entwicklung von Anlassern ist aufwendig, und die benötigten Bauteile sind relativ teuer. Dies trifft auch auf die bislang verfügbaren Motor-Start-Stop-Automatiken zu, z. B. solche mit einem Starter-Generator im Riementrieb. Anlasser-gestützte Startvorgänge sind zudem langsam und belasten das Bordnetz stark, sodass einige Hersteller sogar eine zweite Fahrzeugbatterie einsetzen.
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Grundsätzlich wäre bei Verbrennungsmotoren ein sogenannter Direktstart wünschenswert, bei dem der stillstehende Motor – ohne Unterstützung eines Anlasser-typischen Elektromotors – ausschließlich mit Hilfe von Verbrennungsenergie gestartet wird. Wie z. B. in U. Kramer, „Potentialanalyse des Direktstarts für den Einsatz in einem Stopp-Start-System an einem Ottomotor mit strahlgeführter Benzin-Direkteinspritzung unter besonderer Berücksichtigung des Motorauslaufvorgangs", Fakultät Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenwesen, Campus Essen der Universität Duisburg, Dissertation, 2005 erläutert, muss für einen Direktstart bei einem herkömmlichen reinen Verbrennungsmotor (ohne angeschlossenen Drucklufttank) Kraftstoff direkt in den Brennraum eines Zylinders eingespritzt werden, um ein zündfähiges Gemisch zu erzeugen, dessen Verbrennung dann den Startvorgang einleitet. Damit ein Direktstart gelingt, muss sich die Kurbelwelle bezüglich eines Zylinders innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs nach dem oberen Totpunkt zwischen Verdichtungs- und Arbeitstakt (Zünd-OT, kurz: ZOT) stehen, d. h. vereinfacht ausgedrückt: wenigstens ein Zylinderkolben muss sich in einer Position befinden, der dem Beginn des Arbeitstakts entspricht.
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Es besteht aber die grundsätzliche Schwierigkeit, den Motor so auslaufen zu lassen, dass er am Ende die angestrebte Vorzugsposition einnimmt, in der einer der Zylinderkolben in der Position „kurz nach ZOT” steht. Außerdem sind Fahrzeugbewegungen nach dem Abstellen des Motors im eingekuppelten Zustand zu berücksichtigen, bei denen sich die Kolbenposition nochmals ändert. Je weniger Zylinder ein Motor hat, desto schwieriger ist es, diese Voraussetzung für einen Direktstart zu erfüllen.
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Es gibt aber noch weitere Schwierigkeiten, die zu berücksichtigen sind. So baut sich dem Abstellen des Motors der Druck in den Zylindern (zum großen Teil komprimierte Luft) allmählich ab. Es wird jedoch eine bestimmte Menge Luft benötigt, um den einzuspritzenden Kraftstoff zu verbrennen. Dementsprechend würde also selbst bei optimaler Kolbenposition ein Direktstart nur dann gelingen, wenn das Abstellen des Motors noch nicht zu lange zurückliegt. Außerdem spielt die Temperatur eine nicht unwesentliche Rolle. Wenn der Motor sehr warm ist, ist die Füllung der Zylinder eher gering, was die Direktstartfähigkeit des Motors beeinträchtigt.
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Im Falle eines Verbrennungsmotors mit angeschlossenem Drucktank ist grundsätzlich auch ein rein pneumatischer Start (Druckluftstart) möglich. Beim Druckluftstart wird der Motor bis zum Erreichen der erforderlichen Drehzahl alleine angetrieben durch gezieltes Einströmen von Druckluft aus dem Drucklufttank in eine Brennkammer eines Zylinders mittels eines Ladeventils. Wesentliche Voraussetzung für einen Druckluftstart ist aber wiederum, dass sich der Motor vor dem Start in der Vorzugsposition (ein Zylinderkolben kurz nach ZOT) steht.
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Eine praktikable Alternative zu einem reinen Direktstart oder Druckluftstart ist ein Anlasser-unterstützter Direkt- bzw. Druckluftstart, bei dem der Anlasser dazu benutzt wird, die Kurbelwelle über den ZOT zu drehen. Wenn die absolute Winkellage der Kurbelwelle und der Phasenlage der Nockenwelle bekannt sind, kann dann direkt in den ersten Verdichtungstakt eingespritzt und beim Überschreiten des ZOT fremd- bzw. selbstgezündet werden. Danach wird der Motor sukzessive durch Einspritz- und ggf. Zündsequenzen bis zur Leerlaufdrehzahl beschleunigt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Start eines Verbrennungsmotors mit angeschlossenem Drucklufttank zu verbessern.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst das Verfahren zum Starten eines Viertakt-Verbrennungsmotors mit mehreren Zylindern, an deren Brennkammern wenigstens ein Drucklufttank direkt über steuerbare Ladeventile angeschlossen ist, folgende Schritte:
- – Überführen des Motors in eine Vorzugsposition, in der wenigstens ein erster Kolben eines ersten Zylinders eine Position kurz nach dem Zünd-OT einnimmt; und
- – Antreiben des ersten Kolbens durch Zufuhr von Druckluft aus dem Drucklufttank in die Brennkammer des Zylinders.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst das Verfahren zum Starten eines Viertakt-Verbrennungsmotors mit mehreren Zylindern, an deren Brennkammern wenigstens ein Drucklufttank direkt über steuerbare Ladeventile angeschlossen ist, folgende Schritte:
- – Überführen des Motors in eine Vorzugsposition, in der wenigstens ein erster Kolben eines ersten Zylinders eine Position kurz nach dem Zünd-OT einnimmt, wobei zum Überführen des Motors in die Vorzugsposition Druckluft aus dem Drucklufttank in die Brennkammer eines Zylinders zugeführt wird; und
- – Antreiben des ersten Kolbens durch Kraftstoffeinspritzung in die Brennkammer des Zylinders und Zündung oder durch Zufuhr von Druckluft aus dem Drucklufttank in die Brennkammer des Zylinders.
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Der erfindungsgemäße „direkte” Anschluss der Zylindern-Brennkammern an einen Drucklufttank über steuerbare Ladeventile ist abzugrenzen von Systemen, bei denen Druckluft z. B. in das Ansaugrohr des Motors eingebracht wird. Für die Funktionalitäten, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Starten eines Viertakt-Verbrennungsmotors erreicht werden sollen, ist der direkte Anschluss eine zwingende Voraussetzung.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die im Drucklufttank gespeicherte Druckluft vorteilhaft für einen schnellen, effizienten Start eines Verbrennungsmotors genutzt werden kann. Dabei kann die Druckluft für das Überführen des Motors in die Vorzugsposition (erster Aspekt der Erfindung) und/oder für den eigentlichen Antrieb eines Kolbens beim Startvorgang (zweiter Aspekt der Erfindung) eingesetzt werden.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren ist ein konventionelles Startsystem (Ritzelstarter und/oder Starter-Generator) entweder gar nicht mehr oder nur zur Unterstützung notwendig, um einen Kolben über den ZOT zu heben und ggf., um einen Notstart zu ermöglichen. In letzterem Fall sind die Anforderungen an ein solches Startsystem im Vergleich zu herkömmlichen Startverfahren deutlich reduziert. Da gemäß der Erfindung zumindest der wesentliche Teil des Startvorgangs nicht mithilfe eines Elektromotors durchgeführt wird, sorgt dies für eine erhebliche Entlastung des Bordnetzes. Deshalb sind besondere Maßnahmen, wie etwa das Vorsehen einer zweiten Fahrzeugbatterie zur Sicherung des Startvorgangs, nicht notwendig.
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Um für die startrelevanten Prozesse eine bedarfsgerechte Einstellung der in die Zylinderbrennkammern einzuführenden Druckluft zu ermöglichen, werden die Ladeventile am besten über einen hubvariablen Ventiltrieb betätigt. Dabei kann für die Ladeventile eine von den nockenwellengesteuerten Ein- und Auslassventilen unabhängige, separate Betätigung vorgesehen sein. Aus Kostengründen wird jedoch ein nockenwellenbasierter Ventiltrieb bevorzugt, was nach den Erkenntnissen gemäß der
DE 10 2012 212 048.3 möglich ist.
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Eine Mehrzahl von Profilen für die Betätigung der Ladeventile lässt sich nur erreichen, wenn der Betätigungszeitpunkt bzw. die Betätigungsdauer verändert werden können. Für diesen Zweck sieht die Erfindung Nockenwellenversteller zur Einstellung der Phasen der Ladeventilbetätigungen vor.
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Das Überführen des Motors in die Vorzugsposition für den Motorstart kann bereits beim vorhergehenden Abstellen des Motors erfolgen.
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Für diesen Fall sieht die Erfindung ein gezieltes Abbremsen des Motors vor, indem während der (einen oder mehreren) letzten Motorumdrehungen bei wenigstens einem Zylinder das Ladeventil während des Verdichtungstakts geöffnet und entweder noch während des Verdichtungstakts oder kurz danach geschlossen wird.
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Es ist auch möglich, den Motor erst nach dem Abstellen in die Vorzugsposition zu überführen.
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In diesem Fall kann bei stillstehendem und ausgekuppeltem Motor der Brennkammer eines zweiten Zylinders, dessen Kolben sich im Verdichtungstakt befindet, Druckluft aus dem Drucklufttank zugeführt werden. Dadurch wird der zweite Zylinder zwar in Rückwärtsdrehrichtung des Motors angetrieben, was aber dazu führt, dass der erste Zylinder in die Position „kurz nach ZOT” geschoben wird. Somit kann dann der erste Zylinder entweder durch Kraftstoffeinspritzung und Zündung oder, falls kein zündfähiges Gemisch im Brennraum vorliegt, durch Druckluftzufuhr aus dem Drucklufttank in Vorwärtsdrehrichtung des Motors angetrieben werden.
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In jedem Fall ist es möglich, das Überführen des Motors in die Vorzugsposition unterstützend oder ausschließlich von einem konventionellen Startsystem, wie etwa einem Ritzelstarter und/oder Starter-Generator durchführen zu lassen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 einen schematischen Aufbau eines Verbrennungsmotors mit angeschlossenem Drucklufttank;
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2 ein Diagramm zur Darstellung von mit dem Ventiltrieb des Verbrennungsmotors realisierten Ventilhüben (mit Abstufungen); und
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3 ein Diagramm zur Darstellung der Kolbenpositionen in Abhängigkeit der Winkellage der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors.
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In 1 ist ein aufgeladener Viertakt-Kolbenmotor mit folgenden allgemein bekannten Komponenten dargestellt:
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Luftfilter 10, Turbolader 12, Ansaugrohr 14, Drosselklappe 16, Ladeluftkühler 18, Ansaugkrümmer 20, Zylinder 22, Einlassventile 24, Benzindirekteinspritzung 26, zündfunkengenerierende Einheiten 28 (entfallen bei Selbstzünder-Motoren), Auslassventile 30, Abgaskrümmer 32, Wastegate 34, Katalysator 36. Die Einlassventile 24 werden über eine mit einer gemeinsamen Kurbelwelle wirkverbundene Nockenwelle angesteuert, sodass alle Einlassventile 24 pro zwei Umdrehungen der Kurbelwelle genau einen Öffnungs- und Schließvorgang durchführen.
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Zusätzlich ist ein Druckluftventilsystem mit einem Drucklufttank 38 vorgesehen, der über Ladeventile 40 direkt mit den Brennkammern der Zylinder 22 verbunden ist. Der Drucklufttank 38 kann in einem speziellen Pumpbetrieb des Motors und – alternativ oder zusätzlich – mithilfe eines Kompressors befüllt werden, der über eine elektronisch schaltbare Kupplung mit der Kurbelwelle des Motors verbunden ist und Umgebungsluft über einen Filter ansaugt.
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Die Betätigung der Ladeventile
40 erfolgt über einen hubvariablen Ventiltrieb, vorzugsweise über einen Ventiltrieb, wie er in der vollumfänglich einbezogenen deutschen Patentanmeldung
DE 10 2012 212 048.3 gezeigt ist. Bei diesem Ventiltrieb werden die Ladeventile
40 nicht separat, wie etwa über einen elektromagnetischen Ventiltrieb, sondern jeweils von einem Nocken einer mit der Kurbelwelle wirkverbundenen Nockenwelle angetrieben. Vorzugsweise teilen sich die Ladeventile
40 und die Einlassventile
24 eine Nockenwelle. Grundsätzlich können auch noch die Auslassventile
30 mit derselben Nockenwelle angetrieben werden. Es sind aber auch andere Aufteilungen der Ventile
40,
24 und
30 auf zwei oder sogar drei Nockenwellen möglich. Ein spezieller Mechanismus des Ventiltriebs ermöglicht die Einstellung des Ventilhubs innerhalb eines relativ breiten Spektrums. Zur Phasenverschiebung, d. h. zur Verstellung der Winkellage der den Ladeventilen
40 zugeordneten Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle, kann der Ventiltrieb optional mit zusätzlichen Nockenwellenverstellern kombiniert werden, z. B. mit sogenannten VANOS-Einheiten.
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Der beschriebene Motoraufbau mit dem Druckluftventilsystem und dem hubvariablen Ventiltrieb ermöglicht einen rein pneumatischen Start ebenso wie einen Druckluft-unterstützten Direktstart des Motors. Die Ladeventile 40 können in einem Boost-, einem Pump- oder einem pneumatischen Startprofil betrieben werden. Die mit dem Ventiltrieb realisierten Ventilhübe sind in 2 veranschaulicht.
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Für die Durchführung eines Direktstarts bzw. eines pneumatischen Starts ist es erforderlich, dass wenigstens ein Kolben eines Zylinders 22 des Verbrennungsmotors eine Position kurz nach dem ZOT einnimmt.
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Erreichen der Motor-Vorzugsposition beim Abstellen des Motors
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Die Vorzugsposition kann beim Abstellen des Motors erreicht werden, indem während der (einen oder mehreren) letzten Motorumdrehungen das Druckluftventilsystem derart aktiviert wird, dass bei einem oder mehreren Zylindern
22 jeweils das Ladeventil
40 während des Verdichtungstakts geöffnet und entweder noch während des Verdichtungstakts oder kurz danach (kurz nach dem ZOT) wieder geschlossen wird. In ersterem Fall kann das Ladeventil
40 entweder in einer frühen oder einer späten Phase des Verdichtungstaktes geschlossen werden, sodass entweder ausschließlich Druckluft aus dem Drucklufttank
38 in den Zylinder
22 strömt oder zunächst Druckluft aus dem Drucklufttank
38 in den Zylinder
22 strömt und im weiteren Verlauf des Verdichtungstakts wieder in den Drucklufttank
38 gepresst wird. Bei Verwendung des Ventiltriebs nach
DE 10 2012 212 048.3 kann dabei das Boost- oder das Pump-Profil gemäß
2 Anwendung finden. Zusätzlich kann mithilfe eines Nockenwellenverstellers (VANOS-Einheit) der Aktivierungszeitraum verschoben werden.
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Durch die oben beschriebenen Maßnahmen wird das Abbremsen des Verbrennungsmotors gezielt beeinflusst. Außerdem kann sichergestellt werden, dass sich im Zylinder 22 genügend Frischluft für einen Direktstart befindet. Grundsätzlich kann also auf ein Startsystem für den Verbrennungsmotor verzichtet werden.
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Dennoch können ergänzend ein Ritzelstarter und/oder ein Starter-Generator im Riementrieb vorgesehen sein. Ein solches Startsystem kann (unterstützend) dazu genutzt werden, einen Zylinder 22 kurz vor dem Stehenbleiben des Motors auf der Position „kurz nach ZOT” abzustellen. Im Falle eines reinen Druckluftstarts, wenn also zum Starten des Motors keine Frischluft und kein Kraftstoff zur Verbrennung benötigt werden, ist eine Betätigung der Ladeventile 40 nicht notwendig, da keine Druckluft in der Brennkammer gespeichert werden muss.
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Erreichen der Motor-Vorzugsposition nach dem Abstellen des Motors
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Wenn der Motor bereits stillsteht und sich nicht in der Vorzugsposition befindet, insbesondere nach einer Fahrzeugbewegung im eingekuppelten Zustand nach dem Abstellen des Motors, stehen folgende zwei Möglichkeiten zur Verfügung, um einen Zylinderkolben in die Position „kurz nach ZOT” zu bringen:
- 1) Im ausgekuppelten Zustand des Motors, also ohne Durchtrieb des Motors zur Straße, wird das Ladeventil 40 eines Zylinders 22 geöffnet, der sich im Verdichtungstakt befindet. Durch das Einströmen von Druckluft aus dem Drucklufttank 38 in die Brennkammer dieses Zylinders 22 wird der Motor zunächst in die „falsche” Richtung (Rückwärtsrichtung) angetrieben. Sobald jedoch ein Zylinder 22 den Arbeitstakt rückwärts durchläuft, wird der Motor sofort wieder gebremst. Wenn in der Brennkammer dieses Zylinders 22 genügend Frischluft vorhanden ist, wird Kraftstoff eingespritzt und gezündet, sodass der Motor dann in die „richtige” Richtung (Vorwärtsrichtung) beschleunigt wird. Wenn nicht genügend Frischluft in der Brennkammer dieses Zylinders 22 vorhanden ist, kann das Ladeventil 40 im pneumatischen Startmodus (siehe 2) aktiviert werden, um den Motor durch das Einströmen von Druckluft in die Brennkammer des Zylinders 22 in die richtige Richtung zu beschleunigen.
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Ein Beispiel für einen solchen Vorgang ist in 3 am Beispiel von drei Zylindern 22 gezeigt. In dem Diagramm sind die Kolbenpositionen der Zylinder 22 zwischen unterem Totpunkt (UT) und oberem Totpunkt (OT) in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurbelwelle (Grad) dargestellt. Wenn sich der zweite Zylinder (durchgehende Linie) nach dem Abstellen des Motors im oberen Totpunkt zwischen Ausstoß- und Ansaugtakt (Ladungswechsel-OT, kurz: LWOT) befindet, kann, wie unter 1) beschrieben, der zweite Zylinder gemäß dem Pfeil zurückgeschoben werden. Dadurch gelangt der erste Zylinder (gestrichelte Linie) in die Position „kurz nach ZOT” und kann durch Zünden bzw. durch Druckluftzufuhr in Vorwärtsrichtung angetrieben werden.
- 2) Um nach dem Abstellen des Motors diesen in die Vorzugsposition zu bringen kann alternativ zu 1) das Startsystem (Ritzelstarter und/oder Starter-Generator) verwendet werden, um einen Zylinder 22 (im ausgekuppelten Zustand des Motors) über den ZOT zu bewegen. Es besteht zudem die Option, für diesen Zylinder 22 das Ladeventil 40 zu öffnen (gemäß 2 entweder im Boost- oder im Pump-Modus), um Luft in die Brennkammer dieses Zylinders 22 zu bringen. Gleichzeitig kann bereits Kraftstoff direkt eingespritzt werden. Nachdem der Zylinder 22 den ZOT überschritten hat, kann dann eine Zündung erfolgen. Falls sich nicht genügend Frischluft, Druckluft oder Kraftstoff in der Brennkammer befindet, kann der pneumatische Startmodus des Ladeventils 40 aktiviert werden.
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Motorstart in der Motor-Vorzugsposition
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Befindet sich der stillstehende Motor in der Vorzugsposition, kann der Motor insbesondere auf folgende zwei Arten gestartet werden:
- 1) Kraftstoffeinspritzung in die Brennkammer des Zylinders 22, der sich in der Position „kurz vor ZOT” befindet, und Zündung ab Stillstand, wenn genügend Frischluft in der Brennkammer vorhanden ist; oder
- 2) Pneumatischer Start durch Aktivierung des Startprofils des entsprechenden Ladeventils 40 (siehe 2) und anschließendes Umschalten auf konventionelle Verbrennung, spätestens mit Erreichen der Leerlaufdrehzahl des Motors.
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Auf einen konventionellen Notstarter kann verzichtet werden, wenn ein Kompressor zur Befüllung des Drucklufttanks vorgesehen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Luftfilter
- 12
- Turbolader
- 14
- Ansaugrohr
- 16
- Drosselklappe
- 18
- Ladeluftkühler
- 20
- Ansaugkrümmer
- 22
- Zylinder
- 24
- Einlassventile
- 26
- Benzindirekteinspritzung
- 28
- zündfunkengenerierende Einheiten
- 30
- Auslassventile
- 32
- Abgaskrümmer
- 34
- Wastegate
- 36
- Katalysator
- 38
- Drucklufttank
- 40
- Ladeventile
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/036992 A1 [0002]
- WO 2011/015336 A1 [0002]
- DE 102012212048 [0002, 0016, 0030, 0033]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Das Downsizing-Boost-Konzept auf Basis der pneumatischen Hybridisierung von Ottomotoren” von L. Guzella et al. in der MTZ Motortechnische Zeitschrift, Ausgabe 01/2010, Seiten 52 bis 58 [0002]
- U. Kramer, „Potentialanalyse des Direktstarts für den Einsatz in einem Stopp-Start-System an einem Ottomotor mit strahlgeführter Benzin-Direkteinspritzung unter besonderer Berücksichtigung des Motorauslaufvorgangs”, Fakultät Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenwesen, Campus Essen der Universität Duisburg, Dissertation, 2005 [0004]
