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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine und ein Steuergerät zum Ansteuern einer solchen Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Brennkraftmaschinen, die zum Antrieb von Kraftfahrzeugen verwendet werden, sind Wärmekraftmaschinen, die chemische Energie eines Kraftstoffs in mechanische Energie, die Bewegungsenergie des angetriebenen Kraftfahrzeugs, umwandeln. In Kraftfahrzeugen werden als Brennkraftmaschinen vornehmlich Diesel- und Benzin- bzw. Ottomotoren eingesetzt, die auch als Verbrennungsmotoren bezeichnet werden.
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Zur Umwandlung der Energie wird der Kraftstoff in Brennkammern, die Zylinder, eingespritzt, in denen sich jeweils ein Kolben bewegt, der durch die Verbrennung bewegt wird. Man unterscheidet je nach Anzahl der Zylinder zwischen bspw. 4, 6, 8 und 12-Zylindermotoren.
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Zu beachten ist, dass der Startvorgang der Brennkraftmaschine und die sich anschließende Warmlaufphase bei der Bewertung des Emissionsverhaltens eines Fahrzeugs im Testzyklus, bspw. bei NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus), FTP (Federal Test Procedure), WLTP (Worldwide Harmonized Light Duty Test Procedure), RDC (Real Drive Cycle), das bedeutet eine Prüfung unter Realbedingungen, von besonderer Bedeutung ist. Aufgrund des noch kalten Katalysatorsystems werden die vom Motor emittierten Rohabgase fast vollständig zertifizierungsrelevant. Bis zu 90 % der gesamten über den Testzyklus emittierten HC-Emissionen entstammen aus den beiden genannten Betriebsbereichen des Motors. Unter HC-Emissionen sind dabei flüchtige organische Substanzen aus Kohlenwasserstoffen (HC) zu verstehen. Zur Erreichung zukünftiger Emissionsgrenzwerte kommt der Optimierung des Startvorgangs eine besondere Rolle zu.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 045 686 A1 beschreibt ein Verfahren zum Neustarten einer Brennkraftmaschine. Diese Brennkraftmaschine umfasst mehrere, teilweise abschaltbare Zylinder. Es wird zwischen einem Zylinderabschaltmodus, in dem mindestens ein Zylinder abgeschaltet ist, und einem Vollzahlmodus, in dem alle Zylinder eingeschaltet sind, unterschieden. Weiterhin kann die Brennkraftmaschine in einer automatischen Start-Stopp-Strategie mit anschließendem Direktstart betrieben werden. Es ist vorgesehen, dass nach einem Stopp die beim anschließenden Direktstart beteiligten Zylinder im vorherigen Fahrbetrieb, d. h. vor dem Stopp, ohne Verbrennung im Zylinderabschaltmodus der Brennkraftmaschine betrieben werden. Es werden somit gezielt Zylinder, die nach dem Start beteiligt sind, vor dem Stopp abgeschaltet. Auf diese Weise wird die Zylinderbrennraumtemperatur der bei einem Direktstart beteiligten Zylinder gezielt abgesenkt, indem im vorherigen Betrieb diese Zylinder nicht befeuert werden. Hierdurch wird die Startsicherheit beim Direktstart deutlich verbessert. Das vorgestellte Verfahren ist insbesondere in Verbindung mit einer Start-Stopp-Strategie vorteilhaft.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren an Anspruch 1 und Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgestellt. Es wird weiterhin eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 10 mit einem solchen Steuergerät beschrieben. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Es wird somit eine Startstrategie vorgestellt, die den Motorhochlauf derart gestaltet, dass nicht alle Zylinder mit einem Moment zum Starten beitragen. Insbesondere bei höherer Zylinderzahl, bspw. 6 und 8 Zylinder, kann aufgrund der reduzierten Verbrennungen der HC-Rohausstoß vermindert werden. Dass nicht alle Zylinder beim Starten beitragen bedeutet, dass Zylinder in der Startphase abgeschaltet sind bzw. gezielt abgeschaltet werden. Die Startphase umfasst typischerweise vier bis sechs Verbrennungen und dauert, je nach Typ der Brennkraftmaschine und abhängig von der Situation bzw. den äußeren Bedingungen, etwa 300 bis 500 ms.
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Der Zündzyklus bzw. die Zündfolge einer 6-Zylindermaschine kann bspw. 1 – 3 – 5 – 2 – 4 – 6 lauten, wobei die Zahlen die Zylinder bezeichnen. Bei dem Verfahren kann nunmehr vorgesehen sein, dass in der Startphase der dritte Zylinder und der vierte Zylinder abgeschaltet sind. Die Zündfolge in einem Umlauf lautet nunmehr 1 – 5 – 2 – 6. Beim nächsten Umlauf können dann wieder alle Zylinder beteiligt sein. Es kann aber noch weitere Umläufe mit abgeschalteten Zylindern geben, wobei variieren kann, welche Zylinder abgeschaltet sind. Dies kann gezielt, auch in Abhängigkeit der Fahrsituation und der äußeren Umstände, wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck usw., vorgegeben werden.
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Die Zylinder werden im Betrieb durch ein Steuergerät, typischerweise das Motorsteuergerät, angesteuert. Dieses Steuergerät ist dazu ausgelegt, zwischen einem Zylinderabschaltmodus, in dem mindestens ein Zylinder abgeschaltet ist, und einem Vollzahlmodus, in dem alle Zylinder eingeschaltet sind, zu unterscheiden. In der Startphase wählt das Steuergerät den Zylinderabschaltmodus, d. h. einzelne Zylinder bzw. einige der Zylinder werden abgeschaltet, d. h. diese werden nicht angesteuert und damit nicht befeuert und tragen daher nicht mit einem Moment zum Starten bei.
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Es zeigt sich, dass durch die Auslassung eines oder mehrerer Zylinder in der Zündfolge während des Startvorgangs sich zunächst die HC-Roh-Emission verringern. Die Startdauer verlängert sich in Folge des Ausbleibens der ausgelassenen Zylinder. Es kann durch das Steuergerät gesteuert ein Optimum zwischen Roh-Emission und Komfort für den Fahrer erreicht werden. Dabei kann eine Gewichtung der beiden Kriterien, Emissionen und Komfort, berücksichtigt werden.
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Weiterhin ist zu erkennen, dass Motoren mit hoher Zylinderzahl, insbesondere in strengen Abgastests, wie bspw. SULEV (Super Ultra-Low Emission Vehicle), ein Potential für einen solchen Kompromiss haben und so von der Maßnahme der gezielten Einspritzausblendung, die hierin beschrieben ist, profitieren.
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Es wird somit eine Startstrategie vorgestellt, die es ermöglicht, nicht jeden Zylinder, der potentiell im Arbeitstakt steht, zu nutzen. Vielmehr ist eine gezielte Auslassung von Arbeitsspielen im Hochlauf vorgesehen. Der Drehzahlverlauf kann dabei durch die strategische Auslassung in der Zündfolge in gewissen Grenzen optimiert werden. Die zum Hochlauf beitragenden Arbeitsspiele sollen mit möglichst hohem Moment unter minimaler Schwankung erfolgen. Deshalb kann das Hochdruck-Schichtstartverfahren hier zur Anwendung kommen. Das Einblenden der restlichen Zylinder erfolgt dann drehmomentneutral zu Beginn der Katalysatorheizphase mit stöchiometrischer oder leicht magerer Ladung.
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Das vorgestellte Verfahren kommt insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit einer Zylinderzahl von mehr als sechs Zylindern, also bspw. bei 8, 10 oder 12-Zylindermotoren, in Betracht. Aber auch bei 6-Zylindermotoren können gute, vom Kunden akzeptierte Ergebnisse erzielt werden.
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Die Umsetzung kann als Softwarefunktion im Steuergerät erfolgen, bspw. abgebildet als Betriebsart, die über mindestens ein Kennfeld in Abhängigkeit der Motor- und/oder Außentemperatur sowie der Verfügbarkeit des Hochdruck-Schichtstarts ausgewählt werden kann. Somit ist im Steuergerät ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens abgelegt.
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Dabei wird der Kraftstoff in der Kompressionsphase durch mehrere Einspritzungen in den Zylinder eingebracht. Dies hat gegenüber der saugsynchronen Einspritzung große Vorteile in der Gemischbildung. Außerdem kann durch eine zündungsnahe Kleinsteinspritzung der Verbrennungsvorgang stabilisiert werden, was den Startvorgang robust und effizient erfolgen lässt. Zur Darstellung wird ein hoher Druck im Kraftstoffsystem benötigt. Die Mehrfacheinspritzung führt zu einer Ladungsschichtung.
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Zu beachten ist, dass bei der vorgestellten Brennkraftmaschine mehrere Zylinder vorgesehen sind, die zumindest teilweise abschaltbar sind. Dies bedeutet, dass grundsätzlich alle Zylinder abschaltbar sein können oder nur ein Teil, d. h. mindestens einer der Zylinder, abschaltbar ausgebildet sein kann. Abschalten bedeutet, dass der abgeschaltete Zylinder in der Startphase kein Moment beiträgt. Dies kann dadurch erfolgen, dass in den Zylinder kein Kraftstoff eingespritzt wird und dass keine Zündung erfolgt.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Ausführung der beschriebenen Brennkraftmaschine.
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2 zeigt einen Startvorgang eines 4-Zylinder Benzinmotors mit Benzindirekteinspritzung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt stark vereinfacht und rein schematisch eine Brennkraftmaschine, die insgesamt mit der Bezugsziffer 10 versehen ist. Diese Brennkraftmaschine 10 ist als 8-Zylindermaschine mit acht Zylindern 12 bis 26 ausgebildet. Zur Ansteuerung der Zylinder 12 bis 26 ist ein Steuergerät 30 vorgesehen, dass die einzelnen Zylinder 12 bis 26 gezielt ansteuern und somit bewirken kann, wann ein Zylinder 12 bis 26 betrieben wird, d. h. wann in einen Zylinder 12 bis 26 Kraftstoff eingespritzt und in diesem gezündet wird.
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Eine übliche Zündfolge könnte nunmehr sein:
erster Zylinder 12, dritter Zylinder 16, fünfter Zylinder 20, siebter Zylinder 24, zweiter Zylinder 14, vierter Zylinder 18, sechster Zylinder 22 und achter Zylinder 26.
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Bei dem vorgestellten Verfahren werden nunmehr in der Startphase gezielt Zylinder 12 bis 26 abgeschaltet. Dies erfolgt typischerweise über das Steuergerät 30, bspw. softwaregesteuert. So kann vorgesehen sei, dass in der Startphase der dritte Zylinder 16, der siebte Zylinder 14, der vierte Zylinder 18 und der achte Zylinder 26 abgeschaltet sind. Die Zündfolge in der Startphase lautet dann:
erster Zylinder 12, fünfter Zylinder 20, zweiter Zylinder 14 und sechster Zylinder 22.
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Die hier genannte Zündfolge ist nur beispielhaft gegeben. Eine geeignete Zündfolge kann, bspw. in Abhängigkeit von äußeren Bedingungen, z. B. vom Steuergerät, ermittelt bzw. berechnet werden.
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Das vorgestellte Verfahren kann bei jedem Start des Kraftfahrzeugs, auch in Verbindung mit einer Start-Stopp-Strategie, eingesetzt werden. Insbesondere bietet sich das Verfahren beim Erststart, somit beim Start nach einer längeren Ruhephase, an.
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2 zeigt einen Graphen 50 mit einer Abszisse 52, an der der Kurbelwellenwinkel [°CA] aufgetragen ist, einer ersten Ordinate 54, an der der Zylinderdruck [bar] aufgetragen ist, einer zweiten Ordinate 56, an der die Menge an HC-Emissionen aufgetragen ist, und einer dritten Ordinate 58 an der die Umdrehung der Brennkraftmaschine [1/min] und der Saugrohrdruck [mbar] aufgetragen ist.
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Es werden drei Bereiche unterschieden, nämlich ein erster Bereich 60, in dem ein Andrehen bzw. Ankurbeln erfolgt, ein zweiter Bereich 62, in dem ein Hochlaufen erfolgt, und ein dritter Bereich 64, in dem ein Übergang zum Leerlauf erfolgt. Eine erste Kurve 70 zeigt den Verlauf der HC-Emissionen an. Eine zweite Kurve 80 zeigt den Verlauf der Drehzahl und eine dritte Kurve 82 den Verlauf des Saugrohrdrucks an. Zylinderdrücke sind für den ersten Zylinder mit Kurve 90, für den zweiten Zylinder mit Kurve 92, den dritten Zylinder mit Kurve 94 und für den vierten Zylinder mit Kurve 96 angezeigt.
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Das Diagramm der 2 macht deutlich, dass zur Erreichung zukünftiger Emissionsgrenzwerte der Optimierung des Startvorgangs eine besondere Rolle zukommt, da aus dieser Phase ein erheblicher Anteil der HC-Rohemissionen stammt.
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Die zu ihrer Optimierung notwendige thermodynamische Analyse der innermotorischen Vorgänge während des Starts wurde bereits erfolgreich angewandt. Zur Bewertung der HC-Rohemission wird bei der transienten Startuntersuchung in der Regel ein zeitlich hoch aufgelöstes Signal eines FID-Messgeräts (FID: Flammenionisations Detektion) herangezogen, dessen Entnahmesonde sich im Abgastrakt des Verbrennungsmotors befindet. Der Erfolg des Verfahrens ist unter Verwendung eines DI-Systems (DI: Direct Injection; Direkteinspritzung) und unter entsprechender Messtechnik am Motorprüfstand gut überprüfbar.
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Die Verwendung des dargestellten Verfahrens ist insbesondere in der Brennverfahrensvorentwicklung sowie in der Applikation des Startvorgangs von Automotoren mit Direkteinspritzung anzusiedeln und zeitnah umsetzbar. Der Eingang in die Applikation bedingt zudem einen hohen Kundennutzen als Beitrag zur Erfüllung zukünftiger Emissionsgrenzwerte.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009045686 A1 [0005]
