DE102014214487A1

DE102014214487A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102014214487A1
Application number: DE102014214487.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Baeuerle; Martin Brandt; Michael Nau; Martin Schulte Moenting
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2016-01-28

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder (10) ist der Brennkraftmaschine ein Zusatzverdichter (19), insbesondere ein elektrischer Zusatzverdichter, zugeordnet, wobei der Zusatzverdichter (19) in einer Ansaugstrecke der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass für einen Direktstart der Brennkraftmaschine eine Zusatzverdichtung mittels des elektrischen Zusatzverdichters (19) während des Direktstartvorganges vorgenommen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder, wobei der Brennkraftmaschine ein Zusatzverdichter, insbesondere ein elektrischer Zusatzverdichter, zugeordnet ist und wobei der Zusatzverdichter in einer Ansaugstrecke der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens und ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist, sowie ein elektronisches Steuergerät, das eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens durchzuführen.
Stand der Technik
Vor dem Hintergrund einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs sind verschiedene Motoren- und Antriebsstrangkonzepte entwickelt worden, um ein Kraftfahrzeug sparsam betreiben zu können. Eine wichtige Maßnahme in diesem Zusammenhang ist eine Reduktion der Größe des Verbrennungsmotors in Kombination mit einer Aufladung des Motors (Downsizing). Häufig wird für die Aufladung des Motors ein sogenannter Turbolader eingesetzt, bei dem eine vom Abgasstrom angetriebene Turbine einen Verdichter antreibt. Es sind auch mechanische Lader, sogenannte Kompressoren, bekannt, die direkt vom Verbrennungsmotor angetrieben werden.
Mit steigendem Downsizing des Motors gehen jedoch zunehmend negative Auswirkungen auf das Fahrverhalten einher. Ein verschlechtertes Fahrverhalten macht sich vor allem beim Anfahren und beim Beschleunigen aus niedrigen Motordrehzahlen heraus bemerkbar.
Um den negativen Einfluss des Downsizing auf das Fahrverhalten zu reduzieren, ist es bereits bekannt, mithilfe eines elektrischen Zusatzverdichters (EZV) das Aufladesystem zu unterstützen. Hierfür kann der elektrische Zusatzverdichter im System so angeordnet werden, dass sich der Zusatzverdichter in der Ansaugstrecke der Brennkraftmaschine befindet, wobei der Zusatzverdichter insbesondere in Reihe mit dem Hauptaufladeaggregat, also beispielsweise einem Turbolader oder einem Kompressor, geschaltet ist. Als elektrischer Zusatzverdichter kann beispielsweise ein Spirallader oder ein Radialverdichter oder anderes eingesetzt werden.
Als weitere Maßnahme zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches ist der Start-Stopp-Betrieb bekannt. Hierbei wird durch Abstellen des Motors im Bereich des üblichen Motorleerlaufs der Kraftstoffverbrauch reduziert. Eine weitere Maßnahme ist der sogenannte Segel-Betrieb, wobei ein antriebsfreies Gleiten des Kraftfahrzeugs ohne das bremsende Schleppmoment des Motors realisiert wird.
Der Start-Stopp-Betrieb macht einen häufigen Wiederstart des Motors erforderlich. Üblicherweise erfolgt der Wiederstart durch einen konventionellen Starter, der für diese Anwendung entsprechend optimiert und angepasst sein muss. Bei Hybridsystemen ist es auch möglich, den Start des Verbrennungsmotors mithilfe der Elektromaschine durchzuführen, wenn die Topologie des Systems entsprechend eingerichtet ist.
Als Alternative zum konventionellen Start der Brennkraftmaschine ist der Direktstart bekannt, bei dem der Verbrennungsmotor ohne äußeres Startmoment zu laufen beginnt. Der Motorstart erfolgt hierbei durch gezielte Einspritzung und gegebenenfalls Zündung und ohne Verwendung eines Hilfsantriebs, beispielsweise ohne einen elektrischen Anlasser. Bei stehendem Motor wird dabei in einen geeigneten Zylinder eingespritzt und das Gemisch anschließend gezündet. Durch den Druckanstieg in dem entsprechenden Zylinder wird der Kolben nach unten bewegt und der Motor beginnt sich zu drehen. Anschließend kann in der üblichen Reihenfolge in die anderen Zylinder eingespritzt und gezündet werden. Problematisch ist bei einem Direktstart jedoch, dass das bei der ersten Verbrennung freigesetzte Moment ausreichend sein muss, um alle Zylinder des Motors durchstarten zu können, d.h. die Luft in dem in der Zündfolge nächsten Zylinder muss komprimiert werden können. Ein erneuter Versuch eines Direktstartes ist in der Regel nicht möglich, da sich in den betroffenen Zylindern nach dem ersten Versuch Abgas befindet.
Es sind bereits verschiedene Ansätze bekannt, um den Direktstart zu verbessern. Die Offenlegungsschrift DE 102 55 149 A1 beschreibt beispielsweise ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem zur Verbesserung eines Direktstartes die Brennkraftmaschine am Ende eines vorangehenden Betriebes kontrolliert abgestellt wird, so dass sich ein Kolben eines Zylinders in einer vorher bestimmten, im Idealfall für den Direktstart optimalen Position befindet.
Die Offenlegungsschrift DE 199 55 857 A1 beschreibt ein sogenanntes Pendelverfahren, bei dem für den Direktstart zunächst ein Zylinder für den ersten Verbrennungsvorgang ausgewählt wird, dessen Kolben sich in der Verdichtungsphase des Motorbetriebs befindet. Durch die Zündung des Kraftstoffs in diesem Zylinder bewegt sich die Kurbelwelle zunächst rückwärts, wodurch die Brennkraftmaschine in eine definierte Startposition für den Direktstart gebracht wird. Mit diesem Verfahren konnte jedoch bisher insbesondere im Serieneinsatz noch nicht die notwendige Robustheit eines Direktstartes dargestellt werden.
Die Offenlegungsschrift DE 103 06 632 A1 beschreibt ein Verfahren zum Direktstart einer Brennkraftmaschine, bei dem ein zusätzlicher Verdichter im System genutzt wird, um beim Auslauf des Verbrennungsmotors einen Zylinder mit Frischluft ausreichend zu füllen und die Stoppposition des Motors zu optimieren. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der beim Motorauslauf zu füllende Zylinder in einer für einen nachfolgenden Direktstart geeigneten Position zum Stillstand kommt.
Ein anderer Ansatz zur Optimierung des Direktstartes ist der sogenannte Dekompressionsstart, bei dem die Einlassventilsteuerzeiten so gewählt werden, dass die Einlassventile erst sehr spät während der Kompressionsphase des Zylinders schließen, so dass die aufzubringende Kompressionsarbeit den Startvorgang des Motors nicht zu stark abbremst.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2006 017 928 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der mindestens ein Zylinder der Brennkraftmaschine ein Brennraumventil aufweist, das mit einer Druckerzeugungseinheit verbunden ist. Mit dieser Brennkraftmaschine kann ein verbesserter Direktstart durchgeführt werden, indem während des Direktstartes eine direkte Aufladung der Brennkraftmaschine über die Brennraumventile stattfinden kann. Über die Druckerzeugungseinheit wird direkt in den Brennraum Luft gepumpt.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geht von einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder aus, wobei das System neben einem gegebenenfalls vorhandenen üblichen Verdichter einen Zusatzverdichter, insbesondere einen elektrischen Zusatzverdichter, aufweist. Der Zusatzverdichter befindet sich in der Ansaugstrecke der Brennkraftmaschine, also in dem „normalen“ Luftpfad des Motors. Der gegebenenfalls vorhandene übliche Verdichter, beispielsweise ein Abgasturbolader, ist in Reihe mit dem Zusatzverdichter geschaltet bzw. angeordnet. Die Zusatzverdichtung wird also in dem Luftstrom vorgenommen, der über die Ansaugstrecke und die Einlassventile in den Brennraum der Zylinder gelangt. Derartige Anordnungen sind bereits bekannt, um insbesondere bei einem Downsizing des Motors die negativen Auswirkungen auf das Fahrverhalten zu minimieren. Erfindungsgemäß wird dieser Zusatzverdichter genutzt, um einen Direktstart der Brennkraftmaschine zu verbessern. Hierbei wird während des Direktstartvorganges eine Zusatzverdichtung mittels des Zusatzverdichters vorgenommen. Die Erfinder konnten zeigen, dass mit dieser Maßnahme die Startwahrscheinlichkeit des Direktstartes vergrößert wird, so dass mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens der Direktstart beispielsweise für den Serieneinsatz im Vergleich mit herkömmlichen Verfahren robuster dargestellt werden kann. Die Zusatzverdichtung erlaubt dabei bei dem Saugrohrdruckverlauf weitere Freiheitsgrade, die für die Optimierung des Startvorganges erfindungsgemäß eingesetzt werden. Kern der Erfindung ist dabei, dass ein Teil der Verdichtungsarbeit vom Verbrennungsmotor auf den Zusatzverdichter übertragen wird. Die übertragene Verdichtungsenergie muss während des Startvorgangs nicht mehr durch den Verbrennungsmotor selber bereitgestellt werden, sondern wird aus anderer Quelle gezogen, beispielsweise aus der Batterie des Kraftfahrzeugs bei einem elektrischen Zusatzverdichter. Der besondere Vorteil hierbei ist, dass dadurch die Verdichtungsarbeit im Verbrennungsmotor, die durch einen expandierenden Zylinder geleistet werden müsste, deutlich reduziert wird. Bei dem erfindungsgemäßen Direktstart steht damit ein höherer Anteil der Energie eines expandierenden Zylinders für die Beschleunigung des Motors zur Verfügung. Durch die Nutzung einer zusätzlichen Energiequelle, insbesondere der Batterie, werden damit die Kompressionskräfte, die der Verbrennungsmotor aufbringen muss, reduziert, so dass mehr Energie für die Beschleunigung des Motors zur Verfügung steht.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass das Verfahren den üblichen Luftpfad der Brennkraftmaschine nutzt. Es ist also beispielsweise kein zusätzliches Ventil z.B. im Zylinderkopf erforderlich, über welches Luft in den Brennraum gepumpt werden würde. Das Verfahren kann ohne weiteres bei allen Motorkonzepten mit einem Zusatzverdichter eingesetzt werden, die die oben genannten Voraussetzungen erfüllen. Der möglicherweise aus anderen Gründen vorgesehene Zusatzverdichter kann als besonderer Zusatznutzen für eine Verbesserung des Direktstartes eingesetzt werden. Hierfür ist lediglich eine Anpassung der Motorsteuerung erforderlich.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Vergleich mit herkömmlichen Direktstarts vorzugsweise im Wesentlichen keine zusätzliche Luft in den Zylinder eingebracht, sondern näherungsweise die gleiche Luftmasse. Dies erfolgt insbesondere durch eine Anpassung der Positionierung der Einlassventil-Schließt-Zeitpunkte nach spät während der Kompressionsphase, wie es weiter unten noch näher erläutert wird.
Mit dem durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielbaren Robustheitsgewinn beim Direktstart geht eine Reduzierung der Geräuschentwicklung beim Wiederstart während des Start-Stopp-Betriebes einher, der mit zusätzlichem Komfort bei der Bedienung des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Durch den verbesserten Direktstart entfällt das Einspurgeräusch eines Starters, beispielsweise eines elektrischen Anlassers. Durch den verbesserten Direktstart wird darüber hinaus die Belastung des Starters wesentlich reduziert. Weiterhin ergeben sich aus dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechende Vorteile beim Wiederstart aus dem Segel-Betrieb, wodurch ebenfalls der Komfort vor allem im Hinblick auf die Geräuschentwicklung während des Fahrbetriebes erhöht wird.
Bei Hybrid-Topologien kann durch die erfindungsgemäße Nutzung der Zusatzverdichtung während des Direktstartvorganges eine bessere Ausnutzung der Elektromaschine erreicht werden. Bei der herkömmlichen Einbeziehung der Elektromaschine für den Start des Verbrennungsmotors ist es oftmals erforderlich, einen signifikanten Anteil des Moments der Elektromaschine für den Start des Verbrennungsmotors zu reservieren. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Kosten unvorteilhaft. Bei dem erfindungsgemäß verbesserten Direktstart kann auf eine Reservierung dieses Anteils des Elektromaschinenmoments verzichtet werden, wodurch insgesamt die Effizienz des Systems gesteigert wird.
Auch bei dem herkömmlichen Segel-Betrieb kann sich eine Einschränkung des Betriebsbereichs ergeben, wenn der Wiederstart des Verbrennungsmotors nach der Segelphase nicht über einen üblichen Kupplungsstart durchgeführt wird. Durch den erfindungsgemäß verbesserten Direktstart wird dieser Nachteil vermieden. So kann es beispielsweise herkömmlicherweise vorgesehen sein, dass der Segelbetrieb auf bestimmte Kennfeldbereiche des Motors beschränkt ist. Durch eine Erweiterung der Startmöglichkeiten des Motors durch einen unterstützten Direktstart gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren können diese Kennfeldbereiche gegebenenfalls ausgeweitet werden.
Über die Zusatzverdichtung wird zu Startbeginn ein höherer Saugrohrdruck bereitgestellt, so dass bei gleichem Kompressionsenddruck im Zylinder ein Teil der Verdichtungsarbeit durch den Zusatzverdichter, also über eine von der Verbrennung unabhängige Energiequelle, insbesondere über die Batterie des Kraftfahrzeugs, geleistet wird. Das Bremsmoment des verdichtenden Zylinders wird reduziert, wodurch das Starten des Motors erleichtert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei Ottomotoren und bei Dieselmotoren mit Vorteil eingesetzt werden.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Zusatzverdichtung sogleich mit dem Beginn des Direktstartvorganges gestartet, d. h. also, dass die Zusatzverdichtung schon zu Beginn der Einspritzung im Zuge des Direktstartvorganges aktiviert wird. In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Zusatzverdichtung verzögert im Verhältnis zum Beginn der Einspritzung im Zuge des Direktstartvorganges gestartet.
In bevorzugter Weise wird in Vorbereitung des Direktstartes vorab ein Kolben eines geeigneten Zylinders in eine geeignete und insbesondere in eine optimale Position für den Direktstart gebracht. Durch diese Maßnahme wird allgemein die Startwahrscheinlichkeit erhöht, wobei in Kombination mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Zusatzverdichtung während des Direktstartes die Robustheit des Direktstartes deutlich verbessert werden kann.
In besonders bevorzugter Weise wird in Vorbereitung des Direktstartes die Brennkraftmaschine bzw. die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine durch Auswahl eines geeigneten Zylinders für eine erste Einspritzung zunächst zurückgedreht. Diese Durchführung eines Direktstartes wird auch als erweiterter Direktstart oder Pendelverfahren bezeichnet. Bei dieser Ausgestaltung des Direktstartes wird die erfindungsgemäße Zusatzverdichtung mit besonderem Vorteil verzögert im Verhältnis zum Beginn der Einspritzung aktiviert, wobei die Zusatzverdichtung vorzugsweise kurz vor oder bei dem Erreichen der Drehrichtungsumkehr der Kurbelwelle gestartet wird. Die Zusatzverdichtung wird hierbei so gesteuert, dass zum Zeitpunkt der Drehrichtungsumkehr ein erhöhter Saugrohrdruck vorliegt. Bei dem Pendelverfahren wird durch die erste Zündung die Luft in einem anderen Zylinder komprimiert. Diese Kompression wirkt wie eine Gasfeder, so dass der Motor in seiner Rückwärtsbewegung abgebremst wird. Bei anschließenden Zündungen wird der Motor in seiner Vorwärtsbewegung beschleunigt. Durch die erfindungsgemäß durchgeführte Zusatzverdichtung während eines solchen Direktstartes wird die Robustheit des Direktstartverfahrens deutlich erhöht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden während des Direktstartvorganges die Einlassventile der Zylinder so angesteuert, dass die Einlassventile im Verhältnis zum üblichen Betrieb spät während einer Kompressionsphase des jeweiligen Zylinders schließen. Die Verschiebung der Einlassventil-Schließt-Steuerzeiten nach spät während des Direktstartvorganges ist an sich als sogenannter Dekompressionsstart bekannt. In Kombination mit einer Zusatzverdichtung gemäß der Erfindung während des Dekompressionsstartes kann die Robustheit des Dekompressionsstartes deutlich erhöht werden. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn mit steigender Anzahl der Verbrennungsvorgänge während des Direktstartvorganges die Einlassventile zunehmend früher während der Kompressionsphase der jeweiligen Zylinder geschlossen werden, sodass mit steigender Anzahl der Verbrennungsvorgänge während des Startvorganges die Dekompression über die Steuerzeiten der Einlassventilschließung reduziert wird.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein System mit einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder. Die Brennkraftmaschine kann für einen aufgeladenen Betrieb vorgesehen sein, wobei ein Verdichter, beispielsweise ein üblicher Abgasturbolader oder ein Kompressor, vorgesehen ist. Darüber hinaus umfasst das System einen Zusatzverdichter, insbesondere einen elektrischen Zusatzverdichter, in der Ansaugstrecke der Brennkraftmaschine, der gegebenenfalls in Reihe mit dem weiteren Verdichter angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist das System für die Durchführung eines Verfahrens zum Direktstart der Brennkraftmaschine eingerichtet, wobei mittels des Zusatzverdichters während des Direktstartvorganges eine Zusatzverdichtung vorgenommen wird. Die Aktivierung der Zusatzverdichtung und die Durchführung des Direktstartes erfolgen hierbei insbesondere in der oben beschriebenen Weise.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein Computerprogramm, das zur Durchführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Darüber hinaus umfasst die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist. Schließlich umfasst die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, das zur Durchführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Computerprogramm oder als maschinenlesbares Speichermedium oder als elektronisches Steuergerät hat den besonderen Vorteil, dass auf diese Weise dieses Verfahren ohne Weiteres bei bestehenden Kraftfahrzeugen zur Verbesserung des Direktstartes eingesetzt werden kann, sofern das Kraftfahrzeug mit einer Einrichtung zur Zusatzverdichtung, insbesondere zur elektrischen Zusatzverdichtung, ausgestattet ist. Ein elektrischer Zusatzverdichter kann primär beispielsweise vorgesehen sein, um bei einem Downsizing des Motors das Fahrverhalten zu verbessern. Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt einen erheblichen Zusatznutzen eines solchen Zusatzverdichters für das Startverhalten.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
In den Zeichnungen zeigen:
1 schematische Darstellung eines Brennkraftmaschinensystems mit einem elektrischen Zusatzverdichter (Stand der Technik);
2 schematische Darstellung der Vorgänge bei einem Direktstart einer Brennkraftmaschine gemäß dem an sich bekannten Pendelverfahren;
3 schematische Darstellung zur Durchführung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Kombination mit einem Direktstart gemäß dem Pendelverfahren und
4 schematische Darstellung der Durchführung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Kombination mit einem Dekompressionsdirektstart.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 illustriert ein an sich bekanntes Brennkraftmaschinensystem mit einer elektrischen Zusatzverdichtung. Gezeigt ist ein beispielhafter Zylinder 10 der Brennkraftmaschine (Motor) mit einem darin befindlichen Kolben 11. Über ein Einlassventil 12 und ein Auslassventil 13 werden das Frischgas in den Brennraum des Zylinders 10 eingelassen und das Abgas ausgestoßen. Das Luft-/Kraftstoffgemisch wird in dieser Ausgestaltung mittels der Zündkerze 14 gezündet. Die Einspritzung von Kraftstoff erfolgt über das Einspritzventil 15. Die Abgase des Verbrennungsprozesses werden in den Abgasstrang 16 ausgestoßen. Der Abgasstrom treibt einen Turbolader 17 an, der zur Aufladung des Motors genutzt wird. Der mittels des Turboladers 17 verdichtete Luftstrom im Saugrohr 18 der Brennkraftmaschine kann über einen elektrischen Zusatzverdichter 19 weiter verdichtet werden. Der Turbolader 17 ist dabei in Reihe mit dem elektrischen Zusatzverdichter 19 geschaltet. Die Luftzufuhr in den Brennraum der Brennkraftmaschine wird über die Drosselklappe 20 gesteuert.
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein verhältnismäßig kleines Saugrohrvolumen, wie es in der Regel bei Turbomotoren vorgesehen ist, besonders vorteilhaft. Ein verhältnismäßig kleines Volumen zwischen dem Austritt des Zusatzverdichters und den Einlassventilen der Zylinder erlaubt eine optimale Prozessführung. Darüber hinaus ist ein schneller Hochlauf des Zusatzverdichters von Vorteil.
Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Zusatzverdichtung, insbesondere eine elektrische Zusatzverdichtung, während des Direktstartvorganges aktiviert wird, wodurch die Startwahrscheinlichkeit beim Direktstart erhöht wird. Durch die Zusatzverdichtung kann während des Direktstartvorganges insbesondere das Druckniveau im Ansaugkrümmer bzw. vor den Einlassventilen erhöht werden. In den verschiedenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Ansteuerung der Zusatzverdichtung während des Direktstarts zweckmäßigerweise an das Hochlaufverhalten und an das zu füllende Saugrohrvolumen angepasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vor allem im Zuge eines sogenannten erweiterten Direktstartes (Pendelverfahren) oder im Zuge eines sogenannten Dekompressionsstartes mit besonderem Vorteil einsetzbar. Das Prinzip des erweiterten Direktstartes, bei dem der Motor durch Auswahl eines entsprechenden Zylinders für den ersten Verbrennungsvorgang zunächst zurückgedreht wird, wird im Folgenden anhand der 2 näher erläutert. Das Prinzip des erweiterten Direktstartes ist als solches beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 199 55 857 A1 bekannt. Durch verschiedene Schraffierungen in der 2 sind die jeweiligen Ansaugphasen, Verdichtungsphasen, Arbeitsphasen und Ausstoßphasen der einzelnen Zylinder (Zyl. 1, Zyl. 2, Zyl. 3, Zyl. 4) dargestellt. Die Brennkraftmaschine befindet sich zunächst im Stillstand, wobei sich Zyl. 1 in seiner Verdichtungsphase befindet. Zu Beginn des Direktstartes erfolgt zunächst eine Einspritzung und anschließende Zündung 21 in Zyl. 1. Da sich der Kolben von Zyl. 1 vor seinem oberen Totpunkt (OT) befindet, bewegt sich die Kurbelwelle durch die Verbrennung im Zyl. 1 nicht vorwärts, sondern rückwärts. In diesem Zeitpunkt der Rückwärtsbewegung der Kurbelwelle befindet sich Zyl. 2 in seiner Arbeitsphase. Durch die Rückwärtsbewegung nähert sich der Kolben von Zyl. 2 wieder seinem oberen Totpunkt. Damit wird in Zyl. 2 ein Kompressionsdruck aufgebaut, der die Rückwärtsbewegung der Kurbelwelle abbremst. Die erste Verbrennung 21 wird so gesteuert, dass der sich in Zyl. 2 aufbauende Kompressionsdruck größer ist als das rückwärtswirkende Moment, so dass sich der Kolben von Zyl. 1 nicht über seinen rückwärtigen unteren Totpunkt hinwegbewegt. Bevor der Kolben von Zyl. 2 seinen Umkehrpunkt erreicht, erfolgt eine Einspritzung und Zündung 22 in Zyl. 2. Durch die Entzündung des Kraftstoffs in Zyl. 2 führt Zyl. 2 einen normalen Arbeitstakt aus, wodurch die Kurbelwelle in eine Vorwärtsbewegung beschleunigt wird (Pfeil 23). Fakultativ wird nun nochmals in dieser Verdichtungsphase in Zyl. 1 Kraftstoff eingespritzt und kurz vor oder in dem oberen Totpunkt von Zyl. 1 gezündet (Bezugszeichen 24), wodurch die Kurbelwelle weiter in Vorwärtsrichtung angetrieben wird. Anschließend erfolgen weitere Einspritzungen und Zündungen 25, 26 in den übrigen Zylindern.
Bei einer solchen Ausgestaltung des Pendelverfahrens für einen Direktstart der Brennkraftmaschine wird die Zusatzverdichtung erfindungsgemäß insbesondere kurz vor Erreichen der Drehrichtungsumkehr der Kurbelwelle gestartet. Dies ist in 3 illustriert. Im oberen Teil der Abbildung sind die Umdrehungen des Motors (nmot) gezeigt. Im mittleren Teil der Abbildung ist der Druck im Einsaugkrümmer dargestellt. Im unteren Teil der Abbildung ist die erfindungsgemäße Ansteuerung der Zusatzverdichtung (EZV) dargestellt. Zunächst befindet sich der Motor im Stillstand. Die elektrische Zusatzverdichtung ist nicht aktiviert. Der Druck im Einsaugkrümmer liegt im Bereich des Umgebungsdruckes (pamb). Zum Zeitpunkt 30 wird der Direktstart des Motors gestartet, wobei zunächst durch Einspritzung und Zündung in einem geeigneten Zylinder eine Rückwärtsdrehung (Backwinding) der Kurbelwelle ausgelöst wird. Etwa zum Zeitpunkt einer Drehrichtungsumkehr 31 der Kurbelwelle wird die elektrische Zusatzverdichtung gestartet. Der Motor beginnt zu beschleunigen und der Druck im Einsaugkrümmer steigt auf ein erhöhtes Niveau an (pamb +0,5 bar). Während dieser Phase (Engine acceleration) bleibt die elektrische Zusatzverdichtung aktiviert. Etwa zum Zeitpunkt 32 wird der normale Motorbetrieb (Normal engine run) erreicht und die elektrische Zusatzverdichtung kann beendet werden. Unter Bezugnahme auf 2 steht durch die erfindungsgemäße Ansteuerung der Zusatzverdichtung für Zyl. 3 ein höherer Ansaugdruck zur Verfügung. Prinzipiell kann die Zusatzverdichtung auch zu Beginn des Direktstartvorganges gestartet werden. Hierbei muss allerdings Zyl. 3 dann gegen einen höheren Druck anschieben. Durch den verzögerten Start der Zusatzverdichtung wird dieser Effekt minimiert. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Zusatzverdichtung ist, dass in Zyl. 3 eine höhere Zylinderfüllung erreicht wird. Durch den höheren Zylinderdruck wird darüber hinaus eine erhöhte Kolbenkraft erreicht, die den Kolben nach unten beschleunigt. Darüber hinaus bewirkt die Zusatzverdichtung Vorteile bei der Ladungsbewegung und damit bei der Gemischbildung und Verbrennung.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei einem standardmäßigen Direktstart, der ohne Rückdrehen der Kurbelwelle durchgeführt wird, eingesetzt werden. Die Zusatzverdichtung kann gleich zu Beginn des Startvorganges aktiviert werden, wodurch die wirkenden Kolbenkräfte bei der Beschleunigung des Motors erhöht werden.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die elektrische Zusatzverdichtung zur Unterstützung und Optimierung eines Dekompressionsstartes eingesetzt. Eine beispielhafte Prozessführung eines erfindungsgemäßen Dekompressionsstartes ist in 4 gezeigt. Die einzelnen Teile der Abbildung zeigen jeweils den Verlauf der Kolbenbewegungen in den einzelnen Zylindern (Cyl. 1, Cyl. 2, Cyl. 3, Cyl. 4) zwischen dem jeweiligen oberen Totpunkt (TDC) und dem unteren Totpunkt (BDC). Der Start 40 des Motors erfolgt, wenn sich der erste Zylinder (Cyl. 1) nach seinem oberen Totpunkt befindet. Mit Beginn des Startvorganges wird die Zusatzverdichtung aktiviert, so dass bereits zu Startbeginn ein höherer Saugrohrdruck bereitgestellt wird. Hierdurch wird erreicht, dass beispielsweise bei gleichem Kompressionsdruck ein Teil der Verdichtungsarbeit durch den Zusatzverdichter, d. h. also beispielsweise über die in der Kraftfahrzeugbatterie gespeicherte Energie, geleistet wird. Damit wird das Bremsmoment des verdichtenden Zylinders reduziert. Die Einlassventil-Schließt-Steuerzeiten werden hierbei angepasst, wobei die Steuerzeiten tendenziell so nach spät verschoben werden, dass sich z.B. die gleiche Zylindermasse wie ohne Zusatzverdichtung ergibt. Die Verschiebung der Einlassventil-Schließt-Steuerzeiten sind in 4 mit einer Angabe von Kurbelwellenwinkeln (°CA) angezeigt. Durch den höheren Saugrohrdruck liegt der Druck im Zylinder zu Kompressionsbeginn höher. Durch die Verschiebung der Einlass-Schließt-Steuerzeiten nach spät wird der gleiche Verdichtungsenddruck eingestellt. Die effektive Verdichtung des Motors wird hierdurch für die entsprechenden Verbrennungszyklen reduziert. Die folgende Tabelle zeigt eine beispielhafte Berechnung der geleisteten Verdichtungsarbeit in einem Zylinder. Hierbei wird der Druck im Einsaugkrümmer (Startdruck) durch die Zusatzverdichtung von 1,0 auf 1,5 bar erhöht. Die Luftmasse wird durch eine Anpassung der Einlassventil-Schließt-Steuerzeiten (IVC) in etwa konstant gehalten.

	herkömmlicher Direktstart	erfindungsgemäßer Direktstart
Motordaten
Verdrängungsvolumen Zylinder	0,5 dm³	0,5 dm³
Kompressionsverhältnis Zylinder	10,5	10,5
T_Zylinder	70 °C	70 °C

Kompressionsphase
Startdruck	1 bar	1,5 bar
Enddruck	3 bar	3 bar
Volumen TDC	0,053 dm³	0,053 dm³
Volumen @ IVC	0,115 dm³	0,086 dm³
ρ @ IVC	1,016 g/dm³	1,524 g/dm³
m @ IVC	0,117 g	0,132 g
Spezifische Kompressionsarbeit	90,7 kJ/kg	53,9 kJ/kg
Kompressionsarbeit	10,63 J	7,09 J

Volumen TDC	= Zylindervolumen am oberer Totpunkt des Kolbens
Volumen @ IV	C = Zylindervolumen zum Zeitpunkt Einlassventil-Schließt
ρ @ IVC	= Dichte zum Zeitpunkt Einlassventil-Schließt
m @ IVC	= Zylindermasse zum Zeitpunkt Einlassventil-Schließt

Diese Berechnung zeigt, dass sich die Verdichtungsarbeit (Kompressionsarbeit) trotz erhöhter Zylindermasse signifikant, in diesem Beispiel um 33 %, reduzieren lässt. Obwohl bei dem für die Dekompression erforderlichen Steuerzeiten der Einlassventile die Zylinder gegen einen erhöhten Druck ausschieben müssen, ist insbesondere bei den in 4 gezeigten Steuerzeiten während des Startvorganges davon auszugehen, dass sich ein nachteiliger Effekt weitestgehend kompensiert, da sich die meiste Zeit auch ein weiterer Zylinder mit geöffnetem Einlassventil im Ansaughub, d.h. mit sich nach unten bewegendem Kolben, befindet. Wenn sich beispielsweise der Kolben in Cyl. 3 hochbewegt und der höhere Druck auf den Kolben wirkt, ist das Einlassventil von Cyl. 4 ebenfalls die meiste Zeit geöffnet und der erhöhte Druck wirkt auf die Abwärtsbewegung des Kolbens, so dass die zusätzlichen Kräfte, die auf Cyl. 3 wirken, kompensiert werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10255149 A1 [0008]
DE 19955857 A1 [0009, 0035]
DE 10306632 A1 [0010]
DE 102006017928 A1 [0012]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder (10), wobei der Brennkraftmaschine ein Zusatzverdichter (19), insbesondere ein elektrischer Zusatzverdichter, zugeordnet ist, wobei der Zusatzverdichter (19) in einer Ansaugstrecke der Brennkraftmaschine angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Direktstart der Brennkraftmaschine eine Zusatzverdichtung mittels des elektrischen Zusatzverdichters (19) während des Direktstartvorganges vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzverdichtung zu Beginn der Einspritzung im Zuge des Direktstartvorganges aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzverdichtung verzögert im Verhältnis zum Beginn der Einspritzung im Zuge des Direktstartvorganges aktiviert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Vorbereitung des Direktstartes vorab ein Kolben (11) eines Zylinders (10) der Brennkraftmaschine in eine geeignete Position für den Direktstart gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge des Direktstartes vorab eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zurückgedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzverdichtung kurz vor oder bei Erreichen einer Drehrichtungsumkehr der Kurbelwelle während des Direktstartvorganges gestartet wird, so dass zum Zeitpunkt der Drehrichtungsumkehr ein erhöhter Saugrohrdruck vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Direktstartvorganges Einlassventile (12) der Zylinder (10) der Brennkraftmaschine so angesteuert werden, dass die Einlassventile (12) spät während einer Kompressionsphase der Zylinder (10) schließen, wobei vorzugsweise mit steigender Anzahl der Verbrennungsvorgänge während des Direktstartvorganges die Einlassventile (12) zunehmend früher während der Kompressionsphase geschlossen werden.
System mit einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder (10) und mit einem Zusatzverdichter (19), insbesondere einem elektrischen Zusatzverdichter, wobei der Zusatzverdichter (19) in einer Ansaugstrecke der Brennkraftmaschine angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das System für ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist.
Computerprogramm, das eingerichtet ist, die Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät, das eingerichtet ist, die Schritte eines Verfahrens gemäß einer der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.