DE102016208177A1 - Verfahren zum Starten eines direkteinspritzenden Verbrennungsmotors - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines direkteinspritzenden Verbrennungsmotors. Bei einer Umgebungstemperatur (TU), die unter einem vorgebbaren Umgebungstemperaturschwellenwert (TU_max) liegt wird vor dem Starten des Verbrennungsmotors ein Schließen der Einlassventile des Verbrennungsmotors (1) nach spät verstellt (42). Beim Starten des Verbrennungsmotors wird ein externes Drehmoment eingebracht z.B. durch einen Ritzelstarter (43). Das Schließen der Einlassventile wird nach früh verstellt (47), wenn eine Drehzahl (n12) einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors einen vorgebbaren Drehzahlschwellenwert (n12_min) überschreitet und eine Motorsynchronisation (SYN) vorliegt. Anschließend wird der Ritzelstarter ausgespurt (48) oder das externe Drehmoment wirkt nicht mehr.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines direkteinspritzenden Verbrennungsmotors. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um einen direkteinspritzenden Verbrennungsmotor mittels des Verfahrens zu starten.
  • Stand der Technik
  • Zum Starten eines Ottomotors wird ein externes Drehmoment mittels einer Startvorrichtung, wie beispielsweise eines Ritzelstarters, eingebracht. Dieses externe Drehmoment kann verringert werden, indem eine Dekompressionsvorrichtung vorgesehen wird. Diese Vorrichtung reduziert dann beim Motorstart die ersten Luftfüllungen der ersten Zylinder des Motors. So eine Dekompressionsvorrichtung wird beispielsweise in Handarbeitsgeräten wie Motorsägen oder in Motorrädern eingesetzt. Bei derartigen Vorrichtungen kann es sich um mechanische fliehkraftbasierte Vorrichtungen handeln, welche sich mit einem einzigen statischen Dekompressionsgrad auf mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Zylinderluftfüllungen auswirken. Dies wird als statische Dekompression für den Motorhochlauf bezeichnet. Derartige Vorrichtungen ermöglichen einen höheren Startkomfort durch reduzierte Vibrationen infolge geringerer Kompressionen und eine Gewichtsersparnis und Kostenersparnis durch die Verwendung von kleineren Startvorrichtungen infolge des geringeren benötigten Startdrehmoments.
  • Mechanisch ausgeführte Dekompressionsvorrichtungen unterscheiden nicht zwischen dem Start eines betriebswarmen Motors oder dem Start eines kalten Motors. Für Motoren mit diesen Vorrichtungen können typischerweise keine Ultrakaltstarts bei Temperaturen von –30°C und kälter realisiert werden, da aufgrund der Dekompression die Kompressionswärme fehlt und sich damit die Gemischaufbereitung verschlechtert und sich die Zündsicherheit reduziert oder die Zündfähigkeit sogar entfällt. Aufgrund der reduzierten Luftfüllung im Zylinder kann außerdem das aus dieser Verbrennung erzeugbare Drehmoment möglicherweise nicht ausreichen, um bei der nun viel größeren Motorreibung infolge der Zunahme der Ölviskosität bei tiefen Temperaturen auch einen akzeptablen Motorhochlauf zu gewährleisten.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das Verfahren zum Starten eines direkteinspritzenden Verbrennungsmotors wird bei einer Umgebungstemperatur eingesetzt, die unter einem vorgebbaren Umgebungstemperaturschwellenwert liegt. Dieser Umgebungstemperaturschwellenwert liegt bevorzugt bei maximal –15°C, besonders bevorzugt bei maximal –30°C. Somit wird das Verfahren insbesondere bei Ultrakaltstarts eingesetzt. Vor dem Starten des Verbrennungsmotors wird, bevorzugt mittels eines Nockenwellenphasenverstellers, insbesondere eines elektrischen Nockenwellenphasenverstellers, an Einlassventilen des Verbrennungsmotors das Schließen der Einlassventile nach spät verschoben. Dies führt zu einer starken Dekompression und damit zu einer nur sehr kleinen eingeschlossenen Luftmasse im ersten Zylinder des Verbrennungsmotors, der bei dessen Start den Kompressions-ZOT (Zünd Oberer Totpunkt) erreicht. Beim Starten des Verbrennungsmotors wird ein externes Drehmoment auf eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors aufgeprägt, beispielsweise indem ein Ritzelstarter eingespurt wird. Dieser muss aufgrund der starken Dekompression nur noch das Reibmoment des Verbrennungsmotors und nicht noch zusätzlich das große Kompressionsmoment einer sehr großen eingeschlossenen Luftmasse überwinden. Wenn eine Drehzahl einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors einen vorgebbaren Drehzahlschwellenwert überschreitet, und eine Motorsynchronisation vorliegt, wird das Schließen der Einlassventile, insbesondere mittels des Nockenwellenphasenverstellers, nach früh verstellt.
  • Hiermit kann im nächsten befeuerten Zylinder des Verbrennungsmotors eine Verbrennung realisiert werden, die zu einem signifikanten Anstieg der Drehzahl des Verbrennungsmotors führt. Dadurch wird kein externes Drehmoment mehr benötigt. Das externe Drehmoment wird deshalb nicht mehr auf die Kurbelwelle aufgeprägt. Dies erfolgt beispielsweise, indem der Ritzelstarter ausgespurt wird.
  • Ohne Verwendung dieses Verfahrens ist das für einen Ultrakaltstart notwendige externe Drehmoment besonders groß, da zusätzlich zu dem nun viel größeren Reibdrehmoment des Verbrennungsmotors auch noch ein Kompressionsdrehmoment aufzubringen bzw. zu überwinden ist, welches sich aufgrund des Einschlusses der benötigten Mindestluftmasse im Zylinder ergibt. Diese benötigte Mindestluftmasse ergibt sich dabei aus der erforderlichen Mindestkompressionswärme und dem erforderlichen Mindestverbrennungsdrehmoment. Der Ultrakaltstart kann somit nicht mehr mit einem Ritzelstarter derselben Leistungsklasse dargestellt werden, wie er bei höheren Temperaturen eingesetzt würde. Außerdem muss auf eine mechanische fliehkraftbasierte Drehkompressionsvorrichtung verzichtet werden, um den Ultrakaltstart darstellen zu können. Die Vorteile dieser Vorrichtung können somit auch bei einem betriebswarmen Motor nicht mehr genutzt werden. Das vorliegende Verfahren ermöglicht es hingegen einen Ultrakaltstart auch mit einem Ritzelstarter herkömmlicher Dimensionierung robust darzustellen. Alternativ kann, wenn der Verbrennungsmotor bereits mit einem größeren Ritzelstarter ausgestattet ist, ein Ultrakaltstart selbst bei noch geringeren Temperaturen, wie beispielsweise –35°C robust dargestellt werden, bei denen herkömmlicherweise selbst der Start mittels des vergrößerten Ritzelstarters misslingen könnte.
  • Das Verstellen des Schließens der Einlassventile nach spät erfolgt vorzugsweise bei einem Abschalten des Verbrennungsmotors im Motorauslauf. Hierbei kann ausgenutzt werden, dass der Verbrennungsmotor beim Verstellen noch betriebswarm ist, d. h. typischerweise eine Temperatur von 90°C aufweist. Auch dann wenn der betriebswarme Motor nicht auf die Umgebungstemperatur auskühlt, sondern nach wenigen Sekunden wieder gestartet werden soll, ist in dem Verfahren eine Dekompression angestrebt. Um einen optimalen Kompromiss zwischen Startzeit und Startkomfort zu erreichen, kann die Dekompression dabei insbesondere geringer gewählt werden, als wenn der Start erst bei einer Motortemperatur durchgeführt würde, welche der Umgebungstemperatur entspricht. Auch wenn das Verstellen des Schließens der Einlassventile bereits im Motorauslauf erfolgt ist, so kann hierzu bei Bedarf noch kurz vor dem Starten des Verbrennungsmotors, d. h. dem Rotationsbeginn der Kurbelwelle, noch die Dekompression im ersten Zylinder, welcher den Kompressions-ZOT erreichen wird, angepasst werden.
  • Vor dem Verstellen nach früh, wird eine Zündung, welche eine Einspritzung von Kraftstoff beinhaltet, vorzugsweise nur dann abgesetzt, wenn die Motorsynchronisation bereits vorliegt. Die Motorsynchronisation kann typischerweise in einem Power-On-Zustand des Verbrennungsmotors sofort erreicht werden. Außerdem sollten die Bedingungen erfüllt sein, dass der Kraftstoffdruck in einem Hochdruckkraftstoffspeicher des Verbrennungsmotors einen vorgebbaren Druckschwellenwert überschreitet, und dass die Temperatur des Verbrennungsmotors einen vorgebbaren Motortemperaturschwellenwert überschreitet. Der Druckschwellenwert wird insbesondere so gewählt, dass sichergestellt wird, dass der Kraftstoffdruck ausreichend für eine gute Gemischaufbereitung ist. Der Motortemperaturschwellenwert wird insbesondere so gewählt, dass ein sicheres Entflammen eines Luftkraftstoffgemisches im Zylinder trotz der aufgrund der starken Dekompression geringeren Kompressionswärme möglich ist. Durch Absetzen einer Zündung bereits in diesem Zeitpunkt des Verfahrens kann der weitere Hochlauf des Verbrennungsmotors unterstützt werden.
  • Das Verstellen des Schließens der Einlassventile nach spät erfolgt bevorzugt auf einen Wert im Bereich von 40°KW vor ZOT bis 60°KW vor ZOT, um eine starke Dekompression zu erreichen. Hierbei bezeichnet KW den Kurbelwellenwinkel.
  • Das Verstellen des Schließens der Einlassventile nach früh erfolgt bevorzugt auf einen Wert im Bereich von 110°KW vor ZOT bis 130°KW vor ZOT, um in der nächsten Kompressionsphase die für einen erfolgreichen Motorstart notwendige Mindestluftmasse zu komprimieren. Damit kann dann spätestens im nächsten Zylinder, in welchen eingespritzt wird, nicht nur ein zündfähiges Lambda-1-Gemisch bereitgestellt werden, sondern dieses auch trotz der niedrigen Temperatur erfolgreich gezündet werden.
  • Bevor jedoch das Verstellen des Schließens der Einlassventile nach früh erfolgen kann, muss der Verbrennungsmotor mithilfe einer externen Drehmomentquelle so lange geschleppt werden, bis so viel kinetische Energie aufgebaut ist, dass mit deren Hilfe der Einschluss der benötigten Mindestluftmasse im Zylinder möglich ist. Hierzu wird der vorgebbare Drehzahlschwellenwert mindestens so hoch gewählt, dass nach dem Verstellen des Schließens der Einlassventile nach früh der nächste ZOT innerhalb eines vorgebbaren Zeitraums überwunden wird. Dabei wird ausgenutzt, dass die Drehzahl der Kurbelwelle proportional zu der vom Verbrennungsmotor aufgebauten kinetischen Energie ist. Bis zum Erreichen des Drehzahlschwellenwertes können ggf. mehrere ZOTs überstrichen werden.
  • Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder elektronischen Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens auf einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um einen direkteinspritzenden Verbrennungsmotor mittels des Verfahrens zu starten.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors, welcher mittels eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens gestartet werden kann.
  • 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 3 zeigt in zwei Diagrammen den zeitlichen Verlauf einer Kurbelwellendrehzahl und eines Einlassschließzeitpunkts eines Verbrennungsmotors in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Ausführungsbeispiel der Erfindung
  • 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1, welcher als direkteinspritzender Ottomotor mit vier Zylindern 11 ausgeführt ist. Mittels der Zylinder 11 wird eine Kurbelwelle 12 angetrieben. Über ein Saugrohr 13 wird Luft in den Verbrennungsmotor 1 geleitet, welche über Einlassventile 131 in die Zylinder 11 eingelassen wird. Ein Abgasstrang 14 ermöglicht es, Verbrennungsabgase abzuleiten, welche über Auslassventile 141 aus den Zylindern 11 ausgeschoben werden. Ein Hochdruckkraftstoffspeicher 15, welcher auch als Common Rail bezeichnet wird, stellt Kraftstoff zur Verfügung, welcher über Direkteinspritzungsventile 151 in die Zylinder 11 eingespritzt wird. Die Einlassventile 131 sind mit einer Einlassventilnockenwelle 16 gekoppelt. Diese kann mittels eines elektrischen Nockenwellenphasenverstellers 161, welcher von einem elektronischen Steuergerät 2 gesteuert wird, verstellt werden. Ein Ritzelstarter 3 fungiert als Anlasser des Verbrennungsmotors 1. Er kann in eine mit der Kurbelwelle 12 verbundene Kopplung 31 eingespurt werden, um dem Verbrennungsmotor 1 ein externes Drehmoment zur Verfügung zu stellen.
  • In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt nach dessen Start 40 eine Überprüfung 41, ob die Umgebungstemperatur TU des Verbrennungsmotors 1 maximal einem Umgebungstemperaturschwellenwert TU_max entspricht. Dieser Umgebungstemperaturschwellenwert TU_max beträgt vorliegend –30°C. Ist diese Bedingung erfüllt, so liegt ein Ultrakaltstart vor und das Verfahren wird fortgesetzt. Anderenfalls wird es beendet. Bei einem Abschalten des Verbrennungsmotors 1 erfolgt im Motorauslauf ein Verstellen des Schließens der Einlassventile 131 des Verbrennungsmotors 1 mittels des Nockenwellenphasenverstellers 161 nach spät auf einen Wert von 50°KW vor ZOT. Dadurch wird nur eine sehr kleine Luftmasse in den Zylindern 11 eingeschlossen. Wenn das elektronische Steuergerät 2 eine Startanforderung für den Verbrennungsmotor 1 erhält, so erfolgt ein Einspuren 43 des Ritzelstarters 3 in die Kopplung 31. Mittels des Drehmoments des Ritzelstarters 3 wird die Kurbelwelle 12 in Rotation versetzt, wodurch die Kolben (nicht dargestellt) der Zylinder 11 in Bewegung versetzt werden. Über eine Kopplung der Kurbelwelle 12 mit der Einlassventilnockenwelle 16 und einer nicht dargestellten Auslassventilnockenwelle beginnt außerdem eine Bewegung der Einlassventile 131 und der Auslassventile 141. Für jeden Zylinder 11, der den Kompressions-ZOT erreicht, erfolgt nun eine Prüfung 44, ob mehrere Bedingungen erfüllt sind. Hierbei wird geprüft, ob bereits eine Motorsynchronisation SYN vorliegt. Weiterhin wird geprüft, ob der Druck p15 im Hochdruckkraftspeicher 15 größer als ein vorgegebener Druckschwellenwert p15_min ist. Schließlich wird geprüft, ob die Temperatur T1 des Verbrennungsmotors 1 über einem Motortemperaturschwellenwert T1_min liegt. Sind all diese Bedingungen erfüllt, so wird durch ein Direkteinspritzungsventil 151 Kraftstoff aus dem Hochdruckkraftstoffspeicher 15 in den Zylinder 11 eingespritzt und es erfolgt eine Zündung 451. Anderenfalls durchläuft der Zylinder 11 den Kompressions-ZOT ohne Zündung 452. Anschließend erfolgt eine weitere Prüfung 46 darauf, ob die Motorsynchronisation SYN vorliegt und ob die Drehzahl n12 der Kurbelwelle 12 über einem vorgegebenen Drehzahlschwellenwert n12_min liegt. Die Zylinder 11 durchlaufen so lange in der vorstehend beschriebenen Weise ihre Kompressions-ZOTs bis die Prüfung 46 ergibt, dass diese Bedingungen erfüllt sind. Dann erfolgt ein Verstellen 47 des Schließens der Einlassventile 131 mittels des Nockenwellenphasenverstellers 161 nach früh auf einen Wert von 120°KW vor ZOT. In dem nächsten Zylinder 11, der den Kompressions-ZOT erreicht, wird nun gemäß der herkömmlichen Betriebsstrategie des Verbrennungsmotors Kraftstoff eingespritzt und eine Zündung abgesetzt. Ein externes Drehmoment wird nun nicht mehr benötigt, so dass ein Ausspuren 48 des Ritzelstarters 3 aus der Kopplung 31 erfolgt. Nachdem das Verfahren beendet wurde 49 wird der Verbrennungsmotor 1 anschließend in herkömmlicher Weise weiterbetrieben.
  • In 3 ist dargestellt, wie die Drehzahl n12 der Kurbelwelle 12 sich im Verlauf des vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Zeit t ändert. Zusätzlich ist dargestellt, auf welchen Wert der Einlassschließzeitpunkt ES der Einlassventile 131 im Verlauf des Verfahrens eingestellt wird. Nachdem der Einlassschließzeitpunkt ES nach spät verstellt wurde 42, erfolgt ein Schließen von Einlassventilen 131 zu den Zeitpunkten t1, t2 und t3 jeweils kurz vor Erreichen des ersten ZOT, des zweiten ZOT und des dritten ZOT. Es findet jeweils nur eine unterstützende Befeuerung 451 der Zylinder 11 oder gar keine Befeuerung 452 der Zylinder 11 statt. Bei Erreichen des dritten ZOT hat die Drehzahl n12 der Kurbelwelle 12 den Drehzahlschwellenwert n12_min überschritten. Daher erfolgt zum Zeitpunkt t4 ein Verstellen 47 des Einlassschließzeitpunkts ES nach früh. Dies führt zunächst zu einem deutlichen Abfall der Drehzahl n12. Mit Erreichen des vierten ZOT kann allerdings im Zylinder 11 eine Verbrennung durchgeführt werden, die zu einem so starken Anstieg der Drehzahl n12 führt, dass der Verbrennungsmotor 1 anschließend in herkömmlicherweise stabil weiterbetrieben werden kann.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Starten eines direkteinspritzenden Verbrennungsmotors (1), worin bei einer Umgebungstemperatur (TU), die unter einem vorgebbaren Umgebungstemperaturschwellenwert (TU_max) liegt, – vor dem Starten des Verbrennungsmotors (1) ein Schließen (ES) der Einlassventile (131) des Verbrennungsmotors (1) nach spät verschoben wird (42), – beim Starten des Verbrennungsmotors (1) ein externes Drehmoment auf eine Kurbelwelle (12) des Verbrennungsmotors (1) geprägt wird, – das Schließen (ES) der Einlassventile (131) nach früh verstellt wird (47), wenn eine Drehzahl (n12) einer Kurbelwelle (12) des Verbrennungsmotors (1) einen vorgebbaren Drehzahlschwellenwert (n12_min) überschreitet und eine Motorsynchronisation (SYN) vorliegt, und anschließend – das externe Drehmoment nicht mehr auf die Kurbelwelle (12) geprägt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellen (42) des Schließen (ES) der Einlassventile (131) nach spät bei einem Abschalten des Verbrennungsmotors (1) im Motorauslauf erfolgt, wahlweise auch erst nach kompletten Stillstand der Kurbelwelle
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verstellen (47) nach früh eine Zündung (451) nur dann abgesetzt wird, wenn die Motorsynchronisation (SYN) bereits vorliegt, wenn der Kraftstoffdruck (p15) in einem Hochdruckkraftstoffspeicher (15) des Verbrennungsmotors (1) einen vorgebbaren Druckschwellenwert (p15_min) überschreitet, und wenn die Temperatur (T1) des Verbrennungsmotors (1) einen vorgebbaren Motortemperaturschwellenwert (T1_min) überschreitet.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Umgebungstemperaturschwellenwert (TU_max) maximal –15°C beträgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellen (42) des Schließens (ES) der Einlassventile (131) nach spät auf einen Wert im Bereich von 40°KW vor ZOT bis 60°KW vor ZOT erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellen (47) des Schließens (ES) der Einlassventile (131) nach früh auf einen Wert im Bereich von 110°KW vor ZOT bis 130°KW vor ZOT erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Drehzahlschwellenwert (n12_min) mindestens so hoch ist, dass nach Verstellen des Schließens der Einlassventile (131) nach früh der nächste ZOT innerhalb eines vorgebbaren Zeitraums überwunden wird.
  8. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
  9. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
  10. Elektronisches Steuergerät (2), welches eingerichtet ist, um einen direkteinspritzenden Verbrennungsmotors (1) mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zu starten.
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