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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Start eines Verbrennungsmotors gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Nach einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2. Nach einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein System zum Start eines Verbrennungsmotors gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3.
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Zum Start von Verbrennungsmotoren werden überwiegend elektrische Anlasser oder Elektromotoren eingesetzt. Großdieselmotoren und vereinzelt auch LKW-Motoren werden mittels Drucklufteinblasung in den Zylinder in Bewegung versetzt und durch die nachfolgende Einspritzung eines ersten Zylinders weiter beschleunigt. Die Druckluft wird dabei in separaten Druckbehältern gespeichert. Darüber hinaus ist bekannt, einen Ottomotor direkt zu starten, indem der Start durch Einspritzen und Zünden des Kraftstoffs direkt, das heißt ohne vorherige Kolbenbewegung stattfindet.
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Aus dem Stand der Technik bekannte elektrisch angetriebene Verdichter, auch als sogenannte e-Lader oder e-Booster bekannt, können besonders im unteren Drehzahlbereich die Arbeit von beispielsweise Turbolader ergänzen und damit für eine dynamische Anfahrperformance sorgen.
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Zum Direktstart eines Ottomotors ist eine genaue Kurbelwinkelposition eines Zylinders erforderlich. Dazu ist es erforderlich, die Position des Kolbens beim Abstellen des Motors genau zu erfassen. Ein Direktstart bei Dieselmotoren ist nicht möglich.
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Elektrische Anlasser haben den Nachteil, dass sie zusätzliches Gewicht und Kosten mit sich bringen. Zudem weisen elektrische Anlasser aufgrund hoher Zyklenzahlen infolge von Start-Stopp-Anwendungen und Ablegen des Motors während einem Segelfahrbetrieb bzw. Elektrisch-Fahren im Hybrid-Fahrzeug eine kurze Lebensdauer auf.
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In einem Hybrid-Fahrzeug kann der Motor über die Trennkupplung und die elektrische Maschine angeschleppt werden. Wenn nicht genügend Überschussmoment an der elektrischen Maschine zur Verfügung steht, wirkt sich dies nachteilig auf den Fahrzeugkomfort aus. Deshalb wird der Verbrennungsmotor oftmals früher gestartet als erforderlich bzw. die elektrische Maschine nur bis zu einem bestimmten Drehmoment ausgelastet, um das Verbrennungsmotor-Start-Moment vorzuhalten. Dies wirkt sich wiederum nachteilig auf den Verbrauch und die Verfügbarkeit oder Ablegehäufigkeit und Ablegedauer des Verbrennungsmotors aus bzw. bewirkt eine Reduktion der Nutzungszeit der elektrischen Maschine im Fahrbetrieb.
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Aus dem Stand der Technik ist ferner bekannt, dass bei Startanforderung des Verbrennungsmotors ein elektrisch angetriebener Verdichter eingeschaltet wird und der Verbrennungsmotor durch den Luftdruck des elektrisch angetriebenen Verdichters in Bewegung gesetzt wird. So ist aus
DE 10 2015 216 126 A1 ein Verfahren bekannt, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder mit wenigstens einem Kolben, wobei der Zylinder wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil aufweist, und wobei der Brennkraftmaschine wenigstens ein elektrisch antreibbarer Verdichter, insbesondere ein elektrischer Zusatzverdichter, zugeordnet ist, wobei zur Durchführung eines pneumatischen Starts der Brennkraftmaschine der Verdichter elektrisch angetrieben wird.
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Es hat sich grds. als vorteilhaft herausgestellt, dass das ein solches Verfahren keine außenwirkenden Startmomente bewirkt, die sonst abgestützt werden müssten. Zudem ermöglicht die Vorverdichtung der Luft bereits eine deutliche Drehmomenterhöhung während des Startvorganges bzw. des Hochlaufes des Motors, wodurch die Reaktionszeiten bzw. die Dauer bis zur Verfügbarkeit des Verbrennungsmotors wesentlich verkürzt werden. Bei 4-Takt-Motoren mit weniger als vier Zylindern ist eine Einrichtung erforderlich, die sicherstellt, dass ein Zylinder im Ansaugtakt steht, damit der ansaugende Kolben beschleunigt werden kann.
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Aus der
DE 10 2006 017 928 A1 ist zudem bekannt, die Druckluft des elektrisch angetriebenen Verdichters zunächst in einer Druckspeichereinheit und nach Aufbau eines bestimmten Drucks in den entsprechenden Zylinder einzuleiten.
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Zudem ist aus dem Stand der Technik ein Verfahren zum Start eines Verbrennungsmotors bekannt, wobei eine Druckspeichereinheit einen Teil der während des Verbrennungsmotorbetriebs verdichteten Luft eines Verdichters speichert, wobei bei Startanforderung des Verbrennungsmotors diese gespeicherte Luft zum Zylinder geleitet wird und der Verbrennungsmotor durch den Luftdruck in Bewegung gesetzt wird. Die
EP 2 072 809 A1 offenbart hierzu ein Startsystem für eine selbstzündende Brennkraftmaschine mit einem unter Druck stehenden Kraftstoffbehälter und einer ersten Ventilanordnung zum Zuführen von Kraftstoff zu einer Brennkammer des Motors, wobei die erste Ventilanordnung geeignet ist, unter Druck stehendes Fluid in den unter Druck stehenden Kraftstoffbehälter zuzulassen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein alternatives Verfahren zum Start eines Verbrennungsmotors bereitzustellen.
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Start eines Verbrennungsmotors, wobei eine Druckspeichereinheit einen Teil der während des Verbrennungsmotorbetriebs verdichteten Luft eines Verdichters speichert, wobei bei Startanforderung des Verbrennungsmotors diese gespeicherte Luft zum Zylinder geleitet wird und der Verbrennungsmotor durch den Luftdruck in Bewegung gesetzt wird.
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Die Erfindung zeichnet sich nun dadurch aus, dass die Druckspeichereinheit mit einer hydraulischen Einrichtung verbunden ist, die nach Erreichen eines maximalen Ladedrucks das Volumen des Druckspeichers reduziert und damit zu einer Druckerhöhung führt. Dadurch kann dem Zylinder bzw. Kolben ein höheres Druckniveau und damit ein höheres Drehmoment zur Verfügung gestellt werden. Als besonders vorteilhaft hat sich dies bei Kälte und/oder bei Dieselmotoren mit entsprechend hohen Schleppmomenten gezeigt.
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Hierdurch kann auf einen elektrisch angetriebenen Verdichter verzichtet werden. Bei Startanforderung wird diese Luft zum Start des Verbrennungsmotors verwendet, indem diese zum Zylinder geleitet wird und die erste Umdrehung des Verbrennungsmotors eingeleitet wird. Bei dem Verdichter handelt es sich um einen konventionellen Verdichter. Bei der Druckspeichereinheit handelt es sich um einen konventionellen Druckbehälter bzw. Druckspeicher.
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Dieses Verfahren ist sowohl für Fahrzeuge mit Hybridtechnologie als auch für Fahrzeuge ohne Hybridtechnologie geeignet.
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Bei einem 4-Zylinder-4-Takt-Motor kann auf eine Steuereinrichtung verzichtet werden, da stets ein Zylinder im Ansaugtakt ist, wodurch eine kontinuierliche Bewegung des Verbrennungsmotors sichergestellt ist. Nach maximal einer halben Kurbelwellenumdrehung kann der Zylinder, der sich im Verdichtungstakt befand, gezündet werden, wodurch der Motor weiter beschleunigt.
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Die Erfindung wird anhand zweier Figuren näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine beispielhafte Anordnung eines elektrisch angetriebene Verdichters in einer ersten Phase des Startvorgangs einesbeispielhaften Verfahrens in einer ersten Ausführungsform; und
- 2 die beispielhafte Anordnung gem. 1 in einer zweiten Phase des Startvorgangs des beispielhaften Verfahrens.
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Die 1 und 2 zeigen den Startvorgang beispielhaft an einem 4-Zylinder 4-Takt-Otto-Motor eines PKW.
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Der Aufbau eines solchen Motors und dessen Anbindung über eine Kurbelwelle an ein Getriebe ist dem Fachmann bekannt, sodass diesbezüglich nur eine kurze Erläuterung erfolgt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind lediglich zwei der vier Zylinder dargestellt.
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Ein erster und zweiter röhrenförmiger Zylinder 10, 20 und ein Kolben 15, 25, der sich im Zylinder 10, 20 von einem unteren Totpunkt zu einem oberen Totpunkt hin- und her bewegt, bilden bekanntermaßen einen ersten und zweiten Brennraum 16, 26.
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Der Zylinder 10, 20 mündet am axial unteren Ende in das nicht dargestellte Kurbelwellengehäuse, welches den Kurbelwelle 30 aufnimmt. Am gegenüberliegenden axialen oberen Ende kann der Zylinder 10, 20 durch im Zylinderkopf angeordnete Einlassventile 11, 21 und Auslassventile 12, 22 verschlossen werden.
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Im Zylinderkopf sind zudem die für die Steuerung der Ventile 11, 12, 21, 22 notwendige Nockenwelle sowie die Einspritzdüse (beim Otto-Motor die Zündkerze) angeordnet, welche vorliegend jedoch nicht dargestellt sind. Ebenfalls nicht dargestellt sind etwaige Kühl- sowie Ölkanäle im Zylinderkopf, die für die Kühlung bzw. Schmierung sorgen. Eine Zylinderkopfdichtung, die zwischen Motorblock und Zylinderkopf angeordnet ist dichtet den Brennraum und die Öl- und Kühlkanäle ab.
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Die Einlassventile 11, 21 dichten die Zylinder 10 bzw. 20 gegenüber einem Einlasskanal 7 ab. Die Auslassventile 12, 22 dichten die Zylinder 10 bzw. 20 gegenüber einem Auslasskanal 8 ab. Bei geöffneten Einlassventilen 11, 21 und geschlossenen Auslassventilen 12, 22 kann über den Einlasskanal 7 Luft mittels des Kolbens 15, 16 in den jeweiligen Brennraum 16, 27 angesaugt werden. Bei geöffneten Auslassventilen 12, 22 und geschlossenen Einlassventilen 11, 21 kann über den Auslasskanal 8 das nach der Zündung expandierte Luft-/Kraftstoffgemisch mittels des Kolbens 15, 16 aus dem jeweiligen Brennraum 16, 27 ausgestoßen werden.
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In diesem Beispiel ist nun vorgesehen, dass dem Verbrennungsmotor ein elektrisch angetriebener Verdichter 1 vorgeschaltet ist.
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Der elektrisch angetriebene Verdichter 1 weist anstelle eines Turbinenrads eine E-Maschine EM auf. Die E-Maschine EM kann ein nicht dargestelltes Verdichterrad des Verdichters 1 beschleunigen. Hierzu ist ein nicht dargestellter Rotor der E-Maschine mit dem Verdichterrad drehfest verbunden. Eine als Batterie 2 ausgebildete Spannungsquelle versorgt die E-Maschine EM mit Spannung. Die E-Maschine EM kann mittels einer elektrischen Steuereinrichtung 3 gesteuert und geregelt werden.
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Der Verdichter 1 weist in bekannter Weise an einem Ende einen Lufteinlass 4 zum Ansaugen von Luft und an einem anderen Ende einen Luftauslass 5 zum Ausstoßen verdichteter Luft auf. Der Luftauslass 5 ist über einen Strömungskanal 6 mit dem Einlasskanal 7 verbunden, sodass verdichtete Luft vom Verdichter über den Strömungskanal 6 in den Einlasskanal 7 gelangen kann. Der Einlasskanal 7 ist wie oben beschrieben mit den Zylindern 10, 20 strömungstechnisch verbunden.
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Ein optionaler Hochdrucksensor 40 erfasst Luftdruckdaten im Einlasskanal 7 und übermittelt diese an die Steuereinrichtung 3. Ein Drehzahlsensor 50 erfasst die Drehzahl der Kurbelwelle und übermittelt diese ebenfalls an die Steuereinrichtung 3.
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Nachfolgend wird der Ablauf des Startvorgangs beschrieben, der sich in zwei Phasen gliedern kann, nämlich in eine Anlaufphase des Verbrennungsmotors (1) und in eine Phase, in welcher die erste Zündung erfolgt.
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Der Beginn der ersten Phase wird durch die Anforderung des Fahrers den Verbrennungsmotor zu starten bewirkt. Bspw. durch Wegnahme des Fußes vom Bremspedal bewirkt die Steuereinrichtung den Start des elektrisch angetriebenen Verdichters 1. Der elektrisch angetriebene Verdichter 1 saugt zunächst Luft an, was durch den Pfeil 60 dargestellt ist, und verdichtet diese anschließend, d.h. der Verdichter 1 baut Druck auf. Die verdichtete Luft strömt anschließend durch den Auslass 5 über den Strömungskanal 6 in den Einlasskanal 7 ein. Optional kann ein Druckspeicher vorgesehen sein, der die verdichtete Luft speichert. Das Einlassventil 11 des ersten Zylinders 10 ist in einer offenen Stellung sodass der Kolben 15 nach unten 17 beschleunigt wird. Durch die Bewegung des ersten Kolbens 16 nach unten 17 wird der Kolben des zweiten Zylinders nach oben 27 beschleunigt, d.h. er beginnt die in ihm vorhandene Luft zu verdichten.
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Die Steuereinrichtung 3 überwacht den Anlaufvorgang mittels Druck- und Geschwindigkeitssensoren 40, 50.
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In der zweiten Phase verdichtet der zweite Kolben 25 solange bis Kraftstoff durch die nicht dargestellten Einspritzdüsen in den Brennraum eingespritzt und schließlich das Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels einer nicht dargestellten Zündeinrichtung wie bspw. einer Zündkerze entzündet wird. 2 zeigt genau diese Momentaufnahme. Nach Zündung 29 arbeitet der zweite Kolben 25, d.h. er wird nach unten 28 beschleunigt wodurch gleichzeitig die Kurbelwelle 30 beschleunigt wird und der Kolben 15 des ersten Zylinders anfängt zu verdichten. Der Verbrennungsmotor startet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdichter, elektrisch, e-Lader, eBooster
- 2
- Spannungsquelle, Batterie
- 3
- Steuereinrichtung zur Regelung und Steuerung der E-Maschine
- 4
- Lufteinlass
- 5
- Luftauslass
- 6
- Strömungskanal
- 7
- Einlasskanal
- 8
- Auslasskanal
- 10
- erster Zylinder
- 11
- Einlassventil erster Zylinder
- 12
- Auslassventil erster Zylinder
- 15
- Kolben erster Zylinder
- 16
- Brennraum erster Zylinder
- 17
- Bewegung nach unten Kolben 15
- 18
- Bewegung nach oben Kolben 15
- 20
- zweiter Zylinder
- 21
- Einlassventil zweiter Zylinder
- 22
- Auslassventil zweiter Zylinder
- 25
- Kolben zweiter Zylinder
- 26
- Brennraum zweiter Zylinder
- 27
- Bewegung nach oben Kolben 25
- 28
- Bewegung nach unten Kolben 25
- 29
- Zündung
- 30
- Kurbelwelle
- 40
- Sensor, Hochdrucksensor
- 50
- Sensor, Drehzahlsensor
- 60
- einströmende Luft
- EM
- E-Maschine
