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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Hubkolbenmotors nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Beim Starten eines Hubkolbenmotors gibt es verschiedene Möglichkeiten. Dies kann beispielsweise in herkömmlicher Art durch einen sogenannten Anlasser erfolgen. Daneben ist auch ein sogenannter Direktstart möglich, bei welchem auf den Anlasser verzichtet werden kann. Stattdessen wird in wenigstens einen Zylinderraum des Hubkolbenmotors Treibstoff eingespritzt und gezündet. Dies kann dann zu einer Bewegung des Kolbens nach unten führen, sodass hierdurch die Kurbelwelle entsprechend bewegt wird und der Motor starten kann. Ein solcher sogenannter Direktstart ist beispielsweise in der
DE 103 06 145 A1 beschrieben.
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Problematisch beim Starten eines Motors ist immer die relativ hohe Reibung, welche erst nach dem Erreichen einer gewissen Motordrehzahl und damit typischerweise der Schmierölversorgung des Motors verringert wird. Dies führt insbesondere bei häufig gestarteten Motoren sehr schnell zu Verschleiß. Um dem Abzuhelfen, schlägt die
DE 39 29 078 A1 einen Aufbau vor, bei welchem die sogenannte Druckumlaufschmierung aller Schmierstellen in dem Motor vor dem eigentlichen Start des Motors bereits gestartet wird, indem eine zusätzliche Ölpumpe oder eine fremdangetriebene Ölpumpe, welche also nicht über die Kurbelwelle des Motors mittelbar angetrieben wird, zum Einsatz kommt. Ein ähnliches Konzept erwähnt auch die
DE 10 2017 001 913 A1 , welche gleichzeitig eine Steuerung bzw. Regelung des aufgebauten Drucks vornimmt.
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Nun ist es so, dass eine solche Druckumlaufschmierung zwar die entsprechenden Schmierstellen des Motors mit Öl versorgt und schmiert. Damit kann sie jedoch nur indirekt dafür sorgen, dass das Anlassen des Motors erleichtert wird.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Startverfahren anzugeben, welches die Reibung in dem Hubkolbenmotor speziell während des Starts verringert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es so, dass zum Starten eines Hubkolbenmotors eine motorunabhängig antreibbare, insbesondere elektrisch antreibbare, Ölpumpe vorgesehen ist, welche ähnlich wie im oben genannten Stand der Technik vor dem eigentlichen Startvorgang in Betrieb genommen wird. Hierdurch können die von einer solchen Druckumlaufschmierung typischerweise geschmierten Bauteile, beispielsweise Lager im Bereich der Kurbelwelle und dergleichen, geschmiert werden. Dies ist für die Erfindung jedoch nur optional. Primär ist es bei der Erfindung nun vorgesehen, dass ergänzend zu dieser Schmierölversorgung über die Ölpumpe wenigstens eine unterhalb der Kolben des Hubkolbenmotors angeordnete Kolbenspritze mit Öl versorgt wird. Eine solche Kolbenspritze dient typischerweise der Kühlung der Kolben von „unten“, also von ihrer der Brennkammer abgewandten Seite aus. Diese werden hierfür mit Öl aus dieser sogenannten Kolbenspritze bespritzt, um die Unterseite des Kolbens abzukühlen. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass vor dem Start des Hubkolbenmotors diese Kolbenkühlung, welche normalerweise nur im Betrieb zum Einsatz kommt, bereits Verwendung findet. Durch das Anspritzen der Unterseite der Kolben durch die Kolbenspritze mit dem Öl gelangt Öl auch auf die Zylinderwände, sodass die Reibung zwischen dem Kolben und den Zylinderwänden reduziert wird. Dadurch ist man nun in der Lage, bereits vor dem Start und insbesondere während des eigentlichen Starts die Reibung in diesem besonders kritischen Bereich zu reduzieren. Anstelle der gemäß der Stribeck-Kurve auftretenden Mischreibung tritt so bereits während des Starts sehr schnell die weitaus geringere Flüssigkeitsreibung auf, wodurch die Reibung und damit der Widerstand des Hubkolbenmotors gegen die Bewegung beim Starten deutlich reduziert werden kann.
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Durch die Verringerung der Mischreibung beim Starten des Motors, indem die Kolbenspritzen erfindungsgemäß mit Öl versorgt werden, kann also der Leistungsbedarf des Starts entsprechend reduziert werden. Hierdurch kann beispielsweise ein hinsichtlich seiner Bauart und seiner elektrischen Leistung kleinerer Anlasser eingesetzt werden. Von besonderem Vorteil ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch dann, wenn das Starten des Hubkolbenmotors mittels eines Direktstarts erfolgt. Ein solcher Direktstart profitiert besonders stark von der Reduktion der Phase mit Mischreibung, sodass das Verfahren hier seine besonderen Vorteile voll ausspielen kann.
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Eine besonders günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es außerdem vor, dass nach Erreichen eines vorgegebenen Abbruchkriteriums die wenigstens eine Kolbenspritze nicht mehr weiter mit Öl versorgt wird. Ein solches Abbruchkriterium kann sich insbesondere wiederum nach der bereits angesprochenen Stribeck-Kurve orientieren, welche beispielsweise die Geschwindigkeit oder im Falle einer Drehbewegung typischerweise die Drehzahl über dem Reibungskoeffizienten erfasst. Nach einem Bereich mit Mischreibung, welcher durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Schmierung der Zylinderwände um den Kolben reduziert wird, gelangt man in den sogenannten Übergangspunkt oder Übergangsbereich. Hier startet die sogenannte Flüssigkeitsreibung, welche zuerst einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten hat, welcher dann mit höherer Drehzahl wieder ansteigt. Ein geeignetes Abbruchkriterium kann daher beispielsweise die Drehzahl in diesem Übergangsbereich sein. Eine sehr einfache Variante kann es jedoch auch vorsehen, dass stattdessen die Zeit ab dem Beginn des Starts als Übergangskriterium genutzt wird und so ein Erfahrungswert oder ein von einer Systemsteuerung erlernter Wert verwendet wird, um die Versorgung der wenigstens einen Kolbenspritze mit Öl abzubrechen und damit zu verhindern, dass der Reibungskoeffizient im Bereich der Flüssigkeitsreibung durch zu viel Flüssigkeit wieder ansteigt. Alternativ dazu kann auch die Zahl der erfolgten Umdrehungen des Motors ab Beginn des Starts verwendet werden.
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Eine weitere außerordentlich günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es nun ferner vorsehen, dass bei einem erneuten Unterschreiten des Abbruchkriteriums, also beispielsweise der Übergangsdrehzahl, die Versorgung der Kolbenspritze mit Öl wieder aufgenommen wird, bis das Abbruchkriterium erneut erreicht wird. Beim Starten eines Motors, und hier insbesondere wenn dieser über ein Direktstartverfahren gestartet wird, kommt es häufig zu Drehzahlschwankungen. Dabei kann es dazu kommen, dass die Übergangsdrehzahl wieder unterschritten wird, was letztlich zu einem „Rückfall“ in den Bereich der Mischreibung führt. Wird dann die Ölversorgung über die Kolbenspritzen wieder aufgenommen und die Zylinderlaufbahn wieder geschmiert, kann sehr schnell wieder in den Bereich der Flüssigkeitsreibung mit niedrigem Reibungskoeffizienten zurückgekehrt werden, um so das Startverfahren ideal zu unterstützen, bis die entsprechende Drehzahl wieder erreicht ist.
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Dabei ist typischerweise jedem Kolben eine eigene Kolbenspritze zugeordnet, wobei diese gemäß einer Fortbildung der Erfindung jeweils in Abhängigkeit der Bewegungsrichtung des Kolbens mit Öl versorgt wird oder nicht. Insbesondere kann dies gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon über ein elektrisches Ventil im Bereich der Kolbenspritze erfolgen. Dadurch ist man in der Lage, die Kolben zu schmieren, welche sich im Augenblick nach unten bewegen, was entsprechend effizient ist, während die Schmierung bei einer Bewegung des Kolbens nach oben quasi unnötig ist, sodass die Leistung für die Ölpumpe und der Volumenstrom des Öls effizienter und zielgerichteter eingesetzt werden kann.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Öffnungsdauer eines solchen Ventils getaktet gesteuert wird, um eine vorgegebene Ölmenge je Zeiteinheit zu erreichen. Dadurch lässt sich die Ölmenge sehr fein einstellen, ohne dass aufwändige Proportionalventile nötig sind, welche als alternative Ausgestaltung zum Beeinflussen der Ölmenge, welche durch jede der Kolbenspritzen in die Zylinderräume des Hubkolbenmotors eingespritzt wird, zu beeinflussen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und ihrer Anwendung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Hubkolbenmotors, welcher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist;
- 2 eine Darstellung einer typischen Ausgestaltung der Stribeck-Kurve mit dem Reibungskoeffizient µ über der Drehzahl n;
- 3 ein einfaches Ablaufdiagramm für das erfindungsgemäße Verfahren; und
- 4 ein Ablaufdiagramm einer verfeinerten Version des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der Darstellung der 1 ist ein Ausschnitt eines angedeuteten Kurbelgehäuses 1 eines in seiner Gesamtheit nicht gänzlich dargestellten Motors 2 zu erkennen. Das Kurbelgehäuse 1 ist dabei unterhalb eines mit 3 bezeichneten Zylinderkopfs angedeutet und in der schematischen Darstellung geschnitten gezeigt. Innerhalb des Kurbelgehäuses 1 sind einzelne mit 4 bezeichnete Zylinder zu erkennen, mit darin beweglich angeordneten Hubkolben 5, die wiederum über eine Kolbenstange 6 mit einer angedeuteten Kurbelwelle 7 verbunden sind. Darunter befindet sich eine mit 8 bezeichnete Ölwanne. Dieser Aufbau, welcher hier rein beispielhaft mit zwei Zylindern 4 dargestellt ist, kann mit beliebig vielen Zylindern ausgebildet werden und ist dem Fachmann als Verbrennungsmotor, Hubkolbenmotor, Brennkraftmaschine oder einfach nur Motor allgemein bekannt.
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Wie erwähnt lässt sich ein solcher Motor nun beispielsweise über ein sogenanntes Direktstartverfahren starten. Rein beispielhaft kann in diesem Zusammenhang auf die bereits erwähnte
DE 103 06 145 A1 hingewiesen werden, welche ein solches Direktstartverfahren beispielhaft zeigt.
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Für die Reibung innerhalb eines solchen Hubkolbenmotors 2 ist nun der Reibungskoeffizient bzw. die Reibungszahl µ über der Drehzahl n der Kurbelwelle 7 entscheidend. Der Zusammenhang ergibt sich durch die sogenannte Stribeck-Kurve, welche beispielhaft in der Darstellung der 2 zu erkennen ist. Der Reibungskoeffizient ist am Anfang bei einer Drehzahl von n=0 sehr hoch. Dabei handelt es sich um die sogenannte Ruhereibung oder Haftreibung, an welche sich nach einer kurzen Phase einer hier in der Darstellung kaum erkennbaren Grenzreibung der Bereich der sogenannten Mischreibung anschließt, welcher hier mit M gekennzeichnet ist. In diesem Bereich ist die Reibungszahl immer noch relativ hoch, fällt aber mit zunehmender Drehzahl n ab. Im Bereich einer Übergangsdrehzahl nü ist dann der Bereich der Mischreibung M weitgehend beendet und an dessen Stelle tritt die Flüssigkeitsreibung F. Diese erreicht mit zunehmender Drehzahl dann wieder etwas höhere Reibungszahlen µ, sodass im Bereich der Übergangsdrehzahl nü, welcher auch als Ausklinkpunkt bezeichnet wird, typischerweise die geringste Reibung vorliegt.
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Neben der Schmierölversorgung der Lagerstellen und dergleichen, welche für einen Motor 2 natürlich auch wichtig sind, so wie es im Stand der Technik beschrieben ist, ist nun die Reibung zwischen den einzelnen Kolben 5 und den Wänden der Zylinder 4 entscheidend. Insbesondere gilt dies bei einem Direktstartverfahren. Dementsprechend ist es hier vorgesehen, dass über eine über einen Elektromotor 9 angetriebene Ölpumpe 10 bei Bedarf die normale Druckumlaufschmierung über einen mit 11 bezeichneten Zweig mit Öl versorgt wird. Insbesondere und für die Erfindung relevant ist jedoch der mit 12 bezeichnete Zweig des Ölkreislaufs, welcher zu einzelnen Kolbenspritzen 13 führt. Diese Kolbenspritzen 13 dienen typischerweise dazu, die Kolben 5 in den Zylindern 4 des Motors 2 während des Betriebs zu kühlen, indem diese die Kolben 5 von unten, also von ihrer dem Brennraum abgewandten Seite aus, welche in der Darstellung der
1 unten ist, mit Öl bespritzt. Die Kolbenspritzen 13 sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. In diesem Zusammenhang kann auf die
DE 199 26 350 C1 der Anmelderin hingewiesen werden.
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Durch den Betrieb dieser Kolbenspritzen 13 vor dem eigentlichen Start des Motors und während des Starts wird nun die Reibung zwischen den Kolben 5 und den Wandungen der Zylinder 4 verringert, was insbesondere bei einem Direktstartverfahren entscheidende Vorteile bezüglich des Reibungskoeffizienten und damit der für den Direktstart erforderlichen Reibung bringt.
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Ein idealer Ablauf für einen Start des Hubkolbenmotors 2 sieht deshalb so aus, wie er in 3 in einem einfachen Ablaufdiagramm angegeben ist. In einem ersten Schritt 100 wird erkannt, dass ein baldiger Motorstart bevorsteht. In einem zweiten Schritt 200 wird dann die Ölpumpe 10 aktiviert und zumindest die Kolbenspritzen 13 mit Öl versorgt. Die im Motorstillstand betreibbare Ölpumpe 9 ermöglicht so also, einen Öldruck aufzubauen und über die Kolbenspritzen 13, die im Kurbelgehäuse 1 unterhalb der Kolben 5 angebracht sind, bei ausreichendem Öldruck Öl gegen die Unterseite der Kolben 5 zu spritzen. Dadurch wird auch die Lauffläche des Zylinders 4 mit einem Ölfilm bedeckt, der wiederum den schnellen Übergang von der Mischreibung M zur Flüssigkeitsreibung F ermöglicht. Idealerweise beginnt der Zeitraum, in welchem das Öl über die Kolbenspritzen 13 aufgebracht wird, kurz vor der ersten Direktstartverbrennung in einem ersten Zylinder 4 zum Starten des Motors 2.
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In der Darstellung der 4 ist eine weitere optimierte Verfahrensvariante zu erkennen. In dieser Verfahrensvariante wird nach dem Erreichen der Übergangsdrehzahl nü, also dem Ausklinkpunkt, das Anspritzen der Kolben 5 mit Öl über die Kolbenspritzen 13 unterbrochen, um so einen unnötig großen Ölfilm zu vermeiden, der einen erneuten Reibungsanstieg im Bereich der Flüssigkeitsreibung F zur Folge hätte. Außerdem kann so Antriebsleistung der Ölpumpe 10 eingespart werden. Als Abbruchkriterium für die Ölversorgung der Kolbenspritzen 13 dient dann also die Übergangsdrehzahl nü.
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Der Ablauf eines solchen Verfahrens ist in der Darstellung der 4 schematisch angedeutet. Auch hier beginnt der Ablauf wiederum mit dem Schritt 100, nämlich dem Erkennen eines baldigen bevorstehenden Motorstarts. Wenn dieser erkannt worden ist, wird die Ölpumpe 10 entsprechend aktiviert, was wiederum dem Schritt 200 aus dem Ablauf der 3 entspricht. In einem weiteren Schritt 300 wird dann das Abbruchkriterium überprüft. Ist das Abbruchkriterium nicht erfüllt, wird der Schritt 300 entsprechend wiederholt. Ist es erfüllt, dann werden in einem Schritt 400 die Kolbenspritzen entsprechend abgeschaltet.
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Ein alternatives Abbruchkriterium wäre ebenso denkbar. Anstelle der Übergangsdrehzahl nÜ kann beispielsweise eine Zeit ab dem Auslösen des Direktstarts oder auch eine Anzahl der absolvierten Motorumdrehungen genutzt werden, um ein Abschalten der Kolbenspritzen 13 zu initiieren. Weiterhin ist es natürlich auch denkbar, die Überprüfung des Abbruchkriteriums mehrfach vorzunehmen, insbesondere wenn die Übergangsdrehzahl nÜ als Abbruchkriterium genutzt wird. In diesem Fall kann aufgrund der typischerweise großen Drehzahlschwankungen, welche im Start, insbesondere bei einem Direktstartverfahren, auftreten, eine Situation vorkommen, in welcher die Drehzahl n erneut unter die Übergangsdrehzahl nÜ als Abbruchkriterium fällt. In diesem Fall macht es Sinn, die Kolbenspritzen 13 wieder zu aktivieren, um auch in solchen Fällen die Reibung zu reduzieren und den Rückfall in den Bereich der Mischreibung M bestmöglichst zu vermeiden.
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Weitere Verfeinerungen des Verfahrens können es außerdem vorsehen, dass die einzelnen Kolbenspritzen 13 aktiv gesteuert werden, beispielsweise über jeweils ein elektrisches Ventil 14, wie es in der Darstellung der 1 angedeutet ist. Dies hat den Vorteil, dass nur diejenigen Kolben 5 angespritzt werden können, die sich gerade in einer Abwärtsbewegung befinden. Auch so wird ein erneuter Anstieg der Reibzahl µ im Bereich der Flüssigkeitsreibung F und der Antriebsleistung der Ölpumpe 10 eingespart und ein möglicherweise nicht benötigter großer Ölfilm kann verhindert werden. Außerdem kann beim Einsatz derartiger Ventile 14 die Öffnungsdauer der Ölzuleitungen zu den jeweiligen Kolbenspritzen 13 beeinflusst werden, beispielsweise durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Ventile 14. Hierdurch kann die aufgebrachte Ölmenge einfach und effizient eingestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10306145 A1 [0002, 0016]
- DE 3929078 A1 [0003]
- DE 102017001913 A1 [0003]
- DE 19926350 C1 [0018]
