DE102022109739B3

DE102022109739B3 - Verfahren zum einfachen Starten eines Verbrennungsmotors und entsprechender Antriebsstrang

Info

Publication number: DE102022109739B3
Application number: DE102022109739.0A
Authority: DE
Inventors: Philipp Gorontzi
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-04-22
Filing date: 2022-04-22
Publication date: 2023-05-11
Anticipated expiration: 2042-04-23

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors (10) eines Kraftfahrzeugs vorgesehen mit den Schritte Anschleppen einer Kurbelwelle (12) des Verbrennungsmotors (10) entlang einer Antriebsdrehrichtung der Kurbelwelle (12) mit Hilfe eines außerhalb des Verbrennungsmotors (10) erzeugten und in die Kurbelwelle (12) eingeleiteten Drehmoments (18) bis ein Kompressionskolben (14) eines Luft enthaltendes Kompressionszylinders des Verbrennungsmotors (10) von einer von einem oberen Totpunkt (OT) weiter entfernten Stellung in eine zum oberen Totpunkt (OT) näher entfernten Stellung verlagert ist, Beenden des Einleitens des außerhalb des Verbrennungsmotors (10) erzeugten Drehmoments (18) bevor der Kompressionskolben (14) seinen oberen Totpunkt (OT) erreicht, Drehen-Lassen der Kurbelwelle (12) entgegen der Antriebsdrehrichtung infolge einer im Kompressionszylinder aufgebauten Gasdruckfederkraft und Zünden eines durch die Gasdruckfederkraft komprimierten Expansionszylinders bevor ein Expansionskolben (16) des Expansionszylinders einen oberen Totpunkt (OT) des Expansionszylinders erreicht, um die Kurbelwelle (12) in Antriebsdrehrichtung anzutreiben. Dadurch ist ein einfacher Start des Verbrennungsmotors (10) mit einem geringeren Risiko von Startaussetzern ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie einen entsprechenden Antriebsstrang, mit deren jeweiligen Hilfe ein Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs einfach gestartet werden kann.
Aus DE 10 2011 075 221 A1 ist es bekannt mit Hilfe einer elektrischen Maschine eine Kurbelwelle entgegen ihrer Antriebsdrehrichtung zu drehen, um einen Verbrennungszylinder eines Verbrennungsmotors in einen zündfähigen Zustand zu verdichten und nachfolgend zu zünden, so dass der Verbrennungsmotors danach in Antriebsdrehrichtung die Kurbelwelle antreibt.
Die US 2020 / 0 392 932 A1 offenbart einen an die Kurbelwelle gekoppelten Anlasser, welcher vor dem Motorstart das Drehmoment der Kurbelwelle durch Öffnen eines Auslassventils des Zylinders im Expansionshub erhöht.
In der US 2021 / 0 222 639 A1 wird die Kurbelwelle zum Starten des Verbrennungsmotors zunächst durch eine elektrische Drehmaschine bis zu einem Umkehrpunkt gedreht, der einem lokalen maximalen Schleppmoment des Verbrennungsmotors entspricht. Danach dreht die elektrische Drehmaschine die Kurbelwelle in die entgegengesetzte Richtung, wodurch ein Moment auf die Kurbelwelle aufgeprägt wird.
Aus der DE 10 2016 205 450 A1 ist ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine mit einer elektrischen Maschine bekannt, wobei die elektrische Maschine die Brennkraftmaschine rückwärts dreht und unmittelbar im Anschluss an die Rückwärtsdrehung die Brennkraftmaschine vorwärts dreht, wobei die Brennkraftmaschine dann während einer Vorwärtsdrehung durch die elektrische Maschine abhängig von einer Drehzahl ihrer Kurbelwelle durch Einspritzen von Kraftstoff und Zünden des entstandenen Kraftstoff-/Luft-Gemisches gestartet wird.
Die DE 103 42 703 B4 offenbart ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine, wobei Kraftstoff in einen sich im Arbeitstakt befindlichen Zylinder eingespritzt und gezündet wird. Der Kolben dieses Zylinders versetzt die Kolben der anderen Zylinder über eine die Kolben koppelnde Kurbelwelle in eine Vorwärtsbewegung.
Es besteht ein ständiges Bedürfnis das Starten eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit möglichst wenig Aufwand einfach durchzuführen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die einen einfachen Start eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs ermöglichen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit den Schritten Anschleppen einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors entlang einer Antriebsdrehrichtung der Kurbelwelle mit Hilfe eines außerhalb des Verbrennungsmotors, insbesondere von einer elektrischen Maschine, erzeugten und in die Kurbelwelle eingeleiteten Drehmoments bis ein Kompressionskolben eines Luft, insbesondere Frischluft oder eine Frischluft-Gemisch, enthaltendes Kompressionszylinders des Verbrennungsmotors von einer von einem oberen Totpunkt weiter entfernten Stellung in eine zum oberen Totpunkt näher entfernten Stellung verlagert ist, Beenden des Einleitens des außerhalb des Verbrennungsmotors erzeugten Drehmoments bevor der Kompressionskolben seinen oberen Totpunkt erreicht, Drehen-Lassen der Kurbelwelle entgegen der Antriebsdrehrichtung infolge einer im Kompressionszylinder aufgebauten Gasdruckfederkraft und Zünden eines durch die Gasdruckfederkraft komprimierten Expansionszylinders bevor ein Expansionskolben des Expansionszylinders einen oberen Totpunkt des Expansionszylinders erreicht, um die Kurbelwelle in Antriebsdrehrichtung anzutreiben.
Die Antriebsdrehrichtung entspricht der Drehrichtung der Kurbelwelle, wenn mit Hilfe des Verbrennungsmotors das Kraftfahrzeug im Zugbetrieb angetrieben wird. Unter einem Kompressionszylinder wird ein Verbrennungszylinder des Verbrennungsmotors verstanden, der sich im ausgeschalteten Zustand des Verbrennungsmotors, also zum Startzeitpunkt des Verfahrens, in seinem Kompressionstakt befindet. Unter einem Expansionszylinder wird ein Verbrennungszylinder des Verbrennungsmotors verstanden, der sich im ausgeschalteten Zustand des Verbrennungsmotors, also zum Startzeitpunkt des Verfahrens, in seinem Expansionsstakt befindet. In der Regel befindet sich der Kompressionskolben oberhalb seines unteren Totpunkts und unterhalb seines oberen Totpunkts, wobei der Kompressionskolben in Antriebsdrehrichtung sich zum oberen Totpunkt bewegen würde. Entsprechend befindet sich in der Regel der Expansionskolben oberhalb seines unteren Totpunkts und unterhalb seines oberen Totpunkts, wobei der Expansionskolben in Antriebsdrehrichtung sich zum unteren Totpunkt bewegen würde. Je nach Drehwinkelstellung der Kurbelwelle nach dem Ausschalten des Verbrennungsmotors können verschiedene Verbrennungskolben zu Beginn des Verfahrens den jeweiligen Kompressionszylinder und den jeweiligen Expansionszylinder darstellen. Mit Hilfe geeigneter Detektionsmittel, insbesondere durch Überwachung des Kurbelwellenwinkels und abrufbare Speicherung dieser Information, kann leicht identifiziert werden, welcher Verbrennungszylinder ein Kompressionszylinder, ein Expansionszylinder oder ein davon verschiedener Verbrennungszylinder ist. Insbesondere bei einer entsprechend hohen Anzahl von Verbrennungskolben, beispielsweise sechs, acht oder mehr, kann auch mehr als ein Kompressionszylinder und/oder mehr als ein Expansionszylinder vorliegen.
Bei dem Verfahren wird zunächst die Kurbelwelle in ihrer Antriebsdrehrichtung mit Hilfe des außerhalb des noch nicht gestarteten Verbrennungsmotors erzeugten Drehmoments („externes Drehmoment“) angeschleppt, wie dies auch ein herkömmlicher Startergenerator machen würde. Im Gegensatz zu dem herkömmlicher Startergenerator wird jedoch der obere Totpunkt beim Anschleppen der Kurbelwelle nicht überschritten. Stattdessen wird die Luft in dem Kompressionszylinder in der Art einer Gasdruckfeder durch das an der Kurbelwelle angreifende externe Drehmoment komprimiert. Da Luft ein kompressibles Medium ist, wird dadurch innerhalb des Kompressionszylinders ein dem externen Drehmoment entgegen gerichtetes Widerstandsdrehmoment aufgebaut. Wenn das Einleiten des externen Drehmoments beendet wird, kann sich die zuvor komprimierte Luft in dem Kompressionszylinders wie bei einer Gasdruckfeder entspannen und den Kompressionskolben in Richtung des unteren Totpunkts entgegen der designierten Antriebsdrehrichtung der Kurbelwelle drücken, wodurch das Drehen-Lassen der Kurbelwelle bewirkt wird. Dadurch wird gleichzeitig der Expansionskolben in Richtung seines oberen Totpunkts innerhalb des Expansionszylinders beschleunigt, wodurch das im Expansionszylinder eingeschlossene Medium komprimiert wird. Hierbei kann das externe Drehmoment derart dimensioniert sein, dass durch die Expansion der komprimierten Luft in dem Kompressionszylinder ein für einen zündfähiger Zustand eines Kraftstoff/Luft-Gemischs ausreichender Zylinderdruck erreicht werden kann. In dieser Situation kann das Kraftstoff/Luft-Gemisch des Expansionszylinders gezündet werden, wodurch der Verbrennungsmotor gestartet wird und die Kurbelwelle in der designierten Antriebsdrehrichtung antreibt.
Da der Kompressionskolben beim Anschleppen gegen den ansteigenden Druck der komprimierten Luft nicht bis in den oberen Totpunkt bewegt wird, ist es möglich ein entsprechend gering dimensioniertes maximales Drehmoment für das externe Drehmoment vorzusehen, beispielsweise maximal 20 Nm, das in der Regel deutlich geringer als das erzeugbare Drehmoment eines herkömmlichen Startergenerators ist. Eine zugehörige elektrische Maschine kann entsprechend kleiner und kostengünstiger dimensioniert sein. Beim Anschleppen wird nicht nur der Kompressionskolben auf seinen oberen Totpunkt zubewegt, sondern es wird gleichzeitig der Expansionskolben auf seinen unteren Totpunkt zubewegt ohne diesen zu überschreiten. Wenn das externe Drehmoment nicht mehr eingeleitet wird und durch die Expansion der komprimierten Luft in dem Kompressionszylinder der Expansionszylinder entgegen der Antriebsdrehrichtung auf den oberen Totpunkt zubewegt wird, muss der Expansionskolben während dieser Kompression des Mediums im Expansionszylinder einen entsprechend größeren Hubweg überstreichen. Aufgrund des im Vergleich zum Ausgangszustand vergrößerten Hubwegs des Expansionskolbens kann das Medium im Expansionszylinder stärker vorverdichtet und verwirbelt werden, so dass sich eine besser durchmischte Ladungsbewegung innerhalb der Füllung des Expansionszylinders ergibt. Durch die bessere Durchmischung des Mediums im Expansionszylinder kann eine bessere und insbesondere vollständigere Verbrennung des komprimierten Kraftstoff/Luft-Gemischs nach der Zündung erfolgen. Dadurch kann das Risiko von Startaussetzern vermieden werden. Das Risiko, dass durch eine unzureichende Verbrennung im Expansionszylinder das bereitgestellte Drehmoment nicht ausreicht, um die nachfolgende Zündung auszulösen, ist reduziert. Durch eine geringfügige Einleitung eines externen Drehmoments kann die Gasdruckfeder-Eigenschaft des Kompressionszylinders für einen verbesserten Start des Verbrennungsmotors mit Hilfe des Expansionszylinders ausgenutzt werden, so dass ein einfacher Start eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit einem geringeren Risiko von Startaussetzern ermöglicht ist.
Die Luft in dem Kompressionszylinder kann insbesondere in einem Ansaugtakt angesaugte Frischluft enthalten oder vollständig aus in dem Ansaugtakt angesaugter Frischluft bestehen. Es ist auch möglich, dass die Luft, insbesondere über eine Abgasrückführung, rückgeführte Abgase enthält, die in einem Ausblastakt aus mindestens einem der Verbrennungszylinder ausgestoßen und beispielsweise für eine Nachverbrennung zur Reduktion von umweltschädlichen Emissionen, teilweise dem Kompressionszylinder zugeführt sein können. Ferner ist es möglich, dass die Luft unverbrannten Kraftstoff enthält, der ganz oder teilweise insbesondere gasförmig und/oder flüssig vorliegen kann.
Insbesondere wird das außerhalb des Verbrennungsmotors erzeugte Drehmoment von einer mit der Kurbelwelle gekoppelten elektrischen Maschine erzeugt, wobei das maximal von der elektrischen Maschine erzeugbare Drehmoment geringer als ein sich im oberen Totpunkt des Kompressionszylinder ergebenes Widerstandsmoment ist. Das von der elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment ist dadurch nicht in der Lage, das ab einem bestimmten Kurbelwellenwinkel vor Erreichen des oberen Totpunkts beim Anschleppen aufgebaute Widerstandsmoment der komprimierten Luft im Kompressionszylinder zu überwinden. Dadurch kann sichergestellt werden, das während des Anschleppens und beim Beenden des Anschleppens der Kompressionszylinder im Kompressionstakt und der Expansionszylinder im Expansionstakt bleibt. Die elektrische Maschine kann dadurch entsprechend klein und kostengünstig dimensioniert sein.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine den Kompressionskolben mit Hilfe ihres maximal erzeugbaren Drehmoments nah wie möglich an den oberen Totpunkt verlagert. Das von der elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment kann nahezu vollständig ausgereizt werden, um die Luft in dem Kompressionszylinder zu komprimieren. Dadurch kann die Leistungsfähigkeit der bewusst klein dimensionierten elektrischen Maschine nahezu vollständig ausgenutzt werden. Die elektrische Maschine kann entsprechend klein und kostengünstig dimensioniert sein. Zudem kann eine auf nahezu Null unterhalb einer hierzu vordefinierten Grenzdrehzahl abgesunkene Drehzahl der Kurbelwelle während des Anschleppens als Signal für das Beenden des Einleitens des externen Drehmoments verwendet werden. Die Steuerung des Startens des Verbrennungsmotors kann dadurch sehr einfach mit Hilfe weniger, beispielsweise für eine Motorsteuerung sowieso, erfasster Signale erfolgen.
Besonders bevorzugt ist die elektrische Maschine zum rein elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs ausgelegt. Die elektrische Maschine kann als eine Traktionsmaschine zum rein elektrischen Vortrieb des Kraftfahrzeugs ausgestaltet sein. Ein zu der elektrischen Maschine separater Startergenerator kann eingespart werden. Da die elektrische Maschine beim Anschleppen nicht den oberen Totpunkt der Kompressionszylinders überschreiten muss, ist eine bewusste Überdimensionierung der elektrischen Maschine zum elektrischen Starten des Verbrennungsmotors in der Art eines herkömmlichen Startergenerators vermieden. Die elektrische Maschine kann dadurch kostengünstiger und mit einem geringeren Eigengewicht ausgestaltet sein.
Insbesondere erfolgt zwischen einem ausgeschalteten Zustand und einem gestarteten Zustand des Verbrennungsmotors eine Einleitung des außerhalb des Verbrennungsmotors erzeugten Drehmoments ausschließlich durch die elektrische Maschine. Eine zusätzliche Drehmomentquelle zum Starten des Verbrennungsmotors kann eingespart werden. Der Antriebsstrang kann dadurch frei von einem Startergenerator ausgestaltet sein. Vorzugsweise ist die, insbesondere als Traktionsmaschine ausgestaltetet, elektrische Maschine die einzige an die Kurbelwelle mittelbar oder unmittelbar ankoppelbare elektrische Maschine, die ein ausreichend großes Drehmoment zum Starten des Verbrennungsmotors entsprechend des Verfahrens bereitstellen kann. Die Anzahl an Komponenten für den Antriebsstrang kann gering gehalten werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Expansionszylinder beim Beenden des Einleitens des außerhalb des Verbrennungsmotors erzeugten Drehmoments ein Kraftstoff/Luft-Gemisch enthält und/oder während des Drehen-Lassens der Kurbelwelle Kraftstoff in den Expansionszylinder eingespritzt wird. Wenn im ausgeschalteten Zustand des Verbrennungsmotors, also zum Startzeitpunkt des Verfahrens, in dem Expansionszylinder bereits eingespritzter Kraftstoff vorliegt, ist ein Einspritzen von weiterem Kraftstoff nicht erforderlich und kann eingespart oder zumindest reduziert werden. Aufgrund der Abwärtsbewegung des Expansionskolbens auf den unteren Totpunkt zu während des Anschleppens können innerhalb des Expansionszylinders so starke Ladungsbewegungen erzeugt werden, dass ein in flüssiger Form vorliegender Kraftstoff aufgewirbelt und verteilt werden kann. Wenn im ausgeschalteten Zustand des Verbrennungsmotors, also zum Startzeitpunkt des Verfahrens, in dem Expansionszylinder kein eingespritzter Kraftstoff vorliegt, kann während des Verdichtens der Luft im Expansionszylinder während des Drehen-Lassens Kraftstoff eingespritzt werden, um ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch im Expansionszylinder zu erzeugen. Hierbei kann das Einspritzen des Kraftstoffs selber Verwirbelungen erzeugen und/oder Ladungsbewegungen verstärken, wodurch eine möglichst vollständige Verbrennung des Kraftstoff/Luft-Gemisch nach der Zündung unterstützt wird.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass für einen Kurbelwellenwinkelabstand Δφ_E des Expansionszylinders zum oberen Totpunkt zum Zeitpunkt des Zündens des Expansionszylinders und einem Kurbelwellenwinkelabstand Δφ_K des Kompressionszylinders zum oberen Totpunkt zum Zeitpunkt des Beendens des Einleitens des außerhalb des Verbrennungsmotors erzeugten Drehmoments Δφ_K < Δφ_E, insbesondere 0° < Δφ_E - Δφ_K ≤ 45°, vorzugsweise 1 ° ≤ Δφ_E - Δφ_K ≤ 20°, weiter bevorzugt 2° ≤ Δφ_E - Δφ_K ≤ 10° und besonders bevorzugt 3° ≤ Δφ_E - Δφ_K ≤ 5° gilt. Durch eine entsprechend geringe Dämpfung, die insbesondere durch eine Abkoppelung von Schleppmomenten von der Kurbelwelle erreicht werden kann, kann der Expansionszylinder nur geringfügig weniger stark als zuvor der Kompressionszylinder komprimiert werden. Hierbei ist es grundsätzlich ausreichend, dass die Kompression im Expansionszylinder und/der der zum Zündzeitpunt erreichte Druck im Expansionszylinder, insbesondere mit einem ausreichenden Sicherheitszuschlag, gerade ausreichend ist, dass das Kraftstoff/Luft-Gemisch im Expansionszylinder sicher gezündet werden kann. Unter Berücksichtigung von beispielsweise durch Reibung und/oder Massenträgheitsmomenten verursachten Schleppmomenten beim Drehen-Lassen kann eine hierzu geeignete Kompression im Kompressionszylinder vorgesehen werden, die mit einem installierten maximalen Drehmoment korrespondiert, das insbesondere von der angekoppelten elektrischen Maschine bereitgestellt werden kann. Eine Überdimensionierung der elektrischen Maschine kann dadurch vermieden werden.
Insbesondere sind vom Beginn des Anschleppens an bis mindestens zum Zünden des Expansionszylinders Luftventile zum Zuführen von Luft und/oder Abführen von Abgasen des Kompressionszylinders und des Expansionszylinders geschlossen. Der Kompressionszylinder und/oder der Expansionszylinder kann dadurch einen abgeschlossenen Raum für das eingeschlossene Medium ausbilden, dass nicht aus dem jeweiligen Verbrennungszylinder entweichen kann. Erst im regulären Ausstoßtakt nach dem Arbeitstakt kann das im jeweiligen Verbrennungszylinder verbrannte Abgas herausgedrückt werden. Während des Verfahrens zum Starten des Verbrennungsmotors brauchen die Luftventile des Kompressionszylinders und des Expansionszylinders nicht abweichend zum regulären Betrieb betrieben werden, wodurch die Steuerung vereinfacht ist. Die Funktionalität des Kompressionszylinders als Gasdruckfeder ist dadurch nicht beeinträchtig und stattdessen sichergestellt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor zum Antrieb einer Kurbelwelle entlang einer Antriebsdrehrichtung, einer mit der Kurbelwelle koppelbaren elektrischen Maschine zum rein elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs sowie zum Starten des Verbrennungsmotors mit Hilfe eines in der elektrischen Maschine erzeugten Drehmoments und einer Steuereinrichtung zum Starten des Verbrennungsmotors mit Hilfe der elektrischen Maschine, wobei die Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, hergerichtet ist. Der Antriebsstrang kann insbesondere wie vorstehend anhand des Verfahrens erläutert, aus- und weitergebildet sein. Durch eine geringfügige Einleitung eines in der elektrischen Maschine erzeugten externen Drehmoments kann die Gasdruckfeder-Eigenschaft des Kompressionszylinders für einen verbesserten Start des Verbrennungsmotors mit Hilfe des Expansionszylinders ausgenutzt werden, so dass ein einfacher Start eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit einem geringeren Risiko von Startaussetzern ermöglicht werden.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung hergerichtet ausschließlich mit Hilfe des in der elektrischen Maschine erzeugten Drehmoments den Verbrennungsmotor zu starten. Dadurch kann ein zum rein elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs vorgesehenen elektrischen Maschine zusätzlicher separater Startergenerator eingespart werden.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:

1 eine schematische Prinzipdarstellung eines Verbrennungsmotors eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs zu einem ersten Zeitpunkt,
2 eine schematische Prinzipdarstellung des Verbrennungsmotors zu einem im Vergleich zu 1 späteren zweiten Zeitpunkt,
3 eine schematische Prinzipdarstellung des Verbrennungsmotors zu einem im Vergleich zu 2 späteren dritten Zeitpunkt,
4 eine schematische Prinzipdarstellung des Verbrennungsmotors zu einem im Vergleich zu 3 späteren vierten Zeitpunkt,
5 eine schematische Prinzipdarstellung eines Verbrennungsmotors zu einem im Vergleich zu 4 späteren fünften Zeitpunkt,
6 eine schematische Prinzipdarstellung des Verbrennungsmotors zu einem im Vergleich zu 5 späteren sechsten Zeitpunkt,
7 eine schematische Prinzipdarstellung des Verbrennungsmotors zu einem im Vergleich zu 6 späteren siebten Zeitpunkt und
8 eine schematische Prinzipdarstellung des Verbrennungsmotors zu einem im Vergleich zu 7 späteren achten Zeitpunkt.

Der in 1 als schematische Prinzipdarstellung dargestellte Verbrennungsmotor 10 kann Teil eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs sein. Insbesondere ist der Verbrennungsmotor 10 Teil eines Antriebsstrangs eines Hybrid-Kraftfahrzeugs, bei dem eine zum rein elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs vorgesehene elektrische Maschine mit einer Kurbelwelle 12 des Verbrennungsmotors 10 mittelbar oder unmittelbar gekoppelt sein kann, um unter Einsparung eines separaten Startergenerators den Verbrennungsmotor 10 starten zu können. Der Verbrennungsmotor 10 kann mehrere Verbrennungszylinder aufweisen, in denen jeweils ein mit der Kurbelwelle 12 verbundener Kolben geführt ist, wobei zur vereinfachten Darstellung nur ein Kompressionskolben 14 eines nicht näher dargestellten Kompressionszylinders und ein Expansionskolben 16 eines nicht näher dargestellten Expansionszylinders dargestellt sind. Zu dem in 1 dargestellten Zeitpunkt ist der Verbrennungsmotor 10 ausgeschaltet, wobei sich jeweils der Kompressionskolben 14 innerhalb seines Kompressionstakts und der Expansionskolben innerhalb seines Expansionstakts zwischen einem unteren Totpunkt UT und einem oberen Totpunkt OT befindet.
Wenn der Verbrennungsmotor 10 gestartet werden soll, kann zunächst wie in 2 dargestellt ist, in einem Anschleppen-Schritt eine elektrische Maschine ein in eine designierte Antriebsdrehrichtung der Kurbelwelle 12 gerichtetes externes Drehmoment 18 eingeleitet werden. Das externe Drehmoment 18 kann wie in 3 dargestellt ist, den Kompressionskolben 14 auf den oberen Totpunkt OT und den Expansionskolben auf den unteren Totpunkt UT zu bewegen. Das externe Drehmoment 18 ist aber nicht groß genug, um gegen den ansteigenden Innendruck im Kompressionszylinder den Kompressionskolben 14 über den oberen Totpunkt OT hinaus zu verlagern. Spätestens wenn das externe Drehmoment 18 den Kompressionskolben 14 nicht weiter verlagern kann, wird in einem in 4 dargestellten nächsten Schritt das Einleiten des externen Drehmoments 18 beendet.
Die in der Art einer Gasdruckfeder in dem Kompressionszylinder eingesperrte Luft kann ohne externe Energiezufuhr den Kompressionszylinder mit Hilfe eines zuvor aufgebauten Widerstandsmoments 20 auf den unteren Totpunkt UT entgegen der Antriebsdrehrichtung zu beschleunigen, wobei gleichzeitig der Expansionskolben 16 auf den oberen Totpunkt OT zu beschleunigt wird, wie in 5 dargestellt ist. An der Kurbelwelle 12 greift hierbei keine externe Antriebsenergie und/oder Bremsenergie an, so dass die Kurbelwelle 12 drehen gelassen wird. Die Drehung der Kurbelwelle 12 erfolgt im Wesentlichen allein durch eine in dem Kompressionszylinder Gasdruckfederkraft, die zu dem Widerstandsmoment 20 führt. Wie in 6 dargestellt ist, kann das Widerstandsmoment 20 den Expansionskolben 16 soweit im Expansionszylinder verlagern, dass signifikante Verwirbelungen und Ladungbewegungen zur Vermischung eines Kraftstoff/Luft-Gemischs im Expansionskolben 16 stattfinden.
Zu einem ungefähren Zeitpunkt, wenn das Widerstandsmoment 20 das Kraftstoff/Luft-Gemischs im Expansionskolben 16 nicht weiter komprimieren kann, kann das Kraftstoff/Luft-Gemischs im Expansionskolben 16, beispielsweise mit Hilfe eines Zündfunkens 22 einer Zündkerze, gezündet werden, wie in 7 dargestellt ist. Dadurch entsteht ein durch die Verbrennung im Expansionszylinder verursachtes und in die Antriebsdrehrichtung gerichtetes Antriebsdrehmoment 24, das groß genug ist damit der Expansionskolben 16 den unteren Totpunkt UT und der Kompressionskolben 14 den oberen Totpunkt OT überwinden kann. Der Kompressionszylinder wird dadurch zum Expansionszylinder, der im regulären Betrieb des nun gestarteten Verbrennungsmotors 10 die nächste Verbrennung eines Kraftstoff/Luft-Gemischs auslösen kann. Der Verbrennungsmotor 10 ist ohne Startaussetzer erfolgreich gestartet.

Claims

Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors (10) eines Kraftfahrzeugs mit den Schritten Anschleppen einer Kurbelwelle (12) des Verbrennungsmotors (10) entlang einer Antriebsdrehrichtung der Kurbelwelle (12) mit Hilfe eines außerhalb des Verbrennungsmotors (10), von einer elektrischen Maschine, erzeugten und in die Kurbelwelle (12) eingeleiteten Drehmoments (18) bis ein Kompressionskolben (14) eines Luft enthaltendes Kompressionszylinders des Verbrennungsmotors (10) von einer von einem oberen Totpunkt (OT) weiter entfernten Stellung in eine zum oberen Totpunkt (OT) näher entfernten Stellung verlagert ist, Beenden des Einleitens des außerhalb des Verbrennungsmotors (10) erzeugten Drehmoments (18) bevor der Kompressionskolben (14) seinen oberen Totpunkt (OT) erreicht, Drehen-Lassen der Kurbelwelle (12) entgegen der Antriebsdrehrichtung infolge einer im Kompressionszylinder aufgebauten Gasdruckfederkraft und Zünden eines durch die Gasdruckfederkraft komprimierten Expansionszylinders bevor ein Expansionskolben (16) des Expansionszylinders einen oberen Totpunkt (OT) des Expansionszylinders erreicht, um die Kurbelwelle (12) in Antriebsdrehrichtung anzutreiben.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das außerhalb des Verbrennungsmotors (10) erzeugte Drehmoment (18) von einer mit der Kurbelwelle (12) gekoppelten elektrischen Maschine erzeugt wird, wobei das maximal von der elektrischen Maschine erzeugbare Drehmoment (18) geringer als ein sich im oberen Totpunkt des Kompressionszylinder ergebenes Widerstandsmoment (20) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die elektrische Maschine den Kompressionskolben (14) mit Hilfe ihres maximal erzeugbaren Drehmoments (18) so nah wie möglich an den oberen Totpunkt (OT) verlagert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die elektrische Maschine zum rein elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs ausgelegt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem zwischen einem ausgeschalteten Zustand und einem gestarteten Zustand des Verbrennungsmotors (10) eine Einleitung des außerhalb des Verbrennungsmotors (10) erzeugten Drehmoments (18) ausschließlich durch die elektrische Maschine erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Expansionszylinder beim Beenden des Einleitens des außerhalb des Verbrennungsmotors (10) erzeugten Drehmoments (18) ein Kraftstoff/LuftGemisch enthält und/oder während des Drehen-Lassens der Kurbelwelle (12) Kraftstoff in den Expansionszylinder eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem für einen Kurbelwellenwinkelabstand Δφ_E des Expansionszylinders (16) zum oberen Totpunkt (OT) zum Zeitpunkt des Zündens des Expansionszylinders und einem Kurbelwellenwinkelabstand Δφ_K des Kompressionszylinders (14) zum oberen Totpunkt (OT) zum Zeitpunkt des Beendens des Einleitens des außerhalb des Verbrennungsmotors (10) erzeugten Drehmoments (18) Δφ_K < Δφ_E, insbesondere 0° < Δφ_E - Δφ_K ≤ 45°, vorzugsweise 1 ° ≤ Δφ_E - Δφ_K ≤ 20°, weiter bevorzugt 2° ≤ Δφ_E - Δφ_K ≤ 10° und besonders bevorzugt 3° ≤ Δφ_E - Δφ_K ≤ 5° gilt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem vom Beginn des Anschleppens an bis mindestens zum Zünden des Expansionszylinders Luftventile zum Zuführen von Luft und/oder Abführen von Abgasen des Kompressionszylinders und des Expansionszylinders geschlossen sind.
Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor (10) zum Antrieb einer Kurbelwelle (12) entlang einer Antriebsdrehrichtung, einer mit der Kurbelwelle (12) koppelbaren elektrischen Maschine zum rein elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs sowie zum Starten des Verbrennungsmotors (10) mit Hilfe eines in der elektrischen Maschine erzeugten Drehmoments (18) und einer Steuereinrichtung zum Starten des Verbrennungsmotors (10) mit Hilfe der elektrischen Maschine, wobei die Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergerichtet ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 9, wobei die Steuereinrichtung hergerichtet ist ausschließlich mit Hilfe des in der elektrischen Maschine erzeugten Drehmoments (18) den Verbrennungsmotor zu starten.