Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, ein
Verfahren zur Verfügung
zu stellen, das in allen Betriebszuständen den jeweils maximal zulässigen Verbrennungsdruck
und damit die höchste
Leistung und Drehmoment ermöglicht,
ohne jedoch einzelne Bauteile bei einer Temperatur wesentlich unterhalb der
Betriebstemperatur zu überlasten.
Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine
mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich dadurch aus, dass in einem Steuergerät zur Steuerung
der Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine ein maximaler Verbrennungsdruck
pmax und ein reduzierter Verbrennungsdruck pred abgelegt sind und bei einer Temperatur
der Kühlflüssigkeit
und/oder der Schmierflüssigkeit,
die deutlich unterhalb der Betriebstemperatur liegt, eine eingespritzte
Kraftstoffmenge und/oder der Einspritzzeitpunkt durch das Steuergerät so geregelt
werden, dass der reduzierte Verbrennungsdruckgrenzwert pred nicht überschritten wird.
Bei
einer Brennkraftmaschine sind die einzelnen Bauteile üblicherweise
auf ihr Verhalten bei Betriebstemperatur ausgelegt. Bei Kaltstart
oder allgemein bei Temperaturen unterhalb der Betriebstemperatur
ist der Nutzer, z.B. der Fahrer eines Kraftfahrzeugs, gehalten,
die Brennkraftmaschine nicht mit Volllast zu betreiben, um Schäden an der
Brennkraftmaschine zu vermeiden. Schäden können zum Beispiel durch zu
kaltes Schmiermittel oder durch nicht gleichmäßig erwärmte Bauteile entstehen. Wenn zum
Beispiel die Zylinderlaufbuchse der Brennkraftmaschine sich erwärmt, aber
das Schmier- und Kühlmittel
ebenso wie das die Zylinderlaufbuchse umgebende Gehäuse noch
kalt sind, kommt es zu Wärmedehnungen
der bereits warmen Bauteile. Das bedeutet, dass sich die Zylinderlaufbuchse
gegenüber
dem umgebenden Gehäuse
ausdehnt und die Zylinderkopfschrauben, die die kalte Gehäusetemperatur aufweisen,
werden zusätzlich
zu den Spannungen aus der Schraubenvorspannung und dem Verbrennungsdruck übermäßig belastet
und gedehnt.
Bei
der Erstmontage der Brennkraftmaschine werden die Zylinderkopfschrauben
bis an ihre Streckgrenze vorgespannt. Wird die Brennkraftmaschine
befeuert, werden die Zylinderkopfschrauben durch den geringeren
Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Stahl (Schraubenwerkstoff) gegenüber Aluminium (Gehäusewerkstoff) überdehnt
und plastifizieren. Kühlt
die Brennkraftmaschine anschließend wieder
ab, kommt es zu einem Abfall der Schraubenkraft gegenüber dem
ursprünglichen
Wert der Erstmontage. Wird die Brennkraftmaschine erneut befeuert,
erhöht
sich die Schraubenkraft wieder um den Betrag, der durch die Temperaturhysterese
verlorengegangen ist. Die Flächenpressung
auf die Zylinderkopfdichtung ist in kaltem Zustand generell geringer als
in heißem
Zustand. Sie ergibt sich aus dem Gleichgewicht von Schraubenkraft
und Gaskraft. Aus diesem Grund ist eine hohe Belastung der Zylinderkopfschrauben
durch den Verbrennungsdruck, wie sie in betriebswarmem Zustand durchaus
möglich
ist, beim Kaltstart und bei niedrigen Betriebstemperaturen schädlich und
auf alle Fälle
zu vermeiden, um ein Durchblasen des Verbrennungsgases durch die
Zylinderkopfdichtung zu vermeiden. Beim Erwärmen der Brennkraftmaschine
erhöht
sich die Schraubenkraft und damit ist es möglich, den Brennraum gegen einen
höheren
Verbrennungsdruck abzudichten. Anhand der Erwärmung des Kühl- oder Schmiermittels ist
es möglich,
in guter Annäherung
die Erwärmung der
Zylinderkopfschrauben zu ermitteln und anhand dessen durch das Steuergerät eine mögliche maximale
Belastung der Zylinderkopfschrauben durch einen reduzierten Verbrennungsdruckgrenzwert
pred einzustellen. Der reduzierte Verbrennungsdruckgrenzwert
pred ist abhängig von der Temperatur des Kühl- oder Schmiermittels.
Bei sehr kaltem Kühl- oder
Schmiermittel ist der reduzierte Verbrennungsdruckgrenzwert pred wesentlich niedriger als bei hohen Temperaturen,
wobei sich mit steigender Temperatur der reduzierte Verbrennungsdruckgrenzwert pred dem maximalen Verbrennungsdruck pred annähert.
Eine mögliche
Temperatur der Kühl-
oder Schmiermittel, ab der der reduzierte Verbrennungsdruckwert
pred mit dem maximalen Verbrennungs druck übereinstimmt,
ist beispielsweise der Temperaturbereich von 0°C bis 5°C, d.h. ab diesem Temperaturwert
der Kühl-
oder Schmiermittel findet keine Regelung durch das Steuergerät für einen
reduzierten Verbrennungsdruckgrenzwert pred statt.
Ein
weiterer Vorteil einer Verbrennungsdruckreduzierung bei kaltem Schmiermittel
besteht darin, dass die Lagerstellen, die bei kaltem Schmiermittel
nur unzureichend geschmiert werden, weniger belastet werden.
In
einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Temperatur der Kühlflüssigkeit
und/oder der Schmierflüssigkeit
in unmittelbarer Nähe
der Zylinderkopfschrauben gemessen. Da ein direktes Messen der Temperatur
der Zylinderkopfschrauben nur mit großem Aufwand möglich ist,
ist es zweckmäßig, die
Kühlflüssigkeit
und/oder die Schmierflüssigkeit, die
die Zylinderkopfschrauben oder die Schraubenpfeifen im Gehäuse umströmt, zur
Temperaturermittlung heranzuziehen. Vorteilhafterweise ist ein Temperatursensor
in unmittelbarer Nähe
der Zylinderkopfschrauben angeordnet, vor allem um Messfehler zu
minimieren. Mit hinreichender Genauigkeit hat die Flüssigkeit,
die die Zylinderkopfschraube oder die Zylinderkopfschraubenpfeife
umströmt,
die gleiche Temperatur wie die Zylinderkopfschraube. Die Temperaturmessung
kann an einer oder mehreren Zylinderkopfschrauben bzw. Zylinderkopfschraubenpfeifen
erfolgen.
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird bei einer niedrigen
Temperatur der Kühlflüssigkeit
und/oder der Schmierflüssigkeit
der Einspritzzeitpunkt nach "Spät" gegenüber einem
Einspritzzeitpunkt bei normaler Betriebstemperatur verschoben. Durch
die Verschiebung des Einspritzzeitpunktes beim Dieselverfahren bzw.
des Zündzeitpunktes
beim Ottoverfahren in Richtung "Spät" wird der Verbrennungsdruck
verringert und die Belastung der Zylinderkopfschrauben gemindert.
Eine
Verschiebung des Einspritzzeitpunktes bzw. Zündzeitpunktes erfolgt stufenlos
durch das Steuergerät
geregelt. Der Einspritzzeitpunkt bzw. Zündzeitpunkt kann mit steigender
Temperatur seinem Wert für
eine betriebswarme Brennkraftmaschine angenähert werden.
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird bei einer niedrigen
Temperatur der Kühlflüssigkeit
und/oder der Schmierflüssigkeit
die eingespritzte Kraftstoffmenge verringert. Auf diese Weise wird
der Verbrennungsdruck und damit die Belastung der Zylinderkopfschrauben
verringert. Diese Maßnahme
könnte
auch vom Nutzer der Brennkraftmaschine durchgeführt werden, jedoch ist bei
einer Verringerung der eingespritzten Kraftstoffmenge, die durch
das Steuergerät
veranlasst ist, eine Fehlbedienung bzw. Fehlfunktion mit Schädigung der
Brennkraftmaschine ausgeschlossen.
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird bei einer niedrigen
Temperatur der Kühlflüssigkeit
und/oder der Schmierflüssigkeit
einer aufgeladenen Brennkraftmaschine der maximale Ladedruck begrenzt.
Durch eine Reduzierung des Ladedrucks wird der Verbrennungsdruck
und damit die Belastung der Zylinderkopfschrauben verringert. Eine
Reduzierung des Ladedrucks kann über
Ventile, sogenannte Waste-gate-Ventile, oder über Verstelleinrichtungen am
Lader erfolgen.
Allen
drei genannten Maßnahmen
zur Reduzierung des Verbrennungsdruckes ist gemein, dass der Wirkungsgrad
der Brennkraftmaschine verschlechtert wird. Dies geschieht jedoch
nur bei tiefen Betriebstemperaturen und zum Schutz der Brennkraftmaschine,
die bei hohen Betriebstemperaturen einen um so besseren Wirkungsgrad
aufweist, je höher
die zulässigen
Verbrennungsdrücke
sind. Bei hohen Verbrennungsdrücken
sind naturgemäß die Zylinderkopfschrauben
hochbelastet und es ist wichtig Vorkehrungen zu treffen, damit die
Zylinderkopfverschraubung nicht überlastet
wird und versagt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die Zylinderkopfschrauben
vor der zusätzlichen
Belastung bei kalten Betriebstemperaturen durch Wärmespannungen
bewahrt.
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der reduzierte Verbrennungsdruckgrenzwert
pred in Abhängigkeit der Temperatur der
Kühlflüssigkeit
und/oder der Schmierflüssigkeit
im Steuergerät
abgelegt. Die Funktion des reduzierten Verbrennungsdruckgrenzwertes
pred in Abhängigkeit der Temperatur kann
beispielsweise linear, in Stufen oder in Bereichen im Steuergerät abgelegt
sein. D.h. mit steigender Temperatur regelt das Steuergerät einen
oder mehrere oben genannte Betriebsparameter der Brennkraftmaschine
so, dass der reduzierte Verbrennungsdruckgrenzwert pred linear
bis zu einem Endwert, dem maximalen Verbrennungsdruck pmax, ansteigt.
Es ist aber ebenso möglich
den reduzierten Verbrennungsdruckgrenzwert pred in
zwei oder mehreren Temperaturbereichen auf einen konstanten Wert
zu regeln, dass beispielsweise die Temperaturbereiche unterhalb –5°C und –5°C bis 5°C jeweils
mit einem konstanten reduzierten Verbrennungsdruckgrenzwert pred eingeregelt werden, der für die beiden Bereiche
unterschiedlich groß ist.
Eine feinere Abstufung ist möglich,
erfordert jedoch einen höheren
Aufwand an genaueren Temperatursensoren und am im Steuergerät abgelegten
Steuerprogramm und Kennfeld.
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der reduzierte Verbrennungsdruckgrenzwert
pred durch Versuche ermittelt. Durch Versuche während der
Entwicklung der Brennkraftmaschine, die Temperatur- und Spannungsmessungen
im Bereich der Zylinderkopfschrauben sowie Druckmessungen in Abhängigkeit
der Parameter der Einspritzung umfassen, ist es möglich und
zielführend,
die maximal mögliche
Belastung der Zylinder kopf schrauben zu erkennen und auszunutzen,
ohne sie zu überlasten.
Auf diese Weise lassen sich schon im Voraus Grenzwerte festlegen
und im Steuergerät
abspeichern.
Weitere
Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung
sowie der Zeichnung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Die
einzige Figur zeigt ein vereinfacht dargestellte Brennkraftmaschine 1 mit
einem Zylindergehäuse 2,
einem Zylinderkopf 3, einem Kurbeltriebwerk 4 und
Zylinderkopfschrauben 5, die den Zylinderkopf mit dem Zylindergehäuse verbinden.
Weiterhin ist ein Steuergerät 6 dargestellt,
das neben den üblichen
Eingangssignalen 7 (Drehzahl, Last, Temperatur der Ansaugluft
usw.) noch über
einen Sensor 8 ein Signal 9 über die Temperatur in unmittelbarer Nähe der Zylinderkopfschraube 5 erhält. Die
Ausgänge 10 des
Steuergerätes 6 geben
Steuersignale an die nicht gezeigte Einspritzanlage oder die ebenfalls nicht
gezeigte Aufladeeinrichtung der Brennkraftmaschine 1.
Der
Sensor 8 misst die Temperatur der Schmier- oder Kühlflüssigkeit
der Brennkraftmaschine 1 in unmittelbarer Nähe der Zylinderkopfschrauben 5 und
damit mit hinreichender Genauigkeit auch die Temperatur der Zylinderkopfschrauben
selbst. Um eine übermäßige Belastung
der Zylinderkopfschrauben 5 bei extrem kalter Brennkraftmaschine 1 zu
verhindern, wird bei Temperaturen am Sensor 8 unter 5°C über das
Steuergerät 6 der
Einspritzzeitpunkt nach "spät" verschoben und/oder
die eingespritzte Kraftstoffmenge verringert, um gegenüber den
Einstellungen bei betriebswarmer Brennkraftmaschine dadurch den
Verbrennungsdruck zu reduzieren.
Üblicherweise
werden Zylinderkopfschrauben 5 einer Brennkraftmaschine 1 so
ausgelegt, dass sie selbst bei extrem niedrigen Temperaturen, z.B. Kaltstart
bei –30°C, noch genügend Vorspannung aufweisen
um im Bereich einer Zylinderkopfdichtung den Brennraum sicher abzudichten.
Weil sie schneller und früher
erwärmt
werden, dehnen sich beim Erwärmen
beim Kaltstart der Brennkraftmaschine die Zylinderlaufbahnen oder
Zylinderlaufbüchsen
stärker aus
als das umliegende Gehäuse,
die Kühl-
und Schmiermittel und die Zylinderkopfschrauben 5. Dadurch
sind die Zylinderkopfschrauben 5 zusätzlichen Zugbelastungen unterworfen.
Durch ein Vorhalten an Sicherheit gegen Überlasten der Zylinderkopfschrauben
durch Wärmespannungen
im unteren Temperaturbereich sind bei hohen Temperaturen, wie sie
beispielsweise bei normalem Betrieb herrschen, die Zylinderkopfschrauben
nicht voll ausgelastet. D.h. wenn die Brennkraftmaschine ausschließlich bei
hohen Betriebstemperaturen betrieben werden würde, könnte man die Zylinderkopfschrauben
stärker
vorspannen und wäre
damit in der Lage, bei gleicher Sicherheit an der Zylinderkopfdichtung
gegen beispielsweise Durchblasen höhere Zünddrücke zu beherrschen. Ein höherer Zünddruck
bedeutet einen besseren Wirkungsgrad, mehr Leistung und mehr Drehmoment.
Um diese Festigkeitsreserve bei hohen Betriebstemperaturen ausnutzen
zu können, wird
bei niedrigen Temperaturen, wie beispielsweise bei Kühlmitteltemperaturen
bis ca. 5°C,
der Verbrennungsdruck auf einen durch Versuche oder Berechnung ermittelten
Verbrennungsdruckgrenzwert pred durch das
Steuergerät
begrenzt und damit die Belastung reduziert. Wegen der reduzierten
Belastung ist ein geringeres Vorhalten einer Sicherheitsreserve
für Wärmespannungen
notwendig und damit ein stärkeres
Vorspannen der Zylinderkopfschrauben möglich, was einen höheren Verbrennungsdruck
bzw. Zünddruck
erlaubt.