DE19947784A1

DE19947784A1 - Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19947784A1
Application number: DE1999147784
Authority: DE
Inventors: Ulrich Brenner; Udo Sieber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-10-05
Filing date: 1999-10-05
Publication date: 2001-04-12
Anticipated expiration: 2019-10-06
Also published as: WO2001025624A1; DE19947784B4

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem der Kraftstoff direkt in den Brennraum (4) eingespritzt werden kann und bei dem die Brennkraftmaschine (1) einen Luftspeicherraum (X), der über die Ein- und/oder Auslaßventile (5a, 5b) mit einem Brennraum (4) verbunden ist und mit dem Luft unter erhöhtem Druck gespeichert werden kann, aufweist, wobei gleichzeitig zur Kraftstoffeinspritzung durch Öffnen eines Einlaß- und/oder Auslaßventils (5a, 5b) des betreffenden Zylinders (3) die gespeicherte Luft von Luftspeicherraum (X) in den entsprechenden Brennraum (4) geleitet wird und anschließend nach dem Schließen des Einlaß- und/oder Auslaßventils (5a, 5b) der Kraftstoff entzündet wird.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem die Brennkraftmaschine einen in einem Zylinder bewegbaren Kolben und einen von den Zylinder und dem Kolben begrenzten Brennraum aufweist, und wobei der Zylinder über eine Verstelleinrichtung betätigbare Einlaß- und Auslaßventile aufweist und bei dem der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt werden kann.

Zum Starten von mehrzylindrigen Ottomotoren mit direkter Einspritzung sind Verfahren bekannt, die ohne elektromotorischen Starter die Brennkraftmaschine in Bewegung setzen. Hierzu wird in den Brennraum, dessen zugehöriger Kolben in Arbeitsstellung steht, eine für die Verbrennung notwendige Menge Kraftstoff im Stillstand der Brennkraftmaschine eingespritzt und gezündet.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 197 43 492 A1 bekannt. Dort ist ein Steuergerät vorgesehen, mit dem der Kraftstoff entweder in einer ersten Betriebsart während einer Verdichtungsphase oder in einer zweiten Betriebsart während einer Ansaugphase direkt in einen von dem Zylinder und dem Kolben begrenzten Brennraum eingespritzt werden kann. Das Steuergerät ist derart ausgebildet, daß zum Starten der Kraftstoff in einer ersten Einspritzung in denjenigen Brennraum direkt einspritzbar ist, dessen zugehörige Kolben sich in der Arbeitsphase befinden, wobei der Kraftstoff bei der ersten Einspritzung entsprechend einer ersten Betriebsart zugemessen wird.

In der DE 31 17 144 A1 wird eine Vorrichtung beschrieben, die zum Starten der Brennkraftmaschine möglichst wenig elektrische Energie erfordert bzw. mit der ein Start ohne elektromotorischen Starter erreicht wird. Hierbei signalisiert eine Detektorvorrichtung den jeweiligen Kolbenstand des Motors an einen Mikroprozessor. Zum Starten der Brennkraftmaschine bewirkt der Mikroprozessor, daß im Brennraum, dessen zugehöriger Kolben in Arbeitsstellung steht, eine für die Verbrennung notwendige Menge Kraftstoff im Stillstand der Brennkraftmaschine eingespritzt und gezündet wird.

Bei einer ungünstigen Auslaufposition der Brennkraftmaschine kann bei Startbeginn jedoch vorkommen, daß der eingespritzte Kraftstoffstrahl infolge von Penetration fast vollständig in kaum verdampfungsfähigen Kolbenwandfilm übergeht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine zu verbessern.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Der besonders große Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Bildung eines Kolbenwandfilmes während des Starts vermieden wird.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Steuergerät,

Fig. 2 zeigt eine Brennkraftmaschine mit dem erfindungsgemäßen Luftspeicherraum, der im Ausstoßrohr 7 gebildet ist,

Fig. 3 zeigt eine Brennkraftmaschine mit dem erfindungsgemäßen Luftspeicherraum, der im Ausstoßrohr 7 gebildet ist,

Fig. 4 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Luftspeicherraums, der im Ansaugrohr 6 gebildet ist,

Fig. 5 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Luftspeicherraums, der vom Ansaugrohr, dem Ausstoßrohr, und der AGR-Leitung gebildet ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt, bei der ein Kolben 2 in einem Zylinder 3 hin- und her bewegbar ist. Der Zylinder 3 ist mit einem Brennraum 4 versehen, an den über ein Einlaßventil 5a ein Ansaugrohr 6 und über ein Auslaßventil 5b ein Abgasrohr 7 angeschlossen ist. Desweiteren sind dem Brennraum 4 ein mit einem Signal TI ansteuerbares Einspritzventil 8 und eine mit einem Signal ZW ansteuerbare Zündkerze 9 zugeordnet.

Das Ansaugrohr 6 ist mit einem Luftmassensensor 10 und das Abgasrohr 7 mit einem Lambda-Sensor 11 versehen. Der Luftmassensensor 10 mißt die Luftmasse der dem Ansaugrohr 6 zugeführten Frischluft und erzeugt in Abhängigkeit davon ein Signal LM. Der Lambda-Sensor 11 mißt den Sauerstoffgehalt des Abgases in dem Abgasrohr 7 und erzeugt in Abhängigkeit davon ein Signal. In dem Ansaugrohr 6 ist eine Drosselklappe 12 untergebracht, deren Drehstellung mittels eines Signals DK einstellbar ist. Eine AGR-Leitung 20 verbindet das Abgasrohr 7 mit dem Ansaugrohr 6, wodurch aufgrund des höheren Drucks im Abgasrohr 7 Abgase vom Abgasrohr 7 in das Ansaugrohr 6 geleitet werden. Ein AGR- Ventil 21 ist in der AGR-Leitung 20 angeordnet. Mit Hilfe des Signals AGR wird das AGR-Ventil 21 gesteuert und damit auch der Abgasstrom in der AGR-Leitung 20.

Das Abgasrohr 7 ist mit einem Katalysator 18 versehen. Der Katalysator hat die Aufgabe, schädliche Abgaskomponenten wie CO, HC und NOx in CO₂, H₂O und N2 umzuwandeln. Weiterhin weist das Abgasrohr 7 eine Sekundärluftpumpe 22 auf, mit der erreicht wird, daß der Katalysator 18 innerhalb kürzester Zeit seine notwendige Betriebstemperatur erreicht. Hierzu wird ein fetter Motorbetrieb eingestellt, wodurch ein erhöhter Kohlenmonöxid und Wasserstoffanteil im Abgas erzeugt wird, der mit der dicht nach dem Auslaßventil 5b eingebrachten Sekundärluft verbrannt wird. Die frei werdende Wärmeenergie erwärmt somit den Katalysator 18.

In einer ersten Betriebsart, dem Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wird die Drosselklappe 12 weit geöffnet. Der Kraftstoff wird von dem Einspritzventil 8 während einer durch den Kalben 2 hervorgerufenen Verdichtungsphase in den Brennraum 4 eingespritzt. Dann wird mit Hilfe der Zündkerze 9 der Kraftstoff entzündet, so daß der Kolben 2 in der nunmehr folgenden Arbeitsphase durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs angetrieben wird.

In einer zweiten Betriebsart, den Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wird die Drosselklappe 12 in Abhängigkeit von der erwünschten zugeführten Luftmasse teilweise geöffnet bzw. geschlossen. Der Kraftstoff wird von dem Einspritzventil 8 während einer durch den Kolben 2 hervorgerufenen Ansaugphase in den Brennraum 4 eingespritzt. Durch die gleichzeitig angesaugte Luft wird der eingespritzte Kraftstoff verwirbelt und damit in dem Brennraum 4 im wesentlichen gleichmäßig verteilt. Danach wird das Kraftstoff-/Luft-Gemisch während der Verdichtungsphase verdichtet, um dann von der Zündkerze 9 entzündet zu werden. Durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs wird der Kolben 2 angetrieben.

Im Schichtbetrieb wie auch im Homogenbetrieb wird durch den angetriebenen Kolben 2 eine Kurbelwelle 14 in eine Drehbewegung versetzt, über die letztendlich die Räder des Kraftfahrzeugs angetrieben werden. Der Kurbelwelle 14 ist ein Drehzahlsensor 15 zugeordnet, der in Abhängigkeit von der Drehbewegung der Kurbelwelle 14 ein Signal N erzeugt.

Die im Schichtbetrieb und im Homogenbetrieb von dem Einspritzventil 8 in den Brennraum 4 eingespritzte Kraftstoffmasse wird von einem Steuergerät 16 insbesondere im Hinblick auf einen geringen Kraftstoffverbrauch und/oder eine geringe Schadstoffentwicklung gesteuert und/oder geregelt. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 16 mit einem Mikroprozessor versehen, der in einem Speichermedium, insbesondere in einem Read-Only-Memory (ROM) ein Programm abgespeichert hat, das dazu geeignet ist, die gesamte Steuerung und/oder Regelung durchzuführen.

Das Steuergerät 16 ist von Eingangssignalen beaufschlagt, die mittels Sensoren gemessene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 darstellen. Beispielsweise ist das Steuergerät 16 mit dem Luftmassensensor 10, dem Lambda- Sensor 11 und dem Drehzahlsensor 15 verbunden. Desweiteren ist das Steuergerät 16 mit einem Fahrpedalsensor 17 verbunden, der ein Signal FP erzeugt, daß die Stellung eines von einem Fahrer betätigbaren Fahrpedals und damit das von dem Fahrer angeforderte Moment angibt. Das Steuergerät 16 erzeugt Ausgangssignale, mit denen über Aktoren das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 entsprechend der erwünschten Steuerung und/oder Regelung beeinflußt werden kann. Beispielsweise ist das Steuergerät 16 mit dem Einspritzventil 8, der Zündkerze 9, der Drosselklappe 12 und dem AGR-Ventil 21 verbunden und erzeugt die zu deren Ansteuerung erforderlichen Signale TI, ZW, DK und AGR.

Wie aus den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der Fig. 2 hervorgeht, ist zusätzlich zu den in der Beschreibung der Fig. 1 beschriebenen Komponenten eine Klappe 23 in Strömungsrichtung vor dem Katalysator 18 angeordnet.

Alternativ kann die Klappe 23 auch nach dem Katalysator 18 angeordnet werden (in der Fig. 2 mit 23' gekennzeichnet).

Die Klappe 23 kann durch einen dazugehörigen Antrieb beispielsweise auf hydraulischer, elektromotorischer oder elektromagnetischer Basis in zwei Stellungen gebracht werden. In einer ersten Stellung ist die Rohrverbindung zwischen der Sekundärluftpumpe 22 und dem Katalysator 18 geschlossen, in einer zweiten Stellung ist die Rohrverbindung zwischen der Sekundärluftpumpe 22 und dem Katalysator 18 offen. Der Luftspeicherraum X wird durch das Auslaßventil 5b, das Abgasrohr 7, der Klappe 23 und der Sekundärluftpumpe 22 begrenzt.

Zu Startbeginn pumpt die Sekundärluftpumpe 22 bei geschlossenen Ein- und Auslaßventilen 5a und 5b und geöffneter Klappe 23 Frischluft in das Abgassystem zur Spülung eventuell vorhandener Abgasrestanteile. Dann wird die Klappe 23 geschlossen, während die Sekundärluftpumpe 22 weiterhin Frischluft in das Abgassystem pumpt. Hierdurch steigt der Druck im geschlossenen Abgassystem und damit auch im Luftspeicherraum X.

Nach ausreichendem Druckaufbau im Luftspeicherraum X wird in den Brennraum 4 dessen Kolben 2 in Arbeitsstellung steht, eine für die Verbrennung notwendige Menge Kraftstoff über das Einspritzventil 9 eingespritzt und gleichzeitig das Auslaßventil 5b geöffnet. Hierdurch strömt die gespeicherte Luft im Luftspeicherraum X in den Brennraum 4. Die entstehende Luftbewegung im Brennraum 4 sorgt für eine gute Gemischaufbereitung und verhindert die Penetration des Kraftstoffs bis zum Kolbenboden. Nach Einspritzende und ausreichender Luftbewegungsgeneration wird das Auslaßventil 5b wieder geschlossen und die Klappe 23 geöffnet. Danach wird das Kraftstoffgemisch im Brennraum 4 durch die Zündkerze 8 gezündet.

Zur Verstärkung der Luftbewegung kann das Auslaßventil 5b maskiert ausgeführt werden, so daß bei kleinem Auslaßhub der Luftstrahl gerichtet in den Brennraum 4 strömt. Desweiteren ist gegebenenfalls ein Öffnen des Auslaßventils 5b bereits vor dem Einspritzbeginn günstig, so daß der Kraftstoffstrahl bereits auf einer ausreichend bewegte Luftmasse im Brennraum 4 trifft.

Die anfängliche Spülung des Abgassystems kann auch folgendermaßen durchgeführt werden. Zunächst wird die Klappe 23 geschlossen und die Ein- und Auslaßventile 5a und 5b des ersten zu befeuerten Zylinder geöffnet. Danach pumpt die Sekundärluftpumpe 22 Frischluft in das Abgassystem. Nach der erfolgen Spülung des Abgassystems werden die Ein- und Auslaßventile 5a, 5b dieses Zylinders wieder geschlossen. Das beschriebene Verfahren ermöglicht darüber hinaus bei einem Ausbleiben der Zündung eine Wiederholung des Startvorgangs nach einer erneuten Spülung des Brennraums 4 mit Frischluft.

Das Ausführungsbeispiel in Fig. 3 entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2. Hier ist noch die Verstelleinrichtung 24a, 24b dargestellt, mit der die Ein- und Auslaßventile 5a, 5b betätigbar sind.

Beispielsweise kann die Verstelleinrichtung 24a, 24b als verstellbare Auslaß- bzw. Einlaßnockenwelle ausgebildet sein. Durch eine axiale Verschiebung der Auslaß- bzw. Einlaßnockenwelle wird der Hub der Ein- und/oder Auslaßventile 5a, 5b verstellt, wodurch die Schließ- und Öffnungszeiten der Ein- und Auslaßventile 5a, 5b weitgehend frei einstellbar sind. Dieses System wird im Folgenden als VANOS-System bezeichnet.

Weiterhin können die Einlaß- und Auslaßventile 5a, 5b beispielsweise mit einem nockenwellenfreien elektromagnetischen Ventiltrieb (EMVS) oder nockenwellenfreien elektrohydraulischen Ventiltrieb (EHVS) im Stillstand der Brennkraftmaschine 1 beliebig und unabhängig von der Kurbelwellenstellung verstellt werden.

Wie aus dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 hervorgeht, weist das Ansaugrohr 6 einen Kompressor 25 auf. Der Kompressor 25 ist in Strömungsrichtung vor der Drosselklappe 12 angeordnet. Der Luftspeicherraum X wird in diesem Ausführungsbeispiel durch den Kompressor 25, dem Ansaugrohr 6 und dem Einlaßventil 5a begrenzt. Für ein erstes Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 4 wird vorausgesetzt, daß der Kompressor 25 bereits vor Startbeginn Luft fördern kann. Das kann mit Hilfe eines geeigneten elektromotorischen oder -hydraulischen Antriebs erreicht werden.

Zu Startbeginn pumpt der Kompressor 25 bei geöffneter Drosselklappe 12 Frischluft in den Luftspeicherraum 12 bzw. in den Einlaßtrakt. Danach wird das Einlaßventil 5a geöffnet. Durch das geöffnete Einlaßventil 5a des zugehörigen Zylinders strömt die geförderte Luft in den dazugehörigen Brennraum 4. Gleichzeitig wird in den Brennraum 4 eine für die Verbrennung notwendige Menge Kraftstoff über das Einspritzventil 9 eingespritzt. Die Luftbewegung im Brennraum 4 sorgt für eine gute Gemischaufbereitung und verhindert die Penetration des Kraftstoffs bis zum Kolbenboden. Nach Einspritzende und ausreichender Luftbewegungsgeneration wird das Einlaßventil 5a geschlossen. Danach wird das Kraftstoffgemisch im Brennraum 4 durch die Zündkerze 8 gezündet.

Wie in einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel in der Fig. 5 dargestellt, wird der Luftspeicherraum X von der Drosselklappe 12, dem Ansaugrohr 6, dem Einlaßventil 5a, dem Auslaßventil 5b, der Klappe 23, dem Abgasrohr 7, der Sekundärluftpumpe 22 und der AGR-Leitung 20 begrenzt.

Alternativ kann die Klappe 23 auch hinter dem Katalysator 18 angeordnet sein. Die Klappe 23 kann mit Hilfe eines entsprechenden Antriebs beispielsweise auf hydraulischer, elektromotorischer oder elektromagnetischer Basis in zwei Stellungen gebracht werden. In der ersten Stellung ist das Abgasrohr 7 geschlossen und in der zweiten Stellung geöffnet.

Zu Startbeginn pumpt die Sekundärluftpumpe 22 bei geöffneter Klappe 23 und geschlossenem AGR-Ventil 21 Frischluft in das Abgassystem zur Spülung eventuell vorhandener Abgasrestanteile. Danach wird die Klappe 23 geschlossen, das AGR-Ventil geöffnet und - soweit noch nicht geschehen - wird die Drosselklappe 12 geschlossen, während die Sekundärluftpumpe 22 weiterhin Frischluft in das Abgassystem pumpt. Hierdurch strömt die geförderte Luft über das AGR- Ventil 21 und die AGR-Leitung 20 in das Ansaugrohr 6. Im Luftspeicherraum X wird die von der Sekundärluftpumpe 22 geförderte Luft komprimiert. Danach wird das Einlaßventil 5a des im Ansaugtakt dazugehörigen stehenden Zylinders geöffnet wodurch Frischluft in den Brennraum 4 strömt. Gleichzeitig wird eine für die Verbrennung notwendige Menge Kraftstoff über das Einspritzventil 9 eingespritzt. Die sich einstellende Luftbewegung im Brennraum 4 sorgt für eine gute Gemischaufbereitung und verhindert die Penetration des Kraftstoff bis zum Kolbenboden. Nach Einspritzende und ausreichende Luftbewegungsgeneration wird das Einlaßventil 5a geschlossen. Danach wird das Kraftstoffgemisch im Brennraum 4 gezündet.

Gegebenenfalls ist ein Öffnen des Einlaßventils 5a bereits auf eine ausreichend bewegte Luftmasse im Brennraum 4 trifft.

Claims

1. Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem die Brennkraftmaschine (1) einen in einem Zylinder (3) bewegbaren Kolben (2) und einen von dem Zylinder (3) und dem Kolben (2) begrenzten Brennraum (4) aufweist, und wobei der Zylinder (3) über eine Verstelleinrichtung (24a, 24b) betätigbare Einlaß- und Auslaßventile (5a, 5b) aufweist,

- und die Brennkraftmaschine (1) einen Luftspeicherraum (X), der über die Ein- und/oder Auslaßventile (5a, 5b) mit dem Brennraum (4) verbunden ist und mit dem Luft unter erhöhtem Druck gespeichert werden kann, aufweist,
- und bei dem der Kraftstoff direkt in den Brennraum (4) eingespritzt werden kann,
- und bei dem der Kraftstoff im Stillstand der Brennkraftmaschine (1) in einer ersten Einspritzung in denjenigen Brennraum (4) direkt eingespritzt wird, dessen zugehöriger Kolben (2) sich in der Arbeitsphase befindet,

wobei,

- gleichzeitig zur Kraftstoffeinspritzung durch Öffnen des Einlaß- und/oder Auslaßventils (5a, 5b) des betreffenden Zylinders (3) die gespeicherte Luft vom Luftspeicherraum (X) in den entsprechenden Brennraum (4) geleitet wird
- und anschließend nach dem Schließen des Einlaß- und/oder Auslaßventils (5a, 5b) der Kraftstoff entzündet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Luft mit Hilfe einer Sekundärluftpumpe (22) in den Luftspeicherraum (X) eingefüllt und verdichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Luft mit Hilfe eines Kompressors (25) in den Luftspeicherraum (X) eingefüllt und verdichtet wird.

4. Vorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs,
bei dem die Brennkraftmaschine (1) einen in einem Zylinder (3) bewegbaren Kolben (2) und einen von dem Zylinder (3) und dem Kolben (2) begrenzten Brennraum (4) aufweist, und mit Mitteln zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Brennraum (4) der Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, daß
der Zylinder (3) über eine Verstelleinrichtung (24a, 24b) betätigbare Einlaß- und Auslaßventile (5a, 5b) und die Brennkraftmaschine (1) einen Luftspeicherraum (X), der über die Ein- und/oder Auslaßventile (5a, 5b) mit dem Brennraum (4) verbunden ist, aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (24a, 24b) elektrisch und/oder hydraulisch arbeitet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspeicherraum (X) wenigstens vom Auslaßventil (5b), einem Abgasrohr (7) und einer Luftklappe (23, 23') gebildet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftklappe (23, 23') stromaufwärts und/oder stromabwärts von einem Katalysator (18) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspeicherraum (X) wenigstens vom Ein- und Auslaßventil (5a, 5b), einem Ansaugrohr (6), einem Abgasrohr (7), einer Drosselklappe (12), einer Luftklappe (23) und einer AGR-Leitung (20) gebildet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspeicherraum (X) wenigstens vom Einlaßventil (5a), einem Ansaugrohr (6) und einem Kompressor (25) gebildet wird.