-
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 311 71 44 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.
-
Aus
der
DE 32 29 961 A1 ist
eine Starteinrichtung für
eine mehrzylindrige, vorzugsweise im 4-Taktverfahren arbeitende
Verbrennungskraftmaschine bekannt, wobei in zwei oder mehr Verbrennungsräume einer
Verbrennungskraftmaschine Kraftstoff eingebracht und eine Zündung in
den entsprechenden Verbrennungsräumen
bewirkt wird.
-
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 Kolbenswandfilmes 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.
-
Die 1 zeigt
schematisch eine Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem
Steuergerät.
-
Die 2 zeigt
eine Brennkraftmaschine mit dem erfindungsgemäßen Luftspeicherraum, der im Ausstoßrohr 7 gebildet
ist.
-
Die 3 zeigt
eine Brennkraftmaschine mit dem erfindungsgemäßen Luftspeicherraum, der im Ausstoßrohr 7 gebildet
ist.
-
Die 4 zeigt
schematisch eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Luftspeicherraums,
der im Ansaugrohr 6 gebildet ist.
-
Die 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 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. Des Weiteren 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 λ.
In dem Ansaugrohr 6 ist eine Drosselklappe 12 untergebracht, deren
Drehstellung mittels eines Signals DK einstellbar ist. Eine Abgasrückführ-(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 Abgasrückführ-(AGR-)Ventil 21 ist
in der AGR-Leitung 20 ange ordnet. 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 Kohlenmonoxid 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 Kolben 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. Des Weiteren ist das Steuergerät 16 mit
einem Fahrpedalsensor 17 verbunden, der ein Signal FP erzeugt,
das 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 2 hervorgeht, ist zusätzlich zu den in der Beschreibung
der 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 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 Abgassys tem 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. Des
Weiteren 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 befeuernden Zylinders 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 3 entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel
von 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 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, das Ansaugrohr 6 und das Einlassventil 5a begrenzt.
Für ein
erstes Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel
in 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 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,
elektromo torischer 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 Ge mischaufbereitung und verhindert die Penetration des Kraftstoffs bis
zum Kolben boden. Nach Einspritzende und ausreichender Luftbewegungsgeneration
wird das Einlassventil 5a geschlossen. Danach wird das
Kraftstoffgemisch im Brennraum 4 gezündet.