EP1464832A1 - Verfahren zum Anlassen einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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EP1464832A1
EP1464832A1 EP03100843A EP03100843A EP1464832A1 EP 1464832 A1 EP1464832 A1 EP 1464832A1 EP 03100843 A EP03100843 A EP 03100843A EP 03100843 A EP03100843 A EP 03100843A EP 1464832 A1 EP1464832 A1 EP 1464832A1
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EP
European Patent Office
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internal combustion
combustion engine
working cylinder
cylinder
oxygen concentration
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Klemens Grieser
Ulrich Kramer
Klaus Badke
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Ford Global Technologies LLC
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Publication date
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    • F02D2200/04—Engine intake system parameters
    • F02D2200/0406—Intake manifold pressure

Definitions

  • the invention relates to a method for starting an internal combustion engine, preferably an internal combustion engine with direct injection.
  • the invention further relates to an internal combustion engine designed to carry out such a method.
  • DE 198 35 045 C2 discloses a method for starting an internal combustion engine by igniting an air-fuel mixture in a cylinder ("Working cylinder"), the pistons of which stop when the internal combustion engine is at a standstill a working cycle position.
  • the should be inside the working cylinder contained air volume can be estimated based on various sensor data. It however, it is not specified in detail how this should be done. It is also with disadvantageous in such a procedure that, for example, due to residual exhaust gases Knowing the amount of air in the cylinder alone is not sufficient for a subsequent one Being able to control combustion optimally.
  • the method according to the invention is used to start an internal combustion engine, which in particular can be an internal combustion engine with direct injection of the fuel into the combustion chamber (cylinder) and with spark ignition.
  • the combustion of an air / fuel mixture is carried out in the first working cycle of the piston of at least one cylinder of the internal combustion engine, which is referred to below as the "working cylinder", which occurs during the starting phase of the internal combustion engine.
  • the method according to the invention is characterized in that the oxygen concentration in the working cylinder is determined before the starting phase of the internal combustion engine, and in that a quantity of fuel to be burned is metered in as a function of the determined value.
  • the oxygen concentration is preferably expressed as a relative quantity which describes the proportion of pure oxygen O 2 in the gas mixture in the working cylinder, this proportion in mass percentages, volume percentages. Mole percentages can be expressed as partial pressure or as another suitable size. Such a relative value is independent of the volume of the combustion chamber.
  • the necessary and sufficient for good combustion Amount of fuel determined very precisely and then z. B. by direct injection be fed to the working cylinder.
  • the mechanical energy from the combustion can for example to be used to the internal combustion engine without another auxiliary unit (Starter engine etc.) solely by igniting the air-fuel mixture to start in the working cylinder, whereby the piston of the working cylinder is at The internal combustion engine is at a standstill in one work cycle (expansion cycle) got to.
  • the combustion can only be supportive during the start phase act for starting the internal combustion engine with an auxiliary unit. This made it possible e.g. B., a less powerful and therefore cheaper Auxiliary unit to use.
  • the acid concentration can also be measured in the compression cylinder with this method are determined, with the help of which the actual starting process upstream reverse rotation according to DE0010020325A1, to improve starting can be initiated.
  • the determined oxygen concentration is preferably used to from this the absolute amount of oxygen (e.g. as mass value or as number of moles) in Determine working cylinder at the start of the start phase. From the amount of oxygen can then directly supply the amount of fuel for a stoichiometric Combustion can be calculated.
  • the absolute amount of oxygen from the oxygen concentration can advantageously start anyway variables measured in an internal combustion engine, such as the crankshaft angle, atmospheric pressure and / or engine temperature (or coolant temperature) be used.
  • the assessment is carried out in order to minimize the effort for data processing the oxygen concentration preferably based on an average and / or due to an accumulated, that is, summed up or integrated value of the sizes mentioned (internal cylinder pressure, intake pressure and / or air mass flow).
  • the measurement of the suction pressure can preferably be carried out at the lower one Dead center of the piston of the working cylinder take place.
  • the invention further relates to an internal combustion engine, preferably one Internal combustion engine with direct injection and spark ignition, which thereby is characterized in that they carry out a method of the above Art is set up.
  • the internal combustion engine can be controlled by an engine be equipped, which is programmed so that it the oxygen concentration in the working cylinder of the internal combustion engine for the calculation of the to be metered Amount of fuel for the first combustion in the working cylinder during used in the start-up phase.
  • the internal combustion engine can continue with the Engine control coupled sensors for the air mass flow in the intake manifold, for the intake pressure and / or for the cylinder internal pressure to get out of these Sizes to determine the oxygen concentration.
  • the internal combustion engine 10 shown in FIG. 1 is a Internal combustion engine with direct injection of petrol into the cylinder 3 leading fuel supply 6.
  • a direct injection engine has the Advantage that he by ignition of the air-fuel mixture in the cylinders 3rd can be started directly without an additional starter motor the crankshaft must drive during a starting phase.
  • the (foreign or Self-) ignition of an air-fuel mixture during the starting phase however also only to support a starter (starter motor) to make the starting process to accelerate (“Quick Start”), to be able to design the starter smaller, and to improve the comfort behavior of the conventional start.
  • a supported start is already from the first revolution or Fuel injected from the first expansion stroke of a piston and ignited.
  • the internal combustion engine 10 also has an intake manifold 2 for supplying fresh air, the supply rate of which can be adjusted via a throttle valve 1.
  • An air mass flow sensor 8 is arranged upstream of the throttle valve and transmits a signal representing the air mass flow MAF to an engine control unit 7, which can be implemented, for example, by a microprocessor.
  • a pressure sensor 9 for the intake pressure p man is arranged downstream of the throttle valve 1, the signal of which is also passed to the engine control 7.
  • pressure sensors 4 for the internal cylinder pressure p cyl are provided in the cylinders 3 of the internal combustion engine, which transmit their signals to the engine control 7.
  • the exhaust gases from the cylinders 3 of the internal combustion engine 10 are from a Exhaust manifold 5 passed into an exhaust system, not shown.
  • an exhaust gas recirculation system an exhaust gas turbocharger, a catalytic converter and the like, which are not shown in FIG. 1 are.
  • the engine control 7 receives the above and a number of other sensory ones Information (e.g. engine speed, coolant temperature, the ambient pressure etc.) and calculates control commands for different ones Components of the internal combustion engine.
  • Figure 1 is only the output of the engine control unit 7 to the fuel injection system 6 is shown, Via which the engine control unit 7 controls the fuel injection (time, duration, fuel quantity, Fuel pressure) can control.
  • the absolute amount of oxygen in the working cylinder 3 depends on the volume of the combustion chamber formed by the cylinder walls and the piston (and thus the position of the crankshaft), on the air density, and on the oxygen concentration c 0 of the cylinder charge.
  • the absolute crankshaft position can easily be determined by an angle sensor or a similar device.
  • the air density can be determined by the pressure and the temperature in the working cylinder, the pressure being approximately equal to the ambient pressure (atmospheric pressure) and therefore easily predictable, while the temperature can be approximated by the coolant temperature, which is usually monitored by an appropriate temperature sensor.
  • the continuously recorded measurement data of the cylinder internal pressure p cyl , the intake pressure p man and / or the air mass flow MAF can be used during the stopping phase of the engine. Alternatively, only a few data can be used at predefined positions of the camshaft or crankshaft. Due to the typically limited resources of computing capacity in the engine controller 7 (FIG. 1), a prediction of the oxygen concentration c 0 by selecting only a few data of the internal cylinder pressure, the intake pressure and / or the air mass flow at predefined crankshaft angles is advantageous, since this can minimize the computing effort.
  • FIG. 2 shows the course over time of the intake pressure p man , the engine speed n and the internal cylinder pressure p cyl for a working cylinder (solid line) and the remaining three cylinders (dotted lines) of the internal combustion engine 10 during a phase-out phase that occurred at time 0 ( "off") begins with the switching off of the fuel supply and / or the ignition.
  • the points in time TDC1, TDC2 and TDC3 in the figure are indicated by dashed lines, at which the piston of the working cylinder of the internal combustion engine passes top dead center for the first, second and third (and last) times in the phase-out phase.
  • the preceding passage of the piston through the bottom dead center is marked with BDC1, BDC2 and BDC3.
  • p cyl1 , p cyl2 and p cyl3 the measured values of the internal cylinder pressure p cyl in the working cylinder at the first times TDC1, TDC2 and TDC3.
  • FIG. 3 shows schematically the relationship between the oxygen concentration c o and the mean cylinder pressure ⁇ p cyl >.
  • Such a relationship can be determined empirically and, for example, recorded in a lookup table or a mathematical approximation function in order to be available to the engine control system.
  • FIG. 2 it is also indicated that the intake pressure p man can be recorded each time the bottom dead center BDC1, BDC2, BDC3 is passed during the phase-out of the internal combustion engine.
  • This mean value can then be converted into an oxygen concentration c o on the basis of the relationship shown schematically in FIG.
  • the internal cylinder pressure p cyl and the intake pressure p man can also be used in combination to estimate the oxygen concentration c o in the working cylinder.
  • the measured or calculated data of the air mass flow MAF (on average or cumulatively) could also be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anlassen einer Brennkraftmaschine (10), bei welchem durch Messung des Zylinderinnendruckes (pcyl), des Ansaugdruckes (pman) und/oder des Luftmassenflusses (MAF) im Ansaugkrümmer (2) die Sauerstoffkonzentration im Arbeitszylinder (3) der Brennkraftmaschine abgeschätzt wird. Zur Begrenzung des Rechenaufwandes erfolgt die Messung der genannten Größen vorzugsweise nur bei ausgewählten Kurbelwellenwinkeln, z. B. bei einem oberen beziehungsweise unteren Totpunkt eines Kolbens. Die genaue Kenntnis der Sauerstoffkonzentration ermöglicht eine optimale Zumessung des während der Startphase der Brennkraftmaschine injizierten Kraftstoffes, wobei durch die Verbrennung in der Startphase der Startvorgang unterstützt beziehungsweise ohne Startermotor ausgeführt wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anlassen einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung. Ferner betrifft die Erfindung eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens ausgebildete Brennkraftmaschine.
Zur Verbesserung der Kraftstoffausnutzung in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor erfolgt häufig anstelle eines Leerlaufbetriebes ein vollständiges Abstellen des Motors, wenn keine Antriebsleistung benötigt wird. Der Motor muß dann neu angelassen werden, wenn seine Leistung wieder benötigt wird. Für das Anlassen weisen herkömmliche Brennkraftmaschinen spezielle Hilfsaggregate wie etwa einen Anlassermotor oder einen als Motor einsetzbaren Generator (sogen. Startergenerator) auf. Hierbei handelt es sich um verhältnismäßig große und kostenaufwändige Einrichtungen, da für das Anlassen des Verbrennungsmotors eine hohe elektrische Leistung erforderlich ist.
Darüber hinaus ist es bekannt, eine Brennkraftmaschine durch Auslösen einer Verbrennung anzulassen. Dies ist insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit Funkenzündung und Direkteinspritzung möglich. Der direkt in die Brennkammer eingespritzte Kraftstoff wird dabei durch einen Funken gezündet, und die anschließende Explosion des Luft-Kraftstoff-Gemisches bewegt den Kolben und startet den Motor, ohne daß die Kurbelwelle durch ein zusätzliches Hilfsaggregat bewegt werden müßte. Ein derartiges direktes Anlassen des Motors erfordert bestimmte Randbedingungen, um erfolgreich durchgeführt werden zu können. Insbesondere ist es erforderlich bzw. vorteilhaft, daß die Kurbelwelle zu Beginn des Anlassens in oder nahe einer bestimmten Position steht.
Bei einer Kombination obiger Methoden erfolgt während des Anlassens einer Brennkraftmaschine durch einen Startermotor bereits früh bzw. von Anfang an eine Einspritzung und Verbrennung in den Zylindern, um hierdurch den Anlasser zu unterstützen.
Die DE 198 35 045 C2 offenbart ein Verfahren zum Anlassen einer Brennkraftmaschine durch die Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Zylinder ("Arbeitszylinder"), dessen Kolben sich beim Stillstand der Brennkraftmaschine in einer Arbeitstaktstellung befindet. Dabei soll die innerhalb des Arbeitszylinders enthaltene Luftmenge aufgrund verschiedener Sensordaten geschätzt werden. Es wird jedoch nicht im Einzelnen angegeben, wie dies geschehen soll. Femer ist bei einem derartigen Vorgehen nachteilig, daß zum Beispiel aufgrund von Restabgasen im Zylinder die Kenntnis der Luftmenge allein nicht ausreicht, um eine nachfolgende Verbrennung optimal steuern zu können. Dies gilt nicht nur für den im Expansionstakt befindlichen Arbeitszylinder, sondem auch für einen im Kompressionstakt befindlichen Zylinder, der gemäß DE0010020325A1 und DE0019955857A1 durch Zündung des in diesem Zylinder befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches zum Rückdrehen der Brennkraftmaschine benutzt wird. Das Rückdrehen (Drehung gegen Motordrehrichtung) ist dem eigentlichen Motorstart (Drehung in Motordrehrichtung) vorgeschaltet und dient der Komprimierung des Expansionszylinderluftgehaltes und damit der Verbesserung der Starteigenschaften.
Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel für eine einfache und aussagekräftige Ermittlung der Ausgangsbedingungen für die Startphase einer Brennkraftmaschine bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Anlassen einer Brennkraftmaschine, bei welcher es sich insbesondere um eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung des Kraftstoffes in die Brennkammem (Zylinder) und mit Fremdzündung handeln kann. Bei dem Verfahren wird im ersten während der Startphase der Brennkraftmaschine auftretenden Arbeitstakt des Kolbens mindestens eines Zylinders der Brennkraftmaschine, welcher nachfolgend als "Arbeitszylinder" bezeichnet wird, die Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß vor der Startphase der Brennkraftmaschine die Sauerstoffkonzentration im Arbeitszylinder ermittelt wird, und daß in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert eine zu verbrennende Kraftstoffmenge zugemessen wird. Die Sauerstoffkonzentration wird dabei vorzugsweise als relative Größe ausgedrückt, die den Anteil reinen Sauerstoffs O2 an der im Arbeitszylinder befindlichen Gasmischung beschreibt, wobei dieser Anteil in Massenprozenten, Volumenprozenten. Molprozenten, als Partialdruck oder als eine andere geeignete Größe ausgedrückt werden kann. Ein solcher Relativwert ist vom Volumen der Brennkammer unabhängig.
Durch die Berücksichtigung der Sauerstoffkonzentration im Arbeitszylinder kann bei dem Verfahren die für eine gute Verbrennung erforderliche und ausreichende Menge an Kraftstoff sehr genau ermittelt und anschließend z. B. durch Direkteinspritzung dem Arbeitszylinder zugeführt werden. Hierdurch wird einerseits eine maximale Energieausbeute gewährleistet, da der gesamte zur Verfügung stehende Sauerstoff für eine Verbrennung ausgenutzt werden kann, andererseits werden jedoch schädliche Emissionen vermieden, die durch überschüssigen Kraftstoff entstehen würden. Die mechanische Energie aus der Verbrennung kann zum Beispiel dazu ausgenutzt werden, die Brennkraftmaschine ohne ein weiteres Hilfsaggregat (Startermotor etc.) allein durch die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches im Arbeitszylinder anzulassen, wobei der Kolben des Arbeitszylinders sich beim Stillstand der Brennkraftmaschine in einem Arbeitstakt (Expansionstakt) befinden muß. Alternativ kann die Verbrennung während der Startphase auch nur unterstützend für das Anlassen der Brennkraftmaschine mit einem Hilfsaggregat wirken. Dies ermöglichte es z. B., ein leistungsschwächeres und damit kostengünstigeres Hilfsaggregat zu verwenden.
Zudem kann die Sauerkonzentration mit diesem Verfahren auch im Kompressionszylinder ermittelt werden, mit Hilfe dessen eine dem eigentlichen Startvorgang vorgeschaltete Rückdrehbewegung gemäß DE0010020325A1, zur Startverbesserung eingeleitet werden kann.
Vorzugsweise wird die ermittelte Sauerstoffkonzentration dazu verwendet, um hieraus die absolute Sauerstoffmenge (z. B. als Massenwert oder als Molzahl) im Arbeitszylinder zu Beginn der Startphase zu ermitteln. Aus der Sauerstoffmenge kann dann unmittelbar die zuzuführende Kraftstoffmenge für eine stöchiometrische Verbrennung berechnet werden. Für die Berechnung der absoluten Sauerstoffmenge aus der Sauerstoffkonzentration kann vorteilhafterweise auf ohnehin an einer Brennkraftmaschine gemessene Größen wie beispielsweise den Kurbelwellenwinkel, den Atmosphärendruck und/oder die Motortemperatur (bzw. Kühlmitteltemperatur) zurückgegriffen werden.
Die Ermittlung der Sauerstoffkonzentration im Arbeitszylinder erfolgt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens auf der Basis der Messung mindestens einer der nachfolgend aufgezählten Größen während des Auslaufens der Brennkraftmaschine (das heißt im Zeitraum vom Abstellen der Zündung und/oder der Kraftstoffzufuhr bis zum Stillstand der Brennkraftmaschine):
  • Zylinderinnendruck im Arbeitszylinder;
  • Ansaugdruck im Ansaugkrümmer der Brennkraftmaschine;
  • Luftmassenfluß im Ansaugkrümmer der Brennkraftmaschine.
Allen drei genannten Größen ist gemeinsam, daß sie in der Regel ohnehin bei einer Brennkraftmaschine durch entsprechende Sensoren gemessen werden beziehungsweise daß sie gegebenenfalls leicht aus gemessenen Größen ermittelbar sind.
Um den Aufwand für die Datenverarbeitung zu minimieren, erfolgt die Abschätzung der Sauerstoffkonzentration vorzugsweise aufgrund eines Mittelwertes und/oder aufgrund eines akkumulierten, das heißt aufsummierten beziehungsweise integrierten Wertes der genannten Größen (Zylinderinnendruck, Ansaugdruck und/oder Luftmassenfluß).
Zur weiteren Verringerung des Aufwandes für die Datenverarbeitung kann die Messung der Größen Zylinderinnendruck, Ansaugdruck und/oder Luftmassenfluß nur bei vorgegebenen Stellungen der Kurbelwelle erfolgen. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Winkelstellungen der Kurbelwelle, die dem unteren und/oder oberen Totpunkt des Kolbens eines Zylinders, vorzugsweise des Arbeitszylinders, entsprechen. Auf diese Weise werden die genannten Größen nur zu verhältnismäßig wenigen, jedoch besonders charakteristischen Zeitpunkten während der Auslaufphase der Brennkraftmaschine abgetastet.
Insbesondere kann der Zylinderinnendruck während der Auslaufphase der Brennkraftmaschine beim oberen Totpunkt des Kolbens des Arbeitszylinders, in dem während der Startphase die erste Verbrennung stattfindet, gemessen werden. Weiterhin kann die Messung des Ansaugdruckes vorzugsweise jeweils beim unteren Totpunkt des Kolbens des Arbeitszylinders erfolgen.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine, vorzugsweise eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und Fremdzündung, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß sie zur Durchführung eines Verfahrens der oben erläuterten Art eingerichtet ist. Insbesondere kann die Brennkraftmaschine mit einer Motorsteuerung ausgerüstet sein, die derart programmiert ist, daß sie die Sauerstoffkonzentration im Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine zur Berechnung der zuzumessenden Kraftstoffmenge für die erste Verbrennung im Arbeitszylinder während der Startphase verwendet. Die Brennkraftmaschine kann weiterhin mit der Motorsteuerung gekoppelte Sensoren für den Luftmassenfluß im Ansaugkrümmer, für den Ansaugdruck und/oder für den Zylinderinnendruck aufweisen, um aus diesen Größen die Sauerstoffkonzentration zu ermitteln.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1
schematisch die Komponenten einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, bei welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann;
Fig. 2
die zeitlichen Verläufe des Ansaugdruckes, der Motordrehzahl, sowie verschiedener Zylinderinnendrücke beim Auslaufen einer Brennkraftmaschine;
Fig. 3
den Zusammenhang zwischen der Sauerstoffkonzentration und dem mittleren Zylinderinnendruck während der Auslaufphase einer Brennkraftmaschine, und
Fig. 4
den Zusammenhang zwischen der Sauerstoffkonzentration und dem mittleren Ansaugdruck während der Auslaufphase einer Brennkraftmaschine.
Bei der in Figur 1 dargestellten Brennkraftmaschine 10 handelt es sich um einen Verbrennungsmotor mit direkter Einspritzung von Benzin über eine in die Zylinder 3 führende Kraftstoffzufuhr 6. Ein solcher Motor mit Direkteinspritzung hat den Vorteil, daß er durch Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in den Zylindern 3 direkt gestartet werden kann, ohne daß ein zusätzlicher Startermotor die Kurbelwelle während einer Anlaßphase antreiben muß. Alternativ kann die (Fremd- oder Selbst-) Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches während der Startphase jedoch auch nur zur Unterstützung eines Anlassers (Startermotor) erfolgen, um den Startvorgang zu beschleunigen ("Quick Start"), den Anlasser kleiner auslegen zu können, und um das Komfortverhalten des konventionellen Starts zu verbessern. Bei einem solchen unterstützten Start wird bereits ab der ersten Umdrehung beziehungsweise ab dem ersten Expansionshub eines Kolbens Kraftstoff eingespritzt und gezündet.
Die Brennkraftmaschine 10 weist ferner einen Ansaugkrümmer 2 zur Zufuhr von Frischluft auf, wobei deren Zufuhrrate über eine Drosselklappe 1 eingestellt werden kann. Stromaufwärts der Drosselklappe ist ein Luftmassenfluß-Sensor 8 angeordnet, welcher ein den Luftmassenfluß MAF repräsentierendes Signal an eine Motorsteuerung 7, die z.B. durch einen Mikroprozessor realisiert sein kann, übermittelt. Stromabwärts der Drosselklappe 1 ist ein Drucksensor 9 für den Ansaugdruck pman angeordnet, dessen Signal ebenfalls an die Motorsteuerung 7 geleitet wird. Schließlich sind in den Zylindern 3 der Brennkraftmaschine jeweils Drucksensoren 4 für den Zylinderinnendruck pcyl vorgesehen, welche ihre Signale der Motorsteuerung 7 übermitteln.
Die Abgase aus den Zylindern 3 der Brennkraftmaschine 10 werden von einem Abgaskrümmer 5 in ein nicht näher dargestelltes Abgassystem geleitet. Selbstverständlich kann die Brennkraftmaschine mit weiteren bekannten Komponenten wie beispielsweise einer Abgasrückführung, einem Abgasturbolader, einem Katalysator und dergleichen ausgerüstet sein, welche in Figur 1 nicht näher dargestellt sind.
Die Motorsteuerung 7 empfängt die genannten und eine Reihe weiterer sensorischer Informationen (beispielsweise die Motordrehzahl, die Kühlmitteltemperatur, den Umgebungsdruck etc.) und berechnet hieraus Steuerkommandos für verschiedene Komponenten der Brennkraftmaschine. In Figur 1 ist diesbezüglich nur der Ausgang der Motorsteuerung 7 zum Kraftstoffinjektionssystem 6 dargestellt, über welchen die Motorsteuerung 7 die Kraftstoffinjektion (Zeitpunkt, Dauer, Kraftstoffmenge, Kraftstoffdruck) steuern kann.
Um die Brennkraftmaschine 10 nach einem Stillstand erfolgreich direkt (d. h. ohne Hilfsaggregat) starten zu können oder um einen Start durch frühe Zündungen in der Startphase unterstützen zu können, ist die Einhaltung beziehungsweise Kenntnis einer Reihe von Randbedingungen erforderlich. Eine der vorteilhafterweise zu kennenden Bedingungen ist der Sauerstoffgehalt in dem Arbeitszylinder 3 oder den Arbeitszylindern. Als "Arbeitszylinder" werden dabei alle Zylinder bezeichnet, deren Ventile zu Beginn der Startphase geschlossen sind und deren Ventile bis zur Kraftstoffgemischzündung im jeweiligen Zylinder nicht mehr geöffnet werden. Die Kolben der Arbeitszylinder befinden sich entweder in einer Position (kurz) hinter dem oberen Totpunkt, also in der Stellung eines Arbeits- oder Expansionstaktes oder, bei vorgeschaltetem Rückdrehen, kurz vor dem oberen Totpunkt, also im Kompressionstakt . Aufgrund der geschlossenen Ventile bleibt die in einem Arbeitszylinder vorhandene Gasfüllung erhalten. Die absolute Sauerstoffmenge im Arbeitszylinder bestimmt die maximale Kraftstoffmenge, die dort verbrannt werden kann und damit die maximale Energiemenge, welche zur Bewegung der Kurbelwelle über den nachfolgenden oberen Totpunkt hinweg ausgenutzt werden kann.
Die absolute Sauerstoffmenge im Arbeitszylinder 3 hängt von dem Volumen der durch die Zylinderwände und den Kolben gebildeten Brennkammer (und damit der Position der Kurbelwelle), von der Luftdichte, und von der Sauerstoffkonzentration c0 der Zylinderladung ab. Die absolute Kurbelwellenposition kann dabei leicht durch einen Winkelsensor oder eine ähnliche Einrichtung bestimmt werden. Die Luftdichte kann durch den Druck und die Temperatur im Arbeitszylinder bestimmt werden, wobei der Druck annähernd gleich dem Umgebungsdruck (Atmosphärendruck) und daher leicht vorhersagbar ist, während die Temperatur durch die Kühlmitteltemperatur angenähert werden kann, welche üblicherweise durch einen entsprechenden Temperatursensor überwacht wird.
Eine direkte Messung der Sauerstoffkonzentration co in den Arbeitszylindern ist dagegen nicht in einfacher Weise möglich. Entsprechende robuste und einfach ausgelegte Sensoren zur Messung der Sauerstoffkonzentration in einer Brennkammer sind nicht verfügbar. Andererseits ist es für den Erfolg und die Qualität eines Direktstarts ohne Hilfsaggregate beziehungsweise eines unterstützten Starts mit Hilfsaggregaten wichtig, den Sauerstoffgehalt und damit die Sauerstoffkonzentration im Arbeitszylinder zu kennen, um die zu injizierende Kraftstoffmenge möglichst genau bestimmen zu können. Falls der Sauerstoffgehalt unterschätzt würde, würde nämlich zu wenig Kraftstoff injiziert und damit die verfügbare Energie nicht ausgeschöpft. Bei einer Überschätzung des Sauerstoffgehaltes würde dagegen zuviel Kraftstoff injiziert, was zu erhöhten Emissionen von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid führt. Weiterhin kann eine Fehleinschätzung der Sauerstoffmenge auch zu einer falschen Vorhersage darüber führen, ob ein Direktstart erfolgreich möglich ist oder nicht.
Zur Lösung dieser Problemstellung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Sauerstoffkonzentration co in dem oder den Arbeitszylindern 3 auf der Basis der Messung des Zylinderinnendruckes pcyl, des Ansaugdruckes pman und/oder des Luftmassenflusses MAF vorherzusagen. Es zeigt sich nämlich, daß die Sauerstoffkonzentration c0 in den Arbeitszylindern 3 proportional zu den nachfolgend aufgezählten Parametem ist, welche in einfacher Weise während des Auslaufens der Brennkraftmaschine (das heißt der Verzögerungszeit vom Abschalten der Zündung und/oder der Kraftstoffzufuhr bis zum Stillstand der Brennkraftmaschine) gemessen werden können:
  • durchschnittlicher Druckverlauf in den Arbeitszylindern;
  • akkumulierter Druckverlauf in den Arbeitszylindem;
  • durchschnittlicher Ansaugdruck während der Ansaugphase (Laden der Zylinder);
  • akkumulierter Ansaugdruck während der Ansaugphase;
  • mittlerer Luftmassenfluß während der Ansaugphase;
  • akkumulierter Luftmassenfluß während der Ansaugphase.
Dabei können die kontinuierlich aufgezeichneten Meßdaten des Zylinderinnendruckes pcyl, des Ansaugdruckes pman und/oder des Luftmassenflusses MAF während der Auslaufphase des Motors verwendet werden. Alternativ können auch nur wenige Daten an vordefinierten Stellungen der Nockenwelle beziehungsweise Kurbelwelle verwendet werden. Aufgrund der typischerweise begrenzten Ressourcen an Rechenkapazität in der Motorsteuerung 7 (Figur 1) ist eine Vorhersage der Sauerstoffkonzentration c0 unter Auswahl nur weniger Daten des Zylinderinnendruckes, des Ansaugdruckes und/oder des Luftmassenflusses bei vordefinierten Kurbelwellenwinkeln vorteilhaft, da hierdurch der Rechenaufwand minimiert werden kann.
In diesem Zusammenhang zeigt Figur 2 den zeitlichen Verlauf des Ansaugdrukkes pman, der Motordrehzahl n sowie des Zylinderinnendruckes pcyl für einen Arbeitszylinder (durchgezogene Linie) und die übrigen drei Zylinder (gepunktete Linien) der Brennkraftmaschine 10 während einer Auslaufphase, die zum Zeitpunkt 0 ("off") mit dem Abschalten der Kraftstoffzufuhr und/oder der Zündung beginnt. Durch gestrichelte Linien sind in der Figur die Zeitpunkte TDC1, TDC2 und TDC3 gekennzeichnet, zu denen der Kolben des Arbeitszylinders der Brennkraftmaschine zum ersten, zweiten beziehungsweise dritten (und letzten) Mal in der Auslaufphase den oberen Totpunkt passiert. Die vorangehende Passage des Kolbens durch den unteren Totpunkt ist mit BDC1, BDC2 und BDC3 gekennzeichnet. Weiterhin sind die Meßwerte des Zylinderinnendruckes pcyl im Arbeitszylinder zu den erstgenannten Zeitpunkten TDC1, TDC2 und TDC3 mit pcyl1, pcyl2 und pcyl3 bezeichnet. Aus diesen Meßwerten läßt sich dann gemäß der folgenden Gleichung ein mittlerer Zylinderinnendruck berechnen: <pcyl> = (pcyl1 + pcyl2 + pcyl3) / (Anzahl der Meßwerte).
Dieser mittlere Zylinderinnendruck <pcyl> im Arbeitszylinder 3 steht in einem engen Zusammenhang mit der Sauerstoffkonzentration co im Arbeitszylinder, so daß Letztere hieraus berechnet werden kann. Diesbezüglich zeigt Figur 3 schematisch den Zusammenhang zwischen der Sauerstoffkonzentration co und dem mittleren Zylinderinnendruck <pcyl>. Ein solcher Zusammenhang kann empirisch ermittelt und zum Beispiel in einer Lookup-Tabelle oder einer mathematischen Näherungsfunktion festgehalten werden, um der Motorsteuerung zur Verfügung zu stehen.
Zusätzlich oder alternativ zur Messung des Zylinderinnendruckes am oberen Totpunkt kann diese auch an anderen geeigneten Positionen der Kurbelwelle erfolgen. Weiterhin könnte anstelle des durchschnittlichen Druckes <pcyl> auch der kumulative Druck während aller oder eines Teils der aufgenommenen Takte verwendet werden.
In Figur 2 ist weiterhin angedeutet, daß der Ansaugdruck pman während der Auslaufphase der Brennkraftmaschine bei jedem Durchlaufen des unteren Totpunktes BDC1, BDC2, BDC3 aufgezeichnet werden kann. Die entsprechenden Meßwerte pman1, pman2, pman3 können wiederum gemäß der folgenden Formel zu einem Mittelwert zusammengefaßt werden: <pman> = (pman1 + pman2 + pman3)/ (Anzahl der Meßwerte).
Dieser Mittelwert kann sodann aufgrund des in Figur 4 schematisch dargestellten Zusammenhangs in eine Sauerstoffkonzentration co umgerechnet werden.
Zusätzlich oder alternativ zur Messung des Ansaugdruckes am unteren Totpunkt kann diese auch an anderen geeigneten Positionen der Kurbelwelle erfolgen. Weiterhin könnte anstelle des durchschnittlichen Druckes <pman> auch der kumulative Druck während aller oder eines Teils der aufgenommenen Takte verwendet werden.
Um die Genauigkeit des Verfahrens zu erhöhen, können der Zylinderinnendruck pcyl und der Ansaugdruck pman auch in Kombination verwendet werden, um die Sauerstoffkonzentration co im Arbeitszylinder zu schätzen. Zusätzlich oder alternativ zu diesen Daten könnten auch die gemessenen oder durch ein Modell berechneten Daten des Luftmassenflusses MAF (im Mittel oder kumulativ) verwendet werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Anlassen einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise einer Brennkraftmaschine (10) mit Direkteinspritzung und Fremdzündung, wobei während der Startphase im ersten Expansionstakt mindestens eines Zylinders (3) (Arbeitszylinder) eine Verbrennung erfolgt,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       vor der Startphase die Sauerstoffkonzentration (co) im Arbeitszylinder (3) ermittelt wird, und daß in Abhängigkeit hiervon eine zu verbrennende Kraftstoffmenge zugemessen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       aus der Sauerstoffkonzentration (co) die Sauerstoffmenge im Arbeitszylinder (3) zu Beginn der Startphase ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       die Sauerstoffkonzentration (co) im Arbeitszylinder (3) aufgrund der Messung mindestens einer der folgenden Größen während des Auslaufens der Brennkraftmaschine (10) abgeschätzt wird:
    Zylinderinnendruck (pcyl) im Arbeitszylinder (3);
    Ansaugdruck (pman) im Ansaugkrümmer (2);
    Luftmassenfluß (MAF) im Ansaugkrümmer (2).
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       die Sauerstoffkonzentration (co) aufgrund des Mittelwertes (<pcyl>, <pman>) und/oder eines akkumulierten Wertes der genannten Größen abgeschätzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       die Sauerstoffkonzentration (co) aufgrund eines empirisch bestimmten Zusammenhangs ermittelt wird.
  6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       die Messung der genannten Größen (pcyl, pman, MAF) nur bei vorgegebenen Stellungen der Kurbelwelle erfolgt, vorzugsweise am unteren (BDC) und/oder am oberen (TDC) Totpunkt eines Kolbens der Brennkraftmaschine (10).
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       die Messung des Zylinderinnendruckes (pcyl) beim oberen Totpunkt (TDC) und/oder daß die Messung des Ansaugdruckes (pman) beim unteren Totpunkt (BDC) des Kolbens des Arbeitszylinders (3) erfolgt.
  8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       das Anlassen der Brennkraftmaschine (10) ohne ein Hilfsaggregat durch die Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches im Arbeitszylinder (3) erfolgt, dessen Kolben sich beim Stillstand der Brennkraftmaschine (10) in der Stellung eines Arbeitstaktes befindet.
  9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       das Anlassen der Brennkraftmaschine (10) mit einem Hilfsaggregat erfolgt und durch die Verbrennung im Arbeitszylinder (3) unterstützt wird.
  10. Brennkraftmaschine, vorzugsweise Brennkraftmaschine (10) mit Direkteinspritzung und Fremdzündung,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       diese zur Durchführung eines Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
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