EP1464832B1 - Verfahren zum Anlassen einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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EP1464832B1
EP1464832B1 EP03100843A EP03100843A EP1464832B1 EP 1464832 B1 EP1464832 B1 EP 1464832B1 EP 03100843 A EP03100843 A EP 03100843A EP 03100843 A EP03100843 A EP 03100843A EP 1464832 B1 EP1464832 B1 EP 1464832B1
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EP
European Patent Office
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internal combustion
combustion engine
cylinder
working cylinder
starting
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Klemens Grieser
Ulrich Kramer
Klaus Badke
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Ford Global Technologies LLC
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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. Furthermore, the invention relates to a trained for carrying out such a method internal combustion engine.
  • the DE 198 35 045 C2 discloses a method for starting an internal combustion engine by the ignition of an air-fuel mixture in a cylinder ("working cylinder"), the piston is at a standstill of the internal combustion engine in a working stroke position.
  • the amount of air contained within the working cylinder is estimated based on various sensor data.
  • in such a procedure is disadvantageous that, for example, due to residual exhaust gases in the cylinder, the knowledge of the amount of air alone is not sufficient to control a subsequent combustion optimally.
  • the US 6,098,585 shows a method for starting an internal combustion engine, in which an air volume in the cylinder for the starting operation is determined based on the signals of an ambient temperature sensor, an engine temperature sensor, a pressure sensor, a throttle valve opening angle sensor and a crankshaft angle sensor. With the aid of signals from the above-mentioned sensors, a control unit calculates the volume of air trapped in the cylinder intended for starting and the associated fuel injection quantity.
  • the EP 1 267 060 A2 discloses a method for determining an air mass in a power cylinder, wherein it is provided that a determination of an incoming into the intake manifold during the expiration of the internal combustion engine Air mass and a determination of a from the intake tract (in the working cylinder) flowing air mass is made and based on these variables, the present in the cylinder air mass can be determined.
  • From the US 5,755,212 is a method for the determination of a fuel-air mixture, which is intended to make a comparison between a measured exhaust gas value and an estimated oxygen content by means of a neural network in order to achieve a predetermined target value for a fuel-air mixture.
  • the estimation of the oxygen content is made on the basis of a Drosselklappenstellwinkels, an air pressure in the intake tract, an ambient pressure, a cooling water temperature, a speed of the internal combustion engine and an exhaust gas flow always for the respective subsequent power stroke of the internal combustion engine.
  • the inventive method is used for starting an internal combustion engine, which may be in particular an internal combustion engine with direct injection of the fuel into the combustion chambers (cylinder) and with spark ignition.
  • an internal combustion engine which may be in particular an internal combustion engine with direct injection of the fuel into the combustion chambers (cylinder) and with spark ignition.
  • working cylinder in the first occurring during the starting phase of the internal combustion engine operating cycle of the piston of at least one cylinder of the internal combustion engine, which is hereinafter referred to as "working cylinder", the combustion of an air-fuel mixture is performed.
  • the method according to the invention is characterized in that, before the starting phase of the internal combustion engine, the oxygen concentration in the working cylinder is determined, and in that a quantity of fuel to be burned is metered as a function of the determined value.
  • the oxygen concentration is preferably Expressed in terms of relative size, which describes the proportion of pure oxygen 02 to the gas mixture in the working cylinder, this proportion being in percent by mass, volume percent. Mole percent, can be expressed as partial pressure or other suitable size. Such a relative value is independent of the volume of the combustion chamber.
  • the oxygen concentration is preferably estimated on the basis of an average value and / or on the basis of an accumulated, ie accumulated or integrated value of said quantities (internal cylinder pressure, intake pressure and / or air mass flow).
  • the process required for a good combustion and sufficient amount of fuel can be determined very accurately and then z. B. are fed by direct injection to the working cylinder.
  • maximum energy yield is ensured since all the available oxygen can be utilized for combustion, but on the other hand, harmful emissions caused by excess fuel are avoided would arise.
  • the mechanical energy from the combustion can be exploited, for example, to start the engine without another auxiliary unit (starter motor, etc.) solely by the ignition of the air-fuel mixture in the working cylinder, the piston of the working cylinder at standstill of the internal combustion engine in a Operating stroke (expansion stroke) must be.
  • the combustion during the start-up phase can also only support the starting of the internal combustion engine with an auxiliary unit. This made it possible, for example, to use a less powerful and thus cheaper auxiliary unit.
  • the oxygen concentration can be determined with this method in the compression cylinder, with the aid of which the actual starting process upstream reverse rotation according to DE0010020325A1 , can be initiated for startup improvement.
  • the determined oxygen concentration is used to determine therefrom the absolute amount of oxygen (eg as mass value or as number of moles) in the working cylinder at the beginning of the starting phase. From the amount of oxygen can then be calculated directly the amount of fuel to be supplied for a stoichiometric combustion.
  • the absolute amount of oxygen from the oxygen concentration can advantageously be used on already measured on an internal combustion engine variables such as the crankshaft angle, the atmospheric pressure and / or the engine temperature (or coolant temperature).
  • the measurement of the sizes in-cylinder pressure, intake pressure and / or air mass flow can only take place at predetermined positions of the crankshaft. These are preferably angular positions of the crankshaft which correspond to the lower and / or top dead center of the piston of a cylinder, preferably of the working cylinder. In this way, the sizes mentioned are sampled only at relatively few, but particularly characteristic times during the phaseout of the internal combustion engine.
  • the in-cylinder pressure can be measured during the phase-out phase of the internal combustion engine at top dead center of the piston of the working cylinder in which the first combustion takes place during the starting phase.
  • the measurement of the intake pressure can preferably be carried out in each case at the bottom dead center of the piston of the working cylinder.
  • the invention further relates to an internal combustion engine, preferably an internal combustion engine with direct injection and spark ignition, which is characterized in that it is adapted to carry out a method of the type described above.
  • the internal combustion engine may be equipped with a motor controller programmed to use the oxygen concentration in the working cylinder of the internal combustion engine to calculate the quantity of fuel to be metered for the first combustion in the working cylinder during the starting phase.
  • the internal combustion engine can furthermore have sensors coupled to the engine control for the air mass flow in the intake manifold, for the intake pressure and / or for the cylinder internal pressure in order to determine the oxygen concentration from these variables.
  • internal combustion engine 10 is an internal combustion engine with direct injection of gasoline via a leading into the cylinder 3 fuel supply 6.
  • a direct injection engine has the advantage that it can be started directly by igniting the air-fuel mixture in the cylinders 3 can, without an additional starter motor must drive the crankshaft during a cranking phase.
  • the (external or self) ignition of an air-fuel mixture during the start-up phase but only to support a starter (starter motor) done in order to accelerate the starting process (“Quick Start”) to be able to interpret the starter smaller , and to improve the comfort of the conventional launch.
  • fuel is injected and ignited already from the first revolution or from the first expansion stroke of a piston.
  • the internal combustion engine 10 further includes an intake manifold 2 for supplying fresh air, wherein the supply rate can be adjusted via a throttle valve 1.
  • an air mass flow sensor 8 is arranged, which transmits a signal representing the air mass flow MAF to a motor control 7, which can be realized for example by a microprocessor.
  • a pressure sensor 9 for the intake pressure p man is arranged, whose signal is also sent to the engine control unit 7.
  • pressure sensors 4 for the cylinder internal pressure p cyl are provided in the cylinders 3 of the internal combustion engine, which transmit their signals to the engine control unit 7.
  • the exhaust gases from the cylinders 3 of the internal combustion engine 10 are passed from an exhaust manifold 5 in an exhaust system not shown in detail.
  • the internal combustion engine can be equipped with other known components such as an exhaust gas recirculation, an exhaust gas turbocharger, a catalyst and the like, which in FIG. 1 are not shown in detail.
  • the engine controller 7 receives the aforementioned and a number of other sensory information (eg, engine speed, coolant temperature, ambient pressure, etc.) and calculates control commands for various components of the engine.
  • other sensory information eg, engine speed, coolant temperature, ambient pressure, etc.
  • FIG. 1 only the output of the engine controller 7 to the fuel injection system 6 is shown, via which the engine controller 7 can control the fuel injection (timing, duration, fuel amount, fuel pressure).
  • 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), the air density, and the oxygen concentration c 0 of the cylinder charge.
  • the absolute crankshaft position can be easily 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 thus easily predictable, while the temperature can be approximated by the coolant temperature which is usually monitored by a corresponding temperature sensor.
  • a direct measurement of the oxygen concentration c o in the working cylinders is not possible in a simple manner.
  • Corresponding robust and simply designed sensors for measuring the oxygen concentration in a combustion chamber are not available.
  • the continuously recorded measurement data of the internal cylinder pressure p cyl , the intake pressure p man and / or the mass air flow MAF can be used during the outflow phase of the engine.
  • 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. FIG. 1 ) is a prediction of Oxygen concentration c 0 with the selection of only a few data of the cylinder internal pressure, the intake pressure and / or the air mass flow at predefined crankshaft angles advantageous, since this can be minimized computational complexity.
  • FIG. 2 the time course of Ansaugdrukkes p man , the engine speed n and the in-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, at the time 0 ("off") with the Turning off the fuel supply and / or the ignition begins.
  • dashed lines in the figure the times TDC1, TDC2 and TDC3 are marked, at which the piston of the working cylinder of the internal combustion engine for the first, second and third (and last) times in the phase-out phase passes the top dead center.
  • the previous passage of the piston through the bottom dead center is marked BDC1, BDC2 and BDC3.
  • This mean in-cylinder pressure ⁇ p cyl > in the working cylinder 3 is closely related to the oxygen concentration c o in the working cylinder, so that the latter can be calculated therefrom.
  • FIG. 3 schematically the relationship between the oxygen concentration c o and the average internal cylinder pressure ⁇ p cyl >.
  • Such a relationship can be empirically determined and recorded, for example, in a look-up table or mathematical approximation function to be available to the engine controller.
  • FIG. 2 is further indicated that the intake pressure p man can be recorded during the phase out of the engine at each passing through the bottom dead center BDC1, BDC2, BDC3.
  • This mean value can then be determined on the basis of FIG. 4 schematically illustrated relationship in an oxygen concentration c o be converted.
  • the in-cylinder pressure p cyl and the intake pressure p man may also be used in combination to estimate the oxygen concentration c o in the working cylinder.
  • the measured or modeled mass flow data MAF average or cumulative

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  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

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. Ferner 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, sondern 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.
  • Die US 6,098,585 zeigt ein Verfahren zum Anlassen eines Verbrennungsmotors, bei dem ein Luftvolumen in dem für den Anlassvorgang vorgesehenen Zylinder anhand der Signale eines Umgebungstemperatursensors, eines Motortemperatursensors, eines Drucksensors, eines Drosselklappenöffnungswinkelsensors und eines Kurbelwellenwinkelsensors bestimmt wird. Mit Hilfe von Signalen der vorstehend genannten Sensoren errechnet eine Steuereinheit das in dem für den Startvorgang vorgesehenen Zylinder eingeschlossene Luftvolumen und die zugehörige Kraftstoffeinspritzmenge.
  • Die EP 1 267 060 A2 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung einer Luftmasse in einem Arbeitszylinder, bei dem vorgesehen ist, dass während des Auslaufens des Verbrennungsmotors eine Bestimmung einer in den Ansaugtrakt einströmenden Luftmasse und eine Bestimmung einer aus dem Ansaugtrakt (in den Arbeitszylinder) abströmenden Luftmasse vorgenommen wird und anhand dieser Größen die im Zylinder vorliegende Luftmasse bestimmt werden kann.
  • Aus der US 5,755,212 geht ein Verfahren zur Bestimmung eines Kraftstoff-Luftgemisches hervor, bei dem es vorgesehen ist, mit Hilfe eines neuronalen Netzwerks einen Vergleich zwischen einem gemessenen Abgaswert und einem geschätzten Sauerstoffgehalt vorzunehmen, um einen vorgegebenen Zielwert für ein Kraftstoff-Luftgemisch zu erreichen. Die Schätzung des Sauerstoffgehalts wird anhand eines Drosselklappenstellwinkels, eines Luftdrucks im Ansaugtrakt, eines Umgebungsdrucks, einer Kühlwassertemperatur, einer Drehzahl der Brennkraftmaschine und eines Abgasstroms immer für den jeweils nachfolgenden Arbeitstakt der Brennkraftmaschine vorgenommen.
  • 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 8 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 Brennkammern (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 02 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.
  • Die Ermittlung der Sauerstoffkonzentration im Arbeitszylinder erfolgt 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).
  • 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 Sauerstoffkonzentration 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.
  • 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 c0 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 Parametern 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 Arbeitszylindern;
    • 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: < p cyl > = p cyl ⁢ 1 + p cyl ⁢ 2 + p cyl ⁢ 3 / Anzahl der Meßwerte .
    Figure imgb0001
  • 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: < p man > = p man ⁢ 1 + p man ⁢ 2 + p man ⁢ 3 / Anzahl der Meßwerte .
    Figure imgb0002
  • 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 (8)

  1. Verfahren zum Anlassen einer Brennkraftmaschine wobei während der Startphase im ersten Expansionstakt mindestens eines Zylinders (3) (Arbeitszylinder) eine Verbrennung erfolgt, wobei vor der Startphase die Sauerstoffkonzentration (co) im Arbeitszylinder (3) ermittelt wird und in Abhängigkeit hiervon eine zu verbrennende Kraftstoffmenge zugemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Sauerstoffkonzentration (co) im Arbeitszylinder (3) aufgrund eines während des Auslaufens der Brennkraftmaschine (10) ermittelten Mittelwertes (<pcyl>, <pman>) und/oder eines akkumulierten Wertes:
    des Zylinderinnendrucks (pcyl) im Arbeitszylinder (3) und/oder
    des Ansaugdrucks (pman) im Ansaugkrümmer (2) und/oder
    des Luftmassenflusses (MAF) im Ansaugkrümmer (2).
    abgeschätzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Sauerstoffkonzentration (co) aufgrund eines empirisch bestimmten Zusammenhangs ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
    aus der Sauerstoffkonzentration (co) die Sauerstoffmenge im Arbeitszylinder (3) zu Beginn der Startphase ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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).
  5. Verfahren nach Anspruch 4, 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.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.
  7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlassen der Brennkraftmaschine (10) mit einem Hilfsaggregat erfolgt und durch die Verbrennung im Arbeitszylinder (3) unterstützt wird.
  8. Brennkraftmaschine dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Durchführung eines Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
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