WO1999009313A1 - Verfahren zum starten eines verbrennungsmotors - Google Patents

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Christian Enderle
Kurt Maute
Jürgen Willand
Klaus Wunderlich
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Daimlerchrysler Ab
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means

Definitions

  • the invention relates to a method for starting an internal combustion engine equipped with electromagnetically controllable intake and exhaust valves.
  • the design specification DE 1 002 164 discloses an internal combustion engine with a special, electromagnetically actuated decompression valve which, when the internal combustion engine is started, is opened before a starter is switched on, is temporarily kept open during the towing of the internal combustion engine and is closed depending on a thermal self-interrupter. Decompression is intended to avoid unnecessary compression work during the starting process of the internal combustion engine.
  • a similar arrangement with a decompression valve is described in the specification DE 1 010 320.
  • the object of the invention is to provide a method of the type mentioned at the outset with which a suitably equipped internal combustion engine can be started with the lowest possible expenditure of energy and power.
  • This object is achieved according to the invention by a method with the features of claim 1.
  • a reliable start of the internal combustion engine is achieved in that, before the internal combustion engine is towed by an electric starter motor, the exhaust and intake valves are positioned in such a way that the peak electrical power requirement during the starting process can be kept comparatively low .
  • the process is also particularly suitable for motors whose valves are in a neutral middle position between the open and closed positions when there is no power. It is particularly advantageous that by positioning at least one inlet valve of each combustion chamber in its open position, the combustion chambers are relieved of pressure during the towing process without the use of additional means.
  • a further formed according to claim 2 method enables a gradual transition to the normal operation of the engine such that during this transition procedure of the Lei ⁇ stungs pack the engine auxiliary equipment is maintained low. This is particularly advantageous because power was removed from the electrical system of the vehicle already noticeably by the vorange ⁇ gangenen steps.
  • a further formed according to claim 3 method includes on the one hand and on the other antesminimator an energy minimized procedure for positioning the engine valves in their set Posi ⁇ tion on.
  • FIG. 1 is a flowchart of a method for starting an internal combustion engine, Fig. 2 schematically required for performing the method of FIG. 1 functional components of an internal combustion engine and
  • FIG. 3 shows tent course diagrams of important engine parameters during the implementation of the method according to FIG. 1.
  • FIG. 2 shows an internal combustion engine, for example for a motor vehicle, which is suitable for carrying out the method according to the invention and is designed as a multi-cylinder reciprocating piston engine 1. It has at least one intake valve 2 and at least one exhaust valve 3 per cylinder, each of which can be controlled electromagnetically.
  • an electric starter motor (not shown) for towing the reciprocating piston engine 1 to a suitable starting speed and a central engine control unit 4 are provided, which among other things. serves to control the intake and exhaust valves 2, 3.
  • the starter motor like the electromagnets 5 of the valves and other electrical vehicle components, is supplied with electrical energy from an electrical system, a conventional motor vehicle battery providing the energy for the electrical system when the reciprocating engine is at a standstill.
  • the method according to the invention provides for switching on an ignition 7 as the first method step 11, whereupon in a next step 12 the engine control unit 4 causes the exhaust valves 3 of each engine cylinder to be closed.
  • the engine control unit 4 queries the position of the exhaust valves and ends step 12 when all exhaust valves are closed.
  • an intake valve 2 of each cylinder is controlled by the engine control unit 4 m in its open position. Any further intake valves are closed.
  • the engine control unit 4 queries the position of the intake valves and ends step 13 when all intake valves have reached their desired position.
  • the second step 12 and the third Step 13 can be carried out in the reverse order or at the same time, in the latter case, however, with somewhat increased power requirements.
  • electromagnetically controllable inlet and outlet valves 2, 3 which have a rest position designed as a neutral central position, m by which they are held by the forces of a spring 9 acting in m valve opening direction and a spring 10 acting in m valve closing direction.
  • These valves m in the form of electromagnetically switchable spring-mass floats can be moved m their respective target positions in particular by the two procedures described below.
  • the first possibility is a minimal oscillation in the resonance frequency, an armature 6 permanently connected to the valve being alternately briefly attracted by a closing magnet 17 and an opening magnet 18 and thus stimulated by the energy storage effect of the opening and closing springs 9, 10 to resonate vibrations becomes.
  • 2 shows the inlet valve 2 and the outlet valve 3 m in their closed positions, in each of which the associated closer magnet 17 is activated.
  • the closing magnet 17 and the opening magnet 18 are alternately acted upon by moderate currents, as a result of which the respective valve 2, 3 m of its opening or closing position is carried out with the least possible power requirement on the vehicle electrical system .
  • the respective valve After reaching the open or closed position, the respective valve can be held in this position with a low power requirement.
  • the second procedure which minimizes energy consumption and must be carried out in a very short time of typically 2 ms to 3 ms, for positioning the electromagnetically controllable valves 2, 3 consists in pulling the armature 6 once by means of the corresponding make or break magnet 17 or 18.
  • the stroke h e of the intake valve 2 and the stroke h a of the exhaust valve 3 of an exemplary cylinder of the reciprocating piston engine 1 are shown as a function of the time t during the starting process.
  • the valves 2, 3 were initially positioned, immediately before, as shown in FIG. 3, the inlet valve 2 being positioned practically simultaneously in its open position and the outlet valve 3 in its closed position, each time once Tightening was carried out from the middle position.
  • the reciprocating piston engine 1 is towed and synchronized with the aid of an electric starter motor in accordance with a step 14 in FIG. 1. This is done min ⁇ least until the engine 1 is a predetermined starting speed is reached, which is detected by the engine control unit 4 in a corresponding query to step 19.
  • the intake valves 2 are first cylindrical selectively closed to provide the motor 1 gradually to normal operation switch ⁇ .
  • the closing process for the inlet valves 2 takes place under the most favorable energetic conditions, for this purpose the opening magnet 18 is separated from the supply voltage and the closing spring 10 presses the armature 6 together with the valve into the closed position, where the armature is caught on the closing magnet 17 by a short-term catch current and then be held by this that can.
  • the closing spring 10 has already absorbed its mechanical tension energy in a period of low electrical system load.
  • the engine speed n and the pressure p of the exemplary cylinder which is the first to be switched over to normal operation after the starting speed of the reciprocating piston engine 1 has been reached, are illustrated in their time course.
  • fuel is injected from the injection system 8 into the intake pipe of the relevant cylinder and the associated intake valve 2 is then closed.
  • the exhaust valve of the cylinder in question is opened and the ejection process is initiated.
  • the engine speed n increases as a result of the work performed by the cylinder in question.
  • the advantages of the method according to the invention consist in the temporal distribution of maximum current consumption by the valve actuating magnet and the starter motor and in the energy-minimal compression-free towing of the reciprocating piston engine to its starting speed. It is particularly advantageous to provide the positioning of the valves, for example, as a function of the maximum power that can be demanded from the vehicle electrical system for a short time and before the electric starter motor is in operation. On the one hand, the maximum performance of the vehicle electrical system for the rapid positioning of the valves can be exploited, while holding the valves in their desired position is possible with a rather low power requirement, and on the other hand the positioning of the valves can be carried out either by oscillation in resonance frequency or by tightening once. There is no exhaust gas generated by cylinders that are already working in the exhaust pipe, which would prevent the exhaust valves from swinging open because of the risk of poisoning.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum leistungsminimalen Starten eines mit elektromagnetisch ansteuerbaren Einlass- und Auslassventilen ausgerüsteten Verbrennungsmotors. Es wird ein derartiges Verfahren vorgeschlagen, bei dem nach einem Steuern aller Auslassventile in ihre Schliessstellung und einem Steuern wenigstens eines Einlassventiles jedes Brennraumes in seine Öffnungsstellung anschliessend der Verbrennungsmotor mit Hilfe eines elektrischen Startermotors auf eine Startdrehzahl angeschleppt und nachfolgend in den Normalbetrieb des Verbrennungsmotors übergegangen wird. Verwendung beispielsweise für Hubkolbenmotoren von Kraftfahrzeugen.

Description

Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Starten eines mit elektromagnetisch ansteuerbaren Einlaß- und Auslaßventilen ausgerüsteten Verbrennungsmotors .
Aus der JP 6-50247 A ist ein mehrzylindriger Dieselmotor mit einer Vorrichtung zur Dekompression einzelner Zylinder bekannt. Während eines Anlaßvorganges werden einige Zylinder des Dieselmotors durch Betätigen entsprechender Dekompressionseinheiten dekomprimiert. Durch diese auf einige Zylinder beschränkte Dekompression sollen die während des Anlassens erforderlichen Antriebskräfte reduziert werden.
Die Auslegeschrift DE 1 002 164 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem speziellen, elektromagnetisch betätigbaren De- kompressionsventil, das bei einem Startvorgang des Verbrennungsmotors vor dem Einschalten eines Anlassers geöffnet, zeitweise während des Anschleppens des Verbrennungsmotors offengehalten und in Abhängigkeit von einem thermischen Selbstunterbrecher geschlossen wird. Durch die Dekompression soll unnötige Verdichtungsarbeit während des Startvorgangs des Verbrennungsmotors vermieden werden. Eine ähnliche Anordnung mit Dekompres- sionsventil ist in der Auslegeschrift DE 1 010 320 beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem ein entsprechend ausgerüsteter Verbrennungsmotor mit möglichst geringem Energie- und Leistungsaufwand gestartet werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Bei diesem Verfahren wird ein zuverlässiger Start des Verbrennungsmotors dadurch erreicht, daß vor dem Anschleppen des Verbrennungsmotors durch einen elektrischen Startermotor eine definierte Positionierung sowohl der Auslaß- als auch der Einlaßventile derart erfolgt, daß der Spitzenbedarf an elektrischer Leistung während des Startvorgangs vergleichsweise gering gehalten werden kann. Das Verfahren eignet sich besonders auch für Motoren, deren Ventile im leistungslosen Zustand eine neutrale Mittellage zwischen Offnungs- und Schließstellung einnehmen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß durch eine Positionierung wenigstens eines Einlaßventiles eines jeden Brennraumes in seine Öffnungsstellung die Brennräume während des Anschleppvorgangs ohne die Verwendung zusätzlicher Mittel druckentlastet werden.
Ein nach Anspruch 2 weitergebildetes Verfahren ermöglicht eine schrittweise Umstellung auf den Normalbetrieb des Verbrennungsmotors derart, daß während dieser Umstellungsprozedur der Lei¬ stungsbedarf der Motorhilfsaggregate gering gehalten wird. Dies ist insbesondere deshalb von Vorteil, weil durch die vorange¬ gangenen Verfahrensschritte bereits merklich Energie aus dem Bordnetz des Fahrzeugs entnommen wurde.
Ein nach Anspruch 3 weitergebildetes Verfahren weist zum einen eine leistungsminimierte und zum anderen eine energieminimierte Prozedur zur Positionierung der Motorventile in ihre Sollposi¬ tion auf.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hier¬ zu zeigen:
Fig. 1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Starten eines Verbrennungsmotors, Fig. 2 schematisch zur Durchfuhrung des Verfahrens nach Fig. 1 benotigte Funktionskomponenten eines Verbrennungsmotors und
Fig. 3 Zeltverlaufsdiagramme wichtiger Motorparameter wahrend der Durchfuhrung des Verfahrens nach Fig. 1.
Fig. 2 zeigt einen Verbrennungsmotor, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, der zur Durchfuhrung des erfmdungsgemaßen Verfahrens geeignet und als mehrzylmdriger Hubkolbenmotor 1 ausgeführt ist. Er weist pro Zylinder mindestens ein Einlaßventil 2 und mindestens ein Auslaßventil 3 auf, die jeweils elektromagnetisch ansteuerbar sind. Darüber hinaus sind ein nicht dargestellter elektrischer Startermotor zum Anschleppen des Hubkolbenmotors 1 auf eine geeignete Startdrehzahl sowie ein zentrales Motorsteuergerat 4 vorgesehen, das u.a. zur Steuerung der Einlaß- und Auslaßventile 2, 3 dient. Der Startermotor wird ebenso wie die Elektromagneten 5 der Ventile und weitere elektrische Fahrzeugkomponenten von einem Bordnetz mit elektrischer Energie versorgt, wobei bei Stillstand des Hubkolbenmotors eine herkömmliche Kraftfahrzeugbatterie die Energie für das Bordnetz bereitstellt .
Das erfmdungsgemaße Verfahren, wie es m Fig. 1 illustriert ist, sieht als ersten Verfahrensschritt 11 das Einschalten einer Zündung 7 vor, woraufhin m einem nächsten Schritt 12 das Motorsteuergerat 4 veranlaßt, daß die Auslaßventile 3 eines jeden Motorzylinders geschlossen werden. Das Motorsteuergerat 4 fragt die Position der Auslaßventile ab und beendet den Schritt 12, wenn alle Auslaßventile geschlossen sind. In einem unmittelbar nachfolgenden Schritt 13 wird ein Einlaßventil 2 eines jeden Zylinders vom Motorsteuergerat 4 m seine Offnungsstel- lung gesteuert. Eventuelle weitere Einlaßventile werden geschlossen. Das Motorsteuergerat 4 fragt die Position der Einlaßventile ab und beendet den Schritt 13, wenn alle Einlaßventile ihre Sollposition erreicht haben. In modifizierten Ausfuh- rungsbeispielen können der zweite Schritt 12 und der dritte Schritt 13 m umgekehrter Reihenfolge oder auch gleichzeitig ausgeführt werden, im letzteren Fall allerdings bei etwas erhöhtem Leistungsbedarf.
Als elektromagnetisch ansteuerbare Einlaß- und Auslaßventile 2, 3 sind beispielhaft solche verwendet, die eine als neutrale Mittellage konzipierte Ruheposition aufweisen, m der sie durch die Kräfte einer m Ventiloffnungsπchtung wirkenden Feder 9 und einer m Ventilschließπchtung wirkenden Feder 10 gehalten werden. Diese Ventile m Form von elektromagnetisch schaltbaren Feder-Masse-Schwmgern können insbesondere durch die zwei nachfolgend beschriebenen Vorgehensweisen m ihre jeweilige Sollpo- sition bewegt werden.
Als erste Möglichkeit ist ein leistungsminimales Anschwingen m Resonanzfrequenz zu nennen, wobei ein fest mit dem Ventil verbundener Anker 6 alternierend von einem Schließermagneten 17 und einem Offnermagneten 18 kurzzeitig angezogen und so unterstützt von der Energiespeicherwirkung der Offnungs- und der Schließfeder 9, 10 zu Resonanzschwingungen angeregt wird. Durch geeignete Anregung ist es möglich, die Schwmgungsamplitude des Ankers und damit des mit ihm verbundenen Ventils zu erhohen, bis der Anker samt Ventil seine Sollposition, d.h. seine Offnungs- oder Schließposition, erreicht hat, m der er durch ent¬ sprechende Ansteuerung des betreffenden Elektromagneten mit ge¬ ringem Energieaufwand gehalten werden kann. In Fig. 2 sind das Einlaßventil 2 und das Auslaßventil 3 m ihren Schließpositio- nen dargestellt, m denen jeweils der zugehörige Schließermagnet 17 aktiviert ist. Wahrend des Anschwingvorganges, der typischerweise weniger als 100ms dauert, werden der Schließermagnet 17 und der Offnermagnet 18 abwechselnd mit maßigen Strömen beaufschlagt, wodurch eine Positionierung des jeweiligen Ventils 2, 3 m seiner Offnungs- oder Schließstellung bei ge- nngstmoglicher Leistungsanforderung an das Bordnetz durchgeführt wird. Nach erreichter Offnungs- oder Schließstellung laßt sich das jeweilige Ventil bei geringem Leistungsbedarf m dieser Position halten. Die zweite, energiebedarfsminimierte und in einer sehr kurzen Zeit von typischerweise 2ms bis 3ms durchzuführende Vorgehensweise zur Positionierung der elektromagnetisch ansteuerbaren Ventile 2, 3 besteht im einmaligen Anziehen des Ankers 6 durch den entsprechenden Schließer- oder Öffnermagneten 17 oder 18. Dabei wird einer der genannten Magneten 17, 18 kurzzeitig mit einem sehr hohen Strom beaufschlagt, bis der Anker 6 samt Ventil 2, 3 in seine Sollposition gezogen ist. Dadurch wird eine Positionierung der Ventile 2, 3 bei nur kurzer Beanspruchung des Bordnetzes, jedoch relativ hohem Leistungsbedarf erreicht.
Im mittleren und unteren Teil der Fig. 3 sind zum einen der Hub he des Einlaßventils 2 und zum anderen der Hub ha des Auslaßventils 3 eines exemplarischen Zylinders des Hubkolbenmotors 1 in Abhängigkeit von der Zeit t während des Anlaßvorganges dargestellt. Zu einem Zeitpunkt t=t0 ist die Anfangspositionierung der Ventile 2, 3 erfolgt, wobei unmittelbar zuvor, wie in Fig. 3 dargestellt, ein praktisch gleichzeitiges Positionieren des Einlaßventiles 2 in seine Öffnungsstellung und des Auslaßventi- les 3 in seine Schließstellung durch jeweils einmaliges Anziehen aus der Mittellage heraus durchgeführt wurde.
7Λb dem Zeitpunkt t=t0 wird entsprechend einem Schritt 14 von Fig. 1 der Hubkolbenmotor 1 mit Hilfe eines elektrischen Star- termotors angeschleppt und synchronisiert. Dies geschieht min¬ destens solange, bis der Motor 1 eine vorgebbare Startdrehzahl erreicht hat, was vom Motorsteuergerät 4 in einem entsprechenden Abfrageschritt 19 erkannt wird. In einem nachfolgenden Schritt 15 werden zunächst die Einlaßventile 2 zylinderselektiv geschlossen, um den Motor 1 sukzessive auf Normalbetrieb umzu¬ stellen. Der Schließvorgang für die Einlaßventile 2 läuft unter energetisch günstigsten Bedingungen ab, indem hierzu der Öffnermagnet 18 von der Speisespannung abgetrennt wird und die Schließfeder 10 den Anker 6 samt Ventil in die Schließstellung drückt, wo der Anker durch einen kurzzeitigen Fangstrom auf den Schließermagneten 17 gefangen und dann von diesem gehalten wer- den kann. Dabei hat die Schließfeder 10 ihre mechanische Spannungsenergie bereits zuvor in einem Zeitraum geringer Bordnetz- belastung aufgenommen.
In einem dritten Diagramm von Fig. 3 sind die Motordrehzahl n und der Druck p des exemplarischen Zylinders, der als erster nach Erreichen der Startdrehzahl des Hubkolbenmotors 1 auf Normalbetrieb umgestellt wird, in ihrem Zeitverlauf veranschaulicht. Zu einem Zeitpunkt t=tx wird von der Einspritzanlage 8 Kraftstoff in das Ansaugrohr des betreffenden Zylinders eingespritzt und danach das zugehörige Einlaßventil 2 geschlossen. Nach einem Verdichtungs- und einem Verbrennungstakt, während denen der Zylinderdruck p vorübergehend stark ansteigt, wird das Auslaßventil des betreffenden Zylinders geöffnet und der Ausstoßvorgang eingeleitet. Durch die Arbeitsleistung des betreffenden Zylinders erhöht sich die Motordrehzahl n. Die zuletzt genannten, sukzessive für die verschiedenen Motorzylinder ablaufenden Vorgänge ab
Figure imgf000008_0001
sind in dem Ablaufdiagramm in Fig. 1 im Verfahrensschritt 16 zusammengefaßt. Aufgrund der anfänglich geschlossenen Auslaßventile aller Zylinder werden die zunächst noch saugseitig druckentlastet funktionierenden Zylinder nicht durch die Abgase der bereits arbeitenden Zylinder beeinträchtigt, so daß der Übergang der einzelnen Zylinder in den Normalbetrieb problemlos vonstatten geht, weil insbesondere vermieden wird, daß das Abgas bereits ausschiebender Zylinder andere Zylinder vergiftet.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen in der zeitlichen Verteilung maximaler Stromaufnahmen seitens der Ventilstellmagneten und des Startermotors sowie im energieminimalen kompressionslosen Anschleppen des Hubkolbenmotors auf seine Startdrehzahl. Dabei ist es besonders vorteilhaft, die Positionierung der Ventile beispielsweise in Abhängigkeit von der maximal kurzfristig vom Bordnetz abforderbaren Leistung und zeitlich vor dem Betrieb des elektrischen Startermotors vorzusehen. So kann zum einen die maximale Leistung des Bordnetzes für das rasche Positionieren der Ventile ausgenutzt werden, während das Halten der Ventile in ihrer Sollposition mit eher geringem Leistungsbedarf möglich ist, und zum anderen kann das Positionieren der Ventile wahlweise durch Anschwingen in Resonanzfrequenz oder einmaliges Anziehen erfolgen. Es liegt kein durch bereits arbeitende Zylinder erzeugtes Abgas im Abgasrohr vor, was ein Anschwingen der Auslaßventile noch nicht arbeitender Zylinder wegen der Vergiftungsgefahr verbieten würde.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Starten eines mit elektromagnetisch ansteuerbaren Einlaß- und Auslaßventilen ausgerüsteten Verbrennungsmotors (1) mit folgenden Schritten:
- Steuern aller Auslaßventile (3) in ihre Schließstellung und wenigstens eines Einlaßventiles (2) jedes Brennraumes in seine Öffnungsstellung,
- anschließendes Anschleppen des Verbrennungsmotors (1) auf eine Startdrehzahl mit Hilfe eines elektrischen Startermotors und
- nachfolgendes Übergehen in den Normalbetrieb des Verbrennungsmotors .
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß das Übergehen in den Normalbetrieb des Verbrennungsmotors (1) durch das Schließen des wenigstens einen Einlaßventils (2) und das Einspritzen von Kraftstoff sukzessive für die verschiedenen Brennräume des Verbrennungsmotors erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß die elektromagnetisch ansteuerbaren Einlaß- und Auslaßventile aus einer zwischen der Schließ- und der Öffnungsstellung liegenden Ruheposition heraus durch ein Anschwingen eines entsprechenden Ankers (6) in Resonanzfrequenz oder durch ein einmaliges Anziehen dieses Ankers in ihre Schließ- bzw. Öffnungsstellung gesteuert werden.
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