Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem Brennraum, sowie eine Steuervorrichtung, welche derart ausgebildet ist, dass sie das Verfahren ausführen kann.
Bei Brennkraftmaschinen kann es insbesondere während länger andauernder Stillstandsphasen zur Kondensation und Ablagerung von unverbranntem Kraftstoff an den kalten Brennraumwänden kommen. Bei einem darauffolgenden Start der Brennkraftmaschi- ne kann es durch Zündung dieser Undefinierten Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu unerwünschten, unkontrollierten und unregelmäßigen Drehzahlschwankungen kommen. Dieser Effekt stört einen kontrollierten Drehzahlhochlauf beim Start der Brennkraftmaschine und wird vom Fahrer als unkomfortabel wahrgenommen.
Eine Möglichkeit die störenden Drehmomentbeiträge aufgrund der Zündung dieser Kraftstoffreste zu vermeiden ist es, die Zündung in jedem Brennraum erst ab dem Zeitpunkt freizugeben, ab dem über ein Einspritzventil Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wurde. Bei den Brennräumen, bei denen die erste Kraftstoffeinspritzung erst nach dem Abgastakt (Öffnen des Auslassventils) erfolgt, werden die Kraftstoffablagerungen unverbrannt in den Abgastrakt geleitet und ohne Konvertierung in die Umgebung ausgestoßen. Dadurch kommt es zu einer Erhöhung der Schadstoffemissionen während des Startvorgangs.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Starten einer Brennkraft- maschine bereitzustellen, mittels denen der Startvorgang der Brennkraftmaschine mit geringeren Emissionen und für den Fahrer komfortabel durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Steuervorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche .
Bei dem Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem Brennraum gemäß dem Anspruch 1 wird für jeden Brennraum ein Einspritzzeitpunkt vorgegeben, zu dem ein erster Kraftstoffeinspritzimpuls in diesen Brennraum durchzufüh- ren ist. Ferner wird für jeden Brennraum ein Zündzeitpunkt vorgegeben, zu dem ein erster Zündimpuls in diesem Brennraum durchzuführen ist. Eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine wird mittels einer Anlasservorrichtung in Rotation versetzt. Für alle diejenigen Brennräume, bei denen der erste Kraft- stoffeinspritzimpuls zeitlich nach dem ersten Zündimpuls erfolgt, wird der jeweils vorgegebene Zündzeitpunkt für den ersten Zündimpuls im Sinne einer reduzierten Drehmomentabgabe der Brennkraftmaschine verstellt. In jedem Brennraum werden der erste Kraftstoffeinspritzimpuls zu dem jeweils vorgegebe- nen Einspritzeitpunkt und der erste Zündimpuls zu dem jeweils vorgegebenen Zündzeitpunkt durchgeführt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist darin zu sehen, für diejenigen Brennräume, bei denen der erste Zündimpuls zeitlich vor dem ersten Einspritzimpuls erfolgt, durch ein Spätstellen (Spätverzug) des Zündzeitpunkts das durch die Verbrennung von eventuellen Kraftstoffablagerungen bzw. Kraftstoffresten im Brennraum erzeugte Drehmoment zu reduzieren. Dadurch werden einerseits die im Brennraum eventuell vorhandenen Kraftstoffreste verbrannt, wodurch die Schadstoffemissionen gegenüber einem Ausstoß völlig unverbrannter Kraftstoffteile deutlich reduziert werden. Andererseits wird durch das Spätstellen bzw. den Spätverzug des Zündwinkels das durch die Verbrennung der Kraftstoffreste produzierte Drehmo- ment weitgehend reduziert. Negative Einflüsse auf den Drehzahlverlauf während des Startvorgangs werden weitestgehend unterbunden. Dies äußert sich in einem deutlich komfortableren Startvorgang der Brennkraftmaschine und erhöht auch die
Betriebssicherheit des Startvorgangs. Es ist anzumerken, dass in den Brennräumen, in denen der Kraftstoffeinspritzimpuls zeitlich vor dem ersten Zündimpuls erfolgt, der vorgegebene Zündzeitpunkt nicht verstellt wird. Dadurch wird sicherge- stellt, dass durch die Verbrennung in diesen Brennräumen ein möglichst großer Drehmomentbeitrag für einen schnellen Startvorgang geliefert wird.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 2 wird der Zündzeitpunkt für den ersten Zündimpuls bis zu einem minimalen Zündzeitpunkt verstellt, bei dem die Drehmomentabgabe der Brennkraftmaschine minimal ist.
Bei dem minimalen Zündwinkel kann gerade noch eine stabile Verbrennung erfolgen, wobei das dabei produzierte Drehmoment minimal ist. Der minimale Zündzeitpunkt stellt somit die Verbrennungsgrenze dar. Auf diese Weise kann die Beeinflussung des Startvorgangs durch die Verbrennung von Kraftstoffresten so klein wie möglich gehalten werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 3 wird für diejenigen Brennräume, bei denen der Zündzeitpunkt für den ersten Zündimpuls verstellt wurde, nach Durchführung des ersten Kraftstoffeinspritzimpulses der Zündzeitpunkt im Sinne einer erhöhten Drehmomentabgabe der Brennkraftmaschine verstellt.
Durch diese Ausgestaltung wird sichergestellt, dass nach einer erfolgten Verbrennung der Kraftstoffreste unter Spätver- Stellung der Zündzeitpunkte der Zündwinkel im Sinne einer erhöhten Drehmomentabgabe auf früh verstellt wird, um den über die Einspritzventile zugeführten Kraftstoff mit einem höheren Wirkungsgrad zu verbrennen und damit ein größeres Drehmoment zu erzeugen. Dadurch kann ein schneller Drehzahlhochlauf und ein sicherer Startvorgang gewährleistet werden.
Eine Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 4 ist derart ausgebildet, dass sie das Verfahren gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 3 ausführen kann. Bezüglich der sich daraus ergebenen Vorteile wird auf die Ausführungen zu den vorhergehenden Ansprüchen verwiesen.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftma- schine;
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel für ein Steuerverfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine in Form eines Ablaufdiagramms ;
Figur 3 eine schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Zündzeitpunkt und dem produzierten Drehmoment .
In Figur 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 in Form einer Hubkolben-Brennkraftmaschine schematisch dargestellt. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit ist die Darstellung stark vereinfacht ausgeführt.
Die Brennkraftmaschine 1 umfasst mindestens einen Zylinder 2 und einen in dem Zylinder 2 auf und ab bewegbaren Kolben 3. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst ferner einen Ansaugtrakt 40, in dem stromabwärts einer Ansaugöffnung 4 ein Luftmassensensor 5, eine Drosselklappe 6, sowie ein Saugrohr 7 angeordnet sind. Der Ansaugtrakt 40 mündet in mindestens einen durch den jeweiligen Zylinder 2 und den jeweiligen Kolben 3 begrenzten Brennraum 30. Der mindestens eine Brennraum 30 kommuniziert über ein Einlassventils 8 mit dem Ansaugtrakt 40. Bei der hier dargestellten Brennkraftmaschine 1 handelt es sich um eine Brennkraftmaschine 1 mit Kraftstoffdirekteinspritzung, bei der der für die Verbrennung nötige Kraftstoff über ein Einspritzventil 9 unmittelbar in den Brennraum 30 eingespritzt wird. Zur Auslösung der Verbrennung dient eine eben-
falls in dem Brennraum 30 ragende Zündkerze 10. Jedem Brennraum 30 ist daher eine eigene Zündkerze 10 und ein eigenes Einspritzventil 9 zugeordnet. Die Verbrennungsabgase werden über ein Auslassventil 11 in einen Abgastrakt 16 der Brenn- kraftmaschine 1 abgeführt und mittels eines im Abgastrakt angeordneten Abgaskatalysators 12 gereinigt.
Die Kraftübertragung an den Antriebsstrang 110 des Kraftfahrzeugs 100 geschieht über eine mit dem Kolben 3 gekoppelte Kurbelwelle 13. Die Brennkraftmaschine 1 verfügt ferner über einen Drehzahlsensor 15 zur Erfassung der Drehzahl der Kurbelwelle 13, einen Kühlmitteltemperatursensor 14 und eine e- lektrische Anlasservorrichtung 32 zum Starten der Brennkraftmaschine 1.
Die Brennkraftmaschine 1 umfasst ferner ein Kraftstoffversorgungssystem, welches einen Kraftstofftank 17 sowie eine darin angeordnete Kraftstoffpumpe 18 aufweist. Der Kraftstoff wird mittels der Kraftstoffpumpe 18 aus dem Kraftstofftank 17 in eine Versorgungsleitung 19 gefördert. In der Versorgungsleitung 19 sind ein Kraftstofffilter 21 und eine Hochdruckpumpe 22 angeordnet. Die Hochdruckpumpe 22 dient dazu, einem Druckspeicher 20 den Kraftstoff mit hohem Druck zuzuführen. Dabei handelt es sich um einen gemeinsamen Druckspeicher 20, von dem aus die Einspritzventile 9 für mehrere Brennräume 30 mit druckbeaufschlagtem Kraftstoff versorgt werden.
Der Brennkraftmaschine 1 ist eine Steuervorrichtung 26 zugeordnet, welche über Signal- und Datenleitungen mit allen Ak- tuatoren und Sensoren der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. Konkret ist die Steuervorrichtung 26 über Daten- und Signalleitungen mit der Kraftstoffpumpe 18, dem Luftmassensensor 5, der Drosselklappe 6, der Zündkerze 10, dem Einspritzventil 9, dem Kühlmitteltemperatursensor 14, dem Drehzahlsensor 15 und der Anlasservorrichtung 32 gekoppelt.
In der Steuervorrichtung 26 sind Steuerungsfunktionen (KFl bis KF5) softwaremäßig implementiert, welche kennfeld- oder
modellbasiert sein können. Mittels der Steuerungsfunktionen berechnet die Steuervorrichtung 26 Stellsignale für die Aktu- atoren, um ein gewünschtes Drehmoment der Brennkraftmaschine zu realisieren. Die Beeinflussung des Drehmoments geschieht hauptsächlich durch die Einstellung der Frischluftmenge durch die Drosselklappe 6 als auch durch die Einstellung des Zündwinkels. Bei einem vorgegebenen Kraftstoff-Frischluft- Verhältnis (Lambda-Wert ) steigt das Drehmoment der Brennkraftmaschine 1 im Wesentlichen linear mit der zugeführten Frischluftmasse. Die Abhängigkeit des Drehmoments vom Zündzeitpunkt (Zündwinkel) ist schematisch in Figur 3 dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass sich bei einem Zündzeitpunkt IGAREF ein maximales Drehmoment einstellt. Bei einem minimalen Zündzeitpunkt IGAMiN, ist die Grenze zu einer instabi- len Verbrennungserreicht und das von der Brennkraftmaschine produzierte Drehmoment ist minimal. Die Verstellung des Zündzeitpunkts IGA ist daher durch diese beiden Extremwerte begrenzt .
Unter einer Verstellung des Zündzeitpunkts im Sinne einer reduzierten Drehmomentproduktion ist daher eine Verstellung in Richtung des minimalen Zündzeitpunkts IGAMiN zu verstehen. Da die Zündzeitpunkte zeitlich relativ zum oberen Totpunkts des Kolbens bestimmt werden (Grad Kurbelwinkel) wird die Verstel- lung des Zündzeitpunkts in Richtung des minimalen Zündzeitpunkts IGAMIN auch als „Spätverstellung" oder „Spätverzug" des Zündzeitpunkts bezeichnet (in Figur 3 durch einen Pfeil dargestellt .
Unter einer Verstellung des Zündzeitpunkts im Sinne einer erhöhten Drehmomentproduktion ist eine Verstellung in Richtung des maximalen Zündzeitpunkts IGAPEF zu verstehen. Da die Zündzeitpunkte zeitlich relativ zum oberen Totpunkts des Kolbens bestimmt werden (Grad Kurbelwinkel) wird die Verstellung des Zündzeitpunkts in Richtung des maximalen Zündzeitpunkts IGAREF auch als „Frühverstellung" oder „Frühverzug" des Zündzeitpunkts bezeichnet (in Figur 3 durch einen Pfeil dargestellt.
In der Steuervorrichtung 26 sind unter anderem Steuerfunktionen zu brennraum-individuellen Bestimmung des Zündzeitpunkts und des Einspritzzeitpunkts implementiert. Somit kann der Drehmomentbeitrag für jeden Brennraum 30 individuell einge- stellt werden.
In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Steuerverfahrens zum Starten einer Brennkraftmaschine 1 in Form eines Ablaufdiagramms dargestellt.
Das Verfahren wird in Schritt 200, beispielsweise beim Einstecken des Zündschlüssels oder bei der Aktivierung der Zündung der Brennkraftmaschine 1, gestartet. Das Verfahren fährt mit Schritt 201 fort, in dem mittels der in der Steuervor- richtung 26 implementierten Steuerfunktionen zum Start der
Brennkraftmaschine 1 brennraum-individuell ein Einspritzzeitpunkt, zu dem mittels der Einspritzventile 9 dem jeweiligen Brennraum 30 Kraftstoff zugeführt wird, und ein Zündzeitpunkt, zu dem in den jeweiligen Brennraum 30 ein Zündimpuls durch die Zündkerze 10 erfolgt, bestimmt und vorgegeben werden .
In Schritt 202 wird nun für jeden Brennraum 30 überprüft, ob der jeweils vorgegebene Zündzeitpunkt für den ersten Zündim- puls zeitlich vor dem vorgegebenen Einspritzzeitpunkt für den ersten Kraftstoffeinspritzimpuls liegt. Bei einem positiven Ergebnis dieser Abfrage fährt das Verfahren mit Schritt 203 fort, in dem für jeden Brennraum 30 der jeweilige Zündzeitpunkt für den ersten Zündimpuls im Sinne einer verminderten Drehmomentproduktion verstellt wird. Wir oben erläutert wurde, wird dies auch mit einem „Spätverstellen" oder einem „Spätverzug" des Zündwinkels bezeichnet.
Nach Schritt 203 oder bei einem negativen Ergebnis der Abfra- ge in Schritt 202 fährt das Verfahren mit Schritt 204 fort, in dem die Kurbelwelle 13 der Brennkraftmaschine 1 durch die Anlasservorrichtung 32 in Rotation versetzt wird. Entsprechend der Vorgaben werden in Schritt 205 zum Start der Brenn-
kraftmaschine 1 die Kraftstoffeinspritzimpulse und die vorgegebenen Zündimpulse für jeden durchgeführt. Dadurch, dass in jedem Brennraum 30 ein Zündimpuls erfolgt, werden auch Kraftstoffreste bzw. Kraftstoffablagerungen verbrannt, was sich günstig auf die Emissionen auswirkt. Dadurch, dass für diejenigen Brennräume 30, bei denen der erste Zündimpuls vor dem ersten Kraftstoffeinspritzimpuls erfolgt, der Zündzeitpunkt nach „Spät" verstellt wird, kann das in diesen Brennraum produzierte Drehmoment stark vermindert werden, sodass der Dreh- zahlhochlauf der Brennkraftmaschine 1 gleichmäßiger und kontrollierter abläuft.
Nach der Durchführung des ersten Zündimpulses und des ersten Kraftstoffeinspritzimpulses werden die Zündzeitpunkte wieder in Richtung einer erhöhten Drehmomentabgabe korrigiert. Wie oben erläutert wurde, wird dies auch als „Frühverstellen" o- der „Frühverzug" des Zündwinkels bezeichnet. Dadurch wird gewährleistet, dass eine ausreichend große Drehmomentabgabe für einen schnellen Startvorgang erfolgt.
Das Verfahren fährt mit Schritt 207 fort, in dem überprüft wird, ob der Startvorgang abgeschlossen ist. Ein Kriterium zur Beurteilung, ob der Startvorgang abgeschlossen ist, kann darin bestehen, dass die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 eine bestimmte Mindestdrehzahl überschritten hat. Bei einem negativen Ergebnis dieser Abfrage kehrt das Verfahren zu Schritt 204 zurück, wobei die Kurbelwelle 13 weiter durch die Anlasservorrichtung 32 rotiert wird. Bei einem positiven Ergebnis der Abfrage in Schritt 207 ist der Startvorgang abge- schlössen und das Verfahren wird mit Schritt 208 beendet.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Verfahren in analoger Weise auch auf Wankelmotoren und Zweitaktmotoren anwendbar ist. Bei der Anlasservorrichtung 32 kann es sich um einen be- liebigen elektrischen oder mechanischen Antrieb handeln, mittels dem die Kurbelwelle in Rotation versetzt werden kann.