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Dokumentenidentifikation DE10024438A1 29.11.2001
Titel Startverfahren und Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Ackermann, Manfred, 71570 Oppenweiler, DE
DE-Anmeldedatum 19.05.2000
DE-Aktenzeichen 10024438
Offenlegungstag 29.11.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.11.2001
IPC-Hauptklasse F02N 17/00
IPC-Nebenklasse F02N 11/00   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Startverfahren und eine Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine (10) von Kraftfahrzeugen, deren Kurbelwelle (11) mit einer elektrischen Maschine (14) zum Andrehen der Brennkraftmaschine verbunden ist. Von einem Startsteuergerät (19) werden Kurbelwellenstellung und -drehung erfaßt und zur Steuerung eines jeden Startvorganges der Brennkraftmaschine verwertet. Dabei wird die Kurbelwelle (11) von der elektrischen Maschine (14) für jeden Startvorgang zunächst in einer Positionierphase in eine Startposition gebracht.
Zur Erzielung möglichst kurzer Startzeiten und möglichst kleinem Andrehmoment der elektrischen Maschine ist vorgesehen, dass in einer der Positionierphase nachfolgenden Startphase in dem mindestens ersten, in Kompression gehenden Zylinders der Brennkraftmaschine (10) eine erste Verbrennung mit verringerter Kompression und verringertem Füllgrad ausgelöst wird, die das Andrehmoment der elektrischen Maschine (14) unterstützt.

Beschreibung[de]
Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Startverfahren für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Startvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Kraftfahrzeuge, die hinsichtlich des Kraftstoffverbrauches optimiert sind, erfordern u. a. ein Abschalten der Brennkraftmaschine an Ampeln im sogenannten Start-Stopp- Betrieb sowie ein Abschalten und Auskuppeln der Brennkraftmaschine in sogenannten Schubphasen. Dies führt zu einer deutlich erhöhten Startzykluszahl der Brennkraftmaschine. Andererseits werden durch zunehmenden Fahrzeugkomfort deutlich erhöhte Forderungen an die elektrische Bordnetzleistung gestellt. Zur Realisierung einer hohen Generatorleistung im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine sowie einer hohen Startzykluszahl der Brennkraftmaschine, wurde inzwischen eine elektrische Maschine entwickelt, die sowohl als Starter als auch als Generator nutzbar ist und als Starter-Generator bezeichnet wird. Im Generatorbetrieb wird dabei die elektrische Maschine von der Brennkraftmaschine über ein Umschaltgetriebe bereits im unteren Drehzahlbereich mit zur Stromerzeugung ausreichend hohen Drehzahlen angetrieben, wogegen beim Startvorgang der Brennkraftmaschine die elektrische Maschine im Motorbetrieb die Brennkraftmaschine mit kleiner Drehzahl und großem Drehmoment antreibt. Der Start der Brennkraftmaschine erfordert hierbei einen Antrieb, der auf die Kaltstartgrenztemperatur von etwa Minus 25°C dimensioniert ist und auf die dann auftretende Summe von Schleppmoment, Gasfedermoment und Beschleunigungsmoment der Brennkraftmaschine ausgelegt sein muß. Da das beim Andrehvorgang wirksame Trägheitsmoment des Starter-Generators gegenüber dem eines konventionellen Starters erheblich geringer ist, muß das Andrehmoment des Starter-Generators entsprechend stark erhöht werden, damit die Drehzahl der Kurbelwelle durch die Kompression in den Zylindern der Brennkraftmaschine nicht zu stark absinkt.

Aus der DE 198 58 992 A1 ist es bereits bekannt, mit einem Startsteuergerät vor jedem Startvorgang der Brennkraftmaschine dessen Schleppmoment durch Drehen der Kurbelwelle mittels des Starter-Generators zu erfassen und abhängig davon einen Kaltstart oder Warmstart mit einem entsprechend unterschiedlichen Startablauf durchzuführen. Während bei warmer Brennkraftmaschine dort ein sogenannter Direktstart wie bei einem konventionellen Starter mit vollem Andrehmoment der elektrischen Maschine durchgeführt wird, erfolgt bei kalter Brennkraftmaschine zunächst eine Positionierung der Kurbelwelle mittels des Starter- Generators in eine Startposition und anschließend wird ein zunächst abgekuppeltes Schwungrad vom Starter-Generator auf eine vorgegebene Drehzahl gebracht und dann über eine Schaltkupplung das rotierende Schwungrad für einen sogenannten Impulsstart auf die Kurbelwelle aufgeschaltet.

Hierbei ist nachteilig, dass mit dem Schwungrad das Gewicht des Fahrzeugs und damit auch der Kraftstoffverbrauch steigt, und dass für das Hochdrehen des Schwungrades eine relativ lange Startzeit und dementsprechend viel elektrische Energie benötigt wird. Bei einem Warmstart wird außerdem ein dynamischer Startablauf dadurch erschwert, dass mit der ersten vollen Kompression eines Zylinders an seinem oberen Totpunkt die Drehzahl der Kurbelwelle so stark einbricht, dass zur Vermeidung eines Zurückpendelns bei dem ersten in Kompression gehenden Zylinder noch keine Zündung erfolgen darf.

Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt das Andrehmoment der elektrischen Maschine und die Startzeit der Brennkraftmaschine zu verringern.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Startverfahren für die Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die zur Durchführung des Verfahrens vorgesehene Starteinheit mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 19 hat den Vorteil, dass durch eine vom Startsteuergerät durchgeführte Kompressions- und Füllgradverringerung in dem ersten, in der Startphase in Kompression gehenden Zylinder der Brennkraftmaschine eine deutliche Herabsetzung des Andrehmomentes der elektrischen Maschine bei einem Warm- und Kaltstart sowie durch Vermeidung eines sogenannten Impulsstartes eine deutliche Verringerung der Startzeit bei einem Kaltstart erreicht wird. Damit wird außerdem eine effektive Unterstützung der dem Motor andrehenden elektrischen Maschine beim Start-Stopp-Betrieb erreicht, was zu einer deutlichen Herabsetzung der Warmstartzeit führt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bereits bei einer nicht einmal halben Umdrehung der Kurbelwelle bereits eine erste Verbrennung in dem ersten in Kompression gehenden Zylinder ausgelöst werden kann, die das volle Andrehmoment der elektrischen Maschine unterstützt, so dass bereits nach kürzester Zeit ein zum Selbstlauf führendes Drehmoment an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine erzeugt wird. Mit einer geeigneten Programmierung des Startsteuergerätes kann in an sich bekannter Weise z. B. durch eine Temperaturmessung an der Brennkraftmaschine entschieden werden, ob ein Kaltstart oder ein Warmstart durchzuführen ist. Statt einer Temperaturmessung kann hierfür aber auch das Schleppmoment der Brennkraftmaschine durch Drehen der Kurbelwelle mittels der elektrischen Maschine in an sich bekannter Weise ermittelt und zur Auslösung eines Kaltstarts oder Warmstarts verwendet werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Da bei Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen durch die Drehung der Kurbelwelle die Zylinder in relativ kurzen Zeit- bzw. Drehabständen in Kompression gehen, wird für ein möglichst gleichmäßiges Andrehen der Brennkraftmaschine das Andrehmoment der elektrischen Maschine während der Startphase durch mehrere Verbrennungen mit verringerter Kompression und verringertem Luftfüllgrad unterstützt. Dabei werden in vorteilhafter Weise bei den nacheinander in Kompression gehenden Zylindern deren Kompression und Füllgrad in Stufen auf ihren vollen Wert von 100% erhöht. Die Abstufung kann dabei vom Startsteuergerät fest vorgegeben sein. In vorteilhafter Weise wird jedoch vorgeschlagen, dass Kompression und Füllgrad jeweils abhängig vom vorausgehenden Drehzahlverhalten der mit dem Andrehmoment der elektrischen Maschine beaufschlagten Kurbelwelle mit einem dafür geeigneten Programm des Startsteuergerätes gesteuert werden.

Für eine optimale Unterstützung des Andrehmomentes der elektrischen Maschine ist ferner von wesentlicher Bedeutung, dass in der Startphase die Verbrennung mit einer dem verringerten Füllgrad des Zylinders angepaßten verringerten Kraftstoffmenge ausgelöst wird.

Für eine verbesserte Startdynamik ist ferner von erheblicher Bedeutung, dass abhängig von dem vom Startsteuergerät erfaßten Zustand der Brennkraftmaschine in der Positionierphase die Kurbelwelle in eine erste Startposition für einen Warmstart oder in eine nachfolgend zweite Startposition für einen Kaltstart der Brennkraftmaschine gebracht wird. In vorteilhafter Weise wird dabei für einen Warmstart die Startposition vom Startsteuergerät bei etwa 60° vor dem oberen Kolben-Totpunkt des in Kompression gehenden Zylinders vorgegeben. Für den Kaltstart wird dabei in vorteilhafter Weise die Startposition bei etwa 40° vor dem oberen Totpunkt des in Kompression gehenden Zylinders vorgegeben.

Durch verspätetes Schließen der Einlaßventile gegenüber dem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine werden Kompressions- und Füllgrad des in Kompression gehenden Zylinders, in vorteilhafter Weise über eine freie Ventilsteuerung verringert. Hierzu ist eine elektromagnetische Ventilsteuerung besonders geeignet, wobei aber auch mechanische Ventilhubsteuerungen hierbei als Alternativen in Betracht kommen. Da sich bei Brennkraftmaschinen mit hohen Zylinderzahlen die Last- bzw. Gasfedermomente der aufeinanderfolgenden Kompressionen in störender Weise addieren, wird in vorteilhafter Weise vorgeschlagen, dass bei Brennkraftmaschinen mit geradzahligen Zylinderzahlen bei mehr als sechs Zylindern an jedem zweiten, in Kompression gehenden Zylinder der Füllgrad und die Kompression auf Null gesteuert wird. Die Füllgradstufen der übrigen Zylinder können dann, wie vorerwähnt, in Stufen aufeinander abgestimmt werden. Der Übergang zur vollen Zylinderzahl kann über das Startsteuergerät problemlos dann erfolgen, wenn die Drehzahl einen vorgegebenen Grenzwert zum Selbstanlauf überschreitet.

Für jeden Startvorgang muß die Kurbelwelle zunächst von der elektrischen Maschine in der Positionierphase in ihre Startposition gebracht werden; und zwar im Hinblick auf den ersten in Kompression gehenden Zylinder. Bei einem Warmstart im sogenannten Start-Stopp-Betrieb wird dies in vorteilhafter Weise dadurch realisiert, dass mit Beginn der Stopphase die Kurbelwelle beim Auspendeln von der elektrischen Maschine in ihre Startposition gebracht und bis zur nachfolgenden, vom Fahrzeugführer auszulösenden Startphase gehalten wird. Bei einem Kaltstart wird dagegen die Kurbelwelle allein von der elektrischen Maschine in die dem Kaltstart zugeordnete Startposition gedreht. Alternativ zur freien Ventilsteuerung ist hierbei auch eine Verringerung der Kompression und des Füllgrades über sogenannte Leckagen im Zylinder vorzunehmen. Hierzu wird in vorteilhafter Weise vorgeschlagen, durch langsames Drehen der Kurbelwelle in die Startposition am ersten in Kompression gehenden Zylinder Kompression und Füllgrad über Leckagen des Zylinders zu verringern. Falls dies zuviel Zeit erfordert, wird zweckmäßiger Weise die Kurbelwelle von der elektrischen Maschine während der Positionierphase zunächst in ihre Startposition gebracht, um durch eine vorgegebene Verweildauer in der Startposition bis zum Beginn der Startphase Kompressions- und Füllgrad über Leckagen des Zylinders zu verringern. Für ein genaues Ansteuern der Startposition kann dabei das Drehmoment der elektrischen Maschine reduziert werden. Zweckmäßiger Weise wird die Kurbelwelle solange in ihrer Startposition gehalten, bis der Gasfederdruck des in Kompression gehenden Zylinders auf einen Restwert abgesunken ist.

Abhängig von der Reduzierung des Kompressions- und Füllgrades der ersten in Kompression gehenden Zylinder der Brennkraftmaschine werden über eine an sich bekannte Einspritzsteuerung auch entsprechend reduzierte Kraftstoffmengen in die jeweiligen Zylinder eingespritzt. Bei Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung ist es dabei besonders vorteilhaft, dass während der ersten Kompressionsphase mit verringerter Kompression die vorgegebene Kraftstoffmenge eingespritzt wird. Bei Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung ist es dagegen vorteilhaft, dass vor der ersten Kompressionsphase mit verringerter Kompression, vorzugsweise in der Ansaugphase vor dem unteren Totpunkt des Kolbens des in Kompression gehenden Zylinders die vorgegebene Kraftstoffmenge über das noch geöffnete Einlaßventil eingespritzt wird. In beiden Fällen läßt sich dann mit einem relativ kleinen Drehwinkel der Kurbelwelle von etwa 100° eine erste, das Andrehmoment der elektrischen Maschine unterstützende Verbrennung auslösen.

Das erfindungsgemäße Startverfahren wird mit einer Starteinrichtung durchgeführt, bei der das Startsteuergerät mit einem Dreh- und Lagesensor der Kurbelwelle und ausgangsseitig mit der elektrischen Maschine, der Ventilsteuerung und der Kraftstoff-Einspritzsteuerung der Brennkraftmaschine verbunden ist.

Zeichnung

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen an Hand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 das Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeuges in schematischer Darstellung mit einer Starteinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Startverfahrens und

Fig. 2 zeigt eine Tabelle für eine abgestufte Reduzierung des Füllgrades durch abgestuftes Schließen des jeweiligen Einlaßventils vor dem oberen Totpunkt beziehungsweise durch abgestuftes Öffnen und Schließen vor dem unteren Totpunkt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der schematischen Darstellung eines Antriebsaggregates für Kraftfahrzeuge nach Fig. 1 ist die Brennkraftmaschine mit 10 bezeichnet. Dabei handelt es sich um einen vierzylindrigen Ottomotor, dessen Kurbelwelle 11 mit einem Dreh- und Lagesensor 12 zusammenwirkt. Ferner ist die Kurbelwelle 11 über ein Schaltgetriebe 13 mit einer elektrischen Maschine 14 verbunden, die als Starter- Generator mit der Brennkraftmaschine 10 zusammenwirkt. Die Kurbelwelle 11 ist ferner über eine Kupplung 15 mit einem Fahrzeuggetriebe 16 verbunden, über dessen Ausgang Antriebsräder 17 des nicht dargestellten Kraftfahrzeugs von der Brennkraftmaschine 10 angetrieben werden. Des Weiteren ist ein elektronisches Motorsteuergerät 18 vorhanden, mit dem die nicht dargestellten Einspritzventile Ein- und Auslaßventile sowie die Zündung an den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine 10 gesteuert werden und in dem außerdem die Stellung der Kurbelwelle erfaßt wird. Mit dem Motorsteuergerät 18 ist ferner ein elektronisches Startsteuergerät 19 elektrisch verbunden, welches eingangsseitig über eine Signalleitung 20 mit dem Dreh- und Lagesensor 12 verbunden ist und ausgangsseitig sowohl das Schaltgetriebe 13 als auch die elektrische Maschine 14steuert. Es kommuniziert ferner mit dem Motorsteuergerät 18. Das Schaltgetriebe 13 ist vom Startsteuergerät 19 derart ansteuerbar, dass es bei Startvorgängen die dann motorisch betriebene elektrische Maschine 14 mit großem Drehmoment und kleiner Drehzahl auf die Kurbelwelle 11 aufschaltet. Im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 14 wird dagegen das Schaltgetriebe 13 so umgeschaltet, dass auch im Leerlauf der Brennkraftmaschine 10 die elektrische Maschine 14 mit ausreichend hoher Drehzahl betrieben wird, um das nicht dargestellte Bordnetz des Kraftfahrzeugs in ausreichendem Maße zu versorgen. Mit dem Dreh- und Lagesensor 12 ist die jeweilige genaue Position der Kurbelwelle 11 und damit auch die Stellung der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine 10 im Startsteuergerät 19 erfaßt. Über einen Schalter 21, der z. B. im Zündschloß des Kraftfahrzeugs integriert ist, kann vom Fahrzeugführer ein Kaltstart ausgelöst werden. Über einen Gaspedalschalter 22 kann im Start-Stopp-Betrieb des Kraftfahrzeugs ein Warmstart ausgelöst werden.

In einem ersten Ausführungsbeispiel soll nunmehr das erfindungsgemäße Startverfahren für einen Kaltstart und einen Warmstart näher erläutert werden.

Der erste Startvorgang ist immer ein Kaltstart. Er wird mit dem Schließen des Startschalters 21 ausgelöst. Im Startsteuergerät 19 wird über den Sensor 12 die Position der Kurbelwelle 11 und damit die Positionen der Kolben in den Zylindern erfaßt. In der nun folgenden Positionierphase wird die elektrische Maschine 14 und das Schaltgetriebe 13 vom Startsteuergerät 19 auf Motorbetrieb geschaltet und die elektrische Maschine 14 beginnt die Kurbelwelle 11 mit einem vom Startsteuergerät 19 vorgegebenen Drehmoment in ihre für einen Kaltstart vorgegebene Startposition zu drehen. Zugleich wird an dem ersten, bei der Kurbelwellendrehung in Kompression gehenden Zylinder das Einlaßventil vom Startsteuergerät 19 über das Motorsteuergerät 18 geöffnet bzw. offengehalten, bis die Startposition bei 40° vor dem oberen Totpunkt (OT) des in Kompression gehenden Zylinders erreicht ist. Dann wird das Einlaßventil geschlossen und bei direkter Einspritzung eine gegenüber dem Leerlauf reduzierte Einspritzmenge in den Zylinder eingespritzt. Mit der nunmehr beginnenden Startphase wird die Kurbelwelle 11 von der elektrischen Maschine mit vollem Andrehmoment gedreht und nach einer viertel Umdrehung wird in dem Zylinder mit reduzierter Kompression eine erste Verbrennung ausgelöst, welche die elektrische Maschine 14 unterstützt und die Kurbelwelle 11 beschleunigt.

Nunmehr geht auch der zweite Zylinder in Kompression, wobei das Startsteuergerät 19 über das Motorsteuergerät 18 das Einlaßventil des zweiten Zylinders nunmehr bei 60° vor dem oberen Totpunkt zur Erzielung eines reduzierten Kompressions- und Füllgrades schließt. Auch hier wird nunmehr eine entsprechend reduzierte Kraftstoffmenge eingespritzt und nach etwa 1/3 Kurbelwellendrehung wird in dem zweiten Zylinder eine zweite, den Hochlauf der Brennkraftmaschine 10 unterstützende Verbrennung ausgelöst. Nachfolgend geht der dritte Zylinder in Kompression und auch hier wird über das Startsteuergerät 19 das Einlaßventil des dritten Zylinders erst 80° vor dem oberen Totpunkt geschlossen. Somit wird auch die dritte Kompression reduziert und nach etwa 1/3 Kurbelwellendrehung erfolgt eine dritte, den Hochlauf der Brennkraftmaschine unterstützende Verbrennung. Erst wenn der vierte Zylinder in Kompression geht, wird die Kompressionsreduzierung abgeschaltet, so dass der weitere Hochlauf der Brennkraftmaschine durch die elektrische Maschine 14 nunmehr von der Brennkraftmaschine 10 mit ihren Leerlaufparametern bezüglich Kompression, Füllgrad, Einspritzmenge und Zündzeitpunkt unterstützt wird.

Aus der Tabelle nach Fig. 2 ist erkennbar, dass mit einer derartigen Abstufung der Schließstellung der Einlaßventile eine abgestuft, verringerte Kompression und ein abgestuft, verringerter Luftfüllgrad erzielt wird, mit dem der maximale sogenannte Gasfederdruck in den Zylindern deutlich herabgesetzt wird. Dadurch läßt sich mit dem vorgegebenen Andrehmoment der elektrischen Maschine die Startphase der Brennkraftmaschine deutlich abkürzen. Durch diese Stufung mit ansteigendem Füllgrad der Zylinder ist nur ein minimales Kaltstart-Andrehmoment von der elektrischen Maschine aufzubringen, da die mit zunehmenden Füllgrad steigende Kompressionsarbeit durch die vorausgegangene unterstützende Verbrennung geleistet wird, ohne dass es zu einem Drehzahleinbruch kommt. Über den Sensor 12 wird das Erreichen der Leerlaufdrehzahl erfaßt und der Startvorgang durch das Startsteuergerät 19 beendet, indem beispielsweise die elektrische Maschine 14 und das Schaltgetriebe 13 nunmehr auf Generatorbetrieb umgeschaltet wird.

Im Start-Stopp-Betrieb wird beispielsweise das Kraftfahrzeug an Ampeln für kurze Zeit angehalten und die Brennkraftmaschine dabei abgeschaltet. Beim Auspendeln der Kurbelwelle wird dabei vom Startsteuergerät 19 der bei einem nachfolgenden Warmstart als erster in Kompression gehende Zylinder erfaßt und die Kurbelwelle mit Hilfe der elektrische Maschine 14 in die für einen Warmstart vorgegebene Startposition gebracht. Sie wird dort bis zur nachfolgenden, vom Fahrzeugführer durch Schließen des Fahrpedalschalters 22 auszulösende Startphase mit Hilfe der elektrischen Maschine 14 gehalten. Das Einlaßventil des betreffenden Zylinders wird ebenfalls bis zu dieser Startposition offengehalten. Für den Warmstart ist eine Startposition von 60° vor dem oberen Totpunkt (OT) des ersten in Kompression gehenden Zylinders vorgesehen.

Mit der Startphase beim Warmstart wird nun das Einlaßventil geschlossen, die reduzierte Kraftstoffmenge in den Zylinder eingespritzt und die Kurbelwelle 11 mit dem vollen Andrehmoment der elektrischen Maschine 14 beschleunigt. Nach etwa 90° Kurbelwellendrehung wird dann eine erste Verbrennung ausgelöst, die das Andrehmoment der elektrischen Maschine 14 unterstützt. Dabei geht nachfolgend der zweite Zylinder in Kompression. Auch hierbei wird noch ein reduzierter Kompressions- und Füllgrad erzielt, indem das Einlaßventil erst 90° vor OT geschlossen wird. Da bei einem Warmstart das Schleppmoment der Brennkraftmaschine 10 wesentlich geringer ist als bei einem Kaltstart, kann hier bereits mit dem dritten, in Kompression gehenden Zylinder die Reduzierung des Füllgrades mit dem Startsteuergerät 19 abgeschaltet werden, so dass bereits mit der dritten Verbrennung der weitere Hochlauf der Brennkraftmaschine gesichert ist. Das Startsteuergerät 19 beendet auch hier mit dem Erreichen der Leerlaufdrehzahl den Startvorgang und schaltet die elektrische Maschine sodann in den Generatorbetrieb um.

Ist das Kraftfahrzeug mit einer sogenannten Schubabschaltung ausgerüstet, so wird auch hierfür am Ende der Schubphase durch Betätigen des Gaspedalschalters 22 der zuvor beschriebene Warmstart der Brennkraftmaschine ausgelöst.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Startverfahrens für Brennkraftmaschinen wird in der Positionierphase das Einlaßventil am ersten in Kompression gehenden Zylinder der Brennkraftmaschine bei einem Kaltstart vom Startsteuergerät 19 im unteren Totpunkt geschlossen, so dass die Startposition bereits mit der Überwindung des Kompressionsbeginnes im ersten Zylinder angesteuert werden muß. Um dennoch für den ersten Zylinder einen reduzierten Kompressions- und Füllgrad zu erreichen, wird nunmehr die Kurbelwelle 11 der Brennkraftmaschine 10 von der elektrischen Maschine 14 mit stark verringertem Andrehmoment in die für einen Kaltstart vorgegebene Startposition gedreht, wobei die sich dabei aufbauende Kompression durch Leckagen im Zylinder wieder weitgehend abgebaut wird. In der anschließenden Startphase wird dann die Kurbelwelle 11 mit vollem Andrehmoment der elektrischen Maschine 14 gedreht. Auch hier wird nach etwa 1/3-Kurbelwellendrehung in dem in Kompression gehenden Zylinder der Brennkraftmaschine eine erste Verbrennung mit verringerter Kompression und verringertem Füllgrad ausgelöst, der das Andrehmoment der elektrischen Maschine 14 unterstützt. Dies führt bei Brennkraftmaschinen mit kleinen Zylinderzahlen zu einer vereinfachten Ausführungsform, da sie ohne zusätzliche Steuerung der Einlaßventile auskommt, sofern der Startvorgang bereits mit einer verringerten Kompression des ersten Zylinders zu einem stabilen Hochlaufen der Brennkraftmaschine führt.

Auch bei einem Warmstart wird bei derartigen Brennkraftmaschinen die verringerte Kompression im ersten Zylinder ohne zusätzliche Ansteuerung der Einlaßventile realisiert, da sowohl im Start-Stopp-Betrieb, als auch im Schubbetrieb mit dem jeweils vorherigen Abschalten der Brennkraftmaschine die Startposition beim Auspendeln der Kurbelwelle von der elektrischen Maschine 14 angesteuert und dort festgehalten wird. Durch die Leckagen im Zylinder wird auch hier während der Verweildauer bis zum erneuten Start die im Zylinder bereits vorhandene Kompression weitgehend abgebaut, so dass mit dem Schließen des Gaspedalschalters 22 die Startphase mit verringerter erster Kompression durchlaufen und nach etwa 1/3-Kurbelwellendrehungen eine erste, das Andrehmoment der elektrischen Maschine 14 unterstützende Verbrennung ausgelöst wird.

Alternativ zu der zuvor beschriebenen Positionierphase beim Kaltstart ist es ebenso gut möglich, dass die Kurbelwelle 11 während der Positionierphase mit der vollen Andrehkraft der elektrischen Maschine 14 in die Startposition gebracht wird und dass dann durch eine vom Startsteuergerät 19 vorgegebene Verweildauer in der Startposition die bereits durch das Schließen des Einlaßventils vorhandene Teilkompression durch Leckagen im Zylinder soweit abgebaut oder verringert wird, dass in der nachfolgenden Startphase im ersten Zylinder Kompression und Füllgrad in angestrebtem Umfang reduziert werden.

Da das von der elektrischen Maschine zu überwindende Schleppmoment der Brennkraftmaschine bei einem Kaltstart wesentlich höher ist, als bei einem Warmstart, ist es wichtig, dass die von der elektrischen Maschine zusätzlich noch zu überwindende Kompression insbesondere in dem ersten Zylinder beim Kaltstart stärker herabgesetzt wird, als beim Warmstart. Über das Drehverhalten der Brennkraftmaschine in der Positionierphase kann daher der warme oder kalte Zustand der Brennkraftmaschine von dem Startsteuergerät erfaßt werden. Alternativ dazu kann dies auch durch eine Temperaturmessung der Brennkraftmaschine vom Startsteuergerät erfaßt werden. Abhängig vom Zustand der Brennkraftmaschine wird dann in der Positionierphase die Kurbelwelle in eine erste Startposition für einen Warmstart oder in eine nachfolgende zweite Startposition für einen Kaltstart der Brennkraftmaschine gebracht. Die erste Startposition wird bei etwa 60° vor dem oberen Totpunkt und die zweite Startposition bei etwa 40° vor dem oberen Totpunkt des in Kompression gehenden Zylinders vorgegeben.

Wie bereits zuvor erwähnt, wird bei Brennkraftmaschinen mit einer Direkteinspritzung die vorgegebene Kraftstoffmenge während der ersten Kompressionsphase mit verringerter Kompression eingespritzt. Bei Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung wird die Kraftstoffmenge über das noch geöffnete Einlaßventil eingespritzt. Die Einspritzung beginnt dabei vorzugsweise ab dem unteren Totpunkt des in Kompression gehenden Zylinders.

Die verringerte Kompression in der Startphase bewirkt einerseits eine Herabsetzung des benötigten Andrehmomentes der elektrischen Maschine aus der Startposition der Kurbelwelle. Sie erreicht aber andererseits auch noch einen ausreichenden Luftfüllgrad von 25 bis 40%, mit dem dann bei entsprechend angepaßter Kraftstoff-Einspritzmenge bereits eine erste, das Andrehmoment stark unterstützende Verbrennung im Zylinder erzielt wird.

Startversuche mit derartig ausgerüsteten Brennkraftmaschinen zeigen bei unterschiedlichen Auspendelstellungen der Brennkraftmaschine, dass aufgrund der relativ kleinen Start- Trägheitsmomente sehr starke Unterschiede im Startablauf, insbesondere in der Startdynamik und im minimal benötigten Andrehmoment vorhanden sind. Bei kleinen und mittleren Zylinderzahlen von drei bis sechs Zylindern sowie beim Dieselmotor sind diese Start-Positions-Abhängigkeiten besonders ausgeprägt. Bei Startvorrichtungen mit einem Starter-Generator erwartet man eine sichere und dynamische Startfunktion, wobei bei der Kaltstartgrenztemperatur eine Startzeit bis zu einigen Sekunden noch akzeptabel ist, während beim Warmstart die Reduzierung der Startzeit im Vordergrund steht. Die Reduzierung des benötigten Andrehmomentes ist deshalb wichtig, weil der im Generatorbetrieb notwendige Dauerstrom einerseits und der Startstrom andererseits in einem solchen Verhältnis stehen, dass der Generatorstrom auslegungsbestimmend bleibt. In diesem Fall läßt sich der Aufwand für die elektrische Maschine und den für den Motorbetrieb erforderlichen Wechselrichter minimieren.

Mit dem erfindungsgemäßen Startverfahren ist eine Koordination des Startablaufs und der Startapplikation mit einer abgestuften Kompressions- und Füllgradsteuerung der ersten zur Verbrennung beitragenden Zylinder bei minimiertem Andrehmoment möglich, die zu einem sicheren Kaltstart und einen Warmstart mit deutlich reduzierter Startzeit führt. Neben der bekannten Drehwinkelsensorik können zusätzlich auch Drehzahl und Drehwinkelsignale der elektrischen Maschine mitverwendet werden.

Da bei einem Kompressionsabbau durch Leckagen bei tiefen Temperaturen der Brennkraftmaschine und bei entsprechend großen Einspritzmengen eine relativ große Einspritzzeit benötigt werden kann, muß die Kurbelwelle ggf. bis zum Ende der Einspritzzeit in ihrer Einspritzstellung festgehalten werden. Gegenüber Brennkraftmaschinen mit konventionellem Starter wird hier bei einem Warmstart die Kurbelwelle mit relativ kleinem Trägheitsmoment aus ihrer Startposition beschleunigt. Dabei wird zur Überwindung der ersten verringerten Kompression nur etwa 20% Energie gegenüber einer vollen Kompression benötigt, so dass die Drehzahl nach einer Anfangsbeschleunigung bereits einen hohen Wert von beispielsweise 150 bis 200 Umdrehungen/Minute erreicht. Sie wird im oberen Totpunktbereich des ersten Zylinders auf etwa diesem Niveau stagnieren, aber nicht wie bei der Überwindung einer vollen Kompression total einbrechen. Nach dem oberen Totpunkt kann eine Teilenergie der Dekompression und bis zu ca. 40% des vollen Drehmomentes einer Verbrennung in diesem Zylinder genutzt werden, so dass die nachfolgende volle Kompression ohne Drehzahleinbruch überwunden und anschließend der Selbstlauf mit hoher Dynamik erreicht wird.

Bei einem Kaltstart läßt sich die Positionierung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine auch bei Kaltstart- Grenztemperaturen mit einem vergleichsweise kleinen Andrehmoment durchführen, das beispielsweise 50% unter dem vollen Andrehmoment liegen kann. Dies ist möglich, wenn man eine maximale Positionierzeit von etwa zwei Sekunden sowie als maximalen bis zur Startposition zu durchlaufenden Drehwinkel (Positionierwinkel) den Zündabstand - also 180° bei einer Vier-Zylinder-Maschine - als noch zulässig erachtet.

Bekanntlich wird bei Drehzahlen deutlich unter 100 min-1 mit zunehmender Kompression im Zylinder mit steigendem Andrehmoment der größte Teil der Energiezufuhr durch die Zunahme der Leckage- und Wandwärmeverluste im Zylinder verbraucht und nur ein kleinerer Teil führt zu einer Erhöhung der Kurbelwellendrehzahl. Diese Verluste werden nun dadurch verringert, dass die Kurbelwelle in der Positionierphase im zweiten Ausführungsbeispiel zunächst mit einem kleineren Andrehmoment in ihre Startposition gebracht wird und erst aus dieser Position heraus die Umschaltung auf das volle Andrehmoment vorgenommen wird. Die geeignete Startposition wird ähnlich wie bei der Warmstartpositionierung so gewählt, dass in der ersten Beschleunigungsphase nur eine verringerte Kompression durchlaufen werden muß. Der Luftfüllgrad und damit auch die nach dem oberen Totpunkt durch die Verbrennung erreichbaren Drehmomente haben aber bereits einen hohen Wert zur Unterstützung des Startvorganges.

In Fig. 2 sind in einer Tabelle die Verhältnisse in den Zylindern bei verringerter Kompression deutlich gemacht.

Die Tabelle gibt den Luftfüllgrad in % auf dem maximal möglichen Wert, den Verichtungsgrad gegenüber Normaldruck sowie den im oberen Totpunkt in bar gemessenen Gasfederdruck und die sich daraus ergebende Gasfeder-Energie an, und zwar bei einem abgestuft ansteigenden Startwinkel. Dabei ist der Startwinkel derjenige Winkel, den die Kurbelwelle in der Startposition gegenüber dem oberen Totpunkt des ersten in Kompression gehenden Zylinders einnimmt. Die Tabelle zeigt, daß bei verringerter Kompression die von der elektrischen Maschine beim Startvorgang aufzubringende Gasfeder-Energie deutlich überproportional gegenüber dem Füllgrad reduziert wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Startverfahren für eine Brennkraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeuges mit einem Fahrzeuggetriebe (16) zwischen der Kurbelwelle (11) der Brennkraftmaschine und den Antriebsrädern (17) des Kraftfahrzeuges, mit einer Kupplung (15) zwischen dem Fahrzeuggetriebe und der Kurbelwelle, mit einer elektrischen Maschine (14), die zum Andrehen der Brennkraftmaschine mit der Kurbelwelle verbunden ist, sowie mit einem Startsteuergerät (19) zur Erfassung der Kurbelwellenstellung und -drehung und zur Steuerung eines jeden Startvorganges der Brennkraftmaschine, wobei für jeden Startvorgang die Kurbelwelle von der elektrischen Maschine in einer Positionierphase in eine Startposition vor OT gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einer anschließenden Startphase in dem mindestens ersten, in Kompression gehenden Zylinder der Brennkraftmaschine (10) eine erste Verbrennung mit verringerter Kompression und verringertem Füllgrad ausgelöst wird, die das in der Startphase an der Kurbelwelle (11) wirksame Andrehmoment der elektrischen Maschine (14) unterstützt.
  2. 2. Startverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Startphase das Andrehmoment der elektrischen Maschine (14) durch mehrere Verbrennungen mit verringerter Kompression und verringertem Füllgrad in den Zylindern der Brennkraftmaschine (10) unterstützt wird.
  3. 3. Startverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompression und der Füllgrad in Stufen auf ihren vollen Wert (100%) erhöht werden.
  4. 4. Startverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Kompression und Füllgrad jeweils abhängig vom vorausgehenden Drehzahlverlauf der Kurbelwelle (11) gesteuert werden.
  5. 5. Startverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Startphase die Verbrennung mit einer dem verringerten Füllgrad des Zylinders angepaßten verringerten Kraftstoffmenge ausgelöst wird.
  6. 6. Startverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von dem vom Startsteuergerät (19) erfaßtem Zustand der Brennkraftmaschine (10) in der Positionierphase die Kurbelwelle (11) in eine erste Startposition für einen Warmstart oder in eine nachfolgende zweite Startposition für einen Kaltstart der Brennkraftmaschine gebracht wird.
  7. 7. Startverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Startposition bei etwa 60° vor dem oberen Totpunkt des in Kompression gehenden Zylinders der Brennkraftmaschine (10) vorgegeben wird.
  8. 8. Startverfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Startposition bei etwa 40° vor dem oberen Totpunkt des in Kompression gehenden Zylinders der Brennkraftmaschine (10) vorgegeben wird.
  9. 9. Startverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über eine freie Ventilsteuerung der Einlaßventile Kompression und Füllgrad des in Kompression gehenden Zylinders verringert wird.
  10. 10. Startverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Brennkraftmaschinen mit geradzahligen Zylinderzahlen von > 6 bei jedem zweiten in Kompression gehenden Zylinder Kompression und Füllgrad auf 0% gesteuert wird.
  11. 11. Startverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Start-Stopp-Betrieb des Fahrzeugs mit Beginn einer Stopphase die Kurbelwelle (11) beim Auspendeln von der elektrischen Maschine (14) in eine Startposition gebracht und bis zur nachfolgenden, vom Fahrzeugführer auszulösenden Startphase gehalten wird.
  12. 12. Startsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kompression und Füllgrad des ersten in Kompression gehenden Zylinders durch langsames Drehen der Kurbelwelle (11) in die Startposition über Leckagen der Zylinder verringert wird.
  13. 13. Startverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle während der Positionierphase von der elektrischen Maschine (14) in die Startposition gebracht und dass Kompression und Füllgrad des ersten in Kompression gehenden Zylinders durch eine vorgegebene Verweildauer in der Startposition über Leckagen des Zylinders verringert werden.
  14. 14. Startverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (11) solange in ihrer Startposition gehalten wird, bis der Gasfederdruck des in Kompression gehenden Zylinders durch Leckagen auf einen Restwert abgesunken ist.
  15. 15. Startverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung während der ersten Kompressionsphase mit verringerter Kompression die vorgegebene Kraftstoffmenge eingespritzt wird.
  16. 16. Startverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung vor der vorzugsweise ersten Kompressionsphase mit verringerter Kompression, vorzugsweise ab dem unteren Totpunkt des in Kompression gehenden Zylinders die vorgegebene Kraftstoffmenge über das noch geöffnete Einlaßventil eingespritzt wird.
  17. 17. Startverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der durch die Startposition der Kurbelwelle (11) vorgegebenen ersten verringerten Kompression ein Luftfüllgrad von 25 bis 40% erreicht wird.
  18. 18. Startverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erreichen eines vorgegebenen Drehzahlwertes der Kurbelwelle (11) der Füllgrad und die Kompression auf 100% der Leerlaufwerte gesetzt werden.
  19. 19. Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zur Durchführung eines Startverfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Startsteuergerät (19) zur Durchführung der Positionier- und der Startphase eingangsseitig mit einem Dreh- und Lagesensor (12) der Kurbelwelle (11) und ausgangsseitig mit der elektrischen Maschine (14), einer Ventilsteuerung und einer Kraftstoff-Einspritzsteuerung (18) der Brennkraftmaschine (10) verbunden ist.






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