Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Starten der Brennkraftmaschine aus Fig. 1; und

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens aus Fig. 2.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Kolben 2 auf, der in einem Zylinder 3 hin- und herbewegbar ist. Der Zylinder 3 ist mit einem Brennraum 4 versehen, an den über Ladungsventile 5 ein Ansaugrohr 6 (Einlassventil) und ein Abgasrohr 7 (Auslassventil) angeschlossen sind. Des Weiteren sind dem Brennraum 4 ein mit einem Signal TI ansteuerbares Einspritzventil 8 und eine mit einem Signal ZW ansteuerbare Zündkerze 9 zugeordnet. Die Brennkraftmaschine 1 ist zwischen verschiedenen Betriebsarten hin- und herschaltbar.

In einer ersten Betriebsart, dem Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wird der Kraftstoff von dem Einspritzventil 8 während einer durch den Kolben 2 hervorgerufenen Verdichtungsphase in den Brennraum 4 eingespritzt, und zwar örtlich in die unmittelbare Umgebung der Zündkerze 9 sowie zeitlich unmittelbar vor dem oberen Totpunkt OT des Kolbens 2 bzw. vor dem Zündzeitpunkt. Dann wird mit Hilfe der Zündkerze 9 der Kraftstoff entzündet, so dass der Kolben 2 in der nunmehr folgenden Arbeitsphase durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs angetrieben wird.

In einer zweiten Betriebsart, dem Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wird der Kraftstoff von dem Einspritzventil 8 während einer durch den Kolben 2 hervorgerufenen Ansaugphase in den Brennraum 4 eingespritzt. Durch die gleichzeitig angesaugte Luft wird der eingespritzte Kraftstoff verwirbelt und damit in dem Brennraum 4 im Wesentlichen gleichmäßig (homogen) verteilt. Danach wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch während der Verdichtungsphase verdichtet, um dann von der Zündkerze 9 entzündet zu werden. Durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs wird der Kolben 2 angetrieben.

Im Schichtbetrieb wie auch im Homogenbetrieb wird durch den angetriebenen Kolben 2 eine Kurbelwelle 10 in eine Drehbewegung versetzt, über die letztendlich die Räder des Kraftfahrzeugs angetrieben werden. Der Kurbelwelle 10 ist ein Drehzahlsensor 11 zugeordnet, der in Abhängigkeit von der Drehbewegung der Kurbelwelle 10 ein Signal N erzeugt.

Der Kraftstoff wird im Schichtbetrieb und im Homogenbetrieb unter einem hohen Druck über das Einspritzventil 8 in den Brennraum 4 eingespritzt. Zu diesem Zweck ist eine elektrische Kraftstoffpumpe als Vorförderpumpe und eine Hochdruckpumpe vorgesehen (Vorförderpumpe und Hochdruckpumpe nicht dargestellt), wobei letztere von der Brennkraftmaschine 1 oder elektromotorisch angetrieben sein kann. Die elektrische Kraftstoffpumpe (EKP) wird unabhängig von der Brennkraftmaschine 1 angetrieben und erzeugt einen sogenannten Raildruck EKP von mindestens 3 bar, und die Hochdruckpumpe erzeugt einen Rail-Druck HD von bis zu etwa 200 bar. Bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen liegen die erzeugten Drücke wesentlich höher.

Die im Schichtbetrieb und im Homogenbetrieb von dem Einspritzventil 8 in den Brennraum 4 eingespritzte Kraftstoffmasse wird von einem Steuergerät 12, insbesondere im Hinblick auf einen geringen Kraftstoffverbrauch und/oder eine geringe Schadstoffemission, gesteuert und/oder geregelt. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 12 mit einem Mikroprozessor 14 versehen, der in einem Speicherelement, insbesondere in einem Flash-Memory 15, ein Computerprogramm abgespeichert hat, das dazu geeignet ist, die genannte Steuerung und/oder Regelung durchzuführen. Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist entweder ein eigenes auf dem Mikroprozessor 14 ablauffähiges Computerprogramm auf dem Flash-Memory 15 abgespeichert, oder aber das bestehende Computerprogramm ist in geeigneter Weise erweitert.

Das Steuergerät 12 ist von Eingangssignalen beaufschlagt, die mittels Sensoren gemessene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 darstellen. Bspw. ist das Steuergerät 12 mit einem in dem Ansaugrohr 6 angeordneten Luftmassensensor, einem in dem Abgasrohr 7 angeordneten Lambda-Sensor und/oder mit dem Drehzahlsensor 11 verbunden. Des Weiteren ist das Steuergerät 12 mit einem Fahrpedalsensor 13 verbunden, der ein Signal FP erzeugt, das die Stellung eines von einem Fahrer betätigbaren Fahrpedals angibt. Das Steuergerät 12 erzeugt Ausgangssignale, mit denen über Aktoren oder Steller das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 entsprechend der erwünschten Steuerung und/oder Regelung beeinflusst werden kann. Bspw. ist das Steuergerät 12 mit dem Einspritzventil 8 und der Zündkerze 9 verbunden und erzeugt die zu deren Ansteuerung erforderlichen Signale TI, ZW.

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum anlasserfreien Starten einer direkteinspritzenden 4- Zylinder-Brennkraftmaschine 1 in der Form eines Diagramms schematisch dargestellt. Die einzelnen Zeilen des Diagramms beziehen sich auf den jeweils angegebenen Zylinder 3 der Brennkraftmaschine 1. Die verschiedenen Zylinder 3 sind dabei mit Nummern gekennzeichnet. Die einzelnen Spalten des Diagramms beziehen sich auf die Phasen bzw. Takte, in denen sich der Kolben 2 des zugehörigen Zylinders 3 befindet. Jeder der Kolben 2 kann sich dabei in einer Ansaugphase, einer Verdichtungsphase, einer Arbeitsphase oder einer Ausstoßphase befinden. Die Übergänge zwischen den einzelnen Phasen sind durch die oberen Totpunkte OT der Kolben 2 gekennzeichnet. Insoweit stellt die horizontale Achse entlang der verschiedenen Phasen der Kolben 2 einen Drehwinkel °KW der Kurbelwelle 10 dar. Die Stellung der Brennkraftmaschine 1 vor dem Start, also die Stellung im Stillstand der Brennkraftmaschine 1, ist gestrichelt dargestellt.

Bei dem in der Fig. 2 dargestellten und nachfolgend beschriebenen Verfahren ist der Drehzahlsensor 11 als Absolutwinkelgeber ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Drehzahlsensor 11 jederzeit, insbesondere auch nach einem Stillstand der Brennkraftmaschine 1, den Drehwinkel °KW erzeugt und an das Steuergerät 12 weitergibt. Auf diese Weise kann vor dem Beginn des Startvorgangs die Stellung der Kolben 2 in den Zylindern 3 ermittelt werden. Alternativ kann die Kurbelwelle 10 auch durch einen elektromotorischen Anlasser in eine notwendige Umdrehung versetzt werden, damit der Drehzahlsensor 11 die Stellung des Kolbens 2 signalisieren kann.

Bei dem Verfahren nach Fig. 2 befindet sich bei stillstehender Brennkraftmaschine 1 der Zylinder Nr. 4 in seiner Arbeitsphase (Einlass- und Auslassventile 5 geschlossen, Stellung des Kolbens 2 nach OT). Der Zylinder Nr. 4 ist der Startzylinder. Zu Beginn des Startvorgangs wird in den Brennraum 4 des Zylinders Nr. 4 Kraftstoff eingespritzt. Falls die Hochdruckpumpe abhängig von der Brennkraftmaschine 1 angetrieben wird, erfolgt die Einspritzung nur unter Raildruck EKP der elektrischen Kraftstoffpumpe. Andernfalls, d. h. die Hochdruckpumpe wird unabhängig von der Brennkraftmaschine 1 angetrieben, wird der Kraftstoff zwecks Gemischaufbereitung unter Hochdruck HD in den Brennraum 4 eingespritzt. Unmittelbar nach der Einspritzung wird der eingespritzte Kraftstoff bzw. das in dem Brennraum 4 enthaltene Kraftstoff/Luft-Gemisch gezündet. Dies hat eine erste Verbrennung zur Folge, durch die die Kurbelwelle 10 in eine erste vorwärts gerichtete Drehbewegung versetzt wird.

Unmittelbar nach Drehbeginn wird Kraftstoff in den Zylinder Nr. 1 eingespritzt, der sich in der Ansaugphase befindet, d. h. das Einlassventil ist geöffnet und das Auslassventil geschlossen. Anschließend wird der eingespritzte Kraftstoff noch in der Ansaugphase gezündet, wobei das Einlassventil unmittelbar vor der Zündung geschlossen wird. Der Schließzeitpunkt des Einlassventils ist in Fig. 2 durch die senkrechte gestrichelte Linie unmittelbar vor der Zündung in dem Zylinder Nr. 1 verdeutlicht. Die Zündung hat eine zweite Verbrennung zur Folge, durch die die Drehbewegung der Kurbelwelle 10 stark beschleunigt wird. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere die zweite Verbrennung einen entscheidenden Anteil an Erfolg oder Misserfolg des Startvorgangs hat.

Während der Ansaugphase wird über das geöffnete Einlassventil Luft aus dem Ansaugrohr 6 in den Brennraum 4 des Zylinders 3 gesaugt. Durch den Luftstrom der angesaugten Luft ergeben sich starke Verwirbelungen in dem Brennraum 4, die zu einer besonders guten Vermischung des eingespritzten Kraftstoffs mit der angesaugten Luft führen. Aufgrund der Einspritzung während der Ansaugphase ergibt sich also ein besonders homogenes Kraftstoff/Luft-Gemisch in dem Brennraum 4 des Zylinders Nr. 1, das nach der Zündung vollständig verbrennt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch die zweite Verbrennung also ein besonders hohes Drehmoment auf die Kurbelwelle 10 übertragen wodurch ein sicheres und zuverlässiges anlasserfreies Starten der Brennkraftmaschine 1 ermöglicht wird.

Das Einlassventil bleibt während der Kraftstoffeinspritzung vorzugsweise geöffnet. Es ist jedoch auch denkbar, das Einlassventil bereits vor oder während der Einspritzung zu schließen. Nach dem Schließen des Einlassventils klingen die Luftverwirbelungen nur langsam ab, so dass in der Ansaugphase selbst bei einer Kraftstoffeinspritzung bei geschlossenem Einlassventil noch eine ausreichend gute Vermischung des Kraftstoff/Luft-Gemisches sichergestellt ist.

Während sich der Zylinder Nr. 1 in der Ansaugphase befindet, wird in den Zylinder Nr. 3, der sich in der Verdichtungsphase befindet, in der die Einlass- und Auslassventile geschlossen sind, Kraftstoff eingespritzt und am Ende der Verdichtungsphase oder nach Überschreiten des oberen Totpunkts OT am Anfang der Arbeitsphase gezündet. Die weiteren Einspritzungen, Zündungen und Stellungen der Ventile 5 sind in dem Diagramm am Beispiel des Zylinders Nr. 4, des Zylinders Nr. 2 und des Zylinders Nr. 1 dargestellt. Demnach erfolgen die weiteren Einspritzungen während der Ansaugphase des jeweiligen Zylinders 3 (Zylinder Nr. 2 und Zylinder Nr. 1) bzw. während der Verdichtungsphase (Zylinder Nr. 4). Die Zündung des eingespritzten Kraftstoffs erfolgt gegen Ende der Verdichtungsphase kurz vor oder kurz nach Erreichen des oberen Totpunkts OT.

Um Kraftstoff während der Verdichtungsphase in den Brennraum 4 des Zylinders Nr. 4 einspritzen zu können, muss der einzuspritzende Kraftstoff mit einem hohen Einspritzdruck an dem Einspritzventil 8 anliegen. Ein derart hoher Einspritzdruck kann bspw. von einer unabhängig von der Brennkraftmaschine 1 (z. B. elektrisch) angetriebenen Hochdruckpumpe erzeugt werden. Um Kraftstoff während der Ansaugphase in den Brennraum des Zylinders Nr. 2 und des Zylinders Nr. 1 einspritzen zu können, reicht ein niedrigerer Einspritzdruck, bspw. der von einer Elektrokraftstoffpumpe erzeugte Raildruck EKP, aus.

In dem Zylinder Nr. 4 konnte während des vorangegangenen Arbeitstaktes aufgrund der Parallelisierung der Arbeitstakte kein Ladungswechsel stattfinden. Der Zylinder Nr. 4 geht also in Abweichung von der sonst üblichen Reihenfolge der Arbeitstakte von der Arbeitsphase unmittelbar in die Verdichtungsphase über. Eine Ausstossphase und eine Ansaugphase gibt es nicht. Um dennoch ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch zu erzielen, wird für die erste Verbrennung ein entsprechend hoher Sauerstoffüberschuß vorgesehen, so dass nach der ersten Verbrennung noch Sauerstoff für die weitere Verbrennung in dem Brennraum des Zylinders Nr. 4 enthalten ist. Der Sauerstoffüberschuß kann bspw. durch Schichtladung erzielt werden.

Alternativ kann nach einer ersten Drehbewegung der Brennkraftmaschine aufgrund des Zündens und Verbrennens des in den Brennraum 4 des Zylinders Nr. 4 eingespritzten Kraftstoffs in dem Zylinder Nr. 4 vor Erreichen eines unteren Totpunkts UT zuerst das Auslassventil 5 geöffnet und danach noch vor Erreichen des unteren Totpunkts UT das Auslassventil 5 geschlossen und das Einlassventil 5 geöffnet werden. Der untere Totpunkt UT der Zylinder Nr. 1 und Nr. 4 entspricht dem oberen Totpunkt OT der Zylinder Nr. 2 und Nr. 3. Ebenso entspricht der untere Totpunkt UT der Zylinder Nr. 2 und Nr. 3 dem oberen Totpunkt OT der Zylinder Nr. 1 und Nr. 4.

Die Einlass- und Auslassventile 5 des Brennraums 4 werden mittels einer nockenwellenfreien Steuerung verstellt. Dazu ist jedes Einlass- und Auslassventil 5 mit einem eigenen Stellorgan ausgerüstet. Dadurch können die Ventile 5 unabhängig und frei - soweit es der Ventilfreigang zulässt - geöffnet bzw. geschlossen werden. Auf diese Weise gelingt es, von einer Ansaugphase in eine Arbeitsphase und umgekehrt zu wechseln. In entsprechender Weise ist der Wechsel von einer Verdichtungsphase in eine Ausstoßphase und umgekehrt möglich. Aufgrund der nockenwellenfreien Steuerung der Ventile 5 können die Einlass- und/oder Auslassventile 5 zu Beginn des Startvorgangs in eine vorgegebene Stellung gebracht werden, um optimale Bedingungen zum Starten der Brennkraftmaschine 1 ohne elektromotorischen Anlasser zu schaffen.

Um den Kompressionswiderstand während des erfindungsgemäßen Startvorgangs zu verringern, kann jede durchlaufene Verdichtungsphase durch verspätetes oder verfrühtes Schließen der entsprechenden Einlassventile 5 - diese sind während der vor der Verdichtungsphase stattfindenden Ansaugphase geöffnet - geeignet verkürzt werden. Das beschriebene Verfahren ist mit entsprechenden Modifikationen auch bei Brennkraftmaschinen 1 mit mehr als vier Zylindern anwendbar.

Die beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist mit entsprechenden Modifikationen auch bei Brennkraftmaschinen 1 mit mehr als vier Zylindern anwendbar. Bei Brennkraftmaschinen 1 mit weniger als vier Zylindern kann der Fall eintreten, dass zu Beginn des Startvorgangs keiner der Kolben 2 in seiner Arbeitsphase angeordnet ist. In diesem Fall steht jedoch mit Sicherheit zumindest der Kolben 2 eines Zylinders 3 in seiner Ansaugphase. Dann kann das oder jedes Einlassventil des entsprechenden Zylinders 3 geschlossen werden und der Zylinder 3 von der Ansaugphase in die Arbeitsphase umgeschaltet werden. Auch in diesem Fall lässt sich die Brennkraftmaschine 1 somit ohne einen elektromotorischen Anlasser starten.

In Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das Verfahren beginnt in einem Funktionsblock 20. In einem Funktionsblock 21 wird ein Starten der Brennkraftmaschine 1 angefordert. Dazu wird in einem Funktionsblock 22 die Stellung der Kolben 2 in den Zylindern 3 der Brennkraftmaschine 1, bspw. über die Drehstellung der Kurbelwelle 10, ermittelt. In einem Funktionsblock 23 wird dann Kraftstoff in einen Brennraum 4 desjenigen Zylinders 3 (Zylinder Nr. 4) eingespritzt, dessen Kolben 2 sich in einer Arbeitsphase befindet. Unmittelbar danach wird in einem Funktionsblock 24 der eingespritzte Kraftstoff gezündet. Durch diese erste Verbrennung wird die Kurbelwelle 10 in eine Drehbewegung versetzt und der Startvorgang eingeleitet.

Im Anschluss an die Zündung des in den Brennraum 4 des Zylinders Nr. 4 eingespritzten Kraftstoffs, wird in einem Funktionsblock 25 Kraftstoff in den Brennraum eines weiteren Zylinders 3 (Zylinder Nr. 1) eingespritzt, der sich in der Ansaugphase befindet. Während der Kraftstoffeinspritzung bleibt das Einlassventil des Zylinders Nr. 1 weiterhin geöffnet. Gegen Ende der Ansaugphase wird das Einlassventil jedoch in einem Funktionsblock 26 geschlossen. Während sich der Zylinder Nr. 1 in der Ansaugphase befindet, wird in einem Funktionsblock 27 Kraftstoff in noch einen weiteren Zylinder 3 (Zylinder Nr. 3) eingespritzt, der sich in der Verdichtungsphase befindet. Danach wird der in den Zylinder Nr. 1 eingespritzte Kraftstoff in einem Funktionsblock 28 noch vor dem unteren Totpunkt UT gezündet. Durch diese zweite Verbrennung wird die Drehbewegung der Kurbelwelle beschleunigt. Eine gute zweite Verbrennung ist besonders wichtig für einen erfolgreichen Startvorgang. Die Zündung des in den Zylinder Nr. 3 eingespritzten Kraftstoffs erfolgt in einem Funktionsblock 28 gegen Ende der Verdichtungsphase kurz vor oder kurz nach dem Erreichen des oberen Totpunkts OT. Durch die dritte Verbrennung wird die Drehbewegung der Kurbelwelle 10 weiter beschleunigt.

Während eines weiteren Arbeitstaktes wird in einem Funktionsblock 29 Kraftstoff in einen Zylinder 3 (Zylinder Nr. 4) eingespritzt, der sich in der Verdichtungsphase befindet. Während desselben Arbeitstaktes wird in einem Funktionsblock 30 in einen Zylinder 3 (Zylinder Nr. 2), der sich in der Ansaugphase befindet, Kraftstoff eingespritzt. Der in den Brennraum 4 des Zylinders Nr. 4 eingespritzte Kraftstoff wird in einem Funktionsblock 31 gegen Ende der Verdichtungsphase gezündet. In den nachfolgenden Arbeitstakten wird in einem Funktionsblock 32 Kraftstoff in einen Zylinder 3 eingespritzt, der sich in der Ansaugphase befindet. Der eingespritzte Kraftstoff wird in einem Funktionsblock 33 gezündet. In einem Abfrageblock 34 wird überprüft, ob der Start der Brennkraftmaschine 1 erfolgreich war. Falls ja wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem Funktionsblock 35 beendet. Falls nein, wird zu einem Abfrageblock 36 verzweigt, wo überprüft wird, ob ein vorgebbarer Zeitwert T überschritten wurde, ohne dass die Brennkraftmaschine 1 gestartet wurde. Falls ja, wird zu dem Funktionsblock 21 verzweigt und der Startvorgang noch einmal von vorne wiederholt. Falls nein, wird zu dem Funktionsblock 32 verzweigt und der Startvorgang fortgesetzt, indem Kraftstoff in die Zylinder 3 eingespritzt und anschließend gezündet wird, die sich in der Ansaugphase befinden.