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Dokumentenidentifikation DE10258872A1 08.07.2004
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Sieber, Udo, 74321 Bietigheim-Bissingen, DE;
Laubender, Jochen, 70439 Stuttgart, DE;
Kulzer, Andre-Francisco Casal, 71032 Böblingen, DE
Vertreter Dreiss, Fuhlendorf, Steimle & Becker, 70188 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 17.12.2002
DE-Aktenzeichen 10258872
Offenlegungstag 08.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.07.2004
IPC-Hauptklasse F02N 17/00
IPC-Nebenklasse F02D 15/00   
Zusammenfassung Vorgestellt wird ein Verfahren zum Betrieb eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors (10) mit variablem Verdichtungsverhältnis. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Starten des Verbrennungsmotors (10) mit einem Verdichtungsverhältnis erfolgt, das gegenüber Verdichtungsverhältnissen im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors (10) verringert ist. Vorgestellt wird weiter ein Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das wenigstens die Verdichtung eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors steuert.

Ein solches Verfahren und ein solches Steuergerät ist jeweils aus der DE 100 51 271 bekannt.

Diese Schrift zeigt einen Verbrennungsmotor, dessen Kurbelwelle nicht direkt in einem Motorblock gelagert ist. Stattdessen ist die Kurbelwelle in Exzenterringen gelagert, die ihrerseits in Traglagern im Motorblock verdrehbar gelagert sind. Mit Hilfe einer Verstellmechanik konnen die Exzenterringe in gesteuerter Weise verdreht werden. Bei einer Verdrehung der Exzenterringe ändert sich die Position der Kurbelwelle relativ zum Motorblock. Während die Zylinder des Verbrennungsmotors mit dem Motorblock verbunden sind, sind die in den Zylindern beweglich geführten Kolben des Verbrennungsmotors über Pleuelstangen konstanter Länge mit der Kurbelwelle verbunden. Eine Veränderung der Position der Kurbelwelle relativ zum Motorblock hat daher auch eine Veränderung der Position der Kolben in den Zylindern des Verbrennungsmotors zur Folge. Insbesondere ändert sich auch die Position des oberen Totpunkts (OT) der Kolben in den Zylindern. Als Folge ändert sich auch das über dem Kolben in dessen oberer Totpunktlage eingeschlossene Kompressionsvolumen VC. Da sich die untere Totpunktlage des Kolbens in gleicher Weise ändert wie die obere Totpunktlage, ändert sich das Hubvolumen VH des Verbrennungsmotors bei einer Veränderung der Kurbelwellenlage relativ zum Motorblock nicht. Die Änderung des Kompressionsvolumens VC bei konstantem Hubvolumen VH impliziert eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses &egr; = (VH + VC)/VC.

Alternativ zu dieser Verstellmechanik, bei der der Abstand zwischen Kurbelwellenlagerung und Zylinder gesteuert geändert wird, sind auch Systeme bekannt, bei denen das Verdichtungsverhältnis durch ein Verkippen des Motorblocks gegenüber der Kurbelwellenlagerung oder durch ein Kippen des Zylinderkopfs gegenüber dem Motorblock oder durch ein Heben oder Senken des Zylinderkopfs relativ zum Motorblock in gesteuerter Weise geändert wird. All diese Verfahren haben gemeinsam, dass sich das geometrische Verdichtungsverhältnis &egr; = (VC + VH)/VC durch eine gesteuerte Veränderung des Kompressionsvolumens VC andern lässt.

Gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmaschinen, die ein durch die Geometrie des Brennraumes bestimmtes, fest vorgegebenes Verdichtungsverhältnis &egr; besitzen, lässt sich mit einer variablen Verdichtung der thermodynamische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors im Teillastbereich steigern. Als Folge lassen sich Verbrauchsvorteile erzielen. Damit ist auch eine Verringerung der CO2-Emissionen verbunden. Je höher das Verdichtungsverhältnis ist, desto höher ist auch die Verdichtungsendtemperatur. Weil mit zunehmender Verdichtungsendtemperatur die Gefahr steigt, dass sich die Brennraumfüllung bei einem Ottomotor selbst entzündet (Klopfen), ist das maximal mögliche Verdichtungsverhältnis durch die Klopfneigung des Kraftstoffes beschränkt. Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren mit festem Verdichtungsverhältnis ist das maximale Verdichtungsverhältnis konstruktiv so festzulegen, dass bei maximaler Brennraumfüllung (Volllast) noch kein Klopfen auftritt. Daraus folgt, dass bei konstruktiv fest vorgegebenem Verdichtungsverhältnis und Brennraumfüllungen unterhalb maximal möglicher Werte (Teillast) kritische Verdichtungsendtemperaturen bei weitem nicht erreicht werden. Der Wirkungsgrad der Verbrennung bleibt dann hinter einem optimalen Wirkungsgrad zurück. Mit der variablen Verdichtung kann diesem Wirkungsgradverlust entgegengewirkt werden. Üblicherweise wird daher das geometrische Verdichtungsverhältnis eines Verbrennungsmotors mit variabler Verdichtung mit abnehmender Last (Brennraumfüllung) vergrößert.

Unabhängig vom oben beschriebenen Konzept variabler Verdichtung gibt es Entwicklungen, die einen Direktstart eines Verbrennungsmotors unter möglichst weitgehender Vermeidung der Verwendung von Elektrostartern ermöglichen sollen. In diesem Zusammenhang ist es aus der DE 101 11 928 A1 bekannt, vor einem Start die Stellung eines Kolbens in einem Zylinder der Brennkraftmaschine zu ermitteln. Auf diese Weise wird der Zylinder des Verbrennungsmotors identifiziert, dessen Kolben sich im Arbeitstakt befindet. Anschließend wird Kraftstoff direkt in den Brennraum dieses Zylinders eingespritzt und die Brennraumfüllung wird unmittelbar nach der Einspritzung gezündet, um einen Selbststart oder Direktstart des Verbrennungsmotors auszulösen.

Beim Übertragen dieses Selbststartkonzeptes auf Verbrennungsmotoren mit variabler Verdichtung haben sich schlechtere Starteigenschaften ergeben als bei Direktstartkonzepten in Verbindung mit konstantem Verdichtungsverhältnis.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Verfahrens, das die Starteigenschaften eines Verbrennungsmotors, dessen geometrisches Verdichtungsverhältnis in gesteuerter Weise variabel ist, verbessert.

Darüber hinaus besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Steuergerätes, das die Starteigenschaften eines solchen Verbrennungsmotors verbessert.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein Starten des Verbrennungsmotors mit einem Verdichtungsverhältnis erfolgt, das gegenüber Verdichtungsverhältnissen im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors verringert ist.

Weiter wird diese Aufgabe bei einem Steuergerat der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass dieses Steuergerät die Durchführung eines solchen Verfahrens steuert.

Vorteile der Erfindung

Wie bereits erwähnt, wird beim Direktstart die Verbrennungsenergie, die für den Start notwendig ist, nur durch Kraftstoffeinspritzung und Zündung in dem Zylinder, dessen Kolben sich gerade im Arbeitstakt befindet, erzeugt. Als Grundvoraussetzung für einen erfolgreichen Direktstart muss diese Verbrennungsenergie groß genug sein, um die Kompressionsarbeit in dem Zylinder aufzubringen, der sich in der Zündfolge an den zuerst zündenden Zylinder anschließt. Das erfindungsgemäße Verringern des geometrischen Verdichtungsverhältnisses verringert vorteilhafterweise die genannte Kompressionsarbeit. Als Folge können auch bereits kleinere Verbrennungsenergien, die beim Zünden der ersten Brennraumfüllung bei einem Direktstart frei werden, ausreichen, um die verringerte Kompressionsarbeit aufzubringen.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise basiert damit auf der Erkenntnis, dass die Starteigenschaften eines Verbrennungsmotors signifikant von der aufzubringenden Kompressionsarbeit abhängen und dass diese aufzubringende Kompressionsarbeit signifikant vom vorliegenden geometrischen Verdichtungsverhältnis &egr; = (VC + VH)/VC abhängt.

Weiter basiert die Erfindung auf der Erkenntnis, dass die bei Verbrennungsmotoren mit variablem geometrischen Verdichtungsverhältnis im Teillastbereich üblicherweise erhöhte geometrische Verdichtung in Verbindung mit Direktstartkonzepten nachteilig sein könnte.

Die vorgestellte Erfindung beseitigt diese Nachteile und ermöglicht einen Direktstart auch bei Verbrennungsmotoren mit variablem geometrischen Verdichtungsverhältnis. Diese Vorteile werden dadurch erreicht, dass die an sich nachteiligen Effekte einer üblichen Steuerung eines variablen geometrischen Verdichtungsverhaltnisses durch die erfindungsgemäße Verringerung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses für einen Start des Verbrennungsmotors nicht nur vermieden werden, sondern dass Synergieeffekte bei einer Vereinigung von Direktstartkonzepten mit dem Konzept einer variablen geometrischen Verdichtung eintreten.

Es ist bevorzugt, dass das Starten mit einem minimal einstellbaren Verdichtungsverhältnis erfolgt.

Üblicherweise wird das geometrische Verdichtungsverhaltnis zwischen den Werten 8 und 14 variiert. Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass das geringst mögliche Verdichtungsverhältnis die besten Starteigenschaften ergeben hat.

Es ist weiter bevorzugt, dass das Verdichtungsverhältnis nach einem Startende sukzessive erhöht wird.

Ein Startende ist bei einem Verbrennungsmotor üblicherweise dadurch definiert, dass die steigende Motordrehzahl einen vorbestimmten Schwellenwert von einigen hundert Urndrehungen pro Minute überschreitet. Beim Überschreiten einer solchen Drehzahlschwelle besitzt der Verbrennungsmotor bereits so viel Rotationsenergie, dass nachfolgende Kompressionsarbeiten in nachfolgenden Verdichtungstakten problemlos aufgebracht werden können. Außerdem steht bei steigender Motordrehzahl auch ein größeres antreibendes Moment aus jeweils vorhergehenden Verbrennungen im Arbeitstakt eines gezündeten Zylinders bereit. Das Erhohen des Verdichtungsverhältnisses nach einem Startende ermöglicht sehr schnell nach einem Start die Einstellung von geometrischen Verdichtungsverhältnissen, die zur Optimierung des thermodynamischen Wirkungsgrades und/oder der Abgasemissionen vorteilhaft sind.

Das geometrische Verdichtungsverhältnis hängt vom Kompressionsvolumen VC und vom Hubvolumen VH ab. Dabei ist das Kompressionsvolumen bekanntlich das Brennraumvolumen über einem Kolben, wenn sich dieser in seiner oberen Totpunktlage befindet. Das Hubvolumen VH ist bekanntlich das Volumen in einem Zylinder zwischen der oberen und der unteren Totpunktlage des Kolbens. Theoretisch kann daher das geometrische Verdichtungsverhältnis entweder durch eine Variation des Kolbenhubes und/oder durch eine Variation des Kompressionsvolumens VC verändert werden.

Eine Verringerung von &egr; = 1 + VH/VC lässt sich durch eine Verringerung von VH oder durch eine Vergrößerung von VC erreichen. Die Vergrößerung von VC hat gegenüber einer Verringerung von VH den Vorteil, dass sich die zu zündende Brennraumfüllung in dem Zylinder, der sich im Stillstand des Verbrennungsmotors in einer Arbeitsposition befindet, vergrößert. Dadurch wird auch die Energiefreisetzung, die aus der Verbrennung dieser Brennraumfüllung resultiert, vorteilhafterweise vergrößert, was einen Selbststart erleichtert.

Mit anderen Worten: Die Verringerung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses durch eine Vergrößerung des Kompressionsvolumens VC bewirkt nicht nur eine deutliche Reduzierung der Kompressionsarbeit in den in der Zundfolge jeweils nachfolgenden Zylindern, sondern sorgt auch dafur, dass im Motorstillstand in dem Zylinder, der sich gerade im Arbeitstakt befindet, mehr Luftmasse im Brennraum zur Verfügung steht (Luftdruck im Brennraum = Umgebungsdruck).

Deshalb kann beim Start mit einer vordefinierten Gemischzusammensetzung (Lamda = 1, Lambda < 1 oder Lambda 1) mehr Kraftstoff als beim herkömmlichen Start mit festem Verdichtungsverhältnis eingespritzt werden, womit schließlich eine höhere Verbrennungsenergie erzeugt werden kann. Durch die höhere erreichbare Verbrennungsenergie und gleichzeitig durch die kleinere aufzubringende Kompressionsarbeit wird die Zuverlässigkeit, mit der der Verbrennungsmotor selbst startet, deutlich erhöht. Als weiterer Vorteil stellt sich ein schnellerer Drehzahlanstieg des Verbrennungsmotors bei einem Selbststart ein.

Es ist weiter bevorzugt, dass das Verdichtungsverhaltnis beim Abstellen des Verbrennungsmotors in den letzten Kompressionstakten und Expansionstakten in gesteuerter Weise so verändert wird, dass Kolben des Verbrennungsmotors in vorbestimmten Positionen zum Stillstand kommen. Hierbei wird durch eine gesteuerte Erhöhung und/oder Erniedrigung des Verdichtungsverhältnisses in den letzten Kompressionstakten und Expansionstakten der Druck und damit das Gasfedermoment der in den Zylindern eingeschlossenen Luftsäulen beim Auspendeln der Kolben gezielt verandert, so dass sich eine vordefinierte Kolbenposition einstellt. Damit ist im Steuergerät für einen nachfolgenden Selbststart derjenige Zylinder bekannt, dessen Kolben sich in einer Arbeitsposition befindet. Als Folge kann das Steuergerät bei einem nachfolgenden Selbststart diesen Zylinder sicher identifizieren und die Kraftstoffzumessung für diesen Zylinder und die zugehörige Zündung entsprechend steuern.

Diese Maßnahme erleichtert die Realisierung eines Start-Stop-Betriebes, das heißt eines Betriebes des Verbrennungsmotors, bei dem Stillstandsphasen und Betriebsphasen relativ schnell aufeinander folgen. Dies kann beispielsweise beim Antrieb von Kraftfahrzeugen im Stadtverkehr Kraftstoff sparen.

Es ist weiter bevorzugt, dass wenigstens ein Zylinder, in dem bei einem Start des Verbrennungsmotors zuerst gezundet wird, in Abhängigkeit von der vorbestimmten Position von Kolben des Verbrennungsmotors in dessen Stillstand ausgewählt wird.

Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst eine brennfähige Brennraumfüllung in wenigstens einem Brennraum des Verbrennungsmotors in dessen Stillstand durch Einspritzen von Kraftstoff in dem wenigstens einen Brennraum erzeugt wird und dass diese Brennraumfüllung unmittelbar anschließend gezundet wird.

Es hat sich gezeigt, dass insbesondere die Direkteinspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum in Verbindung mit einer reduzierten Verdichtung einen zuverlässigen Direktstart und einen schnellen Motorhochlauf im Start-Stop-Betrieb ermöglicht.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Starten als Direktstart oder Selbststart ohne die Unterstützung eines separaten Starters erfolgt.

Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass ein batteriebetriebener Elektrostarter wesentlich seltener betätigt werden muss, um den Verbrennungsmotor in einem Start-Stop-Betrieb zu starten. Neben Geräuschvorteilen, die durch den Wegfall des Startergeräusches bedingt sind, ergibt sich als weiterer Vorteil die Möglichkeit, eine kleinere Batterie, das heißt eine Batterie mit kleinerer Kapazität, zu verwenden. Dadurch werden sowohl bei der Erstherstellung als auch im weiteren Betrieb eines Kraftfahrzeuges Kosten gespart, da eine kleinere Batterie auch leichter ist und jeder Gewichtsvorteil einen Verbrauchsvorteil liefert.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch einen Verbrennungsmotor mit variabler Verdichtung im Zustand niedriger Verdichtung,

2 schematisch den Verbrennungsmotor im Zustand hoher Verdichtung,

3 schematisch eine Zuordnung von vier Kolben eines vierzylindrigen Verbrennungsmotors zu verschiedenen Takten eines Arbeitszyklusses des Verbrennungsmotors im Zustand niedriger Verdichtung,

4 schematisch einen Brennraum des Verbrennungsmotors mit Stellgliedern, Sensoren und einem Steuergerät, und

5 ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figurenbeschreibung

In der 1 ist ein Verbrennungsmotor 10 in stark vereinfachter Form dargestellt. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Motorblock 12 auf, in dem Zylinder 14 angeordnet sind. 1 zeigt einen Zylinder 19 eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors. Die übrigen Zylinder sind beispielsweise hinter dem dargestellten Zylinder angeordnet, so dass die 1 einer stark schematisierten Vorderansicht eines mehrzylindrigen Reihenmotors entspricht. In dem Zylinder 14 wird ein Brennraum 16 von einem Kolben 18 beweglich abgedichtet, der in dem Zylinder 14 geführt ist. Der Kolben 18 ist über ein Pleuel 20 an ein Pleuellager 26 einer Kurbelwelle 22 angelenkt, die in Hauptlagern 24 drehbar gelagert ist. Der Pfeil 28 gibt den Drehsinn der Kurbelwelle 22 an. Zur Realisierung einer variablen Verdichtung stützen sich die Hauptlager 24 der Kurbelwelle 22 nicht direkt im Motorblock 12 ab.

Stattdessen sind die Hauptlager 24 in Exzenterringen 30 gelagert, die im Motorblock 12 drehbar gelagert sind. Die Hauptlager 24 der Kurbelwelle 22 sind in den Exzenterringen 30 exzentrisch angebracht. Daher verlagern sich die Hauptlager 24 der Kurbelwelle 22 bei einer Drehung der Exzenterringe 30 relativ zum Motorblock 12. In der 1 befindet sich das Hauptlager 24 der Kurbelwelle 22 in seiner tiefstmöglichen Stellung. Weiterhin befindet sich der Kurbeltrieb aus Kurbelwelle 22 und Pleuel 20 in einer Lage, die den oberen Totpunkt OT des Kolbens 18 in Zylinder 14 definiert. Das im oberen Totpunkt OT des Kolbens 18 im Zylinder 19 verbleibende Volumen oberhalb des Kolbens 18 wird als Kompressionsvolumen oder Verdichtungsvolumen VC bezeichnet.

In der Darstellung der 1 stellt sich ein vergleichsweise großes Verdichtungsvolumen VC als Folge der tiefstmöglichen Position der Kurbelwelle 22 im Motorblock ein. Das Hubvolumen VH eines Zylinders 14 des Verbrennungsmotors 10 entspricht dem Volumen, das der Kolben 18 bei seiner Bewegung vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT freigibt. Dieses Hubvolumen VH wird durch eine mögliche Kurbelwellenverlagerung durch Drehung der Exzenterringe 30 nicht beeinflusst und ist damit invariant gegenüber einer Verlagerung der Kurbelwelle 22.

Das geometrische Verdichtungsverhältnis &egr; des Verbrennungsmotors ist bekanntlich die auf das Hubvolumen VH normierte Summe aus Hubvolumen VH und Vedichtungsvolumen VC. In der Darstellung der 1 repräsentiert die Ziffer 32 ein Stellglied, mit dem die Drehposition des Exzenterrings 30 in durch ein Steuergerät 34 vorgegebener Weise veränderbar ist. Stellglied 32 kann beispielsweise ein elektromotorischer Antrieb sein, der über einen Zahnradantrieb oder Schneckenantrieb mit dem Exzenterring 30 wirkungsmäßig gekoppelt ist. Wie bereits erwähnt, befindet sich die Kurbelwelle 22 in der 1 in ihrer tiefstmöglichen Position relativ zum Motorblock 12. Zu dieser tiefstmöglichen Position der Kurbelwelle 22 ergibt sich zwangsläufig ein maximal mögliches Verdichtungsvolumen VC1. 1 stellt daher den Verbrennungsmotor 10 mit variabler Verdichtung im Zustand eines maximal niedrigen Verdichtungsverhältnisses dar.

2 stellt den Verbrennungsmotor 10 mit variabler Verdichtung aus der 1 in einem Zustand mit höchstmöglichem Verdichtungsverhältnis dar. Abweichend von der 1 befindet sich das Hauptlager 24 der Kurbelwelle 22 in der 2 in der höchstmöglichen Position gegenuber dem Motorblock 12. Dadurch verkleinert sich zwangsweise das Verdichtungsvolumen VC auf einen Minimalwert VC2.

Die Relativposition des Hauptlagers 24 der Kurbelwelle 22 zum Motorblock 12 ist in der 1 durch die Lange des Pfeils 36 repräsentiert. In der 2 repräsentiert die Länge des Pfeils 38 die Relativposition des Hauptlagers 24 der Kurbelwelle 22 im Motorblock 12. Pfeil 90 stellt als Differenz der Längen der Pfeile 36 und 38 das Ausmaß der Kurbelwellenverlagerung zwischen den 1 und 2 dar. Um dieses Ausmaß der Länge des Pfeils 40 verschieben sich auch die Totpunkte UT, OT der Bewegung des Kolbens 18 im Zylinder 14. Aus diesem Grund verändert sich das im Zylinder 14 eingeschlossene Verdichtungsvolumen proportional zur Verlagerung der Kurbelwelle 22.

3 zeigt schematisch eine Zuordnung von vier Kolben eines vierzylindrigen Verbrennungsmotors zu den vier Takten eines Arbeitszyklus. Mit anderen Worten: 3 zeigt eine Momentaufnahme der Kolbenpositionen in verschiedenen Zylindern. Dabei sind vier Zylinder in der typischen Zündreihenfolge (Zündfolge) eines vierzylindrigen Verbrennungsmotors in der 3 von links nach rechts angeordnet. Pfeil 42 repräsentiert damit beispielsweise Zylinder 1, Pfeil 49 repräsentiert Zylinder 3, Pfeil 46 repräsentiert Zylinder 4 und Pfeil 98 reprasentiert Zylinder 2.

Die Ziffer 50 bezeichnet jeweils ein Einlassventil eines Zylinders und die Ziffer 52 bezeichnet jeweils ein Auslassventil eines Zylinders. Im Zylinder 1 ist sowohl das Einlassventil 50 als auch das Auslassventil 52 bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens 18 geschlossen. Zylinder 1 befindet sich daher im Arbeitstakt. Entsprechend der Zündfolge und in Übereinstimmung mit den dargestellten Öffnungszuständen der Ventile 50, 52 befindet sich Zylinder 3 (Pfeil 44) im Verdichtungstakt, Zylinder 4 (Pfeil 46) im Ansaugtakt und Zylinder 2 (Pfeil 48) im Ausstoßtakt. In allen vier Takten wirken Gaskräfte auf den Kolben 18. Im Verbrennungstakt wirkt eine vergleichsweise starke Verbrennungskraft auf den Kolben 18. Dagegen wirkt im Verdichtungstakt eine ebenfalls vergleichsweise starke Gaskraft bremsend auf den sich aufwärts bewegenden Kolben. Dagegen sind die im Ansaugtakt und Ausstoßtakt ebenfalls bremsend auf den Kolben wirkenden Gaskräfte vergleichweise klein. Aus den Integralen dieser Kräfte über den jeweiligen Wegen der Kolben 18 zwischen ihren jeweiligen Totpunktlagen OT, UT ergeben sich die von den Gaskräften jeweils verrichteten Arbeiten.

Für einen Direktstart ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Summe dieser Arbeiten, das heißt die Arbeitsbilanz, direkt im ersten Arbeitstakt des zu startenden Verbrennungsmotors positiv ist, wobei zusätzlich noch Reibverluste zu berücksichtigen sind. Bezeichnet man die im Arbeitstakt verrichtete Arbeit mit W Verb, die im Verdichtungstakt aufzubringende Arbeit mit W_Komp, die im Ansaugtakt aufzubringende Arbeit mit W_Ein, die im Ausstoßtakt aufzubringende Arbeit mit W_Aus und die zur Überwindung der Reibung aufzubringende Arbeit mit W_Reib, so berechnet sich die effektiv im ersten Arbeitstakt vom Verbrennungsmotor verrichtete Arbeit W_eff zu W_eff = W_Verb – W_Komp – W_Ein – W_Aus – W_Reib. Voraussetzung fur einen Direktstart ist, dass W_Eff bereits im ersten Arbeitstakt größer als null ist. Da W_Verb und W_Komp im Allgemeinen vergleichsweise groß sind gegenüber W_Ein, W_Aus und W_Reib, hängt der Wert von W_eff wesentlich von den Werten von W_Verb und W_Komp ab.

Die erfindungsgemäße Verringerung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors 10 bewirkt in diesem Zusammenhang Folgendes: Zum einen wird die Kompressionsarbeit W_Komp verringert. Bereits dieser Effekt allein begünstigt einen Direktstart des Verbrennungsmotors 10. Darüber hinaus führt die Verringerung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses jedenfalls dann, wenn sie durch eine Vergrößerung des Verdichtungsvolumens VC hervorgerufen wird, dazu, dass die Füllung des Brennraums 16 oberhalb desjenigen Kolbens 18, der sich im Arbeitstakt befindet, vergrößert ist. Aus der vergrößerten Brennraumfüllung resultiert eine potentiell größere Verbrennungsenergie, die im ersten Arbeitstakt die Verbrennungsarbeit W_Verb an dem Kolben 18 verrichtet.

4 zeigt schematisch einen Brennraum 16 des Verbrennungsmotors 10 mit Stellgliedern 66, 68, Sensoren 58, 64 und einem Steuergerät 34, das die Durchführung der hier vorgestellten Verfahren steuert. Die Ziffer 54 in der 4 repräsentiert ein Nockenwellen-Geberrad, das Markierungen 56 aufweist. Bei der Drehung des Nockenwellen-Geberrades 54 tastet ein Nockenwellensensor 58 die Markierungen 56 ab und liefert ein Signal an das Steuergerät 34, das daraus eine Information über die Winkelstellung der Nockenwelle gewinnt. Der Nockenwellensensor 58 kann beispielsweise ein optischer-Sensor oder ein Induktivaufnehmer sein. Entsprechend können die Markierungen 56 im Falle der Verwendung eines optischen Sensors 58 als Bereiche mit unterschiedlichem Reflexionsvermögen und/oder Transmissionsvermögen ausgestaltet sein. Im Falle eines Induktivaufnehmers 58 können die Markierungen 56 beispielsweise als ferromagnetische Markierungen, beispielsweise als Zahne, ausgestaltet sein.

Bei einem Viertaktzyklus lassen sich alle Kolbenpositionen in den vier Takten ein-eindeutig auf Winkelpositionen der Nockenwelle abbilden. Bei ausreichender Auflosung der aus Nockenwellen-Geberrad 54 mit Markierungen 56 und Nockenwellensensor 58 bestehenden Sensorik lässt sich damit eindeutig derjenige Zylinder identifizieren, dessen Kolben sich in einer Arbeitstakt-Stellung befindet.

Ergänzend zu der Nockenwellensensorik 54, 56, 58 kann auch eine Kurbelwellensensorik 60, 62, 64 aus Geberrad 60, Markierungen 62 und Sensor 64 verwendet werden. In diesem Fall ist es denkbar, dass die Nockenwellensensorik 54, 56, 58 ein Signal liefert, das angibt, ob sich der Verbrennungsmotor in der ersten Hälfte oder der zweiten Hälfte eines Viertaktzyklus befindet. Eine feinere Auflösung über die genaue Position innerhalb der ersten oder zweiten Hälfte des Viertaktzyklus würde in diesem Fall vom Kurbelwellensensor 64 geliefert, dessen Signale ebenfalls dem Steuergerät 34 übermittelt werden.

Vorteilhafterweise wird eine Absolutwinkelsensorik verwendet, die auch bei stehender Kurbelwelle 22 ein Signal über die Winkelposition der Kurbelwelle und/oder Nockenwelle liefert. Als Absolutwinkelsensoren kommen insbesondere optische oder magnetoresistive Sensoriken in Frage. Im Falle der Verwendung einer Induktivaufnehmersensorik wird vorteilhafterweise beim Abstellen des Verbrennungsmotors die Winkelposition festgestellt, in der der Verbrennungsmotor 10 bzw. dessen Kurbelwelle 22 zur Ruhe kommt. Dies kann beim Abstellen durchgeführt werden, weil die Sensorik bei laufendem Verbrennungsmotor 10 die arbeitenden Zylinder sicher identifizieren kann.

Bei einem üblichen Start des Verbrennungsmotors 10 mit einem Elektrostarter benötigt eine Induktivaufnehmersensorik üblicherweise bis zu zwei Kurbelwellenumdrehungen, bis die von der Sensorik gelieferten Signale ein-eindeutig mit der tatsächlichen Winkelposition der Kurbelwelle synchronisiert worden sind. Um nach einem Abstellen bei einem Direktstart sicher denjenigen Zylinder identifizieren zu können, dessen Kolben sich in einer Arbeitsposition befindet, wird dieser Kolben beim Abstellen des Verbrennungsmotors identifiziert und die entsprechende Information bis zum nächsten Start des Verbrennungsmotors im Steuergerät 34 abgespeichert, wo sie beim nächsten Start zur Verfügung steht.

Im Falle einer Absolutwinkelsensorik kann derjenige Zylinder, dessen Kolben sich in einer Arbeitsposition befindet, auch noch beim Start des Verbrennungsmotors sicher identifiziert werden. Wesentlich ist jedenfalls, dass dieser Zylinder für einen geplanten Selbststart sicher identifiziert wird.

Bei einem geplanten Selbststart wird die Füllung des Brennraums 16 des betreffenden Zylinders durch Ansteuerung einer Zündvorrichtung 68 gezündet. Eine Verbrennung setzt eine Füllung mit brennfähigem Gemisch im Brennraum 16 voraus. Bei einem Verbrennungsmotor mit Benzindirekteinspritzung, wie er in der 9 schematisch dargestellt ist, erfolgt vor der Zündung zunächst eine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum 16 durch Ansteuerung der Kraftstoffzumesseinrichtung 66 durch das Steuergerät 34.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung bei Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung beschränkt. Bei Verbrennungsmotoren mit Saugrohreinspritzung, bei denen der Kraftstoff in ein Saugrohr 70 des Verbrennungsmotors vor Einlassventile 50 des Verbrennungsmotors dosiert wird, saugt der betreffende Zylinder beim Abstellen noch ein letztes Mal eine Mischung aus Kraftstoff und Luft an. Diese Mischung wird im Brennraum 16 bei geschlossenen Ventilen eingeschlossen und kann daher bei einem nachfolgenden Direktstart direkt gezündet werden.

6 stellt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms dar. In einem Schritt 72 wird zunächst das Kompressionsvolumen oder Verdichtungsvolumen VC des Verbrennungsmotors auf den Wert VC1 eingestellt, der einer niedrigen Verdichtung entspricht. Vergleiche dazu auch die Darstellung von VC1 und VC2 in den 1 und 2 dieser Anmeldung. Im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 erfolgt dies dadurch, dass das Steuergerät 34 das Stellglied 32 so ansteuert, dass sich der Exzenterring 30 beispielsweise von der in der 2 dargestellten Stellung in die in der 1 dargestellte Stellung dreht.

Dieser Schritt 72 wird vorteilhafterweise nicht beim Direktstart selbst, sondern beim vorhergehenden Abstellen des Verbrennungsmotors 10 durchgeführt. Der Grund dafür ist, dass die Vergrößerung des Kompressionsvolumens VC dann erfolgen sollte, wenn noch durch offene Einlassventile Luft in den betreffenden Zylinder gesaugt werden kann. Nur unter diesen Umständen ist sichergestellt, dass das vergleichsweise große Verdichtungsvolumen VC1 auch vollständig mit Luft oder Gemisch gefüllt ist. Wie bereits weiter oben erwähnt, trägt eine vergrößerte Füllung dazu bei, die Zuverlässigkeit zu steigern, mit der ein Selbststart oder Direktstart durchgeführt werden kann, weil damit die im Arbeitstakt freigesetzte Energie vergrößert wird.

Anschließend erfolgt in einem Schritt 74 die Identifikation des Zylinders mit n, der sich beim Stillstand der Kurbelwelle 22 des Verbrennungsmotors 10 in einer Arbeitsposition befindet. Wie bereits weiter oben beschrieben, kann diese Bestimmung, je nach Art der verwendeten Sensorik, beim vorhergehenden Abstellen des Verbrennungsmotors im Stillstand des Verbrennungsmotors vor einem Selbststart durchgeführt werden. Bei einem Verbrennungsmotor mit Saugrohreinspritzung, bei dem der betreffende Zylinder bereits vorher ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft aus dem Saugrohr 70 angesaugt hat, kann anschließend in dem Schritt 76 die Zündung dieser Brennraumfüllung erfolgen, was den gewünschten Selbststart auslöst. Handelt es sich bei dem Verbrennungsmotor 10 dagegen um einen Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, so erfolgt zwischen den Schritten 74 und 76 auf jeden Fall noch eine Ansteuerung der Kraftstoffzumesseinrichtung 66, mit der Kraftstoff zu der im Brennraum 16 eingeschleusten Luft dosiert wird.

Mit anderen Worten: Zur Erleichterung des Selbststarts wird vor dem eigentlichen Startvorgang das geometrische Verdichtungsverhältnis so weit wie möglich verringert, wodurch beim Start die Kompressionsarbeit in den in der Zündfolge jeweils nachfolgenden Zylindern des Verbrennungsmotors deutlich reduziert wird. Gleichzeitig wird durch die kleinere Verdichtung das Kompressionsvolumen in allen Zylindern des Verbrennungsmotors erhöht. Dies bedeutet für den Startvorgang aus dem Zylinder, der sich gerade im Arbeitstakt befindet, dass beim Motorstillstand mehr Luftmasse im Brennraum zur Verfügung steht (Luftdruck im Brennraum = Umgebungsdruck). Deshalb kann beim Start mit einer vordefinierten Gemischzusammensetzung mehr Kraftstoff als beim herkömmlichen Start mit festem Verdichtungsverhältnis dosiert werden, womit schließlich eine höhere Verbrennungsenergie erzeugt werden kann. Durch die höhere erreichbare Verbrennungsenergie und gleichzeitig durch die kleinere aufzubringende Kompressionsarbeit kann der Start und der Hochlauf des Verbrennungsmotors schneller erfolgen. Weiter kann durch dieses Verfahren die Startzuverlässigkeit beim Selbststart oder Direktstart deutlich erhöht werden.

Das vorgestellte Verfahren kann insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung und Selbststartfunktion im Heißstartfall und Kaltstartfall angewendet werden. Zusätzlich kann das vorgestellte Verfahren auch mit weiteren Maßnahmen wie zum Beispiel Mehrfacheinspritzung, der Verwendung eines speziellen Startkraftstoffs, einer Vorheizung des Brennraums, einer Vorheizung des Motoröls, einer Vorheizung des Kraftstoffs und so weiter gekoppelt werden. Beim Abstellen des Verbrennungsmotors kann das Variieren des Verdichtungsverhältnisses auch mit anderen Maßnahmen gekoppelt werden, zum Beispiel mit einer gezielten Steuerung der Drosselklappe, eines Abgasrückführventils, eines Tankentlüftungsventils, mit einer Lufteinblasung in die Zylinder sowie mit Bremseingriffen durch koppelbare Nebenaggregate (beispielsweise Starter-Generator) gekoppelt werden.

Zusätzlich oder alternativ zu der beschriebenen Selbststartfunktion kann die erfindungsgemäße verringerte Verdichtung auch in Verbindung mit einem Fremdstarter (Anlasser) eingesetzt werden, um das Startverhalten des Verbrennungsmotors 10 auch im Hinblick auf den Kaltstart zu verbessern.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Betrieb eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors (10) mit variablem Verdichtungsverhältnis, dadurch gekennzeichnet, dass ein Starten des Verbrennungsmotors (10) mit einem Verdichtungsverhältnis erfolgt, das gegenüber Verdichtungsverhältnissen im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors (10) verringert ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Starten mit einem minimal einstellbaren Verdichtungsverhältnis erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis nach einem Startende sukzessive erhöht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis beim Abstellen des Verbrennungsmotors (10) in den letzten Kompressionstakten und Expansionstakten in gesteuerter Weise so verändert wird, dass Kolben (18) des Verbrennungsmotors (10) in vorbestimmten Positionen zum Stillstand kommen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Zylinder (14; 42, 44, 46, 48), in dem bei einem Start des Verbrennungsmotors (10) zuerst gezündet wird, in Abhängigkeit von der vorbestimmten Position von Kolben (18) des Verbrennungsmotors (10) in dessen Stillstand ausgewählt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte

    – Erzeugen einer brennfähigen Brennraumfüllung in wenigstens einem Brennraum (16) des Verbrenrungsmotors (10) in dessen Stillstand durch Einspritzen von Kraftstoff in den wenigstens einen Brennraum (16), und

    – Zünden der Brennraumfüllung.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Starten als Direktstart ohne die Unterstützung eines separaten Starters erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Starten mit Unterstützung eines separaten Starters erfolgt.
  9. Steuergerät (34), das wenigstens die Verdichtung eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors (10) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (34) das Verdichtungsverhältnis für ein Starten des Verbrennungsmotors (10) auf einen Wert einstellt, der gegenüber Werten von Verdichtungsverhältnissen im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors (10) verringert ist.
  10. Steuergerät (34) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es die Durchführung wenigstens eines der Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 8 steuert.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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