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Title:
METHOD AND DEVICE FOR STARTING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE HAVING HIGH ALCOHOL CONTENT IN THE FUEL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/189200
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method and to a corresponding device for starting an internal combustion engine designed for alcohol or a high content of alcohol in a mixed alcohol-gasoline fuel, an early starting ignition time point (ZZP_ST) being set in a first time period (Ph1) beginning immediately after the activation of the starting process (t0) of the internal combustion engine, which starting ignition time point lies in a range of 60° crank angle to 100° crank angle before the top dead center of a piston of the internal combustion engine. During the starting process, the engine speed (N) of the internal combustion engine is monitored and the number of cylinder working cycles (CYC_1) is summed. If a specified engine speed threshold value is exceeded, the number of cylinder working cycles (CYC_2) in which an engine speed increase is greater than a specified threshold value occurs is summed. The numbers of cylinder working cycles (CYC_1, CYC_2) are compared with specified threshold values and, if the threshold values are reached or exceeded, the ignition time point (ZZP) is shifted from the early ignition time point (ZZP_ST) toward a later ignition time point (ZZP).

Inventors:
BECKMANN, Reiner, Otto (Alameda Tilapia 375, Residencial 11, -355 Santana de Parnaiba, 06540-355, BR)
Application Number:
EP2018/059199
Publication Date:
October 18, 2018
Filing Date:
April 10, 2018
Export Citation:
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Assignee:
CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH (Vahrenwalder Straße 9, Hannover, 30165, DE)
International Classes:
F02D41/06; F02D19/06; F02D19/08; F02D35/02; F02D37/02; F02D41/00; F02P5/15
Foreign References:
US20140331968A12014-11-13
US20090282903A12009-11-19
EP1013923A22000-06-28
US5327866A1994-07-12
JP2011064103A2011-03-31
US5146882A1992-09-15
US4911116A1990-03-27
US4646691A1987-03-03
DE2536432A11977-02-24
JPS5752665A1982-03-29
DE10351206A12005-06-02
US20140331968A12014-11-13
DE102013222498A12015-05-07
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zum Starten einer mit Alkohol oder hohem Anteil an Alkohol in einem Alkohol/Benzin-Mischkraftstoff ausgelegten Brennkraftmaschine (1), wobei

- in einem ersten, unmittelbar nach dem Aktivieren des

Startvorganges (tO) der Brennkraftmaschine (1) beginnenden Zeitabschnitt (Phl) ein früher Anfangs-Zündzeitpunkt (ZZP_ST) eingestellt wird, der in einem Bereich von 60°

Kurbelwinkel bis 100 °Kurbelwinkel vor dem Oberen Totpunkt eines Kolbens der Brennkraftmaschine (1) liegt, während des Startvorganges die Drehzahl (N) der Brenn- kraftmaschine (1) überwacht wird, die Zylinder-Arbeitsspiele (CYC_1 ) aufsummiert werden und bei Erreichen oder Überschreiten einer vorgegebenen Anzahl und/oder Überschreiten eines Drehzahlschwellenwertes, der Zündzeitpunkt (ZZP) ausgehend von dem frühen Zündzeitpunkt

(ZZP_ST) in Richtung später Zündzeitpunkt (ZZP) verschoben wird, bei Erreichen oder Überschreiten eines vorgegebenen Drehzahlschwellenwertes die Anzahl derjenigen Zylin¬ der-Arbeitsspiele (CYC_2) aufsummiert werden, in denen ein Drehzahlanstieg oder eine Drehzahldifferenz größer als einem vorgegebenen Schwellenwert erfolgt, - die Anzahl der Zylinder-Arbeitsspiele (CYC_2) mit einem vorgegeben Schwellenwert verglichen wird und bei Erreichen oder Überschreiten des Schwellenwertes der Zündzeitpunkt (ZZP) ausgehend von dem frühen Zündzeitpunkt (ZZP_ST) in Richtung später Zündzeitpunkt (ZZP) verschoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Anfangs-Zündzeitpunkt (ZZP_ST) ein Zündzeitpunkt gewählt wird, der zwischen 80° Kurbelwinkel und 100° Kurbelwinkel, bevorzugt 90° Kurbelwinkel vor dem Oberen Totpunkt eines Kolbens der Brennkraftmaschine (1) liegt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert für die Anzahl der

Zylinder-Arbeitsspiele (CYC_1, CYC_2) auf dem Prüfstand oder im Fahrzeug ermittelt und abhängig von einer Kühlmitteltemperatur (TCO) der Brennkraftmaschine (1) in einem Kennfeld (KF2, KF3) in einem Wertespeicher (24) einer die Brennkraftmaschine (1) steuernden und regelnden Steuerungseinrichtung (16) abgelegt ist .

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung des An- fangs-Zündzeitpunktes (ZZP_ST) in Richtung später Zündzeitpunkt (ZZP) mit einem steilen Gradienten begonnen wird und der Gradient mit zunehmender Zeit kleiner wird, bis zu einem Zeitpunkt (t3) zu dem die Drehzahl (N) einen Wert für eine Mindestdrehzahl (N_SW) .

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert für die Mindestdrehzahl (N_SW) experimentell auf dem Prüfstand oder im Fahrzeug abhängig vom Alkoholgehalt im Kraftstoff ermittelt und in einem Kennfeld (KF4) in einem Wertespeicher (24) einer die Brennkraftmaschine (1) steuernden und regelnden Steuerungseinrichtung (16) abgelegt ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kraftstoff ein Kraftstoff verwendet wird, der mindestens 70% Ethanol, insbesondere 100% Ethanol enthält .

7. Vorrichtung zum Starten einer mit Alkohol oder hohem Anteil an Alkohol in einem Alkohol/Benzin-Mischkraftstoff ausgelegten Brennkraftmaschine (1), die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6 durchzuführen.

Description:
Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine mit hohem Alkoholanteil im Kraftstoff

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoff versorgt wird, der einen hohen Alkoholanteil aufweist .

Es sind Fahrzeuge bekannt, welche sowohl mit Alkohol- oder Alkoholmischkraftstoffen, d.h. mit Kraftstoffen mit variablen Alkoholgehalten als auch mit Benzin als einzige Kraftstoff ¬ komponente betrieben werden können. Der Alkohol, z.B. Methanol oder Ethanol im Kraftstoff kann dabei in unterschiedlichen Anteilen im Bereich von 0 bis 100% vorhanden sein. Solche Kraftstoffe bezeichnet man auch als "Flex Fuel" oder "Flexibel Fuel" (FF) und die damit betreibbaren Kraftfahrzeuge als Flexibel Fuel Vehicle (FFV) . Eine gebräuchliche Alkohol-/Benzinmischung in Europa und den USA ist beispielsweise E85, d.h. 85% Ethanol im Kraftstoff, bei welcher der Benzinanteil folglich 15% beträgt. In manchen Ländern wird der Ethanolanteil im Kraftstoff in den Wintermonaten abgesenkt, z. B. auf 75%. In Brasilien wird als Kraftstoff auch E100, also reines Ethanol zum Betreiben von Brennkraftmaschinen in Fahrzeugen angeboten. Wenn im Folgenden auf E100 als Kraftstoff Bezug genommen wird, so ist zu be ¬ rücksichtigen, dass in der Regel in einem solchen Kraftstoff 5-7% Wasser enthalten sein kann. Flex-Fuel Fahrzeuge bieten also die Möglichkeit, sowohl kon ¬ ventionelles Benzin als auch diese Ethanol- Mischkraftstoffe zu tanken, da über einen Alkoholsensor oder über eine Modellrechnung in der elektronischen Motorsteuerung die aktuelle Ben- zin-Ethanol-Konzentration im Kraftstoff erkannt und entspre- chende Parameter zur Steuerung der Brennkraftmaschine adaptiert werden . Der Einsatz von solchen Mischkraftstoffen mit hohem Ethanol- gehalt oder der Betrieb ausschließlich mit Ethanol hat den Nachteil, dass sich das Fahrzeug bei niedrigen Temperaturen nur schwer starten lässt, da Ethanol einen relativ hohen Siedepunkt (78°C bei 1013 hPa) und geringen Dampfdruck aufweist, also bei niedrigen Temperaturen sehr schlecht verdampft. Durch die Beimischung von Ethanol verringert sich der Gesamtanteil an leichtflüchtigen Kraftstoffanfeilen und beeinträchtigt die Kaltstartfähigkeit. Die minimale Starttemperatur ohne zu- sätzliche Kaltstartsysteme beträgt bei Verwendung von

E85-Kraftstoff etwa -20°C und bei Verwendung von E100-Kraftstoff etwa +15°C.

Da somit ohne besondere Vorkehrungen Kaltstartprobleme auf- treten, werden bei Fahrzeugen, die einen Betrieb mit bis zu 100% Ethanol als Kraftstoff (E100) zulassen, kleine, fest eingebaute Kraftstoffzusatzbehälter im Motorraum mitgeführt, die eine geringe Menge an Startkraftstoff, z.B. Benzin beinhalten. Zum Starten des Fahrzeuges unterhalb bestimmter Außentemperaturen wird dann dieser Startkraftstoff benutzt oder zusätzlich zu dem Ethanol an zentraler Stelle im Saugrohr eingespritzt, damit ein brennbares Kraftstoff-Luftgemisch entsteht.

Das Problem hierbei besteht allerdings darin, dass das Kalt- Startsystem relativ selten benötigt wird, nur geringe Mengen von Startkraftstoff dem Zusatzbehälter entnommen werden und im Laufe der Zeit dieser Startkraftstoff immer schlechter wird. Unter der Eigenschaft "schlechter" versteht man in diesem Zusammenhang, dass die leicht flüchtigen Kohlenwasserstoffanteile wie Propan und Butan, durch die hohen Temperaturen im Motorraum während des Betriebes der Brennkraftmaschine und damit des Fahrzeugs, sowie durch das starke Schütteln des Fahrzeugs im Betrieb leicht verdampfen und aus dem Zusatzbehälter entweichen. Die für einen Kaltstart notwendigen Bestandteile sind dann verloren oder zumindest erheblich reduziert. Unter Umständen kann dann kein Kaltstart mehr durchgeführt werden. Außerdem ist ein solches System mit einem separaten Tank wartungsaufwendig und birgt aufgrund der Unterbringung im Motorraum (crashzone) ein Gefahrenpotential .

In den Druckschriften US 4,911,116 A und US 4,646,691 A sind Kraftstoff ersorgungssysteme für Brennkraftmaschinen eines

Kraftfahrzeugs beschrieben, die mit Alkohol betrieben werden und separate Kaltstart-Tanks aufweisen, die Benzin enthalten, das für den Start des Motors verwendet wird. Anschließend, wenn der Motor gestartet worden ist und beginnt warm zu werden, wird statt des Kaltstart-Kraftstoffes der Haupttank mit dem Alkohol enthaltenen Kraftstoff zugeschaltet. Nachteilig ist hierbei, dass beide Tanks eine separate Befüllung erfordern, d.h. Zu ¬ führleitungen zur Karosserieaußenseite und separate Tank ¬ klappen. Auch muss der Fahrer den Kraftstoffstand in beiden Tanks verfolgen, um sie rechtzeitig nachfüllen zu können. Des Weiteren muss er zwischen zwei separaten Tankstutzen unterscheiden, was bei Nichtbeachtung zu einer Fehlbefüllung zumindest eines der beiden Tanks führen kann. Aus der DE 25 36 432 AI ist eine Brennkraftmaschine bekannt, die mit Alkohol- und Alkohol-Mischkraftstoffen betreibbar ist und bei welcher in einem eine Hauptgemischbildungseinrichtung umgehenden Nebenansaugkanal eine Kaltstarteinrichtung mit einer elektrisch betriebenen Heizvorrichtung vorgesehen ist. Die nötige Luft für das Kaltstartgemisch wird vom Hauptluft- ansaugkanal abgezweigt, wobei die Strömungsverbindung durch eine Absperrvorrichtung unterbrochen werden kann. Durch die Aufwärmung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird die Startfreudigkeit der Brennkraftmaschine bei niedrigen Umgebungstemperaturen verbessert.

Aus der JP-A-52 665/1982 ist eine Heizeinrichtung zum Erwärmen einer Einlassleitung bekannt, wobei die Heizeinrichtung nach Maßgabe des Ausgangs eines Alkoholkonzentrationssensors ge- steuert wird und bei der die Wärmeerzeugungsmenge der Heiz ¬ einrichtung größer wird, wenn die Alkoholkonzentration einen Bezugswert einnimmt oder größer als dieser ist. In der DE 103 51 206 AI ist ein Einspritzventil, insbesondere zur Kraftstoffeinspritzung in den Ansaugkanal von Brennkraftmaschinen in Fahrzeugen beschrieben. Es weist ein Ventilgehäuse mit einer Spritzöffnung, einen Kraftstoff-Zulaufkanal und ein auf das Ventilgehäuse auf dessen von der Spritzöffnung abgekehrtem Ende aufgesetztes Heizmodul mit einem am Ventilgehäuse be ¬ festigten Modulgehäuse und ein den das Modulgehäuse durch ¬ fließenden Kraftstoff aufwärmendes Heizelement auf. Dadurch wird auch bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine der Kraftstoff schnell auf die für eine sehr gute Zerstäubung erforderliche Solltemperatur von z.B. 80°C gebracht. Bei der Einspritzung kann sich unter diesen Bedingungen der sog. Flash-Boiling-Effekt einstellen, bei dem der Kraftstoff spontan verdampft und optimal zerstäubt wird.

Anstelle jedes einzelne Einspritzventil elektrisch zu beheizen, ist es auch bekannt , die Kraftstoffverteilerleiste, an welche die Einspritzventile angeschlossen sind, zu beheizen. Des Weiteren ist es bekannt, solche Flex-Fuel Fahrzeuge mit einem Kaltstartsystem in Form einer elektrischen Motorblockheizung auszustatten, welche über Kabel und herkömmliche Steckdosen an das 230V Netz angeschlossen werden. Solche externe, in der Regel als Blockheizer bezeichnete Heizeinrichtungen dienen zur Er- wärmung des Kühlmittels der Brennkraftmaschine bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen und sollen damit das Starten der Brennkraftmaschine erleichtern.

Kaltstarteinrichtungen mittels solcher Kraftstoffvorhei- zungssysteme sind vergleichsweise teuer in der Herstellung und der Motor-Startvorgang kann erst nach einer gewissen Zeit erfolgen, die zum Vorheizen des Kraftstofffes benötigt wird.

Außerdem ist der Eintrag von unverbranntem Kraftstoff in das Motoröl im Kaltstart und anschließendem Warmlauf sehr hoch, wodurch die Viskosität des Motoröls und somit die mechanische Dauerhaltbarkeit bestimmter Motorbauteile negativ beeinflusst wird. Bei höheren Motoröl-Temperaturen wird durch den Siedepunkt von Ethanol schlagartig eine große Menge an Kraftstoff aus dem Motoröl verdampft, die der Verbrennung zugeführt wird und das Verbrennungsgemisch stark anfetten bzw. überfetten.

In der US 2014/0331968 AI ist ein Verfahren zum Kaltstarten einer Brennkraftmaschine beschrieben, welche mit Ethanol betrieben wird. Zur Steuerung des Zündzeitpunktes ist in einer Steue ¬ rungseinrichtung ein Basis-Zündkennfeld hinterlegt. Es wird die Temperatur der Brennkraftmaschine ermittelt und nach der Synchronisation wird bei Erreichen eines Schwellenwertes für den Kraftstoffdruck, Kraftstoff mit hohem Druck für einen ersten Zyklus mittels eines Hochdruckeinspritzventils direkt in den Zylinder eingespritzt. Unterhalb eines festgelegten Schwel ¬ lenwertes für die Brennkraftmaschinentemperatur wird der erste Zündzeitpunkt, bezogen auf den Kompressions-Oberen Totpunkt des Kolbens, in Richtung früh verstellt und zwar in einem Bereich zwischen 21° und 50° Kurbelwelle vor dem Kompressi- ons-Oberen-Totpunkt des Kolbens (OT) .

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine anzugeben, die auch bei sehr hohen Alkoholanteilen im Kraftstoff und niedrigen Temperaturen sicher gestartet werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Pa- tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Aus ¬ gestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet .

Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Starten einer mit Alkohol oder hohem Anteil an Alkohol in einem Alkohol/Benzin-Mischkraftstoff ausgelegten Brennkraftmaschine angegeben, wobei in einem ersten, unmittelbar nach dem Aktivieren des Startvorganges der

Brennkraftmaschine beginnenden Zeitabschnitt ein früher An- fangs-Zündzeitpunkt eingestellt wird, der in einem Bereich von 60° Kurbelwinkel bis 100 °Kurbelwinkel vor dem Oberen Totpunkt eines Kolbens der Brennkraftmaschine liegt. Während des

Startvorganges wird die Drehzahl der Brennkraftmaschine überwacht. Bei Erreichen oder Überschreiten eines vorgegebenen Drehzahlschwellenwertes oder bei signifikantem Drehzahlanstieg, wird neben den bereits während des Startvorganges aufsummierten Zylinder-Arbeitsspielen, die Anzahl derjenigen Zylin- der-Arbeitsspiele aufsummiert, in denen ein Drehzahlanstieg größer als einem vorgegebenen Schwellenwert oder einer vorgegebenen Differenzdrehzahl zur Starterdrehzahl erfolgt. Die Anzahl der Zylinder-Arbeitsspiele werden mit vorgegebenen Schwellenwerten verglichen und bei Erreichen oder Überschreiten der Schwellenwerte wird der Zündzeitpunkt ausgehend von dem frühen Zündzeitpunkt in Richtung später Zündzeitpunkt ver ¬ schoben .

Durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. der Vorrichtung wird es ermöglicht, einen Verbrennungsvorgang und damit einen

Brennkraftmaschinenstart auch bei tiefen Temperaturen durchzuführen, selbst wenn als Kraftstoff ein Kraftstoff mit sehr hohem Ethanolanteil , bis zu E100 verwendet wird. Durch die Verwendung eines sehr frühen Zündzeitpunkts bis zu 100° Kurbelwinkel vor OT beim Kaltstart der Brennkraftmaschine wird neben einer deutlichen Verkürzung des Startzeit auch eine Verbesserung des Verbrennungsverhaltens, insbesondere eine Reduzierung des Kraftstoffeintrags in das Schmieröl der

Brennkraftmaschine erreicht.

Die bei herkömmlichen Kaltstartsystemen für solche, mit

Mischkraftstoffen oder reinem Alkohol betriebene Brennkraft ¬ maschinen nötigen Komponenten wie Zusatztanks für einen

Startkraftstoff oder Kraftstoffvorheizungen jeglicher Art können entfallen. Da keine Zeitspanne abgewartet werden muss, bis solche Heizeinrichtungen den Kraftstoff auf eine Temperatur bringen, bei welcher der Kraftstoff sicher verbrennt, kann der Startvorgang ohne Wartezeit beginnen.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert wird. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine mit hohem Ethanolanteil im Kraftstoff betreibbare Brennkraftmaschine mit zuge ¬ höriger Steuerungseinrichtung,

Fig. 2A-2C zeitliche Verläufe von Parametern während des

Kaltstarts der Brennkraftmaschine.

In der Figur 1 ist in schematischer Darstellung eine mit hohem Ethanolanteil im Kraftstoff, insbesondere mit reinem Ethanol als Kraftstoff (E100) betreibbare, mehrzylindrige Brennkraftma ¬ schine 1 mit äußerer Gemischbildung gezeigt. Dabei sind nur die für das Verständnis der Erfindung nötigen Komponenten dargestellt.

Von äußerer Gemischbildung beim Ottomotor spricht man, wenn der Kraftstoff in das Saugrohr, z.B. in Richtung auf das Gasein- lassventil eingebracht (vorgelagert) wird und somit das

Kraftstoff-Luftgemisch außerhalb des Brennraumes gebildet wird. Dies wird auch als Kanaleinspritzung bezeichnet.

Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Ansaugtrakt 2, einen Motorblock mit 4 Zylindern ZI bis Z4 und einen Zylinderkopf 3, sowie einen Abgastrakt 4 auf.

Der Brennkraftmaschine 1 wird über den Ansaugtrakt 2 die zur Verbrennung des Kraftstoffes benötigte Frischluft zugeführt. Im Ansaugtrakt 2 sind in Strömungsrichtung der angesaugten Luft gesehen (eingezeichnetes Pfeilsymbol) ein Luftfilter 5 und ein Drosselklappenblock 7 mit einer Drosselklappe 8 und einem nicht näher bezeichneten Drosselklappensensor zur Erfassung des Öffnungsgrades TPS der Drosselklappe 8 vorgesehen. Die Dros- seiklappe 8 ist als eine elektromotorisch ansteuerbare Dros ¬ selklappe (E-GAS) ausgebildet, dessen Öffnungsgrad TPS neben der Betätigung des Fahrers (Fahrerwunsch) auch über Signale einer, die Brennkraftmaschine 1 steuernden und regelnden elektronischen Steuerungseinrichtung 16 einstellbar ist.

Der Ansaugtrakt 2 umfasst ferner einen Sammler 9, der in ein allen Zylindern ZI bis Z4 gemeinsames Saugrohr 10 mündet. Dieses

Saugrohr 10 verzweigt sich in der Nähe der Zylinder ZI bis Z4 derart, dass zu jedem Zylinder ZI bis Z4 ein nicht näher bezeichneter Einlasskanal führt . Inj edem der Einlasskanäle ist ein Kraftstoffinj ektor 31 angeordnet. Dadurch kann bei Bedarf Kraftstoff von den Kraftstoffinj ektoren 31 den entsprechenden Zylindern ZI bis Z4 vorgelagert und nach Öffnen von den Zylindern ZI bis Z4 zugeordneten Gaseinlassventilen (nicht dargestellt) das Kraftstoff-Luftgemisch in die Zylinder ZI bis Z4 einströmen. Anstelle nur einem Einlasskanal je Zylinder ist es ist auch möglich, zwei Einlasskanäle pro Zylinder vorzusehen, in denen jeweils ein Kraftstoffinj ektor angeordnet ist, wie es bei ¬ spielsweise in der DE 10 2013222 498 AI beschrieben ist. Dadurch wird jeder Zylinder mittels zweier Kraftstoffinj ektoren mit einem Kraftstoff-Luftgemisch versorgt.

Im Sammler 9 ist ein Sensormodul 19 vorgesehen, das sowohl einen Saugrohrdrucksensor als auch einen Temperatursensor umfasst. Der Saugrohrdrucksensor dient als Lastsensor und gibt ein den Saugrohrdruck repräsentierendes Signal MAP (manifold air pressure) ab. Der Temperatursensor gibt ein Signal TIA (tem- perature intake air) ab, das die Temperatur im Sammler 9 re ¬ präsentiert . Anstelle eines, beide Sensoren beinhaltenden Sensormoduls 19 können auch separate Sensoren für Saugrohrdruck MAP und Temperatur TIA im Sammler 9, bzw. im Saugrohr 10 vorhanden sein. Des Weiteren kann als Lastsensor anstelle des Saugrohrdruck- sensors ein im Ansaugtrakt 2 verbauter Luftmassenmesser (nicht dargestellt) verwendet werden.

Der Brennkraftmaschine 1 ist ferner eine KraftstoffVersor ¬ gungseinrichtung 11 zugeordnet. Der Kraftstoff wird dabei aus einem Kraftstofftank 12 von einer, in der Regel innerhalb des Kraftstofftanks 12 angeordneten Elektrokraftstoffpumpe 13 ( Intankpumpe) in eine, ein Kraftstofffilter 14 enthaltende, allen Kraftstoffinj ektoren 31 gemeinsame Kraftstoffleitung 15 gefördert. Die Kraftstoffleitung 15 verzweigt sich in der Nähe des Zylinderkopfes 3 zu einzelnen, in der Figur 1 nicht näher bezeichneten Zuführleitungen, so dass jeder Kraftstoffinj ektor 31 jedes Zylinders ZI bis Z4 mit Kraftstoff versorgt werden kann.

Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase werden durch Öffnen von Gasauslassventilen in den Abgastrakt 4 ausgestoßen und gelangen nach Reinigung mittels eines oder mehrere Abgaska ¬ talysatoren bekannter Bauart sowie einen Schalldämpfer in die Umgebung .

Zum Starten der Brennkraftmaschine 1 ist eine elektrische Starteinrichtung 30 vorgesehen, die einen herkömmlichen Anlasser oder einen Startergenerator (Riemen-Startergenerator oder Kurbelwellen-Startergenerator) umfassen kann.

Der elektronischen Steuerungseinrichtung 16 sind Sensoren zugeordnet, die verschiedene Messgrößen erfassen und jeweils den Messwert der Messgröße ermitteln. Die Steuereinrichtung 16 ermittelt abhängig von mindestens einer der Messgrößen

Stellgrößen, die dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern der Stellglieder mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden.

Die Sensoren sind u. a. ein Fahrpedalstellungsgeber 17, welcher die Stellung eines Fahrpedals 18 erfasst und ein entsprechendes Signal FPW (Fahrpedalwert) abgibt, das Sensormodul 19, ein Kurbelwellenwinkelsensor 20, welcher einen Kurbelwellenwinkel erfasst, dem dann eine Drehzahl N zugeordnet wird, ein No ¬ ckenwellensensor 32, der ein der Stellung einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine 1 entsprechendes Signal abgibt, ein Tem ¬ peratursensor 21, welcher eine Kühlmitteltemperatur TCO der Brennkraftmaschine 1 erfasst, ein Alkoholsensor 36, der den Alkoholgehalt im Kraftstoff erfasst und ein Drucksensor 33, welcher den Umgebungsdruck AMP erfasst. Je nach Ausführungsform der Erfindung können eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren oder auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein, deren Signale in der Figur 1 allgemein mit dem Bezugszeichen ES angedeutet sind.

Die Stellglieder sind beispielsweise die Drosselklappe 8, die Kraftstoffinj ektoren 31, die Elektrokraftstoffpumpe 13, die Starteinrichtung 30 und nicht dargestellte Zündkerzen. Weitere Signale für weitere Stellglieder, die zum Betreiben der

Brennkraftmaschine 1 nötig, aber nicht explizit dargestellt sind, sind in der Figur 1 allgemein mit dem Bezugszeichen AS gekennzeichnet . Die elektronische Steuerungseinrichtung 16 entspricht einer

Vorrichtung zum Steuern der Brennkraftmaschine 1 und kann auch als Motorsteuergerät bezeichnet werden. Solche Steuerungs ¬ einrichtungen 16, die in der Regel einen oder mehrere Mikroprozessoren beinhalten, sind an sich bekannt , sodass im Folgenden nur auf den im Zusammenhang mit der Erfindung relevanten Aufbau und dessen Funktionsweise eingegangen wird.

Die Steuerungseinrichtung 16 umfasst bevorzugt eine Recheneinheit (Prozessor) 22, die mit einem Programmspeicher 23 und einem Wertespeicher (Datenspeicher) 24 gekoppelt ist. In dem Programmspeicher 23 und dem Wertespeicher 24 sind Programme bzw. Werte gespeichert, die für den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 nötig sind. Insbesondere ist in dem Programmspeicher 23 ein Steuerverfahren FKT_ZZP_ST implementiert, mit dem die Brenn- kraftmaschine 1 auch bei sehr hohen Ethanolanteilen im Kraftstoff (bis E100) und niedrigen Temperaturen sicher gestartet werden kann. In dem Datenspeicher 24 sind mehrere Kennfelder KFi gespeichert, deren Bedeutungen anhand der Beschreibung der Figuren 2A-2C noch näher erläutert wird.

Außerdem sind in der Steuerungseinrichtung 16 zwei Segmentzähler 34, 35, auch als Zyklenzähler bezeichnet vorgesehen, deren Funktion anhand der Beschreibung der Figuren 2A-2C ebenfalls noch näher erläutert wird.

In den Figuren 2A bis 2C sind rein qualitativ die zeitlichen Verläufe von Systemgrößen während eines Kaltstarts der

Brennkraftmaschine 1 dargestellt. Die Figur 2A zeigt den Verlauf der Drehzahl N während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine 1, die Figur 2B zeigt die Zählerstände CYC_1 und CYC_2 der beiden Segmentzähler 34, 35 und die Figur 2C zeigt den Zündzeitpunkt ZZP.

Der Zündzeitpunkt ZZP kennzeichnet die Kurbelwellenstellung der Brennkraftmaschine mit Fremdzündung (Ottomotor) , bei welcher der Zündfunke an der Zündkerze ausgelöst wird. Er wird in der Regel in Grad Kurbelwinkel (°KW) vor dem oberer Totpunkt OT (= höchste Stellung des Kolbens im Zylinder) angegeben.

Einen „frühen Zündzeitpunkt" kennzeichnet die Auslösung des Zündfunkens an der Zündkerze zu einem Zeitpunkt in Grad Kur ¬ belwinkel der weit vor dem oberen Totpunkt OT liegt. Einen späten Zündzeitpunkt kennzeichnet die Auslösung des Zündfunkens an der Zündkerze zu einem Zeitpunkt in Grad Kurbelwinkel der kurz vor dem oberen Totpunkt OT oder auch nach dem oberen Totpunkt OT liegt. Dies bedeutet, der Zündzeitpunkt wird in Richtung spät verstellt, wenn die Auslösung des Zündfunkens in Grad Kur- belwinkel von weit vor dem OT nach kurz vor OT oder sogar nach OT verstellt wird.

Wenn nicht vorgeheizter Kraftstoff mit hohem Ethanolanteil bis zu E100 bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen der Brennkraft- maschine in den Ansaugkanal eingespritzt wird, kommt es an den kalten Bauteilen der Brennkraftmaschine zur Kondensierung des eingespritzten Kraftstoffes bzw. zur Bildung von flüssigen Kraftstoffanteilen. Abhängig von der Tröpfchengröße (Tröpfchendurchmesser) des eingespritzten Kraftstoffes, die in der Regel durch den

Sauterdurchmessers (SMD) ausgedrückt wird, und des Ethano- lanteils ist die Flammausbreitungsgeschwindigkeit , d.h. die Geschwindigkeit, mit der sich die Flammfront innerhalb des Brennraums nach der Auslösung der Zündung ausbreitet, unterschiedlich groß. Nach der Auslösung der Zündung mit dem Zündzeitpunkt ZZP vor dem oberen Totpunkt, dauert es sehr lange bis es zum Anstieg des Druckes im Zylinder infolge der ein ¬ setzenden Verbrennung kommt. Die Flammausbreitungsgeschwin- digkeit ist beim Startvorgang mit Kraftstoffen mit hohem Ethanolanteil bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen und großem Tröpfchendurchmesser sehr gering. Der maximale Zylinderdruck muss nach dem oberen Totpunkt liegen, um den Kolben zu beschleunigen und um gravierende Motorschäden zu vermeiden.

Der Zündzeitpunkt ZZP der Brennkraftmaschine 1 wird übli- cherweise durch die Steuerungseinrichtung 16 der Brennkraftmaschine 1 geregelt. In der Steuerungseinrichtung 16 sind die Daten für den Zündzeitpunkt ZZP in einem entsprechenden Kennfeld KFl abhängig von Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 1 und den Umgebungseinflüssen gespeichert.

Um bei einer Brennkraftmaschine 1 mit äußerer Gemischbildung (Saugrohr-, Kanaleinspritzung) den Startvorgang mit Kraftstoffen mit hohem Ethanolgehalt bis zu E100 bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen zu verbessern, muss der Zündzeitpunkt ZZP sehr früh gewählt werden. Üblicherweise sind für den Start einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung (Ottomotor) Zündzeitpunkte ZZP bis zu 50° vor dem oberen Totpunkt OT bekannt.

Vor einem Zeitpunkt tO (Figur 2C) eines Startvorganges der Brennkraftmaschine 1 ist die Starteinrichtung 30, also ein Anlasser oder Startergenerator noch nicht betätigt und die Drehzahl N der Brennkraftmaschine 1 ist Null und die Zählerstände CYC_1 und CYC_2 der beiden Segmentzähler 34, 35 sind ebenfalls Null .

Zum Zeitpunkt tO erfolgt ein Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 und der Zündzeitpunkt ZZP wird dabei auf einen sehr frühen Anfangs-Zündzeitpunkt ZZP_ST eingestellt, der im Bereich zwischen 90°KW und 100°KW liegt. In der Figur 2C ist beispielsweise ein Wert von 90°KW gewählt.

Wie in Figur 2 dargestellt, ist der Startvorgang der Brenn- kraftmaschine 1 zeitlich gesehen in drei aufeinanderfolgende Phasen eingeteilt, welche als Zeitabschnitte Phl bis Ph3 be ¬ zeichnet sind.

Wie bereits oben erwähnt, ist die Flammausbreitungsgeschwin- digkeit abhängig von der minimalen Tröpfchengröße, welche durch die Einspritzung des Kraftstoffes erreicht werden kann. Wenn noch keine Verbrennung in dem Zylinder stattgefunden hat, sind die Bauteile im Brennraum noch vergleichsweise kalt und der ein ¬ gespritzte Kraftstoff kondensiert teilweise bzw. kann nicht an den Brennraumwänden verdampfen . In den ersten Verbrennungszyklen pro Zylinder kann ein Anfangs-Zündzeitpunkt ZZP_ST von 90° KW bis zu 100° KW vor OT verwendet werden, weil die Ausbreitung der Flammenfront sehr langsam voranschreitet und der maximale Verbrennungsdruck im Zylinder, auch bei einem An- fangs-Zündzeitpunkt ZZP_ST von 90°KW bis 100°KW vor OT, erst nach dem oberen Totpunkt OT liegt. Durch den sehr frühen An- fangs-Zündzeitpunkt ZZP_ST kann das Drehmoment zeitlich früher auf der Kurbelwelle erzeugt werden. Der Drehzahlhochlauf im Kaltstart kann zeitlich früher erfolgen weil die Zylinder- temperatur durch den Verbrennungsvorgang früher ansteigt, wodurch die Startzeit verkürzt wird.

Durch das Betätigen der Starteinrichtung 30 zum Zeitpunkt tO wird die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 in Rotation versetzt und die Drehzahl N steigt leicht an (Figur 2A) .

Gleichzeitig mit dem Aktivieren der Starteinrichtung 30 wird auch der Segmentzähler 34 in der Steuerungseinrichtung 16 gestartet. Die Anzahl der Zylinder-Arbeitsspiele (Segmente bzw. Zyklen) CYC_1 wird auf der Basis der Signale des Kurbelwellenwin- kelsensors 20 und des Nockenwellensensors 32 ermittelt. Wenn sich die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 dreht und die Syn- chronisation zwischen den beiden Sensoren 20,32 abgeschlossen ist, erhält man mit Hilfe eines Kurbelwellengeberrades (in der Regel ein 60-2 Zähne-Rad) und eines das Kurbelwellengeberrades abtastenden Sensors (in der Regel ein Hallsensor) diese In- formation. Bei einer 4-Takt-Brennkraftmaschine 1 umfasst ein Arbeitsspiel zwei Umdrehungen der Kurbelwelle, also 720° KW. Weist die Brennkraftmaschine 1, wie in dem in Figur 1 gezeigten Beispiel 4 Zylinder Z1-Z4 auf, so werden diese 720° KW in vier Segmente zu je 180° KW aufgeteilt, wobei jedes Segment einem Zylinder zugeordnet ist. Dies wird hier als Zylin ¬ der-Arbeitsspiel CYC_1 bezeichnet. Der Zählerstand CYC_1 des SegmentZählers 34 wird also alle 180°KW um den Wert 1 erhöht. Der Segmentzähler 34 ist ohnehin in dem System vorhanden und dessen Zählerstand CYC_1 wird beispielsweise zur Steuerung der

Drosselklappe herangezogen, um dessen Öffnungsgrad einzu ¬ stellen, damit im Brennraum ein brennfähiges Gemisch entsteht. Außerdem dient der Zählerstand CYC_1 des SegmentZählers 34 dazu, die Kraftstoffmasse während des Startvorganges mit fort ¬ schreitender Zeit ausgehend von einem Anfangswert zu reduzieren.

In dem ersten Zeitabschnitt Phl des Startvorgangs, welcher den Zeitraum tO bis tl umfasst, werden von den Zündkerzen Zündungen ausgelöst, aber es finden noch keine Verbrennungen statt, weil noch kein zündfähiges Kraftstoff-Luftgemisch vorhanden ist. Die Drehzahl N bleibt konstant, die Kurbelwelle der Brennkraft ¬ maschine wird von der Starteinrichtung 30 geschleppt.

Wenn die Drehzahl N einen bestimmten Schwellenwert überschreitet oder gegenüber der durch die Starteinrichtung 30 geschleppten Drehzahl ansteigt, weil erste Verbrennungen in den Brennräumen stattgefunden haben, (Zeitpunkt tl), wird der Segmentzähler 35 gestartet, d.h. dann, wenn die Brennkraftmaschine 1 aus eigener Kraft ein Drehmoment erzeugt, sich also von der Unterstützung der Starteinrichtung 30 löst. Der Segmentzähler 35 zählt diejenigen Segmente CYC_2 mit einem Drehzahlanstieg pro Zeit (Drehzahl ¬ gradient) größer einem Schwellenwert oder einer Differenz zur, durch die Starteinrichtung geschleppten Drehzahl, größer als einem Schwellwert. Der Zählerstand CYC_1 des SegmentZählers 34 wird parallel weiter pro Segment (180°KW) um den Wert 1 erhöht. Der Schwellenwert der Drehzahl sowie der Schwellwert der Drehzahldifferenz abhängig von den Zählerstanden 34,35 wird experimentell auf dem Prüfstand oder im Fahrzeug ermittelt und ist abhängig von der Kühlmitteltemperatur TCO der Brennkraftmaschine 1 in einem Kennfeld KF2 in dem Wertespeicher 24 der Steuerungseinrichtung 16 abgelegt, da die Kühlmitteltemperatur TCO maßgeblich die Drehzahl der Starteinrichtung und den Drehzahlgradienten beeinflusst. Wenn die Brennkraftmaschine 1 bei einer Temperatur von beispielsweise 0°C mit Ethanol E100 gestartet wird, baut sie pro Verbrennung ein größeres Drehmoment auf, als wenn sie bei einer Temperatur von -5°C gestartet wird.

Die Drehzahl N steigt ab dem Zeitpunkt tl aufgrund der nun laufenden Verbrennungen leicht an und je höher die Drehzahl N wird, desto schneller steigen die Zählerstände CYC_1 des SegmentZählers 34 und CYC_2 des SegmentZählers 35 an. Der Zündzeitpunkt ZZP wird auch nach dem Zeitpunkt tl noch auf den sehr frühen Anfangs-Zündzeitpunkt ZZP_ST zu Beginn des Startens (von 90 °KW-100 °KW) der Brennkraftmaschine 1 für eine bestimmte Segmentanzahl bzw. Zeitspanne, nämlich während des Zeitab ¬ schnittes Ph2 gehalten.

Der Zeitpunkt t2, ab dem der Zündzeitpunkt ZZP von dem An- fangs-Zündzeitpunkt ZZP_ST zurückgenommen wird, also in Richtung spät verstellt wird, ist abhängig von dem Zählerinhalt CYC_1 des SegmentZählers 34 und/oder von dem Zählerinhalt CYC_2 des SegmentZählers 35. Erreicht der Zählerinhalt CYC_1 bzw. CYC_2 einen vorgegebenen Schwellenwert CYC_1_SW bzw. CYC_2_SW, der experimentell auf dem Prüfstand oder im Fahrzeug abhängig vom Ethanolgehalt im Kraftstoff ermittelt wird und beispielsweise im KF2, KF3 abgelegt wird, geht man davon aus, dass die Temperatur im Zylinder soweit angestiegen ist, dass bei der darauffolgenden Verbrennung mit dem Ausgangswert ZZP_ST bereits ein Druckanstieg vor dem oberen Totpunkt OT erfolgt und der Anfangs-Zündzeitpunkt ZZP, wie in Figur 2C dargestellt, während des Zeitabschnittes Ph3 anfänglich mit einem relativ steilen Gradienten und anschließend mit einem kleineren Gradienten auf einen herkömm- liehen Wert des Zündzeitpunktes ZZP während des Startvorganges bis zum Zeitpunkt t3 im Bereich von 50°KW bis 40°KW zurückgezogen wird. Die Schwellenwerte CYC_1_SW und CYC_2_SW sind in den Kennfeldern KF2, KF3 in dem Wertespeicher 24 der Steuerungs- einrichtung 16 abgelegt.

Der Inhalt CYC_1 des SegmentZählers 34 oder CYC_2 des Seg ¬ mentzählers 35 sind wie oben erwähnt, entscheidend für die Zurücknahme des Anfangs-Zündzeitpunktes ZZP, aber nicht ent- scheidend für das Kriterium, wann der Startvorgang beendet ist. Der Startvorgang der Brennkraftmaschine 1 ist beendet, wenn die Drehzahl N eine Mindestdrehzahl N_SW erreicht hat. Dieser Drehzahlwert wird ebenfalls experimentell auf dem Prüfstand oder im Fahrzeug abhängig vom Ethanolgehalt im Kraftstoff ermittelt und ist in einem Kennfeld KF4 in dem Wertespeicher 24 der

Steuerungseinrichtung 16 abgelegt. Er liegt in der Regel in einem Bereich von 600 1/min bis 1000 1/min.

In der Figur 2A ist dieser Zeitpunkt mit t3 bezeichnet. Nach diesem Zeitpunkt t3 erfolgt ein herkömmlicher Überschwinger der Drehzahl N und diese stabilisiert sich dann auf einen Wert, welche als Leerlaufdrehzahl N_LL bezeichnet ist. Die Regelung des Zündzeitpunktes ZZP im zeitlichen Abschnitt nach dem Zeitpunkt t3 erfolgt anschließend auf herkömmliche Weise. Die Erfindung wird wurde anhand einer Brennkraftmaschine mit 4 Zylindern erläutert, die mit reinem Ethanol (E100) oder einem Mischkraftstoff betrieben wird, der einen relativ hohen

Ethanolanteil (z.B. E85) enthält. Sie ist aber sowohl für Brennkraftmaschinen mit anderen Zylinderzahlen, als auch für Brennkraftmaschinen anwendbar, die anstelle Ethanol mit anderen, einen hohen Siedepunkt und geringen Dampfdruck aufweisenden Kraftstoffen, wie beispielsweise Methanol betrieben werden. Begriffs- /Bezugs zeichenliste

1 Brennkraftmaschine

2 Ansaugtrakt

3 Zylinderkopf

4 Abgastrakt

5 Luftfilter

7 Drosselklappenblock

8 Drosselklappe

9 Sammler

10 gemeinsames Saugrohr

11 Kraftstoff ersorgungseinrichtung

12 Kraftstofftank

13 ElektrokraftStoffpumpe

14 Kraftstofffilter

15 KraftStoffleitung

16 elektronische Steuerungseinrichtung

17 FahrpedalStellungsgeber

18 Fahrpedal

19 Sensormodul für Temperatur und Druck im Ansaugtrakt

20 Kurbelwellenwinkelsensor

21 Kühlmitteltemperatursensor

22 Recheneinheit, Prozessor

23 Programmspeicher

24 Wertespeicher, Datenspeicher

30 Starteinrichtung

31 Kraftstoffinjektor

32 Nockenwellensensor

33 Umgebungsdrucksensor

34 Segmentzähler, Zyklenzähler

35 Segmentzähler, Zyklenzähler

36 Alkoholsensor

AMP Umgebungsdruck

AS Ausgangssignale, Stellsignale

CYC_ 1 Zählerstand des Segmentzählers 34

CYC_ 2 Zählerstand des Segmentzählers 35

CYC 1 SW Schwellenwert Zählerstand CYC_2_SW Schwellenwert Zählerstand

ES Eingangssignale

FKT ZZP ST Funktion zum Einstellen des Zündwinkels beim

Kaltstart

FPW Fahrpedalwert

KF1 - KF4 Kennfeld

MAP Druck im Ansaugtrakt, Saugrohrdruck

N Drehzahl der Brennkraftmaschine

N LL Leerlaufdrehzahl

N SW Mindestdrehzahl

Phl- Ph3 Zeitabschnitte des Startvorganges

TAM Ansauglufttemperatur

CO Kühlmitteltemperatur

TIA Temperatur im Ansaugtrakt

TPS Öffnungsgrad Drosselklappe

to Zeitpunkt Startvorgang

tl - t3 Zeitpunkt

ZI - Z4 Zylinder der Brennkraftmaschine

ZZP Zündzeitpunkt

ZZP ST Anfangs-Zündzeitpunkt , Zündzeitpunkt beim Start




 
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