Beschreibung

Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine, Vorrichtung und Steuergerät

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine gemäß Patentanspruch 1, eine Vorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine gemäß Patentanspruch 11 und ein Steuergerät gemäß Patentanspruch 12.

Es ist bekannt, eine Brennkraftmaschine ohne den Einsatz eines Starters über die Einspritzung von Kraftstoff in einen Zylinder, dessen Kolben sich in einer Arbeitsphase befindet, und durch eine Zündung des eingespritzten Kraftstoffes zu starten.

Die Zündung der Brennkraftmaschine ohne den Einsatz eines Starters ist insbesondere erforderlich, um einen Motor, der mit vielen Stoppphasen betrieben wird, ohne hohe elektrische Leistung wieder zum Laufen zu bringen. Beispielsweise werden bei kraftstoffsparenden Motoren die Motoren bei Stoppphasen, z. B. an einer Ampel oder bei sonstigen Fahrtunterbrechungen abgestellt und durch eine Betätigung, z. B. der Kupplung, wird die Brennkraftmaschine wieder gestartet.

Aus DE 199 55 857 Al und aus DE 100 20 325 Al sind entsprechende Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine bekannt. Dabei wird eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug beschrieben, die mit einem Zylinder beweg- baren und auf eine Kurbelwelle einwirkenden Kolben versehen ist. Der Kolben durchläuft während des Betriebes der Brennkraftmaschine eine Ansaugphase, eine Verdichtungsphase, eine Arbeitsphase und eine Ausstoßphase. Weiterhin ist ein Steuergerät vorgesehen, mit dem Kraftstoff in einer ersten Be- triebsart während einer Verdichtungsphase oder in einer zweiten Betriebsart während einer Ansaugphase direkt in einen von dem Zylinder und dem Kolben begrenzten Brennraum eingespritzt wird. Das Steuergerät ist derart ausgebildet, dass zum Star-

ten der Brennkraftmaschine im Stillstand der Kurbelwelle in denjenigen Zylinder, dessen Kolben sich in der Verdichtungsphase befindet, Kraftstoff eingespritzt und entzündet wird, sodass sich die Kurbelwelle rückwärts bewegt. Dabei kann es nachteilig sein, dass ein Zylinder nicht mehr zum Verdichten und Zünden benutzt werden kann, weil Verbrennungsrückstände eines noch nicht ausgestoßenen Verbrennungsvorgases vorliegen, sodass kein brennfähiges Gemisch vorhanden ist.

Zudem dürfte es nachteilig sind, wenn der Motor längere Zeit steht, weil dann der Druck im Kompressionszylinder so weit abgefallen ist, dass eine sichere Zündung nicht erfolgen kann. Wie beim Direktstarten, hängt die Startfähigkeit vom Füllvolumen, dem Stand des Kolbens und auch von der Zeitspan- ne zwischen dem Stopp und dem Start ab. Der Druck im zu zündenden Zylinder bleibt nur für eine kurze Zeit bestehen. Nach einer längeren Pause zwischen Stopp und Start gleicht sich der Druck dem Umgebungsdruck an. Das Restvolumen kann nun einen geringeren Sauerstoffanteil haben. Ein weiterer Nachteil ist es, dass parasitäre Restgase die Zündfähigkeit weiter verschlechtern .

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine mit geringem Verbrauch von elektrischer Leistung bereitzustellen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und durch die Vorrichtung nach Anspruch 11 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass der Kolben des zu zündenden Zylinders in eine definierte Startposition be- wegt wird. Dazu ist ein Antrieb vorgesehen, der mit dem Kolben in Wirkverbindung steht.

In einer weiteren Ausführungsform wird beim Abstellen der Brennkraftmaschine eine für den Zylinder vorgesehene Zündung nicht durchgeführt. Auf diese Weise sind in dem Zylinder keine Abgase enthalten. Zudem ist der Sauerstoffgehalt der Fül- lung des Zylinders höher als nach einer Zündung.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Kolben ausgehend von einem Arbeitshub in Richtung auf den oberen Totpunkt zurückbewegt. Dabei wird der Kolben vorzugsweise nicht über den oberen Totpunkt zurückbewegt. Auf diese Weise wird Strom eingespart, da eine hohe Verdichtungsleistung bis über den Totpunkt nicht erforderlich ist. Der geringere Energieverbrauch des Startermotors führt dazu, dass auch ein Startspannungseinbruch durch den Anlasser geringer ausfällt. Dadurch kann die Elektronik im Auto einfacher ausgebildet sein.

In einer weiteren Ausführungsform ist der erste Kolben des ersten Zylinders mit einem zweiten Kolben eines zweiten Zylinders gekoppelt und der erste Kolben wird so weit zurückbe- wegt, bis sich ein Einlassventil des zweiten Kolbens öffnet und Umgebungsluft in den zweiten Kolben einlässt. Auf diese Weise wird dafür gesorgt, dass der zweite Kolben mit frischer Luft, d. h. mit Luft mit unverbranntem Sauerstoff, gefüllt wird.

In einer weiteren Ausführungsform wird nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine die Bewegung des ersten Kolbens gebremst und somit der erste Kolben in einer gewünschten Ausgangsposition zum Stehen gebracht. Auf diese Weise kann die Ausgangs- position des ersten Kolbens definiert vorgegeben werden.

In einer weiteren Ausführungsform wird der erste Kolben im ersten Zylinder in Richtung auf den oberen Totpunkt zurückbewegt, ohne aber das Auslassventil des ersten Zylinders zu öffnen. Auf diese Weise wird dafür gesorgt, dass die Gasfüllung im ersten Zylinder verdichtet wird.

In einer weiteren Ausführungsform wird der erste Kolben beim Abstellen der Brennkraftmaschine in eine Ausgangsposition abgebremst, die im Arbeitshub oder im Ausstoßhub liegt.

In einer weiteren Ausführungsform wird der erste Kolben, wenn er sich im Arbeitshub im Stillstand befindet, in der Motordrehrichtung weiterbewegt, bis das Auslassventil öffnet. Anschließend wird der erste Kolben entgegen der Motordrehrichtung in die Startposition bewegt. Auf diese Weise wird er- reicht, dass der erste Zylinder mit Gas über einen Auslasskanal befüllt wird.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern,

Figur 2 eine schematische Darstellung eines der Zylinder und eines Steuergerätes,

Figur 3 einen ersten Programmablauf,

Figur 4 eine schematische Darstellung eines Teils der Ar- beitstakte des ersten und des dritten Zylinders, und

Figur 5 einen zweiten Programmablauf.

Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einer Brenn- kraftmaschine 1 mit vier Zylindern 2, 3, 4, 5, die in Wirkverbindung mit einer Kurbelwelle 6 stehen. Die Kurbelwelle 6 steht über eine nicht dargestellte Kupplung und über ein nicht dargestelltes Getriebe mit einem nicht dargestellten Antriebsstrang, beispielsweise eines Kraftfahrzeuges in Ver- bindung. Figur 1 zeigt eine Brennkraftmaschine, die nach einem Viertakterprinzip arbeitet. Zur Steuerung des Gaswechsels wird eine mit doppelter Motordrehzahl drehende Nockenwelle verwendet, die von der Kurbelwelle angetrieben wird. Die No-

ckenwelle öffnet die für das Ausschieben der verbrauchten Gase und das Ansaugen der Frischgase separat ausgelegten Gaswechselventile gegen die Kraft der Ventilfedern. Kurz vor dem unteren Totpunkt öffnet das Auslassventil und bei überkriti- schem Druckverhältnis verlassen während dieses Vorauslasses ca. 50% der Brenngase den Brennraum. Der sich nach oben bewegende Kolben sorgt während des Ausschubtaktes für eine nahezu vollständige Entfernung der Brenngase aus dem Brennraum. Kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens öffnet das Einlassventil bei noch geöffnetem Auslassventil. Zur Unterscheidung vom Zünd-OT, bei dem die Verbrennung abläuft, nennt man diese Stellung der Kurbelwelle den Gaswechsel OT, weil sich in diesem Bereich die sonst strikt getrennten Einlass- und Auslassvorgänge überschneiden. Kurz nach dem Gaswechsel OT schließt das Auslassventil und bei geöffnetem Einlassventil kann der sich nach unten bewegende Kolben Frischluft ansaugen. Dieser zweite Takt des Gaswechsels, der Ansaugtakt, dauert bis kurz nach dem unteren Totpunkt. Bei der folgenden Bewegung des Kolbens nach oben wird ein Verdichtungsvorgang durchgeführt. Anschließend erfolgt beim Zünd-OT die Zündung des eingespritzten Kraftstoffes. Beim folgenden Arbeitstakt erfolgt die Verbrennung und der Kolben wird wieder nach unten bewegt. Anstelle einer Nockenwelle kann auch ein elektrischer Antrieb zum öffnen und schließen der Einlass- und Auslassventile vor- gesehen sein. Ein Kolben durchläuft somit den Ansaugtakt, den Verdichtungstakt, den Arbeitstakt und den Ausschubtakt, d. h. 4 Takte. Bei einem Vierzylinder sind beispielsweise der erste und zweite Zylinder in gleicher Phase und der dritte und vierte Zylinder sind um einen Takt verschoben.

Weiterhin ist in Figur 1 ein Steuergerät 7 und ein Antrieb 8, insbesondere ein elektrischer Motor und/oder eine Motor/Generatoreinheit vorgesehen. Der Antrieb 8 ist an die Kurbelwelle 6 angeschlossen. Die vier Zylinder 2, 3, 4, 5 sind im wesentlichen identisch aufgebaut und werden nun anhand des ersten Zylinders 2 erläutert.

Figur 2 zeigt den ersten Zylinder 2 mit einem ersten Kolben 9, der über eine Pleuelstange 10 mit der Kurbelwelle 6 verbunden ist. Am ersten Zylinder 2 sind ein Einlassventil 11 und ein Auslassventil 12 vorgesehen. Das Einlassventil 11 und das Auslassventil 12 werden von einer nicht dargestellten Nockenwelle betätigt. Das Einlassventil 11 ist in einem Ansaugkanal angeordnet, über das Frischluft in den ersten Zylinder 2 gesaugt wird. Das Auslassventil 12 ist in einem Auslasskanal angeordnet, über den verbrannte Abgase in den Auslasska- nal 14 abgegeben werden können. Weiterhin ist eine Zündeinrichtung 15 vorgesehen, die in den ersten Zylinder 2 ragt und mit dem ein Kraftstoffluftgemisch entzündet werden kann. Weiterhin ist ein Einspritzventil 16 vorgesehen, das Kraftstoff in den ersten Zylinder 2 einspritzt.

Weiterhin ist der Antrieb 8 dargestellt, der mit dem Steuergerät 7 verbunden ist. Mit dem Antrieb 8 kann über die Kurbelwelle die Position der Kolben eingestellte werden. Das Steuergerät 7 ist mit einer Vielzahl von Sensoren 17 verbun- den, die verschiedene Betriebsparameter der Brennkraftmaschine und/oder des Kraftfahrzeuges erfassen, insbesondere einen Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle 6. Im Daten- Programmspeicher 18 sind Werte und Programme abgelegt, die das Steuergerät 7 zum Steuern der Brennkraftmaschine 1 ver- wendet. Beispielsweise sind im Daten/Programmspeicher 18 Werte abgelegt, bei denen das Einlass- und/oder das Auslassventil 11, 12 geöffnet bzw. geschlossen werden. Weiterhin sind Daten im Daten/Programmspeicher abgelegt, die festlegen, zu welchem Zeitpunkt eine Zündung durch die Zündeinrichtung 15 im Zylinder erfolgt. Weiterhin ist das Steuergerät 7 mit einem Start/Stopp-Schalter 19 verbunden. Der Start/Stopp- Schalter 19 dient dazu, um dem Steuergerät 7 mitzuteilen, ob die Brennkraftmaschine gestartet oder abgeschaltet werden soll. Der Start/Stopp-Schalter kann in Form eines Zündschal- ters oder eines Ein/Ausschalters ausgebildet sein.

Figur 3 zeigt eine Ausführungsform zur Durchführung eines Verfahrens zum Starten der Brennkraftmaschine 1. Dabei befin-

det sich die Brennkraftmaschine 1 bei einem ersten Programmpunkt 100 im Stillstand, d. h. es wird keine Einspritzung und keine Zündung durchgeführt und die Kolben der Zylinder bewegen sich nicht. Nun erfolgt bei Programmpunkt 110 die Infor- mation an das Steuergerät 7, dass die Brennkraftmaschine 1 gestartet werden soll. Dies kann beispielsweise mit dem Start/Stopp-Schalter 19 oder durch Betätigung eines anderen Schalters, beispielsweise über eine Erfassung der Betätigung des Kupplungspedals, bewirkt werden. Das Steuergerät 7, das die Position der einzelnen Kolben der Zylinder über die Sensoren 17 erfasst, sucht sich den Zylinder aus, der sich im Arbeitshub befindet. Dies wird im Programmpunkt 120 durchgeführt.

Beim folgenden Programmpunkt 130 steuert das Steuergerät 7 den Antrieb 8 in der Weise an, dass der ausgewählte Zylinder entgegen der Bewegungsrichtung beim normalen Betrieb der Brennkraftmaschine in Richtung auf den oberen Totpunkt zurückbewegt wird. Dabei wird das Gas im ersten Zylinder 2 komprimiert.

Diese Situation ist in Figur 4 dargestellt. Der erste Zylinder befindet sich im Ruhezustand der Brennkraftmaschine in einer ersten Position Pl kurz vor dem öffnen des Auslassven- tils. Nun wird der erste Kolben vom Antrieb 8 in Richtung auf eine zweite Position P2 bis kurz vor den oberen Totpunkt zurückbewegt. Geht man nun davon aus, dass die Brennkraftmaschine 1 mehrere Zylinder, insbesondere vier Zylinder 2, 3, 4, 5 aufweist, so befindet sich beispielweise der dritte Zy- linder im Verdichtungstakt in einer dritten Position P3 im Ruhezustand der Brennkraftmaschine. Beim Zurückbewegen des ersten Kolbens in die zweite Position P2 wird ein dritter Kolben des dritten Zylinders in die vierte Position P4 zurückbewegt. In der vierten Position P4 ist das Einlassventil des dritten Zylinders geöffnet, sodass Frischluft in den dritten Zylinder einströmen kann. Durch die Verwendung des Antriebs 8 kann der Zeitpunkt und die Position der Kolben beim Zurückbewegen in gewissen Grenzen frei gewählt werden.

Beispielsweise wird der erste Kolben des ersten Zylinders in Richtung auf den oberen Totpunkt aber nicht bis über den oberen Totpunkt hinaus zurückgedreht. In der zweiten Position P2 des ersten Kolbens wird Kraftstoff in einem Programmpunkt 14 in den ersten Zylinder eingespritzt und anschließend der Kraftstoff über die Zündeinrichtung 15 gezündet.

Durch die Verbrennung im ersten Zylinder 1 und die daraus entstehende Bewegungsenergie wird der erste Kolben in der normalen Bewegungsrichtung der Brennkraftmaschine bewegt, wobei die Luft im dritten Zylinder komprimiert wird. Bei Erreichen eines optimalen Zeitpunktes im Bereich des oberen Totpunktes wird bei einem folgenden Programmpunkt 150 Kraftstoff in den dritten Zylinder eingespritzt und das Kraftstoffgasge- misch gezündet. Auf diese Weise ist es möglich, dass auch der dritte Zylinder direkt nach dem ersten Zylinder einen vollen Arbeitstakt ausführen kann. Mit diesen beiden Arbeitstakten ist es möglich, den Motor zu starten, ohne dass ein Starten der Brennkraftmaschine mithilfe eines Starters erforderlich ist. Der Antrieb 8 kann im Vergleich zu einem Starter deutlich schwächer ausgeführt sein, da der Antrieb einen Kolben eines Zylinders nur in Richtung auf den oberen Totpunkt zurückdrehen muss, ohne mit dem Kolben über den oberen Totpunkt hinaus Luft verdichten zu müssen. Auf diese Weise ist nicht eine Kompression über den oberen Totpunkt erforderlich und es ist nicht notwendig, dass eine minimale Motordrehzahl erreicht und mehrere Zündversuche durchgeführt werden müssen. Damit ist der Antrieb 8 deutlich leichter und kostengünstiger im Vergleich zu einem normalen Startergenerator auszubilden.

Die erste Position Pl befindet sich beispielsweise 1° bis 10° Kurbelwellenwinkel vor dem öffnen des Auslassventils. Die zweite Position P2 befindet sich beispielsweise 1° bis 10° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt für die Zündung.

Figur 5 zeigt eine weiteren Ausführung eines Programmablaufs zur Durchführung eines Verfahrens zum Starten einer Brennkraftmaschine. Dabei befindet sich die Brennkraftmaschine bei

einem Programmpunkt 200 im Normalbetrieb, d. h. es wird Kraftstoff in die Zylinder eingespritzt und gezündet. Bei einem folgenden Programmpunkt 210 erhält das Steuergerät 7 die Information, dass die Brennkraftmaschine 1 abgeschaltet wer- den soll. Das Steuergerät 7, das die Positionen der einzelnen Kolben der Zylinder erfasst, wählt sich einen passenden Kolben aus. Dazu verwendet das Steuergerät 7 die Information eines Kurbelwellensensors und die Information eines Nockenwellensensors für die entsprechenden Kolben. Dies wird bei Pro- grammpunkt 220 durchgeführt. Bei einem folgenden Programmpunkt 230 bremst das Steuergerät 7 beispielsweise mithilfe des Antriebs 8 den ausgewählten Kolben, in diesem Beispiel den ersten Kolben 9 des ersten Zylinders 2, in der Weise ab, dass der erste Kolben 9 nach dem oberen Totpunkt im Arbeits- takt, d. h. in der ersten Position Pl stehen bleibt. Vorzugsweise ist die erste Position Pl in der Weise gewählt, dass der erste Zylinder 2 eine möglichst große Luftfüllung hat, d. h. dass sich der erste Kolben 1 in einer Position befindet, bei der das Auslassventil des ersten Zylinders 2 gerade noch nicht geöffnet ist. Dabei wird der Arbeitstakt nicht mehr ausgeführt, d. h. es wird vorzugsweise kein Kraftstoff mehr eingespritzt und nicht gezündet.

In dieser Position verbleibt nun die Brennkraftmaschine bis eine Startanforderung erfolgt. Die Startanforderung erfolgt bei Programmpunkt 240. Anschließend wird bei Programmpunkt 250 der erste Kolben 9 von der ersten Position Pl entgegen der normalen Motorlaufrichtung in Richtung auf den oberen Totpunkt OT zurückbewegt. Dabei sind sowohl das Einlassven- til, als auch das Auslassventil des ersten Zylinders geschlossen. Vor Erreichen der zweiten Position P2, die den Endwert des zurückgedrehten Kolbens mit maximal komprimierter Luft darstellt, wird Kraftstoff eingespritzt. Durch den weiteren Kompressionshub wird eine Verwirbelung des Luft- Kraftstoffgemisches erreicht. Bei Erreichen der zweiten Position P2 wird das Luft-Kraftstoffgemisch gezündet. Die zweite Position P2 ist wie in dem oberen Beispiel nach dem oberen Totpunkt OT, da Energie zum überwinden des oberen Totpunktes

eingespart werden soll. Zudem soll der Motor in der Drehrichtung anlaufen. Der Kraftstoff wird beispielsweise 10° Kurbelwellenwinkel vor Erreichen der zweiten Position P2 eingespritzt .

Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann die zweite Position P2 so gewählt werden, dass das Einlassventil eines weiteren, in diesem Beispiel des dritten Zylinders geöffnet wird und der dritte Zylinder mit Frischluft versorgt wird. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann das Abbremsen der Brennkraftmaschine mithilfe eines Startergenerators zur Rückgewinnung einer Energie, beispielsweise zum Gewinnen einer elektrischen Leistung durchgeführt werden.

In einer weiteren Ausführungsform kann beim Starten der Kolben des ausgewählten Zylinders, der als erstes gezündet wird vom Antrieb 8 zuerst in der normalen Bewegungsrichtung weiter bewegt werden, bis Frischluft über den Auslasskanal 14 in den ausgewählten Zylinder strömt. Erst dann wird der Kolben des ausgewählten Zylinders entgegen der Motordrehrichtung in

Richtung auf den oberen Totpunkt zurückbewegt, wie oben erläutert. In der Regel sind alle Kolben mit der Kurbelwelle verbunden, sodass alle Kolben mitbewegt werden.

Zudem kann in einer weiteren Ausführungsform der Kolben des ausgewählten Zylinders beim Abbremsen so abgebremst werden, dass das Auslassventil des ausgewählten Zylinders bereits geöffnet ist. Weiterhin kann bei einer weiteren Ausführungsform das Steuergerät 7 einen Zylinder auswählen, dessen Auslass- ventil kurz nach dem Arbeitshub gerade geöffnet ist.

In einer weiteren Ausführungsform kann zum Abbremsen des Motors eine Wirbelstrombremse 20 verwendet werden, um elektrische Energie zu gewinnen, die in eine Batterie eingespeist wird.