AT516215A1 - Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine (1 ), die eine Vielzahl von KolbenZylinder- Einheiten (2) aufweist, wobei stromaufwärts der Kolben-Zylinder-Einheiten (2) Totvolumina (3) vorliegen, wobei bei einem Startversuch der Brennkraftmaschine (1) die Kolben in den Zylindern durch einen Hilfsmotor (5) angetrieben werden, wobei die maximal zulässige Dauer eines Startversuches durch eine vorgegebene Startzeit (ts) der Brennkraftmaschine (1) beschränkt ist, wobei die Startzeit (ts) vor oder zu Beginn eines Startversuches der Brennkraftmaschine (1) in Abhängigkeit eines Zustandes der Brennkraftmaschine (1) und/oder des Hilfsmotors (5) berechnet und vorgegeben wird.

Description

Die Erfindung betriff ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine mit denMerkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Das Starten von Brennkraftmaschinen, insbesondere von stationärenBrennkraftmaschinen, stellt eine große Belastung für die beteiligten Bauteile dar.Beim Starten einer Brennkraftmaschine spurt meist ein von einem Hilfsmotorangetriebenes Zahnrad, das Starterritzel, in einen mit der Kurbelwelle derBrennkraftmaschine verbundenen Zahnkranz ein und beschleunigt dieBrennkraftmaschine bis zu einer Umdrehungsgeschwindigkeit derBrennkraftmaschine, bei der diese selbsttätig laufen kann. Die Beanspruchungbetrifft die mechanischen Komponenten und insbesondere den Hilfsmotor. Im Fallevon elektrischen Hilfsmotoren sind das die elektrischen Windungen und dieStarterbatterien.
Ein sicherheitsrelevanter Aspekt ist, dass während des Startvorganges brennfähigesGemisch in den Auslasstrakt gepumpt wird und so mit der Dauer des Startvorgangsdie Gefahr von Verpuffungen steigt.
Es ist daher aus oben genannten Gründen üblich, die maximal zulässige Dauer einesStartvorganges durch eine vorgegebene Zeit zu beschränken.
Nachteilig an Startverfahren nach dem Stand der Technik ist, dass erfolgloseStartversuche häufig sind, d.h. Startversuche, die nicht zu einem selbsttätigenLaufen der Brennkraftmaschine führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Startverfahren anzugeben, durchwelches die Erfolgswahrscheinlichkeit eines Startversuches gegenüber dem Standder Technik erhöht wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1.Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
Dadurch, dass die Startzeit vor oder zu Beginn eines Startversuches derBrennkraftmaschine in Abhängigkeit eines Zustandes der Brennkraftmaschineund/oder des Hilfsmotors berechnet und vorgegeben wird, wird also erreicht, dass die Erfolgswahrscheinlichkeit eines Startversuches deutlich erhöht wird. Mit Erfolgeines Startversuches ist gemeint, dass die Brennkraftmaschine durch denStartversuch selbsttätig zu laufen beginnt.
Damit werden die am Startvorgang beteiligten mechanischen und elektrischenKomponenten weniger beansprucht und erreichen eine höhere Lebensdauer als beiStartverfahren nach dem Stand der Technik, da im Stand der Technik erfolgloseStartversuche häufiger sind als mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Durch Berücksichtigung eines Zustandes der Brennkraftmaschine und/oder desHilfsmotors zur Festlegung der Startzeit wird also eine dem Zustand derBrennkraftmaschine und/oder des Hilfsmotors angepasste Startzeit festgelegt.
Die Startzeit entspricht jener Zeit, die benötigt wird, bis in allen Zylindern einzündfähiges Gemisch vorliegt. Eine zu lange Startzeit bedeutet erhöhtes Risiko fürVerpuffungen, da unverbranntes Gemisch in den Auslasstrakt entweicht. Eine zukurze Startzeit hätte zur Konsequenz, dass nicht alle Zylinder von zündfähigemGemisch erreicht werden. Die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens bestehen inder Reduktion des Verpuffungsrisikos, der erhöhten Erfolgswahrscheinlichkeit für denStartvorgang und in der reduzierten Belastung des Hilfsmotors und gegebenenfallsder Batterien, was deren Lebensdauer erhöht.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass wenn nach Ablauf der Startzeit die Drehzahlder Brennkraftmaschine die Startdrehzahl nicht erreicht oder überschritten hat, derStartversuch abgebrochen wird.
Die Startdrehzahl der Brennkraftmaschine ist jene Drehzahl, bei welcher dieBrennkraftmaschine frühestens selbsttätig zu laufen beginnt.
Es wird also überprüft, ob nach Erreichen der vorgegebenen Startzeit die Drehzahlder Brennkraftmaschine auch tatsächlich die Startdrehzahl erreicht hat. Wird in dembetrachteten Startversuch die Startdrehzahl nicht erreicht, so wird dieserStartversuch abgebrochen. Abbrechen des Startversuches bedeutet zumindest dasAusschalten des Hilfsmotors. Eine weitere sinnvolle Maßnahme beim Abbrechen desStartversuches ist das Schließen von Kraftstoffzuführeinrichtungen wie etwaGasventile, sodass nicht weiter Kraftstoff angesaugt und unverbrannt entlassen wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Startzeit in Abhängigkeit der Größe derTotvolumina vorgegeben wird. Unter Totvolumina versteht man jene Volumina, diezwischen den Brennräumen und einer stromaufwärts der Brennräume angeordnetenKraftstoffdosiereinrichtung oder Mischeinrichtung vorliegen. Während eines Startvorganges müssen die Totvolumina durch die Pumpwirkung derKolben-Zylinder-Einheiten der Brennkraftmaschine entleert werden, bis die Zylindermit brennfähigem Gemisch gefüllt sind. Bevor nicht die Mehrzahl der Kolben-Zylinder-Einheiten mit brennfähigem Gemisch gefüllt ist, kann ein Startvorgang nichterfolgreich sein. Somit ist die Berücksichtigung der Größe der Totvolumina in derBemessung der Startzeit ein Beitrag zur Erhöhung der Erfolgswahrscheinlichkeiteines Startversuches.
Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Startzeit - in Abhängigkeit einer Drehzahl des Hilfsmotors und / oder - in Abhängigkeit der Zylinderanzahl der Brennkraftmaschine und / oder - in Abhängigkeit des Hubraums der Kolben-Zylinder-Einheiten und / oder - in Abhängigkeit des Liefergrads der der Brennkraftmaschinevorgegeben wird.
Die Erfindung wird im Folgenden durch die Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mitHilfsmotor,
Fig. 2 ein schematisches Diagramm von Drehzahl über Zeit während einesStartvorganges,
Fig. 3 die graphische Darstellung der Berechnung der Startzeit.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Brennkraftmaschine 1, die eineVielzahl von Kolben-Zylinder-Einheiten 2 aufweist. Die Kolben-Zylinder-Einheiten 2der Brennkraftmaschine 1 werden über die Ansaugleitung 6 mit Kraftstoff-Luft-Gemisch versorgt. Die Einströmung von Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Ansaugleitung6 ist durch Pfeile symbolisiert. Die Kraftstoffzuführeinrichtung 7 misst Kraftstoff zu.
Es kann sich bei der Kraftstoffzuführeinrichtung 7 etwa um einen Gasmischer, einDosierventil oder eine andere gebräuchliche Zuführeinrichtung für Kraftstoff handeln.Ebenfalls gezeigt ist ein Hilfsmotor 5 (Startermotor), der über den Starterkranz 4 mitder Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. Der Hilfsmotor 5 kannelektrisch oder pneumatisch angetrieben sein. Im Falle von elektrischem Antrieb sindals Energiespeicher meist Starterbatterien vorgesehen, bei einem pneumatischenStartermotor dient ein Druckluftspeicher als Energievorrat.
Beim Startvorgang spurt ein Ritzel des Hilfsmotors 5 in den Starterkranz 4 ein undbeschleunigt die Brennkraftmaschine 1 solange, bis diese selbsttätig zu laufenbeginnt. Während des Startvorganges fördern die Kolben-Zylinder-Einheiten 2 Gasbzw. Gemisch aus der Ansaugleitung 6.
Jene Abschnitte der Ansaugleitung 6, welche zwischen den Kolben-Zylinder-Einheiten 2 und der Kraftstoffzuführeinrichtung 7 liegen, werden in der vorliegendenAnmeldung als Totvolumina 3 bezeichnet. Bei einem Startvorgang müssen, nachZumessung von Kraftstoff durch die Kraftstoffzuführeinrichtung 7, die Totvolumina 3erst von Kraftstoff-Luft-Gemisch geflutet werden muss, bevor das Kraftstoff-Luft-Gemisch die Kolben-Zylinder-Einheiten 2 erreicht.
Die Totvolumina 3 zusammen mit dem Durchsatz pro Umdrehung derBrennkraftmaschine 1 bewirken eine Transportverzögerung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in die Kolben-Zylinder-Einheiten 2. Dies hat zur Konsequenz, dasswährend eines Startvorganges erst nach gewisser Zeit in den Kolben-Zylinder-Einheiten 2 brennfähiges Gemisch vorliegt. Diese Zeit ergibt sich aus dem Durchsatzder Kolben-Zylinder-Einheiten 2, der durch die Drehzahl des Hilfsmotors 5gegebenen Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 sowie aus der Größe derTotvolumina 3. Ein geeignetes Maß zur Beschreibung der Pumpwirkung (desDurchsatzes) der Kolben-Zylinder-Einheiten ist der Liefergrad (engl, volumetricefficiency), der angibt, wieviel Frischladung zur theoretisch maximal möglichenFüllung nach Abschluß eines Ladungswechsels im Zylinder zur Verfügung steht.
Je größer die Startdrehzahl, desto rascher werden die Totvolumina 3 ausgepumpt.
Je größer die Zylinderanzahl, desto rascher werden die Totvolumina 3 - beigegebener Startdrehzahl - ausgepumpt.
Ein größerer Hubraum der Kolben-Zylinder-Einheiten 2 bewirkt - bei gegebenerStartdrehzahl und gegebener Zylinderanzahl - ein rascheres Auspumpen derTotvolumina 3.
Figur 2 zeigt ein Diagramm von Drehzahl n der Brennkraftmaschine 1 auf der Y-Achse, aufgetragen gegen die Zeit t auf der X-Achse. Im Diagramm eingezeichnet istein typischer Drehzahlverlauf der Brennkraftmaschine 1 während einesStartvorganges. Man erkennt also, dass nach Beschleunigen derBrennkraftmaschine 1 durch den Hilfsmotor 5 auf die maximale Starterdrehzahl nmax(hier beispielsweise 180 Umdrehungen/min) der Startvorgang so lange durchgeführtwird, bis die Startdrehzahl ns der Brennkraftmaschine 1 erreicht ist.
Die maximale Starterdrehzahl nmax wird durch die Leistung des Hilfsmotors 5, denLadezustand von Starterbatterien (bei einem elektrischen Hilfsmotor), Öltemperaturund Reibungsverhältnissen bestimmt.
Die Startdrehzahl ns der Brennkraftmaschine 1 ist jene Drehzahl, bei welcher dieBrennkraftmaschine 1 frühestens selbsttätig zu laufen beginnt.
Beim Zeitpunkt t0 hat der Hilfsmotor 5 die Brennkraftmaschine 1 auf die maximaleStarterdrehzahl nmax beschleunigt. Die Startzeit ts gibt an, wie lange dieBrennkraftmaschine 1 auf nmax gehalten wird, bevor sie selbsttätig zu laufen beginnt,und die Startdrehzahl ns erreicht.
Die maximale Starterdrehzahl nmax ist jene Drehzahl der Brennkraftmaschine 1, aufder der Hilfsmotor 5 die Brennkraftmaschine 1 während des Startvorganges hält.Sobald die Brennkraftmaschine 1 durch Verbrennung in den Kolben-Zylinder-Einheiten 2 selbst Leistung erbringt, beschleunigt die Brennkraftmaschine 1 weiter.Erreicht die Brennkraftmaschine 1 durch die Verbrennung in den Kolben-Zylinder-Einheiten 2 die Startdrehzahl ns, spurt der Starter aus.
Figuren 3a und 3b zeigen eine graphische Darstellung der Berechnung der Startzeitts nach einem Ausführungsbeispiel.
Zur Begriffsklärung wird festgehalten, dass eine Brennkraftmaschine 1 derübergeordnete Begriff ist. Darunter fallen unterschiedliche Motoren-Baureihen, diesich etwa durch verschiedene Hubräume der Kolben-Zylinder-Einheiten 2 unterscheiden. Innerhalb der Motoren-Baureihen gibt es wiederum verschiedeneTypen, die sich durch die Anzahl von Kolben-Zylinder-Einheiten 2 unterscheiden.Eine Motoren-Baureihe kann also Motoren mit unterschiedlicher Anzahl an Zylindernumfassen, die Größe (das Volumen) der einzelnen Kolben-Zylinder-Einheiten 2innerhalb einer Motoren-Baureihe ist aber weitgehend gleich.
Es wird nun zuerst für eine Motoren-Baureihe, die Typen mit unterschiedlicherAnzahl an Zylindern umfassen kann, eine Referenz-Startzeit tref für einen Typen mitbestimmter Zylinderanzahl ermittelt.
Es wird im vorliegenden Beispiel die Referenz-Startzeit tref für einen Typen mit 20Zylindern ermittelt. Weiters wird eine Startzeit für ein Typen mit einerunterschiedlichen Zylinderzahl, beispielsweise 12 Zylindern ermittelt. Die Startzeit fürden Typen mit 12 Zylindern wird durch die Referenz-Startzeit tref dividiert. DasErgebnis dieser Division ist der Faktor zur Berücksichtigung der Zylinderanzahl,Factorcyi.
Dieser Zusammenhang ist in Figur 3a graphisch dargestellt. Im Graphen von Figur3a ist die Zylinderanzahl Nzyi über der Startzeit ts aufgetragen. Man sieht, dass derMotor mit 20 Zylindern eine kürzere Startzeit, ts_2o, aufweist als der Motor mit 12Zylindern, ts_i2-
Der Faktor Factorcyi gibt also den oben erläuterten Zusammenhang wieder, dass beigleicher Drehzahl die Totvolumina 3 bei einer größeren Zylinderanzahl rascherausgepumpt werden.
Im gezeigten Beispiel wurde für den Typen mit 12 Zylindern eine 1,27 mal so langeStartzeit ermittelt als für den Typen mit 20 Zylindern, d.h. der Factorcyi beträgt indiesem konkreten Beispiel 1,27. Der Faktor Factorcyi kann natürlich für andereMotoren-Baureihen einen anderen Betrag annehmen.
In weiterer Folge wird der Einfluss der Startdrehzahl über einen zweiten Faktorberücksichtigt. Dies ist graphisch in Figur 3b dargestellt.
Zur Ermittlung des Faktors zur Berücksichtigung der Startdrehzahl werden zweiStartvorgänge bei unterschiedlicher Startdrehzahl am selben Motor durchgeführt. Beihöherer Startdrehzahl wird eine kürzere Startzeit erreicht.
In Figur 3b ist die maximale Starterdrehzahl nmax über der Startzeit ts aufgetragen.
Man erkennt, dass bei einer höheren Starterdrehzahl ni eine kürzere Startzeit, ts_ni,erzielt wird, als für die niedrigere Starterdrehzahl n2, bei welcher die Startzeit ts_nibeträgt.
Das Verhältnis der Startzeit für niedrigere Startdrehzahl durch Startzeit für höhereStartdrehzahl ergibt den Faktor zur Berücksichtigung der Startdrehzahl, Factornmax.Dies gibt den oben erläuterten Zusammenhang wieder, dass bei höhererUmdrehungszahl die Totvolumina 3 rascher ausgepumpt werden.
Die maximal zulässig erforderliche Startzeit tmax für eine ausgewählteBrennkraftmaschine 1 wird nun mit folgender Formel berechnet: tmax = tref · FactorCyi · Factornmax
Ist einmal der Zusammenhang zwischen Zylinderanzahl bzw. maximalerStarterdrehzahl durch eine Referenzmessung bekannt, kann mit den FaktorenFactorcyi und Factornmax innerhalb einer Motorenbaureihe auf beliebigeZylinderanzahlen und Startdrehzahlen gerechnet werden.
Gemäß einer Variante kann die Startzeit über folgende Formel berechnet werden.
Der Volumenstrom von der Ansaugleitung 6 zu den Kolben-Zylinder-Einheiten 2 wirdmit V’zyi bezeichnet und trägt als Einheit m3/s. Der Volumenstrom V’Zyi ergibt sich alsProdukt von:
V’zyi =1/2*nmax*Nzy,*Vzy,^L mit nmax als maximale Starterdrehzahl, Nzyi der Zylinderanzahl, V^ als Hubraumeines Zylinders und λι_ als Verhältnis von realem und theoretischem Gasaustauscheines Zylinders (Liefergrad). Die Formel gibt also wieder, welchen Volumenstrom dieKolben-Zylinder-Einheiten 2 bei einer Umdrehungszahl von nmax aus derAnsaugleitung fördern. Es sind dies für einen Motortypen bekannte Größen.
Der Liefergrad λι_ (engl, volumetric efficiency) gibt an, wieviel Frischladung zurtheoretisch maximal möglichen Füllung nach Abschluß eines Ladungswechsels im
Zylinder zur Verfügung steht. Es versteht sich, dass ein größerer Hubraum einegrößere Pumpwirkung und damit einen größeren Volumenstrom V’Zyi bewirkt.
Die Startzeit ts kann nun wie folgt berechnet werden: ts = Vintake I V zyl mit Vjntake dem Rauminhalt der Totvolumina 3 in m3.
Liste der verwendeten Bezugszeichen: 1 Brennkraftmaschine 2 Kolben-Zylinder-Einheiten 3 Totvolumina 4 Starterkranz 5 Hilfsmotor 6 Ansaugleitung 7 Kraftstoffzuführeinrichtung
Factornmax Faktor zur Berücksichtigung der Startdrehzahl
Factorcyi Faktor zur Berücksichtigung der Zylinderanzahl tmax maximal zulässige erforderliche Startzeit ts Startzeit nmax Maximale Starterdrehzahl ns Startdrehzahl
Nzyi Zylinderanzahl
Vimake Rauminhalt der Totvolumina 3 in m3 λι_ Verhältnis von realem und theoretischem Gasaustausch eines
Zylinders (Liefergrad)
Innsbruck, am 2. September 2014

Claims (7)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine (1), - die eine Vielzahl von Kolben-Zylinder-Einheiten (2) aufweist, wobeistromaufwärts der Kolben-Zylinder-Einheiten (2) Totvolumina (3) vorliegen, - wobei bei einem Startversuch der Brennkraftmaschine (1) die Kolben inden Zylindern durch einen Hilfsmotor (5) angetrieben werden, - wobei die maximal zulässige Dauer eines Startversuches durch einevorgegebene Startzeit (ts) der Brennkraftmaschine (1) beschränkt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Startzeit (ts) vor oder zu Beginn einesStartversuches der Brennkraftmaschine (1) in Abhängigkeit eines Zustandesder Brennkraftmaschine (1) und/oder des Hilfsmotors (5) berechnet undvorgegeben wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenn nach Ablaufder Startzeit (ts) die Drehzahl (n) der Brennkraftmaschine (1) die Startdrehzahl(ns) nicht erreicht oder überschritten hat, der Startversuch abgebrochen wird.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dassdie Startzeit (ts) in Abhängigkeit der Größe der Totvolumina (3) vorgegebenwird.
  4. 4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Startzeit (ts) in Abhängigkeit einer Drehzahl desHilfsmotors (5) vorgegeben wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Startzeit (ts) in Abhängigkeit der Zylinderanzahl(NZyi) der Brennkraftmaschine (1) vorgegeben wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Startzeit (ts) in Abhängigkeit des Hubraums (Vzyi) der Kolben-Zylinder-Einheiten (2) der Brennkraftmaschine (1) vorgegebenwird.
  7. 7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Startzeit (ts) in Abhängigkeit des Liefergrads (λΟ derder Brennkraftmaschine (1) vorgegeben wird.
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