DE102004043528B4

DE102004043528B4 - Verfahren zum Optimieren eines internen Direktstarts einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis

Info

Publication number: DE102004043528B4
Application number: DE102004043528A
Authority: DE
Inventors: Frédéric Dr. Galtier; Hong Dr. Zhang
Original assignee: Continental Automotive GmbH; Continental Automotive France SAS
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2004-09-08
Filing date: 2004-09-08
Publication date: 2010-07-15
Anticipated expiration: 2024-09-09
Also published as: WO2006027316A1; DE102004043528A1

Abstract

Verfahren zum Optimieren eines internen Direktstarts einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis, bei dem das Verdichtungsverhältnis im Betrieb der Brennkraftmaschine überwacht wird und in jeder Abschaltphase der Brennkraftmaschine (1) in einem geschlossenen Regelkreis (2) so geregelt wird, dass der Kolben des beim Wiederstart als ersten zu zündenden Zylinders (3) in einer Stellung kurz hinter seinem oberen Totpunkt stehen bleibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren eines internen Direktstarts einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis.
Unter einem internen Direktstart, im englischen als „instantstart” oder „fast-start” bezeichnet, versteht man den Startvorgang einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung ohne Benutzung eines herkömmlichen elektrischen Anlassers. Nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine erfolgt der Wiederstart dadurch, dass in einen Zylinder eine bestimmte Kraftstoffmenge unter Druck eingespritzt wird, der Kraftstoff mit der im Zylinder befindlichen Luft ein zündfähiges Gemisch bildet, dieses Gemisch durch einen Zündvorgang (üblicherweise den Funken einer Zündkerze) zur Explosion gebracht und die Brennkraftmaschine durch das dabei entstehende Drehmoment in Gang gesetzt wird. Derartige Startverfahren sind bekannt und beispielsweise in der DE 197 41 294 A1 und DE 197 43 492 A1 beschrieben. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil einer Start-Stop-Strategie für die Brennkraftmaschine und kommen vor allem im Stadtbetrieb zum Einsatz (Stop and Go). Sie dienen der Kraftstoffersparnis und der Vermeidung bzw. Verminderung von Schadstoffemissionen.
Weiterhin ist aus der DE 102 55 149 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Direktstartvorrichtung bekannt. Die Brennkraftmaschine wird am Ende eines vorangehenden Betriebes kontrolliert abgestellt. Dazu wird bei Erkenne einer Abstellanforderung der Brennkraftmaschine zunächst eine Initialisierungsphase, anschließend eine Ausdrehphase und zum Schluss eine Auspendelphase durchlaufen. In je der der drei Phasen wird die Brennkraftmaschine in einen von Sollwerten definierten Zustand überführt.
Eine der Schwierigkeiten derartiger Startverfahren besteht darin, dass die Brennkraftmaschine beim Abschalten häufig nicht in einer Stellung stehen bleibt, die für einen Wiederstart günstig ist. Eine andere Schwierigkeit besteht darin, dass die Kompressionsarbeit der Brennkraftmaschine beim Wiederstart möglichst klein sein sollte. Dies steht jedoch im Widerspruch zu dem Erfordernis hoher Verdichtungsverhältnisse zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine.
Brennkraftmaschinen mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis sind seit längerer Zeit bekannt, z. B. aus US 4,469,055 , WO 86/01562 und WO 96/27079 . Änderungen des Verdichtungsverhältnisses, bei dem es sich um das Verhältnis zwischen den Volumina des Brennraumes im oberen und unteren Totpunkt des betreffenden Kolbens handelt, lassen sich z. B. durch Änderungen des Kolbenhubes erzielen. Es sind Brennkraftmaschinen mit diskreter oder kontinuierlicher Einstellung des Verdichtungsverhältnisses bekannt.
Zudem ist aus der DE 102 58 872 A1 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Betrieb eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis bekannt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Starten des Verbrennungsmotors mit einem Verdichtungsverhältnis erfolgt, das gegenüber Verdichtungsverhältnissen im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors verringert ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Optimieren eines internen Direktstarts einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis anzugeben, bei dem die Änderbarkeit des Verdichtungsverhältnisses zum Verbessern der Voraussetzungen für den internen Direktstart ausgenutzt werden.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in jeder Abschaltphase der Brennkraftmaschine das Verdichtungsverhältnis so beeinflusst, dass die Brennkraftmaschine in einem für den Wiederstart optimalen Drehwinkelbereich stehen bleibt.
Das Verdichtungsverhältnis kann hierbei je nach der Drehwinkellage der Brennkraftmaschine während des Auslaufs erhöht oder verringert werden. Zweckmäßigerweise erfolgt die Beeinflussung des Verdichtungsverhältnisses so, dass der Kolben des beim Wiederstart als ersten zu zündenden Zylinders in einer Position kurz hinter seinem oberen Totpunkt stehen bleibt.
Grundsätzlich ist eine Beeinflussung des Verdichtungsverhältnisses in der Abschaltphase durch eine vorgegebene Steuerung des Verdichtungsverhältnisses möglich. Vorzugsweise ist je doch vorgesehen, dass das Verdichtungsverhältnis in jeder Abschaltphase in einem geschlossenen Regelkreis geregelt wird, bei dem eine optimale Drehwinkelstellung der Brennkraftmaschine als Führungsgröße und die Ist-Drehwinkelstellung als Rückführgröße dienen können. Im einfachsten Fall ist die Regelung eine PID Regelung, wenngleich natürlich auch andere Regelungen möglich sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung, der unabhängig von dem ersten Aspekt oder auch gemeinsam mit dem ersten Aspekt verwendet werden kann, ist vorgesehen, dass das Verdichtungs-Verhältnis in jeder Startphase auf einen optimalen, vorzugsweise seinen kleinsten Wert eingestellt wird.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die von der Brennkraftmaschine während des internen Direktstarts zu leistende Kompressionsarbeit und damit das aufzubringende Drehmoment minimal sind. Nach erfolgreichem Start kann dann das Verdichtungsverhältnis auf einen für den weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlichen Wert umgestellt werden.
Anhand der Zeichnung werden weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Anordnung einer Brennkraftmaschine und eines elektronischen Betriebssteuergerätes, und
2 eine Regelanordnung zum Regeln des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine in der Abschaltphase.
1 zeigt in sehr schematischer Weise eine Brennkraftmaschine 1 mit einem zugeordneten elektronischen Betriebssteuergerät 2. Die Brennkraftmaschine 1 ist als fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung ausgebildet, die mit sogenannten internen Direktstarts (also oh ne mechanischen Anlasser) gestartet werden kann, wie in der Beschreibungseinleitung erläutert wurde.
Die Brennkraftmaschine 1 ist ferner so ausgebildet, dass ihr Verdichtungsverhältnis (kontinuierlich oder diskret) geändert werden kann. Zu diesem Zweck sind den Zylindern 3 der Brennkraftmaschine Stelleinrichtungen 4 zugeordnet, durch die sich beispielsweise der Kolbenhub ändern lässt. Da derartige Stelleinrichtungen zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses bekannt sind, wird hierauf nicht näher eingegangen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Optimieren der internen Direktstarts wird das Verdichtungsverhältnis von dem elektronischen Betriebssteuergerät 2 laufend überwacht und gesteuert/geregelt, wozu das Betriebssteuergerät 2 mit den Stelleinrichtungen 4 durch eine Signalleitung 5 verbunden ist. Das Betriebssteuergerät 2 ermittelt ferner laufend die Drehwinkelstellung der Brennkraftmaschine. Hierzu ist der Brennkraftmaschine z. B. in üblicher Weise ein Kurbelwellensensor 6 (und ggf. Nockenwellensensor) zugeordnet, der entsprechende Drehwinkelinformationen über eine Signalleitung 7 an das Betriebssteuergerät 2 abgibt.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine 1 in jeder Abschaltphase so beeinflusst, dass die Brennkraftmaschine in einem für den Wiederstart optimalen Drehwinkelbereich stehen bleibt. Während es rein theoretisch eine einzige optimale Drehwinkelstellung gibt, genügt es jedoch für praktische Zwecke, wenn die Brennkraftmaschine in einem (kleinen) Drehwinkelbereich stehen bleibt. Es handelt sich hierbei um einen Drehwinkelbereich, der kurz hinter dem oberen Totpunkt desjenigen Kolbens liegt, dessen Zylinder beim Wiederstart als erster gezündet wird.
Wenngleich es unterschiedliche Möglichkeiten gibt, das Verdichtungsverhältnis im erfindungsgemäßen Sinne zu beeinflus sen, ist jedoch eine bevorzugte Möglichkeit eine Regelung in Form eines geschlossenen Regelkreises, wie er in 2 in schematischer Weise dargestellt ist. Der im Betriebssteuergerät 2 integrierte Regelkreis umfasst einen Sollwertsteller 8 zum Vorgeben einer optimalen Drehwinkelstellung als Führungsgröße und eine Messeinrichtung 9 zum Bereitstellen der Ist-Drehwinkelstellung als Rückführgröße. Anhand der hieraus gebildeten Regelabweichung wird im eigentlichen Regler 10 eine Stellgröße ermittelt, die über die Signalleitung 5 den Stelleinrichtungen 4 zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses zugeführt wird. Bei dem Regler 10 handelt es sich im einfachsten Fall um einen PID-Regler, wenngleich auch andere Regler verwendet werden können.
Durch diese Regelung wird erreicht, dass die Brennkraftmaschine in der vorgegebenen Drehwinkelstellung bzw. zumindest in dem vorgegebenen Drehwinkelbereich stehen bleibt. Der Kolben, dessen Zylinder beim Wiederstart als erster gezündet wird, hat daher eine für seinen Arbeitshub optimale Stellung, wodurch der interne Start entsprechend erleichtert wird.
Entsprechend dem zweiten Aspekt der Erfindung wird in jeder Startphase das Verdichtungsverhältnis auf einen optimalen Wert, vorzugsweise seinen kleinsten Wert eingestellt. Hierzu ist lediglich erforderlich, dass das Betriebssteuergerät 2 über die Signalleitung 5 die Einstelleinrichtungen 4 vor jedem internen Direktstart so verstellt, dass das Verdichtungsverhältnis seinen optimalen bzw. kleinsten Wert annimmt.
Dadurch wird die von der Brennkraftmaschine beim Start zu leistende Kompressionsarbeit entsprechend gering, wodurch der anschließende interne Direktstart der Brennkraftmaschine ebenfalls erheblich erleichtert wird.
Wenn das Betriebssteuergerät 2 einen erfolgreichen internen Direktstart der Brennkraftmaschine erkannt hat, stellt es das Verdichtungsverhältnis auf einen Wert ein, der für den folgenden Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlich ist.
Jeder der beiden Aspekte der Erfindung ermöglicht eine erhebliche Erleichterung und damit Optimierung des internen Direktstartvorganges. Vorzugsweise werden beide Möglichkeiten gemeinsam ergriffen, wenngleich auch jede der beiden Maßnahmen für sich allein eingesetzt werden kann.

Claims

Verfahren zum Optimieren eines internen Direktstarts einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis, bei dem das Verdichtungsverhältnis im Betrieb der Brennkraftmaschine überwacht wird und in jeder Abschaltphase der Brennkraftmaschine (1) in einem geschlossenen Regelkreis (2) so geregelt wird, dass der Kolben des beim Wiederstart als ersten zu zündenden Zylinders (3) in einer Stellung kurz hinter seinem oberen Totpunkt stehen bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des Verdichtungsverhältnisses in jeder Abschaltphase eine PID-Regelung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regelung eine optimale Drehwinkelstellung der Brennkraftmaschine (1) als Führungsgröße und die Ist-Drehwinkelstellung als Rückführgröße dienen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis im Betrieb der Brennkraftmaschine (1) überwacht und während der Startphase auf einen optimalen Wert eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als optimaler Wert des Verdichtungsverhältnisses sein kleinster Wert dient.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erkennen eines erfolgreichen Starts der Brennkraftmaschine (1) das Verdichtungsverhältnis auf einen für den weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlichen Wert umgestellt wird.