DE102006012384A1 - Startverfahren für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Startverfahren für ein Hybridfahrzeug mit einem fremdgezündeten Verbrennungsmotor (VM) mit Direkteinspritzung, welches für seinen Antrieb weiterhin einen Elektromotor (EM) aufweist, der fest oder koppelbar mit dem Abtrieb des Verbrennungsmotors (VM) verbunden ist. Der Verbrennungsmotor (VM) wird aus dem Stillstand heraus ohne mechanische Anregung gestartet, indem mit dem Elektromotor (EM) zum Antrieb des Hybridfahrzeuges wenigstens ein Zylinder (Z) in eine geeignete Startposition zwischen 30° und 150°, vorzugsweise zwischen 70° und 90°, Kurbelwinkel nach seinem oberen Totpunkt nach der Kompressionsphase gebracht wird. In diesen/diese Zylinder (Z) wird eine Menge Kraftstoff eingespritzt und nach Einspritzung erfolgt eine Zündung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Startverfahren für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Die Entwicklung von Fahrzeugen hin zu geringerem Verbrauch und niedrigsten Abgaswerten zeigt derzeit eine Tendenz, zusätzlich zum Verbrennungsmotor einen oder mehrere Elektromotoren in den Antriebsstrang einzubinden. Fahrzeuge mit Verbrennungs- und Elektromotor werden als Hybridfahrzeuge bezeichnet. Vorteilhaft bei Hybridfahrzeugen ist die Möglichkeit, Bremsenergie zurückzuspeisen und aufgrund des Elektromotors unabhängig vom Verbrennungsmotor Energie in den Antriebsstrang einspeisen zu können. Insbesondere im Stadtverkehr mit häufigen Anfahr- und Bremsvorgängen sind Hybridfahrzeuge effizient einsetzbar. In dem genannten Einsatzbereich kommt es verkehrsbedingt wiederholt zu Standzeiten des Fahrzeuges, in welchem zur weiteren Verbrauchsreduzierung der Verbrennungsmotor abgeschalten werden kann (sog. Start-Stop-Betrieb). Hybridfahrzeuge haben daher eine hohe Rate an Startvorgängen. Der Start des Verbrennungsmotors soll dabei weitgehend komfortabel und unmerkbar für den Fahrer erfolgen.
  • Vorbekannt sind Verfahren zum sogenannten Direktstart von Verbrennungsmotoren, d. h. dass ohne die Nutzung eines mit gespeicherter Energie betriebenen Anlassers der Motor direkt durch Einspritzung und Zündung gestartet wird. Dies erfolgt, indem in einem günstig nach seinem oberen Totpunkt nach der Kompressionsphase stehenden Zylinder eine Einspritzung bei stehendem Motor erfolgt, wobei das so im Zylinder gebildete Gemisch anschließend gezündet wird. Dazu wird vorzugsweise beim Auslaufvorgang des Motors die Stellung der Kurbelwelle ausgewertet und ein für den Direktstart günstig positionierter, ca. 90° nach OT stehender Zylinder ermittelt.
  • Ein solches Direktstartverfahren ist in der DE 103 35 401 A1 beschrieben.
  • Für den Direktstart ist es aus der DE 101 11 928 A1 vorbekannt, die Stellung eines Kolbens in einer für den Direktstart günstigen Position zu ermitteln. Es können hierfür absolute Winkelmarkengeber an der Kurbelwelle genutzt werden oder, wie in der DE 10 2004 001 716 A1 beschrieben, durch eine kombinierte Auswertung von wenigstens zwei Sensoren, die jeweils zum Ermitteln der relativen Stellung der Kurbelwelle und der Nockenwelle diesen zugeordnet sind, die Lage der Kurbelwelle ermittelt werden. Dies erfordert absolut messende Winkelmarkengeber oder die Auswertung mehrerer einzelner Sensoren. Üblicherweise verbreitet sind 60-2 codierte Geberräder, bei denen erst nach Durchlauf einer codierten Stelle des Geberrades, im schlechtesten Fall nach einer Umdrehung der Kurbelwelle, eine sichere Erkennung der Kurbelwellenlage möglich ist.
  • Aus der DE 198 17 497 A1 ist ein Startverfahren für einen Motor mit einem Kurbelwellenstarter beschrieben. Der Kurbelwellenstarter beschleunigt dabei die Kurbelwelle auf Startdrehzahl und der Startvorgang wird bei einer zum Start der Brennkraftmaschine günstigen Kurbelwellenstellung eingeleitet. Ein Start, ohne die Kurbelwelle in eine Startdrehzahl zu bringen, ist hierbei nicht vorgesehen. Weiterhin vorbekannt ist aus der DE 199 60 984 A1 ein Verfahren zum Einstellen einer gewünschten Auslaufposition des Kolbens wenigstens eines Zylinders, um eine günstige Startstellung für den Direktstart des Motors zu erzeugen. Die Auslaufsteuerung erfolgt über eine gezielte Ansteuerung der Gaswechselventile. Für die im Stand der Technik beschriebenen Auslaufsteuerungen sind jeweils aufwändige Steuerverfahren notwendig. Weiterhin kann eine Drift der Abstellposition über die Zeit bis zum Wiederanlassen nicht vermieden werden.
  • Weiterhin vorbekannt ist aus der DE 197 41 294 A1 , die Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors mittels eines Elektromotors in eine geeignete Startposition zu bewegen und aus der Bewegung heraus bei weiterer Einwirkung des Elektromotors einen sogenannten „internen Direktstart" der Brennkraftmaschine durch Einspritzung und Zündung zu erzeugen, wobei in der Startphase der Elektromotor ein Drehmoment auf die Kurbelwelle ausübt. Ein Direktstart aus dem Stillstand des Fahrzeugmotors erfolgt nicht. Zum Start wird weiterhin Fremdenergie zum mechanischen Beschleunigen der Kurbelwelle während der Startphase benötigt. Vorbekannt ist aus der DE 103 60 789 ein Startverfahren, bei dem mittels Hilfsenergie und eines elektrischen oder hydraulischen Zusatzaggregates die Kurbelwelle in eine günstige Startposition gebracht wird und während einer Korrekturphase ein Nachstellen der Kurbelwelle derart erfolgt, dass in dem zum Start vorgesehenen Zylinder thermophysikalische Ausgleichsvorgänge während der Standzeit kompensiert werden.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Hybridfahrzeug, welches über einen Verbrennungsmotor sowie über einen elektrischen Motor zum Antrieb des Fahrzeuges verfügt, einen energieoptimalen, komfortablen Startvorgang für den Verbrennungsmotor zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Gestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung sowie aus den Unteransprüchen.
  • In vorteilhafter Weise wird die Kurbelwelle durch die zum Fahrantrieb bzw. durch den zum Rückspeisen von Bremsenergie vorgesehenen Elektromotor des Hybridfahrzeuges in eine definierte, günstige Startlage für den Direktstart gebracht, wobei durch die Nutzung des zum Antrieb des Hybridfahrzeuges vorgesehenen Elektromotors kein zusätzliches Startaggregat benötigt wird. Die Kurbelwelle kann auch mit einfacher Sensorik in eine detektierbare Startstellung verbracht werden und dort genau positioniert werden. Ein Direktstart des Verbrennungsmotors kann in einer ersten Betriebsart damit aus dem Stillstand durch Einspritzung und Zündung erfolgen, ohne dass ein mechanischer Antrieb des Verbrennungsmotors notwendig ist. Hierdurch ergibt sich ein energieoptimaler Start der Verbrennungskraftmaschine. Der Direktstart selbst erfolgt damit schnell und durch die direkte Zündung ohne drehenden Anlasser geräuscharm. Insbesondere für Hybridfahrzeuge mit einer Vielzahl von Start-Stop-Zyklen ist der Direktstart als Startmethode zu bevorzugen. Ein Großteil der Starts erfolgt bei betriebswarmem Motor, so dass günstigste Bedingungen für den Direktstart vorliegen.
  • Für Hybridfahrzeuge kann der Start des Verbrennungsmotors in einer weiteren Betriebsart konventionell über den für den Antrieb des Fahrzeuges vorgesehenen elektrischen Antriebsmotor erfolgen, so dass für das Hybridfahrzeug kein zusätzliches Startaggregat vorgesehen werden muss. Die Auswahl der Startmethode kann in Abhängigkeit von Motor- bzw. Umweltparametern erfolgen. Beispielhaft kann ein Direktstart in Abhängigkeit von der Motortemperatur und/oder Lufttemperatur und/oder Öltemperatur und/oder Kühlwassertemperatur und/oder der Standzeit seit Abstellen erfolgen. Sind aufgrund der ausgewerteten Parameter für den Direktstart ungünstige Umgebungsbedingungen, z.B. Kaltstart oder lange Standzeit des Motors, so erfolgt der Start der Brennkraftmaschine mittels des Antriebsmotors des Hybridfahrzeuges.
  • Erfindungsgemäß vorteilhaft erfolgt ein Positionieren der Kurbelwelle und damit wenigstens eines Kolbens direkt nach Auslaufen des Verbrennungsmotors, um für einen eventuellen in kurzem Abstand nachfolgenden Start bereits die Startbedingungen zum Direktstart des Verbrennungsmotors einzustellen. In Abhängigkeit von der Standzeit nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors kann vor einem Wiederstart der Brennkraftmaschine eine Korrektur der Lagepositionierung erfolgen.
  • Erfindungsgemäß vorteilhaft kann ein Start des Verbrennungsmotors VM mittels des zum Antrieb des Hybridfahrzeuges vorgesehenen Elektromotors EM erfolgen. Dies erfolgt insbesondere, wenn nach dem Direktstart keine für den sicheren Hochlauf des Verbrennungsmotors VM ausreichende Drehung der Kurbelwelle KW durch einen dieser zugeordneten Lagesensor detektierbar ist. Das Drehzahlsignal der Kurbelwelle wird hierfür mit einem vorgebbaren Schwellwert verglichen und bei dessen Unterschreiten wird der Start mittels des Elektromotors ausgelöst.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Ein Hybridfahrzeug weist zu seinem Antrieb einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor auf, welche unabhängig voneinander getrennt oder gemeinsam zum Antrieb des Fahrzeuges genutzt werden können. Das Hybridfahrzeug kann dabei als paralleler oder serieller Hybrid ausgestaltet sein. Der Elektromotor, der zum Antrieb des Hybridfahrzeuges genutzt wird, ist mit der Kurbelwelle des Elektromotors verbunden oder koppelbar mit dieser ausgeführt und in der Lage, die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in ihrer Lage zu verstellen. Der Verbrennungsmotor wird mit Fremdzündung betrieben und weist eine Einrichtung zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder auf und ist mit einem Steuergerät zum Steuern der Zündung und Einspritzungen sowie zum Erfassen der Betriebsparameter des Verbrennungsmotors, exemplarisch der Drehzahl und Lageposition der Kurbelwelle über einen der Kurbelwelle zugeordneten Sensor verbunden. Der Startvorgang des Verbrennungsmotors kann in mehreren Betriebsarten erfolgen. Bei Kaltstart, also einem Start nach einer längeren Standzeit des Motors bzw. bei niedriger Motortemperatur, erfolgt der Start konventionell durch den zum Antrieb des Hybridfahrzeuges genutzten Elektromotor. Die Nutzung des Fahrantriebs zum Anlassen des Fahrzeuges erspart die Verwendung eines weiteren Anlassermotors. Weiterhin ist der Verbrennungsmotor mit einem Direktstart ohne zusätzlichen externen Antrieb der Verbrennungsmaschine aus dem Stillstand startbar. Dies erfolgt derart, dass wenigstens ein in einer für den Startvorgang günstigen Stellung stehender Zylinder durch die Einspritzung von Kraftstoff in diesen Zylinder und nachfolgende Zündung gestartet wird. Die für den Startvorgang günstige Stellung des Zylinders ist dabei durch die zum Antrieb des Hybridfahrzeuges genutzte Elektromaschine herstellbar. Nach der Zündung des ersten Zylinders erfolgt die Einspritzung und Zündung entsprechend den im Startvorgang nachfolgenden Zylindern, welche sich im Arbeitstakt in einer Stellung nach dem oberen Totpunkt des jeweiligen Zylinders befinden. Durch einen die Stellung bzw. Drehzahl der Kurbelwelle aufnehmenden Sensor wird die Stellung der Kurbelwelle bestimmt. Für den Fall, dass nach dem Direktstart wenigstens eines Zylinders keine Drehung der Kurbelwelle durch den Sensor detektiert werden kann, so erfolgt ein Start mit externer Hilfsenergie durch die zum Antrieb des Hybridfahrzeuges verwendete Elektromaschine.
  • Anhand eines stark schematisierten Ausführungsbeispiels wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert. Ein Hybridfahrzeug – nicht dargestellt – weist zu seinem Antrieb einen Verbrennungsmotor VM und einen Elektromotor EM auf. Wie hier ausgeführt, befinden sich beide auf einer Kurbelwelle KW und bilden einen sog. Parallelhybrid. Der Elektromotor EM und der Verbrennungsmotor VM dienen zum Antrieb des Fahrzeuges. Der Verbrennungsmotor VM weist Zylinder Z auf, welche auf die Kurbelwelle KW wirken. Gemäß der Stellung der Kurbelwelle KW weisen die Kolben in den Zylindern Z unterschiedliche Stellungen auf. Auf der Kurbelwelle KW befindet sich ein Kurbelwellengeberrad KWG, welches mit einem Sensor S zusammenwirkt, der über Markierungen G auf dem Kurbelwellengeberrad KWG die aktuelle Position der Kurbelwelle KW detektiert. Diese Position liegt als Signal S1 einem Steuergerät SG an. Der Verbrennungsmotor VM weist weiterhin Einheiten zur Zündung ZÜ und Einspritzung E auf, welche direkt in den Brennraum münden. Die Einheiten zur Einspritzung E spritzen den Kraftstoff direkt in den Brennraum ein. Mit der beschriebenen Konfiguration sind zwei verschiedene Startarten möglich. In einer Startbetriebsart kann der Verbrennungsmotor VM mit Hilfe des Elektromotors EM gestartet werden und in einer weiteren Startbetriebsart ist der Verbrennungsmotor VM durch Einspritzung und Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder Z ohne Fremdenergie zum Antrieb der Kurbelwelle KW startbar (sog. Direktstart). Hierfür wird die Kurbelwelle KW mit Hilfe des Elektromotors EM in eine Position gebracht, in welcher wenigstens ein Zylinder Z in einer Position zwischen 10° und 150°, bevorzugt 30° bis 100°, nach seinem oberen Totpunkt nach der Kompressionsphase steht. In einer besonders bevorzugten Ausführung wird eine Position um die Mittellage zwischen 80° und 100° nach dem oberen Totpunkt nach der Kompressionsphase eingestellt. Anschließend wird Kraftstoff in den Zylinder Z eingespritzt und das so entstehende Kraftstoff-Luft-Gemisch wird gezündet. Aufgrund der Expansion der verbrennenden Ladung im Zylinder Z wird die Kurbelwelle KW über Kolben und Pleuel in Drehung versetzt und der nachfolgende Zylinder Z, welcher sich in einer Position nach dem oberen Totpunkt nach der Verdichtungsphase befindet, kann gezündet werden. Mittels des Sensors S wird die Drehzahl der Kurbelwelle KW überwacht. Wird nach erfolgtem Direktstart keine Drehung der Kurbelwelle KW festgestellt, kann ein Start über den Elektromotor EM erfolgen.
    • VM
    Verbrennungsmotor
    EM
    Elektromotor
    KW
    Kurbelwelle
    ZÜ
    Einheit zur Zündung
    E
    Einheit zur Einspritzung
    KWG
    Kurbelwellengeberrad
    S
    Sensor für das Kurbelwellengeberrad
    S1
    Signal des Sensors für das Kurbelwellengeberrad
    Z
    Zylinder
    G
    Markierungen des Geberrades
    ZK
    Zylinderkopf

Claims (6)

  1. Startverfahren für ein Hybridfahrzeug mit einem fremdgezündeten Verbrennungsmotor (VM) mit Direkteinspritzung, wobei das Hybridfahrzeug für seinen Antrieb weiterhin einen Elektromotor (EM) aufweist, der fest oder koppelbar mit dem Abtrieb des Verbrennungsmotors (VM) verbunden ist, wobei der Verbrennungsmotor (VM) in einer Betriebsart aus dem Stillstand heraus ohne mechanische Anregung gestartet wird, indem mit dem Elektromotor (EM) zum Antrieb des Hybridfahrzeuges wenigstens ein Zylinder (Z) des Verbrennungsmotors (VM) bei dessen Stillstand in eine geeignete Startposition zwischen 30° und 150°, vorzugsweise zwischen 70° und 90°, Kurbelwinkel nach seinem oberen Totpunkt nach der Kompressionsphase gebracht wird und in diesen/diese Zylinder (Z) eine Menge Kraftstoff eingespritzt wird und nach Einspritzung mittels der diesem/diesen Zylinder (Z) zugeordneten Einheiten zur Zündung (ZÜ) eine Zündung des Kraftstoffes erfolgt.
  2. Startverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (VM) direkt nach seinem Auslaufen mittels des Elektromotors (EM) zum Antrieb des Hybridfahrzeuges in eine geeignete Startposition gebracht wird, wobei mittels eines Sensors (S) zur Lageerkennung der Kurbelwelle (KW) durch Abtasten der Impulse eines der Kurbelwelle (KW) zugeordneten Kurbelwellengeberrades (KWG) während der Positionierbewegung durch den Elektromotor (EM) eine günstige Startposition erkannt und eingestellt wird.
  3. Startverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Standzeit zwischen Abstellen und Wiederanlassen des Verbrennungsmotors (VM) vor dem Wiederanlassen des Verbrennungsmotors (VM) eine Korrektur der Lagepositionierung der Kurbelwelle (KW) erfolgt.
  4. Startverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Start des Verbrennungsmotors (VM) in wenigstens einer weiteren Betriebsart mittels des zum Antrieb des Hybridfahrzeuges vorgesehenen Elektromotors (EM) erfolgt.
  5. Startverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Startbetriebsart auf Basis der Standzeit nach der Motortemperatur und/oder der Umgebungstemperatur und/oder des Ladezustandes der für den Antrieb des Elektromotors (EM) benötigten Batterie ausgewählt wird.
  6. Startverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Start des Verbrennungsmotors (VM) mittels des zum Antrieb des Hybridfahrzeuges vorgesehenen Elektromotors (EM) dann erfolgt, wenn nach dem Direktstart keine für den sicheren Hochlauf des Verbrennungsmotors (VM) ausreichende Drehung der Kurbelwelle (KW) durch einen dieser zugeordneten Lagesensor detektierbar ist.
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