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Die
Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine,
insbesondere im Stopp-/Start-Betrieb, und eine Vorrichtung hierzu.
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Beim
Abschalten eines Verbrennungsmotors bleibt dieser in einer zufälligen,
durch die verbleibende Kompression in den Zylindern mitbestimmten
Position stehen. Beim Wiederstart ergeben sich deshalb unterschiedliche
Drehwinkel der Kurbelwelle bis der Motor wieder zündet bzw.
gezündet
werden kann. Insbesondere bei Hybrid-Fahrzeugen mit automatischem
Stopp des Motors, wie er z. B. im Segelbetrieb und im Bremsbetrieb
auftritt, ergibt sich so eine zufällige, meist länger als
notwendige Zeitdauer des Wiederstarts des Antriebs beim erneuten
Gas geben, die einen Fahrer wegen der nicht immer gleichen Reaktionszeit
des Fahrzeugs verunsichern kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, den Startvorgang einer Brennkraftmaschine,
insbesondere im Stopp-/Start-Betrieb, zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
nach deren Abschalten mittels eines Positionsreglers in eine für einen
Wiederstart günstige
Startlage gebracht wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Positioniereinrichtung vorgesehen
ist, welche die Kurbelwelle nach einem Abschalten der Brennkraftmaschine
in eine günstige
Startlage positioniert.
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Durch
die Erfindung wird sichergestellt, dass der Verbrennungsmotor nach
dem Ausschalten immer so positioniert wird, dass wenigstens ein
Zylinder in einer günstigen
Position zum Wiederstart steht. Dazu wird der Motor nach dem Ausschalten
durch geregeltes Zustellen einer Positioniereinrichtung solange
weitergedreht, bis eine günstige
Stellung für den
Wiederstart erreicht ist. Der Motor kann so beim Wiederstart immer
nach kurzem Drehwinkel wieder zünden
oder gezündet
werden. Der Verbrennungsmotor springt daher nach Abschaltphasen,
wie sie z. B. bei Start/Stopp oder bei Hybridbetrieb in verschiedenen
Situationen auftreten können,
bei Einsatz der Erfindung bei jedem Wiederstart in annähernd gleicher
kurzer Zeit an. Das Ansprechverhalten des Antriebs ist so auch nach
hybridbedingten Motorabschaltungen immer gleich und so für den Fahrer
gut abschätzbar.
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Die
Erfindung ist geeignet für
Brennkraftmaschinen mit beliebiger Zahl und Anordnung von Zylindern,
sowohl für
Benzinmotoren mit Kanaleinspritzung als auch für Benzin- oder Dieselmotoren
mit Direkteinspritzung.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen und
den Beschreibungen hervor. Nachfolgend werden die Fig. näher beschrieben.
Dabei zeigen:
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1 eine
schematische Skizze einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit
Positioniereinrichtung und Positionsregler
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2 eine
schematisches Darstellung der Veränderung der Kurbelwellenposition
und der Aktivität
der Positioniereinrichtung im zeitlichen Ablauf
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1 zeigt
eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Kurbelwelle 2.
Die mit der Kurbelwelle 2 verbundene Ausgangswelle der
Brennkraftmaschine 1 ist über eine Kupplung 3 mit
einem Getriebe 4 verbunden. Die Kupplung 3 ist
in der dargestellten Ausführungsform
als einstellbare Reibkupplung ausgeführt. Die Reibkupplung 3 ist
durch eine geeignete Betätigungseinrichtung
in der Lage, das zu übertragende
Drehmoment schnell und genau einzustellen.
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Wie
in 1 gestrichelt dargestellt, kann auch die Kombination
der Brennkraftmaschine 1 oder des Getriebes 4 mit
einem Elektromotor 10 zur Realisierung eines Start/Stopp-Systems oder eines
Hybridantriebs vorgesehen sein. Dabei kann der Elektromotor 10 beispielsweise
an der Brennkraftmaschine 1, zwischen der Kupplung 3 und
der Eingangswelle des Getriebes 4 oder an einer beliebigen
weiteren Welle des Getriebes 4 angeordnet sein. Ebenso
können
auch mehrere Elektromotoren 10 vorgesehen sein.
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Die
Brennkraftmaschine 1 ist mit Mitteln 5, 6 ausgestattet,
welche eine Ermittlung der Winkellage der Kurbelwelle 2 in
einem Bereich von zwei Umdrehungen ermöglichen. Dazu ist das eine
Mittel 5 als Positionsgeber ausgeführt (typischerweise Kurbelwellenrad
mit einer oder mehreren daran angeordneten Kurbelwellenmarkierungen)
und das andere Mittel 6 ist als Positionsnehmer (Kurbelwellensensor) ausgeführt.
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1 zeigt
eine logische Einheit 8 der von einer Dateneinrichtung 7 Referenzwerte
der günstigen
Kurbelwellenpositionen für
einen Motorstart zugeführt
werden. Der Kurbelwellensensor 6 führt der logischen Einheit 8 die
von ihm erfasste aktuelle Kurbelwellenposition zu. Die logische
Einheit 8 vergleicht und verarbeitet die ihr zugeführten Informationen
und ermittelt den sich ergebenden Regelungsbedarf. Sie führt dieses
Ergebnis einem Positionsregler 9 zu. Der Positionsregler 9 steuert
nach Maßgabe des
ermittelten Regelungsbedarfs die Kupplung 3 (Kupplungszustellung)
und/oder einen geeigneten Elektromotor 10 (Elektromotorzuschaltung)
an. Dabei kann es sich bei dem Elektromotor 10 auch um den
Starter der Brennkraftmaschine 1 handeln.
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Wird
eine Brennkraftmaschine 1 gestartet, wird sie zunächst von
einem elektrischen Startermotor gedreht, bis in einem ersten Zylinder
ein zündfähiges Gemisch
unter entsprechendem Druck auftritt, wobei sich der zugehörige Kolben
in der Nähe
des oberen Totpunkts befindet. Die Zündung erfolgt dann, je nach
Motortyp durch den Zündfunken
oder durch Selbstzündung.
Das zündfähige Gemisch
wird bei Brennkraftmaschinen mit Benzin-Kanaleinspritzung erreicht,
indem nach Erreichen des Beginns des ersten Ansaugtakts eines Zylinders
dieser eingespritzt und im folgenden Kompressionstakt komprimiert wird.
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Bei
Benzin- oder Diesel-Direkteinspritzung wird in dem ersten Zylinder,
der einen Kompressionstakt erreicht hat, in der Nähe des oberen
Totpunktes die Einspritzung des Treibstoffes begonnen. Dieser wird
beim Benzinmotor zum geeigneten Zeitpunkt, z. B. nach dem oberen
Totpunkt gezündet,
bzw. entzündet
sich beim Dieselmotor nach Erreichen eines zündfähigen Luft- Treibstoff-Gemischs selbst. Anschließend läuft die
Brennkraftmaschine 1 wieder im normalen Betrieb.
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Wenn
die Brennkraftmaschine 1 in Betriebsphasen des Fahrzeugs,
in denen keine Antriebsleistung benötigt wird, stillgesetzt werden
soll, wird die Zündung
und/oder die Einspritzung abgeschaltet und die Kupplung 3 geöffnet. Die
Brennkraftmaschine 1 bleibt in einer Vorzugsposition V1,
V2, V3, oder V4 stehen, und die getriebeseitige Kupplungshälfte dreht
sich mit der über
das Getriebe 4 angepassten Drehzahl weiter.
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Bei
einem anschließenden
Neustart der Brennkraftmaschine 1 hängt die Zeit, die zwischen dem
Befehl zum Neustart einer Brennkraftmaschine 1 und der
ersten Zündung
verstreicht, außer
von der Drehung durch den Startermotor (Drehgeschwindigkeit, Drehbeginn)
auch von der Winkellage der Kurbelwelle 2 zum Zeitpunkt
eines Neustarts ab. Diese steht z. B. in der Nähe einer beim Ausschalten eingenommenen
Vorzugsposition. Der eigentliche Startvorgang beginnt bei einer
kanaleinspritzenden Brennkraftmaschine 1 erst mit der ersten
möglichen Ansaugphase,
bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine 1 mit
der ersten Kompressionsphase. Steht die Kurbelwelle 2 nicht
in einer solchen für
den Neustart günstigen
Position G1, G2, G3 oder G4, muss Sie zu Beginn erst bis zu einer
solche Position gedreht werden, so dass der gesamte Startvorgang, abhängig von
der Lage vor Startbeginn, um einen entsprechenden Kurbelwellenwinkel
bzw. um die entsprechende Zeit verlängert wird.
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Jeder
Zylinder hat pro zwei Umdrehungen eine günstige Startposition. Beim
Vierzylinderreihenmotor R4 sind diese beispielsweise um 180° gegeneinander
versetzt. Sie stimmen nicht mit den vier Vorzugslagen beim Stillsetzen überein.
Bei anderen Zylinderzahlen ergeben sich je nach Zylinderanordnung entsprechende
Vorzugspositionen beim Abschalten und günstige Startpositionen für den schnellen
Wiederstart.
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Es
wird nun ein Verfahren angegeben, die Kurbelwelle 2 schon
vor Beginn eines Startvorgangs bzw. gleich nach dem Stillsetzen
der Brennkraftmaschine 1 in eine günstige Startposition G1, G2,
G3 oder G4 zu stellen, in der der später folgende Startvorgang verkürzt wird.
Es wird vorgeschlagen, die Brennkraftmaschine 1 nach dem
Abschalten, aber bei weiterhin rollendem Fahrzeug durch ein geregeltes
Zustellen der zwischen Brennkraftmaschine 1 und Getriebe 4 liegenden
Kupplung 3 in eine günstige
Startposition G1, G2, G3 oder G4 zu schleppen und ihn dann durch
geregeltes Lösen
der Kupplung 3 dort zu halten (2, beispielhaft
für Vierzylinder-Reihen-Motoren
dargestellt).
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Wird
eine Brennkraftmaschine 1 durch Stopp der Einspritzung
oder/und durch Stopp der Zündung ausgeschaltet,
bleibt sie, wenn sie nicht von außen weitergedreht wird, stehen.
Sie nimmt dann nach gedämpften
Pendelbewegungen („Abstellschlag", insbesondere bei
Dieselmotoren spürbar)
eine Vorzugsposition V1, V2, V3 oder V4 der Kurbelwelle 2 an,
bei der alle Gas- und
Reibungskräfte
im Gleichgewicht sind. Die möglichen
Positionen hängen
u. a. von der Zahl und der Anordnung der Zylinder, von der Zündfolge
und den Steuerzeiten der Nockenwelle(n), aber auch der Dichtigkeit
der Ventile und der Kolbenringe ab.
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Für einen
Vierzylinderreihenmotor ergeben sich pro 2 Umdrehungen 4 bevorzugte
Positionen V1, V2, V3 und V4, die um etwa 180° gegeneinander verdreht sind.
Die sich einstellenden Positionen beim Stillsetzen sind im Allgemeinen
nicht die, die für
einen nächsten
Neustart günstig
sind (2).
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2 zeigt
ein Ablaufdiagramm für
den Betrieb einer Brennkraftmaschine 1. Dabei ist auf der waagerechten
Achse die Zeit t und auf der senkrechten Achse der Drehwinkel der
Kurbelwelle 2 (Kurbelwellenwinkel KW) eingezeichnet. Dabei
sind die für einen
Vierzylinder-Reihenmotor typischen Vorzugspositionen V1, V2, V3
und V4 als durchgezogene Linien eingezeichnet. Die möglichen
günstigen
Startpositionen G1, G2, G3 und G4 sind als gestrichelte Linien eingezeichnet.
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Über die
Zeitachse t sind verschiedene Zustände der Brennkraftmaschine
erkennbar. Zu Beginn, im Bereich t1, läuft die Brennkraftmaschine
mit konstanter Drehzahl. Dies führt
im Zeit-Kurbelwellenwinkel-Diagramm zu einem Sägezahnmuster. Zum Zeitpunkt
t2 wird die Brennkraftmaschine 1 abgeschaltet und im nachfolgenden
Bereich t3 erfolgt eine gedämpften
Pendelbewegungen als Abstellschwingung der Brennkraftmaschine 1,
die zum Zeitpunkt t4 in einem von der Brennkaftmaschine 1 bevorzugten Kurbelwellenwinkel
(Vorzugsposition) mit dem Motorstopp endet. In einem nachgeordneten
Zeitbereich t5 erfolgt die Positionierung mit der Positioniereinrichtung 3 und/oder 10.
Dazu führt
die Positioniereinrichtung 3 und/oder 10 nach
Maßgabe
des Positionsreglers 9 Stellbewegungen aus und die Kurbelwellenwinkelstellung
der Brennkraftmaschine 1 wird von der Vorzugsposition V3
auf die nächstgelegene günstige Startposition
G3 verschoben.
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Beispielsweise
erfolgt die Positionsregelung wie folgt:
Die günstige Lage
der Kurbelwelle 2 für
den nächsten Neustart
wird durch eine Positionierregelung (2) eingestellt.
Dazu wird der Positionsmesswert der Kurbelwelle 2 vom Kurbelwellensensor 6 ermittelt und
mit der nächsten
für den
Start günstigen
Position (eine der Positionen G1, G2, G3 oder G4) der Dateneinrichtung 7 verglichen.
Die Brennkraftmaschine 1 wird nun durch geregeltes Zustellen
der Kupplung 3 solange weitergedreht, bis eine günstige Position
G1, G2, G3 oder G4 erreicht und die Differenz zwischen dem Positionsmeßwert und
der angestrebten günstigen
Position innerhalb einer festlegbaren Genauigkeit gleich Null ist.
Ist der Wert erreicht, wird die Reibkraft der Kupplung 3 soweit
vermindert, dass die Brennkraftmaschine 1 die Lage beibehält (2). Wurde
die Brennkraftmaschine 1 zu weit gedreht und dreht sich
infolge der Gaskräfte
nun noch weiter, wird der Positioniervorgang an der nächsten günstigen Position
G2, G3, G4 oder G1 wiederholt.
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Alternativ
erfolgt die Positionierregelung durch die Positioniereinrichtung 10.
Diese kann als ein zwischen Kupplung 3 und Brennkraftmaschine 1 angeordneter
Elektromotor ausgeführt
sein.
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Alternativ
erfolgt die Positionierregelung durch die Positioniereinrichtungen 3 und 10.
Dabei kann die Positioniereinrichtung 10 als ein Elektromotor
und die Positioniereinrichtungen 3 als eine zwischen Brennkraftmaschine 1 und
Elektromotor 10 angeordnete Kupplung ausgeführt sein.
Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Positioniereinrichtungen 3 und 10 unabhängig voneinander
auf den Brennkraftmaschine 1 einwirken.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist geeignet zum Abstellen und zum Wiederstart einer beliebigen
Brennkraftmaschine 1 mit innerer Verbrennung, die über eine
steuerbare Kupplung 3 mit einem Getriebe 4 und
ggf. mit einem Elektromotor 10 verbunden werden kann, die
in Augenblicken, in denen keine Leistung benötigt wird, ausgeschaltet und
mittels der Kupplung 3 vom Getriebe 4 getrennt
und angehalten wird, und die bei erneutem Leistungsbedarf über einen
Elektromotor 10 wieder gestartet wird. Die Brennkraftmaschine 1 wird
nach dem Ausschalten und Stoppen durch Zustellen der Kupplung 3 mittels eines
Positionsreglers 9 solange weitergedreht, bis sie in einer
für den
nächsten
Wiederstart günstigen Position
G1, G2, G3 oder G4 steht, dort bis zum nächsten Wiederstart wartet,
und dann in einer durch die Bauart der Brennkraftmaschine 1 bedingten
geringsten Umdrehung der Kurbelwelle 2 und damit in möglichst
kurzer Zeit wieder im normalem Betrieb laufen kann.