DE102010027220A1

DE102010027220A1 - Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010027220A1
Application number: DE102010027220A
Authority: DE
Inventors: Jens Kühlmeyer; Dr.-Ing. Hagelstein Dirk; Nils Lindenkamp
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2030-07-16
Also published as: DE102010027220B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine, wobei eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gedreht wird und zum Initiieren von Verbrennungsvorgängen in mindestens einem Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine dem mindestens einen Arbeitszylindern der Brennkraftmaschine Kraftstoff und über einen Verbrennungsluftkanal Verbrennungsluft zugeführt wird. Hierbei wird vor dem Initiieren der Verbrennungsvorgänge die Verbrennungsluft vor dem Zuführen an den mindestens einen Arbeitszylinder von einem Verdichter in einem Kreislauf über eine diesen Verdichter im Verbrennungsluftkanal überbrückende Bypassleitung umgepumpt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine, wobei eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gedreht wird und zum Initiieren von Verbrennungsvorgängen in mindestens einem Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine dem mindestens einen Arbeitszylindern der Brennkraftmaschine Kraftstoff und über einen Verbrennungsluftkanal Verbrennungsluft zugeführt wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein beispielsweise aus der DE 101 59 801 A1 bekanntes Aufladeaggregat für eine aufgeladene Brennkraftmaschine ist ein mechanischer Lader bzw. Kompressor, d. h. ein Verdichter im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine, welcher mechanisch von einem Motor, wie beispielsweise einem Elektromotor, angetrieben ist. Ein derartiger mechanischer Lader ist jedoch nicht ausschließlich ein von einem Elektromotor angetriebener mechanischer Lader (elektrischer Verdichter). Im Allgemeinen werden Kompressoren zur deutlichen Verbesserung des instationären Betriebsverhaltens aufgeladener Motoren eingesetzt. Durch eine definierte Einspeisung elektrischer Energie in die Aufladung kann unabhängig vom Motorbetriebspunkt und dem dort vorliegenden Abgasenthalpie-Angebot immer ein ausreichend hoher Ladedruck zur Verfügung gestellt werden. Der Energiebedarf des Kompressors wird entweder durch den Fahrzeuggenerator oder ein geeignetes Speichermedium gedeckt.
Aus der DE 603 02 118 T2 ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einem mechanischen Kompressor bekannt, welcher von einem Elektromotor angetrieben wird. Es ist eine Bypassleitung mit Bypassventil zum wahlweise Leiten von Verbrennungsluft an dem mechanischen Kompressor vorbei vorgesehen. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird beim Aktivieren des mechanischen Kompressors das Bypassventil der Bypassleitung erst geschlossen, wenn der mechanische Kompressor eine vorbestimmte Zieldrehzahl erreicht hat.
Aus der JP 6207522 A ist eine Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern bekannt, von welchem einer mit einer Elektromaschine versehen ist. Diese treibt entweder den Lader zusätzlich zum Abgasstrom an oder dient zur Rekuperation von elektrischer Energie aus dem Abgasstrom.
Aus der EP 1 355 052 B1 ist ein Ladesystem für eine Brennkraftmaschine mit mechanischem Kompressor und diesen überbrückender Bypassleitung mit Bypassventil bekannt. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird bei inaktivem Kompressor das Bypassventil aktiv derart eingestellt, dass Ladeluft aus einem Abgasturbolader teilweise über den inaktiven mechanischen Kompressor strömt. Hierdurch wird der mechanische Kompressor aufgrund des aerodynamischen Mitnahmeeffektes der den mechanischen Kompressor durchströmenden Ladeluft auf einer gewissen Drehzahl gehalten, so dass bei einer Aktivierung des mechanischen Kompressor dieser schneller betriebsbereit ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der o. g. Art hinsichtlich des Schadstoffausstoßes der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Dazu ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass vor dem Initiieren der Verbrennungsvorgänge die Verbrennungsluft vor dem Zuführen an den mindestens einen Arbeitszylinder von einem Verdichter in einem Kreislauf über eine diesen Verdichter im Verbrennungsluftkanal überbrückende Bypassleitung umgepumpt wird.
Dies hat den Vorteil, dass eine erhöhte Temperatur und Masse der dem mindestens einen Arbeitszylinder bereits zum ersten Verbrennungsvorgang zugeführten Verbrennungsluft erreicht wird, wodurch eine verbesserte Gemischbildung erreicht wird und in der Folge Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine beim Start bzw. Anlassen derselben reduziert werden.
Ein Umpumpen von Verbrennungsluft über den Bypasskanal mit entsprechender Erhöhung von Temperatur und Masse der Verbrennungsluft vor dem Zuführen an den mindestens einen Arbeitszylinder auch während des Initiierens der Verbrennungsvorgänge in dem mindestens einen Arbeitszylinder erzielt man dadurch, dass während des Initiierens der Verbrennungsvorgänge von dem Verdichter mehr Verbrennungsluft pro Zeiteinheit gefördert wird als von dem mindestens einen Arbeitszylinder Verbrennungsluft pro Zeiteinheit aufgenommen wird. Dies stellt auch während des Initiierens der Verbrennungen einen verminderten Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschine sicher.
Ein Umpumpen von Verbrennungsluft über den Bypasskanal mit entsprechender Erhöhung von Temperatur und Masse der Verbrennungsluft vor dem Zuführen an den mindestens einen Arbeitszylinder auch während einer dem Startvorgang unmittelbar folgenden Leerlaufphase erzielt man dadurch, dass nach dem Einsetzen der Verbrennungsvorgänge in dem mindestens einen Arbeitszylinder von dem Verdichter für eine vorbestimmten Zeitspanne von beispielsweise 10 Sekunden bis 60 Sekunden, insbesondere 30 Sekunden, jedoch mindestens für die Zeit, bis der Motor im Normalbetrieb unkritisch bzw. Emissionen läuft, mehr Verbrennungsluft pro Zeiteinheit gefördert wird als von dem mindestens einen Arbeitszylinder Verbrennungsluft pro Zeiteinheit aufgenommen wird.
Ein einhalten von vorbestimmten Abgasgrenzwerten wird dadurch erreicht, dass die vorbestimmte Zeitspanne so lange gewählt wird, dass nach Ablauf der vorbestimmten Zeitspanne ein Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschine unterhalb eines vorbestimmten Schwellwertes liegt.
Eine besonders gute Ausnutzung der die Schadstoffe mindernden Effekte durch die Temperaturerhöhung sowie Verdichtung der Verbrennungsluft erzielt man dadurch, dass die von dem Verdichter über die Bypassleitung umgepumpte Verbrennungsluft ungekühlt dem mindestens einen Arbeitszylinder zugeführt wird.
Ein sofortiges Zuführen von in Temperatur und Masse erhöhter Verbrennungsluft ab der ersten Drehung des Kurbelwelle an den mindestens einen Arbeitszylinder erzielt man dadurch, dass vor dem Drehen der Kurbelwelle die Verbrennungsluft vor dem Zuführen an den mindestens einen Arbeitszylinder von einem Verdichter in einem Kreislauf über eine diesen Verdichter überbrückende Bypassleitung umgepumpt wird.
Ein Spülen des mindestens einen Arbeitszylinders mit vorgewärmter und vorverdichteter Verbrennungsluft vor dem Beginn der Verbrennungsvorgänge und damit ein Vorheizen des mindestens einen Arbeitszylinders erzielt man dadurch, dass die Kurbelwelle bereits vor dem Initiieren der Verbrennungsvorgänge gedreht wird und von dem Verdichter mehr Verbrennungsluft pro Zeiteinheit gefördert wird als von dem mindestens einen Arbeitszylinder Verbrennungsluft pro Zeiteinheit aufgenommen wird.
Einen von der Drehung der Kurbelwelle unabhängigen und flexibel steuerbaren Antrieb des Verdichters erzielt man dadurch, dass die Verbrennungsluft von einem Verdichter in Form eines von einem Elektromotor angetriebenen Kompressors umgepumpt wird.
Ein Einspülen von vorgewärmter und in der Masse erhöhter bzw. vorverdichteter Verbrennungsluft direkt in eine Abgasnachbehandlungsanlage der Brennkraftmaschine stromab des mindestens einen Arbeitszylinders erzielt man dadurch, dass während des Umpumpens der Verbrennungsluft in dem Kreislauf mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil von mindestens einem Arbeitszylinder gleichzeitig für eine vorbestimmte Zeitspanne geöffnet wird. Hierdurch wird durch eine Umsetzung von ggf. zusätzlich noch in der Abgasnachbehandlungsanlage enthaltenem Kraftstoff mit der vorgewärmten und in der Masse erhöhten Verbrennungsluft eine Aufheizung von in der Abgasnachbehandlungsanlage vorhandenen Vorrichtungen beschleunigt. Dies verringert insgesamt den Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschine, da eine Zeitspanne, in der die Abgasnachbehandlungsanlage aufgrund noch nicht erreichter Betriebstemperatur noch nicht vollständig das Abgas reinigt, reduziert ist.
Einen optimalen Betrieb des Verdichters erzielt man dadurch, dass eine Drehzahl des Verdichters in Abhängigkeit von einem Luftmassenbedarf des mindestens einen Arbeitszylinders, einem Druck in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine, einer Temperatur in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine, einem Druck stromab einer Drosselklappe der Brennkraftmaschine, einer Temperatur stromab einer Drosselklappe der Brennkraftmaschine, einem Druck stromauf einer Drosselklappe der Brennkraftmaschine, einer Temperatur stromauf einer Drosselklappe der Brennkraftmaschine einem Druck stromab eines Verdichters eines Abgasturboladers der Brennkraftmaschine und/oder einer Temperatur stromab eines Verdichters eines Abgasturboladers der Brennkraftmaschine oder einer Teilmenge dieser Größen eingestellt wird.
Eine besonders genaue Einstellung der Luftförderung für den Start der Brennkraftmaschine erzielt man dadurch, dass der Abgasturbolader durch eine variable Turbinengeometrie (VTG) geregelt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
1 eine erste beispielhafte Ausführungsform einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung zur Ausführung einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 eine zweite beispielhafte Ausführungsform einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung zur Ausführung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und
3 eine dritte beispielhafte Ausführungsform einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung zur Ausführung einer dritten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die in 1 dargestellte, beispielhafte Ausführungsform einer Brennkraftmaschine zum Ausführen einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst eine Motorblock 10 mit Arbeitszylindern 12, denen jeweils Gaswechselventile 14 in Form von Einlassventilen und Auslassventilen zugeordnet sind. Den Arbeitszylindern 12 wird über einen Verbrennungsluftkanal 16 Verbrennungsluft zugeführt und über einen Abgaskanal 18 wird Abgas von den Arbeitszylindern 12 abgeführt. In den Arbeitszylindern 12 erfolgen in bekannter Weise mit Hilfe einer Kraftstoffzufuhr und der Verbrennungsluft Verbrennungsvorgänge, die entsprechende Hubkolben in den Arbeitszylindern 12 bewegen, die ihrerseits eine Hubbewegung auf eine Kurbelwelle (nicht dargestellt) übertragen.
In dem Verbrennungsluftkanal 16 ist in Strömungsrichtung von der Verbrennungsluft gesehen Folgendes nacheinander angeordnet, ein optionaler erster Ladeluftkühler 20, ein mechanisch beispielsweise von einem Elektromotor 22 angetriebener Verdichter oder Kompressor 24, eine Drosselklappe 26 und ein optionaler zweiter Ladeluftkühler 32, dem beispielsweise ein Saugrohr folgt, welches die Verbrennungsluft zu Einlasskanälen der Einlassventile führt. Weiterhin ist eine Bypassleitung 28 mit Bypassventil 30 vorgesehen, welche den Kompressor 24 wahlweise überbrückt und Verbrennungsluft an diesem vorbei leitet. In dem Abgaskanal 18 ist ein Katalysator 34 zur Reduktion von in dem Abgas enthaltenen Schadstoffen angeordnet.
Die Brennkraftmaschine weist weiterhin einen Abgasturbolader 36 mit einer in dem Abgaskanal 18 stromauf des Katalysators 34 angeordneten Turbine 38 und einem in dem Verbrennungsluftkanal 16 stromauf des Kompressors 24 angeordneten Verdichter 40 auf. Ein Wastegate-Kanal 42 mit Wastegateventil 44 ist derart angeordnet, dass dieser wahlweise die Turbine 38 des Abgasturboladers 36 überbrückt und Abgas an der Turbine 38 vorbei leitet. Durch entsprechendes Öffnen bzw. Schließen des Wastegateventils 44 wird hierdurch bei ausreichendem Abgasmassenstrom eine Verdichtungsleistung des Abgasturboladers 36 eingestellt.
Zum Starten der Brennkraftmaschine wird die Kurbelwelle beispielsweise von einem elektrisch angetriebenen Anlasser gedreht. Hierbei werden auch die Gaswechselventile 14 in entsprechender Weise sofort mit Beginn der Drehung der Kurbelwelle betätigt und es wird Verbrennungsluft aus dem Verbrennungsluftkanal 16 in die Arbeitszylinder 12 eingesaugt. Optional kann die Betätigung der Gaswechselventile 14 auch zeitversetzt später erfolgen, sofern einer Betätigung der Gaswechselventile 14 unabhängig von der Drehung der Kurbelwelle erfolgt. Gleichzeitig mit dem Beginn der Kurbelwellendrehung oder zeitversetzt etwas später beginnt eine Zuführung von Kraftstoff an die Arbeitszylinder 12, beispielsweise in Form einer Direkteinspritzung. Sofern es sich bei der Brennkraftmaschine um einen Ottomotor handelt wird auch ein Zündfunke bei einem entsprechenden Kurbelwinkel ausgelöst. Bei einer Dieselbrennkraftmaschine erfolgt eine Aufheizung von jeweiligen Brennräumen innerhalb der Arbeitszylinder mittels entsprechender Glühkerzen. Insgesamt erfolgt eine gleichzeitige Zufuhr von Verbrennungsluft und Kraftstoff an die Arbeitszylinder 12 bei entsprechenden, vorbestimmten Kurbelwinkeln, was Voraussetzung für Verbrennungsvorgänge in den Arbeitszylindern 12 ist, sofort mit Beginn der Drehung der Kurbelwelle oder zeitlich versetzt später.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass nach Beginn der Drehung der Kurbelwelle und vor dem Beginn der gleichzeitigen Zufuhr von Verbrennungsluft und Kraftstoff an die Arbeitszylinder 12 bei entsprechenden, vorbestimmten Kurbelwinkeln oder sogar bereits vor Beginn der Drehung der Kurbelwelle der Kompressor 24 durch den Elektromotor 22 angetrieben und das Bypassventil 30 geöffnet wird. Hierdurch fördert der Kompressor 24 Verbrennungsluft in einem Kreislauf über die Bypassleitung 28, so dass die Verbrennungsluft erwärmt und verdichtet wird. In dem Fall, dass die Kurbelwelle bei der Kreislaufförderung durch den Kompressor 24 bereits gedreht wird, treibt der Elektromotor 22 den Kompressor 24 derart an, dass dieser mehr Verbrennungsluft pro Zeiteinheit fördert, als von den Arbeitszylindern 12 über die Gaswechselventile 14 dem Verbrennungsluftkanal 16 entnommen wird. Auf diese Weise verbleibt immer eine gewisse Restmenge an Verbrennungsluft, die von dem Kompressor 24 im Kreis gefördert und dadurch erwärmt und verdichtet wird. In dem Fall, dass die Kurbelwelle bei der Kreislaufförderung durch den Kompressor 24 noch nicht gedreht wird, erfolgt eine Umwälzung bzw. ein Umpumpen der gesamten, von dem Kompressor 24 geförderten Verbrennungsluft in dem Kreislauf über die Bypassleitung 28.
Durch die Kreislaufförderung mittels des Kompressors 24 wird die Verbrennungsluft bereits vor einem Zeitpunkt, zu dem ein ausreichender Abgasmassenstrom zum Antrieb des Abgasturboladers 36 zur Verfügung steht, erwärmt und verdichtet, so dass bereits zum Start der Brennkraftmaschine bzw. zum ersten Verbrennungsvorgang in einem der Arbeitszylinder während des Startvorgangs entsprechend vorgewärmte und vorverdichtete Verbrennungsluft zur Verfügung steht. Dies beeinflusst eine Schadstoffemission der Brennkraftmaschine vorteilhaft, da durch eine verbesserte Gemischbildung bereits weniger Schadstoffe bei den Verbrennungsvorgängen erzeugt werden und da sich Abgasreinigungskomponenten im Abgaskanal 18, wie beispielsweise der Katalysator 34, schneller auf ihre jeweilige Betriebstemperatur aufheizen, bei der eine optimale Abgasnachbehandlung mit minimalem Schadstoffausstoß erfolgt.
Bei der zweiten beispielhaften Ausführungsform der Brennkraftmaschine gemäß 2 sind funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie in der obigen Beschreibung der ersten beispielhaften Ausführungsform gemäß 1, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen wird. Auch die obigen Erläuterungen hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten analog, wobei die Abweichungen des Verfahrens gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform nachfolgend erläutert werden. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine gemäß 1 weist die zweite Ausführungsform der Brennkraftmaschine gemäß 2 zusätzlich eine Bypassleitung 46 mit einem Bypassventil 48 für den zweiten Ladeluftkühler 32 auf. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform wird zum Starten der Brennkraftmaschine das Bypassventil 48 geöffnet, so dass die durch die Kreislaufförderung mittels des Kompressors 24 vorgewärmte und vorverdichtete Verbrennungsluft an dem zweiten Ladeluftkühler 32 vorbei bzw. ungekühlt den Arbeitszylindern 12 zugeführt wird. Auf diese Weise wird der Schadstoff mindernde Effekt durch die Vorwärmung der Verbrennungsluft aufgrund des Umpumpens im Kreislauf durch den Kompressor 24 zum Startvorgang vollständig genutzt.
Bei der dritten beispielhaften Ausführungsform der Brennkraftmaschine gemäß 3 sind funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie in der obigen Beschreibung der ersten und zweiten beispielhaften Ausführungsform gemäß 1 und 2, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 und 2 verwiesen wird. Auch die obigen Erläuterungen hinsichtlich der ersten und zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten analog. wobei die Abweichungen des Verfahrens gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform nachfolgend erläutert werden. Im Unterschied zur ersten und zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine gemäß 1 und 2 ist bei der dritten Ausführungsform der Brennkraftmaschine gemäß 3 der Kompressor in der Bypassleitung 46 für den zweiten Ladeluftkühler 32 angeordnet, so dass der Kreislauf, in dem der Kompressor 24 die Verbrennungsluft umpumpt, über das Bypassventil 48, die Bypassleitung 46 und einen Abschnitt des Verbrennungsluftkanals 16 zwischen der Drosselklappe 26 und dem zweiten Ladeluftkühler 32 erfolgt. Insofern ist dieser Abschnitt des Verbrennungsluftkanals 16 zwischen der Drosselklappe 26 und dem zweiten Ladeluftkühler 32 eine Bypassleitung für den Kompressor 24. Bei dieser dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Umpumpen der Verbrennungsluft stromab der Drosselklappe 26, während bei der ersten und zweiten Ausführungsform des Verfahrens das Umpumpen der Verbrennungsluft stromauf der Drosselklappe 26 erfolgt.
Eine nicht gezeigte Batterie, beispielsweise ein Bleiakku, dient als Speichermedium für elektrische Energie. Dadurch ist der Betrieb des Kompressors 24 durch den Antrieb mittels des Elektromotors 22, welcher aus der Fahrzeugbatterie mit elektrischer Energie versorgt wird, bei stehendem Verbrennungsmotor möglich. Der Kompressor 24 in dieser Funktion und Betriebsweise wird nachfolgend als ”E-Booster” bezeichnet. Erfindungsgemäß wird der E-Booster 24 dazu verwendet, durch eine Druckerhöhung der Verbrennungsluft (Ansaugluft) vor und während des Motorstarts eine nennenswerte Erhöhung der Temperatur und Masse der Verbrennungsluft bzw. der Ansaugluft zu realisieren. Die dadurch erzielbare Verbesserung der Gemischbildungsqualität wird in eine deutliche Reduzierung der im Kaltstart emittierten Rohemissionen umgesetzt.
Der elektrische Energiebedarf des E-Boosters 24 ist als reines Emissionskonzept im Kaltstart sehr niedrig, da die Brennkraftmaschine (der Verbrennungsmotor) bzw. der mindestens eine Arbeitszylinder vor dem Start keine und während des Starvorgangs nur sehr wenig Luftmasse pro Zeiteinheit abnimmt bzw. nur einen geringen Luftmassenstrom benötigt. Somit muss durch den E-Booster 24 nur eine relativ kleine Luftmasse pro Zeiteinheit bzw. ein relativ kleiner Luftmassenstrom gefördert werden, um einen nennenswerten Druckanstieg realisieren zu können. Damit ein Pumpen des E-Boosters 24 auch bei stehendem Verbrennungsmotor wirkungsvoll verhindert ist, ist der Umluftkanal zwischen Austritts- und Eintrittsstutzen des E-Boosters 24 vorgesehen. Bei der ersten Ausführungsform gemäß der 1 ist dies die Bypassleitung 28 für den Kompressor 24. In der zweiten und dritten Ausführungsform gemäß 2 und 3 ist dies der Abschnitt des Verbrennungsluftkanals 16 zwischen der Drosselklappe 26 und dem zweiten Ladeluftkühler 32. In diesem Umluftkanal befindet sich eine passive oder besser aktive Drosseleinrichtung in Form des Bypassventils 30 bzw. 48. Über diese Drosselstelle fördert der E-Booster 24 die Verbrennungsluft in einem Kreislauf. Da in dieser Leitung keine Ladeluftkühlung vorgesehen ist, kommt es schnell zu einer starken Erwärmung der im Kreis geförderten Verbrennungsluft. Die Anstellung der Drosselklappe 30 bzw. 48 ist vorzugsweise derart gewählt, dass auch eine Druck- und somit Temperaturerhöhung bis vor die Einlassventile stattfindet. Der hier beschriebene Umluftkanal der ersten Ausführungsform gemäß 1 wird im Motorbetrieb später als Bypasskanal für den E-Booster 24 genutzt, wenn dieser nicht in Betrieb ist. Dies ist in allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine der Fall, in denen der Abgasturbolader 36 alleine genügend Ladedruck zur Verfügung stellen kann. Der Umluftkanal stellt also keine zusätzlichen Kosten für das hier beschriebene Verfahren dar. Bei der zweiten und dritten Ausführungsform gemäß 2 und 3 bildet dieser Umluftkanal als normaler Verbrennungsluftkanal 16 ebenfalls eine Umgehung des Kompressors 24, da dieser aus dem Strömungsverlauf der Verbrennungsluft ausgekoppelt ist.
Insbesondere bei so genannten Kaltstartvorgängen ist ggf. in Abhängigkeit von der Tiefe der Kaltstarttemperatur der oben beschriebene Umpumpprozess mittels des E-Boosters 24 unmittelbar vor und während des Motorstarts vorgesehen. Während des Motorstarts wird die Fördermenge der Verbrennungsluft (Verbrennungsluftmassenstrom) am E-Booster um die Menge der vom Verbrenner bzw. den Arbeitszylindern 12 abgenommenen Verbrennungsluft erhöht. Da der E-Booster 24 aber deutlich höhere Luftmassenströme bereit stellen kann, als dies während des Startvorganges und im Leerlauf von dem Verbrenner bzw. den Arbeitszylindern 12 benötigt werden, wird der Umpumpvorgang für eine deutliche Erhöhung der Ansauglufttemperatur auch während des Startvorganges und der anschließenden Leerlaufphase beibehalten. Durch die schaltbare Bypassleitung 46 wird der zweite Ladeluftkühler 32 umgangen. Bei Öffnung des Bypassventils 48 wird die erwärmte Luft an der Temperatursenke des zweiten Ladeluftkühlers 32 vorbei gemäß dem Weg des geringsten Strömungswiderstandes direkt bis vor die Einlassventile geleitet.
Ein Großteil der im Fahrzyklus emittierten Abgasemissionen treten in den ersten ca. 30 Sekunden auf, wenn der Katalysator 34 noch nicht seine für die Konvertierung von Abgasen notwendige Anspring- oder auch Light-off-Temperatur erreicht hat. Um die Temperatur des Katalysators 34 möglichst schnell in seinen Arbeitstemperaturbereich oberhalb von ca. 300°C anzuheben, wird beim Kaltstart im Allgemeinen ein sog. ”Katheizbetrieb” von einem Motorsteuergerät vorgegeben. Hierbei wird durch späte Zündwinkel die Abgastemperatur vor dem Katalysator 34 deutlich angehoben. Eine weitere Strategie besteht in der Verwendung einer Sekundärluftpumpe, die in den Abgaskanal 18 stromab der Arbeitszylinder 12 und stromauf des Katalysators 34 eine zusätzliche Frischluftmasse zuführt. Die Brennkraftmaschine wird nun fett betrieben. Der nicht im Zylinder 12 umgesetzte Kraftstoff vermischt sich in dem Abgaskanal 16 mit der Sekundärluft und wird anschließend im Katalysator 34 bei einem globalen Luftverhältnis von 1 mit einer stark exothermen Reaktion umgesetzt. Wird der E-Booster 24 eingesetzt, kann die Sekundärluftpumpe entfallen. Der E-Booster 24 erzeugt während des Umpumpvorganges beim Startvorgang in dem Verbrennungsluftkanal 16 stromauf der Arbeitszylinder 12 ein positives Spülgefälle im Vergleich zum Abgaskanal 18 stromab der Arbeitszylinder 18. Durch eine Ventilüberschneidung (Scavenging) bei der Öffnung von Ein- und Auslassventilen, d. h. Aus- und Einlassventil mindestens eines Arbeitszylinders 12 werden gleichzeitig geöffnet, gelangt ein Teil der vom E-Booster 24 geförderten Luftmasse direkt in den Abgaskanal 18. In den Arbeitszylindern 12 wird die Brennkraftmaschine wiederum fett betrieben. Der nicht umgesetzte Kraftstoff wird dann analog zum Sekundärluftprinzip mit der Spülluftmasse im Katalysator 34 unter deutlichem Temperaturgewinn umgesetzt.
Als Regel- und Messgrößen für die Ansteuerung des E-Boosters 24 und der oben aufgeführten Schaltorgane werden bevorzugt folgende Variablen verwendet: Luftmassenbedarf der Arbeitszylinder 12, Druck und/oder Temperatur in einem Saugrohr, Druck und/oder Temperatur nach bzw. stromab der Drosselklappe 26. Druck und/oder Temperatur vor bzw. stromauf der Drosselklappe 26 bzw. bei der Ausführungsform gemäß 3 Druck und/oder Temperatur nach dem bzw. stromab des E-Boosters 24, Druck und/oder Temperatur nach ATL-Verdichter 40. Bei den Werten für die Regelung handelt es sich dem Anwendungsfall entsprechend jeweils entweder um direkt gemessene oder berechnete Größen.
In allen drei zuvor beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Brennkraftmaschinen gemäß der 1 bis 3 ist optional ein Kühlwasserkreislauf für die Ladeluftkühler 20, 32 mit einer schaltbaren oder elektrisch betriebenen Wasserpumpe ausgebildet, die ATL-Turbine 38 mit einer Festgeometrie oder einer variablen Turbinengeometrie (VTG) ausgebildet, wobei im letzteren Fall auf den Wastegate-Kanal 42 verzichtet werden kann, und/oder sind variable Ventilsteuerzeiten (VVT) für die Gaswechselventile vorgesehen.
Durch die Druckerhöhung der Ansaugluft vor und während des Motorstarts wird eine nennenswerte Erhöhung der Temperatur und Masse der Ansaugluft bzw. Verbrennungsluft realisiert. Dadurch wird eine deutlich verbesserte Gemischbildung realisiert, die in der Folge zu deutlich reduzierten Emissionen während und unmittelbar nach der Startphase der Brennkraftmaschine führt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10159801 A1 [0002]
DE 60302118 T2 [0003]
JP 6207522 A [0004]
EP 1355052 B1 [0005]

Claims

Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gedreht wird und zum Initiieren von Verbrennungsvorgängen in mindestens einem Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine dem mindestens einen Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine Kraftstoff und über einen Verbrennungsluftkanal Verbrennungsluft zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Initiieren der Verbrennungsvorgänge die Verbrennungsluft vor dem Zuführen an den mindestens einen Arbeitszylinder von einem Verdichter in einem Kreislauf über eine diesen Verdichter im Verbrennungsluftkanal überbrückende Bypassleitung umgepumpt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Initiierens der Verbrennungsvorgänge von dem Verdichter mehr Verbrennungsluft pro Zeiteinheit gefördert wird als von dem mindestens einen Arbeitszylinder Verbrennungsluft pro Zeiteinheit aufgenommen wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einsetzen der Verbrennungsvorgänge in dem mindestens einen Arbeitszylinder von dem Verdichter für eine vorbestimmten Zeitspanne mehr Verbrennungsluft pro Zeiteinheit gefördert wird als von dem mindestens einen Arbeitszylinder Verbrennungsluft pro Zeiteinheit aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Zeitspanne 10 Sekunden bis 60 Sekunden, insbesondere 30 Sekunden, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Zeitspanne so lange gewählt wird, dass nach Ablauf der vorbestimmten Zeitspanne ein Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschine unterhalb eines vorbestimmten Schwellwertes liegt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Verdichter über die Bypassleitung umgepumpte Verbrennungsluft ungekühlt bzw. unter Umgehung eines Ladeluftkühlers dem mindestens einen Arbeitszylinder zugeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Verdichter über die Bypassleitung umgepumpte Verbrennungsluft unter Umgehung eines Ladeluftkühlers dem mindestens einen Arbeitszylinder zugeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Drehen der Kurbelwelle die Verbrennungsluft vor dem Zuführen an den mindestens einen Arbeitszylinder von einem Verdichter in einem Kreislauf über eine diesen Verdichter überbrückende Bypassleitung umgepumpt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle bereits vor dem Initiieren der Verbrennungsvorgänge gedreht wird und von dem Verdichter mehr Verbrennungsluft pro Zeiteinheit gefördert wird als von dem mindestens einen Arbeitszylinder Verbrennungsluft pro Zeiteinheit aufgenommen wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluft von einem Verdichter in Form eines von einem Elektromotor angetriebenen Kompressors umgepumpt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Umpumpens der Verbrennungsluft in dem Kreislauf mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil von mindestens einem Arbeitszylinder gleichzeitig für eine vorbestimmte Zeitspanne geöffnet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahl des Verdichters in Abhängigkeit von einem Luftmassenbedarf des mindestens einen Arbeitszylinders, einem Druck in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine, einer Temperatur in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine, einem Druck stromab einer Drosselklappe der Brennkraftmaschine, einer Temperatur stromab einer Drosselklappe der Brennkraftmaschine, einem Druck stromauf einer Drosselklappe der Brennkraftmaschine, einer Temperatur stromauf einer Drosselklappe der Brennkraftmaschine, einem Druck stromab eines Verdichters eines Abgasturboladers der Brennkraftmaschine und/oder einer Temperatur stromab eines Verdichters eines Abgasturboladers der Brennkraftmaschine oder einer Teilmenge dieser Größen eingestellt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader durch eine variable Turbinengeometrie (VTG) geregelt wird.
Eine nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche betriebene Brennkraftmaschine (10), mit einer drehbaren Kurbelwelle, mindestens einem Arbeitszylinder (12), einem Verbrennungsluft führenden Verbrennungsluftkanal (16), einer Kraftstoffzufuhr für den mindestens einen Arbeitszylinder (12), einem in dem Verbrennungsluftkanal (16) angeordneten Verdichter (24), einer diesen Verdichter (24) überbrückenden Bypassleitung (28, 16) und einem in der Bypassleitung (28) angeordneten Bypassventil (30).
Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkraftmaschine (10) ein Abgasturbolader (36) zugeordnet ist, stromab dessen Verdichter (40) ein erster Laderluftkühler (20) angeordnet ist, stromab dessen der Verdichter (24) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verbrennungsluftkanal (16) stromab des Verdichters (24) eine Drosselklappe (26) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Drosselklappe (26) und dem mindestens einen Arbeitszylinder (12) ein zweiter Ladeluftkühler (32) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Drosselklappe (26) eine von einem Bypassventil (48) beherrschte Bypassleitung (46) zu dem zweiten Ladeluftkühler (32) von dem Verbrennungsluftkanal (16) abzweigt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (24) stromab der Drosselklappe (26) in der Bypassleitung (46) angeordnet ist.