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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen wenigstens eines Zylinders einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung.
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Stand der Technik
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Brennkraftmaschinen werden herkömmlicher Weise mittels des sogenannten Anlassers oder Starters angelassen. Es sind jedoch auch sogenannte Start-/Stoppbetriebsarten bekannt, bei denen die Brennkraftmaschine in bestimmten Situationen abgestellt und relativ zeitnah wieder angelassen werden soll. Beispielsweise ist es bekannt, die Brennkraftmaschine bei Stillstand des Fahrzeugs, beispielsweise an einer Ampel, abzustellen und bei Betätigung der Kupplung oder des Gaspedals wieder anzulassen. Es ist wünschenswert, diesen Wiederanlassvorgang ohne Mitwirkung eines Starters durchzuführen, um diesen zu schonen und die damit verbundenen Geräusche zu vermeiden (sog. Direktstart). Dies gestaltet sich jedoch bei Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung schwierig, da sich die Brennkraftmaschine vor dem Wiederanlassen nicht unbedingt in einem wiederanlassfähigen Zustand befindet. Insbesondere ist oftmals nicht genügend Sauerstoff für ein direktes Wiederanlassen im Zylinder vorhanden.
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Die im Zylinder vorhandene Sauerstoffmenge hängt von mehreren Parametern, insbesondere der Temperatur der Luft, ab. Bei hoher Temperatur sinkt zum einen der Sauerstoffanteil in der Luft, zum anderen steigt der Druck im Zylinder, so dass Luft aus dem Zylinder während der Stoppphase entweicht. Beides führt dazu, dass für einen Folgestart wenig Sauerstoff zur Verfügung steht, die Verbrennung wenig Moment erzeugt und die Starterfolgswahrscheinlichkeit sinkt. Damit ein sicherer Folgestart garantiert werden kann, werden im Stand der Technik weiterhin Starter bzw. Anlasser im Start-/Stoppbetrieb verwendet.
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Es ist wünschenswert, eine Möglichkeit zu entwickeln, um durch eine Abkühlung des Zylinders das Wiederanlassen einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung zu unterstützen, so dass ein Folgestart schnell und zuverlässig abläuft.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Abkühlen wenigstens eines Zylinders einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass bei niedrigen Temperaturen des Zylinders bzw. der darin befindlichen Luft der Sauerstoffanteil in der Luft ansteigt und gleichzeitig der Druck abnimmt, wodurch weniger Gasgemisch bzw. Luft entweicht. Eine Abkühlung des Zylinders bzw. der Luft wird durch Einspritzung von Kraftstoff vor und/oder unmittelbar nach Stillstand des Motors erreicht. Zweckmäßigerweise werden nur die Zylinder abgekühlt, die zumindest ein geschlossenes Auslassventil aufweisen. Die Einspritzung führt zu einer Abkühlung und damit zu einem geringeren Druck des im Brennraum eingeschlossenen Gases, so dass weniger Luft entweicht. In der Folge steht für das Wiederanlassen mehr Sauerstoff zur Verfügung.
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Ist die Motorsteuerung in der Lage vorherzubestimmen, welche Zylinder zum Folgestart herangezogen werden (Auslaufprädiktion), so kann in diese Zylinder unmittelbar vor Motorstillstand noch Kraftstoff eingespritzt werden. Geschieht dies bei offenem Einlassventil, wird eine Abkühlung der Frischluft erreicht, so dass mehr Sauerstoff in den Zylinder einströmen kann. Geschieht dies bei geschlossenen Gaswechselventilen, sinkt der Druck im eingeschlossenen Gas und es entweicht weniger Frischluft durch Leckagestellen. In beiden Fällen steht für den Folgestart mehr Frischluft und damit mehr Moment zur Verfügung. Desweiteren findet während der Stoppphase eine Vorhomogenisierung des Kraftstoff/Luft-Gemisches statt. Dies fördert die Zündwilligkeit des Gemisches beim Folgestart. Alternativ oder zusätzlich kann eine Einspritzung auch im Motorstillstand erfolgen, insbesondere wenn die Motorsteuerung nicht in der Lage ist, den für den Folgestart zu verwendenden Zylinder hinreichend früh zu prädizieren.
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Der genaue Zeitpunkt der Einspritzung liegt zwischen der Stopp- und der nachfolgenden Startanforderung, wobei dieser Bereich in zwei bevorzugte Abschnitte unterteilt werden kann, einen ersten Abschnitt, der sich von der Stoppanforderung bis zum Motorstillstand erstreckt, und einen zweiten Abschnitt, der sich von dem Motorstillstand bis zur Startanforderung (Wiederanlassen) erstreckt.
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Ein Einspritzvorgang innerhalb des ersten Abschnitts erfolgt bevorzugt u. a. in der letzten Ansaugphase vor dem Motorstillstand. Eine Einspritzung bei offenem Einlassventil sorgt für eine Abkühlung der angesaugten Luft, so dass die Luft im Brennraum mit mehr Sauerstoff als herkömmlich angereichert ist. Insbesondere erfolgt ein Einspritzen während des ersten Abschnitts in einen Zylinder, dessen Auslassventil geschlossen ist und bis zum Motorstillstand geschlossen bleibt. Dabei berechnet vorzugsweise eine Motorsteuerung, die dem Motor zugeordnet ist, eine Auslaufprädiktion der einzelnen Zylinder und kann somit vorherbestimmen, in welcher Stellung sich die Ventile der Zylinder bei Stillstand des Motors befinden werden.
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Ein Einspritzvorgang innerhalb des zweiten Abschnitts erfolgt zweckmäßigerweise in einen Zylinder, der sich in einer Kompressionsphase oder einer Arbeitsphase befindet. Es handelt sich dabei um Phasen, die für ein direktes Wiederanlassen prinzipiell geeignet sind. Ein Einspritzvorgang innerhalb des zweiten Abschnitts erfolgt bevorzugt innerhalb von 1 Sek., bevorzugt 0,5 Sek. und mehr bevorzugt 0,2 Sek. nach Stillstand des Motors in einen Zylinder, der sich bei einer Kurbelwellenposition von –90° bis +90° Kurbelwellenwinkel relativ zu ZOT (Zündung oberer Totpunkt) befindet.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Durch die Erfindung wird ein einfaches und schnelles Wiederanlassen einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung möglich. Insbesondere wird damit der Einsatz derartiger Brennkraftmaschinen in einem Start-/Stoppbetrieb vereinfacht. Der Starter bzw. Anlasser kann leistungsschwächer ausgebildet werden, da er im Start-/Stoppbetrieb weniger oder gar nicht belastet würde Die mit dem üblichen Anlassvorgang einhergehenden störenden Geräusche können beim Wiederanlassen vermieden werden. Gleichzeitig wird die Anlasser- und Batterielebensdauer im Start-/Stoppbetrieb erhöht.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beilegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch mit anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschreiben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine, wie sie der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen kann.
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2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand eines Flussdiagramms.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt, wie sie der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen kann. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst einen Kolben 2, der in einem Zylinder 3 auf und ab bewegbar ist. Der Zylinder 3 umfasst einen Brennraum 4, an dem über ein Einlass- 5a und ein Auslassventil 5b ein Ansaugrohr 6 bzw. ein Abgasrohr 7 angeschlossen sind. Des weiteren ist mit dem Brennraum 4 eine mit einem Signal ZW ansteuerbare Zündkerze 9 verbunden. Eine typische Brennkraftmaschine verfügt über weitere, hier nicht beschriebene Sensoren und Aktoren, wie bspw. Luftmassensensor, Lambdasensor, Drosselklappe usw. Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich um eine solche mit Direkteinspritzung, so dass eine über ein Signal TI ansteuerbare Einspritzdüse 8 am Zylinder 3 angeordnet ist.
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Während des Betriebs der Brennkraftmaschine wird Kraftstoff von der Einspritzdüse 8 in den Brennraum 4 direkt eingespritzt und mit der Luft in dem Brennraum 4 vermischt. Danach wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch während der Kompressionsphase verdichtet, um dann von der Zündkerze 9 gezündet zu werden. Durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs (Arbeitsphase) wird der Kolben 2 angetrieben. Im Betrieb wird durch den angetriebenen Kolben eine Kurbelwelle 14 in eine Drehbewegung versetzt, über die letztendlich die Räder des Kraftfahrzeugs angetrieben werden. Auf der Kurbelwelle 14 ist beispielhaft ein Drehzahlgeberrad 13 angeordnet, dessen Zähne von einem zugeordneten Drehzahlsensor 15 abgetastet werden. Der Drehzahlsensor 15 erzeugt ein Signal, aus dem die Drehzahl N und der Kurbelwellenwinkel ϕ der Kurbelwelle 14 ermittelt werden.
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Es versteht sich, dass eine Brennkraftmaschine mehr als einen Zylinder aufweisen kann, die derselben Kurbelwelle sowie demselben Abgasrohr zugeordnet sind und eine Abgasbank bilden.
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Ein Steuergerät (ECU) 16 ist von Eingangssignalen beaufschlagt, die mittels Sensoren gemessene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine darstellen. Beispielsweise ist das Steuergerät 16 dem Drehzahlsensor 15 verbunden. Das Steuergerät 16 erzeugt Ausgangssignale, mit denen über Aktoren das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 entsprechend der erwünschten Steuerung und/oder Regelung beeinflusst werden kann. Beispielsweise ist das Steuergerät 16 mit dem Einspritzventil 8 und der Zündkerze 9 verbunden und erzeugt die zu deren Ansteuerung erforderlichen Signale TI bzw. ZW. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 16 mit einem Mikroprozessor versehen, der in einem Speichermedium, insbesondere in einem Read Only Memory (ROM) ein Programm abgespeichert hat, das dazu geeignet ist, die gesamte Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine 1 durchzuführen. Das Steuergerät 16 ist zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 2 der Ablauf einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand eines Flussdiagramms 200 erläutert. Dieser Ausführungsform kann eine Brennkraftmaschine gemäß 1 mit einer beliebigen Anzahl von Zylindern zugrunde liegen.
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Das Verfahren beginnt mit einem Schritt 201, dem eine Stoppanforderung vorausgeht und in dem sich der Motor somit im Auslaufen befindet. In einem darauf folgenden Schritt 202 wird geprüft, ob sich der Motor weiterhin in Bewegung, also im Auslaufen, befindet oder bereits still steht.
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Befindet sich der Motor während des Schritts 202 noch im Auslaufen, so erfolgt eine Einspritzung vor dem Motorstillstand, demnach in dem ersten Abschnitt des Bereichs zwischen Stopp- und Startanforderung. Dazu wird zunächst in dem nachfolgenden Schritt 203a geprüft, ob sich die Auslassventile eines Zylinders zum Zeitpunkt des Motorstillstandes in einer offenen Stellung befinden. Wenn das Auslassventil zu dem Zeitpunkt des Motorstillstandes geöffnet sein wird, so wird dieser Zylinder nicht für den Folgestart herangezogen und ein nächster Zylinder wird über einen Pfad 204a überprüft. Wird hingegen festgestellt, dass die Auslassventile bis zum Zeitpunkt des Motorstillstandes geschlossen sein werden, wird in einem Schritt 205a Kraftstoff in den betreffenden Zylinder zur Abkühlung eingespritzt. Im Falle einer z. B. elektromagnetischen Bedienung der Ventile kann auch mit dem Ventilsteller dafür gesorgt werden, dass das Ventil geschlossen bleibt.
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Wird in Schritt 202 festgestellt, dass der Motor stilsteht, wird mit Schritt 203b fortgefahren. In Schritt 203b wird geprüft, ob sich ein Zylinder in der Kompressionsphase befindet, d. h. ob sich der Kolben in einer Kurbelwellenposition von –90° bis 0° Kurbelwellenwinkel relativ zu ZOT befindet. Ist dies der Fall, so wird in dem darauffolgenden Schritt 205b Kraftstoff in den betreffenden Zylinder eingespritzt. Befindet sich der Zylinder nicht in der Kompressionsphase, wird über einen Pfad 204b der Schritt 206b eingeleitet.
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In Schritt 206b wird geprüft, ob sich der Zylinder in der Arbeitsphase befindet. In der Arbeitsphase steht der Kolben auf einer Kurbelwellenposition von 0° bis +90° Kurbelwellenwinkel relativ zu ZOT. Befindet sich der Zylinder in der Arbeitsphase, so wird in einem Schritt 208b Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt. Befindet sich der Zylinder nicht in der Arbeitsphase, so folgt über einen Pfad 207b ein Schritt 209b.
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In Schritt 209b wird auf die Startanforderung gewartet.
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Der rechte Zweig der 2, welcher die Einspritzung nach dem Motorstillstand beschreibt und mit dem Zusatz ”b” bezeichnet ist, wird zweckmäßigerweise für jeden Zylinder durchlaufen. Die Einspritzung erfolgt hier in die Zylinder, bei welchen sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil (Kompressions- und Arbeitsphase) in geschlossener Stellung vorliegen. Die Einspritzung erfolgt zweckmäßigerweise unmittelbar nach dem Motorstillstand, vorzugsweise innerhalb von 1 Sek.
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Es reicht üblicherweise aus, denselben Zylinder entweder im linken oder im rechten Zweig des Diagramms 200 gemäß 2 zu bedienen. Wurde ein Zylinder bereits im Motorauslauf abgekühlt, ist es nicht notwendig – jedoch möglich –, ihn im Motorstillstand nochmal abzukühlen.
