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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine, bei dem vor einem Zündvorgang eines Brennstoff-Luft-Gemischs in einem Zylinder Umgebungsluft angesaugt, komprimiert und mit komprimierter Druckluft aus einem Luftspeicher in den Zylinder eingeleitet wird.
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Brennkraftmaschinen kommen in vielen unterschiedlichen technischen Anwendungsgebieten sowohl als stationäre Anlagen als auch für mobile Anwendungen zum Einsatz. Je nach Einsatzort der entsprechenden Brennkraftmaschinen müssen diese unter unterschiedlichen klimatischen Verhältnissen und bei verschiedensten Außenparametern sicher betrieben werden können. Gerade bei Dieselmotoren, wie sie beispielsweise für Nutzfahrzeuge eingesetzt werden, haben die Umgebungsbedingungen großen Einfluss auf das Startverhalten dieser Brennkraftmaschinen. Hierbei wird das Startverhalten sowohl von der Temperatur der angesaugten Umgebungsluft als auch von anderen Zustandsparametern, insbesondere der von der Höhe des Einsatzortes abhängigen Luftdichte, beeinflusst. Gerade bei tiefen Außentemperaturen und/oder in Einsatzorten, die über 2000 m über NN liegen, ist das Startverhalten von dieselbetriebenen Brennkraftmaschinen oftmals nicht zufriedenstellend. Hierbei ist festzustellen, dass bei Verwendung des in Europa üblichen Winterdiesels und einer geeigneten Einspritzung des Dieselkraftstoffs ein zufriedenstellendes Startverhalten auch bei Temperaturen um die –30°C sichergestellt werden kann. Nimmt allerdings auch die Luftdicht ab, was insbesondere mit zunehmender Höhe des Einsatzortes der Fall ist, verschlechtert sich das Kaltstartverhalten eines Dieselmotors.
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Im mobilen Einsatz werden dieselbetriebene Brennkraftmaschinen üblicherweise in Verbindung mit einem elektrisch angetriebenen Anlasser, einem Turbolader zur Verdichtung der Ladeluft und einer im Abgasstrang angeordneten Abgasnachbehandlungsanlage betrieben. Ferner sind Einrichtungen zum Einblasen zusätzlicher Druckluft in spezielle Aggregate, insbesondere im Bereich der Abgasnachbehandlungsanlage, bekannt.
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In diesem Zusammenhang ist aus der
DE 10 2008 000 325 A1 ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem bei einem Startvorgang der Brennkraftmaschine zur Bereitstellung eines hohen Ladedrucks zusätzliche Druckluft in den Luftansaugtrakt der Brennkraftmaschine eingeblasen wird. Das Einblasen zusätzlicher Druckluft erfolgt hierbei, wenn die Brennkraftmaschine kurz vor deren Start noch nicht läuft oder von dem Anlasser angetrieben nur mit geringer Drehzahl dreht. Durch die Bereitstellung eines beim Anlassen der Brennkraftmaschine erhöhten Ladedrucks und eine entsprechende Anpassung der Kraftstoffeinspritzung sollen mit dem beschriebenen Verfahren bereits ab dem Startvorgang die Abgaswerte und der Kraftstoffverbrauch in Abhängigkeit spezieller Betriebsparameter der Abgasnachbehandlungsanlage und/oder der Brennkraftmaschine optimiert werden.
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Ausgehend von den bekannten Problemen beim Kaltstart von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kaltstartunterstützung von Brennkraftmaschinen anzugeben, mit dem ein schnelles und zuverlässiges Starten einer Brennkraftmaschine auch bei tiefen Außentemperaturen und in hoch gelegenen Einsatzgebieten ermöglicht wird. Unter Zugrundlegung verhältnismäßig einfach erfassbarer Regelungsgrößen soll das anzugebende Verfahren zur Kaltstartunterstützung selbsttätig eingeleitet werden und sicherstellen, dass die Brennkraftmaschine auch bei tiefen Außentemperaturen von weniger als –30°C sowie bei geringer Luftdichte, wie sie beispielsweise in Höhen über 2000 m über NN herrscht, zuverlässig und schnell gestartet werden kann.
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Die zuvor beschriebene Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine, bei dem vor einem Zündvorgang eines Brennstoff-Luft-Gemischs in einem Zylinder Umgebungsluft angesaugt, komprimiert und mit zusätzlicher komprimierter Druckluft aus einem Luftspeicher in den Zylinder eingeleitet wird, derart weitergebildet worden, dass die komprimierte Druckluft in Abhängigkeit eines Zustandsparameters der Umgebungsluft zudosiert wird.
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Erfindungsgemäß wird somit als Entscheidungskriterium für die Einleitung eines speziellen Kaltstartvorgangs einer Brennkraftmaschine ein Zustandsparameter der Umgebungsluft gewählt. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren in Abhängigkeit der Temperatur und/oder der Dichte der Umgebungsluft durchgeführt. In Abhängigkeit wenigstens eines Zustandsparameters der Umgebungsluft, insbesondere der Temperatur und/oder der Luftdichte, wird aus einem Druckluftbehälter zusätzlich bevorratete Druckluft, in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine eingeleitet.
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Die erfindungswesentliche Idee besteht somit darin, aus einem kleinen Zusatzluftreservoir, das vorzugsweise eine Größe von 5 bis 10 l aufweist, eine zusätzliche Luftmasse gezielt in Ergänzung zur Ladeluft in den Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine einzublasen.
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Die Einblasung der zusätzlichen Druckluft erfolgt in Abhängigkeit der Außentemperatur und/oder der Dichte der Umgebungsluft, die maßgeblich von der Höhe eines Einsatzorts der Brennkraftmaschine oder eines von der Brennkraftmaschine betriebenen Fahrzeugs abhängt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird aus dem zusätzlichen Luftspeicher Druckluft in den Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eingeleitet, bis diese auf etwa 300 Umdrehungen pro Minute hoch gelaufen ist. Ab dieser Drehzahl ist ein Zünden auf allen Zylindern in der Regel sichergestellt, so dass keine weitere zusätzliche Luft aus dem Luftspeicher eingeblasen werden muss.
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Alternativ oder in Ergänzung hierzu ist es denkbar, die Lufteindüsung in einem Zeitraum von 1 bis 5 Sekunden nach Start der Brennkraftmaschine vorzunehmen. Idealerweise wird hierbei ein Zeitraum gewählt, den ein Motorsteuergerät benötigt, um sämtliche Zuordnungen zu detektieren und den Raildruckaufbau sicherzustellen.
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Vorzugsweise wird der Luftspeicher auf einen Innendruck von etwa 10 bar ausgelegt. Dieses Druckniveau entspricht dem Druck, den üblicherweise ein im Fahrzeug vorgesehener Luftpresser erzeugt. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein qualitativ hochwertiger Wasserabscheider vorgesehen sein, um ein Vereisen des zusätzlichen Luftspeichers bzw. der Lufteindüsung zu verhindern. Darüber hinaus ist es denkbar, eine elektrische Beheizung des Drosselquerschnitts an der Lufteindüsung vorzusehen und/oder den Behälter für das zusätzliche Druckluftreservoir zu beheizen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. einer entsprechend ausgeführten Vorrichtung wird ein autarkes System zur Kaltstartverbesserung einer Brennkraftmaschine geschaffen, dem als einfach erfassbare Regelgrößen Zustandsparameter der Umgebungsluft zugrunde gelegt werden und das darüber hinaus verhältnismäßig einfach in bestehende Systeme integrierbar ist, da es beispielsweise keinen zusätzlichen Netzanschluss benötigt.
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Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Funktionskurve für ein ermitteltes Kesselvolumen in Abhängigkeit der Zeitspanne einer Luftzudosierung sowie
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2 eine grafische Darstellung des Druckeinflusses auf den Zündverzug.
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Anhand 1 und 2 wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens einer Brennkraftmaschine, wie sie insbesondere als Dieselmotor in einem Nutzfahrzeug zum Einsatz kommt, beschrieben. Vor allem bei Fahrzeugen, die bei tiefen Temperaturen an Einsatzorten in großer Höhe eingesetzt werden, wie etwa Lastkraftwagen im Gebirge oder Pistenbullys, kann mit Hilfe der im Folgenden näher erläuterten Maßnahmen das Kaltstartverhalten erheblich verbessert werden.
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In 1 ist eine rechnerisch ermittelte Funktionskurve dargestellt, die die Abhängigkeit zwischen der Zeitspanne einer Zudosierung zusätzlicher Druckluft in den Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine und dem benötigten Kesselvolumen für das Zusatzluftreservoir zeigt. Der Luftspeicher, in dem das Zusatzluftreservoir bevorratet wird, ist hierbei auf einen maximalen Druck von 10 bar, also 10·105 Pa, ausgelegt. Dieser Druck entspricht dem Druck, auf den der ohnehin im Fahrzeug befindliche Luftpresser Luft komprimiert. Ein zusätzlicher Luftpresser ist somit nicht erforderlich.
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Über die Abszisse (x-Achse) ist die Zeitdauer der Zudosierung zusätzlicher Druckluft in Sekunden aufgetragen, während der Ordinate (y-Achse) das benötigte Kompressionsvolumen für das zusätzliche Druckluftreservoir zugeordnet ist. Zur Berechnung des benötigten Zusatzvolumens ist ferner von einer mittleren Drehzahl der Brennkraftmaschine von 200 Umdrehungen pro Minute und einer Erhöhung der Dichte der in einen Zylinder eingeleiteten Luft um 10% ausgegangen worden.
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Ausdrücklich wird darauf hingewiesen, dass das Volumen des Ladeluftsystems bei der Berechnung der in 1 dargestellten Funktionskurve nicht berücksichtigt worden ist. Vielmehr wurde ausschließlich der durch die Kolbenbewegung in den Zylindern der Brennkraftmaschine angesaugte Luftvolumen- bzw. Luftmassestrom berücksichtigt. Für eine praxisbezogene Betrachtung einer Zudosierung zusätzlicher Druckluft zur Kaltstartverbesserung ist das Volumen des Ladeluftsystems allerdings nicht zu vernachlässigen, da dieses üblicherweise größer als 10 Liter ist, so dass eine entsprechende Luftdichteerhöhung, beispielsweise um 10%, eine zusätzliche Volumenvergrößerung des Zusatzluftreservoirs, hier um wenigstens einen Liter, erforderlich machen würde.
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Der Funktionskurve in 1 ist zu entnehmen, dass das benötigte Zusatzvolumen in Abhängigkeit der Zeitspanne der Luftzudosierung linear anwächst. Wird die Zudosierung innerhalb einer Zeitspanne von 5 s durchgeführt, so werden 0,8 Liter der in dem Druckluftspeicher unter einem Druck von 10 bar bevorrateten Luft benötigt, um eine Erhöhung der Dichte der Luft innerhalb eines Zylinders um 10% erreichen zu können. Sofern die Zudosierung zusätzlicher Druckluft während einer Zeitspanne von 10 s erfolgt, wird hierfür unter den zuvor angegebenen Randbedingungen ein zusätzliches Luftvolumen von 1,6 Litern benötigt.
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Die in 1 veranschaulichten Berechnung macht deutlich, dass je nach Auslegung des Systems zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens einer Brennkraftmaschine, beispielsweise, um dieses für eine beliebige Anzahl von hintereinander durchgeführten Kaltstarts auszulegen, der zusätzliche Druckluftspeicher entsprechend angepasst zu dimensionieren ist. Erste Berechnungen bzw. Versuche haben allerdings gezeigt, dass Volumina von bis zu 10 Litern für einen Druckluftspeicher zu Bevorratung des Zusatzluftreservoirs ausreichend sind.
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Eine Verbesserung des Kaltstartverhaltens von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren für Nutzfahrzeuge, kann im Wesentlichen durch zwei Effekte positiv beeinflusst werden. So ist dies einerseits mit einer Zündverzugsreduzierung und andererseits mit einer Ladungswechseloptimierung realisierbar.
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Eine Zündverzugsreduzierung verfolgt das Ziel, die Zeitspanne zwischen dem Einspritzen des Kraftstoffs in den Zylinder und dem Beginn des Verbrennungsvorgangs möglichst kurz zuhalten. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, dass die Zündfähigkeit eines Brennstoff-Luft-Gemischs mit steigendem Druck und der hiermit verbundenen Temperaturerhöhung ansteigt. Die erfindungsgemäß vorgesehene Eindüsung zusätzlicher Druckluft aus dem Zusatzluftreservoir in den Zylinder einer Brennkraftmaschine erhöht die Dichte der zu komprimierenden Luft im Zylinder und führt darüber hinaus zu einem gegenüber einem Zustand ohne zusätzlich eingedüste Luft erhöhten Druck nach der Verdichtung. Andererseits findet aufgrund der Einblasung zusätzlicher Luft und deren Expansion während des Ansaugtakts auch eine zusätzliche Abkühlung im Zylinder statt.
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Zur weiteren Erläuterung der zuvor geschilderten Effekte ist in dem in 2 dargestellten Diagramm der Zündverzug in Millisekunden (ms) über die Temperatur im Zylinderinnenraum in Kelvin (K) aufgetragen. In dem Diagramm sind vier Funktionskurven dargestellt, die jeweils die Verdichtungsdrücke 10, 20, 40 und 60 bar repräsentieren. Bei einem Verdichtungsdruck von 60 bar, der für Dieselmotoren durchaus üblich ist, kann die Temperatur im Zylinder auf bis zu etwa 850 K ansteigen. In diesem Zusammenhang ist allerdings zu berücksichtigen, dass bei niedriger Temperatur der Umgebungsluft, insbesondere bei Temperaturen unterhalb von –30°C bzw. unterhalb von 243 K die nach Abschluss der Verdichtung zu erzielende Temperatur im Zylinder unterhalb von 700 K liegt. Hierzu ist dem Diagramm in 2 zu entnehmen, dass weitere negative Temperatureinflüsse, insbesondere aufgrund der zusätzlich in den Zylinder eingebrachten und dort expandierenden Druckluft, einen Zündverzug bzw. eine Zündverzugsverlängerung hervorrufen.
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Um diesem Effekt entgegen zu wirken und den Zündverzug trotz Einblasen zusätzlicher Druckluft aus dem Zusatzluftreservoir zu reduzieren, ist es denkbar, Heizmittel zur Beheizung der zusätzlichen Druckluft vorzusehen. Eine derartige Beheizung kann wahlweise mit Hilfe elektrischer Heizmittel im Bereich des Drosselquerschnitts oder durch Beheizung des Zusatzluftreservoirs im Luftbehälter, beispielsweise mittels eines Latentwärmespeichers, realisiert werden. Die zusätzlich eingedüste Druckluft wird auf eine Temperatur erwärmt, so dass diese bei der Expansion zumindest nicht wesentlich unter die Temperatur der Umgebungsluft abgekühlt wird.
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Neben einer Zündverzugsreduzierung kann durch eine Ladungswechseloptimierung der Kaltstartvorgang einer Brennkraftmaschine verbessert werden.
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Eine Erhöhung des Kompressionsdrucks im Zylinder, also des Drucks nach erfolgter Verdichtung, um 100 mbar (0,1·105 Pa) bei gleichzeitig geringem Abgasgegendruck, also insbesondere bei geöffneter Drosselklappe, bewirkt eine positive Ladungswechselschleife für die Brennkraftmaschine. Diese positive Ladungswechselschleife, also die Bereitstellung zusätzlicher Arbeit, die aus der Verdichtung der zusätzlichen Luft herrührt, entspricht einer wirksamen Drehmomenterhöhung von etwa 6 Nm, was bei einer Drehzahl von 200 Umdrehungen pro Minute einer Leistungssteigerung von 130 W entspricht. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass aufgrund der sehr sensiblen Kaltstartvorgänge allein diese geringe Drehmoment- bzw. Leistungssteigerung einen positiven Einfluss auf den Kaltstartvorgang hat. Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens kann somit durch Vorsehen eines Zusatzdruckluftreservoirs und das Einblasen der zusätzlich Bevorrateten, ggf. erwärmten Druckluft während des Startvorgangs einer Brennkraftmaschine das Kaltstartverhalten verbessert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit besonders geeignet, um bei Fahrzeugmotoren, die in vergleichsweise großer Höhe und damit bei niedriger Luftdichte betrieben werden, eingesetzt zu werden. Unter niedriger Luftdichte ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Luftdichte in Höhenlagen über 2000 m über NN teilweise um mehr als 5% gegenüber Normalbedingungen, also gegenüber etwa 1,0·105 Pa (1013,25 hPa), reduziert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008000325 A1 [0004]
