EP1060333A1 - Verfahren zum starten eines kraftfahrzeugmotors - Google Patents

Verfahren zum starten eines kraftfahrzeugmotors

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Publication number
EP1060333A1
EP1060333A1 EP99913207A EP99913207A EP1060333A1 EP 1060333 A1 EP1060333 A1 EP 1060333A1 EP 99913207 A EP99913207 A EP 99913207A EP 99913207 A EP99913207 A EP 99913207A EP 1060333 A1 EP1060333 A1 EP 1060333A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
engine
cylinder
ignition
starting
drive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP99913207A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heinz Leiber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LSP Innovative Automotive Systems GmbH
Marelli Europe SpA
Original Assignee
LSP Innovative Automotive Systems GmbH
Magneti Marelli SpA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LSP Innovative Automotive Systems GmbH, Magneti Marelli SpA filed Critical LSP Innovative Automotive Systems GmbH
Publication of EP1060333A1 publication Critical patent/EP1060333A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N19/00—Starting aids for combustion engines, not otherwise provided for
    • F02N19/004—Aiding engine start by using decompression means or variable valve actuation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/04—Introducing corrections for particular operating conditions
    • F02D41/06—Introducing corrections for particular operating conditions for engine starting or warming up
    • F02D41/062—Introducing corrections for particular operating conditions for engine starting or warming up for starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N19/00—Starting aids for combustion engines, not otherwise provided for
    • F02N19/005—Aiding engine start by starting from a predetermined position, e.g. pre-positioning or reverse rotation

Definitions

  • the invention relates to a method for starting a motor vehicle engine with the features of the preamble of claim 1.
  • the invention is based on the object of facilitating the starting process of a motor vehicle internal combustion engine in order to be able to reduce the size of the large and heavy starter customary today and to reduce the power requirement for starting the engine and thus to be able to reduce the size of the battery.
  • the invention makes use of the property of electromagnetically actuated valves which do not have to be actuated in a defined sequence, but which can also be actuated in a different way from the actual engine operation and are controlled accordingly by an electrical control unit.
  • the invention can be used both in engines with intake manifold injection and in engines with direct injection (GDI).
  • valve control can, for. B. can be used to start the engine with an increased firing order with correspondingly changed valve control, the engine e.g. to operate in the start-up phase in two-stroke mode.
  • the engine is preferably moved in advance with a slow and low-power drive to a position in which at least one cylinder is in a position between 90 ° and 45 ° before TDC. In a 4-cylinder engine, two cylinders are in this position.
  • a further possibility to make starting easier is to ignite them simultaneously in the first cycle for an engine with two cylinders running in parallel (i.e. simultaneously arriving in TDC and LDC), which of course requires appropriate control of the valves.
  • At least one piston can additionally be pre-positioned in TDC or close to it.
  • This prepositioning which is explained in more detail below, can also be used without the starting facilitations explained above
  • a cylinder can also be brought ready to start at an angle before TDC when the engine is switched off or when the door is opened, which is just sufficient to prevent the crankshaft from rotating further the ignition to create sufficient compression pressure.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of an engine equipped according to the invention
  • Fig. 3 shows a motor in principle to explain the
  • an engine 1 is shown in principle, of which a piston 2 of a cylinder, the crankshaft 3 and a connecting rod 4 are visible.
  • electromagnetic actuators are designated which operate an inlet valve 7 and an outlet valve 8.
  • 9 with a spark plug is designated.
  • 10 is a crankshaft position transmitter, 11 a starter drive, which acts via an electromagnetic clutch 12, 13 on a belt drive 14, via which the crankshaft gear 3a and the crankshaft 3 can be driven.
  • the generator of the motor can be connected to the shaft of the wheel 14a driven by the starter drive 11.
  • a further unit e.g. B. an air conditioning compressor or a supercharged engine.
  • 15 is an injection valve.
  • the actuators 5 and 6 for the valves 7 and 8, the spark plug 9, the injection valve 15, the starter drive 11 together with the clutch 12/13 are controlled by an electrical control unit 16.
  • the control unit evaluates the signals from the crankshaft position transmitter 10.
  • the piston 2 can be placed in a position favorable for starting via the drive 11, the clutch 12/13 and the belt drive 14. This will be discussed in detail later.
  • the drive 11, which starts up first is activated first.
  • the clutch 12/13 is then actuated and then fuel is injected via the injection nozzle 15 at the right time and ignited by means of the spark plug 9.
  • the valves 7 and 8 are placed in corresponding positions.
  • the belt drive can be tightened by means of a tensioner 17.
  • start sequences over time are compared for different engine types according to the prior art and according to the invention, in all cases 4-cylinder engines are assumed.
  • Fig. 2a shows the start of the 4-cylinder I to IV for an intake manifold injection according to the prior art.
  • the cylinder I begins at t, with the compression K, followed by the combustion phase V, followed by phase A, during which the cylinder is connected to the exhaust via the exhaust valve 8. Finally, there is the air intake phase S. After 720 °, compression takes place again. At least 360 ° rotation is required here until a full suction phase S, specifically for cylinder III, has taken place at t 2 and can be ignited shortly after TDC, which is indicated by a corresponding symbol. After 180 ° the ignition follows in cylinder IV, after another 180 ° that for cylinder I and finally after another 180 ° that for cylinder II.
  • Fig. 2b an engine with direct injection (ie effective injection valve 15) and a start according to the prior art is assumed.
  • the cylinder I can be ignited by at least 90 ° after the rotation.
  • the other cylinders II, III and IV follow each after 180 °.
  • the process is repeated after 720 °, i.e. two turns.
  • Fig. 2c shows a start course for an engine with direct injection, according to an embodiment of the invention and here the valves 7 and 8 and the injection valves 15 of the four cylinders are controlled so that before t 3 in the cylinders I and III compressed and ignited simultaneously in both cylinders after t 3 .
  • Cylinder III cannot be ignited again after 360 °, but cylinder II and cylinder IV are ignited as a result.
  • the joint ignition after t 3 gives a strong initial drive torque.
  • Fig. 2d the course of a direct injection engine is shown again, in which the engine is driven in the start phase by correspondingly controlling the valves 7, 8 and 15 and the spark plugs 9 in two-stroke mode, i.e. each cylinder is fired at 360 ° intervals. This operating mode is maintained until the motor reaches a certain speed, e.g. Has reached 600rpm.
  • the pistons 2 of cylinders I and III are additionally set to a position x between 90 ° and 45 ° before TDC by a slow drive in order to facilitate the actual starting process. The rotation necessary until TDC is sufficient to achieve sufficient compression of the air in the cylinder.
  • FIG. 2e shows the courses when starting an engine with intake manifold injection and a control of the valves and the ignition according to the invention.
  • the engine is started in two-stroke mode. It takes at least one turn through 360 ° until the first ignition in the 2nd and 4th cylinders.
  • the valves are controlled so that no compression takes place in cylinders I and III until ignition in cylinders II and IV. By switching off the decelerating and thus disruptive compression, less torque is required. It can therefore be started with less power.
  • the electromagnetic valves can also be used to only suction over about 90 °, as shown for the cylinders II and IV in the figure. , For this purpose, valves 7 and 8 are closed and only opened shortly before UT.
  • the engine 33 has injection valves 34, a battery 31, a generator 32, electromagnetic actuators 35 for the electromagnetic valve control, spark plugs 36, a clutch 37 and an electrical control unit 38.
  • Input signals from a door switch of a remote control 40 and from an ignition start switch 41 are fed to the control unit.
  • the remote control 40 is activated.
  • the corresponding wireless signal is sent to the electronic control unit or, in the case of a networked vehicle, to the engine control unit via the corresponding bus node and the data bus.
  • the door switch 39 for pilot control of the drive acts redundantly to this or without remote control.
  • the drive in the form of the generator 32 which can also be switched as a motor, is started, which rotates the crankshaft until a piston has reached a position close to TDC or "top dead center" TDC ready to start Injection and ignition via the ignition start switch 41, after which a small rotation from the initial position had previously taken place.
  • the drive After reaching the preset before TDC, the drive holds the cylinder in the position reached until the actual start command is given. Should, which is unusual, a longer one If there is a pause between opening the door and activating the ignition switch, the drive may have to bring the following cylinder into the compression phase, because the compression has meanwhile been reduced But it can also become a cylin after a certain time which are brought into the appropriate standby position by slow rotation.
  • the engine In vehicles with manual transmission, the engine must be disengaged via an electrical actuator when starting and when driving by means of clutch 37. Since many vehicles are already equipped with an electric clutch for reasons of comfort, this is not an obstacle to the introduction of the system.
  • the electric clutch also has safety advantages, because it ensures that the engine is always disengaged during the starting process and the vehicle cannot move. With Au- this is not necessary for the automatic transmission.
  • the position of the crankshaft or the pistons is detected by a crankshaft position sensor 42.
  • the crankshaft position sensor 42 provides the electrical control unit with the information about the piston position so that the starting process relates to the correct piston. For this it is necessary that the position of the pistons, that is the firing order, is stored in the control unit when the engine is switched off.
  • At least one piston position transmitter 43 can be used. This is preferably attached to the crank mechanism.
  • the generator 32 can also act as a starter with relatively low power.
  • the drive power will be approximately 1/10 of the normal starter power; This means that the drive motor can be designed to be relatively small with a power of 100 to 200W.
  • the drive in the form of an electric motor 51 is switched on via a clutch 50.
  • a flying clutch or preferably an electric clutch can be used.
  • a powerful reduction gear 52 is connected downstream of the electric motor that drives the generator 53.
  • crankshaft starter generator 60 shows a so-called crankshaft starter generator 60, the rotor of which is simultaneously combined with the clutch 61.
  • the desired reduced drive power can also be solved inexpensively by the crankshaft starter generator 60.
  • a very large ratio from the flywheel to the starter pinion and a reduction gear in the starter reduce the torque required for starting.
  • the currents are very high. Due to the missing gear ratio, this is not a problem with the crankshaft starter, with the drive power reduced according to the proposal.
  • Fig. 6 shows a stepping mechanism, the toothed disk 71 is connected to the flywheel. This solution combined with the clutch, but can also be combined with a crankshaft generator according to FIG. 5.
  • the separation of the drive from the generator makes the design solution easier and the generator can be fully optimized for voltage generation.
  • Fig. 7 shows the stepping mechanism.
  • an unlocking magnet 80 is activated so that the pawl 81 comes into engagement.
  • a pull magnet 82 is excited, which moves the armature lever 83 so far that one step is shifted further.
  • This solution is particularly simple since the large lever arm of the flywheel is used as a toothed disk 84 and the magnetic forces can therefore be relatively low.
  • FIG. 8 shows a compression process in a temporal pressure curve representation.
  • the dashed curve shows the compression curve with full filling, which is not absolutely necessary.
  • only a partial charge can be used to reduce the drive torque (solid curve).
  • the engine control is used to inject and ignite and thus start the engine, which is shown by a sharp increase in pressure.
  • the piston is normally stopped at point 90a before TDC or at top dead center 90 until the start is then initiated via the ignition switch.
  • the crankshaft is rotated further by the drive and, at 91 after OT, the injection and ignition. Only a partial charge is preferably also used in the following cylinder, so that the speed fluctuations when starting are less (curve 93).
  • FIG 9 shows a recording of the pressure and speed curve over time when the engine is switched off.
  • the restart which may have taken place shortly thereafter, is prepared here by using control algorithms and in particular using the electromagnetic valve control to control the engine outlet so that a cylinder is already in compression at the end of the outlet. If necessary, the imprecise motor stopping in the position close to TDC or in the TDC position (point 100) can be corrected by switching on the drive. If a restart is to take place shortly afterwards, for example at traffic lights, the engine is ready to start immediately. The injection and ignition then take place at time 101 with the subsequent pressure increase and speed change (lower curve).
  • the flywheel energy can be used when the engine is switched off by the fact that the electromagnetic actuators of the valve control release them, so that there is no longer any need for compression work. This drives the generator and returns the energy to the battery via the electricity generated.
  • the use of the swing energy does not rule out the aforementioned control, because the preparation of the next starting process is only effected in the final phase of the engine stopping.
  • another command for example via the remote control, can trigger the engine start.
  • a continuous pilot control without a stop beyond the top dead center position until the subsequent ignition.
  • the pre-heating takes place in the pre-control phase and then the injection and thus the engine start at a small angle after TDC.

Landscapes

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Starten eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors mit elektromagnetischer Ventilbetätigung beschrieben. Beim Startvorgang werden die Ein- und Auslaßventile und die Zündeinrichtung im Sinne einer Reduzierung der benötigten Leistung beeinflußt.

Description

Verfahren zum Starten eines Kraftfahrzeugmotors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Kraftfahrzeugmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 .
Motoren mit den Vorrichtungen, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgezählt sind, sind bekannt. Die Verwendung von elektromagnetisch betätigten Ein- und Auslaßventilen ist im Kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Startvorgang eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors zu erleichtern, um damit den heute üblichen großen und schweren Starter verkleinern zu können und um den Leistungsbedarf für den Motorstart verringern und damit die Batterie verkleinern zu können.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Zum Starten, gemäß dem Stand der Technik werden sehr hohe Stromstärken, bei Ottomotoren in der Gegend um 500A, bei Dieselmotoren fast das Zweifache benötigt. Dies bedeutet, daß in der Batterie entsprechende niederohmige Zellenstrukturen und entsprechende Technologien verwendet werden müssen. Während der Fahrt ist die Batterie mit erheblich geringeren Stromstärken belastet, die im wesentlichen nur durch den Ladestrom des Generators bestimmt sind; dieser bewegt sich in der Gegend kleiner 100A. Bei Generatorausfall bewegt sich der Batteriestrom in der Gegend um 50A für den Notfahrbetrieb. Das heißt die Batterie muß für den Startfall hinsichtlich der Stromstärke um Faktor 10 stärker ausgelegt werden. Nicht zu vernachlässigen ist auch das Startkabel, das heißt die elektrische Verbindung Batterie zum Starter, welches in der Regel 1 kg wiegt. Der Starter ist in seinem Leistungsverhalten im wesentlichen durch zwei Faktoren bestimmt, nämlich erstens die Überwindung der Reibung und der Zylinderkompression, darüber hinaus bei bisherigen Saugrohr-Einspritzsystemen durch eine bestimmte Ansauggeschwindigkeit und Drehwinkel, damit der eingespritzte Treibstoff sich genügend gut mit Luft vermischen kann.
Die Erfindung macht sich die Eigenschaft elektromagnetisch betätigter Ventile zu nutze, die nicht in einer einmal festgelegten Folge betätigt werden müssen, sondern eine gegenüber dem eigentlichen Motorbetrieb auch in anderer Weise betätigbar sind und hierzu von einer elektrischen Steuereinheit entsprechend angesteuert werden. Dabei ist die Erfindung sowohl bei Motoren mit Saugrohreinspritzung, als auch bei Motoren mit Direkteinspritzung (GDI) anwendbar.
Die erwähnten Änderungen der Ventilansteuerung können z. B. dazu benutzt werden, den Motor mit einer erhöhten Zündfolge mit entsprechend geänderter Ventilansteuerung zu starten, den Motor z.B. in der Anlaufphase im Zweitaktbetrieb zu betreiben. Zumindest bei Direkteinspritzung wird vorzugsweise der Motor mit einem langsamen und leistungsarmen Antrieb vorab in eine Stellung gefahren, bei der wenigstens ein Zylinder in einer Stellung zwischen 90° und 45° vor OT steht. Bei einem 4-Zylindermotor stehen zwei Zylinder in dieser Stellung.
Eine weitere Möglichkeit der Starterleichterung ist es, bei einem Motor mit zwei parallel laufenden (d.h. gleichzeitig in OT und UT gelangenden) Zylindern, im ersten Takt diese gleichzeitig zu zünden, wozu natürlich eine entsprechende Steuerung der Ventile notwendig ist.
Schließlich ist es auch möglich, am Startbeginn durch entsprechende Ventilsteuerung den Komprimiervorgang in Zylindern zu vermeiden, die bei Zündung in einem oder mehreren anderen Zylindern dem Anlaufen entgegenwirken würden. Diese Methode kann auch zusätzlich zu den andern oben angesprochenen Methoden angewandt werden.
Bei den oben angesprochenen Methoden kann zumindest bei Direkteinspritzung zusätzlich eine Vorpositionierung wenigstens eines Kolbens in OT oder nahe davor vorgenommen werden. Dieses im Anschluß näher erläuterte Vorpositionieren kann auch ohne die oben erläuterten Starterleichterungen angewendet werden
Bei dem Vorpositionieren ist es möglich die Kurbelwelle mit relativ kleiner Geschwindigkeit in diese Vorposition zu drehen und dabei Luft im ersten Zylinder zu komprimieren. Mit dem Zündbefehl erfolgt eine weitere kleine Verdrehung und es wird eingespritzt und gezündet. Zur Reduzierung der Antriebsleistung ist es vorteilhaft nur mit Teilfüllung, das heißt geringerem Kompessionsdruck den ersten Zylinder zu starten. Es empfiehlt sich dies auch in den nachfolgenden Zylindern zu tun, bis eine genügend hohe Anlaufdrehzahl erreicht ist. Diese Teilfüllung ist besonders mit elektromagnetischer Ventilsteuerung leicht zu erreichen. Zur Reduzierung der Antriebsleistung bietet sich an, bereits beim Annähern an das Fahrzeug, z. B. durch Aktivierung der Fernbedienung oder Öffnen der Türe die Kurbelwelle zu drehen, um einen Zylinder in die Vorposition zu bringen. Die Drehung erfolgt z. B. bis zum oberen Totpunkt. Wird dann der Zündschalter betätigt, so erfolgt nach einer weiteren, kleinen Verdrehung die Einspritzung in den Zylinder und die Zündung, was ein Starten des Motors zur Folge hat. Bei kurzzeitigem Motorabstellen kann bereits ein Zylinder unter Kompression gehalten werden.
Bei Anwendung einer elektromagnetischen Ventilsteuerung, bei der nach beliebigem Schließen der Ventile die Kompressionsphase eingeleitet wird, kann auch ein Zylinder beim Abstellen des Motors oder beim Türöffnen in Startbereitschaft in einem Winkel vor OT gebracht werden, der gerade ausreichend ist, um bei Weiterdrehung der Kurbelwelle für die Zündung ausreichend Kompressionsdruck zu schaffen.
Weiterhin bietet sich bei elektromagnetischer Ventilsteuerung an, die Schwungenergie des Motors nach dem Abstellen des Motors zu nutzen und zwar durch Frei- schalten der Elektromagnetventile. Damit muß keine Kompressionsarbeit geleistet werden. Der Generator kann die Schwungenergie voll zur Batterieladung verwenden.
Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäß ausgestatteten Motors
Fig. 2a bis 2e Diagramme von Zylinderbewegungen zur Erläuterung von Startvorgängen
Fig. 3 einen Motor in Prinzipdarstellung zur Erläuterung der
Voreinstellung
Fig. 4 bis 7 verschiedene benutzbare Antriebe
Fig. 8 und 9 Diagramme zur Funktionserläuterung
In Fig. 1 ist ein Motor 1 prinzipiell dargestellt, von dem ein Kolben 2 eines Zylinders, die Kurbelwelle 3 und eine Pleuelstange 4 sichtbar sind. Mit 5 und 6 sind elektromagnetische Stellantriebe bezeichnet, die ein Einlaßventil 7 und ein Auslaßventil 8 betätigen. Mit 9 ist eine Zündkerze bezeichnet. 10 ist ein Kurbelwellenpositionsgeber, 11 ein Starterantrieb, der über eine elektromagnetische Kupplung 12, 13 auf einen Riemenantrieb 14 einwirkt, über den das Kurbelwellenrad 3a und die Kurbelwelle 3 antreibbar ist. Mit der Welle des von dem Starterantrieb 11 angetriebenen Rads 14a kann der Generator des Motors verbunden sein. Durch ein zweites in den Riemenantrieb 14 angeschaltetes Rad 14b kann ein weiteres Aggregat, z. B. ein Klimakompressor oder ein Lader für aufgeladenen Motor angetrieben werden. 15 ist ein Einspritzventil. Die Stellantriebe 5 und 6 für die Ventile 7 und 8, die Zündkerze 9, das Einspritzventil 15, der Starterantrieb 11 samt Kupplung 12/13 werden durch eine elektrische Steuereinheit 16 gesteuert. Hierzu wertet die Steuereinheit die Signale des Kurbelwellenpositionsgebers 10 aus. Vor dem Starten kann der Kolben 2 über den Antrieb 11 , die Kupplung 12/13 und den Riemenantrieb 14 in eine für den Start günstige Stellung gestellt werden. Hierauf wird später ausführlich eingegangen. Beim Start selbst wird zuerst der Antrieb 11 angesteuert, der zuerst hochläuft. Danach wird die Kupplung 12/13 betätigt und dann zum richtigen Zeitpunkt Kraftstoff über die Einspritzdüse 15 eingespritzt und mittels der Zündkerze 9 gezündet. Die Ventile 7 und 8 sind in entsprechende Stellungen gestellt. Beim Start kann mittels eines Straffers 17 der Riemenantrieb gestrafft werden.
In Fig. 2 sind für verschiedene Motorarten Startverläufe über der Zeit gemäß dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung gegenübergestellt, in allen Fällen sind 4-Zylindermotoren unterstellt.
Fig. 2a zeigt den Startverlauf der 4-Zylinder I bis IV für eine Saugrohreinspritzung gemäß dem Stand der Technik. Der Zylinder I beginnt bei t, mit dem Komprimieren K, es schließt sich die Verbrennungsphase V an, es folgt die Phase A, während der der Zylinder über das Auslaßventil 8 mit dem Auspuff verbunden ist. Schließlich folgt die Luftansaugphase S. Nach 720° wird wieder komprimiert. Es werden hier mindestens 360° Umdrehung benötigt bis bei t2 eine volle Saugphase S und zwar für den Zylinder III stattgefunden hat und kurz nach OT gezündet werden kann, was durch ein entsprechendes Symbol angedeutet ist. Es folgt nach 180° die Zündung im Zylinder IV, nach weiteren 180° die für den Zylinder I und schließlich nach weiteren 180° die für den Zylinder II.
In Fig. 2b ist ein Motor mit Direkteinspritzung (also wirksamen Einspritzventil 15) und ein Start entsprechend dem Stand der Technik unterstellt. Hier kann der Zylinder I bereits nach der Drehung um wenigstens 90° gezündet werden. Es folgen die anderen Zylinder II, III und IV jeweils nach 180°. Auch hier wiederholt sich der Vorgang nach 720°, also zweimaliger Umdrehung.
Fig. 2c zeigt einen Startverlauf für einen Motor mit Direkteinspritzung, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und zwar werden hier die Ventile 7 und 8 und die Einspritzventile 15 der vier Zylinder so gesteuert, daß vor t3 in den Zylindern I und III komprimiert und nach t3 in beiden Zylindern gleichzeitig gezündet wird. In Zylinder III kann nach 360° noch nicht wieder gezündet werden, jedoch werden in Folge der Zylinder II und Zylinder IV gezündet. Die gemeinsame Zündung nach t3 ergibt ein starkes anfängliches Antriebsmoment.
In Fig. 2d ist wieder der Verlauf eines Direkteinspritzmotors gezeigt, bei dem der Motor in der Startphase durch entsprechendes Ansteuern der Ventile 7, 8 und 15 und der Zündkerzen 9 im Zweitaktbetrieb gefahren wird, d.h. jeder Zylinder wird im Abstand von 360° gezündet. Diese Betriebsart wird beibehalten bis der Motor eine bestimmte Drehzahl, z.B. 600U/min erreicht hat. Hier werden noch zusätzlich vor dem Startvorgang die Kolben 2 der Zylinder I und III durch einen langsamen Antrieb in eine Position x zwischen 90° und 45° vor OT gestellt, um den eigentlichen Startvorgang zu erleichtern. Die bis zum OT notwendige Drehung reicht aus, um eine ausreichende Verdichtung der Luft im Zylinder zu erreichen.
In Fig. 2e sind die Verläufe beim Start eines Motors mit Saugrohreinspritzung und einer erfindungsgemäßen Steuerung der Ventile und der Zündung gezeigt. Auch hier wird der Motor im Zweitaktbetrieb gestartet. Es bedarf hier mindestens einer Umdrehung um 360° bis zur ersten Zündung im II. und IV. Zylinder. Dabei werden die Ventile so gesteuert, daß in den Zylindern I und III bis zum Zünden in den Zylindern II und IV keine Kompression stattfindet. Durch dieses Ausschalten der verzögernden und damit störenden Kompression wird weniger Drehmoment benötigt. Es kann deshalb mit weniger Leistung gestartet werden. Die elektromagnetischen Ventile können zusätzlich dazu genutzt werden, nur über ca. 90° anzusaugen, wie für die Zylinder II und IV in der Fig. gezeigt. . Die Ventile 7 und 8 werden hierzu geschlossen und erst kurz vor UT geöffnet. Durch den entstandenen Unterdruck im Zylinder wird nach dem Öffnen des Einlaßventils eine große Luftgeschwindigkeit im Ansaugrohr erzeugt, was eine Verwirbelung des Kraftstoffs mit sich bringt. Dieses Ansaugen über ca. 90° wird im ersten und zweiten Takt bewirkt. Dementsprechend muß die Einspritzmenge bemessen werden. Bei der Saugrohreinspritzung ist die anhand der Fig. 2d erläuterte Vorpositionierung ebenfalls anwendbar. In der Fig. 3 werden die wesentlichen Komponenten und Wirkstrecken für die oben erwähnte Vorpositionierung wenigstens eines Kolbens nahe vor oder im OT gezeigt. Der Motor 33 weist Einspritzventile 34, eine Batterie 31 , einen Generator 32, elektromagnetische Aktuatoren 35 für die elektromagnetische Ventilsteuerung, Zündkerzen 36, eine Kupplung 37 und eine elektrische Steuereinheit 38 auf. Eingangsignale von einem Türschalter einer Fernbedienung 40 und von einem Zündstartschalter 41 werden der Steuereinheit zugeleitet. Beim Annähern an das Fahr- . zeug erfolgt die Aktivierung der Fernbedienung 40. Das entsprechende drahtlose Signal gelangt zur elektronischen Steuereinheit oder bei vernetztem Fahrzeug über den entsprechenden Busknoten und den Datenbus zur Motorsteuereinheit. Redundant hierzu oder ohne Fernbedienung wirkt der Türschalter 39 zur Vorsteuerung des Antriebes. Hierbei wird der Antrieb in Form des Generators 32, der auch als Motor geschaltet werden kann, in Gang gesetzt, welcher die Kurbelwelle soweit verdreht, bis ein Kolben in Startbereitschaft eine Stellung nahe vor OT oder „oberer Totpunkt" OT erreicht hat. Später erfolgt die Einspritzung und die Zündung über den Zündstartschalter 41 , nach dem vorher eine kleine Verdrehung aus der Ausgangsstellung erfolgt war. Nach Erreichen der Voreinstellung vor OT hält der Antrieb den Zylinder in der erreichten Stellung bis der eigentliche Startbefehl erfolgt. Sollte, was ungewöhnlich ist, eine längere Pause zwischen Türöffnung und Zündstartschalter- betätigung liegen, so muß gegebenenfalls der Antrieb den nachfolgenden Zylinder in die Kompressionsphase bringen, weil mittlerweile sich die Kompression abgebaut hat. Damit der Fahrer nicht irritiert wird, kann dieser Vorgang im Display, z. B. des Kombiinstrumentes angezeigt werden. Es kann aber auch nach einer gewissen Zeit wieder ein Zylinder durch langsame Verdrehung in entsprechende Startbereitschaft gebracht werden. Bei Fahrzeugen mit Handschaltgetriebe muß über ein elektrisches Stellglied der Motor beim Starten und beim Antrieb mittels der Kupplung 37 ausgekuppelt werden. Da bereits viele Fahrzeuge mit einer elektrischen Kupplung aus Komfortgründen ausgerüstet werden, ist dies kein Hindernisgrund für die Einführung des Systems. Die elektrische Kupplung hat neben Komfortvorteilen auch Sicherheitsvorteile, weil damit gewährleistet ist, daß beim Startvorgang der Motor immer ausgekuppelt wird und das Fahrzeug sich nicht in Bewegung setzen kann. Bei Au- tomatikgetriebe ist dies nicht notwendig. Die Stellung der Kurbelwelle oder der Kolben wird über einen Kurbelwellenstellungssensor 42 erfaßt.
Der Kurbelwellenstellungssensor 42 gibt der elektrischen Steuereinheit die Information über die Kolbenstellung, damit der Startvorgang sich auf den richtigen Kolben bezieht. Hierzu ist es notwendig, daß im Steuergerät beim Abstellen des Motors die Stellung der Kolben, das heißt die Zündfolge abgespeichert wird.
Als Alternative hierzu oder auch als Ergänzung kann zumindest ein Kolbenstellungsgeber 43 verwendet werden. Dieser ist vorzugsweise am Kurbeltrieb angebracht.
In Fig. 3 ist zugrunde gelegt, daß der Generator 32 auch als Starter, mit relativ geringer Leistung wirken kann. Die Antriebsleistung wird ungefähr 1/10 der normalen Starterleistung sein; damit kann der Antriebsmotor relativ klein mit 100 bis 200W Leistung ausgelegt werden.
In der Fig. 4 wird über eine Kupplung 50 der Antrieb in Form eines Elektromotors 51 eingeschaltet. Es kann eine Fliegkraftkupplung oder vorzugsweise eine elektrische Kupplung verwendet werden. Ein kräftiges Untersetzungsgetriebe 52 ist dem Elektromotor nachgeschaltet, der den Generator 53 antreibt.
Fig.5 zeigt einen sogenannten Kurbelwellenstarter-Generator 60, dessen Rotor zugleich mit der Kupplung 61 kombiniert ist. Die gewünschte reduzierte Antriebsleistung ist auch durch den Kurbelwellenstarter-Generator 60 kostengünstig zu lösen. Beim herkömmlichen Starter reduzieren eine sehr große Übersetzung vom Schwungrad zum Anlasserritzel und zusätzlich ein Untersetzungsgetriebe im Starter das notwendige Drehmoment des Startens. Trotz dieses Übersetzungsverhältnisses sind, wie oben erwähnt, die Stromstärken sehr hoch. Durch das fehlende Übersetzungsverhältnis ist dies beim Kurbelwellenstarter, bei der nach dem Vorschlag reduzierten Antriebsleistung, kein Problem. Fig. 6 zeigt ein Schrittschaltwerk, dessen Zahnscheibe 71 mit dem Schwungrad verbunden ist. Diese Lösung mit der Kupplung kombiniert, kann aber auch mit einem Kurbelwellengenerator gemäß Fig. 5 kombiniert sein. Die Trennung des Antriebes vom Generator macht die konstruktive Lösung einfacher und der Generator kann voll auf die Spannungserzeugung optimiert werden.
Fig. 7 zeigt das Schrittschaltwerk. Zu Beginn der Ankerhubbewegung wird ein Entriegelungsmagnet 80 aktiviert, so daß die Sperrklinke 81 in Eingriff kommt. Nachfolgend wird ein Zugmagnet 82 erregt, welcher den Ankerhebel 83 so weit bewegt, daß ein Schritt weiter geschaltet wird. Diese Lösung ist besonders einfach, da der große Hebelarm des Schwungrades als Zahnscheibe 84 ausgenützt wird und damit die Magnetkräfte relativ gering sein können.
Fig. 8 zeigt in einer zeitlichen Druckverlaufdarstellung einen Kompressionsvorgang. Die gestrichelte Kurve zeigt die Kompressionskurve bei voller Füllung, die nicht unbedingt notwendig ist. Insbesondere bei Verwendung der elektromagnetischen Ventilsteuerung kann zur Reduzierung des Antriebsmomentes nur eine Teilfüllung verwendet werden (ausgezogene Kurve). Befindet sich der Kolben geringfügig nach dem oberen Totpunkt, so erfolgt über die Motorsteuerung die Einspritzung und die Zündung und damit wird der Startvorgang in Gang gesetzt, was sich durch einen kräftigen Druckanstieg zeigt. Wie bereits beschrieben wird im Normalfall der Kolben im Punkt 90a vor OT oder im oberen Totpunkt 90 stillgesetzt, bis dann über den Zündstartschalter der Start eingeleitet wird. Hierbei erfolgt dann nach Punkt 90a oder 90 eine Weiterdrehung der Kurbelwelle durch den Antrieb und im Punkt 91 nach OT die Einspritzung und Zündung. Im nachfolgenden Zylinder wird vorzugsweise ebenso nur eine Teilfüllung verwendet, damit die Drehzahlschwankungen beim Starten geringer sind (Kurve 93).
Fig. 9 zeigt eine Aufzeichnung des zeitlichen Druck- und Drehzahlverlaufs bei Abstellen des Motors. Hier wird der möglicherweise kurzzeitig danach erfolgte Neustart dadurch vorbereitet, daß unter Ausnützung von Steueralgorithmen und insbesondere unter Verwendung der elektromagnetischen Ventilsteuerung der Motorauslauf so gesteuert wird, daß am Ende des Auslaufs ein Zylinder bereits in Kompression ist. Gegebenenfalls kann durch Einschalten des Antriebes der nicht präzise Motorauslauf in die Stellung nahe vor OT oder in die OT-Stellung (Punkt 100) korrigiert werden. Soll dann kurzzeitig danach ein Neustart, z.B. bei einer Ampel er olgen, ist der Motor sofort startbereit. Die Einspritzung und Zündung erfolgt dann zum Zeitpunkt 101 mit dem anschließenden Druckanstieg und Drehzahländerung (untere Kurve).
Wenn das Fahrzeug z. B. bei Verkehrsstau länger mit abgeschaltetem Motor steht, wird die durch den Ausiauf aufgebaute Kompression wieder absinken und zum Motorstart nicht ausreichen. Hier muß bei erfolglosem Motorstartbefehl der Antrieb den Motor weiter verdrehen, bis im nächsten Zylinder Kompression aufgebaut ist und der Start erfolgen kann. Dies gilt allgemein: Wenn ein Startversuch erfolglos ist, muß durch den Antrieb eine Verstellung des Motors auf eine Stellung erfolgen, bei der ein anderer Zylinder Kompression aufweist, so daß über diesen gestartet werden kann. Es kann aber nach einer gewissen Zeit des Abstellens vorsorglich ein Zylinder wieder in die beschriebene Startposition gebracht werden.
Wie bereits erwähnt kann die Schwungenergie beim Abstellen des Motors dadurch genutzt werden, daß die elektromagnetischen Aktuatoren der Ventilsteuerung diese freischalten, so daß keine Kompressionsarbeit mehr geleistet werden muß. Damit wird der Generator angetrieben und über den erzeugten Strom die Energie in die Batterie zurückgeführt. Die Ausnutzung der Schwungenergie schließt die vorgenannte Steuerung nicht aus, denn die Vorbereitung des nächsten Startvorganges wird erst in der Endphase des Motorauslaufs bewirkt.
Anstelle des erwähnten Zündstartschalters kann auch ein anderer Befehl, zum Beispiel über die Fernsteuerung den Motorstart auslösen. Hier erfolgt dann eine kontinuierliche Vorsteuerung ohne Stop über die obere Totpunktstellung hinaus bis zur anschließenden Zündung. Bei Dieselmotoren erfolgt in der Phase der Vorsteuerung die Vorglühung und dann bei kleinem Winkel nach OT die Einspritzung und damit der Motorstart.

Claims

Patentansprüche
1 ) Verfahren zum Starten eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors, enthaltend pro Zylinder(2) eine Zündeinrichtung(9) und wenigstens je ein Einlaß(2)- und Auslaßventil(8), welche Ventile gesteuert von einer elektrischen Steuerein- heit(10) durch elektromagnetische Stelleinrichtungen^, 6) betätigt werden und für alle Zylinder(2) eine Startvorrichtung(11 bis 13), eine Batterie, einen elektrischen Generator und einen Kurbelwellenstellungs-Sensor(IO), dadurch gekennzeichnet, daß beim Startvorgang die elektrische Steuereinheit^ 0) über die elektromagnetischen Stelleinrichtungen^, 6) die Ein(7)- und/oder Auslaßventile(8) und gegebenenfalls die Zündeinrichtung(5) im Sinne einer Reduzierung der erforderlichen Leistung beeinflußt.
2) Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Motor in der Anlaufphase in kürzeren Zündabständen gezündet wird (Fig. 2d und 2e).
3) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor im Zweitaktbetrieb betrieben wird ( Fig. 2d und 2e).
4) Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens während des ersten Zündvorgangs wenigstens zwei Zylinder gleichzeitig gezündet werden (Fig. 2c).
5) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß während des Startvorgangs durch entsprechende Steuerung der Ventile wenigstens eines Zylinders ein Komprimieren in diesem verhindert wird. (Fig. 2Θ)
6) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Startvorrichtung(11 bis 13) auf die Kurbelwelle^) einwirkt.
7) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Startvorrich- tung(11 bis 13) über einen Riemenantrieb(14) auf die Kurbelwelle^) einwirkt. 8) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß während des Startvorgangs eine verstärkte Riemenspannung erzeugt wird.
9) Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß während des Startvorgangs der Starter(11) mit dem Riemenantrieb(14) über eine Kupplung (12, 13) verbunden wird.
10) Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Starter(11 ) zuerst anläuft und dann seine Ankupplung erfolgt (Kupplung 12, 13).
1 1 ) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Zylinder vor dem eigentlichen Start in eine Position zwischen 90° und 45° vor dem oberen Totpunkt (OT) gebracht wird (Fig. 2).
12) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Motoren mit Direkteinspritzung auf einen vor dem Zündbefehl gegebenen Befehl (von 40) der Motor(33) durch einen Antrieb(32) mit kleiner Geschwindigkeit in eine Stellung gedreht wird, bei der der Kolben eines Zylinders wenig vor oder im oberen Totpunkt steht (OT-Stellung), daß mit dem Zündbefehl von 41 eine Weiterdrehung des Motors(33) in der richtigen Drehrichtung erfolgt und daß durch die Einspritzung (Ventil 34) und Zündung (Zündkerzen 36) des komprimierten Gemisches der eigentliche Start ausgelöst wird.
13) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Motoren mit Direkteinspritzung auf einen Befehl der Motor durch einen Antrieb mit kleiner Geschwindigkeit in eine Stellung gedreht wird, in der der Kolben eines Zylinders eine Stellung kurz nach der OT-Stellung erreicht und daß dann die Einspritzung und die Zündung erfolgt.
14) Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Ottomotor ist. 15) Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Dieselmotor ist.
16) Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb durch den Generator(32) erfolgt.
17) Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb durch einen Elektromotor(51 ) erfolgt, der zum Antreiben über eine lösbare Kupplung(52) angekoppelt wird.
18) Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb durch ein Schrittschaltwerk erfolgt, das vorzugsweise auf das Kurbelwellenschwungrad einwirkt (Fig. 5).
19) Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrehung des Motors in die Sollstellung eines Zylinders bei Türöffnung (Schalter 39) oder durch Fernbedienung(40) der Türverriegelung ausgelöst wird.
20) Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß gesteuert durch die elektromagnetische Ventilsteuerung der Motorauslauf bei Abstellen des Motors dazu benutzt wird, den Kolben eines Zylinders in die Sollstellung zu stellen.
21 ) Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder, dessen Kolben in die Sollstellung gebracht wird, nur zum Teil gefüllt wird und damit einen kleineren Kompressionsdruck aufweist.
22) Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, daß auch bei nachfolgenden Zylindern nur zum Teil gefüllt wird.
23) Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß bei Schaltfahrzeugen während des Startvorgangs die Kupplung betätigt wird. 24) Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß während des Motorauslaufs mittels der elektromagnetischen Ventilsteuerung die Zylinder des Motors wenigstens teilweise kompressionsfrei geschaltet werden und daß die Schwungenergie des Motors über den Generator zur Batterieladung benutzt wird.
25) Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Zündbefehl ohne erfolgten Motorstart der Antrieb den Motor in eine Stellung dreht, in der ein anderer Zylinder ausreichende Kompression aufweist und daß dann eingespritzt und gezündet wird.
26) Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25 dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Motorsteuergerät einen Speicher besitzt, der nach Abstellen des Motors die Kurbelwellenstellung, bzw. Zündfolge und damit Stellung der Kolben abspeichert.
27) Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß neben einem Kurbelwellenstellungsgeber zumindest noch ein Kolbenstellungsgeber verwendet wird.
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