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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum anlasserfreien
Starten einer mehrzylindrigen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine
insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Dabei wird die Stellung eines
Kolbens in einem Zylinder der Brennkraftmaschine ermittelt und Kraftstoff
in einen Brennraum desjenigen Zylinders eingespritzt und unmittelbar
danach gezündet,
dessen Kolben sich in einer Arbeitsphase befindet. Dadurch wird
der Startvorgang ausgelöst.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Speicherelement, insbesondere ein Read-Only-Memory, ein Random-Access-Memory
oder ein Flash-Memory, für
ein Steuergerät
einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Auf
dem Speicherelement ist ein Computerprogramm abgespeichert, das
auf einem Rechengerät,
insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig ist.
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Die
vorliegende Erfindung trifft des Weiteren ein Computerprogramm,
das auf einem Rechengerät,
insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig ist.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
eine direkteinspritzende mehrzylindrige Brennkraftmaschine insbesondere
eines Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine weist Mittel zur Ermittlung
der Stellung eines Kolbens in einem Zylinder der Brennkraftmaschine,
ein Kraftstoffzumesssystem zum Einspritzen von Kraftstoff in einen
Brennraum desjenigen Zylinders, dessen Kolben sich in einer Arbeitsphase
befindet, und Zündmittel
zum Entzünden
des in den Zylinder eingespritzten Kraftstoffs unmittelbar nach
dem Einspritzen auf. Dadurch wird der Startvorgang ausgelöst.
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Schließlich betrifft
die vorliegende Erfindung ein Steuergerät einer direkteinspritzenden
mehrzylindrigen Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
Die Brennkraftmaschine weist Mittel zur Ermittlung der Stellung
eines Kolbens in einem Zylinder der Brennkraftmaschine, ein Kraftstoffzumesssystem
zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum eines Zylinders
und Zündmittel
zum Entzünden
des in den Zylinder eingespritzten Kraftstoffs zu einem vorgebbaren
Zeitpunkt auf. Das Steuergerät
steuert die Mittel zur Ermittlung der Stellung eines Kolbens, das
Kraftstoffzumesssystem und die Zündmittel
zum Auslösen
des Startvorgangs derart an, dass das Kraftstoffzumesssystem Kraftstoff
in einen Brennraum desjenigen Zylinders einspritzt, dessen Kolben
sich in einer Arbeitsphase befindet, und die Zündmittel den in den Zylinder
eingespritzten Kraftstoff unmittelbar nach dem Einspritzen entzünden.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 198 50 142
C1 ist ein Verfahren zum Starten einer mehrzylindrigen
Brennkraftmaschine bekannt. Dabei wird die Brennkraftmaschine jedoch
durch einen auf die Kurbelwelle wirkenden Starter auf die Start-Drehzahl
gebracht. In dieser Druckschrift wird vorgeschlagen, Einlass- und
Auslassventile der Brennkraftmaschine durch eine elektromagnetische
Ventilsteuerung derart anzusteuern, dass bspw. bei einer 4-Zylinder-Brennkraftmaschine zwei
Zylinder parallel („zeitgleich ") zueinander arbeiten.
Das bedeutet, dass die beiden Zylinder die verschiedenen Betriebsphasen
gleichzeitig durchlaufen und dass in der Arbeitsphase der beiden
Zylinder ein doppeltes Drehmoment erzeugt wird. Auf diese Weise
soll die Brennkraftmaschine die Leerlaufdrehzahl schneller erreichen.
Der Kraftstoff wird zeitgleich in die beiden Zylinder eingespritzt
und auch zeitgleich gezündet.
Eine besonders gute Gemischaufbereitung, durch welche die Verbrennung
in den Zylindern positiv beeinflusst wird, kann bei dem bekannten
Verfahren jedoch nicht erzielt werden.
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Aus
der
DE 197 43 492
A1 ist ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine
der eingangs genannten Art bekannt. Dieser Druckschrift kann zwar
ein anlasserfreies Starten der Brennkraftmaschine entnommen werden.
Ein Hinweis auf eine positive Beeinflussung der Gemischaufbereitung
und der Verbrennung in den Zylindern ist aus dieser Druckschrift
jedoch nicht bekannt.
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Aus
der
DE 197 42 969
A1 ist ein Verfahren zum Starten einer mehrzylindrigen
direkteinspritzenden Brennkraftmaschine bekannt, bei dem zum schnellen
Momentenaufbau die serielle Zündfolge der
Brennkraftmaschine durch ein Parallelschalten von Arbeitstakten über eine
geeignete Ventilsteuerung aufgehoben wird. Zu diesem Zweck verfügt die Brennkraftmaschine über – soweit
es der Ventilfreigang zulässt – frei betätigbare
Einlass- und Auslassventile.
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Bei
mindestens einer Umdrehung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
werden die Einlassventile der Zylinder, deren Kolben gleichzeitig
im oberen Totpunkt sind, geöffnet.
Nach der Ausführung
eines Ansaug- und Verdichtungshubs erfolgt die Zündung des in den Brennräumen dieser
Zylinder verdichteten Kraftstoffs gleichzeitig. Es durchlaufen also zwei
Zylinder parallel die Arbeitsphase. Im Anschluß an den Arbeitshub werden
die Verbrennungsgase über
die gleichzeitig geöffneten
Auslassventile der Zylinder ausgestoßen. Bei dem bekannten Verfahren wird
der Startvorgang jedoch nicht durch die Verbrennung in den Zylindern,
sondern durch einen eigens vorgesehenen elektromotorischen Anlasser
bewerkstelligt. Dieser führt
einen Ansaug- und/oder Verdichtungshub vor der ersten Zündung aus.
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Ein
Verfahren zum anlasserfreien Starten einer Brennkraftmaschine der
eingangs genannten Art ist bspw. aus der
DE 100 20 104 bekannt. Bei dem dort
beschriebenen Verfahren wird kein Ansaug- oder Verdichtungshub vor
der ersten Zündung
ausgeführt,
der Startvorgang wird vielmehr allein durch die Zündung ausgelöst. Der
Vorteil eines solchen verbrennungsmotorischen Direktstarts besteht
insbesondere darin, dass auf einen elektromotorischen Antrieb zum
Starten oder zum Ausführen
eines Ansaug- und/oder
Verdichtungshubs vor der ersten Zündung verzichtet werden kann.
Durch den fehlenden Verdichtungshub vor der ersten Zündung fällt allerdings
ein wirkungsvoller Mechanismus zur Aufbereitung eines in dem Brennraum
enthaltenen Kraftstoff/Luft-Gemisches weg.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einem
anlasserfreien Direktstart einer mehrzylindrigen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine
die Gemischaufbereitung zu Beginn des Startvorgangs zu verbessern.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe schlägt
die Erfindung ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten
Art vor, dass im weiteren Verlauf des Startvorgangs noch in dem
gleichen Arbeitstakt der Brennkraftmaschine unmittelbar nach dem
Zünden des
in den in der Arbeitsphase befindlichen Zylinder eingespritzten
Kraftstoffs Kraftstoff in einen Brennraum eines weiteren Zylinders
eingespritzt wird, dessen Kolben sich in einer Ansaugphase befindet,
das oder jedes Einlassventil des in der Ansaugphase befindlichen
weiteren Zylinders vor dem Zünden
des Kraftstoffs geschlossen wird und der eingespritzte Kraftstoff
ebenfalls noch in dem gleichen Arbeitstakt gezündet wird.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich zum anlasserfreien Starten einer direkteinspritzenden
Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern. Vor Beginn des
Verfahrens wird die Drehwinkelstellung einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine,
also die Stellung der Kolben in den Zylindern der Brennkraftmaschine,
ermittelt. Bei einer Brennkraftmaschine mit vier oder mehr Zylindern
ist mit Sicherheit der Kolben mindestens eines Zylinders in der
Arbeitsphase. Wenn sich bei einer Brennkraftmaschine mit weniger
als vier Zylindern kein Kolben eines Zylinders in der Arbeitsphase
befindet, werden die Einlass- und Auslassventile desjenigen Zylinders,
der sich in der Ansaugphase befindet, in eine der Arbeitphase entsprechende
Stellung gebracht, d. h. die Einlass- und Auslassventile werden
geschlossen.
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Zur
freien Betätigung
der Einlass- und Auslassventile weisen diese bspw. eine nockenwellenfreie
Steuerung auf. Mit dieser kann jedes Einlass- und Auslassventil
getrennt von den anderen Ventilen und unabhängig von der Stellung der Nockenwelle angesteuert
werden. Zur nockenwellenfreien Steuerung sind die Einlass- und/oder
Auslassventile entweder einzeln oder mehrere gemeinsam mit einem Stellorgan
ausgerüstet.
Das Stellorgan kann hydraulisch, piezoelektrisch, elektromagnetisch
oder auf andere Weise betätigt
werden. Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von nockenwellenfreien Steuerungen
für Einlass- und Auslassventile
bekannt, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt
werden können.
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Alternativ
weisen die Einlass- und Auslassventile für eine freie Betätigung bspw.
einen variablen Nockenwellensteller auf der Einlassseite und einem variablen
Ventilhub auf. Damit kann die Einlassnockenwelle derart verstellt
werden, dass die Einlassventile in der Ansaugphase nur zu Beginn
kurzzeitig geöffnet
sind und somit in eine der Arbeitsphase entsprechende Stellung gebracht
werden. Dadurch kann auf der Einlassseite ein frühere, Einlassschluss eingestellt
werden.
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In
den Brennraum des in der Arbeitsphase befindlichen Zylinders wird
Kraftstoff eingespritzt und unmittelbar danach gezündet, wodurch
die Brennkraftmaschine in eine erste Drehbewegung versetzt, der
Startvorgang also ausgelöst
wird. Im weiteren Verlauf des Startvorgangs wird dann unmittelbar nach
dem Zünden
des Kraftstoff/LuftGemisches in dem in der Arbeitsphase befindlichen
Zylinder Kraftstoff in den Brennraum eines weiteren Zylinders eingespritzt,
dessen Kolben sich in einer Ansaugphase befindet. Für eine weitere
Beschleunigung der Drehbewegung der Brennkraftmaschine wird der
in den Brennraum des weiteren Zylinders eingespritzte Kraftstoff
noch in der Ansaugphase gezündet.
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Durch
das Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum eines sich in der
Ansaugphase befindlichen Zylinders vor der zweiten Verbrennung,
wird die Gemischaufbereitung für
die zweite Verbrennung positiv beeinflusst. Zu Beginn der Ansaugphase
eines Zylinders ist das Einspritzventil des Zylinders geöffnet, um
Luft in den Brennraum des Zylinders saugen zu können. Durch das Ansaugen von
Luft über
das Einlassventil bilden sich Verwirbelungen in dem Brennraum des
Zylinders aus, die auch nach dem Schließen des Einlassventils noch
für eine
kurze Zeitdauer bestehen bleiben. Der vor der zweiten Zündung in
den Brennraum einzuspritzende Kraftstoff wird in diese Verwirbelungen
hinein gespritzt, wodurch sich eine besonders homogene Vermischung von
Kraftstoff und Luft in dem Brennraum ergibt. Die Kraftstoffeinspritzung
vor der zweiten Zündung
erfolgt also gewissermaßen
im Homogenbetrieb. Das Einlassventil des sich in der Ansaugphase
befindlichen Zylinders kann unmittelbar vor, während oder aber auch erst nach
der Kraftstoffeinspritzung geschlossen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist auch bei Brennkraftmaschinen mit mehreren Einlass- und/oder
Auslassventilen pro Zylinder anwendbar. Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
genügt
es, wenn mindestens eines der Einlass- bzw. Auslassventile entsprechend
betätigt wird.
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Durch
die homogene Verteilung des Kraftstoff/Luft-Gemisches in dem Brennraum
des weiteren Zylinders wird nach einer Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches
eine besonders gute Verbrennung ermöglicht, so dass mit der zweiten
Verbrennung ein besonders hohes Drehmoment auf die Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine übertragen
werden kann. Es hat sich gezeigt, dass bei einem anlasserfreien
Start die erste Verbrennung hauptsächlich dazu dient, die Kurbelwelle
in eine erste Drehbewegung zu versetzen. Entscheidend für Erfolg
oder Misserfolg eines anlasserfreien Starts ist jedoch insbesondere
die zweite Verbrennung. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann gerade diese
zweite Verbrennung deutlich verbessert werden, so dass ein sicheres
und zuverlässiges
anlasserfreies Starten einer Brennkraftmaschine möglich wird.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen,
dass ein Einlassventil des in der Ansaugphase befindlichen weiteren
Zylinders während
der Kraftstoffeinspritzung offen gehalten und erst kurz vor dem
Zünden des
Kraftstoffs geschlossen wird. Auf diese Weise bleibt die Verwirbelung
in dem Brennraum des weiteren Zylinders auch während der Kraftstoffeinspritzung
in vollem Umfang erhalten. Dadurch wird eine besonders homogene
Verteilung des Kraftstoff/Luft-Gemisches in dem Brennraum und anschließend eine
vollständige
Verbrennung erzielt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass im weiteren Verlauf
des Startvorgangs in die Brennräume
von sich entweder in einer Ansaugphase oder in einer Verdichtungsphase
befindlichen Zylindern Kraftstoff eingespritzt und der in den Brennräumen verdichtete
Kraftstoff gezündet
wird. Das Kraftstoff/Luft-Gemisch wird also gegen Ende der Verdichtungsphase
kurz vor Erreichen oder kurz nach Überschreiten des oberen Totpunktes
gezündet.
Auf diese Weise werden dritte und weitere Verbrennungen erzeugt,
durch die der durch die zweite Verbrennung maßgeblich iniziierte Startvorgang
der Brennkraftmaschine fortgesetzt und zu Ende geführt wird.
Voraussetzung für
das Einspritzen von Kraftstoff während der
Verdichtungsphase ist, dass der Kraftstoff in einem Kraftstoffzumesssystem
der Brennkraftmaschine mit einem ausreichend hohen Druck zur Verfügung steht.
Ein ausreichend hoher Einspritzdruck kann mittels einer unabhängig von
der Brennkraftmaschine bspw. elektrisch betriebenen Hochdruckpumpe
erzeugt werden.
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Vorteilhafterweise
wird die zu Beginn des Startvorgangs in den Brennraum des in der
Arbeitsphase befindlichen Zylinders einzuspritzende Kraftstoffmasse
derart dosiert, dass sich für
die erste Verbrennung ein Sauerstoffüberschuss ergibt. Wegen der
Parallelisierung der Arbeitstakte zu Beginn des Startvorgangs wird
der Zylinder, der sich zu Beginn des Startvorgangs in der Arbeitsphase
befand, unmittelbar in eine Verdichtungsphase umgeschaltet. Vor
der Verdichtungsphase kann kein Ladungswechsel erfolgen. Aufgrund
des Sauerstoffüberschusses während der
ersten Verbrennung ist in dem Brennraum des Zylinders nach der ersten
Verbrennung noch Sauerstoff enthalten, der zusammen mit während der
Verdichtungsphase eingespritztem Kraftstoff zu einem zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisch wird.
Der hohe Sauerstoffüberschuss
für die
erste Verbrennung kann bspw. durch eine Schichtladung erzielt werden.
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Vorzugsweise
wird nach einer ersten Drehbewegung der Brennkraftmaschine durch
das Zünden
und Verbrennen des in den Brennraum des in der Arbeitsphase befindlichen
Zylinders eingespritzten Kraftstoffs vor Erreichen eines unteren
Totpunkts (UT) zuerst ein Auslassventil geöffnet und danach noch vor Erreichen
des unteren Totpunkts (UT) des Auslassventil geschlossen und ein
Einlassventil geöffnet.
Dadurch kann noch vor Beginn der nächsten Verdichtung in dem Zylinder
Sauerstoff einströmen, was
zu einer deutlich verbesserten Verbrennung des Kraftstoff-/Luft-Gemisches
führt.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Kraftstoff
während
des Startvorgangs mit einem von einer Vorförderpumpe der Brennkraftmaschine
erzeugten Druck in die Brennräume
der Zylinder eingespritzt wird. Der von einer als Elektrokraftstoffpumpe
(EKP) ausgebildeten Vorförderpumpe
erzeugte Druck wird auch als Raildruck EKP bezeichnet. Bei Brennkraftmaschinen,
die eine in Abhängigkeit
von der Brennkraftmaschine, bspw. über die Nockenwelle, angetriebene
Hochdruckpumpe aufweisen, muss der Kraftstoff während des anlasserfreien Startvorgangs
mit dem Raildruck EKP eingespritzt werden.
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Alternativ
wird gemäß einer
weitere bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass der Kraftstoff während des Startvorgangs
mit einem von einer Hochdruckpumpe der Brennkraftmaschine erzeugten
Einspritzdruck in die Brennräume
der Zylinder eingespritzt wird. Dadurch kann Kraftstoff auch problemlos
während
der Verdichtungsphase der Brennkraftmaschine in den Brennraum des
Zylinders eingespritzt werden. Der Einspritzdruck wird von einer
unabhängig
von der Brennkraftmaschine, bspw. elektrisch angetriebenen Hochdruckpumpe
erzeugt.
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Von
besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens
in der Form eines Speicherelements, das für ein Steuergerät einer
Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs vorgesehen
ist. Dabei ist auf dem Speicherelement ein Computerprogramm abgespeichert, das
auf einem Rechengerät,
insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignet ist. In diesem Fall wird also die Erfindung durch ein auf
dem Speicherelement abgespeichertes Computerprogramm realisiert,
so dass dieses mit dem Computerprogramm versehene Speicherelement
in gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu dessen
Ausführung
das Computerprogramm geeignet ist. Als Speicherelement kann insbesondere
ein elektrisches Speichermedium zur Anwendung kommen, bspw. ein
Read-Only-Memory, ein Random-Access-Memory oder ein Flash-Memory.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, das zur Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignet ist, wenn es auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor,
abläuft.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Computerprogramm auf einem
Speicherelement, insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert
ist.
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Als
eine weitere Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von einer
direkteinspritzenden mehrzylindrigen Brennkraftmaschine der eingangs
genannten Art vorgeschlagen, dass im weiteren Verlauf des Startvorgangs
das Kraftstoffzumesssystem in dem gleichen Arbeitstakt der Brennkraftmaschine
unmittelbar nach dem Zünden
des in den in der Arbeitsphase befindlichen Zylinder eingespritzten
Kraftstoffs Kraftstoff in einen Brennraum eines weiteren Zylinders
einspritzt, dessen Kolben sich in einer Ansaugphase befindet, das
oder jedes Einlassventil des in der Ansaugphase befindlichen weiteren
Zylinders vor dem Zünden
des Kraftstoffs schließt
und die Zündmittel
den eingespritzten Kraftstoff ebenfalls noch in dem gleichen Arbeitstakt
zünden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen,
dass die Brennkraftmaschine Mittel zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
aufweist.
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Als
noch eine weitere Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von einem
Steuergerät
einer direkteinspritzenden mehrzylindrigen Brennkraftmaschine der
eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Steuergerät die Mittel
zur Ermittlung der Stellung eines Kolbens, das Kraftstoffzumesssystem
und die Zündmittel
im weiteren Verlauf des Startvorgangs derart ansteuert, dass das
Kraftstoffzumesssystem noch in dem gleichen Arbeitstakt der Brennkraftmaschine
unmittelbar nach dem Zünden
des in den in der Arbeitsphase befindlichen Zylinder eingespritzten
Kraftstoffs Kraftstoff in einen Brennraum eines weiteren Zylinders
einspritzt, dessen Kolben sich in einer Ansaugphase befindet, das
oder jedes Einlassventil des in der Ansaugphase befindlichen weiteren
Zylinders vor dem Zünden
des Kraftstoffs schließt
und die Zündmittel
den eingespritzten Kraftstoff ebenfalls noch in dem gleichen Arbeitstakt
zünden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen,
dass das Steuergerät
Mittel zur Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
aufweist.
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Zeichnungen
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden
alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination
den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung
in den Patentansprüchen
oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig von
ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in
der Zeichnung. Es zeigen:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel;
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2 ein
schematisches Diagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Starten der Brennkraftmaschine aus 1; und
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3 ein
Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens
aus 2.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
eine Brennkraftmaschine in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die
Brennkraftmaschine 1 weist einen Kolben 2 auf, der
in einem Zylinder 3 hin- und
herbewegbar ist. Der Zylinder 3 ist mit einem Brennraum 4 versehen,
an den über
Ladungsventile 5 ein Ansaugrohr 6 (Einlassventil)
und ein Abgasrohr 7 (Auslassventil) angeschlossen sind.
Des Weiteren sind dem Brennraum 4 ein mit einem Signal
TI ansteuerbares Einspritzventil 8 und eine mit einem Signal
ZW ansteuerbare Zündkerze 9 zugeordnet.
Die Brennkraftmaschine 1 ist zwischen verschiedenen Betriebsarten
hin- und herschaltbar.
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In
einer ersten Betriebsart, dem Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine 1,
wird der Kraftstoff von dem Einspritzventil 8 während einer
durch den Kolben 2 hervorgerufenen Verdichtungsphase in
den Brennraum 4 eingespritzt, und zwar örtlich in die unmittelbare
Umgebung der Zündkerze 9 sowie
zeitlich unmittelbar vor dem oberen Totpunkt OT des Kolbens 2 bzw.
vor dem Zündzeitpunkt.
Dann wird mit Hilfe der Zündkerze 9 der
Kraftstoff entzündet,
so dass der Kolben 2 in der nunmehr folgenden Arbeitsphase durch
die Ausdehnung des entzündeten
Kraftstoffs angetrieben wird.
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In
einer zweiten Betriebsart, dem Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine 1,
wird der Kraftstoff von dem Einspritzventil 8 während einer
durch den Kolben 2 hervorgerufenen Ansaugphase in den Brennraum 4 eingespritzt.
Durch die gleichzeitig angesaugte Luft wird der eingespritzte Kraftstoff
verwirbelt und damit in dem Brennraum 4 im Wesentlichen gleichmäßig (homogen)
verteilt. Danach wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch während der
Verdichtungsphase verdichtet, um dann von der Zündkerze 9 entzündet zu
werden. Durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs wird der
Kolben 2 angetrieben.
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Im
Schichtbetrieb wie auch im Homogenbetrieb wird durch den angetriebenen
Kolben 2 eine Kurbelwelle 10 in eine Drehbewegung
versetzt, über die
letztendlich die Räder
des Kraftfahrzeugs angetrieben werden. Der Kurbelwelle 10 ist
ein Drehzahlsensor 11 zugeordnet, der in Abhängigkeit
von der Drehbewegung der Kurbelwelle 10 ein Signal N erzeugt.
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Der
Kraftstoff wird im Schichtbetrieb und im Homogenbetrieb unter einem
hohen Druck über
das Einspritzventil 8 in den Brennraum 4 eingespritzt.
Zu diesem Zweck ist eine elektrische Kraftstoffpumpe als Vorförderpumpe
und eine Hochdruckpumpe vorgesehen (Vorförderpumpe und Hochdruckpumpe nicht
dargestellt), wobei letztere von der Brennkraftmaschine 1 oder
elektromotorisch angetrieben sein kann. Die elektrische Kraftstoffpumpe
(EKP) wird unabhängig
von der Brennkraftmaschine 1 angetrieben und erzeugt einen
sogenannten Raildruck EKP von mindestens 3 bar, und die Hochdruckpumpe
erzeugt einen Rail-Druck HD von bis zu etwa 200 bar. Bei selbstzündenden
Brennkraftmaschinen liegen die erzeugten Drücke wesentlich höher.
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Die
im Schichtbetrieb und im Homogenbetrieb von dem Einspritzventil 8 in
den Brennraum 4 eingespritzte Kraftstoffmasse wird von
einem Steuergerät 12,
insbesondere im Hinblick auf einen geringen Kraftstoffverbrauch
und/oder eine geringe Schadstoffemission, gesteuert und/oder geregelt.
Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 12 mit einem Mikroprozessor 14 versehen,
der in einem Speicherelement, insbesondere in einem Flash-Memory 15,
ein Computerprogramm abgespeichert hat, das dazu geeignet ist, die
genannte Steuerung und/oder Regelung durchzuführen. Zur Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
ist entweder ein eigenes auf dem Mikroprozessor 14 ablauffähiges Computerprogramm
auf dem Flash-Memory 15 abgespeichert, oder aber das bestehende
Computerprogramm ist in geeigneter Weise erweitert.
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Das
Steuergerät 12 ist
von Eingangssignalen beaufschlagt, die mittels Sensoren gemessene Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine 1 darstellen. Bspw. ist das Steuergerät 12 mit
einem in dem Ansaugrohr 6 angeordneten Luftmassensensor,
einem in dem Abgasrohr 7 angeordneten Lambda-Sensor und/oder
mit dem Drehzahlsensor 11 verbunden. Des Weiteren ist das
Steuergerät 12 mit
einem Fahrpedalsensor 13 verbunden, der ein Signal FP erzeugt,
das die Stellung eines von einem Fahrer betätigbaren Fahrpedals angibt.
Das Steuergerät 12 erzeugt
Ausgangssignale, mit denen über
Aktoren oder Steller das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 entsprechend
der erwünschten
Steuerung und/oder Regelung beeinflusst werden kann. Bspw. ist das
Steuergerät 12 mit
dem Einspritzventil 8 und der Zündkerze 9 verbunden
und erzeugt die zu deren Ansteuerung erforderlichen Signale TI,
ZW.
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In 2 ist
ein erfindungsgemäßes Verfahren
zum anlasserfreien Starten einer direkteinspritzenden 4-Zylinder-Brennkraftmaschine 1 in
der Form eines Diagramms schematisch dargestellt. Die einzelnen
Zeilen des Diagramms beziehen sich auf den jeweils angegebenen Zylinder 3 der
Brennkraftmaschine 1. Die verschiedenen Zylinder 3 sind
dabei mit Nummern gekennzeichnet. Die einzelnen Spalten des Diagramms
beziehen sich auf die Phasen bzw. Takte, in denen sich der Kolben 2 des
zugehörigen Zylinders 3 befindet.
Jeder der Kolben 2 kann sich dabei in einer Ansaugphase,
einer Verdichtungsphase, einer Arbeitsphase oder einer Ausstoßphase befinden.
Die Übergänge zwischen
den einzelnen Phasen sind durch die oberen Totpunkte OT der Kolben 2 gekennzeichnet.
Insoweit stellt die horizontale Achse entlang der verschiedenen
Phasen der Kolben 2 einen Drehwinkel °KW der Kurbelwelle 10 dar.
Die Stellung der Brennkraftmaschine 1 vor dem Start, also
die Stellung im Stillstand der Brennkraftmaschine 1, ist
gestrichelt dargestellt.
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Bei
dem in der 2 dargestellten und nachfolgend
beschriebenen Verfahren ist der Drehzahlsensor 11 als Absolutwinkelgeber
ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Drehzahlsensor 11 jederzeit, insbesondere
auch nach einem Stillstand der Brennkraftmaschine 1, den
Drehwinkel °KW
erzeugt und an das Steuergerät 12 weitergibt.
Auf diese Weise kann vor dem Beginn des Startvorgangs die Stellung
der Kolben 2 in den Zylindern 3 ermittelt werden.
Alternativ kann die Kurbelwelle 10 auch durch einen elektromotorischen
Anlasser in eine notwendige Umdrehung versetzt werden, damit der
Drehzahlsensor 11 die Stellung des Kolbens 2 signalisieren
kann.
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Bei
dem Verfahren nach 2 befindet sich bei stillstehender
Brennkraftmaschine 1 der Zylinder Nr. 4 in seiner Arbeitsphase
(Einlass- und Auslassventile 5 geschlossen, Stellung des
Kolbens 2 nach OT). Der Zylinder Nr. 4 ist der Startzylinder.
Zu Beginn des Startvorgangs wird in den Brennraum 4 des Zylinders
Nr. 4 Kraftstoff eingespritzt. Falls die Hochdruckpumpe abhängig von
der Brennkraftmaschine 1 angetrieben wird, erfolgt die
Einspritzung nur unter Raildruck EKP der elektrischen Kraftstoffpumpe.
Andernfalls, d. h. die Hochdruckpumpe wird unabhängig von der Brennkraftmaschine 1 angetrieben,
wird der Kraftstoff zwecks Gemischaufbereitung unter Hochdruck HD
in den Brennraum 4 eingespritzt. Unmittelbar nach der Einspritzung
wird der eingespritzte Kraftstoff bzw. das in dem Brennraum 4 enthaltene Kraftstoff/Luft-Gemisch
gezündet.
Dies hat eine erste Verbrennung zur Folge, durch die die Kurbelwelle 10 in
eine erste vorwärts
gerichtete Drehbewegung versetzt wird.
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Unmittelbar
nach Drehbeginn wird Kraftstoff in den Zylinder Nr. 1 eingespritzt,
der sich in der Ansaugphase befindet, d. h. das Einlassventil ist
geöffnet
und das Auslassventil geschlossen. Anschließend wird der eingespritzte
Kraftstoff noch in der Ansaugphase gezündet, wobei das Einlassventil
unmittelbar vor der Zündung
geschlossen wird. Der Schließzeitpunkt
des Einlassventils ist in 2 durch die
senkrechte gestrichelte Linie unmittelbar vor der Zündung in
dem Zylinder Nr. 1 verdeutlicht. Die Zündung hat eine zweite Verbrennung
zur Folge, durch die die Drehbewegung der Kurbelwelle 10 stark
beschleunigt wird. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere die zweite
Verbrennung einen entscheidenden Anteil an Erfolg oder Misserfolg
des Startvorgangs hat.
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Während der
Ansaugphase wird über
das geöffnete
Einlassventil Luft aus dem Ansaugrohr 6 in den Brennraum 4 des
Zylinders 3 gesaugt. Durch den Luftstrom der angesaugten
Luft ergeben sich starke Verwirbelungen in dem Brennraum 4,
die zu einer besonders guten Vermischung des eingespritzten Kraftstoffs
mit der angesaugten Luft führen.
Aufgrund der Einspritzung während
der Ansaugphase ergibt sich also ein besonders homogenes Kraftstoff/Luft-Gemisch
in dem Brennraum 4 des Zylinders Nr. 1, das nach der Zündung vollständig verbrennt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird durch die zweite Verbrennung also ein besonders hohes Drehmoment auf
die Kurbelwelle 10 übertragen
wodurch ein sicheres und zuverlässiges
anlasserfreies Starten der Brennkraftmaschine 1 ermöglicht wird.
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Das
Einlassventil bleibt während
der Kraftstoffeinspritzung vorzugsweise geöffnet. Es ist jedoch auch denkbar,
das Einlassventil bereits vor oder während der Einspritzung zu schließen. Nach
dem Schließen
des Einlassventils klingen die Luftverwirbelungen nur langsam ab,
so dass in der Ansaugphase selbst bei einer Kraftstoffeinspritzung
bei geschlossenem Einlassventil noch eine ausreichend gute Vermischung
des Kraftstoff/Luft-Gemisches sichergestellt ist.
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Während sich
der Zylinder Nr. 1 in der Ansaugphase befindet, wird in den Zylinder
Nr. 3, der sich in der Verdichtungsphase befindet, in der die Einlass-
und Auslassventile geschlossen sind, Kraftstoff eingespritzt und
am Ende der Verdichtungsphase oder nach Überschreiten des oberen Totpunkts OT
am Anfang der Arbeitsphase gezündet.
Die weiteren Einspritzungen, Zündungen
und Stellungen der Ventile 5 sind in dem Diagramm am Beispiel
des Zylinders Nr. 4, des Zylinders Nr. 2 und des Zylinders Nr. 1
dargestellt. Demnach erfolgen die weiteren Einspritzungen während der
Ansaugphase des jeweiligen Zylinders 3 (Zylinder Nr. 2
und Zylinder Nr. 1) bzw. während
der Verdichtungsphase (Zylinder Nr. 4). Die Zündung des eingespritzten Kraftstoffs
erfolgt gegen Ende der Verdichtungsphase kurz vor oder kurz nach
Erreichen des oberen Totpunkts OT.
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Um
Kraftstoff während
der Verdichtungsphase in den Brennraum 4 des Zylinders
Nr. 4 einspritzen zu können,
muss der einzuspritzende Kraftstoff mit einem hohen Einspritzdruck
an dem Einspritzventil 8 anliegen. Ein derart hoher Einspritzdruck
kann bspw. von einer unabhängig
von der Brennkraftmaschine 1 (z. B. elektrisch) angetriebenen
Hochdruckpumpe erzeugt werden. Um Kraftstoff während der Ansaugphase in den
Brennraum des Zylinders Nr. 2 und des Zylinders Nr. 1 einspritzen
zu können,
reicht ein niedrigerer Einspritzdruck, bspw. der von einer Elektrokraftstoffpumpe
erzeugte Raildruck EKP, aus.
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In
dem Zylinder Nr. 4 konnte während
des vorangegangenen Arbeitstaktes aufgrund der Parallelisierung
der Arbeitstakte kein Ladungswechsel stattfinden. Der Zylinder Nr.
4 geht also in Abweichung von der sonst üblichen Reihenfolge der Arbeitstakte
von der Arbeitsphase unmittelbar in die Verdichtungsphase über. Eine
Ausstossphase und eine Ansaugphase gibt es nicht. Um dennoch ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch
zu erzielen, wird für
die erste Verbrennung ein entsprechend hoher Sauerstoffüberschuß vorgesehen,
so dass nach der ersten Verbrennung noch Sauerstoff für die weitere Verbrennung
in dem Brennraum des Zylinders Nr. 4 enthalten ist. Der Sauerstoffüberschuß kann bspw. durch
Schichtladung erzielt werden.
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Alternativ
kann nach einer ersten Drehbewegung der Brennkraftmaschine aufgrund
des Zündens und
Verbrennens des in den Brennraum 4 des Zylinders Nr. 4
eingespritzten Kraftstoffs in dem Zylinder Nr. 4 vor Erreichen eines
unteren Totpunkts UT zuerst das Auslassventil 5 geöffnet und
danach noch vor Erreichen des unteren Totpunkts UT das Auslassventil 5 geschlossen
und das Einlassventil 5 geöffnet werden. Der untere Totpunkt
UT der Zylinder Nr. 1 und Nr. 4 entspricht dem oberen Totpunkt OT
der Zylinder Nr. 2 und Nr. 3. Ebenso entspricht der untere Totpunkt
UT der Zylinder Nr. 2 und Nr. 3 dem oberen Totpunkt OT der Zylinder
Nr. 1 und Nr. 4.
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Die
Einlass- und Auslassventile 5 des Brennraums 4 werden
mittels einer nockenwellenfreien Steuerung verstellt. Dazu ist jedes
Einlass- und Auslassventil 5 mit einem eigenen Stellorgan
ausgerüstet.
Dadurch können
die Ventile 5 unabhängig
und frei – soweit
es der Ventilfreigang zulässt – geöffnet bzw.
geschlossen werden. Auf diese Weise gelingt es, von einer Ansaugphase
in eine Arbeitsphase und umgekehrt zu wechseln. In entsprechender
Weise ist der Wechsel von einer Verdichtungsphase in eine Ausstoßphase und
umgekehrt möglich.
Aufgrund der nockenwellenfreien Steuerung der Ventile 5 können die
Einlass- und/oder Auslassventile 5 zu Beginn des Startvorgangs
in eine vorgegebene Stellung gebracht werden, um optimale Bedingungen
zum Starten der Brennkraftmaschine 1 ohne elektromotorischen
Anlasser zu schaffen.
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Um
den Kompressionswiderstand während des
erfindungsgemäßen Startvorgangs
zu verringern, kann jede durchlaufene Verdichtungsphase durch verspätetes oder
verfrühtes
Schließen
der entsprechenden Einlassventile 5 – diese sind während der
vor der Verdichtungsphase stattfindenden Ansaugphase geöffnet – geeignet
verkürzt
werden. Das beschriebene Verfahren ist mit entsprechenden Modifikationen
auch bei Brennkraftmaschinen 1 mit mehr als vier Zylindern
anwendbar.
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Die
beschriebene Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist mit entsprechenden Modifikationen auch bei Brennkraftmaschinen 1 mit mehr
als vier Zylindern anwendbar. Bei Brennkraftmaschinen 1 mit
weniger als vier Zylindern kann der Fall eintreten, dass zu Beginn
des Startvorgangs keiner der Kolben 2 in seiner Arbeitsphase
angeordnet ist. In diesem Fall steht jedoch mit Sicherheit zumindest
der Kolben 2 eines Zylinders 3 in seiner Ansaugphase.
Dann kann das oder jedes Einlassventil des entsprechenden Zylinders 3 geschlossen
werden und der Zylinder 3 von der Ansaugphase in die Arbeitsphase
umgeschaltet werden. Auch in diesem Fall lässt sich die Brennkraftmaschine 1 somit
ohne einen elektromotorischen Anlasser starten.
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In 3 ist
ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
Das Verfahren beginnt in einem Funktionsblock 20. In einem Funktionsblock 21 wird
ein Starten der Brennkraftmaschine 1 angefordert. Dazu
wird in einem Funktionsblock 22 die Stellung der Kolben 2 in
den Zylindern 3 der Brennkraftmaschine 1, bspw. über die
Drehstellung der Kurbelwelle 10, ermittelt. In einem Funktionsblock 23 wird
dann Kraftstoff in einen Brennraum 4 desjenigen Zylinders 3 (Zylinder
Nr. 4) eingespritzt, dessen Kolben 2 sich in einer Arbeitsphase
befindet. Unmittelbar danach wird in einem Funktionsblock 24 der
eingespritzte Kraftstoff gezündet.
Durch diese erste Verbrennung wird die Kurbelwelle 10 in
eine Drehbewegung versetzt und der Startvorgang eingeleitet.
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Im
Anschluss an die Zündung
des in den Brennraum 4 des Zylinders Nr. 4 eingespritzten
Kraftstoffs, wird in einem Funktionsblock 25 Kraftstoff
in den Brennraum eines weiteren Zylinders 3 (Zylinder Nr.
1) eingespritzt, der sich in der Ansaugphase befindet. Während der
Kraftstoffeinspritzung bleibt das Einlassventil des Zylinders Nr.
1 weiterhin geöffnet. Gegen
Ende der Ansaugphase wird das Einlassventil jedoch in einem Funktionsblock 26 geschlossen. Während sich
der Zylinder Nr. 1 in der Ansaugphase befindet, wird in einem Funktionsblock 27 Kraftstoff
in noch einen weiteren Zylinder 3 (Zylinder Nr. 3) eingespritzt,
der sich in der Verdichtungsphase befindet. Danach wird der in den
Zylinder Nr. 1 eingespritzte Kraftstoff in einem Funktionsblock 28 noch
vor dem unteren Totpunkt UT gezündet.
Durch diese zweite Verbrennung wird die Drehbewegung der Kurbelwelle
beschleunigt. Eine gute zweite Verbrennung ist besonders wichtig
für einen
erfolgreichen Startvorgang. Die Zündung des in den Zylinder Nr.
3 eingespritzten Kraftstoffs erfolgt in einem Funktionsblock 28 gegen Ende
der Verdichtungsphase kurz vor oder kurz nach dem Erreichen des
oberen Totpunkts OT. Durch die dritte Verbrennung wird die Drehbewegung
der Kurbelwelle 10 weiter beschleunigt.
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Während eines
weiteren Arbeitstaktes wird in einem Funktionsblock 29 Kraftstoff
in einen Zylinder 3 (Zylinder Nr. 4) eingespritzt, der
sich in der Verdichtungsphase befindet. Während desselben Arbeitstaktes
wird in einem Funktionsblock 30 in einen Zylinder 3 (Zylinder
Nr. 2), der sich in der Ansaugphase befindet, Kraftstoff eingespritzt.
Der in den Brennraum 4 des Zylinders Nr. 4 eingespritzte
Kraftstoff wird in einem Funktionsblock 31 gegen Ende der
Verdichtungsphase gezündet.
In den nachfolgenden Arbeitstakten wird in einem Funktionsblock 32 Kraftstoff in
einen Zylinder 3 eingespritzt, der sich in der Ansaugphase
befindet. Der eingespritzte Kraftstoff wird in einem Funktionsblock 33 gezündet. In
einem Abfrageblock 34 wird überprüft, ob der Start der Brennkraftmaschine 1 erfolgreich
war. Falls ja wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem Funktionsblock 35 beendet.
Falls nein, wird zu einem Abfrageblock 36 verzweigt, wo überprüft wird,
ob ein vorgebbarer Zeitwert T überschritten
wurde, ohne dass die Brennkraftmaschine 1 gestartet wurde.
Falls ja, wird zu dem Funktionsblock 21 verzweigt und der
Startvorgang noch einmal von vorne wiederholt. Falls nein, wird
zu dem Funktionsblock 32 verzweigt und der Startvorgang
fortgesetzt, indem Kraftstoff in die Zylinder 3 eingespritzt
und anschließend
gezündet
wird, die sich in der Ansaugphase befinden.