DE10124738B4

DE10124738B4 - Verfahren zum Anlassen einer Brennkraftmaschine mit elektronisch steuerbaren Ein- und Auslassventilen

Info

Publication number: DE10124738B4
Application number: DE10124738A
Authority: DE
Inventors: Mohammad Ann Arbor Haghgooie; Mazen Dearborn Hammoud
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2021-05-22
Also published as: DE10124738A1; SE0101539D0; SE0101539L; US6357409B1

Abstract

Verfahren zum Anlassen einer Brennkraftmaschine (10) mit elektronisch steuerbaren Ein- und Auslassventilen (52, 54) sowie einem Anlasser (70), der in Reaktion auf ein Anlass-Signal aktiviert wird, wobei die Ventile (52, 54) in ihrer Anlaßstellung geöffnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kurbelwelle (13) mittels des Anlassers (70) bei geöffneten Ventilen (52, 54) auf die Soll-Leerlaufdrehzahl (N_idle) des Motors (10) beschleunigt wird, und dass
die Ventile (52, 54) zum Betreiben der Brennkraftmaschine (10) betrieben werden, nachdem die Drehzahl der Kurbelwelle (13) gleich oder größer der Soll-Leerlaufdrehzahl (N_idle) ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anlassen einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Herkömmliche Anlaßanlagen für Brennkraftmaschinen mit Nocken beinhalten typischerweise einen Zündschalter, eine Batterie, einen Magnetschalter und einen Anlasser. Wird der Zündschalter in die Zünd- oder Anlaßstellung gedreht, wird mittels des Magnetschalters zwischen dem Anlasser und der Batterie ein Stromkreis hergestellt und dem Anlasser Strom zugeführt. Der Anlasser, der mit der Kurbelwelle mechanisch gekoppelt ist, dient zum Durchdrehen des Motors, bis der Verbrennungsprozeß einsetzt.

Der Durchdrehprozeß beinhaltet jedoch typischerweise das Drehen der Kurbelwellen und das Antreiben entsprechender Einlaß- und Auslaßventile. Da die Ventile angetrieben werden, muß der Anlasser vor dem tatsächlichen Beginn des Verbrennungsprozesses eventuell durch einen oder mehrere Verdichtungshube der verschiedenen Zylinder drehen. Dies führt zu zusätzlicher mechanischer Arbeit, die für das Motoranlassen erforderlich ist, und damit zu einem erhöhten Betrag an erforderlicher elektrischer Leistung seitens der Anlaßanlage. Die erforderliche elektrische Leistung beträgt häufig viel mehr als die zum tatsächlichen Anlassen des Motors nötige Leistung.

Das Verfahren, das hier beschrieben wird, hat bei der Verwendung von nockenfreien Brennkraftmaschinen den Vorteil einer Minimierung des für das Motoranlassen erforderlichen Betrags elektrischer Leistung. Nockenfreie Brennkraftmaschinen besitzen elektrisch angetriebene Ventile, die so betrieben werden können, daß sie eine Ver stellbarkeit der Ventilsteuerzeiten, der Ventildauer und des Ventilhubs jedes der Ventile ermöglichen. Die Ventile werden typischerweise mit Hilfe von elektromechanischen oder elektrohydraulischen Stellantrieben angetrieben, und können somit als Funktion eines oder mehrerer Motorparameter, wie zum Beispiel Drehzahl, geforderter Motordrehmoment oder Kurbelwinkelstellung, angetrieben werden, um eine optimale oder gewünschte Motorleistung zu erreichen. Die Erfinder haben den Vorteil der Verstellbarkeit von Ventilsteuerzeiten, Ventildauer und Ventilhub, eingesetzt zur Optimierung des Motoranlaßprozesses einer nockenfreien Brennkraftmaschine, erkannt.

Aus der DE-197 24 921 A1 ist ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, welches eine Brennkraftmaschine, einen mit der Brennkraftmaschine gekoppelten Antriebsstrang, wenigstens eine im Antriebsstrang angeordnete Schwingungsdämpfungseinrichtung, eine Steuereinrichtung und einen Drehzahlsensor umfaßt. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, in einer Startphase der Brennkraftmaschine ein Zünden derselben solange zu unterbinden, bis die durch den Drehzahlsensor erfaßt Drehzahl der Brennkraftmaschine höher ist als eine Resonanzdrehzahl oder ein Resonanzdrehzahlbereich, in welchem die Anregung von Resonanzschwingungen der wenigstens einen Schwingungsdämpfungseinrichtung zu erwarten ist. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, ein Zünden der Brennkraftmaschine solange zu unterbinden, bis die erfaßte Drehzahl der Brennkraftmaschine einer vorbestimmten Zünddrehzahl entspricht oder in einem vorbestimmten Zünddrehzahlbereich liegt, und daß zwischen der Resonanzdrehzahl bzw. dem Resonanzdrehzahlbereich und der Zünddrehzahl bzw. dem Zünddrehzahlbereich ein vorbestimmter Abstand vorgesehen ist. Hierdurch sollen noch relativ niederliegende Leerlaufdrehzahlen ermöglicht werden. Während der Startphase können unterhalb der Zünddrehzahl sämtliche Ventile in einem geöffneten Zustand gehalten werden.

ZUSAMMENFASSENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die eingangs erwähnten Beschränkungen und Unzulänglichkeiten herkömmlicher Motoranlaßverfahren und -anlagen werden durch die vorliegende Erfindung im Wesentlichen überwunden, bei welcher eine Hauptaufgabe darin liegt, ein Verfahren zum Anlassen einer nockenfreien Brennkraftmaschine zur Hand zu geben, um den für das Motoranlassen erforderlichen Betrag elektrischer Leistung zu minimieren.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß durch Einstellen der Ventile auf eine offene Anlaßstellung, welche eine Strömen von Luft in und aus den Zylindern ermöglicht, der Betrag der vom Anlasser benötigen mechanischen Arbeit zum Durchdrehen des Motors wesentlich verringert wird. Da der Ventilbetrieb zudem verzögert wird, bis der Motor zu der Soll-Leerlaufdrehzahl durchgedreht wird, wird weitere mechanische Arbeit bis zu dem Zeitpunkt vermieden, da der Verbrennungsprozeß aufs Optimalste gestartet werden kann. Da der Betrag der erforderlichen mechanischen Arbeit verringert wird, wird demgemäß der Strombedarf der Anlaßanlage verringert.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden eingehenden Beschreibung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen veranschaulichender Ausführungen der Erfindung hervor.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Eine Beschreibung der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile erfolgt nun in Verbindung mit den Begleitzeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche Merkmale benennen. Hierbei ist:

1 ein Blockdiagramm unter Verwendung des Motoranlassverfahrens der vorliegenden Erfindung;

2 eine eingehende Schemazeichnung beispielhafter elektromechanischer Ventile nach der Erfindung;

3 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

4 ein Diagramm der Motordrehzahl gegenüber der Zeit für einen Motor mit einem herkömmlichen Motoranlassverfahren und

5 ein Diagramm der Motordrehzahl gegenüber der Zeit für einen Motor mit einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren.

EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
1 zeigt ein Blockdiagramm einer Brennkraftmaschine 10 mit elektronisch steuerbaren Ein- und Auslassventilen gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Motor 10 umfasst eine Vielzahl von Zylindern (wovon nur einer gezeigt wird), die jeweils einen Brennraum 30 und Zylinderwände 32 im Zusammenspiel mit dem darin positionierten Kolben 36, der mit einer Kurbelwelle 13 gekoppelt ist, aufweisen. Der Brennraum 30 steht über Einlass- und Auslassventile 52 und 54 mit entsprechenden Ansaug- und Abgaskrümmern 44 bzw. 48 in Verbindung. Die Einlass- und Auslassventile 52 und 54 werden über entsprechende elektromechanische oder elektrohydraulische Ventilstellantriebe 202 bzw. 204 angetrieben, die wie dargestellt und nachstehend unter Bezug auf 2 beschrieben jeweils einen oder mehrere Stellantriebkomponenten aufweisen. Die für jedes angetriebene Ventil erforderlichen Steuersignale werden über ein Leistungsteil 100, wie in 1 weiter gezeigt, erzeugt.
2 zeigt eine eingehende Schemazeichnung der in 1 gezeigten Einlass- und Auslassventile 52 und 54. Die Ventile 52 und 54, die beispielhaft und nicht einschränkend gezeigt werden, umfassen Ventilschäfte 52a und 54a, Ventilfedern 52b und 54b sowie Ventiltellerteile 52c und 54c. Die oberen Teile der Ventilschäfte 52a und 54a sind so angeordnet, dass sie die elektromechanischen Stellantriebe 202 und 204, die jeweils elektromagnetische Spulen 202a, 204a, 202b und 204b umfassen, sowie die Stellantriebkomponenten 202c, 204c, 202d und 204d berühren. Abhängig von den den Stellantrieben 202 und 204 zugeführten Strom(steuer)signalen werden die Ventile 52 und 54 in "geöffnete" oder "geschlossene" Stellungen relativ zu entsprechenden an der Innenseite des Motorblocks 208 angeordneten Ventilsitzen 205 und 206 versetzt.
Unter Bezug auf 1 und 3 wird das Verfahren zum Anlassen der Brennkraftmaschine 10 beschrieben und umfasst die folgenden Schritte: Öffnen jedes der Einlass- und Auslassventile, Schritt 310; Drehen der Kurbelwelle des Motors über einen Anlasser auf eine vorbestimmte Anlassdrehzahl, Schritt 320; Betätigen jedes der Ventile im Sinne eines normalen Motorbetriebs, wenn die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle gleich oder größer als die Anlassdrehzahl ist, Schritt 330 und Schritt 340. Die vorliegende Erfindung wird nun eingehend unter weiterem Bezug auf 1 und 3 beschrieben.
Die Anlage gemäß einer bevorzugten Ausführung umfasst einen Anlass-Schalter 72, der vom Bediener zur Herstellung eines Stromkreises zwischen einer Batterie 74 und einem Anlasser verwendet wird. Der Anlasser kann ein herkömmlicher Anlasser sein, der integrierte Starter/Generatoren beinhaltet und erhält ein elektrisches "Anlass"-Signal, wenn der Schalter in die "Anlass"-Stellung gebracht wird. Mit dem Anlasser ist über ein entsprechendes Getriebe die Kurbelwelle des Motors mechanisch gekoppelt, welche durch den Anlasser auf eine vorgegebene Anlassdrehzahl gedreht wird. Ferner sind ein mit der Kurbelwelle 13 gekoppelter Sensor 118 zur Anzeige der Drehzahl der sich drehenden Kurbelwelle und ein Motorsteuergerät 12 vorgesehen, welches mit dem Sensor und dem Anlass-Schalter gekoppelt ist. In einer in 1 gezeigten bevorzugten Ausführung umfasst das Motorsteuergerät 12 eine Mikroprozessoreinheit 102, Ein-/Ausgangsports 104, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 108, einen Festspeicher (ROM) 106, einen Datenbus 107 und ein in den Rechnerspeicher 106 und 108 eingebettetes Rechnerprogramm zur Implementierung des in 3 gezeigten erfindungsgemäßen Verfahrens.
Unter Bezug auf Schritt 310 von 3 erzeugt die Motorsteuerung zuerst die entsprechenden Ventilinitialisierungssteuersignale zur Stellungsregelung jedes der Ventile gemäß einer vorbestimmten Ventilanfangsstellung, Schritt 310. Erfindungsgemäß bezieht sich die "Ventilanfangsstellung" für jedes der Ventile auf eine voll oder teilweise geöffnete Stellung, d.h. eine nicht geschlossene Stellung, die das Strömen von Luft in und aus dem entsprechenden Zylinder ermöglicht. Die tatsächliche Stellungsregelung des Ventils kann bei Erfassen des Anlass-Signals vor dem Betrieb des Motors bzw. als Teil eines Abschaltvorgangs während eines vorherigen Betriebs des Motors durchgeführt werden. Nachdem die Ventile in ihre Anfangsstellungen versetzt wurden, dreht der Anlasser die Kurbelwelle auf eine Anlassdrehzahl, Schritt 320.
Gemäß Schritt 320 bezieht sich die "Anlassdrehzahl" auf die gewünschte Leerlaufdrehzahl des Motors, bei welcher die Einlass- und Auslassventile so gesteuert werden, dass ein normaler Motorbetrieb möglich ist. Die Anlassdrehzahl hängt von üblichen Faktoren ab, einschließlich dem gewünschten Motorbetrieb und Geräusch- und Vibrationsbelangen und liegt typischerweise bei 500 bis 800 Umdrehungen pro Minute.
Wenn die Drehzahl der Kurbelwelle gleich oder größer als die Anlassdrehzahl ist, erzeugt das Steuergerät dann die erforderlichen Signale für die Einlass- und Auslassventile zum Steuern der Zylinder und der Verbrennung, Schritt 330. Diese Signale können gemäß einer vorgegebenen Reihenfolge erfolgen. Beispielsweise können die Einlassventile zuerst angetrieben werden, gefolgt von den Auslassventilen, bzw. umgekehrt, oder alle Ventile eines bestimmten Zylinders können gleichzeitig angetrieben werden.
Während des Steuerns der einzelnen Zylinder verwendet das Motorsteuergerät 12 eine übliche Leerlaufsteuerlogik, um die Kraftstoffimpulsbreite (FPW) und die erforderlichen Zündsteuersignale für den Leerlauf-Betrieb des Motors zu erzeugen. Die entsprechenden Steuersignale werden dann den entsprechenden Kraftstoffeinspritzventilen (von denen nur eines abgebildet ist) und einer Zündanlage 64 zugeführt, wobei die Zündanlage 64 wiederum den Zündkerzen 62 (wovon nur eine gezeigt wird) Zündsignale gemäß dem oben beschriebenen Zylindersteuerablauf zuführt.
4 und 5 sind Darstellungen der Motordrehzahl gegenüber der Zeit, die einen Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen. 4 bezieht sich auf einen Motor unter Verwendung eines herkömmlichen Motoranlassverfahrens und 5 zeigt eine ähnliche Darstellung 500 für einen Motor unter Verwendung eines bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahrens. Jede Darstellung beginnt mit einem "Motoranlass"-Ereignis, das von dem Versetzen des Anlass- oder Zündschalters in die "Anlass"-Stellung ausgelöst wird, und endet mit einer Leerlaufdrehzahl N_idle. 4 dagegen zeigt, dass vor dem Erreichen der Leerlaufdrehzahl die tatsächliche Motordrehzahl die Soll-Leerlaufdrehzahl überschreitet bzw. über sie "hinausschießt", bevor ein gleichbleibender Leerlauf erreicht wird. Das Anlassen und der Leerlauf werden ebenfalls verzögert, wie durch die längere Zeit t_idle angezeigt wird. Hierzu kommt es vorrangig aufgrund des Antriebs der Einlass- und Auslassventile des Motors vor dem tatsächlichen Beginn des Verbrennungsprozesses. Wie bei 5 gezeigt, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren dagegen ein effizienteres Anlassen des Motors, da ein "Hinausschießen" des Motors vermieden und die zum Erreichen des gleichbleibenden Leerlaufs erforderliche Zeitlänge verkürzt werden.

Claims

Verfahren zum Anlassen einer Brennkraftmaschine (10) mit elektronisch steuerbaren Ein- und Auslassventilen (52, 54) sowie einem Anlasser (70), der in Reaktion auf ein Anlass-Signal aktiviert wird, wobei die Ventile (52, 54) in ihrer Anlaßstellung geöffnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (13) mittels des Anlassers (70) bei geöffneten Ventilen (52, 54) auf die Soll-Leerlaufdrehzahl (N_idle) des Motors (10) beschleunigt wird, und dass die Ventile (52, 54) zum Betreiben der Brennkraftmaschine (10) betrieben werden, nachdem die Drehzahl der Kurbelwelle (13) gleich oder größer der Soll-Leerlaufdrehzahl (N_idle) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (13) auf eine Drehzahl von 500 bis 800 U/min beschleunigt wird, bevor die Ventile gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bereits bei Beendigung des Brennkraftbetriebs des Motors die Ventile (52, 54) für einen folgenden Anlassvorgang in die geöffnete Auslaßstellung gebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kraftstoffeinspritzventile und Zündkerzen (62) der Brennkraftmaschine erst nach der Betätigung der Ventile (52, 54) von einem Motorsteuergerät (12) angesteuert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlasser (70) auch bei betätigtem Anlass-Schalter, wenn die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle (13) gleich oder größer als die Soll-Leerlaufdrehzahl (N_idle) ist, deaktiviert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (52, 54) elektrohydraulisch angetrieben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (52, 54) elektromechanisch angetrieben werden.