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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und ein System mit einer Brennkraftmaschine, das für die Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, ein maschinenlesbares Speichermedium und ein elektronisches Steuergerät.
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Stand der Technik
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Vor dem Hintergrund einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs sind verschiedene Motoren- und Antriebsstrangkonzepte entwickelt worden, um ein Kraftfahrzeug sparsam betreiben zu können. Eine wichtige Maßnahme in diesem Zusammenhang ist eine Reduktion der Größe des Verbrennungsmotors in Kombination mit einer Aufladung des Motors (Downsizing). Häufig wird für die Aufladung des Motors ein sogenannter Turbolader eingesetzt, bei dem eine vom Abgasstrom angetriebene Turbine einen Verdichter antreibt. Es sind auch mechanische Lader, sogenannte Kompressoren, bekannt, die direkt vom Verbrennungsmotor angetrieben werden.
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Mit steigendem Downsizing des Motors gehen jedoch zunehmend negative Auswirkungen auf das Fahrverhalten einher. Ein verschlechtertes Fahrverhalten macht sich vor allem beim Anfahren und beim Beschleunigen aus niedrigen Motordrehzahlen heraus bemerkbar.
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Um den negativen Einfluss des Downsizing auf das Fahrverhalten zu reduzieren, ist es bereits bekannt, mithilfe eines elektrischen Zusatzverdichters (EZV) das Aufladesystem zu unterstützen. Hierfür kann der elektrische Zusatzverdichter im System so angeordnet werden, dass sich der Zusatzverdichter in der Ansaugstrecke der Brennkraftmaschine befindet, wobei der Zusatzverdichter insbesondere in Reihe mit dem Hauptaufladeaggregat, also beispielsweise einem Turbolader oder einem Kompressor, geschaltet ist.
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Als Maßnahme zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches ist der Start/Stopp-Betrieb bekannt. Der Start/Stopp-Betrieb macht einen häufigen Wiederstart des Motors erforderlich. Üblicherweise erfolgt der Wiederstart durch einen konventionellen Starter, der für diese Anwendung entsprechend optimiert und angepasst sein muss. Bei Hybridsystemen ist es auch möglich, den Start des Verbrennungsmotors mithilfe der Elektromaschine durchzuführen, wenn die Topologie des Systems entsprechend eingerichtet ist.
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Als Alternative zum konventionellen Start der Brennkraftmaschine ist der Direktstart bekannt, bei dem der Verbrennungsmotor ohne äußeres Startmoment zu laufen beginnt. Der Motorstart erfolgt hierbei durch gezielte Einspritzung in den Zylinder, der im komprimierten Arbeitstakt steht, idealerweise kurz nach dem oberen Totpunkt nach der Verdichtung. Die gezielte Einspritzung erfolgt bei stehendem Motor. Der Direktstart erfolgt gegebenenfalls mit Zündung und ohne Verwendung eines Hilfsantriebs, beispielsweise ohne einen elektrischen Anlasser. Problematisch ist bei einem Direktstart jedoch, dass das bei der ersten Verbrennung freigesetzte Moment ausreichend sein muss, um alle Zylinder des Motors durchstarten zu können. Ein erneuter Versuch eines Direktstartes ist in der Regel nicht möglich, da sich in den betroffenen Zylindern nach dem ersten Versuch Abgas befindet.
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Es sind bereits verschiedene Ansätze bekannt, um den Direktstart zu verbessern. Die Offenlegungsschrift
DE 102 55 149 A1 beschreibt beispielsweise ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem zur Verbesserung eines Direktstartes die Brennkraftmaschine am Ende eines vorangehenden Betriebes kontrolliert abgestellt wird, sodass sich ein Kolben eines Zylinders in einer vorher bestimmten, im Idealfall für den Direktstart optimalen Position befindet.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2014 201 549 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine, in deren Ladeluftstrecke ein mechanisch angetriebener Verdichter sowie ein weiterer Verdichter einer Ladeeinrichtung, insbesondere ein Abgasturbolader, vorgesehen ist. Der Gasmassenstrom in der Ladeluftstrecke wird hierbei über die Stellung einer Luftregel-/Abstellklappe kontrolliert, sodass ein ungewolltes Nachlaufen der Brennkraftmaschine verhindert werden kann.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2004 003 607 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines elektrisch angetriebenen Verdichters, der in Kombination mit einem Abgasturbolader für den Betrieb einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Der elektrische Verdichter wird nur dann aktiviert, wenn eine momentan verfügbare Motorleistung nicht ausreichend ist.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 103 06 632 A1 geht ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors hervor, bei dem ein Verdichter bei einem Auslauf des Verbrennungsmotors zur Füllung mindestens eines Zylinders aktiviert wird, der in einer für einen nachfolgenden Direktstart geeignete Position zum Stillstand kommt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geht von einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder mit wenigstens einem Kolben aus, wobei der Zylinder wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil aufweist. Das System weist wenigstens einen elektrisch antreibbaren Verdichter, insbesondere einen elektrischen Zusatzverdichter auf. Weiterhin kann ein üblicher Verdichter, beispielsweise einem Abgasturbolader, vorgesehen sein, oder das System ist mit einem Abgasturbolader ausgestattet, der elektrisch unterstützt werden kann. Erfindungsgemäß wird zur Durchführung eines pneumatischen Starts der Brennkraftmaschine der Verdichter elektrisch angetrieben. Hierbei wird insbesondere bei geöffnetem Einlassventil oder bei geöffnetem Auslassventil durch elektrischen Antrieb des Verdichters die Position des Kolbens innerhalb des Zylinders beeinflusst. Indem der Start pneumatisch durchgeführt wird, kann auf einen separaten elektrischen Anlasser (Elektromotor) verzichtet werden.
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Kern der Erfindung ist die Nutzung des elektrisch antreibbaren bzw. elektrisch angetriebenen Verdichters, der Prinzip-bedingt vom Abgasstrom entkoppelt betrieben wird. Dabei kann sowohl bei stehendem als auch bei drehendem Verbrennungsmotor (Brennkraftmaschine) mittels des elektrisch angetriebenen Verdichters ein Überdruck oder ein Unterdruck in einer Ladeluftstrecke der Brennkraftmaschine erzeugt werden. Durch diesen Überdruck oder Unterdruck (Pumpen oder Saugen) kann der Kolben in einem Zylinder mit offenem Einlassventil (offenen Einlassventilen) oder gegebenenfalls mit offenem Auslassventil (offenen Auslassventilen) pneumatisch bewegt werden. Weiterhin kann der Kolben durch diese Maßnahme in eine für einen Start günstige Position bewegt oder in einer günstigen Position gehalten werden. Wenn die Beeinflussung der Position des Kolbens innerhalb des Zylinders über das oder die offene(n) Einlassventil(e) erfolgt, erfolgt die Ansteuerung des elektrisch antreibbaren Verdichters zweckmäßigerweise im Ansaugtakt. Prinzipiell kann die Beeinflussung der Position des Kolbens durch den elektrisch angetriebenen Verdichter auch über das oder die geöffnete(n) Auslassventil(e) erfolgen. Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann insbesondere bei einem System mit einem Cross-Charger (elektrisch unterstützter Abgasturbolader) durchgeführt werden, wobei bei einem Cross-Charger die Abgasturbine, die über einen Elektromotor angetrieben wird, in den Motorauslass wirkt, wie weiter unten noch näher erläutert werden wird. Durch die Ausnutzung eines gegebenenfalls vorhandenen variablen Ventiltriebs ist der Einsatz der Zusatzverdichtung nicht auf einen bestimmten Takt der Brennkraftmaschine beschränkt.
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Der elektrisch angetriebene Verdichter (Zusatzverdichter) pumpt gewissermaßen Luft durch den Verbrennungsmotor, ähnlich dem Prinzip eines pneumatischen Motors. Erfindungsgemäß wird die Pumpleistung des elektrisch angetriebenen Verdichters, die in diesem Falle zweckmäßigerweise ausreichend groß ist, für einen pneumatischen Start, insbesondere für einen komplett pneumatischen Start, genutzt. Hierbei kann ein variabler Ventiltrieb, sofern vorhanden, mit besonderem Vorteil eingesetzt (betätigt) werden, wobei die Kompression im Verdichtungstakt verringert bzw. verhindert werden kann, bis die Brennkraftmaschine auf Startdrehzahl ist. Durch die zusätzliche Nutzung des variablen Ventiltriebs für den pneumatischen Start können die Anforderungen an die Pumpleistung bei der Zusatzverdichtung verringert werden.
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Bei Annahme eines vollvariablen Ventiltriebs sind insbesondere die folgenden Ein- und Auslassventilphasenverstellungen für den erfindungsgemäßen pneumatischen Start mit elektrisch angetriebenem Verdichter vorteilhaft:
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Ansaugtakt: Das Einlassventil ist offen und das Auslassventil ist geschlossen, sobald der Zylinder den OT (oberen Totpunkt) überschreitet. Dadurch wirkt der Ladedruck bzw. Zylinderdruck auf den Kolben und bewegt diesen nach unten.
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Verdichtungstakt: Das Einlassventil ist geschlossen und das Auslassventil ist offen, sobald der untere Totpunkt überschritten wird. Dadurch wird eine Kompressionsarbeit und Arbeit gegen den Lader vermieden.
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Verbrennungstakt: Das Einlassventil ist offen und das Auslassventil ist geschlossen, sobald der Zylinder den OT überschreitet. Dadurch wirkt der Ladedruck bzw. Zylinderdruck auf den Kolben und bewegt diesen nach unten.
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Ausstoßtakt: Das Einlassventil ist geschlossen und das Auslassventil ist offen, sobald der untere Totpunkt überschritten wird. Dadurch wird eine Kompressionsarbeit und Arbeit gegen den Lader vermieden.
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Durch diese Ausnutzung des variablen Ventiltriebs kann in den vier Takten zweimal Arbeit pro Zylinder mittels des pneumatischen Drucks verrichtet werden. Bei einem Motor mit vier Zylindern würden sich hieraus acht pneumatische Arbeitstakte bei zwei Kurbelwellenumdrehungen ergeben, wohingegen in einem verbrennungsmotorischen Betrieb sich nur vier Arbeitstakte ergeben würden. Wenn das Brennkraftmaschinensystem mit einem elektrisch betriebenen Cross-Charger ausgestattet ist, kann zusätzlich auf der Abgasseite bei geöffneten Auslassventilen noch gesaugt werden, womit dann jeder Takt ein pneumatischer Arbeitstakt wäre.
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Kann neben der beschrieben Phasenverstellung auch der Hub der Ventile verändert werden, so können bei vollem Ein- und Auslassventilhub auch die pneumatischen Drosselverluste weiter reduziert werden.
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Ist das System nicht mit einem variablen Ventiltrieb ausgestattet, sondern beispielsweise nur mit einem Cross-Charger, so kann der Lader Verdichtungsarbeit bzw. pneumatische Arbeit im Ansaugtakt leisten. Die Abgasturbine kann im Ausstoßtakt Saugarbeit bzw. pneumatische Arbeit leisten.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Aufbau eines Überdrucks oder Unterdrucks durch den elektrisch angetriebenen Verdichter unterstützt werden, indem eine Bypass-Klappe, mit der die Luftführung des elektrisch antreibbaren Verdichters schaltbar ist, in geeigneter Weise angesteuert wird. Hierdurch wird durch ein Öffnen oder Schließen der Bypass-Klappe die pumpende oder saugende Wirkung des Verdichters verstärkt. Die an sich bekannte Bypass-Klappe ist bei herkömmlichen Systemen, die mit einem elektrischen Zusatzverdichter arbeiten, in der Regel in der Ladeluftstrecke parallel in einem Bypass-Pfad positioniert. Die Luftführung über den elektrisch angetriebenen Verdichter kann somit mithilfe der Bypass-Klappe geschaltet werden. Wenn der elektrisch angetriebene Verdichter nicht aktiv ist, ist die Bypass-Klappe in der Regel geöffnet, um einer Drosselwirkung durch den nicht angetriebenen Verdichters entgegenzuwirken. Wenn die Zusatzverdichtung aktiviert wird, wird üblicherweise die Bypass-Klappe geschlossen. Diese Bypass-Klappe wird erfindungsgemäß genutzt, um die Wirkung des elektrisch angetriebenen Verdichters zu verstärken. Hierbei können die Trägheiten des elektrisch angetriebenen Verdichters verringert werden, indem die Bypass-Klappe gezielt angesteuert wird. Beispielsweise kann vor einem geplanten Pumpen zunächst der elektrisch angetriebene Verdichter auf Drehzahl gebracht werden, wobei die Bypass-Klappe offen ist. Durch ein dann erfolgendes schnelles Schließen der Bypass-Klappe kann ein sehr schneller Druckaufbau erreicht werden. In umgekehrter Weise kann das Pumpen durch ein schnelles Öffnen der Bypass-Klappe sehr definiert beendet werden, wobei der elektrisch angetriebene Verdichter noch nachläuft oder gegebenenfalls elektrisch abgebremst wird. Durch die gezielte erfindungsgemäße Ansteuerung der Bypass-Klappe kann also ein definierter Start- und/oder Stopp-Punkt eines Druckaufbaus bzw. eines Pumpens oder Saugens durch den elektrisch angetriebenen Verdichter realisiert werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, dass durch einen elektrischen Antrieb des Verdichters der pneumatische Start der Brennkraftmaschine verbessert werden kann, indem die Kolbenposition durch die elektrisch angetriebene Verdichtung in eine für den Start geeignete Position bewegt oder in einer für den Start geeigneten Position gehalten wird. Mittels der elektrisch angetriebenen Verdichtung kann also in Vorbereitung des pneumatischen Starts vorab ein Kolben eines Zylinders der Brennkraftmaschine in eine geeignete Position gebracht werden. Weiterhin kann in Vorbereitung des pneumatischen Starts gegebenenfalls die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zurückgedreht werden, um eine optimale Position für den Start zu erreichen. Der elektrische Antrieb des Verdichters zur Beeinflussung der Position des Kolbens kann dabei in besonders bevorzugter Weise während eines Auslaufens der Brennkraftmaschine erfolgen. Während des Auslaufens der Brennkraftmaschine, also wenn die Brennkraftmaschine ausgestellt wurde und auch die Einspritzung und die Zündung ausgestellt sind, dreht sich üblicherweise die Brennkraftmaschine noch bis zum Stillstand. Über den jeweiligen Zylinder mit offenen Einlassventilen, also insbesondere dem Zylinder im Ansaugtakt bzw. bei vollvariablem Ventiltrieb bei im Prinzip jedem Zylinder, kann erfindungsgemäß durch ein bedarfsgerechtetes Pumpen oder Saugen mittels des elektrisch angetriebenen Verdichters eine daraus resultierende bestimmte Kraft auf den Kolben des jeweiligen Zylinders ausgeübt werden. Der Kolben kann damit in einer gewünschten Position (Zylinderposition) zum Stehen gebracht werden. Dies schafft eine optimale Voraussetzung für die Durchführung des pneumatischen Starts. Der Zylinder steht dann im Ansaugtakt (bei nicht variablem Ventiltrieb) oder im verdichteten Arbeitstakt (bei variablem Ventiltrieb). Der Kolben befindet sich dabei am beginnenden Ansaug- oder Arbeitstakt nach dem oberen Totpunkt (OT).
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Mit der erfindungsgemäßen Ansteuerung des elektrischen Verdichters kann beispielsweise auch verhindert werden, dass sich die Brennkraftmaschine während des Motorauslaufs zurückdreht. Ein Zurückdrehen tritt insbesondere dann auf, wenn das Kompressionsmoment durch das Massenträgheitsmoment der auslaufenden Brennkraftmaschine kurz vor dem OT nicht ausreicht, um über diesen zu drehen, sodass die komprimierte Luft den Kolben zurückbewegt. Dieses Zurückdrehen kann erfindungsgemäß durch eine Ansteuerung des elektrisch angetriebenen Verdichters verhindert werden, indem durch einen erzeugten Überdruck das Drehmoment des Zylinders im Kompressionstakt durch einen Zylinder im Ansaugtakt kompensiert wird.
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In besonders bevorzugter Weise kann die Position des Kolbens in der gewünschten Weise beeinflusst werden, wenn bei entsprechend ausreichender Dynamik des elektrisch angetriebenen Verdichters durch gezielte Erzeugung eines Überdrucks oder Unterdrucks, also durch Pumpen oder Saugen, die ausgeübte Kraft auf den Kolben in beide Richtungen beeinflusst werden kann. Beispielsweise kann im Ansaugtakt des jeweiligen Zylinders zuerst mittels Pumpen eine Kraft auf den Kolben ausgeübt werden, um diesen zu beschleunigen. Kurz vor dem Schließen des Einlassventils kann mittels Saugen der Ladedruck verringert werden, sodass die spätere Kompressionsarbeit verringert wird, um z. B. den Kolben über den OT zu drehen. Dreht der Kolben eines Zylinders zu weit über den OT, so kann über einen anderen Zylinder, der gerade im Ansaugtakt ist, mittels Saugen verhindert werden, dass sich die Brennkraftmaschine zu weit dreht, d. h., wenn der Kolben nicht nahe genug nach dem OT stehenbleibt, kann der Kolben mittels Saugen am Weiterdrehen gehindert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann durch die elektrisch angetriebene Verdichtung und die damit verbundene Beeinflussung der Position des Kolbens das Schleppmoment der Brennkraftmaschine bei einem Schleppstart verringert werden, wodurch ein Schleppstart erheblich verbessert werden kann. Als Schleppstart wird im Allgemeinen ein Start der Brennkraftmaschine nach einer durch die Fahrzeugbewegung geschleppten Bewegung des Motors beschrieben. Diese Startart nutzt die Fahrzeugbewegung, um die Brennkraftmaschine auf eine startfähige Motordrehzahl ohne einen elektrischen Anlasser (Elektromotor) zu schleppen. Ist die kinetische Energie des Fahrzeugs nicht hoch genug, beispielsweise bei zu niedrigen Geschwindigkeiten, stört im Moment des Einkuppelns das plötzliche Schleppmoment der Brennkraftmaschine in der Weise, dass es zu einem Verzögerungsmoment und einer für den Fahrer wahrnehmbaren Fahrzeugverzögerung kommt. Dieses Verzögerungsmoment kann durch den Einsatz des elektrisch angetriebenen Verdichters gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden werden, wobei der elektrisch angetriebene Verdichter genutzt wird, um in der Phase des Anschleppens der Brennkraftmaschine durch einen Druckaufbau mittels des elektrisch antreibbaren Verdichters bzw. durch ein Pumpen von Luft das Schleppmoment der Brennkraftmaschine zu verringern bzw. überwinden. Dies erfolgt zweckmäßigerweise im Einlasstakt des jeweiligen Zylinders, wobei die durch den elektrisch angetriebenen Verdichter verdichtete Luft zusätzlich eine Kraft auf den sich nach unten bewegenden Kolben ausübt. Wenn ein voll variabler Ventiltrieb zur Verfügung steht, kann während des Arbeitstaktes das Einlassventil zusätzlich geöffnet werden.
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In bevorzugter Weise wird der elektrisch angetriebene Verdichter bereits vor dem Anschleppen durch das Fahrzeug aktiviert, sodass bereits das Losbrechmoment der Brennkraftmaschine, also die Überwindung der Haftreibung der stehenden Brennkraftmaschine, durch den elektrisch angetriebenen Verdichter verringert bzw. schnell überwunden wird.
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In vorteilhafter Weise erfolgt der Motorstart komplett pneumatisch, wobei hierfür die Pumpleistung des elektrisch angetriebenen Verdichters zweckmäßigerweise entsprechend stark ausgelegt ist. Hierbei kann auf einen herkömmlichen elektrischen Anlasser (Elektromotor) verzichtet werden, wodurch Kosteneinsparungen möglich sind. In anderen Ausgestaltungen kann ein elektrischer Anlasser vorgesehen sein, der jedoch im Vergleich mit herkömmlichen Systemen kleiner ausgelegt werden kann, da durch den elektrisch angetriebenen Verdichter das Losbrechen bzw. das Drehen der Brennkraftmaschine auf die Startdrehzahl unterstützt wird, auch wenn der Start nicht komplett pneumatisch durchgeführt wird. Insbesondere im Hinblick auf einen rein pneumatischen Motorstart ist die Unterstützung durch einen variablen Ventiltrieb zur Minimierung der Zylinderkompression und der notwendigen Einlassventilöffnungszeiten besonders vorteilhaft.
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In bevorzugter Weise ist der elektrisch antreibbare Verdichter in einer Ansaugstrecke der Brennkraftmaschine angeordnet. Dieser Verdichter kann beispielsweise in Reihe mit einem üblichen Verdichter, beispielsweise einem Abgasturbolader, geschaltet sein. Die elektrisch angetriebene Verdichtung als Zusatzverdichtung wird also in einem Luftstrom vorgenommen, der über die Ansaugstrecke und die Einlassventile in den Brennraum der Zylinder gelangt. Folglich erfolgt die elektrisch angetriebene Verdichtung vorzugsweise bei geöffnetem/n Einlassventil(en) des Zylinders.
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In besonders bevorzugter Weise kann mittels geeigneter Modelle und zugehöriger Sensordaten abgeschätzt werden, welcher durch den elektrisch angetriebenen Verdichter erzeugte Ladedruck notwendig ist, um die Brennkraftmaschine bzw. die Kolben der Zylinder in eine geeignete Stellung zu bringen. Hierfür sind im Prinzip verschiedene numerische oder physikalische Modelle geeignet. Mittels eines Drehzahlgebers kann beispielsweise die genaue Position der Kurbelwelle bzw. der Zylinderpositionen erkannt werden. In modellbasierter Weise kann ein bedarfsgerechter Unter- bzw. Überdruck durch die elektrisch angetriebene Verdichtung in einen Zylinder mit offenen Einlassventilen eingebracht werden, um so beispielsweise die Kurbelwellenposition weiter zu korrigieren bzw. in eine für einen pneumatischen Start geeignete Position zu bringen.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich bei dem elektrisch antreibbaren Verdichter um einen elektrisch unterstützten Abgasturbolader. Bei einem elektrisch unterstützten Turbolader, der auch als Cross-Charger bezeichnet wird, handelt es sich im Prinzip um einen Abgasturbolader, der zusätzlich mit einem elektrischen Motor und/oder Generator direkt oder indirekt verbunden ist. Im elektromotorischen Betrieb verhält sich dieser Abgasturbolader wie ein ausschließlich elektrisch angetriebener Verdichter. Im generatorischen Betrieb kann über den Abgasstrom zusätzlich Energie dem Abgas entzogen und genutzt werden, wobei die Abgasenergie also in elektrische Energie umgewandelt wird. Durch die elektrische Ansteuerung eines solchen Abgasturboladers lassen sich prinzipiell die oben erläuterten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in gleicher Weise realisieren. Weiterhin ist es möglich, durch die elektrische Ansteuerung eines entsprechend ausgestatteten Abgasturboladers den Motor von der abgasseitigen Seite her aufzuladen, indem die elektrisch angetriebene Verdichtung bei geöffnetem/n Auslassventil(en) erfolgt. In diesem Fall kann die elektrisch betriebene Abgasturbine durch Saugen bzw. Pumpen über die offenen Auslassventile des jeweiligen Zylinders über den jeweiligen Kolben beispielsweise ein Vor- oder Zurückdrehen der Brennkraftmaschine bewirken, um damit beispielsweise eine gewünschte Halteposition der Kurbelwelle für den pneumatischen Start zu erreichen. Weiterhin kann über das Saugen die elektrisch betriebene Abgasturbine die Brennkraftmaschine pneumatisch starten.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein System mit einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder und mit wenigstens einem elektrisch antreibbaren Verdichter, insbesondere einem elektrischen Zusatzverdichter. Dieses System zeichnet sich dadurch aus, dass das System für ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine in der oben beschriebenen Weise eingerichtet ist. Beispielsweise kann ein Steuergerät dieses Systems mit einem entsprechenden Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens ausgestattet sein. Bezüglich weiterer Merkmale dieses Systems und bezüglich weiterer Merkmale des Verfahrens wird auf die obige Beschreibung verwiesen.
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Weiterhin umfasst die Erfindung ein Computerprogramm, das zur Durchführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Darüber hinaus umfasst die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist. Schließlich umfasst die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, das zur Durchführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Computerprogramm oder als maschinenlesbares Speichermedium oder als elektronisches Steuergerät hat den besonderen Vorteil, dass auf diese Weise dieses Verfahren ohne Weiteres bei bestehenden Kraftfahrzeugen zur Realisierung eines pneumatischen Starts eingesetzt werden kann, sofern das Kraftfahrzeug mit einer Einrichtung zur elektrischen Verdichtung, insbesondere einem elektrisch Zusatzverdichter, ausgestattet ist. Im Hinblick auf das verbesserte Startverhalten kann das erfindungsgemäße Verfahren dabei einen Zusatznutzen eines gegebenenfalls ohnehin vorhandenen elektrischen Zusatzverdichters realisieren, der bei einem System mit Downsizing zur Verbesserung des Motorlaufverhaltens vorgesehen ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 schematische Darstellung eines Brennkraftmaschinensystems mit einem elektrischen Zusatzverdichter (Stand der Technik) und
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2A/B schematische Darstellungen von zwei möglichen Ausgestaltungen eines elektrisch unterstützten Abgasturboladers (Stand der Technik).
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 illustriert ein an sich bekanntes Brennkraftmaschinensystem mit einer Einrichtung zur elektrischen Zusatzverdichtung. Gezeigt ist ein beispielhafter Zylinder 10 der Brennkraftmaschine (Verbrennungsmotor) mit einem darin angeordneten Kolben 11. Über nicht näher dargestellte Einlassventile und Auslassventile werden das Frischgas in den Brennraum des Zylinders 10 eingelassen und das Abgas in den Abgasstrang 18 ausgestoßen. Das angesaugte Frischgas gelangt zunächst über einen Ansaugstutzen 12 in den Verdichter 13 eines Abgasturboladers 14. Die verdichtete Ansaugluft durchläuft einen Ladeluftkühler 15, bevor es über einen Ansaugkrümmer 16 in den Brennraum des Zylinders 10 gelangt. Das Abgas im Abgasstrang 18 treibt die Turbine 19 des Abgasturboladers 14 an. Weiterhin ist eine Abgasrückführungsleitung 20 vorgesehen. In der Ladeluftstrecke ist zusätzlich ein rein elektrisch angetriebener Verdichter 21 integriert. Die Luftführung des elektrisch angetriebenen Verdichters 21 wird mithilfe einer Bypass-Klappe 17 geschaltet. Die Bypass-Klappe 17 ist in der Ladeluftstrecke parallel in einem Bypass-Pfad positioniert. Wenn der Verdichter 21 aktiv ist, ist in der Regel die Bypass-Klappe 17 geschlossen. Wenn der elektrisch angetriebene Verdichter 21 nicht aktiv ist, ist die Bypass-Klappe 17 in der Regel geöffnet, sodass einer Drosselwirkung des nicht aktiven Verdichters 21 entgegengewirkt wird. Über das Schließen einer weiteren Klappe 22 im Abgasstrang kann der Abgasstrom über die Turbine 19 des Abgasturboladers 14 geleitet werden. Allgemein erlaubt die Verwendung eines elektrisch angetriebenen Verdichters 21 eine leistungsorientierte Auslegung des konventionellen Abgasturboladers 14, sodass im Basisaggregat eine deutliche Steigerung der spezifischen Leistung zu erreichen ist. Daher verwenden aktuelle Systeme mit einem Downsizing der Verbrennungsmotoren und den damit einhergehenden Anfahrschwächen (Turboloch) zunehmend zusätzlich elektrisch angetriebene Verdichter, die einen spontanen Ladedruckaufbau, also unabhängig vom Abgasstrom, erlauben.
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Erfindungsgemäß wird mittels einer elektrischen Ansteuerung eines Verdichters, beispielsweise des elektrischen Zusatzverdichters 21, ein pneumatischer Start der Brennkraftmaschine durchgeführt. Hiermit kann ein besonderer Zusatznutzen des elektrisch antreibbaren Verdichters realisiert werden. Je nach Ausgestaltung des Systems wird erfindungsgemäß bei geöffnetem Einlassventil oder bei geöffnetem Auslassventil durch elektrischen Antrieb des Verdichters die Position des Kolbens innerhalb des Zylinders beeinflusst bzw. der Kolben bewegt. Der pneumatische Start der Brennkraftmaschine kann dabei ohne ein externes Anlassermoment durchgeführt werden. Der pneumatische Start kann in vorteilhafter Weise durch den Einsatz eines variablen Ventiltriebs unterstützt werden, wodurch die Anforderungen an die Pumpleistungen des elektrischen Zusatzverdichters verringert werden.
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Weiterhin kann der pneumatische Start erheblich verbessert werden, indem der Kolben in eine geeignete Position bewegt und/oder in einer für den Start geeigneten Position gehalten wird, insbesondere beim Auslaufen der Brennkraftmaschine. Weiterhin ist eine Verbesserung eines Schleppstarts mit besonderem Vorteil möglich. Mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Ansteuerung des elektrisch antreibbaren Verdichters kann beispielsweise ein gezieltes Rückdrehen des Motors in eine geeignete Position erreicht werden (im Sinne eines erweiterten Direktstarts). Ein optimaler Direktstart ist beispielsweise im Hinblick auf Start/Stopp-Systeme erforderlich, die ein schnelles und komfortables Starten zwingend erfordern. Das erfindungsgemäße Verfahren löst dabei das Problem einer eingeschränkten Steuerbarkeit des Motorauslaufs in eine definierte Zielposition sowie das oftmals zu kleine Verbrennungsmoment bei hohen Motortemperaturen aufgrund einer zu geringen Luftdichte. Mit der erfindungsgemäßen Ansteuerung der elektrischen Zusatzverdichtung, die ein gezieltes Pumpen oder Saugen von Luft erlaubt, kann daher der Start pneumatisch durchgeführt werden und gegebenenfalls zusätzlich pneumatisch unterstützt werden, indem die Zylinderposition in Vorbereitung des pneumatischen Starts optimal eingestellt werden.
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Weiterhin wirkt das erfindungsgemäße Verfahren unkomfortablen Schüttelbewegungen der Brennkraftmaschine im Start infolge der Gaswechselmomente entgegen. Dies ist im Allgemeinen insbesondere bei Dieselmotoren problematisch, da dort der Zylinderdruck aufgrund der Selbstzündung des Diesels und der entsprechend notwendigen Kompression beispielsweise nicht durch Drosselmaßnahmen zu senken ist. Bei einem Dieselmotor ist etwa von einer doppelten Amplitude des Gaswechselmoments im Vergleich mit einem Otto-Motor auszugehen, womit im Allgemeinen eine größere Schwingungsanregung des Aggregats und ein unkomfortablerer Startverlauf verbunden sind. Daher bietet das erfindungsgemäße Verfahren zur Durchführung des Starts der Brennkraftmaschine durch die elektrische Zusatzverdichtung insbesondere bei Dieselmotoren besondere Vorteile.
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2A und 2B zeigen zwei Beispiele für die Ausgestaltung eines elektrisch unterstützten Abgasturboladers 30 bzw. 40 (Cross-Charger), der ebenfalls im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden kann. Der Turbolader 30 bzw. 40 bewirkt eine vom Abgasstrom 31 angetriebene Verdichtung der Ansaugluft 35, die über die Ladeluftstrecke 32 und einen Ladeluftkühler 33 in die Zylinder der Brennkraftmaschine 34 gelangt, bevor das Abgas 36 in den weiteren Abgasstrang (nicht näher dargestellt) entlassen wird. Der Abgasturbolader 30 bzw. 40 umfasst jeweils eine Abgasturbine 301 bzw. 401 und einen Verdichter 302 bzw. 402. In der Ausgestaltung gemäß 2A ist eine elektrische Motor/Generator-Einheit (MGU-H) 303 vor dem Verdichter 302 angeordnet. In der Ausgestaltung gemäß 2B ist eine Motor/Generator-Einheit 403 zwischen dem Verdichter 402 und der Abgasturbine 401 angeordnet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch für solche Systeme einsetzbar, die einen derartigen elektrisch unterstützten Turbolader aufweisen, wobei der Abgasturbolader 30 bzw. 40 im elektromotorischen Betrieb in vergleichbarer Weise wie der oben beschriebene ausschließlich elektrisch angetriebene Verdichter 21 eingesetzt werden kann. Die elektrisch betriebene Abgasturbine 301 bzw. 401 kann durch Saugen oder Pumpen ein Vor- oder Zurückdrehen der Brennkraftmaschine bewirken, sodass beispielsweise eine für den pneumatischen Start geeignete Halteposition der Kurbelwelle beispielsweise im Auslauf der Brennkraftmaschine erreicht werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann mittels der elektrisch betriebenen Abgasturbine 301 bzw. 401 ein komplett pneumatischer Start erfolgen. Das Saugen oder Pumpen kann dabei über die geöffneten Einlassventile des Zylinders oder auch über die geöffneten Auslassventile des Zylinders, also abgasseitig, auf die Position des Kolbens im Zylinder einwirken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10255149 A1 [0007]
- DE 102014201549 A1 [0008]
- DE 102004003607 A1 [0009]
- DE 10306632 A1 [0010]