[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anhalten einer Brennkraftmaschine - insbesondere
einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und Funkenzündung - in einer gewünschten
Ruheposition durch Einflußnahme auf die Auslaufbewegung der Brennkraftmaschine. Ferner
betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine, die zur Durchführung eines derartigen
Verfahrens ausgebildet ist.
[0002] Zur Verbesserung der Kraftstoffausnutzung in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor erfolgt
häufig anstelle eines Leerlaufbetriebes ein vollständiges Abstellen des Motors, wenn
keine Antriebsleistung benötigt wird. Der Motor muß dann neu angelassen werden, wenn
dessen Leistung wieder benötigt wird. Für das Anlassen weisen herkömmliche Brennkraftmaschinen
spezielle Hilfsaggregate wie etwa einen Anlassermotor oder einen als Motor einsetzbaren
Generator (sog. Startergenerator) auf. Hierbei handelt es sich um verhältnismäßig
große und kostenaufwändige Einrichtungen, da für das Anlassen des Verbrennungsmotors
eine hohe elektrische Leistung erforderlich ist.
[0003] Darüber hinaus ist es bekannt, eine Brennkraftmaschine durch Auslösen einer Verbrennung
anzulassen. Dies ist insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit Funkenzündung und Direkteinspritzung
möglich. Der direkt in die Brennkammer eingespritzte Kraftstoff wird dabei durch einen
Funken gezündet, und die anschließende Explosion des Luft-Kraftstoff-Gemisches bewegt
den Kolben und startet den Motor, ohne daß die Kurbelwelle durch ein zusätzliches
Hilfsaggregat bewegt werden müßte. Alternativ kann auch beim konventionellen Anlassen
einer Brennkraftmaschine durch einen Startermotor bereits früh bzw. von Anfang an
eine Einspritzung und Verbrennung in den Zylindern erfolgen, um hierdurch den Anlasser
zu unterstützen.
[0004] Ein Anlassen des Motors durch Kraftstoffzündung erfordert bestimmte Randbedingungen,
um erfolgreich durchgeführt werden zu können. Insbesondere ist es erforderlich bzw.
vorteilhaft, daß die Kurbelwelle zu Beginn des Anlassens in oder nahe einer bestimmten
Position steht. Diesbezüglich sind aus der DE 100 30 001 A1 verschiedene Verfahren
und Einrichtungen bekannt, mit denen die Annahme einer gewünschten Ruheposition der
Brennkraftmaschine beim Stillstand sichergestellt werden soll. Aufgrund von variierenden
Einflüssen schwanken die tatsächlich erreichten Ruhepositionen der Brennkraftmaschine
jedoch zum Teil erheblich, was sich entsprechend negativ auf die Voraussetzungen für
ein starterloses Anlassen der Brennkraftmaschine auswirkt.
[0005] Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel zum
Anhalten einer Brennkraftmaschine in einer definierten Ruheposition bereitzustellen,
die ein genaueres Erreichen der gewünschten Ruheposition ermöglichen.
[0006] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch
eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den Unteransprüchen enthalten.
[0007] Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Anhalten einer Brennkraftmaschine in einer
gewünschten Ruheposition, wobei die Ruheposition z.B. durch den Kurbelwellenwinkel
eindeutig beschrieben werden kann. Bei der Brennkraftmaschine kann es sich insbesondere
um eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und Fremdzündung des Kraftstoffs
handeln. Das Anhalten der Brennkraftmaschine in der gewünschten Ruheposition erfolgt
bei dem Verfahren durch aktive und/oder passive Einflußnahme auf die Auslaufbewegung
der Brennkraftmaschine, d.h. die Bewegungsphase der Brennkraftmaschine von deren Abstellen
(Beendigung der Zündung und/oder Kraftstoffzufuhr) bis zu ihrem Stillstand. Eine aktive
Einflußnahme beinhaltet die unmittelbare Ausübung von Kräften auf die Bewegung der
Brennkraftmaschine unter Einsatz externer Energie, während eine passive Einflußnahme
sich auf das Verstellen von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine beschränkt,
die sich mittelbar auf die Auslaufbewegung auswirken. Das Verfahren ist durch folgende
Schritte gekennzeichnet:
a) Aufgrund aktueller Betriebsdaten der Brennkraftmaschine bzw. des Fahrzeugs wird
zu Beginn bzw. während der Auslaufbewegung die voraussichtliche Ruheposition der Brennkraftmaschine
vorhergesagt.
b) Die Einflußnahme auf die Auslaufbewegung wird aufgrund der genannten vorhersagten
Ruheposition angepaßt, so daß die tatsächlich erreichte Ruheposition näher bei der
gewünschten Ruheposition liegt oder diese im Idealfall exakt trifft.
[0008] Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil, daß dieses sehr flexibel in Verbindung
mit unterschiedlichen Methoden der Einflußnahme auf die Bewegung einer Brennkraftmaschine
ausgeübt werden kann. D.h., es kann quasi jedes spezielle Prozedere zum Anhalten einer
Brennkraftmaschine in einer gewünschten Ruheposition durch das beschriebene Verfahren
noch weiter verbessert werden. Insbesondere können einfache, kostengünstige Methoden
derart verbessert werden, daß diese die Präzision und Zuverlässigkeit von aufwändigeren
Methoden erreichen.
[0009] Die bei dem Verfahren vorgegebene gewünschte Ruheposition der Brennkraftmaschine
kann insbesondere so festgesetzt sein, daß sich die Brennkraftmaschine in einer optimalen
Ausgangskonfiguration für ein anschließendes Anlassen allein durch (oder zumindest
mit Unterstützung durch) eine Kraftstoffverbrennung befindet. In diesem Falle können
die eingangs geschilderten Vorteile eines Anlassens mit Kraftstoffverbrennung erreicht
werden, d.h. die Größenreduzierung der erforderlichen Hilfsaggregate (Startermotor)
beziehungsweise der vollständige Verzicht hierauf.
[0010] Für die Vorhersage der Ruheposition der Brennkraftmaschine kann prinzipiell auf alle
bereits für die übliche Motorsteuerung gemessenen und/oder abgeleiteten Daten über
den Betriebszustand des Fahrzeugs zurückgegriffen werden. Insbesondere werden zur
Vorhersage der Ruheposition Betriebsdaten verwendet, die die Motordrehzahl, den Kurbelwellenwinkel,
die Motortemperatur (beziehungsweise eine hiermit korrelierte Temperatur wie die Kühlmitteltemperatur)
und/oder den Ansaugdruck im Ansaugkrümmer des Motors umfassen. Die genannten Größen
haben erfahrungsgemäß den stärksten Einfluß auf die Auslaufbewegung der Brennkraftmaschine.
[0011] Wie bereits erwähnt kann die Einflußnahme auf die Auslaufbewegung der Brennkraftmaschine
prinzipiell mit beliebigen bekannten oder noch zu entwickelnden Methoden vorgenommen
werden. Insbesondere kann die Einflußnahme auf die Auslaufbewegung die Kontrolle mindestens
einer der folgenden Größen beziehungsweise Einrichtungen umfassen:
- des Öffnungswinkels einer Drosselklappe;
- der Bremskraft, die auf eine mit der Bewegung der Brennkraftmaschine gekoppelte Einrichtung
ausgeübt wird;
- der Lichtmaschine des Kraftfahrzeugs;
- der Ölpumpe des Kraftfahrzeugs;
- des Kompressors einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs;
- der Pumpe eines Lenkunterstützungssystems;
- der Steuerkette und/oder des Zahnriemens zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle
- der Kupplung zwischen Brennkraftmaschine und Getriebe.
[0012] Für die Vorhersage der voraussichtlichen Ruheposition wird gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform des Verfahrens ein Modell der Auslaufbewegung der Brennkraftmaschine
verwendet, welches (a) die aktuelle kinetische Energie des Antriebsstranges, (b) die
Reibungsverluste und/oder (c) die Kompressions- und Expansionsvorgänge in den Zylindern
der Brennkraftmaschine berücksichtigt. Ein derartiges Modell kann aufgrund theoretischer
Überlegungen gewonnen und in Form mathematischer Gleichungen implementiert werden.
Vorzugsweise wird das Modell jedoch ganz oder zumindest teilweise empirisch gewonnen,
d.h. durch Beobachtung des Motorverhaltens und Aufbereitung der dabei gewonnenen Meßdaten
(z. B. als eine Lookup-Tabelle).
[0013] Das Modell kann optional Parameter enthalten, welche aufgrund eines Vergleichs zwischen
der vom Modell vorhergesagten und der tatsächlich angenommenen Ruheposition der Brennkraftmaschine
adaptiert werden. Auf diese Weise kann die Vorhersageleistung des Modells ständig
verbessert beziehungsweise an Veränderungen im Verhalten der Brennkraftmaschine angepaßt
werden. Durch eine Adaptionsfähigkeit des Modells wird sichergestellt, daß dieses
sich an produktionsbedingte Toleranzen im Motorverhalten sowie an Alterungserscheinungen
während der Lebensdauer eines Kraftfahrzeugs anpaßt und daher für jedes individuelle
Fahrzeug und zu jedem Zeitpunkt eine hohe Vorhersagegenauigkeit erreicht.
[0014] Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und
Fremdzündung sowie einer Motorsteuereinheit, welche dahingehend ausgebildet ist, ein
Verfahren der vorstehend erläuterten Art auszuführen. D.h., daß die Motorsteuereinheit
über geeignete Einrichtungen Einfluß auf die Auslaufbewegung der Brennkraftmaschine
nehmen kann, um Letztere in einer gewünschten Ruheposition zum Stillstand zu bringen.
Weiterhin weist die Motorsteuereinheit Mittel zur Vorhersage der voraussichtlichen
Ruheposition auf und ist in der Lage, die Einflußnahme auf die Auslaufbewegung aufgrund
einer solchen Vorhersage anzupassen.
[0015] Die Motorsteuereinheit kann insbesondere Sensoreingänge für die Motordrehzahl, den
Kurbelwellenwinkel, den Ansaugdruck und/oder die Motortemperatur aufweisen. Auf diese
Weise wird sichergestellt, daß diese für die Auslaufbewegung der Brennkraftmaschine
besonders relevanten Größen aktuell mit ihren tatsächlichen Werten erfaßt werden können.
[0016] Die Brennkraftmaschine enthält ferner optional eine Bremseinrichtung, mit welcher
eine Bremskraft auf die Auslaufbewegung der Brennkraftmaschine ausgeübt werden kann.
Die Bremseinrichtung kann dabei z.B. unmittelbar an der Kurbelwelle, an der Nockenwelle
oder an einem Kolben ansetzen. Sie ermöglicht das Anhalten in einer gewünschten Ruheposition,
ohne daß von außen der Bewegung der Brennkraftmaschine aktiv Energie zugeführt werden
müßte.
[0017] Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figur beispielhaft näher erläutert. Die
einzige Figur zeigt schematisch die Komponenten einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung
und einer Motorsteuereinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
[0018] Bei der in der Figur dargestellten Brennkraftmaschine 10 handelt es sich um einen
Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und direkter Einspritzung von Benzin über die in
die Zylinder 3 führende Kraftstoffzufuhr 4. Ein derartiger Motor mit Direkteinspritzung
hat den Vorteil, daß dieser durch Funkenzündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in den
Zylindern 3 direkt gestartet werden kann, ohne daß ein zusätzlicher Startermotor die
Kurbelwelle 11 während einer Anlaßphase antreiben muß. Alternativ kann die (Fremd-
oder Selbst-) Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches während der Startphase jedoch
auch nur zur Unterstützung eines Anlassers (Startermotors) erfolgen, um den Startvorgang
zu beschleunigen ("Quick Start"), den Anlasser kleiner auslegen zu können, und um
das Komfortverhalten des konventionellen Starts zu verbessern. Bei einem solchen unterstützten
Start wird bereits ab der ersten Umdrehung beziehungsweise ab dem ersten Expansionshub
eines Kolbens Kraftstoff eingespritzt und gezündet.
[0019] Die Brennkraftmaschine 10 weist ferner einen Ansaugkrümmer 2 zur Zufuhr von Frischluft
auf, wobei deren Zufuhrrate über eine Drosselklappe 1 eingestellt werden kann. Stromabwärts
der Drosselklappe 1 ist ein Drucksensor für den Ansaugdruck angeordnet, dessen Signal
p
man an eine Motorsteuereinheit 7, die z.B. durch einen Mikroprozessor realisiert sein
kann, geleitet wird. Ferner ist an der Kurbelwelle 11 der Brennkraftmaschine 10 ein
Sensor für den Kurbelwellenwinkel ϕ bzw. die Drehzahl n sowie an der Brenn kraftmaschine
10 ein Sensor für die Motortemperatur T vorgesehen, welche beide ihre Signale an die
Motorsteuereinheit 7 übermitteln. Weitere Sensoreingänge sind allgemein mit x bezeichnet.
Die Motorsteuereinheit 7 empfängt die genannten sensorischen Informationen und berechnet
hieraus Steuerkommandos für verschiedene Komponenten der Brennkraftmaschine wie z.
B. ein Kraftstoffinjektionssystem.
[0020] Die Abgase aus den Zylindern 3 der Brennkraftmaschine 10 werden von einem Abgaskrümmer
5 in ein Abgassystem geleitet. Selbstverständlich kann die Brennkraftmaschine mit
weiteren bekannten Komponenten wie beispielsweise einer Abgasrückführung, einem Abgasturbolader,
einem Katalysator od. dgl. ausgerüstet sein, welche in der Figur nicht näher dargestellt
sind.
[0021] Um die Brennkraftmaschine 10 nach einem Stillstand erfolgreich direkt (d. h. ohne
Hilfsaggregat) starten zu können oder um einen Start durch frühe Zündungen in der
Startphase unterstützen zu können, ist die Einhaltung einer Reihe von Randbedingungen
erforderlich. Zu diesen Randbedingungen gehört insbesondere das möglichst genaue Einhalten
einer optimalen Ruheposition (entsprechend einem optimalen Kurbelwellenwinkel ϕ
opt), bei welcher sich der Kolben mindestens eines Zylinders ("Arbeitszylinder") sich
in der Stellung eines Expansionstaktes befindet, so daß dort beim Anlassen der Brennkraftmaschine
die Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches möglichst effizient stattfinden kann.
[0022] Um die Annahme einer gewünschten Ruheposition sicherzustellen, können verschiedene
Einflußmaßnahmen von der Motorsteuereinheit 7 ausgeübt werden. Insbesondere kann mit
Steuersignalen TP eine Ansteuerung der Drosselklappe 1 erfolgen, um durch Veränderung
der Pumparbeit der Brennkraftmaschine 10 Einfluß auf die erreichte Endstellung der
Kurbelwelle zu nehmen und um für eine möglichst große Frischluftmenge in den Zylindern
zu sorgen.
[0023] Ferner ist in der Figur schematisch eine Bremseinrichtung 6 dargestellt, welche eine
von der Motorsteuereinheit 7 direkt oder indirekt vorgegebene Bremskraft F
B auf die Kurbelwelle 11 der Brennkraftmaschine 10 ausüben kann. Alternativ könnte
die Bremseinrichtung auch auf ein anderes mit der Motordrehung gekoppeltes Teil wie
etwa die Nockenwelle (nicht dargestellt) oder einen Kolben einwirken.
[0024] Des Weiteren ist eine Lichtmaschine 9 angedeutet, deren elektrische Belastung L von
der Motorsteuereinheit 7 z. B. durch Einschalten von Stromverbrauchern gesteuert werden
kann. Weitere, in der Figur nicht näher dargestellte Einrichtungen, deren Ansteuerung
zur Einflußnahme auf die Auslaufbewegung der Brennkraftmaschine 10 verwendet werden
kann, sind eine Ölpumpe, ein Klimaanlagen-Kompressor, eine Pumpe für ein Lenkunterstützungssystem,
eine Steuerkette beziehungsweise ein Zahnriemen zur Kopplung von Kurbelwelle und Nockenwelle
und die sich zwischen Brennkraftmaschine und Getriebe befindliche Reibkupplung, wobei
allerdings die Fahrzeugbremse aktiviert sein sollte.
[0025] Um die vorstehend aufgezählten Möglichkeiten der Einflußnahme auf die Auslaufbewegung
der Brennkraftmaschine 10 möglichst zielführend einsetzen zu können, wird innerhalb
der Motorsteuereinheit 7 ein Modell 8 für die Auslaufbewegung der Brennkraftmaschine
10, d. h. deren Bewegung vom Abstellen der Zündung beziehungsweise der Kraftstoffzufuhr
bis zum Stillstand (Drehzahl Null) eingesetzt. Dieses Modell kann die voraussichtlich
erreichte Ruheposition der Brennkraftmaschine 10 auf der Basis der aktuellen Motorbetriebsparameter
vorhersagen. Wenn eine Abweichung zwischen der vorhergesagten Ruheposition und der
gewünschten Ruheposition besteht, kann die Motorsteuereinheit 7 ihre Einflußnahme
auf die Auslaufbewegung entsprechend anpassen, so daß die tatsächlich erreichte Ruheposition
näher bei der gewünschten Ruheposition liegt als vom Modell (unter Annahme einer nicht
angepaßten Einflußnahme) vorhergesagt.
[0026] Das in der Motorsteuereinheit 7 implementierte Vorhersagemodell für die erreichte
Ruheposition der Brennkraftmaschine 10 berechnet vorzugsweise die kinetische Energie
E
kin = θω
2/2 des gesamten mit der Brennkraftmaschine 10 bewegten Antriebsstranges (mit dem Trägheitsmoment
θ) in Abhängigkeit von der gemessenen oder aus anderen Größen abgeleiteten aktuellen
Motordrehzahl n bzw. der Winkelgeschwindigkeit ω.
[0027] Weiterhin berechnet das Modell die auf die Motorbewegung wirkende Reibung, die z.
B. als eine Reibungskraft F
R ausgedrückt werden kann. Diese Reibung wird auf der Basis des Verlustes an kinetischer
Energie zwischen zwei Zeitpunkten t
1 und t
2 während der Auslaufbewegung der Brennkraftmaschine 10 abgeschätzt. Ferner werden
die Kompressions- und Expansionsprozesse im Motor 10 modelliert, da auch diese erheblichen
Einfluß auf die Auslaufbewegung haben. Auf der Basis einer Energiebilanz zwischen
der aktuellen Energie des Motors und den Energieverlusten kann dann die voraussichtlich
erreichte Ruheposition vorhergesagt werden. Falls diese nicht im gewünschten Zielbereich
liegt, können die der Motorsteuereinheit 7 zur Verfügung stehenden Einflußmaßnahmen
entsprechend angepaßt werden.
[0028] Vorzugsweise ist das Modell 8 der Motorsteuereinheit 7 lernfähig ausgebildet. Insbesondere
kann das Modell zu diesem Zweck lernfähige Teilsysteme enthalten, z. B. in Form neuronaler
Netze. Durch Anpassung entsprechender Parameter können dann gute Vorhersagen während
der gesamten Lebensdauer des Kraftfahrzeuges beziehungsweise über die gesamte Variationsbreite
einer Massenproduktion gewährleistet werden. Das Modell kann verfeinert werden durch
Berücksichtigung aller relevanten Motorparameter wie beispielsweise des Motorverschleißes,
von Produktionstoleranzen, der Ölviskosität und dergleichen.
1. Verfahren zum Anhalten einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine
(10) mit Direkteinspritzung und Fremdzündung, in einer gewünschten Ruheposition durch
Einflußnahme auf ihre Auslaufbewegung,
dadurch gekennzeichnet, daß
a) die voraussichtliche Ruheposition aufgrund aktueller Betriebsdaten (ϕ, ω, n, T,
pman, x) vorhergesagt wird, und
b) die Einflußnahme auf die Auslaufbewegung aufgrund der Vorhersage der Ruheposition
angepaßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die gewünschte Ruheposition für ein Anlassen der Brennkraftmaschine (10) allein
durch oder mit Unterstützung durch eine Kraftstoffverbrennung geeignet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zur Vorhersage der Ruheposition verwendeten Betriebsdaten die Motordrehzahl
(n), den Kurbelwellenwinkel (ϕ), die Motortemperatur (T) und/oder den Ansaugdruck
(pman) umfassen.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einflußnahme auf die Auslaufbewegung der Brennkraftmaschine (10) die Kontrolle
mindestens einer der folgenden Größen bzw. Einrichtungen umfaßt:
- des Öffnungswinkels einer Drosselklappe (1);
- der Bremskraft (FB), die auf eine mit der Bewegung der Brennkraftmaschine gekoppelte Einrichtung ausgeübt
wird;
- der Lichtmaschine des Kraftfahrzeugs;
- der Ölpumpe des Kraftfahrzeugs;
- des Kompressors einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs;
- der Pumpe eines Lenkunterstützungssystems;
- der Steuerkette und/oder des Zahnriemens zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle
- der Kupplung zwischen Brennkraftmaschine und Getriebe
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorhersage ein Modell (8) der Auslaufbewegung der Brennkraftmaschine (10) verwendet,
welches die kinetische Energie (Ekin) des Antriebsstranges, die Reibungsverluste (FR) und/oder die Kompressions- und Expansionsvorgänge der Brennkraftmaschine berücksichtigt.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Modell (8) zumindest teilweise empirisch gewonnen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Modell (8) Parameter enthält, die aufgrund eines Vergleiches zwischen vorhergesagter
und tatsächlicher Ruheposition der Brennkraftmaschine (10) adaptiert werden.
8. Brennkraftmaschine (10) mit Direkteinspritzung und Fremdzündung, gekennzeichnet durch eine Motorsteuereinheit (7), welche dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach mindestens
einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Motorsteuereinheit (7) Sensoreingänge für die Motordrehzahl (ω), den Kurbelwellenwinkel
(ϕ), den Ansaugdruck (pman) und/oder die Motortemperatur (T) aufweist.
10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
diese eine Bremseinrichtung (6) zur Ausübung einer Bremskraft (FB) auf die Auslaufbewegung der Brennkraftmaschine (10) enthält.