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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Start einer Brennkraftmaschine
mit mehreren Zylindern nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs sowie
ein dementsprechendes Verfahren.
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Zur
Verringerung des Kraftstoffverbrauchs, zur Verbesserung der elektrischen
Bordnetzleistung und zur Verbesserung des Startverhaltens bei einem Start-Stopp-Betrieb
werden insbesondere integrierte Starter – Generatoren auf der Kurbelwelle
sowie riemengetriebene Startergeneratoren eingesetzt. Diese Systeme
haben im Gegensatz zu konventionellen Startsystemen bezogen auf
die Kurbelwelle nur ein kleines Trägheitsmoment, da keine, oder
beim riemengetriebenen Startgenerator eine im Verhältnis zum
konventionellen Starter nur kleine Übersetzung, zwischen Antrieb
und Kurbelwelle besteht. Hierdurch wird die notwendige Drehmomentanforderung
beim Start gegenüber
konventionellen Systemen deutlich erhöht.
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Die
beim Start notwendigen Drehmomentanforderungen werden insbesondere
durch die Gasfedermomente der Brennkraftmaschine beeinflusst. Der
instationäre
Anteil der Gasfedermomente hängt hierbei
insbesondere von der Auspendel-Stellung bzw. Startposition des Motors
ab.
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Aus
der
DE 100 24 438
A1 ist bereits ein Startverfahren bekannt, bei dem die
Kurbelwelle von einer elektrischen Maschine für jeden Startvorgang zunächst in
einer Positionierphase in eine Startposition gebracht wird. Ferner
ist es vorgesehen, dass in der Startphase in dem mindestens ersten,
in Kompression gehenden Zylinder der Brennkraftmaschine eine erste
Verbrennung mit verringerter Kompression und verringertem Füllgrad ausgelöst wird,
um somit das Andrehmoment der elektrischen Maschine zu unterstützen.
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Aus
der
DE 100 30 001
A1 ist ein Verfahren zum kontrollierten Abstellen einer
Brennkraftmaschine bekannt, bei dem nach Beendigung des regulären Betriebes
der Brennkraftmaschine eine Verstelleinrichtung angesteuert wird
und die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bzw. die Nockenwelle
in eine vorgebbare Winkelstellung bewegt wird.
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Aus
der
DE 102 43 494
A1 ist eine Motorbremsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt,
bei der eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit einer Dekompressionseinrichtung
ausgerüstet ist.
Zum Abbremsen der Brennkraftmaschine wird die Dekompressionseinrichtung
zeitweise geöffnet,
sodass aus einem Arbeitszylinderraum Druckluft bzw. Gas unter Druck
in eine Auslassleitung abziehbar ist.
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Die
für den
Start-Stopp-Betrieb entwickelten Systeme weisen gegenüber konventionellen
Startsystemen mit separaten Elektrostartern ein vergleichsweise
geringes Trägheitsmoment
an der Kurbelwelle auf. Insbesondere bei einer stromminimierten
Auslegung dieser Systeme wird im Vergleich zu konventionellen Systemen
nur ein geringes Startmoment bei Drehzahl Null erreicht.
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Die
DE 196 32 074 A1 offenbart
ein Verfahren zum Betrieb eines mit einem Starter-Generator gekoppeltem
ventilgesteuerten Verbrennungsmotors, bei dem vor dem Starten die
Gaswechselventile über
einen Ventil-Stellantrieb derart verstellt werden, dass der Verbrennungsmotor
praktisch kompressionslos ist. Zum Start des Verbrennungsmotors
arbeitet der Starter-Generator im Motorbetrieb und beschleunigt
die Kurbelwelle auf eine Mindestdrehzahl. Nach Erreichen der Mindestdrehzahl
werden die Zylinder des Verbrennungsmotors im Sinne eines weiterführenden
Verbrennungsmotor-Betriebes gezündet.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
mit den Merkmalen des entsprechenden unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, dass zum Start einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern,
wobei mindestens ein Zylinder ein Dekompressionsventil aufweist,
die Vorrichtung beim Abstellen der Brennkraftmaschine das mindestens
eine Dekompressionsventil derart betätigt, dass die Kurbelwelle
der Brennkraftmaschine in eine bevorzugte Startposition gelangt.
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Entsprechend
wird für
das erfindungsgemäße Verfahren,
beim Abstellen der Brennkraftmaschine das mindestens eine Dekompressionsventil
derart betätigt,
dass die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in eine bevorzugte Startposition
gelangt.
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Vorrichtung
und Verfahren gestatten es so in vorteilhafter Weise, die Kurbelwelle
der Brennkraftmaschine beim Abstellen in eine bevorzugte Startposition
zu bringen, wobei die Startposition vorteilhaft so gewählt wird,
das ein nachfolgender Start erleichtert durchgeführt werden kann.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch
angegebenen Verfahrens möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Vorrichtung oder durch das Verfahren
bei einem Start der Brennkraftmaschine mindestens ein Dekompressionsventil
derart betätigt
wird, dass ein dem Start entgegenwirkendes Startdrehmoment verringert wird.
Durch dieses Vorgehen wird in vorteilhafter Weise das entgegenwirkende
Startdrehmoment, vorzugsweise das Gasfedermoment in der Kompressionsphase,
verringert und der Startvorgang erleichtert bzw. beschleunigt.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn eine elektrische Maschine die Kurbelwelle
der Brennkraftmaschine in eine bevorzugte Startposition bringt.
So kann insbesondere bei einem System mit einem Starter-Generator,
dieser Starter dazu genutzt werden die Kurbelwelle in eine bevorzugte
Startposition zu bringen, um einen nachfolgenden Start zu erleichtern.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist es vorgesehen, dass bei mehreren Zylindern mit Dekompressionsventilen
diese Zylinder in der Zündfolge
aufeinander folgen. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass beim
Nichterreichen einer für einen
Start notwendigen Mindestdrehzahl bei einem in der Zündfolge
nachfolgenden Zylinder über
ein Dekompressionsventil der Druck bzw. das Gasfedermoment reduziert
werden kann.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich, wenn ein oder zwei Zylinder der Brennkraftmaschine
ein Dekompressionsventil aufweisen. Da erfindungsgemäß beim Abstellen
der Brennkraftmaschine die Kurbelwelle in eine bevorzugte Startposition
gelangt, ist es in vorteilhafter Weise möglich zur Reduzierung des Startdrehmomentes
nur ein oder zwei Zylinder mit einem Dekompressionsventil auszustatten,
wodurch Materialeinsatz und technischer Aufwand erheblich reduziert
werden können.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die bevorzugte Startposition
in einem Drehwinkelsegment liegt, der einen Kurbelwellenwinkel-Bereich
von Anzahl der Zylinder mit Dekompressionsventil (n_d) × 720°/Zylinderzahl(n) überstreicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren
erlaubt es, die bevorzugte Startposition in einen relativ großen Kurbelwellenwinkel-Bereich
zu legen, so dass beim Abstellen der Brennkraftmaschine die Kurbelwellen
in vorteilhafter und zuverlässiger
Weise eine bevorzugte Startposition erreicht.
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Besonders
von Vorteil ist es, wenn das mindestens eine Dekompressionsventil
derart betätigt wird,
dass, wenn ein Kolben der Brennkraftmaschine einen oberen Totpunkt
durchschreitet, die Drehzahl der Kurbelwelle nicht unter eine vorgegebene
Drehzahl fällt.
Auf diese Weise wird verhindert, dass insbesondere, wenn der Kolben
einen oberen Totpunkt in der Kompressionsphase überschreitet die Drehzahl nicht
abfällt.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich, wenn das mindestens eine Kompressionsventil
nur dann betätigt
wird, wenn die Kurbelwelle ohne eine solche Betätigung voraussichtlich eine günstige Startposition erreicht.
Durch die Reduzierung der Betätigung
auf die nur notwendigen Vorgänge
wird die Lebensdauer eines Dekompressionsventils erhöht.
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Besonders
vorteilhaft ist es das erfindungsgemäße Verfahren in einem Steuergerät zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine zu implementieren, sodass in einfacher
und vorteilhafter Weise die Vorgänge
für den
Start einer Brennkraftmaschine zentral, koordiniert und gesteuert
werden können.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen
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1 schematisch
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Start einer Brennkraftmaschine,
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2 schematisch
ein Diagramm mit dem Drehzahlverlauf beim Abstellen einer Brennkraftmaschine,
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3 schematisch
geeignete Kurbelwellenwinkel-Bereiche für eine bevorzugte Startposition,
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4 schematisch
den Drehzahlverlauf beim Start einer Brennkraftmaschine.
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1 zeigt
schematisch einen prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Start einer Brennkraftmaschine. Mit der Ziffer 10 ist eine
Brennkraftmaschine mit vier Zylinder 11–14 gekennzeichnet.
Einem ersten und zweiten Zylinder 11, 12 der Brennkraftmaschine
ist jeweils ein Dekompressionsventil 21, 22 zugeordnet
ist. Über
eine Kurbelwelle 60 ist die Brennkraftmaschine 10 mit
einem Startsystem 50 verbunden. Ein an der Kurbelwelle angeordneter
Drehzahlsensor 40 gibt drehzahlrepräsentierendes Signal an ein
Steuergerät 30 zur
weiteren Verarbeitung weiter. Das Steuergerät 30 verarbeitet unter
anderem die Drehzahlsignale und steuert mindestens ein Dekompressionsventil 21, 22.
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Beim
Startsystem 50 handelt es sich vorzugsweise um einen integrierten
Starter-Generator auf
der Kurbelwelle 60 oder einem riemengetriebenen Startgenerator.
Es ist jedoch auch denkbar, herkömmliche
Anlasser bzw. Starter zu verwenden. Weiterhin muss die Erfassung
der Drehzahl der Kurbelwelle 60 nicht zwangsläufig über einen Drehzahlsensor 40 direkt
an der Kurbelwelle 60 erfolgen, sondern auch andere Verfahren, über die
die Drehzahl der Kurbelwelle 60 zu ermitteln ist, sind
möglich.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist es vorgesehen, zwei in der Zündfolge
aufeinanderfolgende Zylinder 11, 22 jeweils mit
einem Dekompressionsventil 21, 22 auszustatten.
Durch dieses Vorgehen wird die Anzahl der benötigten Dekompressionsventile 21, 22 reduziert
und in der Stopp-Phase der Brennkraftmaschine 10 die Steuerung
der Auspendellage auf eine bevorzugte Startposition in einem für den Start
günstigen
Kurbelwellenwinkel-Bereich vereinfacht.
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2 zeigt
ein typisches Abstellverhalten einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine,
wobei die Kurven 200 und 300 den Drehzahlverlauf
mit zunehmenden Drehwinkel der Kurbelwelle darstellen. Die gestrichelte
Kurve 300 stellt hierbei den Drehzahlverlauf bei einer
ungebremsten Kurbelwelle 60 und die durchgezogene Kurve 200 den
Verlauf bei einer gebremsten Kurbelwelle dar. Der obere Totpunkt
in der Nähe
des Zündzeitpunkts
für den
ersten Zylinder 11 befindet sich im dargestellten Diagramm
bei 180°, der
Zünd-OT des nachfolgenden
zweiten Zylinders 12 folgt 180° später bei 360°. Die Zünd-OTs der nachfolgenden Zylinder 13, 14 folgen
entsprechend. Die Bereiche der korrespondieren Kompressionsphasen der
Zylinder sind mit Z1 bis Z4 gekennzeichnet. Die Umrandung der Bereiche
Z1 und Z2 weist darauf hin, dass der erste und zweite Zylinder 11, 12 jeweils
mit einem Dekompressionsventil 21, 22 versehen
ist. Mit ,100‘ ist
ein Dekompressionsbereich gekennzeichnet, in dem die Dekompressionsventile
im Wesentlichen zur Anwendung kommen.
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Wie
den Kurven zu entnehmen ist, nimmt die Drehzahl in der Kompressionsphase
in Richtung des Zünd-OTs
ab und erreicht beim Durchlaufen des Zünd-OTs ein Minimum. Unterschreitet
die Drehzahl der Kurbelwelle eine bestimmte Drehzahl, reicht das Drehmoment
der Kurbelwelle nicht mehr aus, das in der Kompressionsphase aufgebaute
Gasfedermoment zu überwinden
und kommt zum Stillstand, wobei das anstehende Gasfedermoment die
Kurbelwelle in eine entgegengesetzte Drehbewegung auspendeln lässt. Für das in 2 dargestellte
Ausführungsbeispiel
pendelt die Kurbelwelle gebremst oder ungebremst ca. 90° vor einem
Zünd-OT
aus.
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Für eine gegebene
Brennkraftmaschine ist es ohne Weiteres möglich, anhand der sich beim
Abstellen der Brennkraftmaschine einstellenden Drehzahl die voraussichtliche
Auspendelposition der Kurbelwelle zu ermitteln. Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, wenn die voraussichtliche Auspendelposition nicht in
ein bevorzugtes Startsegment fällt,
das Auslaufen der Kurbelwelle 60 mit Hilfe eines Dekompressionsventils 21, 22 derart
zu beeinflussen, dass eine gewünschte,
bevorzugte Auspendelposition bzw. Startposition der Kurbelwelle
erreicht wird.
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Stellt
Kurve 300 beispielsweise einen gemessenen bzw. ermittelten
Drehzahlverlauf für
ein ungebremstes Auslaufen der Kurbelwelle dar, werden anhand dieser
Daten von einem Steuergerät 30 Maßnahmen
ergriffen, beispielsweise eine geeignete Betätigung der vorhandenen Dekompressionsventile 21, 22,
um einen geeigneten mit Kurve 200 dargestellten Drehzahlverlauf
zu erreichen, der die Kurbelwelle 60 in eine geeignete
Startposition auspendeln lässt.
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Das
Abstellverhalten der Kurbelwelle nach Kurve 200 ist beispielsweise
zu erreichen, indem die vorhandenen Dekompressionsventile 21, 22 jeweils im
Winkelbereich 30° bis
0° vor OT
geöffnet
werden. Diese späte
Dekompression kurz vor OT bewirkt eine starke Bedämpfung des
Ausschwingverhaltens, da der Kompressionsdruck ohne ein Gegenmoment
abgebaut wird.
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Das
Steuern der Auspendellage kann auch ohne Zusatzaufwand über das
Steuergerät
durch das Festlegen eines Zylinders als letzten Verbrennungszylinder
beim Abstellen des Motors erfolgen. Ferner ist auch der Eingriff
auf die Ventilsteuerung, beispielsweise das frühe Öffnen der Auslassventile, eine Möglichkeit
der Bedämpfung
und der Erzeugung relativ früher
Auspendellagen.
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In 3 ist
schematisch dargestellt, welche Auspendelpositionen erfindungsgemäß geeignet sind.
Die Kurven Zyl1 und Zyl2 zeigen schematisch die Positionen bzw.
Arbeitstakte des ersten und zweiten Zylinders 11, 12,
die in der Zündfolge
aufeinanderfolgen und im vorliegenden Beispiel mit einem Dekompressionsventil 21, 22 versehen
sind. Mit der Ziffer 100 ist ein Dekompressionsbereich
gekennzeichnet, in dem die Dekompressionsventile 21, 22 vorzugsweise
zur Anwendung kommen. Der Dekompressionsbereich 100 im
vorliegenden Beispiel beginnt bei einem Kurbelwellenwinkel 720°, bei dem sich
der erste Zylinder 11 im unteren Totpunkt UT der Kompressionsphase
und der zweite Zylinder 12 im Gaswechsel-OT befindet und
endet bei einem Kurbelwellenwinkel 1080°, bei dem sich dann der zweite Zylinder 12 in
seinem Zünd-OT
befindet. Der Dekompressionsbereich 100 überstreicht
somit die Kompressionsphasen der ersten beiden Zylinder 11, 12. Für einen
optimalen Start der Brennkraftmaschine pendelt die Kurbelwelle vorzugsweise
in eine optimale Auspendellage 150 aus. Im vorliegenden
Beispiel erstreckt sich die optimale Auspendellage 150 im Wesentlichen über den
gesamten Kompressionsbereich des ersten Zylinders 11, der
Bereich beginnt hier bei 720° und
hört bei
900° auf.
Pendelt die Kurbelwelle in dieser optimalen Auspendellage 150 aus, so
sind beim Start unter Einsatz der Dekompressionsventile 21, 22 nur
geringe Gasfedermomente zu überwinden,
insbesondere durchschreitet der Drehwinkel der Kurbelwelle auch
die Kompressionsphase des zweiten Zylinders 12, in der
gegebenenfalls das zugehörige
Dekompressionsventil 22 das Gasfedermoment ein weiteres
Mal verringern kann, und so einen schnelleren Anlauf der Brennkraftmaschine 10 ermöglicht.
Ohne das Startverhalten wesentlich zu beeinträchtigen, ist es ausreichend,
wenn die Kurbelwelle 60 in eine bevorzugte Auspendellage 170 auspendelt.
Die bevorzugte Auspendellage 170 erstreckt sich im vorliegenden
Fall über
ein Kurbelwellenwinkelsegment das 90° vor dem Zünd-OT des vierten Zylinders (ZOT4) beginnt
und 90° nach
dem Zünd-OT
des ersten Zylinders (ZOT1) endet.
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Die
Größe der bevorzugten
Auspendellage 170 wird im Wesentlichen von der Anzahl der
Zylinder mit Dekompressionsventil n_d und der Anzahl der vorhandenen
Zylinder n ab, wobei der folgende Zusammenhang gilt: n_d × 720°/n = Kurbelwellenwinkel-Bereich
der bevorzugten Auspendellage 170. Die bevorzugte Auspendellage 170 ist
typischer Weise derart angeordnet, dass der Beginn dieser Lage im
Wesentlichen in der Mitte der Ansaugphase des ersten in Kompression
gehenden Zylinders zusammenfällt
und endet, sobald der letzte dekomprimierende Zylinder ca. die Mitte
der Kompressionsphase erreicht hat. Es ist jedoch ohne Weiteres
denkbar, dass die bevorzugte Auspendellage je nach Anwendungsfall
auch einen größeren oder
kleineren Bereich überstreichen
kann, insbesondere ist es auch denkbar diesen Bereich asymmetrisch
auszulegen.
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Bei
der Verwendung von zwei Dekompressionsventilen für zwei Zylinder in Folge ist
die Auspendelbeeinflussung deshalb besonders robust, weil dann der
gesamte Bereich des ersten mit einem Dekompressionsventil versehenen
Zylinders zum Toleranzfeld für
eine optimale Startregelung zählt.
Wobei eine Ausdehnung dieser optimalen Auspendellage 150 um
60°–90° nach oben
und unten in Richtung einer bevorzugten Auspendellage 170 immer
noch eine deutliche Startverbesserung gegenüber einem Normalstart darstellt.
Je weiter die Auspendelposition außerhalb der bevorzugten Auspendellage
liegt desto mehr nähert
sich das Startverhalten in Richtung einer Brennkraftmaschine ohne
einer erfindungsgemäßen Dekompressionshilfe.
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Beim
Start aus dem optimalen Positionsbereich kann die Dekompressionsregelung
des ersten Zylinders vollständig
für die
Startdynamik genutzt werden.
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Im
Bereich des zweiten Dekompressions-Zylinders kann bei relativ niedriger
Drehzahl nochmals leicht dekomprimiert werden, während bei relativ hohen Drehzahlen
zu Gunsten der besseren Verbrennung auf eine zweite Dekompression
gegebenenfalls verzichtet werden kann.
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Ist
alternativ nur ein Zylinder mit einem Dekompressionsventil ausgestattet,
so wird vorzugsweise die Auspendel-Steuerung so ausgelegt, dass die
Auspendelposition in die Mitte bzw. in die zweite Hälfte der
Kompressionsphase des in der Zündphase des
vorgeordneten Zylinders fällt.
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In 4 ist
schematisch der zeitliche Drehzahlverlauf der Kurbelwelle beim Start
einer Brennkraftmaschine dargestellt, wobei die gestrichelte Kurve 400 den
Verlauf mit einer vorhandenen Dekompressionsregelung und die Kurve 500 den
Verlauf ohne Dekompressionsregelung darstellt. Wie bereits in 2 dargestellt
und beschrieben durchläuft
die Drehzahl der Kurbelwelle beim Durchschreiten des oberen Totpunktes
eines Zylinders ein lokales Drehzahlminimum. Bei vorliegender Dekompressions-Regelung durchläuft ein
Zylinder mit Dekompressionsventil nach ca. 0,2 Sekunden einen Zünd-OT, wobei die
Drehzahl mit Hilfe der Dekompressionsregelung geringfügig abfällt. Im
nachfolgenden Zünd-OT
ist eine für
den Start erforderliche Mindestdrehzahl SD überschritten und der Start
der Brennkraftmaschine 10 kann dann nach ca. 430 Millisekunden
erfolgen.
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Ohne
Dekompressionsregelung reicht das durch den Starter nach 0,2 Sekunden
zur Verfügung gestellte
Drehmoment nicht aus, das Gasfedermoment in der Kompressionsphase
zu überwinden
und die Drehzahl der Kurbelwelle fällt stark ab und kommt gegebenenfalls
wieder zum Stehen. Im vorliegenden Fall ist erst nach 640 Millisekunden
eine ausreichende Drehzahl im Bereich des Zünd-OTs erreicht. Durch die
erfindungsgemäße Dekompressionsregelung
ergibt sich somit im vorliegenden Fall ein Zeitgewinn von ca. 230
Millisekunden. Dieser Zeitgewinn kommt dann erheblich zum Tragen,
wenn die Brennkraftmaschine in einem sogenannten Start-Stopp-Betrieb
betrieben wird.