DE102024136633B3

DE102024136633B3 - Verfahren zur verbesserung des kaltstartverhaltens eines 4-takt- verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102024136633B3
Application number: DE102024136633.8A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Dobberkau; Ronny Werner; Frank Atzler
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2024-12-09
Filing date: 2024-12-09
Publication date: 2025-10-09
Anticipated expiration: 2044-12-10

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der Verbrennungskraftmaschinen und betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens eines 4-Takt-Verbrennungsmotors. Die Aufgabe besteht in der Angabe eines Verfahrens zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens eines Verbrennungsmotors, das kostengünstig und umweltfreundlich ist und aufwendige Anpassungen bisher bekannter Verbrennungsmotorkomponenten vermeidet. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren bei einem 4-Takt-Verbrennungsmotor bei direkter Kraftstoffeinspritzung mit einem Kaltstartmodus und einem Betriebsmodus, bei dem im Kaltstartmodus mindestens während des 1. Taktes bei Unterschreiten einer vorliegenden Soll-Temperatur über eine erste Nockenwellensteuerung das mindestens eine Ein- und Auslassventil geschlossen und ein Unterdruck im Brennraum erzeugt wird, mit dem 2. Takt bei geschlossenen Einlass- und Auslassventilen das Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch im Brennraum komprimiert und entzündet wird, anschließend mit dem 3. Takt durch die Abwärtsbewegung des Hubkolbens Arbeit verrichtet wird und nachfolgend mit dem 4. Takt bei geöffnetem Auslassventil die Verbrennungsgase aus dem Brennraum ausgeleitet werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der Verbrennungskraftmaschinen und betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens eines 4-Takt-Verbrennungsmotors. Das erfindungsgemäße Verfahren ist für Verbrennungsmotoren mit Kraftstoff-Direkteinspritzung vorgesehen, die beispielsweise mit einem reinen alkoholischen Kraftstoff, insbesondere Methanol oder Ethanol, oder einem herkömmlichen Ottokraftstoff unter Zugabe eines Biokraftstoffes betrieben werden, wobei das erfindungsgemäße Verfahren auch für andere Kraftstoffe eingesetzt werden kann.
Vor allem reine Alkoholkraftstoffe gewinnen zum Betreiben von Verbrennungsmotoren zunehmend an Bedeutung, da reine Alkoholkraftstoffe den Verbrennungsmotoren einen hohen Wirkungsgrad ermöglichen und als umweltfreundlicher regenerativer Kraftstoff für Verbrennungsmotoren gelten. Ein weiterer Vorteil besteht im einfachen Transport und Nutzung, weshalb reine Alkoholkraftstoffe einen wichtigen Baustein zur Defossilisierung des Mobilitäts- und Energiesektors darstellen.
Für den erfolgreichen Kaltstart eines Verbrennungsmotors müssen grundsätzlich zwei wesentliche Anforderungen im Brennraum des Verbrennungsmotors gegeben sein. Einerseits ist es erforderlich, dass ein brennbares Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum des Zylinders an der Zündquelle zum Zündzeitpunkt vorliegt. Zudem muss eine ausreichende Energiefreisetzung durch das entzündete Luft-Kraftstoff-Gemisch erfolgen, um genügend Arbeit am Kolben verrichten und die motoreigenen Energieverluste überwinden zu können.
Das Kaltstartverhalten von Verbrennungsmotoren wird insbesondere durch die Kaltstartumgebung sowie die eingesetzten Kraftstoffe beeinflusst. Während bei den herkömmlichen Kraftstoffen, wie beispielsweise Superbenzin 95, der Flammpunkt bei Temperaturen von bis zu - 45°C gegeben ist, ist ein sicherer und verlässlicher Kaltstart eines mit einem reinen Alkoholkraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors aus dem Stand der Technik aufgrund des höheren Flammpunktes bei Temperaturen ab 10°C möglich. Zumindest hinsichtlich des Kaltstartverhaltens weisen mit reinem Alkoholkraftstoff betriebene Verbrennungsmotoren einen Nachteil gegenüber den mit herkömmlichen Kraftstoffen betriebenen Verbrennungsmotoren auf. Eine weitere nachteilige Eigenschaft von reinen Alkoholkraftstoffen ist, dass aufgrund der geringeren Energiedichte eine größere Kraftstoffmenge verdampft werden muss. Aufgrund der höheren Verdampfungsenthalpie wird zusätzlich mehr Energie für die Verdampfung der gleichen Menge an flüssigem Kraftstoff benötigt, was zu einer weiteren Abkühlung der Lademasse führt.
Um die Nachteile eines mit reinem Alkoholkraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors und insbesondere des schlechteren Kaltstartverhaltens überwinden zu können, werden im Stand der Technik verschiedene Lösungsansätze vorgeschlagen.
Aus der DE 10 2013 206 575 A1 ist ein Motorsteuerungsverfahren für einen Alkoholkraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor bekannt, bei dem während des Motoranlassens eine Kraftstoffeinspritzung dann vorgenommen wird, sofern der Ansaugkrümmer-Druck unter einen Schwellwert fällt, wobei der Schwellwert auf einer Kraftstoffvolatilität beruht.
Die DE 39 10 528 A1 offenbart ein Verfahren zum Kaltstarten eines mit einem Alkoholkraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors, das in einer Kaltstartvorrichtung eines mit einem Alkoholkraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors durchgeführt wird. Im kalten Zustand des Motors wird Benzin aus dem Benzinkreislauf eingesaugt, welches in einer Benzinspeicherungs- und Versorgungsvorrichtung gespeichert wird, solange das Alkoholkraftstoffsystem nicht aktiviert ist. Beim Start des Verbrennungsmotors wird danach das Benzin dem Saugrohr des Motors ohne Verzögerung und genau dosiert zugeführt, um die Verbrennung mit Benzin zu beginnen, bis der Motor einen vorbestimmten Grenzwert seiner Temperatur erreicht hat, die zur Aufrechterhaltung der Verbrennung mit Alkoholkraftstoff ausreichend ist, worauf die Alkoholkraftstoffzufuhr zu den Alkoholkraftstoff-Einspritzventilen freigegeben und die Benzineinspritzung unterbrochen wird.
Aus der DE 11 2008 002 239 B4 ist eine Kraftstoffeinspritzsteuervorrichtung zum Kaltstart einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Vorrichtung weist eine Kraftstoffpumpe auf, die dazu ausgebildet ist, Kraftstoff aus einem Kraftstofftank in einen Kraftstoffpfad zuzuführen. Außerdem weist sie eine Förderleitung auf, die dazu ausgebildet ist, den Kraftstoff im Kraftstoffpfad an jeweilige Zylinder zu verteilen, ein Kraftstoffeinspritzventil je Zylinder, die dazu ausgebildet sind, den von der Kraftstoffförderleitung zugeführten Kraftstoff in jeweilige Sauganschlüsse einzuspritzen, eine Heizeinrichtung, die in der Förderleitung oder im Kraftstoffpfad stromab der Kraftstoffpumpe vorgesehen ist und dazu ausgebildet ist, den Kraftstoff zur Verbesserung des Startvermögens aufzuheizen. Eine zusätzliche Kraftstoffpumpensteuereinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Ansteuerung der Kraftstoffpumpe zu stoppen, bis sich der aufgeheizte Kraftstoff in der Kraftstoffförderleitung auf eine vorbestimmte Menge oder weniger verringert hat, um zu vermeiden, dass nicht aufgeheizter Kraftstoff, der neu der Kraftstoffförderleitung zugeführt wird, eingespritzt wird, ohne dass er von der Heizeinrichtung aufgeheizt wird.
Die DE 10 2016 114 300 A1 schlägt ein Verfahren für einen Motor vor, bei dem während eines Motorkaltstarts eine Treibstoffeinspritzung durchgeführt wird, die eine Treibstoffmenge und eine Einspritzungszeitsteuerung auf Basis von Motorbetriebsbedingungen umfasst, wobei der Saugrohrdruck für ein erstes Verbrennungsereignis von jedem Motorzylinder beim Kaltstart auf Basis einer Schätzung von Treibstofftemperatur an einem Ende der Einspritzung gesenkt wird.
Auch ist aus der EP 1 934 467 B1 ein Kraftstofferwärmungssystem bekannt, um beim Kaltstart eines Verbrennungsmotors zu helfen, bei dem Alkohol als Kraftstoff verwendet wird. Das Kaltstartsystem verwendet Widerstände, die im Eingang der Einspritzdüsen angeordnet sind, Widerstände im Inneren jeder Einspritzdüse oder ein Widerstand für jede Düsenrohrhalterung, wobei die drei Möglichkeiten gleichzeitig, zu zweit oder getrennt verwendet werden können. Weiterhin ist die Verwendung von Widerstandsgruppen vorgeschlagen, die im oberen Teil des Ansaugkollektors oder der Ansaugung, im unteren Teil des Kollektors, im Körper der Drosselklappe, in den Ansaugleitungen des Spindelstocks und Widerstandsgruppen in der Sekundärleitung im Eingang neben dem Auspuffkrümmer, im Inneren des Luftfilters oder der Luftzufuhrleitung für den Drosselkörper und die Sekundärleitung vorgesehen sind.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen haben den Nachteil, dass zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens des Verbrennungsmotors aufwendige konstruktive Anpassungen am Motor beziehungsweise der an der Gemischbildung beteiligten Komponenten vorgenommen werden müssen, zusätzliche technische Einrichtungen benötigt werden oder Eingriffe in die Motorsteuerung erfolgen müssen. Auch die Kaltstartertüchtigung durch Beimischung eines Kraftstoffs mit einem geringeren Flammpunkt wird vorgeschlagen, wodurch jedoch insbesondere Umweltaspekte nicht ausreichend berücksichtigt werden und zudem zusätzliche Kosten entstehen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht in der Angabe eines Verfahrens zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens eines mit einem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors, das kostengünstig und umweltfreundlich ist und aufwendige Anpassungen bisher bekannter Verbrennungsmotorkomponenten vermeidet.
Die Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Patentansprüche im Sinne einer Und-Verknüpfung einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens eines mit einem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors, der mit einem 4-Takt-Verfahren bei direkter Kraftstoffeinspritzung in einem Kaltstartmodus und einem Betriebsmodus betrieben wird, wobei der Verbrennungsmotor mindestens einen Zylinder mit einem Brennraum und mit einem über eine Kurbelwelle verbundenen Hubkolben, mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil, mindestens eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung und mindestens eine Nockenwelle zur Steuerung des mindestens einen Ein- und Auslassventils aufweist, wobei im Kaltstartmodus mindestens während des 1. Taktes bei Unterschreiten einer mindestens im Brennraum mindestens eines Zylinders vorliegenden Soll-Temperatur über eine erste Nockenwellensteuerung das mindestens eine Ein- und Auslassventil geschlossen und ein Unterdruck im Brennraum erzeugt wird, danach eine Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum und ein Verdampfen des eingespritzten Kraftstoffes im Brennraum realisiert wird, danach das mindestens eine Einlassventil zum Bilden eines Kraftstoffdampf-Luft-Gemisches geöffnet wird, anschließend mit dem 2. Takt bei geschlossenen Einlass- und Auslassventilen das Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch im Brennraum komprimiert und entzündet wird, anschließend mit dem 3. Takt durch die Abwärtsbewegung des Hubkolbens Arbeit verrichtet wird und nachfolgend mit dem 4. Takt bei geöffnetem Auslassventil die Verbrennungsgase aus dem Brennraum ausgeleitet werden, wobei beim Erreichen der Soll-Temperatur vom Kaltstartmodus in den Betriebsmodus gewechselt wird, in dem die erste Nockenwellensteuerung deaktiviert und eine zweite Nockenwellensteuerung aktiviert wird.
Vorteilhafterweis wird der Zeitpunkt des Öffnens und Schließens des Einlassventiles ab 360°KW bis 600°KW realisiert.
Vorteilhaft ist es auch, wenn der Unterdruck im Brennraum durch eine Phasenverschiebung des Öffnungszeitpunktes des Einlassventils nach spät und/oder durch ein Verringern des Ventilhubes des Einlassventils erzeugt wird.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn mindestens mit der ersten Nockenwellensteuerung während des ersten Taktes bis zum Erreichen der Soll-Temperatur der Ventilhub des Einlassventil kontinuierlich vergrößert und/oder der Öffnungszeitpunkt des Einlassventils stufenlos in Richtung des LWOT verschoben wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann als Nockenwellensteuerung ein mechanisches, elektropneumatisches, elektrohydraulisches, elektromechanisches Ventilhubumschaltsystem und/oder eine stufenlose Ventilsteuerung eingesetzt werden.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird die erste Nockenwellensteuerung nach einer sensitiv erfassten Soll-Temperatur von ≤ 10° C aktiviert.
In vorteilhaften Weise wird als Kraftstoff ein reiner Alkoholkraftstoff eingesetzt, besonders vorteilhaft Methanol oder Ethanol.
Auch ist es von Vorteil, wenn während des Kaltstartmodus der absolute Druck im Brennraum auf 20 mbar bis 200mbar eingestellt wird.
Zudem kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Druck im Brennraum zusätzlich durch einen vor dem Einlassventil geschalteten Luftmassensteller abgesenkt wird, wobei besonders vorteilhaft als Luftmassensteller eine Drosselklappe eingesetzt wird, wobei besonders vorteilhaft der Luftmassensteller auf 1% und 10% seines Strömungsquerschnittes eingestellt wird.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn das durch den Luftmassensteller regelbare Luftstromvolumen in Abhängigkeit von der erreichten Soll-Temperatur eingestellt wird.
Und auch ist besonders vorteilhaft, wenn mittels des Luftmassenstellers der Lastpunkt des Verbrennungsmotors während des Kaltstartmodus stufenlos erhöht wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird während des Kaltstartmodus eine Motoranlassdrehzahl von 1.000 bis 2.000 U/min bereitgestellt.
Und auch ist vorteilhaft, wenn das Umschalten oder der Übergang von Kaltstartmodus in den Betriebsmodus aufgrund der ermittelten Soll-Temperatur mindestens aus der Temperatur des Brennraums, des Zylinders, der Umgebungstemperatur, der Verbrennungsabgase, des Kühlmittels und/oder der Drehmomentabgabe an der Kurbelwelle erfolgt.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens eines 4-Takt-Verbrennungsmotors bereitgestellt, der mit einem 4-Takt-Verfahren bei direkter Kraftstoffeinspritzung in einem Kaltstartmodus und einem Betriebsmodus betrieben wird.
Dabei kann ein aus dem Stand der Technik bekannter 4-Takt-Verbrennungsmotor eingesetzt werden, der mindestens einen Zylinder mit einem Brennraum und mit einem über eine Kurbelwelle verbundenen Hubkolben, mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil, mindestens eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung und mindestens eine Nockenwelle zur Steuerung des mindestens einen Ein- und Auslassventils aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in zwei unterschiedlichen Moden durchgeführt, nämlich einem Kaltstartmodus und einem Betriebsmodus.
Unter einem Kaltstartmodus soll im Rahmen der Erfindung verstanden werden und dieser kommt zum Einsatz, sofern die Betriebstemperatur mindestens im Brennraum mindestens eines Zylinders unterhalb des Flammpunktes des eingesetzten Kraftstoffes liegt. Der Flammpunkt eines Stoffes ist nach DIN V 14011 als die niedrigste Temperatur definiert, bei der sich ein zündfähiges Dampf-Luft-Gemisch bilden kann. Für Methanol liegt der Flammpunkt bei 11°C. Dieser gilt auch für Ethanol als weiteren möglichen Alkoholkraftstoff, sodass bei beiden Kraftstoffen dieselbe Kaltstartunwilligkeit unterhalb von 11°C besteht.
Unter einem Betriebsmodus soll im Rahmen der Erfindung verstanden werden und dieser kommt zum Einsatz, sofern die Betriebstemperatur, die erfindungsgemäß als Soll-Temperatur bezeichnet ist, zumindest im Brennraum mindestens eines Zylinders erreicht ist und der Motor im Leerlauf in der Selbsterhaltung betrieben werden kann. Die Betriebstemperatur stellt eine wichtige Kenngröße und untere Temperaturgrenze der benötigten Motorkomponenten dar, ab der der Verbrennungsmotor nach dem Kaltstartmodus im Betriebsmodus gefahren wird.
Im Vergleich zum konventionellen 4-Takt-Verfahren, bei dem die Frischladung mit Luft oder einem Luft-Kraftstoff-Gemisch im Einlasstakt angesaugt wird, wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der erste Takt, der auch als Einlasstakt bezeichnet wird, in drei Untertakte unterteilt.
Mit dem ersten Untertakt des 1. Taktes werden bei Unterschreiten einer mindestens im Brennraum mindestens eines Zylinders vorliegenden Soll-Temperatur über eine erste Nockenwellensteuerung das mindestens eine Ein- und Auslassventil geschlossen und bei gleichzeitiger Abwärtsbewegung des Hubkolbens in Richtung des unteren Totpunktes der absolute Druck im Brennraum des Zylinders verringert. Das Verringern des absoluten Druckes im Brennraum hat den technischen Effekt, dass die erforderlichen Verdampfungsbedingungen des Kraftstoffes auch bei Temperaturen unter 11°C schneller erreicht werden. Dabei wird das Unterdruckgebiet im Brennraum nur kurzzeitig lokal im Einspritzbereich erzeugt, um nachfolgend eine ausreichende Verdampfung des einzuspritzenden Kraftstoffes im Brennraum zu gewährleisten.
Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren erfolgt die Öffnung des Einlassventils bei ca. 360°KW bis 600°KW. Zum Erzeugen des gewünschten Unterdruckes im Brennraum des Zylinders wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, in Korrelation mit der Kurbelwelle den Zeitpunkt des Öffnens und Schließens des Einlassventiles während des 1. Taktes und ausgehend vom LWOT nach spät in Richtung unterem Totpunkt UT zu verschieben.
Als ZOT wird im Rahmen der Erfindung der Zeitpunkt verstanden, an dem der Hubkolben nach der Zündung eine Kurbelwellenrotation von 0° aufweist und die Verbrennungsgase aus dem Brennraum ausgeleitet werden. Als LWOT wird im Rahmen der Erfindung der obere Totpunkt bei Ladungswechsel verstanden, bei dem der Hubkolben den 1. Ansaugtakt einleitet und die Kurbelwelle bereits eine Kreis-Bewegung von 360° ab dem ZOT ausgeführt hat.
Durch den späteren Öffnungszeitpunkt des Einlassventils bei gleichzeitig geschlossenem Auslassventil wird durch die Abwärtsbewegung des Hubkolbens im geschlossenen Brennraum der absolute Druck verringert, um verbesserte Verdampfungsbedingungen durch Herabsetzen des Siedepunktes für die Kraftstoffdampf-Luft-Gemischbildung im geschlossenen Brennraum zu erreichen.
In einer vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens kann zum Erzeugen des benötigten Unterdruckes im geschlossenen Brennraum während des 1. Taktes vorgesehen sein, dass dieser durch eine Phasenverschiebung des Öffnungszeitpunktes des Einlassventils nach spät und/oder durch das Verringern des Ventilhubes des Einlassventils realisiert wird. Eine derartige Phasenverschiebung kann beispielsweise durch eine spezielle geometrische Nockenwellengestaltung oder durch eine spezielle zeitliche Anpassung der Nockenwelle mit der korrelierenden Kurbelwelle realisiert werden. Damit wird es beispielsweise möglich, dass die Ventilhubumschaltung zur Nutzung des Miller-Brennverfahrens beibehalten und dennoch ein später Ventilhub im Kaltstartmodus eingestellt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass mindestens mit der ersten Nockenwellensteuerung während des ersten Taktes bis zum Erreichen der Soll-Temperatur der Ventilhub des Einlassventils kontinuierlich vergrößert und/oder der Öffnungszeitpunkt des Einlassventils in Richtung des LWOT stufenlos verschoben wird.
Mit dem zweiten Untertakt des 1. Taktes wird eine Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum und ein Verdampfen des eingespritzten Kraftstoffes bei weiterem Senken des absoluten Druckes im Brennraum realisiert, wodurch das Verdampfen des eingespritzten Kraftstoffes gefördert wird. Auch im zweiten Untertakt des 1. Taktes bleiben das mindestens eine Einlassventil und Auslassventil geschlossen.
Mit dem dritten Untertakt des 1. Taktes wird das mindestens eine Einlassventil kurzzeitig geöffnet, wodurch eine definierte Luftmasse in den Brennraum einströmt und dadurch ein Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch erzeugt wird.
Mit dem 2. Takt wird bei geschlossenen Einlass- und Auslassventilen das Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch im Brennraum durch die Aufwärtsbewegung des Hubkolbens zum oberen Totpunkt komprimiert und anschließend entzündet.
Nachfolgend wird mit dem 3. Takt die Abwärtsbewegung des Hubkolbens eingeleitet und nachfolgend mit dem 4. Takt bei geöffnetem Auslassventil und geschlossenem Einlassventil die Verbrennungsgase aus dem Brennraum ausgeleitet.
Sofern die Soll-Temperatur mindestens im Brennraum mindestens eines Zylinders erreicht ist und die Voraussetzungen damit gegeben sind, dass der Motor im Leerlauf in der Selbsterhaltung betrieben werden kann, wird erfindungsgemäß vom Kaltstartmodus in den Betriebsmodus umgeschaltet oder kontinuierlich übergegangen.
Das Umschalten oder Übergehen vom Kaltstartmodus in den Betriebsmodus wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, indem die erste Nockenwellensteuerung deaktiviert und eine zweite Nockenwellensteuerung aktiviert wird. Für die Nockenwellensteuerung ist entscheidend, dass die Geometrie des zweiten Einlassnockens derart ausgebildet ist, dass der Ventilhub des Einlassventils nicht wie bisher nur verringert, sondern relativ zur Kurbelwelle nach spät verschoben wird, um den Verschluss des mindestens einen Einlassventils während des ersten und zweiten Untertaktes sicherzustellen und ein Einströmen von Luft während des ersten und zweiten Untertaktes des 1. Taktes in den Brennraum zu vermeiden.
Das Aktivieren der ersten Nockenwellensteuerung für den Kaltstartmodus und der zweiten Nockenwellensteuerung für den Betriebsmodus kann vorteilhafterweise stufig oder stufenlos erfolgen. Die Nockenwellensteuerung kann stufig beispielsweise durch ein variables zweistufiges Ventiltriebsystem erfolgen, das ein mechanisches, elektrohydraulisches, elektropneumatisches und/oder elektromechanisches Ventilhubumschaltsystem sein kann.
Vorstellbar ist auch, dass der Übergang vom Kaltstartmodus in den Betriebsmodus durch eine variable Phasenverstellung der Nockenwellensteuerung realisiert wird, sodass in Abhängigkeit von der erreichten Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors kontinuierlich der Öffnungszeitpunkt des Einlassventils in Richtung nach LWOT stufenlos verschoben und damit in den Betriebsmodus übergegangen wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die erste Nockenwellensteuerung nach einer sensitiv erfassten Soll-Temperatur im Bereich des Brennraumes bei ≤ 11° C aktiviert wird. Das sensitive Erfassen der Soll-Temperatur kann beispielsweise durch Messen der Kühlmitteltemperatur, der Verbrennungsgase, der Zuluft zum Brennraum und/oder direkt im Brennraum erfolgen. Damit wird sichergestellt, dass nach dem Erfassen der vorliegenden Soll-Temperatur von ≤ 11° C der Verbrennungsmotor im Kaltstartmodus betrieben wird und ein sicheres Kaltstartverhalten durch Bereitstellen verbesserter Verdampfungsbedingungen für Alkoholkraftstoffe, insbesondere für Methanol oder Ethanol, ermöglicht wird.
Es wurde festgestellt, dass sich verbesserte Verdampfungs- und Kaltstartbedingungen bei reinen Alkoholkraftstoffen dann einstellen, wenn im Brennraum des Zylinders während des 1. Taktes ein absoluter Druck im Bereich von 20mbar bis 200mbar erzeugt wird. Ein derart niedriger Unterdruck führt zu einem wesentlich verbesserten Übergang des Alkoholkraftstoffes von der flüssigen Phase in den gasförmigen Zustand, sodass auch bei sehr niedrigen Temperaturen von bis zu -20°C und auch niedriger ein sicheres Kaltstartverhalten des mit einem reinen Alkoholkraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors gewährleistet ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann zum Erzeugen des im Brennraum gewünschten absoluten Druckes vorgesehen sein, dass zusätzlich durch einen vor dem Einlassventil im Zuluftstrom geschalteten Luftmassensteller die Druckverhältnisse im Brennraum variabel eingestellt werden. Zum Erreichen des gewünschten Unterdruckes im Brennraum während des Kaltstartmodus kann hierfür der Luftmassensteller auf 1% und 10% seines möglichen Strömungsquerschnittes variabel eingestellt werden, wobei als Luftmassensteller vorteilhafterweise eine Drosselklappe eingesetzt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das durch den Luftmassensteller regelbare Luftstromvolumen in Abhängigkeit von der erreichten Soll-Temperatur variabel eingestellt wird. Damit wird es möglich, dass abhängig von der Erwärmung des Motors das Luftstromvolumen über den regelbaren Luftmassensteller schrittweise bis zum Erreichen der Selbsterhaltung erhöht werden kann. Bereits während des Kaltstartmodus kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, den Lastpunkt des Verbrennungsmotors über den Luftmassensteller zu erhöhen, um den Motorwarmlauf zu beschleunigen und Arbeit an der Kurbelwelle zu verrichten.
Zum schnellen Erreichen des Betriebsmodus kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass während des Kaltstartmodus eine Motoranlassdrehzahl von 1.000 bis 2.000 U/min über eine Anlasseinheit bereitgestellt wird. Eine hohe Motoranlassdrehzahl führt dazu, dass die Soll-Temperatur durch die erhöhte Anzahl von Untertakt- und Taktwiederholungen schneller erreicht wird und das Verdampfen des Kraftstoffes erleichtert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann zum sicheren Bestimmen des Umschalt- oder Übergangszeitpunktes von Kaltstartmodus in den Betriebsmodus vorgesehen sein, dass die Soll-Temperatur mindestens aus der Temperatur des Brennraums, des Zylinders, der Umgebungstemperatur, der Verbrennungsabgase, des Kühlmittels und/oder die vorherrschende Drehmomentabgabe an der Kurbelwelle ermittelt wird.
Die technischen Vorteile und Wirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik bestehen in der Zusammenschau darin, dass

- das Verfahren für verschiedene Kraftstoffsorten eines 4-Takt-Verbrennungsmotors anwendbar ist,
- ein sicheres Kaltstartverhalten eines mit einem reinen Alkoholkraftstoff betriebenen 4-Takt-Verbrennungsmotors bis - 20°C und niedriger ermöglicht wird,
- zusätzliche Komponenten oder konstruktive Aufwendungen zum Betreiben des Verfahrens gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren nicht erforderlich werden, und
- auf den Einsatz elektrischer Unterstützungskomponenten im Kaltstartmodus verzichtet wird, wodurch die Herstellungskosten für einen insbesondere mit einem Alkoholkraftstoff betriebenen 4-Takt-Verbrennungsmotors gesenkt werden.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von 4 Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazugehörigen Figuren zeigen

1 eine schematische Darstellung des Betriebes eines 4-Takt-Verbrennungsmotors mit drei Untertakten des 1. Taktes,
2 eine bekannte zeitliche Abfolge eines 4-Takt-Verbrennungsmotors mit Kraftstoff-Direkteinspritzung,
3 eine zeitliche Abfolge eines 4-Takt-Verbrennungsmotors mit Kraftstoff-Direkteinspritzung mit spätem Einlassventilhub,
4 eine zeitliche Abfolge eines 4-Takt-Verbrennungsmotors mit spätem und verringertem Einlassventilhub bei gleichzeitiger Phasenverstellung, und
5 eine zeitliche Abfolge eines 4-Takt-Verbrennungsmotors mit spätem und verringertem Einlassventilhub bei gleichzeitiger variabler Einlasshubverstellung.

Ausführungsbeispiel 1
1 zeigt schematisch die Funktionsweise eines Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung und den Takten 1 bis 4, wobei der 1. Takt nochmals in die Untertakte 1.1, 1.2 und 1.3 unterteilt ist. Mit dem Untertakt 1.1 werden bei Unterschreiten einer mindestens im Brennraum vorliegenden Soll-Temperatur über eine erste Nockenwellensteuerung das Einlassventil und Auslassventil geschlossen und bei gleichzeitiger Abwärtsbewegung des Hubkolbens in Richtung des unteren Totpunktes der absolute Druck p im geschlossenen Brennraum des Zylinders verringert. Mit dem Untertakt 1.2 des 1. Taktes wird eine Kraftstoffeinspritzung in den geschlossenen Brennraum und das Verdampfen des eingespritzten Kraftstoffes bei weiterem Absenken des absoluten Druckes p im geschlossenen Brennraum realisiert, wobei durch das Absenken des absoluten Druckes p der Siedepunktes des Kraftstoffes und damit das Verdampfen des eingespritzten Kraftstoffes früher erreicht wird. Auch im Untertakt 1.2 des 1. Taktes bleiben das mindestens eine Einlassventil und Auslassventil mindestens teilweise geschlossen. Mit dem Untertakt 1.3 des 1. Taktes wird das Einlassventil geöffnet, wodurch eine über den Öffnungszeitraum und den Ventilhub definierte Luftmasse in den Brennraum einströmt und dadurch ein Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch erzeugt wird. Die Takte 2 bis 4 betreffen das Komprimieren und Entzünden des Kraftstoffdampf-Luft-Gemisches im Brennraum an der Zündstelle und das nachfolgende Ausleiten der Verbrennungsgase aus dem Brennraum.
2 zeigt die aus dem Stand der Technik bekannte zeitliche Abfolge eines 4-Takt-Verbrennungsmotors mit Kraftstoff-Direkteinspritzung, wie sie aus dem Stand der Technik bei sämtlichen Betriebstemperaturen des Verbrennungsmotors angewendet wird. Es wird gezeigt, dass herkömmlich während des 1. Taktes die Öffnung des Einlassventils über den Ventilhub bereits unmittelbar vor dem Erreichen des LWOT beginnt und zu Beginn des 2. Taktes bei ca. 600°KW das Einlassventil und damit der Brennraum wieder verschlossen wird, wobei die Kraftstoff-Direkteinspritzung während des 1. Taktes bei ca. 370°KW bis ca. 460°KW erfolgt. Eine Absenkung des absoluten Druckes p in der Brennkammer erfolgt bei dem bekannten Verfahren während der sonst üblichen Lufteinlassphase nicht.
Ausführungsbeispiel 2
3 zeigt graphisch eine zeitliche Abfolge eines 4-Takt-Verbrennungsmotors mit Kraftstoff-Direkteinspritzung während des Kaltstarts bei einer Umgebungstemperatur, Brennraumtemperatur und Kühlmitteltemperatur von -10°C. Der Motor wird mit Methanol betrieben. Im Kaltstartmodus wird durch eine konkrete Nockenwellenkonfiguration und korrelierender Kurbelwellenbewegung eine Phasenverschiebung mit spätem Öffnungszeitpunkt des Einlassventils bei 455°KW und dem Schließen bei ca. 655°KW realisiert. Der Ventilhub für das Einlass- und Auslassventil ist mit 11mm bei dieser Nockenwellenkonfiguration konstant eingestellt, während der Beginn des Öffnens des Einlassventils auf spät bei 455°KW durch eine erste Nockenwellensteuerung als elektrohydraulisches Ventilhubumschaltsystem verschoben ist. Durch die späte Öffnung des Einlassventils bei ca. 455°KW wird im Brennraum während des 1. und 2. Untertaktes ein absoluter Druck p von 25 mbar erzeugt. Die nicht gezeigte Drosselklappenstellung beträgt 3% seines Strömungsquerschnittes.
Der Verbrennungsmotor wird in diesem Kaltstartmodus mit einer Motoranlassdrehzahl von 2.000 U/min gestartet. Sobald die Soll-Temperatur von 10°C erreicht ist, erfolgt eine Umschaltung in den Betriebsmodus mittels einer zweiten Nockenwellensteuerung, die über das elektrohydraulische Ventilhubumschaltsystem realisiert wird, sodass der Motor im Leerlauf in der Selbsterhaltung betrieben werden kann.
Ausführungsbeispiel 3
4 zeigt graphisch eine zeitliche Abfolge eines 4-Takt-Verbrennungsmotors mit Kraftstoff-Direkteinspritzung während des Kaltstarts mit spätem Öffnungszeitpunkt des Einlassventils, verringertem Einlassventilhub und einer Phasenverstellung bei einer Umgebungstemperatur, Brennraumtemperatur und Kühlmitteltemperatur von 0°C. Der Verbrennungsmotor wird mit Ethanol betrieben. Zum Absenken des absoluten Druckes p während des ersten Taktes ist die Nockenwellensteuerung derart ausgelegt, dass die Öffnung des Einlassventiles spät bei ca. 510°KW realisiert wird und der Einlass von Luft in den Brennraum nur bis ca. 600°KW erfolgt, wodurch während des 1. Taktes ein absoluter Druck von 50 mbar erzeugt wird. Der verringerte Ventilhub des Einlassventils beträgt 3,5mm, während die nicht gezeigte Drosselklappenstellung 3% seines Strömungsquerschnittes beträgt.
Der Verbrennungsmotor wird in diesem Kaltstartmodus mit einer Motoranlassdrehzahl von 2.000 U/min gestartet. Nach dem Erreichen der Soll-Temperatur von 10°C erfolgt eine Umschaltung in den Betriebsmodus mittels einer zweiten Nockenwellensteuerung mit elektromechanischen Ventilhubumschaltsystem und der Motor wird im Leerlauf in der Selbsterhaltung betrieben wird.
Ausführungsbeispiel 4
5 zeigt graphisch eine zeitliche Abfolge eines mit Ethanol betriebenen 4-Takt-Verbrennungsmotors mit Kraftstoff-Direkteinspritzung während des Kaltstarts mit einem anfänglich verringerten und späten Einlassventilhub bei einer Umgebungstemperatur, Brennraumtemperatur und Kühlmitteltemperatur von -10°C. Zum Absenken des absoluten Druckes p während des 1. Taktes wird eine stufenlose Ventilsteuerung eingesetzt, mit der anfänglich die Öffnung des Einlassventiles bei ca. 485°KW realisiert wird und der Einlass mit geringen Ventilhub von ca. 2,2 mm bis ca. 535°KW erfolgt, wodurch während des 1. Taktes bis zum Öffnen des Einlassventiles ein absoluter Druck p von 50 mbar erzeugt wird. Die nicht gezeigte Drosselklappenstellung beträgt 1% seines Strömungsquerschnittes.
Während des Kaltstartmodus, der mit einer Motoranlassdrehzahl von 2000 U/min betrieben wird, erhöht sich die Temperatur im Brennraum kontinuierlich bis zum Erreichen der Soll-Temperatur von 10°C, wobei während des Anstieges der Betriebstemperatur eine kontinuierliche Einlasszeitpunktverstellung in Richtung LWOT durch eine stufenlose Ventilsteuerung bei gleichzeitiger kombinierter Ventilhubvergrößerung und kontinuierlicher Drosselklappenöffnung realisiert wird.
Nach dem Erreichen der Soll-Temperatur erfolgt eine Umschaltung auf den Betriebsmodus durch eine stufenlose Ventilsteuerung und der Motor wird im Leerlauf in der Selbsterhaltung betrieben.

Claims

Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens eines mit einem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors, der mit einem 4-Takt-Verfahren bei direkter Kraftstoffeinspritzung in einem Kaltstartmodus und einem Betriebsmodus betrieben wird, wobei der Verbrennungsmotor mindestens einen Zylinder mit einem Brennraum und mit einem über eine Kurbelwelle verbundenen Hubkolben, mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil, mindestens eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung und mindestens eine Nockenwelle zur Steuerung des mindestens einen Ein- und Auslassventils aufweist, wobei im Kaltstartmodus mindestens während des 1. Taktes bei Unterschreiten einer mindestens im Brennraum mindestens eines Zylinders vorliegenden Soll-Temperatur über eine erste Nockenwellensteuerung das mindestens eine Ein- und Auslassventil geschlossen und ein Unterdruck im Brennraum erzeugt wird, danach eine Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum und ein Verdampfen des eingespritzten Kraftstoffes im Brennraum realisiert wird, danach das mindestens eine Einlassventil zum Bilden eines Kraftstoffdampf-Luft-Gemisches geöffnet wird, anschließend mit dem 2. Takt bei geschlossenen Einlass- und Auslassventilen das Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch im Brennraum komprimiert und entzündet wird, anschließend mit dem 3. Takt durch die Abwärtsbewegung des Hubkolbens Arbeit verrichtet wird und nachfolgend mit dem 4. Takt bei geöffnetem Auslassventil die Verbrennungsgase aus dem Brennraum ausgeleitet werden, wobei beim Erreichen der Soll-Temperatur vom Kaltstartmodus in den Betriebsmodus gewechselt wird, in dem die erste Nockenwellensteuerung deaktiviert und eine zweite Nockenwellensteuerung aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Zeitpunkt des Öffnens und Schließens des Einlassventiles ab 360°KW bis 600°KW realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Unterdruck im Brennraum durch eine Phasenverschiebung des Öffnungszeitpunktes des Einlassventils nach spät und/oder durch ein Verringern des Ventilhubes des Einlassventils erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens mit der ersten Nockenwellensteuerung während des ersten Taktes bis zum Erreichen der Soll-Temperatur der Ventilhub des Einlassventil kontinuierlich vergrößert und/oder der Öffnungszeitpunkt des Einlassventils stufenlos in Richtung des LWOT verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Nockenwellensteuerung ein mechanisches, elektropneumatisches, elektrohydraulisches, elektromechanisches Ventilhubumschaltsystem und/oder eine stufenlose Ventilsteuerung eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Nockenwellensteuerung nach einer sensitiv erfassten Soll-Temperatur von ≤ 10° C aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Kraftstoff ein reiner Alkoholkraftstoff eingesetzt wird, besonders vorteilhaft Methanol oder Ethanol.
Verfahren nach 1, bei dem während des Kaltstartmodus der absolute Druck im Brennraum auf 20 mbar bis 200mbar eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Druck im Brennraum zusätzlich durch einen vor dem Einlassventil geschalteten Luftmassensteller abgesenkt wird, wobei besonders vorteilhaft als Luftmassensteller eine Drosselklappe eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Luftmassensteller auf 1% und 10% seines Strömungsquerschnittes eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das durch den Luftmassensteller regelbare Luftstromvolumen in Abhängigkeit von der erreichten Soll-Temperatur eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem mittels des Luftmassenstellers der Lastpunkt des Verbrennungsmotors während des Kaltstartmodus stufenlos erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem während des Kaltstartmodus eine Motoranlassdrehzahl von 1.000 bis 2.000 U/min bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Umschalten oder der Übergang von Kaltstartmodus in den Betriebsmodus aufgrund der ermittelten Soll-Temperatur mindestens aus der Temperatur des Brennraums, des Zylinders, der Umgebungstemperatur, der Verbrennungsabgase, des Kühlmittels und/oder der Drehmomentabgabe an der Kurbelwelle erfolgt.