Kramer, Ulrich:

Potentialanalyse des Direktstarts für den Einsatz in einem Stopp-Start-System an einem Ottomotor mit strahlgeführter Benzin-Direkteinspritzung unter besonderer Berücksichtigung des Motorauslaufvorgangs

Duisburg-Essen (2005)
Buch / Monographie / Fach: Maschinenbau
Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Abstract:
Im Rahmen der Entwicklung eines Stopp-Start-Systems, bei dem durch Ausschalten des Motors während der Fahrzeug-Stillstandphasen Verbrauchseinsparungen realisiert werden sollen, wird ein neuartiges Startverfahren, der Direktstart, hinsichtlich seiner Eignung für den Einsatz in einem Stopp-Start-System untersucht. Direktstart ist ein an direkteinspritzenden Ottomotoren applizierbares Startverfahren, bei welchem der Motor ausschließlich mit Hilfe von Verbrennungsenergie gestartet wird. Durch direktes Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum bei stillstehendem Motor wird ein zündfähiges Gemisch an der Zündkerze erzeugt, dort fremd gezündet und verbrannt. Das Potential des Direktstartverfahrens wird an einem Motor mit strahlgeführtem Direkteinspritzverfahren sowohl analytisch als auch praktisch untersucht. Besonders eingegangen wird dabei auf die Konditionierung des Motors während des Abstellvorgangs, der dem Direktstart vorangeht. Die Untersuchungen ergeben, daß der Erfolg des Direktstartvorgangs auf die Einhaltung wesentlicher Parameter angewiesen ist. Um einen zuverlässigen Direktstart an einem 4-Zylinder-4-Takt-Reihen-Ottomotor zu ermöglichen, müssen einschneidende Kompromisse hinsichtlich der Steuerzeiten, des Verdichtungsverhältnisses und der maximal zulässigen Kühlwassertemperatur in Kauf genommen werden. Bei den meisten Anwendungen wird dies zur Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs sowie der Leistungscharakteristik des Motors führen. Für einen erfolgreichen Direktstart ist weiterhin die Einhaltung eines engen Start-Kurbelwinkel-Fensters erforderlich. Das Start-Kurbelwinkel-Fenster ist der Winkelbereich der Kurbelwellenposition nach dem oberen Totpunkt (OT), der einen zuverlässigen Motorstart gewährleistet. Die Einstellung des Kurbelwinkels in den geforderten Grenzen ausschließlich per Drosselklappensteuerung oder -regelung während des Motorauslaufs ist unmöglich. Die Auslaufsteuerung kann mittels Zielbremsung erfolgversprechend ausgeführt werden. Aufgrund des hohen Drehmomentbedarfs ist allerdings die Applikation eines für diesen Zweck neu zu entwickelnden Bauteils erforderlich. Eine Verfolgung dieses Lösungsweges erscheint daher ökonomisch wenig zielführend. In Anbetracht der eingeschränkten Applizierbarkeit und der erforderlichen Kompromisse bei der Implementierung des Direktstarts in ein Motorkonzept, sowie der gleichzeitig zu lösenden Robustheitsproblematik der Auslaufsteuerung, können einem reinen Direktstartkonzept kaum Chancen eingeräumt werden, den Weg in die Serienproduktion zu finden. Zudem kann ein Stopp-Direktstart-System nie ohne die zusätzliche Unterstützung eines Anlassermotors oder ähnlichen Bauteils auskommen, da der Direktstart sehr empfindlich auf Änderungen der Umgebungsbedingungen reagiert und für sich allein betrachtet nicht robust ist. Eine praktikable Alternative zum reinen Direktstart ist der „anlasserunterstützte Direktstart“. Bei diesem wird der Anlasser benutzt, um die Kurbelwelle über den 1. OT zu drehen. Ebenso wie schon beim Direktstart ohne Anlasserunterstützung sind die absolute Winkellage der Kurbelwelle und die Phasenlage der Nockenwelle zu jedem Zeitpunkt bekannt. Daher kann beim anlasserunterstützten Direktstart direkt in den 1. Verdichtungstakt eingespritzt und bei Überschreitung des 1. OT gezündet werden. Danach wird der Motor sukzessive durch Einspritz- und Zündsequenzen wie beim reinen Direktstart bis zur Leerlaufdrehzahl beschleunigt.

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