DE102009001904A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) mit Direkteinspritzung, wobei die Brennkraftmaschine in einer ersten Betriebsart betreibbar ist, in welcher zu einem Zündzeitpunkt Luft und Kraftstoff in einem Brennraum (12a-12d) der Brennkraftmaschine (10) homogen verteilt sind, und in einer zweiten Betriebsart, in welcher zu einem Zündzeitpunkt Luft und Kraftstoff in dem Brennraum der Brennkraftmaschine (10) inhomogen verteilt sind, wobei während des Betriebs der Brennkraftmaschine (10) in der zweiten Betriebsart mindestens eine klopfende Verbrennungsvorgänge betreffende Ist-Größe (z) erfasst wird, wobei die Ist-Größe (z) mit einem vorgebbaren Vergleichswert (s) verglichen wird und wobei in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Vergleichsbedingung (48) ein Wechsel in die erste Betriebsart erfolgt.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine Benzindirekteinspritzung bei Ottomotoren bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten im Betrieb eine Einspritzung zu gestalten. Parameter, die variiert werden können sind zum Beispiel Einspritzdruck, Zündzeitpunkt, Einspritzzeitpunkt und die Aufteilung der Einspritzmenge in mehrere Teil-Einspritzungen. Diese Teileinspritzungen können in verschiedenen Takten eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine (z. B. Saugtakt oder Verdichtungstakt) erfolgen. Bei einer ersten Betriebsart der Brennkraftmaschine und einer klassischen homogenen Einspritzung von Kraftstoff während des Saughubs entsteht während des Verdichtungshubs ein über den Brennraum verteilt homogenes Gemisch aus Luft und Kraftstoff. Bei einer zweiten Betriebsart der Brennkraftmaschine erfolgt anstelle der Einspritzung während des Saughubs oder zusätzlich zu der Einspritzung während des Saughubs eine Einspritzung während des Verdichtungshubs, so dass zum Zündzeitpunkt ein über den Brennraum verteiltes Gemisch aus Luft und Kraftstoff inhomogen ist. Hierbei steht für die Zündung des Gemischs nur ein relativ kleines Zeitfenster zur Verfügung. Innerhalb dieses Zeitfensters muss in der unmittelbaren Umgebung des Zündfunkens ein zündfähiges Gemisch vorliegen.
  • Es ist bekannt, zur Klopfregelung bei einer Brennkraftmaschine Sensoren zu verwenden, beispielsweise Körperschallsensoren. Körperschallsensoren erfassen die bei klopfender Verbrennung im Brennraum eines Zylinders auftretenden typischen Geräusche und gestatten so die Bestimmung der aktuellen Klopfgrenze. Eine Klopfregelung ist sinnvoll, da der Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine dicht an der Klopfgrenze (bei einem späten Zündwinkel, also bei einem bezogen auf die Bewegung eines Kolbens im Zylinder späten Zündzeitpunkt) optimal ist.
  • Unter einem ”Klopfen” versteht man eine unkontrollierte Form der Verbrennung, welche in der Brennkraftmaschine zu Schäden führen kann. Um eine Beschädigung durch Klopfen zu vermeiden, wird üblicherweise ein Sicherheitsabstand zwischen dem aktuellen Betrieb und der Klopfgrenze vorgesehen. Die Klopfgrenze wird während des Betriebs der Brennkraftmaschine erfasst und ein Zündwinkel entsprechend ausgeregelt. Ein Ausregeln des Zündwinkels, also des auf die Bewegung eines Kolbens im Zylinder abgestimmten Zündzeitpunkts, ist derzeit nur möglich, wenn die Brennkraftmaschine in ihrer ersten Betriebsart betrieben wird. In der zweiten Betriebsart kann der Zündzeitpunkt nicht wie vorstehend beschrieben ausgeregelt werden, da sonst nicht sichergestellt ist, dass zum Zeitpunkt der Zündung in der unmittelbaren Umgebung ein zündfähiges Gemisch vorliegt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine anzugeben, welche einen häufigeren und/oder variableren und gleichzeitig sicheren Betrieb der Brennkraftmaschine in der zweiten Betriebsart ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Darüber hinaus finden sich für die Erfindung wichtige Merkmale in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also auch während des Betriebs der Brennkraftmaschine in der zweiten Betriebsart eine klopfende Verbrennung zugelassen. Hierdurch kann die Brennkraftmaschine auch in der zweiten Betriebsart in den Betriebspunkten betrieben werden, welche im Stand der Technik prinzipiell vermieden wurden. Da es aus den eingangs beschriebenen Gründen nicht oder nur bedingt möglich ist, einen Zündzeitpunkt zu verstellen, wird nicht auf den Zündzeitpunkt Einfluss genommen, sondern stattdessen eine Ist-Größe erfasst, welche klopfende Verbrennungsvorgänge betrifft. Ein Vergleich dieser Ist-Größe mit einem Vergleichswert ermöglicht es, in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Vergleichsbedingung aus der zweiten Betriebsart in die erste Betriebsart zu wechseln, in welcher dann eine klassische Klopfregelung möglich ist.
  • Diese Art der Verfahrensführung ermöglicht es, die Brennkraftmaschine häufiger in der zweiten Betriebsart zu betreiben, die Brennkraftmaschine in Betriebspunkten zu betreiben, die im Stand der Technik explizit vermieden wurden, und dabei gleichzeitig zu verhindern, dass der Betrieb in der zweiten Betriebsart zu einer Schädigung der Brennkraftmaschine führt.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ist-Größe gleich einer absoluten Anzahl von klopfenden Verbrennungsvorgängen ist. Diese können in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Sensors, insbesondere mit Hilfe eines Klopfsensors, erfasst werden. Es ist aber auch möglich, dass die Ist-Größe die Intensität einer einzelnen klopfenden Verbrennung oder mehrerer klopfender Verbrennungen betrifft, oder dass verschiedene Ist-Größen erfasst werden.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ist-Größe gleich einer absoluten Anzahl von klopfenden Verbrennungsvorgängen bezogen auf eine vorgebbare Zeitdauer ist. Auch diese Ist-Größe eignet sich zur Erfassung eines Betriebs der Brennkraftmaschine in einer Betriebsart, bei welcher klopfende Verbrennungsvorgänge auftreten können. Vorzugsweise ist der Vergleichswert, mit welchem die Ist-Größe oder die Ist-Größen verglichen werden, ein Schwellwert, welcher insbesondere in der Einheit der Ist-Größe vorgegeben ist. Dies ermöglicht es, durch einfachen Vergleich des absoluten Werts der Ist-Größe und des absoluten Werts des Schwellwerts festzustellen, ob der Schwellwert erreicht oder überschritten ist und hiervon ausgehend ein Wechsel aus der zweiten Betriebsart in die erste Betriebsart erfolgt.
  • Vorteilhaft ist es ferner, wenn nach einem Wechsel aus der zweiten Betriebsart in die erste Betriebsart ein Wechsel aus der ersten Betriebsart in die zweite Betriebsart für eine vorgebbare Zeitdauer ausgeschlossen wird. Dies ermöglicht einen hinreichend langen Betrieb der Brennkraftmaschine in der ersten Betriebsart, in welcher bei einer aktivierten Klopfregelung klopfende Verbrennungsvorgänge der Brennkraftmaschine ”ausgeregelt” werden (insbesondere unter Erkennung klopfender Verbrennungsvorgänge und Verstellung des Zündwinkels in Richtung ”spät”). Hierdurch kann eine gegebenenfalls stark erwärmte Brennkraftmaschine wieder abgekühlt werden.
  • Es ist daher vorteilhaft, wenn während des Betriebs in der ersten Betriebsart eine Klopfregelung aktiviert wird, bei welcher insbesondere eine Zündwinkelverstellung erfolgt.
  • Ferner ist es bevorzugt, wenn die Klopfregelung während des Betriebs in der zweiten Betriebsart deaktiviert wird, so dass keine Zündwinkelverstellung erfolgt.
  • Bevorzugt ist es weiterhin, wenn in der ersten Betriebsart ein Verbrennungsluftverhältnis größer oder gleich 1 ist. Dies ermöglicht es, die Brennkraftmaschine in der ersten Betriebsart in einem Homogen-Betrieb oder in einem Homogen-Mager-Betrieb zu betreiben.
  • Wenn in der zweiten Betriebsart während eines einer Zündung vorangehenden Verdichtungstakts eine vorgebbare Verdichtungstakt-Kraftstoffmenge eingespritzt wird, ist in der zweiten Betriebsart ein Schicht-Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht.
  • Schließlich kann in der zweiten Betriebsart während eines dem Verdichtungstakt vorangehenden Saugtakts eine vorgebbare Saugtakt-Kraftstoffmenge eingespritzt werden. In Kombination mit der Einspritzung einer Verdichtungstakt-Kraftstoffmenge kann somit die Brennkraftmaschine in der zweiten Betriebsart in einem Homogen-Schicht-Betrieb betrieben werden. Hierbei wird während des Saugtakts eine Saugtakt-Kraftstoffmenge eingespritzt, welche während des darauffolgenden Verdichtungstakts mit der in dem Brennraum vorhandenen Luft zu einem homogenen Gemisch vermischt wird. Dieses homogene Kraftstoffgemisch ist jedoch nicht zündfähig und wird daher während des Verdichtungstakts mit einer Verdichtungstakt-Kraftstoffmenge angereichert. Da die Verdichtungstakt-Kraftstoffmenge erst während des Verdichtungstakts eingespritzt wird, liegt am Ende dieses Verdichtungstakts insgesamt ein inhomogenes Gemisch vor, welches aber in der unmittelbaren Umgebung eines Zündfunkens zündfähig ist, so dass eine Verbrennung durch den Zündfunken eingeleitet werden kann. Diese Betriebsart ermöglicht einen verbrauchsgünstigen Betrieb der Brennkraftmaschine im Teillastbereich.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Computerprogramm, welches zur Anwendung eines vorstehend beschriebenen Verfahrens programmiert ist sowie ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine mit Direkteineinspritzung, welches eine Steuereinrichtung mit einem solchen Computerprogramm aufweist.
  • Ausgestaltungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung und des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems sind bereits vorstehend mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine erläutert worden.
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung; und
  • 2 eine schematische Darstellung des Ablaufs eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine gemäß 1.
  • Eine Brennkraftmaschine ist in der 1 insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Sie ist vorzugsweise als ein Ottomotor mit einer Benzin-Direkteinspritzung ausgestaltet und umfasst bei dem dargestellten Beispiel eine Mehrzahl von Brennräumen, beispielsweise vier Brennräume 12a bis 12d, denen der Kraftstoff direkt von einem Kraftstoffeinspritzsystem 14 zugeführt wird.
  • Das Kraftstoffeinspritzsystem 14 umfasst eine Kraftstoffsammelleitung (sog. Rail) 16, an welche pro Brennraum 12a bis 12d je eine Einspritzeinrichtung 18 angeschlossen ist. Die Einspritzeinrichtungen 18 sind beispielsweise als sog. Injektoren ausgebildet. Kraftstoff, insbesondere Benzin, wird der Kraftstoffsammelleitung 16 unter hohem Druck von einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 20 zugeführt, die über ein Rückschlagventil 22 mit der Kraftstoffsammelleitung 16 verbunden ist. Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 20 wird über eine nicht dargestellte Vorförderpumpe mit Kraftstoff aus einem Tank 26 versorgt. Eine optionale Rücklaufleitung hat das Bezugszeichen 28. Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 20 wird von einer Nocken- oder Kurbelwelle 24 der Brennkraftmaschine 10 mechanisch angetrieben. Der Antrieb der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 20 ist in 1 nicht dargestellt.
  • Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 und auch der Einspritzanlage 14 wird von einer Steuereinrichtung 30 in Form eines Motorsteuergeräts gesteuert und geregelt. Unter anderem erhalten die Einspritzeinrichtungen 18 entsprechende Ansteuersignale. Zu Steuer- und Regelungszwecken erhält das Motorsteuergerät 30 Signale von verschiedenen Sensoren, beispielsweise einem Drucksensor 32, der den in der Kraftstoffsammelleitung 16 herrschenden Kraftstoffdruck erfasst, von einem Drehzahlsensor 34, der die Drehzahl der Kurbelwelle 24 erfasst und von einem Temperatursensor 36, der die Temperatur der Brennkraftmaschine 10 erfasst. Ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine 10 ist als Computerprogramm auf der Steuereinrichtung 30 gespeichert.
  • Die Brennkraftmaschine 10 umfasst ferner mindestens einen Klopfsensor 38. Mit Hilfe eines solchen Sensors können klopfende Verbrennungsvorgänge in mindestens einem der Brennräume 12a bis 12d erfasst werden.
  • Unter Bezugnahme auf die 2 kann die Brennkraftmaschine 10 in einem Zustand 40 in einer zweiten Betriebsart betrieben werden, in welcher zu einem Zündzeitpunkt Luft- und Kraftstoff in mindestens einem der Brennräume 12a bis 12d inhomogen verteilt sind. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine 10 in dieser zweiten Betriebsart ist eine Klopferkennung 42 aktiviert, welche es ermöglicht, mit Hilfe des Klopfsensors 38 einen Zustand 44 der Brennkraftmaschine 10 zu erfassen, in welchem ein klopfender Verbrennungsvorgang stattfindet. Jeder klopfende Verbrennungsvorgang bewirkt, dass mit Hilfe eines Zählers 46 eine Ist-Größe z jeweils um den Wert „1” erhöht wird. Die Ist-Größe z wird mit einer Vergleichsbedingung 48 verglichen, mit welcher geprüft wird, ob die Ist-Größe z einen Vergleichswert s überschreitet. Ist dies der Fall, wird die Brennkraftmaschine in einen Zustand 50 in eine erste Betriebsart überführt, in welcher zu einem Zündzeitpunkt Luft und Kraftstoff in einem der Brennräume 12a bis 12d der Brennkraftmaschine 10 homogen verteilt sind, so dass eine Klopfregelung 52 aktiviert werden kann und die Brennkraftmaschine 10 in einem Zustand 54 an der Klopfgrenze betrieben werden kann. Auch hierbei werden klopfende Verbrennungsvorgänge mit Hilfe des mindestens einen Klopfsensors 38 erfasst. Jedoch wird in der ersten Betriebsart zusätzlich eine Anpassung des Zündwinkels vorgenommen, welcher nach Erfassen eines klopfenden Verbrennungsvorgangs in Richtung „spät” verstellt und anschließend wieder schrittweise in Richtung „früh” zurückgeführt wird, bis die Klopfgrenze der Brennkraftmaschine 10 erneut erreicht ist.
  • Durch die Umschaltung der Brennkraftmaschine 10 in die erste Betriebsart kann eine Bedingung 56 initiiert werden, welche innerhalb einer vorgebbaren Zeitdauer einen Wechsel aus der ersten Betriebsart in die zweite Betriebsart ausschließt. Nach Ablauf dieser vorgebbaren Zeitdauer kann die Brennkraftmaschine erneut in den Zustand 40 überführt werden, in welcher sie in der zweiten Betriebsart betrieben wird.
  • Insbesondere wird die Brennkraftmaschine 10 in der ersten Betriebsart in einem Homogen-Betrieb oder einem Homogen-Mager-Betrieb betrieben und in der zweiten Betriebsart in einem Schicht-Betrieb oder einem Homogen-Schicht-Betrieb.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) mit Direkteinspritzung, wobei die Brennkraftmaschine (10) in einer ersten Betriebsart betreibbar ist, in welcher zu einem Zündzeitpunkt Luft und Kraftstoff in einem Brennraum (12a–12d) der Brennkraftmaschine (10) homogen verteilt sind, und in einer zweiten Betriebsart, in welcher zu einem Zündzeitpunkt Luft und Kraftstoff in dem Brennraum (12a–12d) der Brennkraftmaschine (10) inhomogen verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs der Brennkraftmaschine (10) in der zweiten Betriebsart mindestens eine klopfende Verbrennungsvorgänge betreffende Ist-Größe (z) erfasst wird, dass die Ist-Größe (z) mit einem vorgebbaren Vergleichswert (s) verglichen wird und dass in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Vergleichsbedingung (48) ein Wechsel in die erste Betriebsart erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Größe (z) gleich einer absoluten Anzahl von klopfenden Verbrennungsvorgängen ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Größe (z) gleich einer absoluten Anzahl von klopfenden Verbrennungsvorgängen bezogen auf eine vorgebbare Zeitdauer ist.
  4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleichswert (s) ein Schwellwert ist, welcher in der Einheit der Ist-Größe vorgegeben ist.
  5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Wechsel aus der zweiten Betriebsart in die erste Betriebsart ein Wechsel aus der ersten Betriebsart in die zweite Betriebsart für eine vorgebbare Zeitdauer ausgeschlossen wird.
  6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs in der ersten Betriebsart eine Klopfregelung (52) aktiviert wird, bei welcher eine Zündwinkelverstellung erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Klopfregelung (52) während des Betriebs in der zweiten Betriebsart deaktiviert wird.
  8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbrennungsluftverhältnis in der ersten Betriebsart größer oder gleich 1 ist.
  9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Betriebsart während eines einer Zündung vorangehenden Verdichtungstakts eine vorgebbare Verdichtungstakt-Kraftstoffmenge eingespritzt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Betriebsart während eines dem Verdichtungstakt vorangehenden Saugtakts eine vorgebbare Saugtakt-Kraftstoffmenge eingespritzt wird.
  11. Steuereinrichtung (30) für eine Brennkraftmaschine (10) mit einem Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 programmiert ist
  12. Kraftstoffeinspritzsystem (14) für eine Brennkraftmaschine (10) mit Direkteinspritzung, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (30) mit einem Computerprogramm, welches zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 programmiert ist.
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