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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung und Direkteinspritzung in einem Schichtladungsbetrieb sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Ein mögliches Verfahren zur Kraftstoffeinspritzung bei Ottomotoren ist die Saugrohreineinspritzung, welche zunehmend von einer Kraftstoffdirekteinspritzung abgelöst wird. Letzteres Verfahren führt zu deutlich besserer Kraftstoffverteilung in den Brennräumen und somit zu besserer Leistungsausbeute bei geringerem Kraftstoffverbrauch.
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Eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung kann im sog. Schichtladungsbetrieb betrieben werden, d.h. Kraftstoff wird nur in einem Bereich um die Zündkerze in den Brennraum eingebracht, wodurch Verbrauchsvorteile erzielt werden können.
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Weiterhin gibt es auch Ottomotoren mit einer Kombination von Saugrohreinspritzung und Direkteinspritzung, einem sog. Dualsystem. Dies ist gerade im Lichte immer strengerer Emissionsanforderungen bzw. Emissionsgrenzwerte vorteilhaft, da die Saugrohreinspritzung bspw. bei mittleren Lastbereichen bessere Emissionswerte zur Folge hat als eine Direkteinspritzung. Im Volllastbereich hingegen ermöglicht die Direkteinspritzung bspw. eine Verminderung des sog. Klopfens.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung und Direkteinspritzung in einem Schichtladungsbetrieb. Hierzu wird für einen Verbrennungszyklus ein mittels Saugrohreinspritzung erzeugtes Luft-Kraftstoff-Gemisch in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht, und während einer Kompressionsphase des Verbrennungszyklus wird mittels Direkteinspritzung eine erste Kraftstoffmenge in den Brennraum eingebracht.
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Indem die mittels Direkteinspritzung in den Brennraum eingebrachte erste Kraftstoffmenge während der Kompressionsphase eingebracht wird, kann sich eine sog. Schichtladung im Brennraum ausbilden. Dies ist in der Regel nur mittels Direkteinspritzung möglich, da nur hier der Kraftstoff gezielt in einen bestimmten Bereich im Brennraum eingebracht werden kann. Durch die kurz vor dem Zündzeitpunkt eingebrachte Kraftstoffmenge verteilt sich der Kraftstoff aufgrund der kurzen Zeit bis zur Zündung nicht im gesamten Brennraum. Die Erfindung macht sich nun das Dualsystem, d.h. die Verwendung von Saugrohr- und Direkteinspritzung bei einer Brennkraftmaschine, zunutze, wodurch es möglich wird, zusätzlich zur mittels Direkteinspritzung eingebrachten Schichtladung ein im Wesentlichen homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch mittels Saugrohreinspritzung zu erzeugen und in den Brennraum einzubringen.
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Ein herkömmlicher Schichtladungsbetrieb mit reiner Direkteinspritzung kann in der Regel nur in einem sehr begrenzten Betriebsbereich hinsichtlich Drehzahl der Brennkraftmaschine und Lastanforderung an die Brennkraftmaschine verwendet werden. Der Grund hierfür ist, dass in weiten Betriebsbereichen durch das Prinzip der Schichtladung keine effiziente Verbrennung erreicht werden kann. So kann bspw. bei hoher Lastanforderung die Kraftstoffmenge im Bereich um die Zündeinrichtung bzw. die Zündkerze nicht beliebig weit erhöht werden. Dies würde zu einem zu fetten Gemisch und damit zu unverbranntem Kraftstoff führen. Dies wiederum würde zu schlechten Emissionswerten führen. In der Regel soll dabei im Bereich um die Zündkerze ein Lambda-Wert von 1,0 erreicht werden, während dieser über den gesamten Brennraum gesehen bis zu 10 betragen kann. Eine hinsichtlich der Verbrennung gute Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum bzw. eine Bildung eines guten Luft-Kraftstoff-Gemisches ist in der Regel aufgrund des sehr späten Einspritzzeitpunktes nicht möglich. Außerdem können eine verschleppte Verbrennung oder Verbrennungsaussetzer zu einer Laufunruhe der Brennkraftmaschine führen.
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Durch das zusätzliche Luft-Kraftstoff-Gemisch aus der Saugrohreinspritzung kann nun jedoch eine höhere Gesamt-Kraftstoffmenge bei gleichzeitig guter Gemischbildung in den Brennraum eingebracht werden. Auf diese Weise kann somit der Betriebsbereich der Brennkraftmaschine hinsichtlich der Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder der Lastanforderung an die Brennkraftmaschine deutlich ausgeweitet werden. Insbesondere sind damit Bereiche höherer Drehzahl und/oder Lastanforderung im Schichtladungsbetrieb möglich.
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Während weiterhin bei reiner Direkteinspritzung bspw. vor der in der Kompressionsphase eingebrachten Kraftstoffmenge zur Bildung einer Schichtladung in einer vorangehenden Ansaugphase mittels Direkteinspritzung eine weitere Kraftstoffmenge zur Bildung eines homogenen Gemisches eingebracht werden kann, kann mit der vorliegenden Erfindung diese weitere Kraftstoffmenge anstatt mittels Direkteinspritzung mittels Saugrohreinspritzung eingebracht werden. Auf diese Weise werden Kraftstoffablagerungen an den Brennraumwänden und/oder an der Zündeinrichtung, wie sie bei Bildung eines homogenen Gemisches mittels Direkteinspritzung oftmals auftreten, vermieden. Dies führt somit zu besseren Emissionswerten und geringerem Verschleiß. Ein Hauptvorteil der Saugrohreinspritzung ist dabei eine bessere Homogenisierung und aufgrund der Verdampfung des Kraftstoffes im Saugrohr eine weitere Entdrosselung der Brennkraftmaschine.
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Vorzugsweise wird die mittels Direkteinspritzung eingebrachte erste Kraftstoffmenge beginnend ab den letzten 100° Kurbelwellenwinkel, insbesondere den letzten 45° Kurbelwellenwinkel, einer Kolbenaufwärtsbewegung in den Brennraum eingebracht. Auf diese Weise ist eine besonders effektive Schichtbildung möglich.
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Vorteilhafterweise wird die mittels Direkteinspritzung eingebrachte erste Kraftstoffmenge zu wenigstens 50%, insbesondere zu wenigstens 75%, in einen Bereich um eine Zündeinrichtung des Brennraumes eingebracht, wobei der Bereich höchstens 50 %, insbesondere höchstens 25%, des maximalen Volumens des Brennraumes umfasst. Auf diese Weise ist eine bessere Schichtbildung möglich.
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Es ist von Vorteil, wenn ein mittels der ersten Kraftstoffmenge in dem Bereich um die Zündeinrichtung gebildetes Luft-Kraftstoff-Gemisch ein Verhältnis von Luft zu Kraftstoff von zwischen 0,9 und 1,1 aufweist. Besonders bevorzugt ist dabei ein Verhältnis von in etwa 1,0. Dies ermöglicht eine besonders gute Kraftstoffverbrennung im Rahmen des Schichtladungsbetriebs.
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Vorzugsweise weist das mittels Saugrohreinspritzung erzeugte Luft-Kraftstoff-Gemisch ein Verhältnis von Luft zu Kraftstoff von wenigstens 1,5, insbesondere wenigstens 2,0, auf. Auch hiermit kann eine besonders effektive Kraftstoffverbrennung erreicht werden.
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Vorteilhafterweise wird weiterhin mittels Direkteinspritzung eine zweite Kraftstoffmenge vor der ersten Kraftstoffmenge in den Brennraum eingebracht. Zweckmäßigerweise wird die zweite Kraftstoffmenge während der Kompressionsphase und/oder einer der Kompressionsphase vorangehenden Ansaugphase in den Brennraum eingebracht. Auf diese Weise wird ein erweiterter Schichtladungsbetrieb ermöglicht, bei dem der Anwendungsbereich der Schichtladung ausgedehnt wird. Insbesondere wird hierbei das Dualsystem ausgenutzt, so dass einzelne Kraftstoffmengen anstatt mittels Direkteinspritzung mittels Saugrohreinspritzung eingebracht werden, was hinsichtlich der Vermeidung von Kraftstoffablagerungen im Brennraum vorteilhaft ist.
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Zweckmäßigerweise beträgt dabei die erste Kraftstoffmenge zwischen 25% und 75%, insbesondere 50%, der zweiten Kraftstoffmenge. Auf diese Weise wird mittels der ersten Kraftstoffmenge eine Art Zündfackel im Brennraum erzeugt, was zu einer besonders guten Verbrennung führt.
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Weiterhin bevorzugt umfasst die insgesamt mittels Direkteinspritzung eingebrachte Kraftstoffmenge, d.h. bspw. die erste und die zweite Kraftstoffmenge, zwischen 30% und 70%, insbesondere 50%, der insgesamt eingebrachten Kraftstoffmenge. Durch diese Aufteilung können die erwähnten Vorteile der Saugrohreinspritzung und der Direkteinspritzung besonders gut ausgenutzt werden.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät, insbesondere ein Motorsteuergerät, eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1a und 1b zeigen schematisch zwei Brennkraftmaschinen, welche für ein erfindungsgemäßes Verfahren herangezogen werden können.
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2 zeigt schematisch einen Zylinder einer Brennkraftmaschine, welcher für ein erfindungsgemäßes Verfahren herangezogen werden kann.
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3 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
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4 zeigt einen Verwendungsbereich eines Schichtladungsbetriebs bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform im Vergleich zu einem herkömmlichen Schichtladungsbetrieb.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1a ist schematisch und vereinfacht eine Brennkraftmaschine 100 gezeigt, welche für ein erfindungsgemäßes Verfahren herangezogen werden kann. Beispielhaft weist die Brennkraftmaschine 100 vier Brennräume 103 und ein Saugrohr 106 auf, welches an jeden der Brennräume 103 angeschlossen ist.
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Das Saugrohr 106 weist dabei für jeden Brennraum 103 einen Kraftstoffinjektor 107 auf, der in dem jeweiligen Abschnitt des Saugrohrs kurz vor dem Brennraum angeordnet ist. Die Kraftstoffinjektoren 107 dienen somit einer Saugrohreinspritzung. Weiterhin weist jeder Brennraum 103 einen Kraftstoffinjektor 111 für eine Direkteinspritzung auf.
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In 1b ist schematisch und vereinfacht eine weitere Brennkraftmaschine 200 gezeigt, welche für ein erfindungsgemäßes Verfahren herangezogen werden kann. Beispielhaft weist die Brennkraftmaschine 100 vier Brennräume 103 und ein Saugrohr 206 auf, welches an jeden der Brennräume 103 angeschlossen ist.
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Das Saugrohr 206 weist dabei für alle Brennräume 103 einen gemeinsamen Kraftstoffinjektor 207 auf, der im Saugrohr bspw. kurz nach einer hier nicht gezeigten Drosselklappe angeordnet ist. Der erste Kraftstoffinjektor 207 dient somit einer Saugrohreinspritzung. Weiterhin weist jeder Brennraum 103 einen Kraftstoffinjektor 111 für eine Direkteinspritzung auf.
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Beide gezeigten Brennkraftmaschinen 100 und 200 verfügen somit über ein sog. Dualsystem, d.h. über Saugrohreinspritzung und Direkteinspritzung. Der Unterschied besteht lediglich in der Art der Saugrohreinspritzung. Während bspw. die in 1a gezeigte Saugrohreinspritzung eine Kraftstoffzumessung individuell für jeden Brennraum erlaubt, wie dies bspw. für höherwertige Brennkraftmaschinen verwendet werden kann, ist die in 1b gezeigte Saugrohreinspritzung einfacher in ihrem Aufbau und ihrer Ansteuerung. Bei den beiden gezeigten Brennkraftmaschinen kann es sich insbesondere um Ottomotoren handeln.
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In 2 ist ein Zylinder 102 der Brennkraftmaschine 100 schematisch und vereinfacht, jedoch detaillierter als in 1a dargestellt. Der Zylinder 102 hat einen Brennraum 103, der durch Bewegung eines Kolbens 104 vergrößert oder verkleinert wird. Bei der vorliegenden Brennkraftmaschine kann es sich insbesondere um einen Ottomotor handeln.
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Der Zylinder 102 weist ein Einlassventil 105 auf, um Luft oder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum 103 einzulassen. Die Luft wird über das Saugrohr 106 als Teil einer Luftzuführung zugeführt, an dem sich der Kraftstoffinjektor 107 befindet. Angesaugte Luft wird über das Einlassventil 105 in den Brennraum 103 des Zylinders 102 eingelassen. Eine Drosselklappe 112 in dem Luftzuführungssystem dient zum Einstellen des erforderlichen Luftmassenstroms in den Zylinder 102.
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Die Brennkraftmaschine kann im Zuge einer Saugrohreinspritzung betrieben werden. Mit Hilfe des Kraftstoffinjektors 107 wird im Zuge dieser Saugrohreinspritzung Kraftstoff in das Saugrohr 106 eingespritzt, so dass sich dort ein Luft-Kraftstoff-Gemisch bildet, das über das Einlassventil 105 in den Brennraum 103 des Zylinders 102 eingelassen wird.
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Die Brennkraftmaschine kann auch im Zuge einer Direkteinspritzung betrieben werden. Zu diesem Zweck ist der Kraftstoffinjektor 111 an dem Zylinder 102 angebracht, um Kraftstoff direkt in den Brennraum 103 einzuspritzen. Bei dieser Direkteinspritzung wird das zur Verbrennung benötigte Luft-Kraftstoff-Gemisch direkt im Brennraum 103 des Zylinders 102 gebildet.
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Der Zylinder 102 ist weiterhin mit einer Zündeinrichtung 110 versehen, um zum Starten einer Verbrennung in dem Brennraum 103 einen Zündfunken zu erzeugen. Weiterhin ist ein Bereich 120 gezeigt, der einen Bereich angibt, in welchen eine im Rahmen eines Schichtladungsbetriebs mittels Direkteinspritzung in den Brennraum 103 eingebrachte Kraftstoffmenge im Wesentlichen gelangt und dort ein Luft-Kraftstoff-Gemisch bildet. Im Vergleich dazu füllt ein mittels Saugrohreinspritzung erzeugtes und in den Brennraum 103 eingebrachtes, homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch den gesamten Brennraum 103.
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Verbrennungsabgase werden nach einer Verbrennung aus dem Zylinder 102 über ein Abgasrohr 108 ausgestoßen. Das Ausstoßen erfolgt abhängig von der Öffnung eines Auslassventils 109, das ebenfalls an dem Zylinder 102 angeordnet ist. Ein- und Auslassventile 105, 109 werden geöffnet und geschlossen, um einen Viertaktbetrieb der Brennkraftmaschine 100 in bekannter Weise auszuführen.
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Die Brennkraftmaschine 100 kann mit Direkteinspritzung, mit Saugrohreinspritzung oder in einem Mischbetrieb betrieben werden. Dies ermöglicht die Wahl der jeweils optimalen Betriebsart zum Betreiben der Brennkraftmaschine 100 abhängig von dem momentanen Betriebspunkt. So kann die Brennkraftmaschine 100 beispielsweise in einem Saugrohreinspritzungsbetrieb betrieben werden, wenn sie bei niedriger Drehzahl und niedriger Last betrieben wird, und sie kann in einem Direkteinspritzungsbetrieb betrieben werden, wenn sie mit hoher Drehzahl und hoher Last betrieben wird. Über einen großen Betriebsbereich hinweg ist es jedoch sinnvoll, die Brennkraftmaschine 100 in einem Mischbetrieb zu betreiben, bei dem die dem Brennraum 103 zuzuführende Kraftstoffmenge anteilig durch Saugrohreinspritzung und Direkteinspritzung zugeführt wird.
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Weiterhin ist eine als Steuergerät 115 ausgebildete Recheneinheit zum Steuern der Brennkraftmaschine 100 vorgesehen. Das Steuergerät 115 kann die Brennkraftmaschine 100 in der Direkteinspritzung, der Saugrohreinspritzung oder dem Mischbetrieb betreiben.
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Die in Bezug auf 2 näher erläuterte Funktionsweise der Brennkraftmaschine 100 lässt sich auch auf die Brennkraftmaschine 200 gemäß 1b übertragen, nur mit dem Unterschied, dass für alle Brennräume bzw. Zylinder nur ein gemeinsamer Kraftstoffinjektor vorgesehen ist. Bei einer Saugrohreinspritzung bzw. bei einem Mischbetrieb wird daher der einzige Kraftstoffinjektor im Saugrohr dauerhaft angesteuert.
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In 3 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Dazu ist der Kurbelwellenwinkel KW aufgetragen. Mit den Winkeln φOT, φUT, φ'OT und φ'UT sind der Winkel für den oberen Totpunkt zu Beginn der Ansaugphase ∆φ1, der Winkel für den unteren Totpunkt zum Ende der Ansaugphase bzw. Beginn der Kompressionsphase ∆φ2, der Winkel für den oberen Totpunkt zum Ende der Kompressionsphase bzw. Beginn der folgenden Verbrennungsphase ∆φ3 sowie der Winkel für den unteren Totpunkt zum Ende der Verbrennungsphase bezeichnet.
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Bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann nun eine Kraftstoffmenge MS mittels Saugrohreinspritzung bereits vor der Ansaugphase ∆φ1 in das Saugrohr eingebracht werden. Im Saugrohr bildet sich ein homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch, welches dann über das Einlassventil, welches sich bspw. bei oder kurz nach dem Winkel φOT öffnet, während der Ansaugphase ∆φ1 in den Brennraum gelangt.
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Während der Kompressionsphase ∆φ2, insbesondere gegen Ende, wird nun eine erste Kraftstoffmenge M1 mittels Direkteinspritzung in den Brennraum eingebracht. Die erste Kraftstoffmenge M1 verteilt sich in der kurzen Zeit bis zum Zündzeitpunkt, welcher bspw. unmittelbar vor Ende der Kompressionsphase ∆φ2 stattfindet, nur in dem Bereich 120, wie er in 2 gezeigt ist. Der betreffende Kraftstoffinjektor sollte hierzu zweckmäßigerweise geeignet im Brennraum angeordnet sein. Gegebenenfalls kann auch die genaue Geometrie des Brennraumes und/oder des Kolbens berücksichtigt werden.
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Auf diese Weise wird im Brennraum ein Luft-Kraftstoff-Gemisch gebildet, welches im Bereich 120 ein kleines Lambda, d.h. einen hohen Kraftstoffanteil, und im übrigen Volumen des Brennraumes ein höheres Lambda, d.h. einen geringeren Kraftstoffanteil, aufweist. Im Gegensatz zu einer reinen Schichtladung im Bereich 120 kann auf diese Weise bspw. ein höheres Drehmoment erzeugt werden, da eine höhere Kraftstoffdichte über den gesamten Brennraum gesehen vorliegt. Insbesondere sei hierbei erwähnt, dass eine einfache Erhöhung der Kraftstoffmenge im Bereich 120 zu einer schlechten Verbrennung führen kann.
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Optional kann nun bspw. auch noch eine zweite Kraftstoffmenge M2 zu Beginn der Kompressionsphase ∆φ2, wie hier gezeigt, oder aber auch im Übergang von der Ansaugphase ∆φ1 zur Kompressionsphase ∆φ2 oder gegen Ende der Ansaugphase ∆φ1 in den Brennraum eingebracht werden. Auf diese Weise kann die Kraftstoffmenge im Brennraum weiter erhöht werden, wobei sich die Kraftstoffmenge M2 aufgrund des frühen Einspritzzeitpunktes noch besser im Brennraum verteilen kann als die Kraftstoffmenge M1. Der Betriebsbereich des Schichtladungsbetriebs kann somit noch weiter ausgedehnt werden.
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Die Kraftstoffmenge M2 kann dabei in etwas doppelt so groß wie die Kraftstoffmenge M1 gewählt werden. Die Kraftstoffmenge MS wiederum kann in etwa so groß wie die Kraftstoffmengen M1 und M2 zusammen gewählt werden. So kann ein besonders effektiver Schichtladungsbetrieb erreicht werden. Wenn mittels Direkteinspritzung nur die erste, nicht aber die zweite Kraftstoffmenge eingebracht wird, kann entsprechend die erste Kraftstoffmenge größer gewählt werden, um weiterhin eine gewünschte Aufteilung zwischen Saug- und Direkteinspritzung beibehalten zu können.
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Im Vergleich hierzu wird bei einem herkömmlichen Verfahren mit bspw. reiner Saugrohreinspritzung die hier mittels Saugrohreinspritzung eingebrachte Kraftstoffmenge auch mittels Direkteinspritzung, dass in der Ansaugphase eingebracht. Die hier verwendete Saugrohreinspritzung ermöglicht jedoch eine bessere Homogenisierung und aufgrund der Verdampfung des Kraftstoffes im Saugrohr eine weitere Entdrosselung der Brennkraftmaschine.
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In 4 ist ein Verwendungsbereich eines Schichtladungsbetriebs bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform im Vergleich zu einem herkömmlichen Schichtladungsbetrieb. Hierzu ist eine Lastanforderung L an die Brennkraftmaschine über einer Drehzahl n der Brennkraftmaschine aufgetragen.
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Mit 400 ist dabei ein Bereich bezeichnet, in dem ein herkömmlicher Schichtladungsbetrieb, d.h. mittels reiner Direkteinspritzung, bspw. verwendet werden kann. Dabei ist zu sehen, dass dieser Bereich 400 einen Bereich geringer Lastanforderung L bei geringer Drehzahl n umfasst.
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Mit 410 ist hingegen ein Bereich bezeichnet, in dem ein Schichtladungsbetrieb bei einem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann. Dabei ist zu sehen, dass der Bereich 410 gegenüber dem Bereich 400 deutlich erweitert ist, was bedeutet, dass der verbrauchseffiziente Schichtladungsbetrieb in deutlich mehr Fahrsituationen verwendet werden kann als bislang.
