DE102016203804A1

DE102016203804A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit dualer Kraftstoffeinspritzung

Info

Publication number: DE102016203804A1
Application number: DE102016203804.4A
Authority: DE
Inventors: Anja Blau; Benjamin Schill; Markus Hummel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2017-09-28

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (12) mit dualer Kraftstoffeinspritzung und mit wenigstens einem Injektor zur zusätzlichen Wassereinspritzung (40), weist folgende Schritte auf:
a) Erfassen und/oder Bestimmen einer oder mehrerer der folgenden Größen innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums (210):
– eine die Temperatur der Ansaugluft charakterisierende Größe,
– eine die Temperatur der Brennkraftmaschine (12) charakterisierende Größe,
– eine die Temperatur eines Katalysators charakterisierende Größe,
– eine die Temperatur wenigstens einer Komponente in einem Brennraum der Brennkraftmaschine charakterisierende Größe,
– eine die Umgebungstemperatur charakterisierende Größe,
– eine den Lambdawert charakterisierende Größe;
b) Vergleichen von Werten einer oder mehrerer dieser Größen und/oder der zeitlichen Entwicklung der Werte einer oder mehrerer dieser Größen mit vorgebbaren Vergleichswerten (220);
c) Aktivieren und Deaktivieren der zusätzlichen Wassereinspritzung in Abhängigkeit von dem Vergleich (240, 250).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit dualer Kraftstoffeinspritzung und mit wenigstens einem Injektor zur zusätzlichen Wassereinspritzung. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm, ein maschinenlesbarer Datenträger zur Speicherung des Computerprogramms und ein elektronisches Steuergerät, mittels derer das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
Stand der Technik
Bei einer hier betroffenen dualen Kraftstoffzumessung werden eine Saugrohreinspritzung und eine Direkteinspritzung bei der Kraftstoffzumessung einer Brennkraftmaschine entweder jeweils einzeln oder gekoppelt, beziehungsweise parallel betrieben. Aus der Praxis ist es bekannt, dass eine solche Brennkraftmaschine als Dualsystem ausgebildet sein kann, in dessen Mischbetrieb Brennstoff einem Zylinder der Brennkraftmaschine parallel mittels einer Saugrohreinspritzung und mittels einer Brennstoffdirekteinspritzung gemäß einem frei wählbaren/einstellbaren Aufteilungsmaß zuführbar ist. Dabei gibt das Aufteilungsmaß eine Aufteilung des Brennstoffs in eine Brennstoffmenge, die dem Zylinder mittels der Saugrohreinspritzung zuführbar ist, und in eine weitere Brennstoffmenge an, die dem Zylinder mittels der Brennstoffdirekteinspritzung zuführbar ist.
Ein solches System erlaubt den optimalen Betrieb der jeweiligen Brennkraftmaschine mit unterschiedlichen Betriebsarten über den gesamten Betriebsbereich.
Zur Innenraumkühlung der Brennkammer wird bei Brennkraftmaschinen mit dualer Kraftstoffeinspritzung in bestimmten Betriebsbereichen, die eine höhere Temperaturentwicklung bedingen, die Hochdruckeinspritzung eingesetzt, was insbesondere bei hohen Drehzahlen und hohen Lasten der Brennkraftmaschine erfolgt. Diese Hochdruckeinspritzung führt zu einem erhöhten Kraftstoffkonsum, der unerwünscht ist.
Offenbarung der Erfindung
Um ein höheres Kraftstoffeinsparungspotential in verschiedenen Betriebsbereichen zu erreichen, wird zusätzlich zur Kraftstoffeinspritzung die sogenannte Wassereinspritzung eingesetzt. Hierbei wird mittels wenigstens eines Injektors in das Saugrohr der Brennkraftmaschine Wasser eingespritzt, insbesondere um den Innenraum der Brennräume zu kühlen und Komponenten zu schützen. Dies wird vorzugsweise im sogenannten „Downsizing” von Motoren mit Benzindirekteinspritzung und Dualsystem realisiert, um die Nachteile des Downsizing von Benzindirekteinspritzung und Dualeinspritzung zu minimieren, da bei kleineren Brennkraftmaschinen unter hohen Lasten sonst zusätzliches Benzin eingespritzt werden muss, um den Innenraum zu kühlen und die Komponenten zu schützen. Das in das Saugrohr eingespritzte Wasser kann zum Beispiel aus einer Kondensation von Kühlleitungen gewonnen werden und soll beispielsweise auch die angesaugte Luft kühlen, um so eine Leistungssteigerung des Motors herbeizuführen. Die Wassereinspritzung dient auch einer verbesserten Effizienz der Brennkraftmaschine insbesondere in hohen Lastbereichen, in denen sonst zusätzlich eine Kraftstoffeinspritzung zur Kühlung der Brennkraftmaschine und der Komponenten im Brennraum erforderlich wäre. Durch die Wassereinspritzung wird kein zusätzlicher Kraftstoffverbrauch erforderlich um eine Kühlung in kritischen Betriebspunkten zu erreichen.
Mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ist es möglich, auch unter hohen Lasten eine noch höhere Effizienz und eine höhere Kraftstoffersparnis zu erreichen durch Aktivieren und Deaktivieren der zusätzlichen Wassereinspritzung in Abhängigkeit von insbesondere die Temperatur der Ansaugluft, die Temperatur der Brennkraftmaschine, die Temperatur eines Katalysators oder die Umgebungstemperatur charakterisierenden Größen. Das Verfahren kann insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit geringer Zylinderanzahl sehr vorteilhaft zum Einsatz kommen, bei denen Bereiche mit hoher Drehzahl verstärkt auftreten können.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist ein effektiver Bauteileschutz ohne erhöhten Kraftstoffverbrauch möglich. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, zunächst eine oder mehrere der folgenden Größen innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums zu erfassen:

– eine die Temperatur der Ansaugluft charakterisierende Größe,
– eine die Temperatur der Brennkraftmaschine charakterisierende Größe,
– eine die Temperatur eines Katalysators charakterisierende Größe,
– eine die Temperatur wenigstens einer Komponente in einem Brennraum der Brennkraftmaschine charakterisierende Größe,
– eine die Umgebungstemperatur charakterisierende Größe,
– eine den Lambda-Wert charakterisierende Größe; Anschließend erfolgt ein Vergleichen dieser genannten Werte, wobei min. eine, besser jedoch mehrere dieser Größen und/oder der zeitlichen Entwicklung dieser Werte mit motorspezifischen Vergleichswerten (Schwellenwerten) verglichen werden.

Schließlich wird eine Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung der zusätzlichen Wassereinspritzung in Abhängigkeit von dem Vergleich vorgenommen.
Es geht also gewissermaßen in einem ersten Schritt darum, eine Situation zu erkennen, bei der Bedarf eines Bauteilschutzes und damit Aktivierung der Wassereinspritzung besteht. In einem zweiten Teil wird dann diese Wassereinspritzung aktiviert oder deaktiviert. Dieses Verfahren läuft kontinuierlich ab, sodass eine kontinuierliche Überprüfung der Wassereinspritzung zur Kühlung möglich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei Überschreiten einer ersten Gruppe von Vergleichs- bzw. Schwellenwerten die zusätzliche Wassereinspritzung aktiviert wird und dass bei Unterschreiten einer zweiten Gruppe von Vergleichswerten die zusätzliche Wassereinspritzung deaktiviert wird. Eine Gruppe von Vergleichswerten bedeutet dabei wenigstens einige der Vergleichswerte. Sind beispielsweise die Vergleichswerte, welche vorgenannte Temperaturen charakterisieren, überschritten, was darauf hindeutet, dass die Temperatur der Brennkraftmaschine zu hoch ist, und ist andererseits ein Vergleichswert für die den Lambda-Wert charakterisierende Größe nicht überschritten, das heißt das Kraftstoff-Luftgemisch ist noch ausreichend mager, beziehungsweise sogar optimal (Lambda = 1), dann wird beispielsweise die zusätzliche Wassereinspritzung aktiviert.
Wenn dagegen aufgrund der den Lambda-Wert charakterisierenden Größe darauf geschlossen werden kann, dass eine Verschlechterung des Kraftstoff-Luftgemisches auftritt (hin zu einem Kraftstoffüberschuss und damit zu einem sogenannten fetten Gemisch) und wenn gleichzeitig eine sinkende Temperatur des Katalysators auftritt, wird davon ausgegangen, dass die Maßnahmen zum Bauteilschutz und damit auch die Wassereinspritzung zu beenden, also zu deaktivieren ist.
Die Wassereinspritzung wird auch deaktiviert, wenn die Temperatur der Brennkraftmaschine einen vorgegebenen Vergleichswert unterschreitet.
Für den Fall, dass die Kondensationsmenge des Kühlmittels nicht ausreichend hoch ist, wenn also bei fortdauerndem Überschreiten der ersten Gruppe der Schwellenwert trotz aktivierter zusätzlicher Wassereinspritzung keine Kühlung der Brennkraftmaschine oder der in dem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordneten Komponenten möglich ist, wird bei aktivierter zusätzlicher Wassereinspritzung eine Kraftstoffeinspritzung vorgenommen, um den erforderlichen Bauteileschutz zu realisieren. In diesem Falle ist der Schutz des Systems als wichtiger zu erachten als ein erhöhter Kraftstoffverbrauch.
Darüber hinaus kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Kraftstoffeinspritzung als Direkteinspritzung und/oder als Saugrohreinspritzung mit einem Aufteilungsfaktor erfolgt, der von Werten der erfassten und/oder bestimmten Größen abhängt. In diesem Falle kann dann auch die Wassereinspritzung deaktiviert werden und zur Kühlung eine Anpassung des Aufteilungsfaktors vorgenommen werden.
Neben einem Vergleich der Größen mit vorgegebenen Vergleichswerten ist es gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform auch möglich, die zeitliche Entwicklung der Werte wenigstens eines Teils der Größen zu erfassen und zu bewerten. So kann beispielsweise die zusätzliche Wassereinspritzung deaktiviert werden, wenn die zeitliche Entwicklung der Werte wenigstens eines Teils der Größen eine vorgebbare Eigenschaft erfüllt. Diese vorgebbare Eigenschaft kann beispielsweise eine eine Verschlechterung des Kraftstoff-Luftgemisches (hin zu einem fetten Gemisch) widerspiegelnde Änderung des Lambda-Wertes – wie vorstehend bereits erläutert – sein.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, ohne an diesem bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist der maschinenlesbare Datenträger vorgesehen, auf welchem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist. Durch Aufspielen des erfindungsgemäßen Computerprogramms auf ein elektronisches Steuergerät wird das erfindungsgemäße elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um eine hier betroffene Brennkraftmaschine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu steuern.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Motorsystems, das mit einem Verfahren gemäß der Erfindung betrieben werden kann.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Ablaufdiagramms.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Ein in 1 gezeigtes Motorsystem 10 weist einen Verbrennungsmotor 12 und ein elektronisches Steuergerät 14 auf, die elektronisch gekoppelt sind. Der Verbrennungsmotor 12 weist eine Motorbank 16 mit 4 Zylindern 18a–18d, eine Saugrohreinspritzung 20 und eine (Benzin-)Direkteinspritzung 22 auf. Die Saugrohreinspritzung 20 weist ein Saugrohr 24 auf, das mit Injektoren 26a–26d der Saugrohreinspritzung 20 in fluidischer Verbindung steht. Jeder Injektor 26a–26d steht mit jeweils einem der Zylinder 18a–18d in fluidischer Verbindung. Die Direkteinspritzung 22 weist einen Hochdruckspeicher 28 auf, der mit Injektoren 30a bis 30d der Direkteinspritzung 22 in fluidischer Verbindung steht. Jeder der Injektoren 30a–30d steht mit jeweils einem der Zylinder 18a–18d in fluidischer Verbindung. Im Saugrohr 24 ist ferner eine Wassereinspritzung 40 vorgesehen, durch welche Wasser in das Saugrohr 24 zur Kühlung der Brennkraftmaschine und deren Komponenten, insbesondere der im Brennraum der Zylinder 18a–18d angeordneten Komponenten einspritzbar ist. Das Steuergerät 14 ist mit der Saugrohreinspritzung 20, der Direkteinspritzung 22 und der Wassereinspritzung 40 elektronisch gekoppelt, sodass das Steuergerät 14 dazu eingerichtet ist, die Injektoren 26a–26d, 30a–30d in einem Mischbetrieb mit dualer Kraftstoffzumessung anzusteuern und darüber hinaus bedarfsweise die Wassereinspritzung 40 anzusteuern.
Die Ansteuerung der Injektoren 26a–26d sowie 30a–30d in einem Mischbetrieb sowie die Ansteuerung der Wassereinspritzung 40 durch das Steuergerät 14 wird nachfolgend in Verbindung mit dem in 2 dargestellten Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Dieses erfindungsgemäße Verfahren kann als Computerprogramm implementiert sein und in dem Steuergerät 14 ablaufen. Hierzu ist in dem Steuergerät 14 eine entsprechende Recheneinrichtung auf bekannte Weise vorgesehen sowie entsprechende Speichereinrichtungen, in welchen das als Computerprogramm implementierte erfindungsgemäße Verfahren gespeichert ist. Das Computerprogramm selbst kann auf einem maschinenlesbaren Datenträger gespeichert sein, der von dem Steuergerät 14 eingelesen werden kann.
In einem Schritt 205 startet das Verfahren. Es erfolgt die Erfassung und/oder Bestimmung einer oder mehrerer der folgenden Größen innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums:

– eine die Temperatur der Ansaugluft charakterisierende Größe,
– eine die Temperatur der Brennkraftmaschine charakterisierende Größe,
– eine die Temperatur eines Katalysators charakterisierende Größe,
– eine die Temperatur wenigstens einer Komponente in einem Brennraum der Brennkraftmaschine charakterisierende Größe,
– eine die Umgebungstemperatur charakterisierende Größe,
– eine den Lambda-Wert charakterisierende Größe.

Erfassen heißt dabei beispielsweise Messen durch entsprechende Sensoren. So kann beispielsweise die Temperatur der Ansaugluft gemessen werden. Die Temperatur des Motors kann ebenfalls durch entsprechende Sensoren gemessen werden, sie kann aber auch aus anderen im Steuergerät verfügbaren Werten bestimmt werden. Die Temperatur des Katalysators wird beispielsweise aus einer Modellierung oder Berechnung bestimmt und die Temperatur der Komponenten im Brennraum kann ebenfalls durch Modellierung bestimmt werden. Die Außentemperatur sowie der Lambda-Wert des Katalysators werden vorzugsweise durch entsprechende Sensoren gemessen. Es ist aber auch möglich, diese Werte aus anderen Werten rechnerisch zu bestimmen. Die Bestimmung oder Erfassung dieser Messwerte erfolgt in Schritt 210.
In Schritt 220 werden die Werte einer oder mehrerer dieser Größen mit vorgebbaren Vergleichs- oder Schwellenwerten verglichen. Abhängig von diesem Vergleich erfolgt entweder ein Rücksprung vor Schritt 210 oder, beispielsweise bei Überschreiten/Unterschreiten der Schwellenwerte, erfolgt eine Aktivierung/Deaktivierung der Wassereinspritzung. So kann beispielsweise bei Überschreiten oder auch Unterschreiten einer ersten Gruppe von Schwellenwerten kann die zusätzliche Wassereinspritzung aktiviert werden (Schritt 240) und bei Unterschreiten/Überschreiten einer zweiten Gruppe von Schwellenwerten die zusätzliche Wassereinspritzung deaktiviert werden (Schritt 250). Es erfolgt dann ein Rücksprung vor Schritt 210. Zusätzlich zu oder anstatt der aktivierten Wassereinspritzung kann auch eine Kraftstoffeinspritzung vorgenommen werden, wenn die erste Gruppe der Schwellenwerte trotz aktivierter Wassereinspritzung fortdauernd überschritten wird, was durch Schritt 242 angedeutet wird.
Die vorgegebenen Schwellenwerte sind motorspezifisch appliziert. Die Schwellenwerte werden dabei kaskadenartig abgefragt, das heißt ihnen werden unterschiedliche Prioritäten zugewiesen. So hat beispielsweise die Außentemperatur gegenüber der Temperatur von Komponenten im Brennraum nur einen hinreichenden Charakter. Der Lambda-Wert hingegen zeigt, ob beispielsweise eine Kühlung durch eingespritzten Kraftstoff prinzipiell möglich ist.
Wenn alle Grenzwerte überschritten sind, muss davon ausgegangen werden, dass die Temperatur der Brennkraftmaschine zu hoch ist und man eine Kühlung benötigt, vorausgesetzt, der Lambda-Wert liegt noch in einem mageren Bereich oder ist sogar 1. Wenn dieser Fall eintritt, erfolgt eine Wassereinspritzung, Schritt 240. Wenn die Kondensationsmenge des Kühlmittels dabei nicht ausreichend hoch ist, wird statt einer Wassereinspritzung auf eine Kraftstoffeinspritzung ausgewichen, das heißt die Wassereinspritzung wird deaktiviert und es erfolgt eine Kraftstoffeinspritzung, wobei der Aufteilungsfaktor zwischen Direkteinspritzung und Saugrohreinspritzung von den erfassten Werten abhängt, Schritt 242.
Die Wassereinspritzung wird auch deaktiviert (Schritt 250), wenn die zeitliche Aufzeichnung der erfassten oder bestimmten Größen ergibt, dass die Wassereinspritzung beendet werden kann. In diesem Falle wird auf eine Kraftstoffeinspritzung umgeschaltet und der Aufteilungsfaktor zwischen Direkteinspritzung und Saugrohreinspritzung entsprechend gewählt. Da auch eine den Lambda-Wert charakterisierende Größe zeitlich aufgezeichnet und gespeichert wird, kann auch die Entwicklung des Lambda-Verlaufs ausgewertet werden und die zeitliche Entwicklung des Kühlungseffektes durch Wassereinspritzung mit der zeitlichen Entwicklung des Lambda-Verlaufs in Korrelation gesetzt werden, wobei insbesondere eine Verschlechterung des Kraftstoff-Luftgemisches festgestellt wird, die durch einen entsprechenden Lambda-Wert signalisiert wird. Tritt eine solche Änderung des Lambda-Wertes bei gleichzeitig sinkender Temperatur des Katalysators auf, kann davon ausgegangen werden, dass die Maßnahmen zum Bauteilschutz und damit auch die Wassereinspritzung zu beenden sind.
Eine Beendigung der Wassereinspritzung kann auch durch Heranziehen der Motortemperatur bestimmt werden. Wie eingangs bereits erwähnt, erfolgt sowohl eine Aktivierung als auch eine Deaktivierung der Wassereinspritzung in Abhängigkeit von den vorerwähnten Größen, wobei diese einer Priorisierung zugeführt werden und die Aktivierung/Deaktivierung in Abhängigkeit von Kriterien mit einer gewissen Priorität erfolgen.
So hat beispielsweise die Umgebungstemperatur lediglich hinreichenden Charakter für eine zu hohe Temperatur der Brennkraftmaschine. Es erfolgt daher in Schritt 210 eine kaskadenartige Erfassung der Größen, abhängig von Prioritäten.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (12) mit dualer Kraftstoffeinspritzung und mit wenigstens einem Injektor zur zusätzlichen Wassereinspritzung (40), mit folgenden Schritten: a) Erfassen und/oder Bestimmen einer oder mehrerer der folgenden Größen innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums (210): – eine die Temperatur der Ansaugluft charakterisierende Größe, – eine die Temperatur der Brennkraftmaschine (12) charakterisierende Größe, – eine die Temperatur eines Katalysators charakterisierende Größe, – eine die Temperatur wenigstens einer Komponente in einem Brennraum der Brennkraftmaschine charakterisierende Größe, – eine die Umgebungstemperatur charakterisierende Größe, – eine den Lambdawert charakterisierende Größe; b) Vergleichen von Werten einer oder mehrerer dieser Größen und/oder der zeitlichen Entwicklung der Werte einer oder mehrerer dieser Größen mit vorgebbaren Vergleichswerten (220); c) Aktivieren und Deaktivieren der zusätzlichen Wassereinspritzung in Abhängigkeit von dem Vergleich (240, 250).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten/Unterschreiten einer ersten Gruppe von Vergleichswerten die zusätzliche Wassereinspritzung aktiviert wird und dass bei Unterschreiten/Überschreiten einer zweiten Gruppe von Vergleichswerten die zusätzliche Wassereinspritzung deaktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei fortdauerndem Überschreiten der ersten Gruppe der Vergleichswerte trotz aktivierter zusätzlicher Wassereinspritzung eine Kraftstoffeinspritzung vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung als Direkteinspritzung und/oder als Saugrohreinspritzung mit einem Aufteilungsfaktor erfolgt, der von Werten der erfassten und/oder bestimmten Größen abhängt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Wassereinspritzung deaktiviert wird, wenn die zeitliche Entwicklung der Werte wenigstens eines Teils der Größen eine vorgebbare Eigenschaft erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft eine eine Verschlechterung des Kraftstoff-Luftgemisches widerspiegelnde Änderung des Lambdawerts ist.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
Maschinenlesbarer Datenträger, auf welchem ein Computerprogramm gemäß Anspruch 7 gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, eine Brennkraftmaschine durch Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zu betreiben.