DE102016206099A1

DE102016206099A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit dualer Kraftstoffeinspritzung

Info

Publication number: DE102016206099A1
Application number: DE102016206099.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kuhn; Timm Hollmann; Udo Schulz; Rainer Ecker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2017-10-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem eine Hochdruckspeicher aufweisenden Kraftstoffversorgungssystem, in dem Kraftstoff mit einem Kraftstoffdruck gespeichert wird, und mit einer dualen Kraftstoffzumessung mit einem saugrohrbasiert zumessenden Kraftstoffpfad (20) sowie mit einem direkt zumessenden Kraftstoffpfad (19), wobei die bei saugrohrbasierter Kraftstoffzumessung und bei direkter Kraftstoffzumessung jeweils benötigte Kraftstoffmenge anhand einer Mengenaufteilung berechnet wird, wobei vorgesehen ist, dass ein Unterschreiten des Kraftstoffdrucks in dem Hochdruckspeicher und/oder dem Kraftstoffversorgungssystem unter einen Dampfdruck wenigstens einer Komponente des Kraftstoffs durch eine geeignete Betriebsstrategie oder geeignete Änderung der Betriebsstrategie der Brennkraftmaschine verhindert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit dualer Kraftstoffzumessung gemäß den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche. 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 gekoppelt und damit parallel betrieben. Ein solches Kraftstoffeinspritzsystem bzw. eine entsprechende Brennkraftmaschine wird auch als sogenanntes „Dualsystem“ bezeichnet, in dessen Mischbetrieb Kraftstoff zu einem Zylinder der Brennkraftmaschine parallel mittels einer Saugrohreinspritzung (SRE) und mittels einer Brennstoff- bzw. Kraftstoffdirekteinspritzung (BDE) gemäß einem wählbaren Aufteilungsmaß zuführbar ist. Dabei gibt das Aufteilungsmaß eine Aufteilung des Kraftstoffs in eine Kraftstoffmenge, die zum Zylinder mittels der Saugrohreinspritzung zuführbar ist, und in eine weitere Kraftstoffmenge an, die zum Zylinder mittels der Kraftstoffdirekteinspritzung zuführbar ist.
Beispielsweise ist in DE 10 2010 039 434 A1 beschrieben, dass das Aufteilungsmaß einer Brennkraftmaschine in einem genannten Mischbetrieb unter Berücksichtigung eines Betriebspunktes, z.B. einer Last und/oder einer Drehzahl, bestimmt wird. So erlaubt ein solcher Mischbetrieb mit jeweils einem gezielt umgesetzten Aufteilungsmaß (nachfolgend „Mengenaufteilung“), einen für unterschiedliche Betriebsbedingungen optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine zu bewerkstelligen. Durch die Nutzung der Vorteile beider Einspritzarten wird eine optimale Gemischbildung und Verbrennung ermöglicht. So ist die BDE vorteilhafter bei einem dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine oder einem Betrieb unter Volllast, da hierdurch das an sich bekannte Selbstentzünden einer Brennraumfüllung (sog. „Klopfen“) vermieden werden kann. Andererseits wird bei der SRE in einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine vorteilhaft die Abgasbelastung mit Partikeln und/oder Kohlenwasserstoffen (HC) verringert.
Ein genanntes Dualsystem wird häufig in einer einen Hochdruck-Kraftstoffspeicher („Common-Rail“ bzw. CR) aufweisenden Brennkraftmaschine eingesetzt. So erfolgt in einem CR-Dieselmotor über einen solchen Hochdruckspeicher eine genannte Direkteinspritzung von Dieselkraftstoff in die jeweiligen Brennräume der einzelnen Zylinder.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer hier betroffenen Brennkraftmaschine mit dualer Kraftstoffzumessung sowie einem genannten Kraftstoff-Hochdruckspeicher, bei denen die Idee zugrunde liegt, Ausgasungen bzw. Verdampfungen von Kraftstoff bzw. Kraftstoffkomponenten in dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher durch eine geeignete Betriebsweise der Brennkraftmaschine zu reduzieren bzw. sogar ganz zu vermeiden. Denn solche Ausgasungen haben z.B. den Nachteil, dass dadurch im Kraftstoff gebildete Dampfblasen beim Wiedereinschalten einer Hochdruckpumpe zu einem verzögerten Druckaufbau im Hochdruckspeicher und damit zu einer verschlechterten Dynamik des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine führen. Denn solche Ausgasungen bzw. dadurch gebildete Dampfblasen führen beim Umschalten von einem genannten SRE- in den BDE-Betrieb des Dualsystems insbesondere dazu, dass in der Druckaufbauphase zunächst nur die Dampfblasen hauptsächlich komprimiert werden und erst danach der eigentliche Druckaufbau im Hochdruckspeicher durch Komprimierung des flüssigen Kraftstoffs stattfinden kann.
Ein weiterer Nachteil der genannten Ausgasungen liegt darin, dass die vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Online-Diagnosen bzw. entsprechenden Plausibilitätsprüfungen des Kraftstoffdrucks (bzw. des „Raildrucks“) dadurch zu fehlerhaften Ergebnissen führen. Denn der ausgegaste bzw. verdampfte Kraftstoff führt zu einer scheinbaren Erhöhung des Raildrucks, wobei der Kraftstoffdruck bei einer ersten Kraftstoffzumessung durch Öffnen eines Injektors schlagartig abfällt, da zunächst nur der Kraftstoffdampf entweicht, jedoch im Ergebnis kaum Kraftstoffmenge zugemessen wird und daher das resultierende Motormoment zu gering ist oder sogar ganz abfällt bzw. ausfällt.
Darüber hinaus kommt es zu einer erhöhten Reibung und damit Verschleiß von Hydraulikkomponenten, wenn die Ausgasung im Bereich solcher kraftstoffgeschmierter Komponenten erfolgt.
Gemäß einem ersten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung wird durch eine geeignete Betriebsstrategie bei der eingangs genannten Kraftstoff-Mengenaufteilung zwischen SRE- und BDE-Zumessung ein Unterschreiten des Raildrucks unter den der Dampfdruckkurve von Kraftstoff bzw. darin enthaltener Kraftstoffkomponenten im Kraftstoffversorgungssystem verhindert, wodurch dann insbesondere auch die oben genannten Probleme bzw. Nachteile der Ausgasung wirksam vermieden werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung wird die genannte geeignete Betriebsstrategie durch eine geeignete Druckregelung im Kraftstoffversorgungssystem realisiert, wobei z.B. durch einen geeigneten Anstieg des Raildrucks wirksam verhindert werden kann, dass die genannten Ausgasungen überhaupt erfolgen können.
Gemäß einem dritten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Betriebszustand des Kraftstoffversorgungssystems erkannt, bei dem bei einer vorliegenden Kraftstofftemperatur der entsprechend vorliegende Raildruck einen empirisch vorgebbaren Dampfdruckbereich einer für den jeweiligen Kraftstoff spezifischen Dampfdruckkurve unterschreitet oder zu unterschreiten droht. Im Falle des Unterschreitens bzw. eines (erwartungsgemäß) drohenden Unterschreitens wird dann durch geeignete Abhilfe- bzw. Gegenmaßnahmen dem Unterschreiten bzw. dem drohenden Unterschreiten entgegengewirkt. Geeignete Abhilfe- bzw. Gegenmaßnahmen sind eine Anpassung der Niederdruck- und/oder der Hochdruckregelung des Kraftstoffversorgungssystems, bevorzugt zur wenigstens zeitweiligen Erhöhung des Raildrucks, eine Anpassung des Betriebs einer genannten Hochdruckpumpe und/oder eine Veränderung der Kraftstoff-Mengenaufteilung, und zwar bevorzugt in Richtung relativ erhöhter BDE-Kraftstoffzumessung.
Gemäß einem vierten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf der Grundlage eines Zusammenhangs zwischen dem zeitlichen Verlauf eines in dem Hochdruckspeicher und/oder in dem Kraftstoffversorgungssystem erfassten Kraftstoffdrucks und dem zeitlichen Verlauf einer in dem Hochdruckspeicher und/oder in dem Kraftstoffversorgungssystem erfassten Kraftstofftemperatur eine Prüfung des Hochdruckspeichers und/oder des Kraftstoffversorgungssystems auf Dichtheit durchgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Verhinderung von fehlerhaften Einspritzmengen, von fehlerhaften Diagnosen, von erhöhtem Verschleiß, von verschlechtertem Abgas sowie die Sicherstellung eines schnellen Druckaufbaus zur Vermeidung von Kraftstoffausgasung, und zwar in einem hier betroffenen, mit einem Hochdruck-Kraftstoffspeicher ausgestatteten Kraftstoffzumesssystem.
Die Erfindung kann insbesondere in hier betroffenen dualen Kraftstoffeinspritzsystemen, bei denen die möglichen Betriebsbereiche auch einen reinen BDE-Betrieb und/oder einen reinen SRE-Betrieb aufweisen, zur Anwendung kommen. Darüber hinaus ist auch eine Anwendung bei im industriellen Bereich, z.B. in der chemischen Verfahrenstechnik eingesetzten Brennkraftmaschinen mit einer dualen Kraftstoffzumessung möglich.
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 duale Kraftstoffzumessung bei einer 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 voranstehend 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 schematisierte Darstellung einer dualen Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine vierzylindrige Brennkraftmaschine, gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt schematisch den zeitlichen Ablauf von Kraftstoffeinspritzungen bei einer Kraftstoff-Saugrohreinspritzung, gemäß dem Stand der Technik.
3 zeigt schematisch den zeitlichen Ablauf von Kraftstoffeinspritzungen bei einer Kraftstoff-Direkteinspritzung, gemäß dem Stand der Technik.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Flussdiagramms.
5 zeigt die Temperaturabhängigkeit des Dampfdrucks verschiedener Kraftstoffkomponenten.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die in 1 gezeigte Brennkraftmaschine weist vier Zylinder 11 auf, die von einem Zylinderkopf 12 abgedeckt sind. Der Zylinderkopf 12 begrenzt in jedem Zylinder 11 zusammen mit einem hier nicht dargestellten, im Zylinder 11 geführten Hubkolben einen Brennraum 13, der eine von einem hier nicht gezeigten Einlassventil gesteuerte hier ebenfalls nicht gezeigte Einlassöffnung aufweist. Die Einlassöffnung bildet die Mündung eines den Zylinderkopf 12 durchdringenden ebenfalls nicht gezeigten Einlasskanals.
Die gezeigte Kraftstoffeinspritzvorrichtung umfasst einen Luftströmungsweg 18 zum Zuführen von Verbrennungsluft zu den Brennräumen 13 der Zylinder 11, der endseitig voneinander getrennte, zu den einzelnen, hier nicht gezeigten Einlasskanälen führende Strömungskanäle 17 aufweist. Zudem sind eine erste Gruppe von Kraftstoffeinspritzventilen 19, die Kraftstoff direkt in jeweils einen Brennraum 13 der Zylinder 11 einspritzen, sowie eine zweite Gruppe von Kraftstoffeinspritzventilen 20, die Kraftstoff in die Strömungskanäle 17 einspritzen, angeordnet. Diese beiden Gruppen von Kraftstoffeinspritzventilen entsprechen in diesem Ausführungsbeispiel den eingangs genannten verschiedenen Einspritzkomponenten.
Die erste Gruppe von Kraftstoffeinspritzventilen 19, bei denen pro Zylinder ein Hochdruckeinspritzventil angeordnet ist und welche direkt in den jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine 11 einspritzen, wird von einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 21 versorgt, während die zweite Gruppe der Kraftstoffeinspritzventile 20, welche in die Strömungskanäle 17 einspritzen, von einer Kraftstoff-Niederdruckpumpe 22 versorgt werden. Eine üblicherweise in einem Kraftstofftank 23 angeordnete Kraftstoff-Niederdruckpumpe fördert dabei Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 23 einerseits zu der zweiten Gruppe von Kraftstoffeinspritzventilen 20 und andererseits zu der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 21. Der Einspritzzeitpunkt und die Einspritzdauer der Kraftstoffeinspritzventile 19, 20 werden von einer in einem Motorsteuergerät integrierten elektronischen Steuereinheit, in Abhängigkeit von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine gesteuert, wobei im Wesentlichen die Kraftstoffeinspritzung über die Kraftstoffeinspritzventile 19 der ersten Gruppe erfolgt und die Kraftstoffeinspritzventile 20 der zweiten Gruppe nur ergänzend eingesetzt werden, um Unzulänglichkeiten der Kraftstoffdirekteinspritzung durch die Kraftstoffeinspritzventile 19 der ersten Gruppe in bestimmten Betriebsbereichen zu verbessern und um zusätzliche Freiheitsgrade bzw. Einspritzstrategien zu nutzen.
Die Kraftstoffeinspritzventile 20 der zweiten Gruppe sind als Mehrstrahl-Einspritzventile ausgebildet, die mindestens zwei getrennte, zueinander winkelversetzte Kraftstoffstrahlen gleichzeitig ab- bzw. einspritzen und im Luftströmungsweg 18 so angeordnet sind, dass die eingespritzten Kraftstoffstrahlen 24, 25, die üblicherweise die Form eines Spraykegels aufweisen, in verschiedene Strömungskanäle gelangen. Bei dieser Brennkraftmaschine sind zwei Zweistrahl-Einspritzventile 26, 27 vorgesehen, die im Luftströmungsweg 18 so platziert sind, dass das eine Zweistrahl-Einspritzventil 26 in die zum ersten und zweiten Zylinder 11 führenden Strömungskanäle 17 und das zweite Zweistrahl-Einspritzventil 27 in die zu dem dritten und vierten Zylinder 11 führenden Strömungskanäle 17 einspritzen. Hierzu sind die Strömungskanäle 17 so gestaltet, dass zwischen zwei direkt benachbarten Strömungskanälen 17 ein Einbaupunkt für das Zweistrahl-Einspritzventil 26 bzw. 27 vorhanden ist.
Es ist anzumerken, dass bei einer in 1 gezeigten Brennkraftmaschine meist bei jedem der vier Zylinder 11 jeweils ein (gezeigtes) Kraftstoffeinspritzventil 19 und jeweils ein (hier nur zweifach gezeigtes) Zweistrahl-Einspritzventil 26, 27 angeordnet sind.
Es ist auch bekannt, dass bei einer genannten Kraftstoff-Saugrohreinspritzung einer hier betroffenen Brennkraftmaschine das Luft-Kraftstoff-Gemisch außerhalb des Brennraums im Saugrohr entsteht. Das jeweilige Einspritzventil spritzt den Kraftstoff dabei vor ein Einlassventil, wobei das Gemisch im Ansaugtakt durch das geöffnete Einlassventil in den Verbrennungsraum strömt. Die Kraftstoffversorgung erfolgt mittels eines Kraftstofffördermoduls, welches die benötigte Kraftstoffmenge mit definiertem Druck vom Tank zu den Einspritzventilen fördert. Eine Luftsteuerung sorgt dafür, dass der Brennkraftmaschine in jedem Betriebspunkt die richtige Luftmasse zur Verfügung steht. Die an einem Kraftstoffzuteiler angeordneten Einspritzventile dosieren die gewünschte Kraftstoffmenge präzise in den Luftstrom. Das genannte Motorsteuergerät regelt auf der Grundlage des Drehmoments als zentrale Bezugsgröße das jeweils benötigte Luft-Kraftstoff-Gemisch ein. Eine wirksame Abgasreinigung wird mit einer Lambda-Regelung erreicht, mittels der immer ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1) eingeregelt wird.
Demgegenüber wird bei einer Kraftstoff-Direkteinspritzung das Luft-Kraftstoff-Gemisch direkt im Brennraum gebildet. Über ein genanntes Einlassventil strömt dabei Frischluft ein, wobei in diesen Luftstrom mit hohem Druck (typischerweise mit 200 bar) der Kraftstoff eingespritzt wird. Dies ermöglicht eine optimale Verwirbelung des Luft-Kraftstoff-Gemisches sowie eine verbesserte Kühlung des Brennraums.
Es ist ferner bekannt, dass bei einer viertaktigen Brennkraftmaschine (Ottomotor) das Arbeitsspiel die Vorgänge Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen umfasst, wobei sich jeder Zylinder zweimal auf und abwärts bewegt und dabei in zwei oberen Totpunkten (OT) und zwei unteren Totpunkten (UT) zum Stillstand kommt. Die Kurbelwelle führt also bei einem Arbeitsspiel zwei Umdrehungen aus, die Nockenwelle eine Umdrehung. Die Zündung des in einen Zylinder verbrachten Gas-Kraftstoff-Gemisches erfolgt bei einem oberen Totpunkt, in dem das Gemisch gerade verdichtet ist. Hier spricht man vom Zünd-OT (ZOT). Demgegenüber gibt es noch einen Überschneidungs-OT (ÜOT), bei dem beim Übergang vom Ausstoßen zum Ansaugen sowohl die Einlass- als auch die Auslassventile geöffnet sind.
Demgemäß wird unmittelbar nach dem Starten zumindest in einem Zylinder eine Zündung bei allen oberen Totpunkten (OT) durchgeführt, wobei bei bestimmten oberen Totpunkten, insbesondere bei jedem zweiten OT, bei Kurbelwellenwinkeln von 720° jeweils eine Verschiebung des Zündzeitpunktes erfolgt. Je nachdem, ob bei dem oberen Totpunkt (OT), bei dem die Zündzeitpunktverschiebung durchgeführt wird, oder aber beim einem um 360 verschobenen Kurbelwellenwinkel, das Luft-Kraftstoff-Gemisch tatsächlich gezündet wird, ist eine Minderung der im jeweiligen Zylinder erfolgten physikalischen Arbeit festzustellen.
In 2 sind y-Richtung bei verschiedenen Drehzahlen der Brennkraftmaschine erfolgende Saugrohreinspritzungen über dem in der Einheit [Grad] gemessenen Kurbelwellenwinkel (KW) dargestellt. Der gemäß dem Ottomotorprinzip viertaktige Verbrennungszyklus umfasst bekanntermaßen Kurbelwellenwinkel zwischen einem ersten unteren Totpunkt (UT1), einem ersten oberen Totpunkt (OT), einem weiteren unteren Totpunkt (UT2) sowie einem weiteren oberen Totpunkt (ZOT), bei dem das in der Brennkammer vorliegende Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet wird.
Die genannten zeitlichen Bezugsmarken werden für die beiden Einspritzpfade sehr unterschiedlich vorgegeben. So wird bei einer Saugrohreinspritzung (SRE), wie in 2 schematisch dargestellt, bei nur beispielhaft vier verschiedenen Drehzahlen n = 1000, 2000, 4000 und 7000 U/min erfolgenden Einspritzungen 200 ein vor dem Ende 210 des Einspritzzyklus‘ 225 vorzusehender, konstanter zeitlicher Verzögerungsanteil 205 berücksichtigt, da die Einspritzventile bei einer SRE außerhalb der jeweiligen Brennkammer der Brennkraftmaschine angeordnet sind und der Kraftstoff daher vom Einspritzort erst in die Brennkammer gelangen muss. Dieser zusätzliche Zeitbedarf ändert sich, wie in 2 zu ersehen, nicht bei sich ändernder bzw. steigender Drehzahl der Brennkraftmaschine. Daher werden die Einspritzungen entsprechend früher angesteuert, z.B. bei 7000 U/min sogar noch vor dem zeitlich hinter der im vorausgehenden ZOT 220 erfolgenden Zündung liegenden UT1, damit bei allen Drehzahlen der konstante Zeitbedarf 205 bereitgestellt wird. Das gesamte zeitliche Einspritzfenster für den gezeigten Einspritzzyklus entspricht, wie bereits erwähnt, der eingezeichneten Klammer 225. Der auf den vorausgehenden ZOT 220 nachfolgende nächste ZOT ist mit 215 bezeichnet.
Demgegenüber werden bei einer Benzindirekteinspritzung (BDE) bei den jeweiligen Einspritzungen 300 als Bezugsmarken (konkrete) Winkelmarken empirisch vorgegeben, wie in 3 schematisch dargestellt ist. D.h. im Gegensatz zur SRE werden bei der BDE keine konstanten Zeitanteile berücksichtigt, wie sich z.B. aus dem Verlauf 305 der jeweiligen Einspritzenden ersehen lässt. Daher können hier die Einspritzungen näher am Zündereignis des ZOT 315 erfolgen und werden daher entsprechend zu späteren Zeitpunkten berechnet. In dem vorliegenden Beispiel folgt auf das Ende 310 des hier gezeigten Einspritzzyklus‘ 325 eine Zündung am nachfolgenden ZOT 315. Der diesem ZOT 315 vorausgehende Zündzeitpunkt erfolgt an einem vorausgehenden ZOT 320.
Bei einem hier betroffenen Dualsystem zur Kraftstoffzumessung werden die beschriebenen beiden Kraftstoffanteile, d.h. der SRE- und der BDE-Anteil, bekanntermaßen mittels entsprechenden, verschiedenen Einspritzkomponenten zugemessen. Bei der Kraftstoffzumessung ist eine korrekte Aufteilung der zur Verfügung stehenden bzw. zuzumessenden gesamten Kraftstoffmasse erforderlich. Die Gesamtkraftstoffmasse KM_ges für einen Zylinder setzt sich wie folgt zusammen: KM_ges = KM_SRE + KM_BDE, wobei KM_SRE die relative Kraftstoffmasse des SRE-Pfades und KM_BDE die relative Kraftstoffmasse des BDE-Pfades bezeichnen. Ein entsprechender Prozessablauf zur Berechnung bzw. Aufteilung der bei einer Einspritzung in einem solchen Dualsystem erforderlichen Kraftstoffmasse, zur Verhinderung einer genannten Temperaturüberlastung von zeitweilig nicht aktiven Einspritzkomponenten, wird nachfolgend anhand eines in 4 gezeigten Flussdiagramms beschrieben.
Das nachfolgend beschriebene Verfahren beruht auf dem an sich bekannten physikalischen Prinzip des Sättigungsdampfdrucks einer Flüssigkeit, der bei gegebener Temperatur dem Druck entspricht, der sich im Gleichgewicht in einer ansonsten leeren Kammer über der flüssigen Phase einstellen würde. In diesem Zustand ist die Verdampfung der Flüssigkeit mengenmäßig gleich der Kondensation des Gases bzw. Dampfes an einem Kondensationspunkt. Bei einer gegebenen Temperatur- oder Volumenänderung verdampft so viel Flüssigkeit, bis im Gleichgewicht der Dampf- bzw. Gasdruck den Sättigungsdampfdruck erreicht.
Auch gibt der Siedepunkt einer Flüssigkeit bekanntermaßen Bedingungen an, welche beim Phasenübergang von der flüssigen in die gasförmige Phase vorliegen müssen, damit es zu einem Sieden oder Verdampfen von Flüssigkeit kommt. Bei reinen Flüssigkeiten ist der umgekehrte Vorgang der Kondensation zudem identisch mit dem genannten Kondensationspunkt. Beim Verdampfen eines Stoffgemisches, wie vorliegend Otto- oder Dieselkraftstoff, kommt es zu einem veränderten Siedeverhalten mit einem Siedebereich anstatt eines Siedepunktes.
Bei hier betroffenen dualen Einspritzsystemen, die eine Deaktivierung einer genannten Hochdruckpumpe (HDP) bzw. eine Deaktivierung der Kraftstoffförderung z.B. bei einer mechanisch betriebenen HDP mittels Nullnocken oder bei einer mittels Mengensteuerventile elektrisch betriebenen HDP ermöglichen, kann es zu folgenden Betriebssituationen kommen:

– Bei einem längeren reinen SRE-Betrieb, d.h. bei inaktivem BDE-Kraftstoffpfad, kommt es zu einem Absinken des Raildrucks infolge nicht vermeidbarer Leckage von Hochdruckkomponenten. Unterschreitet der Raildruck bei gegebener Kraftstofftemperatur den genannten Sättigungsdampfdruck des jeweiligen Kraftstoffs, kommt es zu einem (erhöhten) Ausgasen insbesondere leicht siedender Kraftstoffbestandteile, welches solange andauert, bis der Raildruck wieder den Sättigungsdampfdruck erreicht.
– Bei einem längeren reinen SRE-Betrieb fehlt die Kühlwirkung von in die BDE-Injektoren nachfließendem Kraftstoff, welche insbesondere durch ihre räumliche Anordnung nahe der jeweiligen Brennräume der Brennkraftmaschine erheblich heißer werden als im SRE-/BDE-Mischbetrieb mit erhöhter Kraftstoffdurchspülung.
– Bei einer insbesondere vorübergehenden Abschaltung der Brennkraftmaschine, z.B. im Schubbetrieb, und zwar nach einem vorausgehenden Volllastbetrieb, steigt die Temperatur im Bereich der Brennräume und auch in Richtung der Zylinderköpfe erheblich an, da durch das Abschalten auch das Kühlsystem (z.B. Wasserpumpe des Kühlwasserkreislaufs) deaktiviert wird und somit die Restwärme abgegeben wird. Dadurch werden auch die jeweiligen Injektoren und das Kraftstoff-Rail über die im Normalbetrieb üblichen Temperaturen hinaus aufgeheizt, wodurch auch der sich in den Komponenten des Einspritzsystems befindliche Kraftstoff aufgeheizt wird. Erreicht nun das Temperaturniveau des Kraftstoffs, bei gegebenem Raildruck, den Siedepunkt zumindest einzelner Kraftstoffkomponenten, dann kommt es zum (erhöhten) Ausgasen von Kraftstoff, und zwar solange, bis wiederum der Sättigungsdampfdruck erreicht ist. Durch dieses Ausgasen bilden sich für den Betrieb des Kraftstoffzumesssystems nachteilige Dampfblasen im Kraftstoffsystem.

Das nachfolgend beschriebene Verfahren lässt sich in zwei Abschnitte unterteilen, nämlich einen ersten Abschnitt 400 zur Erkennung einer bereits aufgetretenen oder drohenden, oben beschriebenen Verdampfungs- bzw. Ausgasungssituation, und in einen zweiten Abschnitt 405 zur Umsetzung geeigneter Maßnahmen, um eine solche Ausgasungssituation zu reduzieren oder zu verhindern.
Die Erkennung einer genannten Betriebssituation gemäß dem ersten Abschnitt 400 beruht darauf, dass das Überschreiten des Dampfdruckbereichs der verschiedenen, chemischen Kraftstoffkomponenten physikalisch von bestimmten Temperaturen und Drücken im Kraftstoff-Rail abhängig ist, wie aus der 5 zu ersehen ist. Zur Vermeidung einer solchen Betriebssituation ist sicherzustellen, dass der Raildruck bei der jeweils im Rail vorherrschenden Temperatur möglichst oberhalb des jeweiligen Siededrucks zu Beginn des Siedebereichs der kraftstoffspezifischen Hauptkomponenten, und zwar der dort nur beispielhaft gezeigten drei Komponenten Diethylether, Ethanol und Wasser des jeweils vorliegenden Kraftstoffs liegt. Es ist dabei allerdings hervorzuheben, dass die in 5 gezeigten Dampfdruckkurven dieser die Komponenten nur als Beispiel gedacht sind, da z.B. in einem so genannten „E0-Ottokraftstoff“ kaum Ethanol und Wasser enthalten sind. Bei diesem Kraftstoff sind andere Komponenten wie z.B. Benzole, etc. für das vorliegende Verfahren relevant.
Im Fall von Diethylether beginnt der Siedebereich bei 34,6 °C, wobei der Raildruck größer als der Siededruck von 101,3 kPa (= 1,01325 bar) sein muss. Im Fall von Ethanol beginnt der Siedebereich bei dem genannten Druck von etwa 101,3 kPa bei 78,3 °C und bei Wasser bei 100 °C. Es ist dabei aber anzumerken, dass Ottokraftstoffe in der Regel aus einer Mischung von vielen verschiedenen Kohlenwasserstoffkomponenten bestehen, wodurch sich kein Siedepunkt wie z.B. bei Reinstoffen ergibt, sondern ein Siedebereich. Abhängig von der Kraftstoffzusammensetzung variiert zudem der Siedebereich im jeweiligen Temperatur- und Druckbereich. Deshalb dürfen, abhängig von dem Kraftstoffdruck, von der Kraftstofftemperatur und von dem jeweils eingesetzten Kraftstoff, gewisse Mindestdruckniveaus nicht unterschritten werden. Diese Druckniveaus werden bevorzugt in im Vorfeld durchgeführten Feldversuchen an Realkraftstoffen ermittelt.
Daher werden bei dem Verfahren die Kraftstofftemperatur und der Kraftstoffdruck bzw. der Raildruck mittels geeigneter Sensoren (im Rail angeordneter Temperatursensor und Raildrucksensor) erfasst 410, 415, oder ggf. aus einem Motorsteuergerät ausgelesen, und anhand der so erfassten 410, 415 Werte anhand von in 5 gezeigten Dampfdruckkurven die entsprechenden, für den jeweiligen Kraftstoff sich ergebenden, charakteristischen Werte des Dampfdrucks bestimmt.
Es ist anzumerken, dass die Kraftstofftemperatur anstatt der Erfassung 410 auch in an sich bekannter Weise aus der Motortemperatur T_mot oder anhand eines Temperaturmodells des Rails abgeleitet werden kann. Alternativ kann die Kraftstofftemperatur anhand von in oder an den Kraftstoffinjektoren angeordneten Temperatursensoren oder anhand eines Temperaturmodells der Kraftstoffinjektoren ermittelt bzw. bestimmt werden.
In Schritt 420 wird die im Kraftstoffversorgungssystem bzw. in einem Kraftstofftank vorliegende Kraftstoffsorte erfasst. Die vorliegende bzw. verwendete Kraftstoffsorte kann in an sich bekannter Weise mittels Kraftstoffqualitätssensoren, z.B. bei Dieselmotoren durch Cetanzahl-Bestimmung aus einem Drehzahlsignal oder bei Ottomotoren durch Oktanzahlbestimmung aus dem Klopfverhalten der Brennkraftmaschine bestimmt werden. Aus diesen Daten kann auch auf den Anteil des Kraftstoffs an leicht siedenden Kraftstoffkomponenten geschlossen werden und damit auf den genannten Beginn des Siedebereichs. Liegen diese Informationen nicht vor, wird eine bezüglich des Ausgasverhaltens für die jeweilige Brennkraftmaschine bzw. das jeweilige Kraftfahrzeug geeignete bzw. zulässige Kraftstoffsorte angenommen. Es ist dabei anzumerken, dass hierbei bevorzugt eine für das Ausgasen kritische, jedoch für die Brennkraftmaschine zulässige Kraftstoffsorte zugrunde gelegt wird, z. B. eine an sich bekannte „KS“-Sorte mit hohem Anteil an leicht siedenden Komponenten.
Die genannten Dampfdruckkurven sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem Steuergerät in Kennfeldern hinterlegt und gemäß Schritt 425 ein für die vorliegende Kraftstoffsorte geeignetes Kennfeld abgerufen bzw. ausgelesen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dabei gemäß Schritt 430, auf der Grundlage der gemäß den Schritten 420, 425 erfassten Daten, eine Interpolation zwischen den im Steuergerät abgelegten Dampfdruckkurven anhand der verwendeten Kraftstoffsorte durchgeführt, um die Dampfdruckwerte möglichst genau zu bestimmen.
Auf der Grundlage der in Schritt 430 bestimmten Dampfdruckwerte p_DD in Abhängigkeit von der Kraftstofftemperatur T_KS wird in Schritt 435 anhand des erfassten 410 aktuellen Werts der Kraftstofftemperatur ein aktuell im Hochdruckspeicher (Rail) und/oder dem Kraftstoffversorgungssystem vorliegender Dampfdruckwert p_{DD_aktuell} bestimmt und in Schritt 440 geprüft, ob der in Schritt 415 erfasste Kraftstoffdruck (bzw. Raildruck) den aktuellen Dampfdruckwert p_{DD_aktuell} unterschreitet. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, wird wieder an den Anfang der Routine (vor Schritt 410) zurückgesprungen.
Ergibt der Prüfschritt 440 allerdings, dass die genannte Bedingung erfüllt ist, d.h. dass mit den vorliegenden Werten und dem gemessenen Raildruck erkannt wurde, dass die entsprechende Dampfdruckkurve im aktuellen Betriebszustand unterschritten ist, wird mit den genannten Gegenmaßnahmen gemäß den Schritten im Abschnitt 405 weiter verfahren.
Die beschriebene Erkennung eines Unterschreitens der Dampfdruckkurve kann im Betrieb der Brennkraftmaschine kontinuierlich durchgeführt werden oder nur in genannten, potenziell drohenden Ausgasungssituationen, wie sie z.B. in einem reinen SRE-Betrieb aus den genannten Gründen zu erwarten sind.
Der genannte zweite Abschnitt 405 umfasst genannte, geeignete (Gegen-)Maßnahmen, um eine genannte Ausgasungssituation entweder zu reduzieren oder gänzlich zu vermeiden. Gemäß einer ersten Variante werden Ausgasungen prinzipiell zugelassen und dabei ein Unterschreiten der Dampfdruckkurve erkannt, was entweder auf einen bei der vorliegenden Kraftstofftemperatur zu geringen Raildruck oder eine zu hohe Kraftstofftemperatur bei gegebenem Raildruck zurückzuführen ist. Gemäß einer zweiten Variante werden Ausgasungen vermieden und dabei ein Unterschreiten eines sicheren Abstandes bzw. entsprechenden Schwellenwertes erkannt, was entweder darauf zurückzuführen ist, dass der Raildruck bei gegebener Kraftstofftemperatur nahe dem Siededruck ist oder dass die Kraftstofftemperatur bei gegebenem Raildruck zu nah an der Siedetemperatur liegt. Mögliche genannte Gegenmaßnahmen, die einzeln oder in Kombination durchgeführt werden können, sind:

– Veränderung 445 einer vorliegenden Kraftstoff-Mengenaufteilung z.B. in einem genannten Mischbetrieb hin zu relativ erhöhter Direkteinspritzung, um den heißen Kraftstoff im Hochdruckspeicher und Injektor verstärkt zu verbrauchen, wodurch wiederum kühlerer Kraftstoff nachströmt, sofern die Kraftstofftemperatur im Tank geringer ist, was in den meisten Fällen erfüllt sein sollte. In Schritt 450 wird geprüft, ob diese Maßnahme der Veränderung 445 der Mengenaufteilung ausreichend ist und in diesem Fall an den Anfang der Routine vor Schritt 410 zurück gesprungen.
– Sollte auch die zuvor genannte, zweite Maßnahme nicht ausreichen, insbesondere weil der Druck auf der Niederdruckseite zu dem genannten Zweck nicht ausreichend ist, dann wird zusätzlich gemäß Schritt 465 die Hochdruckpumpe aktiviert, und zwar solange, bis ein gegenüber einem empirisch vorgebbaren Schwellenwert erhöhter Druckaufbau im Rail erkannt wird und die Hochdruckpumpe wieder ausgeschaltet wird. Danach wird schließlich an den Anfang der Routine zurück gesprungen. Dieser erhöhte Raildruck bleibt durch die mechanische Auslegung des Hochdrucksystems über einen längeren Zeitraum bestehen, allerdings wird der Druck- und Temperaturverlauf in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dennoch weiterhin beobachtet. Es ist anzumerken, dass bei der zuvor genannten zweiten und der vorliegenden dritten Maßnahme der Raildruck nur soweit gegenüber dem Siededruck erhöht wird, dass keine unnötige Leckage aufgrund eines zu hohen Druckniveaus auftritt. Zudem wird vermieden, dass die Hochdruckpumpe zu häufig aktiviert wird. Die Erzeugung von unerwünschten Druckschwingungen im Hochdrucksystem aufgrund des Ein- und Ausschaltens der Hochdruckpumpe kann dadurch verhindert werden, dass eine Druckhysterese(-kurve) mit Ein- und Ausschaltbedingungen für die Hochdruckpumpe hinterlegt wird.

Es ist ferner anzumerken, dass gemäß einer vereinfachten Vorgehensweise bei den genannten Gegenmaßnahmen auch ein vorab empirisch bestimmter Erfahrungswert für die maximale Kraftstofftemperatur zugrunde gelegt werden kann und mittels einer geeigneten Ansteuerung eines genannten Hochdrucksystems den Raildruck immer über dem Dampfdruck bei einer Temperatur T_max zu halten.
Es ist weiter anzumerken, dass auf der Grundlage des genannten Zusammenhangs zwischen Temperaturverlauf und Druckverlauf im Rail, und zwar insbesondere bei der genannten ersten Variante (d.h. Ausgasung an sich zugelassen), auch eine Diagnose der Dichtheit des Hochdrucksystems durchgeführt werden kann. Denn eine Temperaturerhöhung des Kraftstoffs im Rail verursacht eine Erhöhung des Raildrucks und umgekehrt. Liegt dieser Zusammenhang außerhalb plausibler Grenzen, kann auf ein undichtes Hochdrucksystem geschlossen werden, d.h. Undichtigkeiten am Rail, an Injektoren, an einem Raildrucksensor, an einem Rückschlagventil, an Leitungen und/oder Verschraubungen, oder dergleichen.
Das beschriebene Verfahren kann in Form eines Steuerprogramms für ein elektronisches Steuergerät zur Steuerung einer Brennkraftmaschine oder in Form einer oder mehrerer entsprechender elektronischer Steuereinheiten (ECUs) realisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010039434 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem einen Hochdruckspeicher aufweisenden Kraftstoffversorgungssystem, in dem Kraftstoff mit einem Kraftstoffdruck gespeichert wird, und mit einer dualen Kraftstoffzumessung mit einem saugrohrbasiert zumessenden Kraftstoffpfad (20) sowie mit einem direkt zumessenden Kraftstoffpfad (19), wobei die bei saugrohrbasierter Kraftstoffzumessung und bei direkter Kraftstoffzumessung jeweils benötigte Kraftstoffmenge anhand einer Mengenaufteilung berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterschreiten des Kraftstoffdrucks in dem Hochdruckspeicher und/oder dem Kraftstoffversorgungssystem unter einen Dampfdruck wenigstens einer Komponente des Kraftstoffs durch eine geeignete Betriebsstrategie oder geeignete Änderung der Betriebsstrategie der Brennkraftmaschine verhindert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als geeignete Betriebsstrategie eine Änderung der Mengenaufteilung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Mengenaufteilung durch eine relative Erhöhung des Anteils an direkter Kraftstoffzumessung gegenüber der saugrohrbasierten Kraftstoffzumessung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als geeignete Betriebsstrategie eine Druckänderung des Kraftstoffdrucks in dem Hochdruckspeicher und/oder in dem Kraftstoffversorgungssystem durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Erhöhung des Kraftstoffdrucks verhindert wird, dass der Kraftstoffdruck den Dampfdruck der wenigstens einen Komponente des Kraftstoffs unterschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebszustand des Kraftstoffversorgungssystems erkannt wird, bei dem bei einer vorliegenden Kraftstofftemperatur der entsprechend vorliegende Kraftstoffdruck einen vorgebbaren Dampfdruckbereich einer für den jeweiligen Kraftstoff spezifischen Dampfdruckkurve unterschreitet oder zu unterschreiten droht und dass im Falle des Unterschreitens bzw. eines drohenden Unterschreitens eine geeignete Gegenmaßnahme durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Gegenmaßnahme eine Anpassung einer Niederdruck- und/oder einer Hochdruckregelung des Kraftstoffversorgungssystems, eine Anpassung des Betriebs einer Hochdruckpumpe, und/oder eine Änderung der Mengenaufteilung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage eines Zusammenhangs zwischen dem zeitlichen Verlauf eines in dem Hochdruckspeicher und/oder in dem Kraftstoffversorgungssystem erfassten Kraftstoffdrucks und dem zeitlichen Verlauf einer in dem Hochdruckspeicher und/oder in dem Kraftstoffversorgungssystem erfassten Kraftstofftemperatur eine Prüfung des Hochdruckspeichers und/oder des Kraftstoffversorgungssystems auf Dichtheit durchgeführt wird.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
Maschinenlesbarer Datenträger, auf welchem ein Computerprogramm gemäß Anspruch 9 gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, eine duale Kraftstoffzumessung mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zu steuern.