DE112006002869T5

DE112006002869T5 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern von Verbrennung in einer strahlgeführten fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung

Info

Publication number: DE112006002869T5
Application number: DE112006002869T
Authority: DE
Inventors: Gerald Andrew Sterling Heights Szekely jun.; Mark Steven Shelby Huebler; Scott E. Farmington Hills Parrish; Gerald J. Shelby Schimelfening; Andreas M. Rochester Hills Lippert
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-10-18
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2008-10-02
Also published as: CN101512120B; WO2007047617A2; WO2007047617A3; US7441537B2; CN101512120A; US20070175438A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer strahlgeführten fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung umfassend:
Einspritzen einer ersten Menge an Kraftstoff während eines Verbrennungszyklus;
Auslösen der Fremdzündung;
Steuern der Einspritzung einer zweiten Menge an Kraftstoff während des Verbrennungszyklus, die zum Ausbreiten eines durch Auslösen der Fremdzündung erzeugten Flammenkerns dient.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Steuersysteme von Brennkraftmaschinen und im Einzelnen das Steuern von Verbrennung durch präzise Kraftstoffeinspritzung bei Brennkraftmaschinensystemen.
Hintergrund der Erfindung
Wer Steuerabläufe von Brennkraftmaschinen umsetzt, sieht sich mit der ständigen Forderung konfrontiert, Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern und die Mengen verschiedener Emissionsbestandteile, einschließlich Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Stickoxide (NOx) zu verringern. Eine Auslegung einer Brennkraftmaschine und Steuerstrategie umfasst eine strahlgeführte fremdgezündete Benzinbrennkraftmaschine mit Direkteinspritzung zum Verwirklichen besserer Verbrennungsstabilität, besserer Kraftstoffwirtschaftlichkeit und geringerer Emissionen. Ein Hauptvorteil einer strahlgeführte Kraftstoffeinspritzung nutzenden Brennkraftmaschine ist verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit, da die Brennkraftmaschine bei niedrigen bis mittleren Brennkraftmaschinenlasten und bei niedrigen bis mittleren Brennkraftmaschinendrehzahlen bei einem mageren Kraftstoff/Luft-Äquivalenzverhältnis arbeiten kann. Ein solcher Betrieb kann aber die Verbrennungsstabilität der Brennkraftmaschine beeinträchtigen.
Es hat sich gezeigt, dass verschiedene Ausgestaltungen von Kraftstoffeinspritzungs- und Zündungssystemen sowie Steuerstrategien Verbrennungsstabilität verbessern können, was zu verbesserter Kraftstoffwirtschaftlichkeit und geringeren Verbrennungsemissionen führt. Beispielhafte Verfahren umfassen: einen breiteren oder schmäleren Strahlkegel des Einspritzventils, eine höhere oder niedrigere Einspritzrate und eine Funkenstrecke, die sich innerhalb, am Rand oder außerhalb des Kraftstoffstrahlkegels befindet. Aktuelle Einspritz- und Zündstrategien, bei denen Kraftstoff vor der Zündung vollständig eingespritzt wird, leiden unter mangelhafter Verbrennungsstabilität, was zu einer Zunahme von Emissionen, Kraftstoffverbrauch und Rauch führen kann.
Es besteht Bedarf, eine verbesserte Strategie zum Lösen der vorstehend erwähnten Probleme vorzusehen.
Zusammenfassung der Erfindung
Daher werden nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer strahlgeführten fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung vorgesehen. Die Erfindung umfasst während eines Verbrennungszyklus das Einspritzen einer ersten Menge an Kraftstoff. Die Fremdzündung wird ausgelöst und eine Einspritzung einer zweiten Menge an Kraftstoff wird so gesteuert, dass sich ein durch die Fremdzündung erzeugter Flammenkern nach dem Auslösen der Fremdzündung während des Verbrennungszyklus ausbreitet.
Diese und andere Aspekte der Erfindung sind für den Fachmann bei Lesen und Verstehen der folgenden näheren Beschreibung der Ausführungsformen ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung kann in bestimmten Teilen und in der Anordnung von Teilen eine physikalische Form annehmen, wobei eine Ausführungsform derselben in den Begleitzeichnungen, die einen Teil hiervon bilden, näher beschrieben wird. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und
2–20 beispielhafte Datenkurven gemäß der vorliegenden Erfindung.
Eingehende Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung
Unter Bezug nun auf die Zeichnungen, bei denen die Figuren nur dem Zweck des Veranschaulichens der Erfindung und nicht dem Zweck des Beschränkens derselben dienen, zeigt 1 ein Schaubild einer Brennkraftmaschine 10 und eines Steuersystems 5, das nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform entwickelt wurde. Die beispielhafte Brennkraftmaschine umfasst eine strahlgeführte fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung (SIDI, kurz vom engl. Spark Ignition Direct Injection), die eine Brennraumgeometrie mit starker Quetschen nutzt, die in einer Verbrennungsschichtladungsbetriebsart arbeitet. Das Brennkraftmaschinensteuersystem dient zum Steuern von Kraftstoffeinspritzung durch schnelles Pulsieren von Einspritzventilen, wie nachstehend beschrieben wird. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung auf jede fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung anwendbar ist, die mit einer Schichtladung eines Kraftstoff/Luft- Gemisches arbeiten kann, und wie beschrieben zum Steuern von Kraftstoffeinspritzung dient.
Die vorliegende Erfindung umfasst eine Strategie der Einspritzung nach der Zündung, was es der beispielhaften Brennkraftmaschine mit strahlgeführter Einspritzfähigkeit ermöglicht, in einer mageren Betriebsart mit verbesserter Verbrennungsstabilität zu arbeiten. Daher ist die Einspritzung nach der Zündung für strahlgeführte Brennkraftmaschinen in den Bereichen bevorzugt, bei denen sie verglichen mit dem vollständig vorgemischten Brennkraftmaschinenbetrieb aus dem Arbeiten mit einem mageren Äquivalenzverhältnis einen Kraftstoffwirtschaftlichkeitsvorteil ziehen. Die beispielhafte Strategie der Einspritzung nach der Zündung umfasst das präzise Einspritzen einer kleinen Menge an Kraftstoff kurz nach Beginn der Zündung. Die vorliegende Erfindung ist auf eine strahlgeführte, fremdgezündete Viertakt-Mehrzylinderbrennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung anwendbar, die eine individuelle Zylinderkraftstoffsteuerung aufweist.
Unter erneutem Bezug auf 1 umfasst die beispielhafte Brennkraftmaschine mehrere Brennräume 20 veränderlichen Volumens, die jeweils durch einen in einem Brennkraftmaschinenblock 25 ausgebildeten Zylinder mit geschlossenem Ende festgelegt sind. Ein beweglicher Kolben 11 bildet mit den Wänden des Zylinders den Brennraum 20 veränderlichen Volumens aus. Eine drehbare Kurbelwelle 35 ist durch ein Pleuel mit jedem Kolben 11 verbunden, der sich in dem Zylinder während des laufenden Betriebs hin- und herbewegt. Ein Zylinderkopf 27 ist an dem Block 25 an einem Ende desselben distal der Kurbelwelle 35 dichtend angebracht und bildet mit den Zylinderwänden und dem Kolben 11 den Brennraum 20. Der Zylinderkopf 27 sieht eine Struktur für Einlasskanal 17, Auslasskanal 19, Einlassventil(e) 21, Auslassventil(e) 23, Zylinderkraftstoffein spritzventil 12 und Zündkerze 14 vor. Das Kraftstoffeinspritzventil 12 ist mit einem druckbeaufschlagten Kraftstoffzufuhrsystem fluidverbunden, um Kraftstoff aufzunehmen, und dient zum regelmäßigen direkten Einspritzen oder Sprühen von Kraftstoff in den Brennraum 20 während des laufenden Betriebs der Brennkraftmaschine. Eine Betätigung des Kraftstoffeinspritzventils 12 und anderer hierin beschriebener Aktoren wird durch ein elektronisches Brennkraftmaschinensteuermodul (,ECM', kurz vom engl. Engine Control Module), das ein Element des Steuersystems 5 ist, gesteuert. Die Zündkerze 14 umfasst eine bekannte Vorrichtung, die zum Zünden eines in dem Brennraum 20 gebildeten Kraftstoff/Luft-Gemisches dient. Die Zündkerze weist einen in den Brennraum eingeführten vorderen Teil auf, der eine Elektrode und eine Kathode mit einer dazwischen ausgebildeten Funkenstrecke umfasst. Das Kraftstoffeinspritzventil und die Zündkerzenspitze werden bevorzugt in relative Nähe zueinander angeordnet, so dass der eingespritzte Kraftstoff mit der Zündkerzenspitze in Wechselwirkung tritt. Ein von dem ECM gesteuertes Zündmodul steuert die Zündung durch Abgeben einer erforderlichen Menge elektrischer Energie über die Funkenstrecke zu geeigneten Zeitpunkten im Verhältnis zu den Verbrennungszyklen, was einen elektrischen Überschlag über die Strecke erzeugt. Der Einlasskanal 17 leitet Luft zu dem Brennraum 20. Das Strömen von Luft in den Brennraum 20 wird durch ein oder mehrere Einlassventile 21 gesteuert, die durch eine Ventilbetätigungsvorrichtung, beispielsweise eine (nicht dargestellte) Nockenwelle, in der Funktion gesteuert werden. Verbrannte Gase strömen von dem Brennraum 20 mittels des Auslasskanals 19, wobei das Strömen verbrannter Gase durch den Auslasskanal durch ein oder mehrere Auslassventile 23 gesteuert wird, die durch eine Ventilbetätigungsvorrichtung, beispielsweise eine (nicht dargestellte) zweite Nockenwelle, in der Funktion gesteuert werden. Spezifische Einzelheiten eines Steuerungsverfahrens zum Steuern des Öffnens und Schließens der Ventile werden nicht näher erläutert. Es versteht sich, dass verschiedene Brennkraftmaschinenkomponenten, einschließlich Ventilsteuermechanismen und -verfahren für variable Nockenwellenverstellung und variable Ventilbetätigung, in den Bereich der Erfindung fallen. Andere allgemein bekannte Aspekte von Brennkraftmaschinen- und Verbrennungssteuerung sind bekannt und werden hierin nicht näher erläutert. In mindestens einer Ausführungsform der Erfindung ist die Brennkraftmaschine dafür ausgelegt, eine Verwirbelung der Luft-Kraftstoff-Füllung in dem Zylinder zu erreichen. Dies kann mit solchen Systemen wie Wirbeleinspritzventilen oder durch Nutzen von Regelklappen zum Steuern des Einlassstroms durch eine von zwei Einlassventilöffnungen verwirklicht werden, wenn der Ansaugkrümmer der Brennkraftmaschine und der Zylinderkopf damit ausgestattet sind.
Das Kraftstoffeinspritzventil 12 umfasst bevorzugt eine piezoelektrische Kraftstoffeinspritzventilvorrichtung, die eine festgelegte Menge an Kraftstoff präzis dosieren und den Kraftstoff während eines schmalen Zeitfensters, bei dem sich das Wachstum eines Flammenkerns an der Funkenstrecke gerade zu beschleunigen beginnt, schnell in die Nähe der Funkenstrecke zuführen kann. Zu spätes oder zu langsames Zuführen des Kraftstoffs kann das anfängliche Wachstum des Flammenkerns behindern, was zu lokal magerer Verbrennung mit Verbrennungsinstabilität oder zu verzögerter Verbrennungslage führt. Zu frühes oder zu schnelles Zuführen von Kraftstoff kann den Flammenkern überwältigen, was zu lokal fetter Verbrennung mit Verbrennungsinstabilität und hohen Emissionen von Kohlenmonoxid und Rauch (Partikel) führt. Das bevorzugte Kraftstoffeinspritzventil weist einen hohen Einspritzdruck (20 MPa) auf, um die erforderliche Kraftstoffeinspritzrate und Zerstäubung des Strahls vorzusehen. Das Kraftstoffeinspritzventil öffnet und schließt bevorzugt wiederholt extrem schnell bei präzis gesteuerten Zeitpunkten und für extrem kurze Zeitspannen, um die erforderliche Kraftstoffmenge einzusprit zen. Das beispielhafte piezoelektrische Einspritzventil verändert die Einspritzrate durch Ändern der Größenordnung des Hubs des Einspritzventildüsenzapfens, ohne die Strahlqualität nachteilig zu beeinflussen. Zudem ermöglicht die Natur des schnellen Öffnens und Schließens des piezoelektrischen Einspritzventilsystems mehrere präzis gesteuerte Einspritzvorgänge, wobei jeder präzis über eine festgelegte Zeitspanne und zu einem festgelegten Zeitpunkt innerhalb des gleichen Brennkraftmaschinenzyklus zugeführt wird. Es sind mehrere Einspritzvorgänge in einem bestimmten Brennkraftmaschinenzyklus erforderlich, um eine Zufuhr des Großteils des Kraftstoffs zum Mischen mit Luft vor dem Zündvorgang zu erreichen, worauf der kurze Einspritzvorgang folgt, um die kleine Menge Kraftstoff nach dem Auslösen des Zündvorgangs genau und präzis zuzuführen.
Wie vorstehend beschrieben ist das ECM bevorzugt ein Element des gesamten Steuersystems 5, wobei es eine verteilte Steuermodularchitektur umfasst, die zum Vorsehen koordinierter Steuerung des Antriebstrangsystens dient. Die Steuerung des Antriebstrangsystems dient zum Steuern der Brennkraftmaschine, so dass sie die Drehmomentforderungen des Fahrers, einschließlich Leistung für den Antrieb und für den Betrieb verschiedener Nebenaggregate, erfüllt. Das ECM fasst relevante Informationen und Eingaben von Erfassungsvorrichtungen, einschließlich einem Kurbelsensor 31 und einem Abgassensor 40, zusammen und führt Algorithmen zum Steuern des Betriebs verschiedener Aktoren, z. B. des Kraftstoffeinspritzventils 12 und des Zündmoduls, aus, um Steuerziele, beispielsweise Parameter wie Kraftstoffwirtschaftlichkeit, Emissionen, Leistung, Fahrverhalten und Schutz von maschineller Ausstattung, zu erreichen. Das ECM ist bevorzugt ein Mehrzweck-Digitalrechner, der im Allgemeinen einen Mikroprozessor oder einen Hauptprozessor, Speichermedien mit Festwertspeicher (ROM), Arbeitsspeicher (RAM), elektrisch program mierbarem Festwertspeicher (EPROM), einem hochfrequenten Taktgeber, einer Umwandlungsschaltung von analog zu digital (A/D) und von digital zu analog (D/A) und Eingabe-/Ausgabeschaltung und -vorrichtungen (I/O) und einer geeigneten Signalaufbereitungs- und Pufferschaltung umfasst. Ein Satz von Steueralgorithmen mit speicherresidenten Programmbefehlen und Kalibrierungen ist als maschinell ausführbarer Code im ROM gespeichert und wird zum Vorsehen der jeweiligen Funktionen ausgeführt. Algorithmen werden typischerweise während vorgewählter Schleifendurchläufe ausgeführt, so dass jeder Algorithmus mindestens einmal pro Schleifendurchlauf ausgeführt wird. In den nicht flüchtigen Speichervorrichtungen gespeicherte Algorithmen werden durch den Hauptprozessor ausgeführt und dienen zum Überwachen von Eingaben von den Erfassungsvorrichtungen und zum Ausführen von Steuer- und Diagnoseroutinen, um den Betrieb der jeweiligen Vorrichtung zu steuern, wobei vorgewählte Kalibrierungen verwendet werden. Schleifendurchläufe werden typischerweise bei regelmäßigen Intervallen, zum Beispiel alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden, während laufenden Brennkraftmaschinen- und Fahrzeugbetriebs ausgeführt. Alternativ können Algorithmen als Reaktion auf das Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
Steuerung der beispielhaften Brennkraftmaschine
Die Erfindung umfasst das Betreiben der beispielhaften Brennkraftmaschine, einschließlich des Steuerns der Betätigung der beispielhaften Kraftstoffeinspritzventile 12, um die Verbrennung zu steuern. Der Brennkraftmaschinenbetrieb umfasst das Einspritzen einer ersten Menge an Kraftstoff in den Brennraum 20 durch ein- oder mehrmaliges Betätigen des Einspritzventils 12, bevorzugt vor dem Zünden der Zündkerze 14. Unmittelbar nach dem Zünden der Zündkerze 14 wird eine zweite Menge an Kraftstoff eingespritzt, die zum Ausbreiten des durch das Zünden der Zündkerze erzeugten Flammenkerns dient. Das Einspritzen der ersten Menge an Kraftstoff umfasst das zeitliche Steuern der Einspritzung des ersten Kraftstoffpulses bzw. der ersten Kraftstoffpulse, was zum Erreichen einer Erzeugung eines bevorzugten Kraftstoff/Luft-Gemisches in dem Brennraum dient. Das bevorzugte Kraftstoff/Luft-Gemisch umfasst typischerweise einen Kraftstoffpuls ausreichender Masse zum Antreiben der Brennkraftmaschine, um die Drehmomentforderungen des Fahrers abgeglichen mit Brennkraftmaschinenbetrieb, der Auflagen bezüglich Emissionen und Rauch sowie Verbrennungsstabilität erfüllt, zu erfüllen. Das Zünden der Zündkerze umfasst bevorzugt das zeitliche Steuern der Zündkerzenzündung, um bei den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine ein mittleres bestes Drehmoment (MBT, kurz vom engl. Mean Best Torque) der Brennkraftmaschine zu erreichen. Die Zündsteuerung für MBT wird typischerweise beruhend auf einer vorgegebenen Brennkraftmaschinenkalibrierung ermittelt, die Faktoren in Verbindung mit Brennkraftmaschinendrehzahl und -last, Kühlmitteltemperatur, AGR-Anteil und andere Betriebsfaktoren der Brennkraftmaschine berücksichtigt. Wenn alternativ die Brennkraftmaschine zunächst nach einem Kaltstart arbeitet, können die Zündsteuerzeiten von dem MBT-Punkt auf spät verstellt werden, um die einer Abgasnachbehandlungsanlage übermittelte Wärmeenergie zu maximieren, was ein schnelles Aufwärmen und Anspringen von Komponenten der Abgasnachbehandlungsanlage bewirkt. Die zweite Einspritzung, die zum Ausbreiten des Flammenkerns dient, wird präzis gesteuert, so dass eine relativ kleine Kraftstoffmasse, z. B. in dem Bereich von 1,0–2,5 Milligramm (mg), nach einer verstrichenen Zeit von 100 bis 300 Millisekunden (ms) nach dem Auslösen der Zündung der Zündkerze in den Brennraum eingespritzt wird. Die hierin beschriebenen mehreren Kraftstoffeinspritzungen werden bevorzugt während Betriebsbedingungen niedriger bis mittlerer Last der Brennkraftmaschine ausgeführt.
Das Einspritzen der kleinen Menge Kraftstoff unmittelbar nach dem Auslösen des Zündvorgangs verbessert die Wiederholbarkeit und Robustheit einer frühen Entwicklung des Flammenkerns in der beispielhaften strahlgeführten fremdgezündeten Benzinbrennkraftmaschine mit Direkteinspritzung wesentlich. Der beschriebene Einspritzvorgang verbessert während der frühen Phasen des Verbrennungsprozesses die Bedingungen des Kraftstoff/Luft-Gemisches an der Stelle der Funkenstrecke. Dies verbessert wiederum insgesamt die Wiederholbarkeit und die Robustheit des gesamten Verbrennungsprozesses, was gemessen durch Parameter wie Variationskoeffizient des indizierten effektiven Mitteldrucks (COV-IMEP, kurz vom engl. Coefficient Of Variation Of Indicated Mean Effective Pressure) zu einem gleichmäßigen, einheitlichen Brennkraftmaschinenbetrieb führt, wie unter Bezug auf 3 dargestellt wird. Zudem koppelt das Einspritzen der zweiten, kleinen Kraftstoffmenge nach dem Start des Zündprozesses die Kraftstoffeinspritz- und Zündvorgänge der beispielhaften strahlgeführten fremdgezündeten Benzinbrennkraftmaschine mit Direkteinspritzung ab. Das Abkoppeln der Einspritz- und Zündvorgänge in dieser Weise ermöglicht das zeitliche Steuern der Einspritzvorgänge vor der Zündung, um ein Erzeugen eines optimalen Kraftstoff- und Luftgemisches zu erhalten, während gleichzeitig das zeitliche Steuern des Zündvorgangs ermöglicht wird, um eine optimale Verbrennungslage zum Erfüllen der Drehmomentforderungen des Fahrers und anderer Betriebsforderungen der Brennkraftmaschine zu erhalten. Diese Maßnahme maximiert Kraftstoffwirtschaftlichkeit und minimiert die Verbrennungsemissionen des Brennkraftmaschinenbetriebs.
Die bevorzugte Strategie der Einspritzung nach der Zündung bietet Vorteile bezüglich Emissionen und Kraftstoffwirtschaftlichkeit in Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine, die einen Bereich leichter bis mittlerer Last der Brennkraftmaschine und Bereiche niedriger bis mittlerer Drehzahlen der Brennkraftmaschine mit Betriebsbereichen umfassen, in denen die Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung in einer Schichtladungsbetriebsart betrieben wird. Bei der Schichtladungsbetriebsart liegen die Steuerzeiten der Kraftstoffeinspritzung spät im Brennkraftmaschinenzyklus, kurz bevor der Fremdzündungsvorgang ausgelöst wird. Der bevorzugte Schichtladungsbetriebsbereich für die Ausführungsform umfasst einen durch effektiven Nettomitteldruck (NMEP, kurz vom engl. Net Mean Effective Pressure) von weniger als etwa 580 kPa angezeigten Bereich und eine Brennkraftmaschinendrehzahl von unter etwa 3.600 U/min., wie auf dem in 4 dargestellten Brennkraftmaschinenkennfeld gezeigt wird, das als typisch für strahlgeführte Brennkraftmaschinen gilt. Zum Beurteilen der Wirksamkeit der beispielhaften Strategie der Einspritzung nach der Zündung wird die Arbeitsweise der Strategie der Einspritzung nach der Zündung bevorzugt durch mehrere verschiedene Arten von Tests beurteilt, die während des Betriebs innerhalb des Schichtladungsbetriebsbereichs der Brennkraftmaschine ausgeführt werden.
Der erste Beurteilungstest umfasst fünf Drehzahl- und Kraftstoffzufuhr-Betriebstestpunkte, die in 4 als Punkte dargestellt sind und umfassen: 1.000 U/min., niedrige Brennkraftmaschinenlast; 1.000 U/min., hohe Brennkraftmaschinenlast; 2.000 U/min., mittlere Brennkraftmaschinenlast; 3.000 U/min., niedrige Brennkraftmaschinenlast und 3.000 U/min., hohe Brennkraftmaschinenlast. Drei der Punkte liegen entlang einer typischen Fahrbetriebkurve der beispielhaften Brennkraftmaschine und umfassen typische Lasten und Drehzahlen, die die Brennkraftmaschine bei Betreiben des Fahrzeugs über flachem, ebenen Boden bei unterschiedlichen Brennkraftmaschinendrehzahlen erfährt. Diese drei Testpunkte werden durch drei Testpunkte von 4 angezeigt, die über das Kurvenbild von unten links nach oben rechts im Kurvenbild streichen. Der vierte Punkt umfasst den Betrieb bei niedriger Brennkraftmaschinen drehzahl und hoher Brennkraftmaschinenlast, was einen stark beschleunigenden Zustand anzeigt, z. B. das Fahren einen Hügel hinauf. Der fünfte Betriebspunkt umfasst einen Betriebspunkt hoher Brennkraftmaschinendrehzahl und leichter Brennkraftmaschinenlast, was einen Schiebebetriebzustand anzeigt, z. B. das das Fahren im Leerlauf einen Hügel hinunter. Zusätzlich zu diesen fünf Testpunkten wurden ein Drehzahlansatz (d. h. Betreiben der Brennkraftmaschine bei einer konstanten Kraftstoffzufuhrrate während einer Bedingung mittlerer Brennkraftmaschinenlast) und ein Kraftstoffzufuhrratenansatz (d. h. Betreiben der Brennkraftmaschine bei einer konstanten Brennkraftmaschinendrehzahl von 2.000 U/min.) durchgeführt, was durch die durchgehende Linie der konstanten Drehzahl und die durchgehende Linie der konstanten Last angezeigt wird, die in 4 dargestellt sind. Alle Testbedingungen liegen bei einem ausreichend hohen Abgasrückführungswert (AGR), so dass ein Emissionsindex von Stickstoffoxiden (EINOx) kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist.
Die Strategie der Einspritzung nach der Zündung ist während einer Startbedingung mit kalter Brennkraftmaschine anwendbar, da sie ein ausreichendes Verstellen der Zündsteuerzeiten in Richtung spät ermöglicht, um die dem Katalysator oder anderen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen übermittelte Wärmeenergie zu maximieren, was ein schnelles Aufwärmen und Anspringen der verschiedenen Nachbehandlungskomponenten erlaubt.
Die Steuerzeiten der Einspritzung und Zündung, die für die Strategie der Einspritzung nach der Zündung an jedem dieser fünf Testpunkte verwendet werden, werden in 5 dargestellt. In diesem Diagramm ist das Einsetzen des Zündvorgangs durch einen Stern markiert und das Öffnen und Schließen des Einspritzventils ist durch die die Einspritzventilpulse dar stellenden Linien markiert. An jedem Drehzahl-/Lastbetriebspunkt wurden etwa 2 mg Kraftstoff etwa 200 Millisekunden nach dem Start der Zündung eingespritzt. Die Zündsteuerzeiten wurden optimiert, um die beste Gesamtverbrennungslage mit der besten Kraftstoffwirtschaftlichkeit und den niedrigsten Emissionen zu erhalten, d. h. bei mittlerem besten Drehmoment, und die Einspritzpulsstrategie vor dem Zündvorgang wurde optimiert, um die beste Gemischerzeugung zu erhalten, was zu den niedrigen Kohlenmonoxid- und Rauchemissionen führt. Es wurde ein einzelner Einspritzpuls vor Zündung bei niedrigen Brennkraftmaschinenlasten verwendet. Zwei Einspritzpulse wurden vor der Zündung verwendet, um den Kraftstoff und die Luft vor der Zündung bei dem Zustand hoher Drehzahl und hoher Brennkraftmaschinenlast besser zu mischen.
Ergebnisse der Brennkraftmaschinensteuerung
Unter Bezug nun auf 2 werden Äquivalenzverhältnisse von Kraftstoff/Luft nahe der Funkenstrecke als Funktion von Brennkraftmaschinenkurbelwinkel für Einspritzungen mit Einzel- und Doppelpuls aufgetragen. Bei dem Vorgang einer Einzelpulseinspritzung wird das Äquivalenzverhältnis von Kraftstoff/Luft an der Funkenstrecke schnell mager, wie durch die als durchgehende Linie dargestellte Kurve gezeigt wird. Die Doppelpulseinspritzung dient zum Halten des Äquivalenzverhältnisses an der Funkenstrecke bei oder über einem Äquivalenzverhältnis von Kraftstoff/Luft von 1,0, d. h. bei Stöchiometrie oder unterstöchiometrisch, was für eine vollständige Verbrennung förderlicher ist.
Unter Bezug nun auf 3 werden beispielhafte Ergebnisse, die Verbrennungsstabilität, gemessen in COV-IMEP unter unterschiedlichen Kraftstoffeinspritzpulsbedingungen zeigen, über einem Bereich von auf früh verstellten Fremdzündungswerten dargestellt. Die beispielhaften Ergeb nisse wurden durch Betreiben der beispielhaften Brennkraftmaschine bei 2.000 U/min. bei einer mittleren Brennkraftmaschinenlast erhalten. Die Verbrennungsrobustheit wird wesentlich verbessert, wenn die Steuerzeit für den zweiten Einspritzpuls so festgelegt wird, dass der Kraftstoffstrahl von dem zweiten Einspritzpuls nach der Zündung und gleichzeitig mit der beginnenden Beschleunigung des Flammenkernwachstums an der Funkenstrecke anzukommen beginnt. Die zweite Einspritzung, die nach dem der Start der Zündung erfolgt, verbessert die Verbrennungsstabilität und vergrößert den Bereich der Zündsteuerzeiten, über dem eine verbesserte Verbrennungsstabilität erhalten wird. Um optimales Mischen von Kraftstoff und Luft zum Zeitpunkt der Zündung zu erzielen, was zu verbesserter Robustheit der Zündung führt, sind bei höheren Brennkraftmaschinenlasten wahrscheinlich mehr Einspritzpulse vor der Zündung erforderlich. Zudem sind bei höheren Brennkraftmaschinenlasten verglichen mit niedrigen Brennkraftmaschinenlasten höhere Einspritzraten erforderlich. Zum Verbessern des Mischens von Kraftstoff und Luft und der Zündrobustheit ist wahrscheinlich weiterhin ein ausreichend hoher Wert an Brennraumverwirbelung erforderlich, um den Kurbelwinkelbereich auszuweiten, während dessen eine zuverlässige Zündung erfolgt. Die unter Bezug auf 3 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass eine Zunahme der Verwirbelung von einem Mindestwert zu einem Pegel mittlerer Verwirbelung zu einer weiteren Verbesserung der Verbrennungsstabilität (COV-IMEP) und zu dem Bereich der Zündsteuerzeiten, über dem die verbesserte Verbrennungsstabilität erhalten wird, führte.
Unter Bezug nun Auf 6 werden die Verbrennungsstabilitätsergebnisse für die Strategie der Einspritzung nach der Zündung verglichen mit der herkömmlichen Einzelpulseinspritzung gemessen als COV-IMEP dargestellt. Ein niedriger Wert für COV-IMEP zeigt verglichen mit einem höheren Wert für COV-IMEP eine gleichmäßiger arbeitende Brennkraftmaschi ne. Die ausgeführte Strategie der Einspritzung nach der Zündung verbesserte die Verbrennungsstabilität an jedem der fünf Testpunkte erheblich.
Unter Bezug nun auf 7 und 8 verbessert sich die Verbrennungsstabilität für den Kraftstoffratenansatz bei konstanter Brennkraftmaschinendrehzahl und für die Brennkraftmaschinendrehzahlansätze bei konstanter Kraftstoffzufuhrrate. Die Strategie der Doppelpulseinspritzung (d. h. ein Puls vor der Zündung und ein Puls nach der Zündung) erweist sich als optimal, wenn die Brennkraftmaschine bei einer Brennkraftmaschinendrehzahl von 2.000 U/min. betrieben wird, wobei der in 7 dargestellte Kraftstoffzufuhrratenansatz verwendet wird. Analog ist bei dem Betriebspunkt mittlerer Brennkraftmaschinenlast bei dem in 8 dargestellten Brennkraftmaschinendrehzahlansatz die Strategie der Doppelpulseinspritzung (d. h. ein Einspritzpuls vor der Zündung und ein Einspritzpuls nach der Zündung) optimal. Über dem gesamten Bereich an Brennkraftmaschinendrehzahlen/-lasten innerhalb der Schichtladungsbetriebsart der beispielhaften Brennkraftmaschine sieht die Strategie der Einspritzung nach der Zündung gemessen durch COV-IMEP den stabilsten und gleichmäßigsten Brennkraftmaschinenbetrieb vor.
Unter Bezug nun auf 9 ermöglicht die verbesserte Verbrennungsstabilität der Strategie der Einspritzung nach der Zündung ein geringfügiges Verstellen in Richtung spät, so dass sie optimal synchronisiert ist. Dies führt zu verbesserter Kraftstoffwirtschaftlichkeit und verminderten Emissionen. Es werden die Kraftstoffverbrauchsraten der Brennkraftmaschine gemessen in spezifischem Nettokraftstoffverbrauch (NSFC, kurz vom engl. Net Specific Fuel Consumption) in g/kW-Std. an den fünf Testpunkten dargestellt. In jedem Fall ist die Kraftstoffverbrauchsrate für die dargestellte Strategie der Einspritzung nach der Zündung verglichen mit der dargestellten Standardeinspritzstrategie verbessert. Die Kraftstoff verbrauchsrate wird durch die Einspritzung nach der Zündung für die Kraftstoffzufuhrratenansätze bei konstanter Brennkraftmaschinendrehzahl über einer sich verändernden Brennkraftmaschinenlast (NMEP) und für die Brennkraftmaschinendrehzahlansätze bei konstanter Kraftstoffzufuhrrate, wie sie in 10 und 11 gezeigt werden, verbessert. Für jeden dieser Ansätze ist die Strategie der Dopppelpulseinspritzung (d. h. ein Puls vor der Zündung und ein Puls nach der Zündung) über dem Großteil des Bereichs optimal. Die Ergebnisse von 10 weisen nach, dass bei hohen Brennkraftmaschinenlasten eine Strategie der Dreifachpulseinspritzung (d. h. zwei Pulse vor der Zündung und ein Puls nach der Zündung) optimal ist. Somit führt die Strategie der Einspritzung nach der Zündung über dem gesamten Drehzahl- und Lastbereich der Brennkraftmaschine innerhalb der Schichtladungsbetriebsart der Brennkraftmaschine verglichen mit der standardmäßigen Strategie des Einzeleinspritzpulses vor der Zündung zu einer niedrigeren Kraftstoffverbrauchsrate.
Unter Bezug nun auf 12, 13 und 14 zeigen Ergebnisse, dass die Kohlenwasserstoffemissionen (EIHC) für die Strategie der Einspritzung nach der Zündung gegenüber der standardmäßigen Strategie der Einspritzung vor der Zündung über dem gesamten Drehzahl- und Lastbereich der Brennkraftmaschine innerhalb der Schichtladungsbetriebsart der beispielhaften Brennkraftmaschine verbessert sind. Die geringeren Kohlenwasserstoffemissionen ergeben sich aus verbesserter Verbrennungsstabilität der Strategie der Einspritzung nach der Zündung, da Fehlzündungszyklen der Brennkraftmaschine wahrscheinlich reduziert oder beseitigt werden und jeder Zyklus wahrscheinlich bei einem höheren Prozentsatz des eingespritzten Kraftstoffs verbrennt.
Kohlenmonoxidemissionen sind ein Indiz für die Gemischerzeugung, d. h. wie gut Kraftstoff und Luft vor der Verbrennung gemischt sind. Die Ver brennung, die nahe einem optimalen Äquivalenzverhältnis erfolgt, führt typischerweise zu minimalen Kohlenmonoxidemissionen. Die Verbrennung, die bei einem entweder zu fetten oder zu mageren Äquivalenzverhältnis erfolgt, führt zu höheren Kohlenmonoxidemissionen. Die niedrigeren Kohlenmonoxidemissionswerte für die in 15 gezeigten fünf Testpunkte und für die in 16 und 17 dargestellten Ergebnisse von Brennkraftmaschinenlast- und Brennkraftmaschinendrehzahlansatz zeigen, dass die Strategie der Einspritzung nach der Zündung verglichen mit dem anderen System eine verbesserte Gemischerzeugung aufweist und zu Verbrennung nahe dem optimalen Äquivalenzverhältnis führt.
Die Zeitsteuerung des letzten Einspritzpulses für die Strategie der Einspritzung nach der Zündung ist ausschlaggebend. Wenn der letzte Puls zu bald nach der Zündung erfolgt, überwältigt der Kraftstoffstrahl den sich entwickelnden Flammenkern, was zu fetter Verbrennung und wesentlich mehr Emissionen von Rauch (d. h. Partikel oder PM) führt. Ein überwältigter Flammenkern führt auch zu höheren Kohlenmonoxidemissionen. Die Ergebnisse von 18 weisen nach, dass eine ordnungsgemäß zeitgesteuerte Strategie der Einspritzung nach Zündung PM-Emissionen überall außer am Testpunkt schwerer Last und hoher Drehzahl beseitigt. Die Ergebnisse von 19 und 20 zeigen, dass verglichen mit der standardmäßigen Strategie der Einspritzung vor der Zündung PM-Emissionen innerhalb der Schichtladungsbetriebsart der Brennkraftmaschine bei der Strategie der Einspritzung nach der Zündung über dem Drehzahl/Last-Betriebsbereich der Brennkraftmaschine reduziert werden. Die Ergebnisse von 19 zeigen weiterhin, dass bei hohen Brennkraftmaschinenlasten mit der Strategie der Einspritzung nach der Zündung zwei Einspritzpulse vor der Zündung ein vollständigeres Mischen des Kraftstoffs und der Luft erlauben, was ein Erfolgen von Verbrennung bei einem optimaleren Äquivalenzverhältnis ermöglicht und zu verminderten PM-Emissionen führt.
Die bei der unter Bezug auf 20 gezeigten Kurve der Dreifachpulseinspritzung (zwei Pulse vor der Zündung und ein Puls nach der Zündung) gezeigten höheren PM-Emissionen sind wahrscheinlich die Folge von ungenügender Zeit nach der Zündung vor dem letzten Einspritzpuls. Andere (nicht dargestellte) Tests weisen nach, dass durch Verstellen des letzten Einspritzpulses in Richtung spät im Verhältnis zu den Zündsteuerzeiten bei diesen Bedingungen Rauch wesentlich reduziert wird.
Die Erfindung wurde unter speziellem Bezug auf die Ausführungsformen und Abwandlungen derselben beschrieben. Die spezifischen Einzelheiten der Steuerungsabläufe und der zugeordneten Ergebnisse, die hierin beschrieben werden, veranschaulichen die in den Ansprüchen dargelegte Erfindung. Weitere Abwandlungen und Änderungen können für andere bei Lesen und Verstehen der Beschreibung nahe liegen. Sie soll alle diese Abwandlungen und Änderungen umfassen, sofern sie in den Schutzumfang der Erfindung fallen.
Zusammenfassung
Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer strahlgeführten fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung vorgesehen. Die Erfindung umfasst das Einspritzen einer ersten Menge an Kraftstoff während eines Verbrennungszyklus. Die Fremdzündung wird ausgelöst und nach der Auslösung der Fremdzündung wird während des Verbrennungszyklus eine Einspritzung einer zweiten Menge an Kraftstoff gesteuert, um einen durch die Fremdzündung erzeugten Flammenkern auszubreiten.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer strahlgeführten fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung umfassend: Einspritzen einer ersten Menge an Kraftstoff während eines Verbrennungszyklus; Auslösen der Fremdzündung; Steuern der Einspritzung einer zweiten Menge an Kraftstoff während des Verbrennungszyklus, die zum Ausbreiten eines durch Auslösen der Fremdzündung erzeugten Flammenkerns dient.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Einspritzen der ersten Menge an Kraftstoff vor dem Auslösen der Fremdzündung.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Einspritzen der ersten Menge an Kraftstoff das zeitliche Steuern des Pulses der Einspritzung der ersten Menge an Kraftstoff umfasst, um eine Erzeugung eines bevorzugten Kraftstoff/Luft-Gemisches zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Einspritzen der ersten Menge an Kraftstoff weiterhin das Einspritzen einer Masse an Kraftstoff umfasst, die zum Betreiben der Brennkraftmaschine dient, um eine Drehmomentforderung des Fahrers im Wesentlichen zu erfüllen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Einspritzen der ersten Menge an Kraftstoff weiterhin das Ausführen mehrerer Kraftstoffeinspritzpulse umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, weiterhin umfassend: das Steuern der Steuerzeit zum Auslösen der Fremdzündung, um eine optimale Brennkraftmaschinenleistung zu erreichen, die beruhend auf Verbrennungsänderung und einer Drehmomentforderung des Fahrers ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, weiterhin umfassend: Steuern der Steuerzeit des Auslösens der Fremdzündung, um eine Erwärmung einer Abgasnachbehandlungsanlage stromabwärts der Brennkraftmaschine zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Auslösen der Fremdzündung weiterhin das Steuern der Steuerzeit des Auslösens der Fremdzündung umfasst, um eine optimale Arbeit der Brennkraftmaschine zu erreichen, die beruhend auf Verbrennungsänderung und einer Drehmomentforderung des Fahrers ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Steuern der Einspritzung der zweiten Menge an Kraftstoff während des Verbrennungszyklus zum Ausbreiten des durch Auslösen der Fremdzündung erzeugten Flammenkerns das Steuern der Steuerzeit der zweiten Einspritzung im Verhältnis zum Auslösen der Fremdzündung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin umfassend: Steuern der Steuerzeit der zweiten Einspritzung, so dass sie in einem Bereich von 100 bis 300 Millisekunden nach Auslösen der Fremdzündung liegt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Steuern der Einspritzung der zweiten Menge an Kraftstoff weiterhin das so geartete Steuern der Masse der zweiten Einspritzung umfasst, dass sie eine Menge innerhalb eines Bereichs von 1,0 bis 2,5 Milligramm Kraftstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Ausführen der zweiten Einspritzung nur während des Betriebs der Brennkraftmaschine in einem Bereich niedriger bis mittlerer Last.
Verfahren zum Minimieren von Verbrennungsänderung einer strahlgeführten fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung, welches die folgenden Schritte in der dargelegten Reihenfolge umfasst: Einspritzen einer ersten Menge an Kraftstoff während eines Verbrennungszyklus; Auslösen der Fremdzündung; Steuern der Einspritzung einer zweiten Menge an Kraftstoff während des Verbrennungszyklus, um einen durch Auslösen der Fremdzündung erzeugten Flammenkern auszubreiten.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Einspritzen der ersten Menge an Kraftstoff umfasst: zeitliches Steuern der Einspritzung mindestens eines Kraftstoffpulses, um eine Erzeugung eines bevorzugten Kraftstoff/Luft-Gemisches zu erreichen; und Einspritzen einer Masse an Kraftstoff, um die Brennkraftmaschine so anzutreiben, dass sie eine Drehmomentforderung des Fahrers im Wesentlichen erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend: Steuern der Steuerzeit des Auslösens der Fremdzündung, um ein mittleres bestes Drehmoment der Brennkraftmaschine zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend: Herbeiführen einer zylinderinternen Verwirbelung in dem Brennraum.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Steuern der Einspritzung der zweiten Menge an Kraftstoff weiterhin umfasst: Steuern der Steuerzeit der zweiten Einspritzung im Verhältnis zum Auslösen der Fremdzündung innerhalb eines Bereichs von 100 bis 300 Millisekunden nach Auslösen der Fremdzündung und so geartetes Steuern der Masse der zweiten Einspritzung, dass sie eine Menge innerhalb eines Bereichs von 1,0 bis 2,5 Milligramm Kraftstoff ist.
Verfahren zum Steuern der Fremdzündungssteuerzeit unabhängig von der Kraftstoffeinspritzsteuerzeit bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung während jedes Verbrennungszyklus, umfassend: Einspritzen einer ersten Menge an Kraftstoff zu einem optimalen Zeitpunkt für die Erzeugung des Kraftstoff/Luft-Gemisches; Auslösen von Fremdzündung bei einer Verstellung der Zündung in Richtung früh, um eine Brennkraftmaschinenleistung zu erreichen, die beruhend auf Brennkraftmaschinendrehmoment und Verbrennungsänderung optimiert ist; und Einspritzen einer zweiten Menge an Kraftstoff, um einen durch Auslösen der Fremdzündung der Verbrennungsladung, die sich aus dem Einspritzen der ersten Menge an Kraftstoff ergibt, erzeugten Flammenkern auszubreiten.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Einspritzen der ersten Menge an Kraftstoff bei einem optimalen Zeitpunkt für die Erzeugung des Kraftstoff/Luft-Gemisches umfasst: Einspritzen der ersten Menge an Kraftstoff, um Kohlenmonoxid- und Rauchemissionen zu minimieren.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Einspritzen der zweiten Menge an Kraftstoff weiterhin umfasst: Steuern der Steuerzeit der zweiten Kraftstoffeinspritzung, so dass sie innerhalb eines Bereichs von etwa 100 bis 300 Millisekunden nach Auslösen der Fremdzündung beginnt, und Steuern der Masse der zweiten Kraftstoffeinspritzung, so dass sie eine von etwa 1,0 bis etwa 2,5 Milligramm Kraftstoff reichende Menge ist.
Fertigungserzeugnis mit einem Speichermedium, das einen darin codieren maschinell ausführbaren Code zum Steuern des Betriebs einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirektein spritzung aufweist, um eine Verbrennungsänderung zu minimieren, wobei der Code umfasst: Code zum Einspritzen einer ersten Menge an Kraftstoff während eines Verbrennungszyklus; Code zum Auslösen und Steuern der Fremdzündung; Code zum Steuern der Einspritzung einer zweiten Menge an Kraftstoff während des Verbrennungszyklus, um einen durch Auslösen der Fremdzündung erzeugten Flammenkern auszubreiten.