DE19646652C1

DE19646652C1 - Verfahren zum Betreiben einer selbstzündenden Diesel-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19646652C1
Application number: DE19646652A
Authority: DE
Inventors: Wolf Dr Ing Boll
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1996-11-12
Filing date: 1996-11-12
Publication date: 1998-05-14
Anticipated expiration: 2016-11-13

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer selbstzündenden Diesel-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE 37 20 544 C2 geht ein Verfahren zum Steuern der Kraftstoffeinspritzung für eine Diesel-Brennkraftmaschine mit zylinderspezifischer Einspritzung hervor. Die pro Arbeits spiel eingespritzte Kraftstoffmenge kann demnach dem Zylinder in einer Piloteinspritzung und einer Haupteinspritzung zuge messen werden, wodurch das dieselspezifische Betriebsverhal ten der Maschine verbessert werden soll, welches durch die verzögerte Selbstzündung des Kraftstoffes bedingt ist. Die Startzeit und die Schlußzeit der Piloteinspritzung werden in bezug auf die optimale anteilige Kraftstoffmenge der Pilotin jektion in Abhängigkeit der Arbeitsbedingungen der Maschine berechnet, ebenso eine betriebspunktspezifische Zeitperiode bis zum Einsetzen der Haupteinspritzung. Die Summe der Kraft stoffmenge für die Hauptinjektion und der Kraftstoffmenge für die Pilotinjektion ist die Kraftstoffmenge, die für einen Zyklus des Zylinders benötigt wird, und der bei den Arbeits bedingungen des Motors optimale Wert der Summe wird aus einem ROM-Datenspeicher gelesen.

Selbstzündende Diesel-Brennkraftmaschinen erhalten beim Start eine Kraftstoffmenge, die weit über der Vollastmenge liegt.

Bei kalter Brennkraftmaschine entsteht dadurch ein Weißrauch stoß, der unangenehm riecht. Bei warmer Brennkraftmaschine entsteht ein Rußstoß, der eine deutliche Schwarzfärbung der Auspuffgase bedingt. Letzteres ist insbesondere bei sich häufiger wiederholenden Startvorgängen mit warmer Maschine unerwünscht, und teilweise auch unzulässig. Da bei warmer Maschine zur Sicherung des Startvorganges die Einspritzung von Kraftstoffmengen im Bereich der beim Start einer kalten Maschine erforderlichen Startkraftstoffmenge aber nicht nötig ist, ist es bekannt, für die Startphase eine Startmengensteuerung vorzusehen, die entsprechend den Motor- und Umgebungstemperaturen lediglich eine für Start- und Hochlauf des Motors erforderliche Einspritzmenge freigibt, wobei nach Überschreiten einer definierten Drehzahl ein Leerlaufregler die Motorregelung übernimmt und die Motordrehzahl auf einen Wert stabilisiert, der in Ab hängigkeit von der Kühlmitteltemperatur des Motors vorgegeben ist. (MTZ Motortechnische Zeitschrift 49 (1988) S 38)

Durch die vorgeschilderte Motorregelung wird zwar eine Kraft stoffmengenanpassung vorgenommen, eine besondere Berücksichtigung der in der Startphase teilweise sehr geringen Drehzahlen und der dadurch bedingten Veränderungen in der zylinderinternen Gemischbildung und des dadurch bedingten Verbrennungsablaufes erfolgt aber nicht. Eine gewisse Rußbildung ist deshalb in der Startphase noch vorhanden.

Durch die Erfindung soll eine solche Rußbildung in der Start phase weiter herabgesetzt bzw. völlig vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.

Die Erfindung geht dabei davon aus, daß beim Starten die Luft im Zylinder zunächst ruht und über der Anlaufphase, vor allem während der ersten Arbeitstakte, entsprechend den niedrigen Drehzahlen, sehr viel weniger bewegt ist als im normalen Ar beitsbetrieb bei normalen Arbeitsdrehzahlen. Das Einspritzen eines Kraftstoffstrahles in nahezu ruhende Luft - wenn über einen Zeitabstand eingespritzt wird, innerhalb dessen bereits eine Zündung stattgefunden hat, und deshalb der nachfolgende Kraftstoff in die sich entzündende Flamme hineingespritzt wird - begünstigt aber die Rußbildung, weil in der sauerstoffverarmten Umgebung keine vollständige Verbrennung mehr stattfinden kann.

Hier setzt die Erfindung an, gemäß der die für den jeweiligen Arbeitstakt direkt in den Zylinder eingespritzte Kraftstoff menge in mehrere aufeinanderfolgende Spritzvorgänge aufge gliedert ist, so daß - als Folge der Luftbewegung - quasi für jeden der aufeinander folgenden Teilstrahlen eine gewisse, eigenständige Luftmenge zur Verfügung steht und die aus der Einspritzung eines ersten Teilstrahles resultierende Flammfront durch eine Luftbarriere gegenüber dem nachfolgenden Bereich abgegrenzt ist, in den der nachfolgende Teilstrahl eingespritzt wird. Für die aufeinanderfolgenden Arbeitstakte sind die Abstände zwischen den einzelnen Spritzvorgängen, gemessen über Grad Kurbelwinkel, in ihrem Winkelabstand dabei etwa gleich, und folgen damit bei steigender Drehzahl in zeitlich kürzeren Abständen aufeinander, so daß der über der Zeit beim Anlaufen des Motors wachsenden Luftbewegung Rechnung getragen wird und für die einzelnen Arbeitstakte die Verbrennungsverhältnisse somit vergleichbar bleiben.

Als zweckmäßig erweist es sich, den Winkelabstand für aufeinanderfolgende Spritzvorgänge innerhalb eines jeweiligen Arbeitstaktes mit zunehmender Entflammung zu verlängern, damit trotz der Verdrängerwirkung der Flammfront noch ausreichend Frischluft mitgerissen wird.

Eine Veränderung der zwischen den aufeinanderfolgenden Spritzvorgängen eines Arbeitstaktes liegenden Zeitabstände (Austaktzeiten) von Arbeitstakt zu Arbeitstakt ist im Regelfall nicht erforderlich. In Anpassung an die mit zunehmender Motordrehzahl sich verstärkende Luftbewegung, insbesondere den sich verstärkenden Luftdrall kann es aber zweckmäßig sein, diese Zeitabstände zu verringern, wobei entsprechend den kleinen Winkelbereichen, über die die jeweiligen Spritzvorgänge sich erstrecken, die diesbezüglichen Anpassungen in verhältnismäßig engen Grenzen liegen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es bei einer kalten Brennkraftmaschine entsprechend dem großen Zündverzug für die ersten Spritzvorgänge zweckmäßig sein, deren Einspritzzeitpunkte nach früh zu verlegen und/oder die Austaktzeiten zwischen den Spritzvorgängen eines Arbeitstaktes gezielt zu vergrößern.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert, wobei

Fig. 1 aufgetragen über der Zeit (t,) den zunehmenden Winkelversatz (Φ) der Einspritzzeitpunkte gegenüber der oberen Totpunktstellung (OT) - gemessen in Grad Kurbelwinkel (°KW) für in der Einspritz folge aufeinanderfolgende Zylinder und bezogen auf eine vierzylindrige Brennkraftmaschine - für die entsprechenden Arbeitstakte in der Startphase zeigt, beginnend mit dem 1. Arbeitstakt eines vollen, vier Arbeitstakte umfassenden Arbeitsspieles,

Fig. 2 den zeitlichen Versatz der einzelnen Spritzvorgänge innerhalb eines Arbeitstaktes veranschaulicht, durch Auftrag der Einspritzmenge (m) pro Spritzvorgang über Grad Kurbelwinkel (°KW), und

Fig. 3 verdeutlicht, daß die Zeit pro Grad Kurbelwinkel (t/°KW) mit zunehmender Drehzahl abnimmt, also der zeitliche Abstand zwischen einzelnen Spritzvorgängen trotz gleichbleibender Winkelabstände mit zunehmender Drehzahl kleiner wird.

Fig. 1 geht davon aus, daß die momentane Drehzahl der Brenn kraftmaschine in der Startphase für aufeinanderfolgende Arbeitstakte höher wird, die Brennkraftmaschine bezogen auf den Zeitpunkt der jeweiligen Arbeitstakte mit steigender Taktfolge also eine höhere Winkelgeschwindigkeit aufweist. Dem wird für die Kraftstoffeinspritzung bezogen auf die einzelnen Arbeitstakte in der Startphase dadurch Rechnung ge tragen, daß, gemessen in Grad Kurbelwinkel, für aufeinander folgende Arbeitstakte die Winkelabstände etwa gleich bleiben, mit der Folge, daß die Zeitabstände zwischen den aufeinander folgenden Arbeitstakten entsprechend der größeren Winkelgeschwindigkeit kleiner werden. Dies entspricht der mit der Drehzahl wachsenden Luftbewegung. Mit zunehmendem Luftdrall können ferner - unter Vermeidung von Rußbildung - die einzelnen Spritzvorgänge innerhalb eines Arbeitstaktes schneller aufeinanderfolgen, ohne daß der jeweils nächstfolgende Spritzvorgang zu einer Einspritzung in die Flammfront führt, die aus der Zündung der Einspritzmenge des vorausgehenden Spritzvorganges resultiert.

Bezogen auf eine vierzylindrige Brennkraftmaschine baut sich ein über 720°KW laufendes Arbeitsspiel aus je einem Arbeits takt je Zylinder, und je vier Spritzvorgängen pro Arbeitstakt auf (Fig. 2). Hiervon als Ausführungsbeispiel ausgehend sind, beginnend mit dem 1. Arbeitstakt bei der Durchführung eines Startvorganges, in Fig. 1 vier ein volles Arbeitsspiel einer vierzylindrigen Brennkraftmaschine bildende Arbeitstakte 1-4 und weitere Arbeitstakte 1n, 1n+1 zeitlich später liegender Arbeitsspiele schematisch aufgetragen, innerhalb derer sich der Spritzbeginn, ausgehend etwa vom oberen Totpunkt OT für den 1. Arbeitstakt des beim Starten der Maschine ersten Arbeitsspieles, mit zunehmender Drehzahl zunächst nach spät verschiebt.

Innerhalb dieser Arbeitstakte erfolgt für die hier ange sprochene Startphase keine kontinuierliche Einspritzung, son dern es ist die Einspritzung je Arbeitstakt in mehrere Spritzvorgänge, vorzugsweise drei oder mehr Spritzvorgänge unterteilt. Am Beispiel der Fig. 2 ist dies für den 2. Arbeitstakt des ersten Arbeitsspieles (Arbeitstakte 1-4) schematisch veranschaulicht, wobei ersichtlich ist, daß sich der in Grad Kurbelwinkel gemessene Abstand zwischen den aufeinanderfolgenden Spritzvorgängen A-D eines Arbeitstaktes vergrößert.

Hierbei entspricht der Abstand zwischen den mit A-D bezeich neten Spritzvorgängen in Grad Kurbelwinkel für jeweils aufeinanderfolgende Spritzvorgänge etwa folgenden, beispielhaft genannten Werten:
A-B ∼ 2° KW
B-C ∼ 3° KW
C-D ∼ 4° KW,
und diesen Winkelgrößen entsprechen Zeitabstände .t, die über der Drehzahl kleiner werden, wie Fig. 3 zeigt.

Es kann zweckmäßig sein, für späteren Arbeitsspielen n, n+1 zugehörige Arbeitstakte 1n, 2n. . ., 1n+1, 2n+1. . ., innerhalb dieser Arbeitstakte die Abstände zwischen den einzelnen Spritzvorgängen mit steigender Drehzahl, entsprechend dem stärker werdenden Luftdrall zu verkürzen. Als Beispiel: Für das n. volle Arbeitsspiel und darauf folgende volle Arbeitsspiele n+1, n+2 usw. kann es zweckmäßig sein, den Abstand zwischen den entsprechenden Spritzvorgängen der jeweiligen Arbeitstakte, erläutert am Beispiel der Spritzvorgänge C und D, wie folgt zu verkürzen:
(C-D)n ∼ 4° KW
(D-D)n+1 ∼ 3,5° KW
(C-D)n+2 ∼ 3° KW.

Analog ist eine Verkürzung der in Grad Kurbelwinkel gemessenen Abstände zwischen den sonstigen Spritzvorgängen der jeweils gleichen vollen Arbeitsspiele erfindungsgemäß vorzunehmen. Diese Verkürzung der Abstände zwischen den Spritzvorgängen ist als Vorstufe zur Kontinuität der Einspritzung im Arbeitsbetrieb zu sehen, in dem die Einspritzung üblicherweise als Voreinspritzung und Haupteinspritzung je Arbeitstakt erfolgt.

Neben den bereits genannten Vorteilen wird durch die erfin dungsgemäße Strahlunterbrechung die Kaltstartfähigkeit deutlich verbessert, da in größerem Umfang heiße Luft in den Strahlkernbereich gelangt und die Löschwirkung eines kontinuierlichen Strahles gemildert wird. Die günstigsten Zündbedingungen liegen für den einzelnen Spritzvorgang bei lokalen Luftzahlen von 2 < Lambda < 3. Ferner wird die erforderliche mittlere Zündtemperatur gesenkt und der Zündverzug, und damit dem Kaltstartnageln entgegengewirkt.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer selbstzündenden Diesel- Brennkraftmaschine mit zylinderspezifischer Kraftstoffeinspritzung, Startmengensteuerung in Abhängigkeit von Temperatur und Drehzahl der Brennkraftmaschine sowie Luftzufuhr unter Drallbildung im Zylinder, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anlassen im Bereich unterhalb der Leerlaufdrehzahl bei vom Stillstand zur Leerlaufdrehzahl hochlaufender Brennkraftmaschine die für den jeweiligen Arbeitstakt direkt in den Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge in mehrere, aufeinanderfolgende Spritzvorgänge aufgegliedert ist, die, gemessen über Grad Kurbelwinkel, für aufeinanderfolgende Arbeitstakte in ihrem Winkelabstand etwa gleich sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelabstand (Austaktzeit) zwischen aufeinander folgenden Spritzvorgängen eines Arbeitstaktes anwächst.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelabstand zwischen aufeinander folgenden Spritzvorgängen für nachfolgende, weitere Arbeitstakte etwa gleich bleibt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelabstand zwischen aufeinanderfolgenden Spritzvorgängen für nachfolgende, weitere Arbeitstakte mit über der Motordrehzahl wachsendem Luftdrall kleiner wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelabstände zwischen aufeinander folgenden Spritzvorgängen eines Arbeitstaktes in der Größenordnung zwischen 1° bis 5° Kurbelwinkel liegen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Kraftstoffeinspritzmenge in Abhängigkeit von der Temperatur der Brennraumoberfläche gesteuert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzmenge mit zunehmender Temperatur der Brennraumoberfläche verringert wird.