DE19729580A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem Kraftstoff entweder in einer ersten Betriebsart während einer Ansaugphase oder in einer zweiten Betriebsart während einer Verdichtungsphase direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, und bei dem die Einspritzung des Kraftstoffs in einem Raster von vorgegebenen Drehwinkelabständen einer Welle der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.

Derartige Systeme zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine sind allgemein bekannt. Es wird dabei als erste Betriebsart ein sogenannter Homogenbetrieb und als zweite Betriebsart ein sogenannter Schichtbetrieb unterschieden. Der Schichtbetrieb wird insbesondere bei kleineren Lasten verwendet, während der Homogenbetrieb bei größeren, an der Brennkraftmaschine anliegenden Lasten zur Anwendung kommt. Im Schichtbetrieb wird der Kraftstoff während der Verdichtungsphase der Brennkraftmaschine in den Brennraum eingespritzt. Dies hat zur Folge, daß keine gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffs in dem Brennraum mehr erfolgt. Der Vorteil des Schichtbetriebs liegt darin, daß mit einer sehr geringen Kraftstoffmenge die anliegenden kleineren Lasten von der Brennkraftmaschine ausgeführt werden können. Größere Lasten können allerdings nicht durch den Schichtbetrieb erfüllt werden. Im für derartige größere Lasten vorgesehenen Homogenbetrieb wird der Kraftstoff während der Ansaugphase der Brennkraftmaschine eingespritzt, so daß eine Verwirbelung und damit eine Verteilung des Kraftstoffs in dem Brennraum noch ohne weiteres erfolgen kann. Insoweit entspricht der Homogenbetrieb etwa der Betriebsweise von Brennkraftmaschinen, bei denen in herkömmlicher Weise Kraftstoff in das Ansaugrohr eingespritzt wird.

In beiden Betriebsarten, also im Schichtbetrieb und im Homogenbetrieb, wird der Zeitpunkt der Einspritzung des Kraftstoffs von einem Steuergerät in Abhängigkeit von einer Mehrzahl von Eingangsgrößen auf einen im Hinblick auf Kraftstoffeinsparung, Abgasreduzierung und dergleichen optimalen Wert berechnet. Die tatsächliche Einspritzung des Kraftstoffs erfolgt dann in einem Raster, das durch vorgegebene Drehwinkelabstände festgelegt ist. Die Drehwinkelabstände beziehen sich dabei insbesondere auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine.

Dies hat zur Folge, daß die tatsächliche Einspritzung immer nur nach Drehung der Kurbelwelle um diesen Drehwinkelabstand erfolgen kann, aber nicht dazwischen. Ist der Drehwinkelabstand beispielsweise 6 Grad, so bedeutet dies, daß die tatsächliche Einspritzung immer nur in einer Auflösung von 6 Grad erfolgen kann. Damit weist die tatsächliche Einspritzung eine dem Drehwinkelabstand entsprechende Genauigkeit auf, also beispielsweise eine Genauigkeit von 6 Grad.

Damit im Schichtbetrieb die erwähnte Kraftstoffersparnis erreicht werden kann, ist es erforderlich, daß der berechnete Zeitpunkt der Einspritzung auch tatsächlich möglichst exakt eingehalten wird. Es muß also die Genauigkeit der tatsächlichen Einspritzung möglichst groß sein. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Drehwinkelabstand des Rasters, in dem die tatsächliche Einspritzung erfolgen kann, möglichst klein vorgegeben wird. Dies hat allerdings zur Folge, daß das Steuergerät aufgrund des kleineren Drehwinkelabstands eine größere Anzahl von Berechnungen durchführen muß und damit höher belastet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, mit dem der Zeitpunkt der tatsächlichen Einspritzung möglichst exakt eingehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Raster bei einer hohen Drehzahl der Brennkraftmaschine und einer hohen, an der Brennkraftmaschine anliegenden Last größere Drehwinkelabstände aufweist als bei einer mittleren oder einer niedrigen Drehzahl der Brennkraftmaschine und einer mittleren oder einer niedrigen, an der Brennkraftmaschine anliegenden Last. Es wird also bei hohen Drehzahlen ein größerer Drehwinkelabstand vorgegeben als bei mittleren oder niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine. Bei der hohen Drehzahl hätte das Steuergerät an sich weniger Zeit für die Durchführung von Berechnungen zur Verfügung. Dieses Weniger an Zeit wird jedoch durch den größeren Drehwinkelabstand wieder verlängert und damit kompensiert. Umgekehrt hätte das Steuergerät bei der geringeren Drehzahl an sich mehr Zeit zur Verfügung. Dieses Mehr wird jedoch durch den geringeren Drehwinkelabstand wieder ausgeglichen.

Erfindungsgemäß wird also ein Absinken der Drehzahl der Brennkraftmaschine für eine Verringerung des Drehwinkelabstands ausgenutzt. Dies ist gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Genauigkeit der tatsächlichen Einspritzung bei mittleren oder niedrigen Drehzahlen. Dies sind jedoch gerade diejenigen Drehzahlen, bei denen der Schichtbetrieb besonders vorteilhaft ist. Insgesamt wird somit durch die Erfindung erreicht, daß im Schichtbetrieb die Genauigkeit der tatsächlichen Einspritzung und damit die daraus resultierende Kraftstoffersparnis wesentlich erhöht wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Raster bei der mittleren Drehzahl und der mittleren Last größere Drehwinkelabstände auf als bei der niedrigen Drehzahl und der niedrigen Last. Es wird also das für hohe und mittlere bzw. niedrige Drehzahlen vorhandene erfindungsgemäße Verfahren nunmehr auf mittlere und niedrige Drehzahlen angewendet. Dies bedeutet, daß das Mehr an Zeit, das das Steuergerät durch ein Absinken der Drehzahl von einer mittleren zu einer niedrigen Drehzahl an sich zur Verfügung hätte, dazu verwendet wird, daß der Drehwinkelabstand bei dem genannten Absinken wiederum verringert wird. Die Verringerung des Drehwinkelabstands stellt jedoch gleichzeitig eine Erhöhung der Genauigkeit der tatsächlichen Einspritzung dar und damit eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich einer Kraftstoffersparnis im Schichtbetrieb.

Bei vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung sind die Drehwinkelabstände bei der hohen Drehzahl und der hohen Last etwa doppelt so groß als bei der mittleren Drehzahl und der mittleren Last bzw. bei der mittleren Drehzahl und der mittleren Last etwa dreifach so groß wie bei der niedrigen Drehzahl und der niedrigen Last. Insbesondere betragen die Drehwinkelabstände bei der hohen Drehzahl etwa 6 Grad, bei der mittleren Drehzahl etwa 3 Grad und bei der niedrigen Drehzahl etwa 1 Grad.

Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird bei der hohen Drehzahl und der hohen Last die Brennkraftmaschine in der ersten Betriebsart betrieben, und es wird bei der mittleren oder der niedrigen Drehzahl und der mittleren oder der niedrigen Last die Brennkraftmaschine in der zweiten Betriebsart betrieben. Damit wird erreicht, daß gerade im Schichtbetrieb, bei dem der Zeitpunkt der tatsächlichen Einspritzung besonders exakt mit dem berechneten Zeitpunkt übereinstimmen muß, die kleinsten Drehwinkelabstände vorgegeben werden, mit denen die größte Genauigkeit bei der tatsächlichen Einspritzung und damit die größte Kraftstoffersparnis erreichbar ist.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn in der zweiten Betriebsart der eingespritzte Kraftstoff von der Wand des Brennraums oder von der Ladungsbewegung im Brennraum geführt wird. Bei dieser Art der Einspritzung ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut anwendbar.

Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Form eines elektrischen Speichermediums, das für das Steuergerät der Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Dabei ist auf dem elektrischen Speichermedium ein Programm abgespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In diesem Fall wird also die Erfindung durch ein auf dem elektrischen Speichermedium abgespeichertes Programm realisiert, so daß dieses mit dem Programm versehene Speichermedium in gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das Programm geeignet ist.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, und

Fig. 2 zeigt ein schematisches Koordinatensystem, an dessen Achsen die Drehzahl einer Brennkraftmaschine und die an der Brennkraftmaschine anliegende Last aufgetragen sind.

In der Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt, bei der ein Kolben 2 in einem Zylinder 3 hin- und herbewegbar ist. Der Zylinder 3 ist mit einem Brennraum 4 versehen, an den über Ventile 5 ein Ansaugrohr 6 und ein Abgasrohr 7 angeschlossen sind. Des weiteren sind dem Brennraum 4 ein Einspritzventil 8 und eine Zündkerze 9 zugeordnet. Das Abgasrohr 7 ist über eine Abgasrückführleitung 10 und ein steuerbares Abgasrückführventil 11 mit dem Ansaugrohr 6 verbunden. Des weiteren schließt sich an das Abgasrohr 7 ein Katalysator 12 mit einem vorhergehendem und einem nachfolgenden Lambdasensor 13.1 und 13.2 an. Dem Ansaugrohr 6 ist eine mit einem steuerbaren Tankentlüftungsventil 14 versehene Tankentlüftungsleitung 15 zugeführt, die an einen von einem Kraftstoffbehälter 16 beaufschlagten Aktivkohlefilter 17 angeschlossen ist. Des weiteren ist in dem Ansaugrohr 6 eine steuerbare Drosselklappe 18, ein Drucksensor 19 und ein Luftmassenmesser 20 untergebracht.

In einer ersten Betriebsart, dem Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wird der Kraftstoff von dem Einspritzventil 8 während einer durch den Kolben 2 hervorgerufenen Ansaugphase in den Brennraum 4 eingespritzt. Durch die gleichzeitig angesaugte Luft wird der eingespritzte Kraftstoff verwirbelt und damit in dem Brennraum 4 im wesentlichen gleichmäßig verteilt. Danach wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch während der Verdichtungsphase verdichtet, um dann von der Zündkerze 9 entzündet zu werden. Durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs wird der Kolben 2 angetrieben.

In einer zweiten Betriebsart, dem Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wird der Kraftstoff von dem Einspritzventil 8 während einer durch den Kolben 2 hervorgerufenen Verdichtungsphase in den Brennraum 4 eingespritzt, und zwar derart, daß der Kraftstoff von einer Wand des Brennraums 4 in die unmittelbare Umgebung der Zündkerze 9 geführt wird. Die Einspritzung erfolgt dabei zeitlich unmittelbar vor dem oberen Totpunkt des Kolbens 2. Dann wird mit Hilfe der Zündkerze 9 der Kraftstoff entzündet, so daß der Kolben 2 in der nunmehr folgenden Arbeitsphase durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs angetrieben wird.

Im Schichtbetrieb und im Homogenbetrieb wird der Zeitpunkt der Einspritzung des Kraftstoffs über das Einspritzventil 8 in den Brennraum 4 von einem Steuergerät 21 insbesondere im Hinblick auf einen geringen Kraftstoffverbrauch und/oder eine geringe Abgasentwicklung berechnet. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 21 mit einem Mikroprozessor versehen, der in einem Speichermedium, insbesondere in einem Read- Only-Memory ein Programm abgespeichert hat, das dazu geeignet ist, die genannte Steuerung und/oder Regelung durchzuführen. Das Steuergerät 21 ist von Eingangssignalen beaufschlagt, die mittels Sensoren gemessene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine darstellen. Beispielsweise ist das Steuergerät 21 mit dem Lambdasensor 13 und/oder dem Drucksensor 19 verbunden. Das Steuergerät 21 erzeugt Ausgangssignale, mit denen über Aktoren das Verhalten der Brennkraftmaschine entsprechend der erwünschten Steuerung und/oder Regelung beeinflußt werden kann. Beispielsweise ist das Steuergerät 21 mit dem Einspritzventil 8, der Zündkerze 9, dem Abgasrückführventil 11, dem Tankentlüftungsventil 14 und/oder der Drosselklappe 18 verbunden.

Die tatsächliche Zeitpunkt der Einspritzung des Kraftstoffs über das Einspritzventil 8 in den Brennraum 4 erfolgt in einem zeitlichen Raster. Dieses Raster ist durch die Abfolge von vorgegebenen Drehwinkelabständen einer sich drehenden Welle der Brennkraftmaschine 1 vorgegeben. Je kleiner das Raster ist, also je kleiner die Drehwinkelabstände sind, desto genauer kann der tatsächliche Zeitpunkt der Einspritzung an den berechneten Zeitpunkt der Einspritzung angenähert werden.

Beispielsweise ist eine mit dem Kolben 2 gekoppelte Kurbelwelle mit Zähnen oder dergleichen versehen, die bei einer Drehung in einem zugeordneten Sensor durch jeden Zahn ein elektrisches Signal auslöst. Bei einem gleichen Abstand der Zähne stellt das Signal die vorgegebenen Drehwinkelabstände und damit das Raster dar. Beispielsweise besitzt das Raster einen Drehwinkelabstand von 6 Grad.

Aus dem genannten elektrischen Signal ist durch eine Bezugnahme auf die Zeit auch die Drehzahl nmot der Brennkraftmaschine 1 durch das Steuergerät 21 ermittelbar.

Der tatsächliche Zeitpunkt der Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum 4 erfolgt somit immer nur in denjenigen Zeitpunkten, die in dem genannten Raster liegen, also beispielsweise alle 6 Grad Kurbelwellenwinkel.

Durch eine Berücksichtigung der ansteigenden und der abfallenden Flanke des genannten elektrischen Signals kann das Steuergerät 21 mit einem entsprechenden Rechenaufwand das Raster halbieren. Damit ist es möglich, daß der tatsächliche Zeitpunkt der Einspritzung auch in solchen Zeitpunkten erfolgt, die zwischen dem bisherigen Raster liegen, also alle 3 Grad Kurbelwellenwinkel. In diesem Fall weist das Raster also einen Drehwinkelabstand von 3 Grad auf.

Durch weitere Berechnungen des Steuergeräts 21 ist es möglich, den Drehwinkelabstand weiter zu verringern. Insbesondere ist es mit einem entsprechenden Rechenaufwand durch das Steuergerät 21 möglich, daß der tatsächliche Zeitpunkt der Einspritzung auch in solchen Zeitpunkten erfolgt, die in einem 1 Grad Raster liegen. In diesem Fall weist das Raster also einen Drehwinkelabstand von 1 Grad auf.

Gemäß der Fig. 2 wird das dargestellte Koordinatensystem aus der Drehzahl nmot der Brennkraftmaschine 1 und der an der Brennkraftmaschine 1 anliegenden Last M gebildet. Die Last M kann sich dabei aus der vom Fahrer an die Brennkraftmaschine 1 angeforderte Leistung sowie aus anderen Anforderungen des Kraftfahrzeugs ergeben.

Der dargestellte Quadrant des Koordinatensystems weist schematisch einen Bereich I, einen Bereich IIa und einen Bereich IIb auf.

Der Bereich I entspricht hohen Drehzahlen nmot der Brennkraftmaschine 1 und hohen, an der Brennkraftmaschine 1 anliegenden Lasten M. In dem Bereich I wird die Brennkraftmaschine 1 im Homogenbetrieb, also in der ersten Betriebsart betrieben. Des weiteren wird im Bereich I als Raster ein größerer Drehwinkelabstand vorgegeben, beispielsweise 6 Grad.

Der Bereich IIa entspricht mittleren Drehzahlen nmot der Brennkraftmaschine 1 und mittleren, an der Brennkraftmaschine 1 anliegenden Lasten M. In dem Bereich IIa wird die Brennkraftmaschine 1 im Schichtbetrieb, also in der zweiten Betriebsart betrieben. Des weiteren wird im Bereich IIa als Raster ein mittlerer Drehwinkelabstand vorgegeben, beispielsweise 3 Grad.

Der Bereich IIb entspricht niedrigen Drehzahlen nmot der Brennkraftmaschine 1 und niedrigen, an der Brennkraftmaschine 1 anliegenden Lasten M. Die Leerlaufdrehzahl nL der Brennkraftmaschine 1 liegt im Bereich IIb. In dem Bereich IIb wird die Brennkraftmaschine 1 im Schichtbetrieb, also in der zweiten Betriebsart betrieben. Des weiteren wird im Bereich IIb als Raster ein kleinerer Drehwinkelabstand vorgegeben, beispielsweise 1 Grad.

Im Bereich I wird der größere Drehwinkelabstand vorgegeben. Dieser erfordert den geringsten Rechenaufwand für das Steuergerät 20. Dies kommt der Tatsache entgegen, daß in dem Bereich I die höheren Drehzahlen nmot der Brennkraftmaschine 1 vorliegen. Im Homogenbetrieb des Bereichs I ist dieser größere Drehwinkelabstand und die damit verbundene geringere Genauigkeit bei dem Zeitpunkt der tatsächlichen Einspritzung nur von untergeordneter Bedeutung.

In den Bereichen IIa und IIb werden kleinere Drehwinkelabstände vorgegeben. Dadurch ist es im Schichtbetrieb dieser Bereiche IIa und IIb möglich, den tatsächlichen Zeitpunkt der Einspritzung mit einer höheren Genauigkeit an den berechneten Zeitpunkt der Einspritzung anzunähern als im Bereich I. Dies ist im Schichtbetrieb im Hinblick auf eine Kraftstoffeinsparung von großer Bedeutung.

Die kleineren Drehwinkelabstände der Bereiche IIa und IIb erfordern, wie erwähnt, einen größeren Rechenaufwand für das Steuergerät 21. Dies wird jedoch dadurch kompensiert bzw. ermöglicht, daß diese kleineren Drehwinkelabstände nur bei mittleren und niedrigeren Drehzahlen nmot der Brennkraftmaschine 1 vorgegeben werden. Aufgrund der geringeren Drehzahl nmot hat das Steuergerät 21 die Zeit für den größeren Rechenaufwand zur Verfügung.

Dabei wird in dem Bereich IIb die Genauigkeit des Zeitpunkts der Einspritzung im Vergleich zum Bereich IIa nochmals erhöht. Aufgrund der wiederum kleineren Drehzahlen nmot der Brennkraftmaschine 1 kann der sich daraus ergebende höhere Rechenaufwand von dem Steuergerät 21 bewältigt werden.

Insgesamt wird der Drehwinkelabstand des Rasters, in dem eine Einspritzung von Kraftstoff tatsächlich durchgeführt werden kann, in Abhängigkeit von der Drehzahl nmot der Brennkraftmaschine verändert. Je kleiner die Drehzahl nmot ist, desto kleiner ist auch der Drehwinkelabstand und desto größer ist damit die Genauigkeit des tatsächlichen Zeitpunkts der Einspritzung hinsichtlich des berechneten Zeitpunkts. Es wird also die Auflösung des Rasters mit absinkender Drehzahl nmot vergrößert.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem Kraftstoff entweder in einer ersten Betriebsart während einer Ansaugphase oder in einer zweiten Betriebsart während einer Verdichtungsphase direkt in einen Brennraum (4) der Brennkraftmaschine (1) eingespritzt wird, und bei dem die Einspritzung des Kraftstoffs in einem Raster von vorgegebenen Drehwinkelabständen einer Welle der Brennkraftmaschine (1) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer hohen Drehzahl (nmot) der Brennkraftmaschine (1) und einer hohen, an der Brennkraftmaschine (1) anliegenden Last (M) (Bereich I) das Raster größere Drehwinkelabstände aufweist als bei einer mittleren oder einer niedrigen Drehzahl (nmot) der Brennkraftmaschine (1) und einer mittleren oder einer niedrigen, an der Brennkraftmaschine (1) anliegenden Last (M) (Bereiche IIa und IIb)

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der mittleren Drehzahl (nmot) und der mittleren Last (M) (Bereich IIa) das Raster größere Drehwinkelabstände aufweist als bei der niedrigen Drehzahl (nmot) und der niedrigen Last (M) (Bereich IIb)

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehwinkelabstände bei der hohen Drehzahl (nmot) und der hohen Last (M) (Bereich I) etwa doppelt so groß sind als bei der mittleren Drehzahl (nmot) und der mittleren Last (M) (Bereich IIa)

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehwinkelabstände bei der mittleren Drehzahl (nmot) und der mittleren Last (M) (Bereich IIa) etwa dreifach so groß sind wie bei der niedrigen Drehzahl (nmot) und der niedrigen Last (M) (Bereich IIb).

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der hohen Drehzahl (nmot) und der hohen Last (M) (Bereich I) die Brennkraftmaschine (1) in der ersten Betriebsart betrieben wird, und daß bei der mittleren oder der niedrigen Drehzahl (nmot) und der mittleren oder der niedrigen Last (M) (Bereiche IIa und IIb) die Brennkraftmaschine (1) in der zweiten Betriebsart betrieben wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Betriebsart der eingespritzte Kraftstoff von der Wand des Brennraums (4) oder von der Ladungsbewegung im Brennraum (4) geführt wird.

7. Elektrisches Speichermedium, insbesondere Read-Only- Memory, für ein Steuergerät (21) einer Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, auf dem ein Programm abgespeichert ist, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig und zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 geeignet ist.