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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
bekanntes Verfahren ist insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit direkteinspritzenden
Diesel- oder Benzinmotoren bekannt. Dort ist jedem Brennraum jeweils
ein Einspritzventil zugeordnet, mit dem der Kraftstoff unter Druck
in den jeweiligen Brennraum direkt eingespritzt wird. Zur Erzeugung
des auf den Kraftstoff einwirkenden Druckes ist eine Förderpumpe
vorgesehen, mit der der Kraftstoff zu den Einspritzventilen gepumpt
wird. Vor der jeweiligen Einspritzung wird der Kraftstoff allerdings
zunächst
einem sogenannten Druckspeicher zugeführt, mit dem die Brennkammer
oder die Brennkammern der Brennkraftmaschine über ein oder mehrere Einspritzventile
räumlich
verbunden sind. In dem Druckspeicher wird der für die Direkteinspritzung erforderliche Kraftstoffdruck
mittels der Förderpumpe
aufgebaut.
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Bei
der Benzin-Direkteinspritzung (BDE) gewinnt der Kraftstoffdruck
zunehmend an Bedeutung, da er maßgeblich für die Güte der Aufbereitung und die
Eindringtiefe des Kraftstoffs in der Brennkammer verantwortlich
ist. Insbesondere im sogenannten "Schichtbetrieb" – im
Gegensatz zum Homogenbetrieb – ist
es erforderlich, den Kraftstoff zeitlich und räumlich sehr definiert in den
Brennraum einzubringen. Um das gesamte Potential der grundsätzlich bei der
direkt-einspritzenden Verbrennung zur Verfügung stehenden Drücke ausnutzen
zu können,
sind je nach Betriebspunkt der Verbrennung unterschiedliche Drücke des
Kraftstoffs bei der Einspritzung in die Brennkammer vorgesehen.
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Für die Bemessung
der in die Brennräume einzuspritzenden
Kraftstoffmasse ist insbesondere der auf den Kraftstoff bei der
jeweiligen Einspritzung wirkende Druck wesentlich. So ist bspw.
für dieselbe einzuspritzende
Kraftstoffmasse bei einem höheren Druck
nur eine kürzere
Einspritzdauer erforderlich, während
umgekehrt bei einem niedrigeren Druck das jeweilige Einspritzventil
länger
in seinen geöffneten Zustand
angesteuert werden muss.
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Stand der Technik
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Eine
entsprechende Einspritzanlage ist bei spielsweise in der
DE 43 11 731 A1 beschrieben.
Bei dieser Anlage wird der von einem Drucksensor gemessene Einspritzdruck
zusammen mit den den Betriebszustand der Brennkraftmaschine kennzeichnenden
Größen als
weitere Größe einem
elektronischen Steuergerät
zur Ermittlung der erforderlichen Öffnungszeit der Einspritzventile
zugeführt.
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Bei
im Stand der Technik bekannten Brennkraftmaschinen ist zunächst eine
elektrische Vorförderpumpe
vorgesehen, die einen von der Motordrehzahl unabhängigen Druck
von etwa 4 bar erzeugt. Dieser Vorförderdruck wird dann von einer
von der Brennkraftmaschine mechanisch direkt angetriebenen Hauptförderpumpe
auf einen Hochdruck von etwa 40 bis 120 bar angehoben. Die Förderleistung bzw.
der Förderdruck
der Hauptförderpumpe
ist daher im Wesentlichen abhängig
von der Motordrehzahl und der Anzahl der Kolben der Pumpe.
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Zudem
wird bisher bei im Startbetrieb betriebenen Brennkraftmaschinen
die Hauptförderpumpe zunächst nicht
zur Drucksteigerung genutzt. Vielmehr wird zunächst mittels eines Ventils
nur der Vorförderdruck
aufgebaut, bspw. über
eine entsprechende Ansteuerung des Ventils durch ein Steuergerät. Die Ursache
für diese
Vorgehensweise ist, dass sich im Startbetrieb der Druck als Funktion
von Motordrehzahl, eingespritzter Kraftstoffmenge, Einspritzzeitpunkt,
o.a. nicht voraussagbar zwischen dem Vorförderdruck und etwa 120 bar
einstellt und somit die Menge des eingespritzten Kraftstoffes nicht
kalkulierbar ist.
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Weiterhin
ist bei den eingangs erwähnten
direkteinspritzenden Motoren die Einspritzzeit zeitlich sehr begrenzt,
da nur eingespritzt werden kann bei geschlossenem Auslassventil
des Brennraums und in einem Zeitraum, in dem der Zylinderdruck kleiner als
der Druck im Druckspeicher ist.
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Um
neben der Druckerzeugung auch eine kontrollierbare Regelung des
Kraftstoffdrucks zu ermöglichen,
ist es ferner bekannt, den im Druckspeicher auf den Kraftstoff einwirkenden
Druck mittels eines Drucksensors zu ermitteln. So ist es aus der
DE 196 45 715 A1 vorbekannt,
bei einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung während der
Kraftstoffeinspritzung den zeitlichen Verlauf des Kraftstoffdruckes
zu messen und aufzuintegrieren, um die tatsächliche Einspritzmenge möglichst
genau zu erfassen und über
die Einspritzdauer einzustellen.
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Hinsichtlich
der räumlichen
Ausgestaltung des Druckspeichers besteht bereits aus technischen Gründen ein
Bedarf, das Speichervolumen zu vergrößern. Beispielsweise ist es
bekannt, dass einer temperaturbedingten Bildung von Gasblasen im Kraftstoff
in der (räumlichen)
Nähe von
Einspritzventilen durch eine Vergrößerung des Druckspeichervolumens
wirksam entgegengewirkt werden kann. Im Gegensatz dazu zeichnet
sich aber auch eine Tendenz ab, insbesondere aus Kostengründen die Baugröße und damit
die Leistung der Hauptförderpumpe
zu verringern. Dies hat zur Folge, dass die für den Druckaufbau im Druckspeicher
während
des Startbetriebs erforderliche Zeit eher zunimmt als abnimmt.
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Die
genannte Problematik wird nun bei einer als Einzylinderpumpe ausgestalteten
Hauptförderpumpe
dadurch noch verschärft,
dass insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, die bspw. während der Phase
des Anstartens der Brennkraftmaschine auftreten, der von der Pumpe
bereitgestellte Förderstrom
starken zeitlichen, ggf. etwa periodischen Schwankungen unterliegt.
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Es
ist ferner bekannt, dass gerade beim Kaltstart Emissionen nahezu
ungefiltert den Brennraum verlassen können. Daher werden, im Gegensatz
zur EURO2-Abgasnorm, deren Vorgaben erst nach dem Ende eines Kaltstarts
eingreifen, bei der zukünftigen EURO3-
und EURO4-Norm auch die Startemissionen (voraussichtlich) Berücksichtigung
finden.
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Aufgabenstellung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren
zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine
anzugeben, welche die o.g. Nachteile vermeiden und insbesondere
den Einsatz einer motorgetriebenen Hauptförderpumpe mit möglichst
geringer Förderleistung,
trotz der besonders in der Phase des Startbetriebs auftretenden
Drehzahlschwankungen und damit einhergehenden Druckschwankungen,
zu ermöglichen.
Es wird demnach generell auf Situationen abgestellt, bei denen Drehzahlschwankungen oder
niedrige Drehzahlen zu entsprechenden Druckschwankungen seitens
des Förderdrucks
einer Kraftstoffförderpumpe
führen.
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Diese
Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Der
Erfindung liegt somit das Konzept zu Grunde, bei der Kraftstoffversorgung
einer Benzin direkt-einspritzenden Brennkraftmaschine den Förderstrom
sowie den Druckaufbau des Kraftstoffs im Druckspeicher in einem
zeitlichen Bereich erfolgen zu lassen, in dem insbesondere beim
Kaltstart Kraftstoff in die Brennkammer eingespritzt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
setzt also ein Szenario voraus, bei dem der durch eine Förderpumpe
bereitgestellte Kraftstoffdruck über
die Zeit variiert, vorzugsweise in einer pulsierenden oder zyklisch
veränderlichen
Weise, so dass der bspw. in einen Druckspeicher aufgebaute bzw.
bereit gestellte Kraftstoffdruck ebenfalls über die Zeit variiert. Diese Variation
kann bspw. aus der bei niedrigen Drehzahlen antriebsmäßig unterversorgten
Förderpumpe
begründet
sein, da auch die Förderpumpe
nur ab einer bestimmten Drehzahl die erforderlichen Fördermengen
des Kraftstoffes garantiert, oder aber bspw. in der Startphase des
Betriebs der Brennkraftmaschine, bei dem ebenfalls niedrige Drehzahlen
der Brennkraftmaschine vorliegen und darüber hinaus der in dem Druckspeicher
erforderliche Maximaldruck noch in der Aufbauphase sich befindet
und daher die Pufferwirkung des Druckspeichers, die letztlich erst
einen konstanten Druck ermöglicht,
noch nicht zur Wirkung kommt.
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Gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel kann
vorgesehen sein, dass der Ansaug-/Verdichtungstakt der Förderpumpe
an die Phasenlage der Brennkraftmaschine angepasst wird. Hierdurch
ist automatisch gewährleistet,
dass die Förderpumpe
im Takt der Brennkraftmaschine arbeitet und somit die mit der Phasenlage
der Brennkraftmaschine zeitlich streng korrelierenden Einspritzzeitpunkte
auf die Pumpenzyklen abgestimmt sind.
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Bei
einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann vorgesehen sein, dass der Ansaug-/Verdichtungstakt der Förderpumpe mittels
geeigneter an einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine angeordneter
Antriebsnocken erfolgt. Bei dieser Ausführungsform ist es mithin nicht
erforderlich, die Abstimmung der Taktsteuerung der Förderpumpe
auf den Arbeitstakt der Brennkraftmaschine mittels einer Steuereinheit
zu bewerkstelligen. Vielmehr ist automatisch gewährleistet, dass die Förderpumpe,
unabhängig
von weiteren Einflüssen, strikt
auf den Maschinenzyklus der Brennkraftmaschine abgestimmt ist und
damit auch keine Verstellung oder Verstimmung des Taktes erfolgen
kann.
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Im
Fall des Startbetriebs der Brennkraftmaschine, insbesondere beim
Kaltstart, kann ferner vorgesehen sein, dass der Kraftstoff in Bereichen
von Maxima des Kraftstoffdruckes in den Brennraum eingespritzt wird.
Gerade beim Kaltstart ist es erforderlich, relativ große Mengen
an Kraftstoff in den Brennraum einzuspritzen, d.h. die Brennkraftmaschine
mit einem fetten Kraftstoffgemisch zu versorgen. Auf Grund der Einspritzung
jeweils im Bereich von Kraftstoffdruckmaxima ist somit gewährleistet,
dass in jedem Fall die maximal mögliche
Kraftstoffmenge während
des Kaltstarts zur Verfügung
steht, da die Menge bzw. Masse des in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffs
ansonsten nur über
die Geometrie der Einspritzventilöffnung oder eine Veränderung
der Öffnungszeit
des Einpritzventils steuerbar ist.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist weiter vorgesehen, dass die über
einen Zeitraum gemessenen Werte des Kraftstoffdrucks abgetastet werden,
dass im Bereich eines Druckmaximums des Kraftstoffes mit dem Einspritzen
begonnen wird, dass die Gesamtmasse des zu einem Einspritzzeitpunkt eingespritzten
Kraftstoffes durch Aufsummieren oder Aufintegrieren des Produkts
aus Druck und dem jeweiligen Zeitintervall bzw. infinitesimalen
Zeitintervall ermittelt wird, und dass das (die) Einspritzventil
e) nach Erreichen einer für
den vorliegenden Betriebszustand der Brennkraftmaschine ge eigneten
Kraftstoffmasse geschlossen wird bzw. werden. Es kann somit durch
geeignete Wahl des Förderzeitpunktes und
eines Mengenintegrals über
das Produkt Druck x Zeit in bevorzugter Weise eine relativ große Kraftstoffmenge
in den Brennraum eingebracht werden. Entsprechend dem Erfindungsgedanken
wird also genau diese Druckerhöhung
dazu benutzt, durch die Berechnung des genannten Mengenintegrals
Kraftstoff in optimaler Menge dem Brennraum zuzuführen.
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Ausführungsbeispiel
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Im
Einzelnen zeigen dabei:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems
zum Betreiben einer mit mehreren Brennräumen versehenen Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs;
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2 ein
Zeitdiagramm zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3a den
Drehzahlverlauf einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine; sowie
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3b den
entsprechenden Pumpendruck bei der in 3a gezeigten
Drehzahl der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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Ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
wird an Hand der 1 beschrieben. Im Besonderen
ist in dieser Figur ein Kraftstoffversorgungssystem 1 einer
Brennkraftmaschine dargestellt, das für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug
vorgesehen ist. Die Brennkraftmaschine weist vier Zylinder und damit
vier Brennräume
auf. Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich um eine Ausführungsform,
bei der der Kraftstoff, vorzugsweise Benzin, direkt in die Brennräume eingespritzt
wird.
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Der
Kraftstoff wird von einer Pumpe 2 aus einem Behälter 3 über einen
Filter 4 zu einer weiteren Pumpe 5 transportiert,
von der der Kraftstoff in eine Druckkammer 6 gepumpt wird.
Mit Hilfe der Pumpen 2, 5 ist in der Druckkammer 6 ein
relativ hoher, auf den Kraftstoff einwirkender Druck vorhanden.
An die Druckkammer 6 ist ein Drucksteuerventil 7 und
ein Drucksensor 8 angeschlossen, wobei mit letzterem der
in der Druckkammer 6 vorhandene und auf den Kraftstoff
einwirkende Druck gemessen werden kann. Der Drucksensor 8 erzeugt
ein elektrisches Signal PRAIL, das dem gemessenen Druck entspricht, und
das über
eine Leitung 9 ein elektrisches Steuergerät 10 beaufschlagt.
Mit Hilfe des Drucksteuerventils 7 und des Drucksensors 8 kann
der Druck in der Druckkammer 6, also der auf den Kraftstoff
einwirkende Druck, von dem Steuergerät 10 auf einen hohen
und etwa konstanten Ausgangswert geregelt werden.
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Bei
dem Steuergerät 10 handelt
es sich um einen programmierbaren Mikroprozessor, der mit Speichern
und sonstigen erforderlichen Bauteilen versehen ist, und der in
das Kraftfahrzeug eingebaut ist. Das Steuergerät 10 erhält dabei
die für
die Durchführung
des Verfahrens erforderlichen Signale, u.a. von den jeweiligen Sensoren,
bspw. von dem Drucksensor 8, und erzeugt daraus nach dem
beschriebenen Verfahren die erforderlichen Signale zur Ansteuerung
bspw. von Aktoren, so z.B. zur Ansteuerung von Einspritzventilen 11 oder
des Drucksteuerventils 7.
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Vier
Einspritzventile 11 sind an die Druckkammer 6 angeschlossen.
Jedes der Einspritzventile 11 ist direkt einem Brennraum
der Brennkraftmaschine zugeordnet. Durch die geschlossenen Einspritzventile 11 wird
die Druckkammer 6 von dem jeweiligen Brennraum getrennt. Über elektrische
Leitungen 12 sind die Einspritzventile 11 mit
dem Steuergerät 10 verbunden.
Zur Ansteuerung eines der Einspritzventile 11 erzeugt das
das Steuergerät 10 ein
elektrisches Signal ti, mit dem das entsprechende Einspritzventil
in seinen geöffneten
Zustand gesteuert wird. Die Länge
des Signals ti entspricht der Einspritzdauer, während der Kraftstoff aus der
Druckkammer 6 über
das entsprechende Einspritzventil 11 in den zugehörigen Brennraum
der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
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Die
prinzipielle Betriebsweise einer Brennkraftmaschine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird nun an Hand des in 2 gezeigten Zeitdiagramms erläutert. Im
unteren Teil ist ein typischer zeitlicher Verlauf des genannten
elektrischen Signals ti dargestellt, mit dem ein bestimmtes Einspritzventil 11 in
seinen geöffneten
Zustand gesteuert wird. Die Länge
des Signals ti entspricht somit der jeweiligen Einspritzdauer. Wie
aus diesem Diagramm ferner zu ersehen ist, wird jedes der Einspritzventile 11 zweimal
pro Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine 1 (0-360°) mit dem
Signal ti beaufschlagt und demnach erfolgen pro Arbeitszyklus zwei
Einspritzungen.
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Im
oberen Teil des Diagramms ist nun ein exemplarischer schematischer
Verlauf des Kraftstoffdrucks in dem Druckspeicher 6 gezeigt,
wobei der Druck innerhalb eines Druckbereichs oszilliert, d.h. zeitlich
zyklisch schwankt. Gemäß dem vorgeschlagenen
Verfahren liegen die Einspritzzeitpunkte im Bereich der Maxima der
Druckkurve. Da in diesem Beispiel die Phasenlagen der Signale ti
und der Druckmaxima zeitlich streng korrelieren, ist gewähreistet,
dass die gezeigte Phasenlage der beiden Größen ti und p auch über einen
längeren
Zeitraum unveränderlich
ist. Diese feste Phasenbeziehung kann beispielsweise mittels einer
geeigneten zeitlichen Ansteuerung der Förderpumpe 5, beispielswei se über das
Steuergerät 10,
oder mittels einer entsprechenden Nockenwellensteuerung realisiert
sein.
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Das
in 3a gezeigte Diagramm zeigt einen typischen Drehzahlverlauf
einer im Startbetrieb befindlichen erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1.
Entsprechend den genannten Arbeitszyklen der Brennkraftmaschine 1 steigt
die Drehzahl wellenartig bzw. pulsierend von Null bis zur Leerlaufdrehzahl (nicht
mehr gezeigt) an. Innerhalb des in 3a gezeigten
Zeitfensters zeigt sich nun der in 3b gezeigte
Verlauf des Kraftstoffdrucks im Druckspeicher 6, der auf
Grund der mit der Motorleistung der Brennkraftmaschine 1 zeitlich
korrelierenden Förderleistung
der Hauptförderpumpe 5 in
seinem zeitlichen Verlauf dem Drehzahlverlauf sehr ähnelt. Allerdings ergibt
sich eine geringe Phasenverschiebung (der Druck eilt gegenüber der
Drehzahl um etwa den Bruchteil einer Sekunde nach), bedingt durch
die erforderlichen Laufzeiten einer von der Hauptförderpumpe
bereitgestellten Druckwelle im gesamten Leitungssystem zwischen
der Hauptförderpumpe 5 und dem
Druckspeicher 6. Die stärksten
Abweichungen zwischen Drehzahl und Druck, wie hier gezeigt, liegen
naturgemäß zu Beginn
einer Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine vor, da zu diesem Zeitpunkt
der Förderdruck
in der Hauptförderpumpe 5 zunächst aufgebaut
bzw. stabilisiert werden muss.
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In 3b ist
ferner dargestellt, wie sich entsprechend einem weiteren Erfindungsgedanken
das Integral p·dt
zur Optimierung des bei einer Einspritzung insgesamt zugeführten Kraftstoffs
einsetzen läßt. Eine über einen
Zeitraum t1 bis t3 durchgeführte Abtastung
mittels eines Drucktripels (t1, t2, t3) ermöglicht zunächst ein approximiertes Auffinden
eines Druckmaximums. Wenn nun bei t1 mit dem Einspritzen des Kraftstoffes
begonnen wird, kann die Gesamtmasse des zu diesem Einspritzzeitpunkt
eingespritzten Kraftstoffes durch Aufsummieren oder Aufintegrieren
des Produkts aus Druck und dem Zeitintervall bzw. infinitesimalen
Zeitintervall t1 bis t2 bzw. t3 so bemessen werden, dass das entsprechende Einspritzventil 11 nach
Erreichen einer für
den vorliegenden Betriebszustand der Brennkraftmaschine geeigneten
Kraftstoffmasse wieder geschlossen werden kann. Es kann somit durch
die gezeigte Wahl des Förderzeitpunktes
und das genannte Mengenintegral eine möglichst große Kraftstoffmenge in den Brennraum
eingebracht werden. Entsprechend dem Erfindungsgedanken wird nun
genau diese Druckerhöhung
dazu benutzt, durch die Berechnung des genannten Mengenintegrals
Kraftstoff in optimaler Menge dem Brennraum zuzuführen.