AT515563A1 - Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wobei in zumindest einem Motorbetriebsbereich die Strategie der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit zumindest eines Motorparameters verändert wird. Um insbesondere in transienten Betriebszuständen die Partikelemissionen zu vermindern, ist vorgesehen, dass überprüft wird, ob ein transienter Zustand der Brennkraftmaschine vorliegt und - wenn ein transienter Betriebszustand festgestellt wird - die Strategie der Kraftstoffeinspritzung - vorzugsweise die Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen, die zeitliche und/oder örtliche Lage der Kraftstoffeinspritzungen und/oder der Kraftstoffeinspritzdruck - verändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden,fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wobei in zumindest einemMotorbetriebsbereich die Strategie der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeitzumindest eines Motorparameters verändert wird.
Insbesondere bei kaltem Motor kommt es zur Bildung von Rußpartikeln, wenn dereingespritzte Kraftstoff auf der kalten Kolbenoberfläche oder der kaltenZylinderlauffläche auftritt und somit der Kraftstoff nur unvollständig verbrennenkann. Insbesondere kühlt die Oberfläche des Kolbens und/oder der Zylinderbüchseaus, wenn Kraftstoff auf dieser Oberfläche verdampft (Verdampfungswärme wirdder Oberfläche entzogen). Nach einem Lastsprung (transienter Betrieb) istüblicherweise die Oberflächentemperatur höher als vor dem Lastsprung. Allerdingssteigt die Oberflächentemperatur bei einem Lastsprung bei Kraftstoffauftrag nurgeringer an bzw. sinkt sogar. Erst eine gewisse Zeit nach Abdampfen desKraftstoffes erwärmt sich die Oberfläche wieder auf die diesem Lastpunktentsprechende Temperatur.
Die WO 02/18769 Al beschreibt ein Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoff-Direkteinspritzung einer fremdgezündeten, wenigstens zeitweise in einemHomogenmodus betriebenen Verbrennungskraftmaschine. Zu Reduzierung derSchadstoffemission ist vorgesehen, dass der Einspritzzeitpunkt in Abhängigkeit voneiner Temperatur der Verbrennungskraftmaschine gesteuert wird. Bei niedrigenTemperaturen wird dabei der Einspritzzeitpunkt verzögert. Dadurch wird zumEinspritzzeitpunkt der Abstand zwischen der Kolbenoberfläche und demEinspritzventil vergrößert, wodurch dem eingespritztem Kraftstoff mehr Zeit zumVerdampfen bleibt.
Aus der DE 40 27 197 Al ist es bekannt, dass durch Steuerung der Einspritzzeit dieKohlenwasserstoffmenge im Abgas verringert und ein gutes Ansprechverhaltengegenüber einer Beschleunigung oder Verzögerung erreicht werden kann. Dabeiwird der Einspritzzeitpunkt auf der Basis der Motordrehzahl und einesEinspritzzeitpunktes berechnet und auf der Basis der Kühlwassertemperaturkorrigiert.
Bekannte Verfahren verwenden Kennfelder zur Einspritzzeitpunktverstellung instatischen Betriebspunkten, also bei jeweils einer statischen Gaspedalstellung.
Dies ist allerdings nicht ausreichend, um insbesondere im Teillastbetrieb Rußbildungzu vermeiden, da besonders hohe Rußemissionen im transienten Fall, alsobeispielsweise bei plötzlicher Beschleunigung, auftreten.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einerdirekteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine die Emissionen auch imtransienten Betriebsfall zu vermindern.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass überprüft wird, ob ein transienterZustand der Brennkraftmaschine vorliegt und - wenn ein transienterBetriebszustand festgestellt wird - die Strategie der Kraftstoffeinspritzung -vorzugsweise die Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen und/oder die zeitlicheund/oder örtliche Lage der Kraftstoffeinspritzungen und/oder derKraftstoffeinspritzdruck - verändert wird.
Zur Überprüfung des transienten Betriebszustandes kann die zeitliche Änderungzumindest eines die Last der Brennkraftmaschine beschreibenden Parameters derMotorsteuerung, vorzugsweise die relative Last, die den Zylindern zugeführteLuftmasse, der Mitteldruck, und/oder der Gaspedalweg, ermittelt und eintransienter Betriebszustand festgestellt werden, wenn die zeitliche Änderung desParameters >0 ist.
Wird ein transienter Betriebszustand in einem Teillastbereich festgestellt, so kanneine deutliche Reduktion der Rußemissionen durch Verändern der Strategie derEinspritzung erreicht werden.
Die Veränderung der Strategie der Kraftstoffeinspritzung kann beispielsweise inAbhängigkeit der Gaspedalstellung, der zeitlichen Änderung des Gaspedalwegesund/oder der zeitlichen Änderung der Gaspedalbewegung, erfolgten.
Die zeitliche Änderung des Parameters - also die Geschwindigkeit der Änderung desParameters - und/oder die zeitliche Änderung dieser Geschwindigkeit - also dieBeschleunigung der Änderung des Parameters - sind ein Maß für die Bewertung destransienten Zustandes. Die Tendenz zum plötzlichen Partikelausstoß korreliert mitder Änderungsgeschwindigkeit des Parameters.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Geometrie der Brennkraftmaschine,beispielsweise der Hub, der Zylinderdurchmesser, die Pleuellänge und/oder dieKolbengeometrie, vorzugsweise die Form der Kolbenoberfläche, in einer Datenbankabgespeichert werden und die Veränderung des Beginnes der Kraftstoffeinspritzungin Abhängigkeit der Geometrie der Brennkraftmaschine erfolgt.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Kolbenstellung und/oder dieKolbenbewegung ermittelt werden und die Veränderung des Beginnes derKraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit der Kolbenstellung bzw. Kolbenbewegungerfolgt.
Auch die Form des Einspritzstrahles wirkt sich auf die Emissionen aus. Daher kannin weiterer Ausführung der Erfindung die Form des Kraftstoffstrahles ermitteltund/oder abgespeichert werden, wobei die Veränderung des Beginnes derKraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit der Form des Kraftstoffstrahles erfolgt.
Weiters kann die Motortemperatur und/oder die Kühlmitteltemperatur und/oder dieÖltemperatur als Maß für die Bauteiltemperatur ermittelt werden und der Beginnder Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit der Motortemperatur und/oder derKühlmitteltemperatur und/oder der Öltemperatur verändert werden.
Ferner kann auch der Einspritzdruck als Parameter für die Bestimmung derVeränderung der Strategie der Kraftstoffeinspritzung verwendet werden.
Die Strategie der Kraftstoffeinspritzung wird vor allem durch die Anzahl derKraftstoffeinspritzungen, die zeitliche und/oder die lokale Lage derKraftstoffeinspritzungen - insbesondere des Beginnes der Kraftstoffeinspritzung -,und dem Einspritzdruck der Kraftstoffeinspritzung bestimmt.
Wenn ein transienter Zustand festgestellt wird kann der Beginn der - vorzugsweisemehrerer Kraftstoffeinspritzvorgänge pro Zyklus aufweisenden -Kraftstoffeinspritzung, verändert, vorzugsweise verzögert werden.
Weiters kann - wenn ein transienter Zustand festgestellt wird - die Anzahl derEinspritzungen pro Zyklus verändert wird, wobei vorzugsweise die Anzahl derEinspritzungen pro Zyklus erhöht werden.
Schließlich kann auch vorgesehen sein, dass - wenn ein transienter Zustandfestgestellt wird - der Einspritzdruck verändert, vorzugsweise erhöht, wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann weiters vorgesehen sein, dass dieVerzögerung des Beginnes der Kraftstoffeinspritzung mittels eines mathematischesModells berechnet wird, wobei für die Verzögerung At gilt:
At= F (x, dx/dt, d2x/dt2, h, d, TM, pm, pF), wobei x .... die Position des Gaspedals, dx/dt .... die zeitliche Änderung des Gaspedalweges, d2x/dt2 .... die zeitliche Änderung der Gaspedalbewegung, h .... die Kolbenstellung, d .... der Einspritzstrahldurchmessers, TM .... die Motortemperatur, pM der Mitteldruck zumindest eines Zylinders, pF .... der Kraftstoffeinspritzdruck ist .
Die besten Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Verzögerung des Beginnes derKraftstoffeinspritzung zwischen 10° und 50°, vorzugsweise etwa 20° bis 40°Kurbelwinkel beträgt.
In weiterer Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass nach Beendigungdes transienten Zustandes die Strategie der Kraftstoffeinspritzung, vorzugsweiseunter Verwendung einer Abklingfunktion, wieder auf den Normalzustandzurückgeführt wird, wobei vorzugsweise die Abklingfunktion eine Funktion derMotordrehzahl und/oder der Motortemperatur und/oder der Kühlmitteltemperaturist. Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Fig. näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 verschiedene Motorparameter, über der Zeit aufgetragen und
Fig. 2 den Einfluss der Partikelanzahl in Abhängigkeit des Beginnes derKraftstoffeinspritzung.
In Fig. 1 sind das Kraftstoff-Luftverhältnis λ, der Zündzeitpunkt I, die Last L, dieMotordrehzahl n, der Beginn SOI der Kraftstoffeinspritzung, die Partikelanzahl PN,Partikelmasse MSS, Kühlmitteltemperatur Tc, Gang G, Pedalstellung x, und
Fahrzeuggeschwindigkeit vs über der Zeit t aufgetragen. Fig. 2 zeigt diePartikelanzahl PN über dem Beginn SOI der Kraftstoffeinspritzung.
Im mit Pfeilen markierten Zeitbereich t zwischen 250 und 350 Sekunden wurde ineinem transienten Betriebsbereich der Beginn der Kraftstoffeinspritzung um etwa20° Kurbelwinkel KW verzögert, wodurch es zu einer deutlichen Reduzierung derPartikelanzahl PN - im Vergleich zu früheren oder späteren
Kraftstoffeinspritzzeitpunkten kam. Mit LW ist dabei der Bereich der Benetzung desZylinders (liner wetting) und mit PW der Bereich der Benetzung des Kolbens (pistonwetting) mit Kraftstoff bezeichnet. In dem Bereich zwischen den beiden Pfeilenfindet keine oder kaum eine Benetzung statt bzw. wird die Benetzung soweitreduziert, dass die Bauteiltemperatur nicht sinkt.
Nach Beendigung des transienten Zustandes kann die Strategie derKraftstoffeinspritzung unter Verwendung einer Abklingfunktion (decay function)wieder auf den Normalzustand - also dem Kennfeldwert für die sich nach derBeendigung des transienten Zustandes einstellende Last - zurückgeführt werden.Die Abklingfunktion ist vorteilhafterweise eine Funktion der Motoröl- und/oder derKühlmitteltemperatur Tc, sowie der Motordrehzahl n. Dabei wird der geändertenZustand eine gewisse Zeit, eine Anzahl an Einspritzungen, etc. gehalten und dannabgeregelt. Diese Abregelung erfolgt entlang einer Rampe oder einer bestimmtenFunktion, bis die Parameter, die transient geändert wurden, wieder auf denKennfeldwerten liegen.

Claims (22)

  1. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden, fremdgezündetenBrennkraftmaschine, wobei in zumindest einem Motorbetriebsbereich dieStrategie der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit zumindest einesMotorparameters verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass überprüftwird, ob ein transienter Zustand der Brennkraftmaschine vorliegt und - wennein transienter Betriebszustand festgestellt wird - die Strategie derKraftstoffeinspritzung - vorzugsweise die Anzahl der Kraftstoffeinspritzungenund/oder die zeitliche und/oder örtliche Lage der Kraftstoffeinspritzungenund/oder der Kraftstoffeinspritzdruck - verändert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zurÜberprüfung des transienten Betriebszustandes die zeitliche Änderungzumindest eines die Last der Brennkraftmaschine beschreibenden Parametersder Motorsteuerung ermittelt wird und ein transienter Betriebszustandfestgestellt wird, wenn die zeitliche Änderung des Parameters >0 ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zurÜberprüfung des transienten Betriebszustandes die zeitliche Änderung derrelativen Last ermittelt wird und ein transienter Betriebszustand festgestelltwird, wenn die zeitliche Änderung der relativen Last >0 ist.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zurÜberprüfung des transienten Betriebszustandes die zeitliche Änderung derLuftmasse ermittelt wird und ein transienter Betriebszustand festgestellt wird,wenn die zeitliche Änderung der Luftmasse >0 ist.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass zur Überprüfung des transienten Betriebszustandes die zeitlicheÄnderung des Mitteldruckes (pm) ermittelt wird und ein transienterBetriebszustand festgestellt wird, wenn die zeitliche Änderung desMitteldruckes (pm) >0 ist.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass zur Überprüfung des transienten Betriebszustandes die zeitliche Änderung des Gaspedalweges (x) ermittelt wird und ein transienterBetriebszustand festgestellt wird, wenn die zeitliche Änderung desGaspedalweges (x) >0 ist.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,dass zumindest ein Parameter aus der Gruppe Gaspedalweg, relative Last,Luftmasse oder Mitteldruck ermittelt wird und die Strategie derKraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit des Parameters verändert wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieGeschwindigkeit der Änderung des Parameters ermittelt wird und dieVeränderung der Strategie der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit derGeschwindigkeit der Änderung des Parameters erfolgt.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlicheÄnderung der Geschwindigkeit des Parameters ermittelt wird und dieVeränderung der Strategie der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit derzeitlichen Änderung der Geschwindigkeit des Parameters erfolgt.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,dass die Geometrie der Brennkraftmaschine, vorzugsweise der Hub, derZylinderdurchmesser, die Pleuellänge und/oder die Kolbengeometrie,besonders vorzugsweise die Form der Kolbenoberfläche, in einer Datenbankabgespeichert wird und die Veränderung der Strategie derKraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit der Geometrie der Brennkraftmaschineerfolgt.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,dass die Kolbenstellung (h) und/oder die Kolbenbewegung ermittelt wird unddie Veränderung der Strategie der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit derKolbenstellung bzw. Kolbenbewegung erfolgt.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,dass die Form des Kraftstoffstrahles ermittelt und/oder abgespeichert wird dieVeränderung der Strategie der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit der Formdes Kraftstoffstrahles erfolgt.
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,dass die Motortemperatur (TM) und/oder Kühlmittetemperatur (Tc) ermitteltwird und die Strategie der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit derMotortemperatur (TM) und/oder Kühlmitteltemperatur (Tc) verändert wird.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,dass der Mitteldruck (pm) ermittelt wird und die Strategie derKraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit des Mitteldruckes (pm) verändert wird.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet,dass der Kraftstoffeinspritzdruck (pF) ermittelt wird und die Strategie derKraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit des Kraftstoffeinspritzdrucks (pF)verändert wird.
  16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet,dass - wenn ein transienter Zustand festgestellt wird - der Beginn (SOI) derKraftstoffeinspritzung, vorzugsweise mehrerer Kraftstoffeinspritzungen proZyklus, verändert, vorzugsweise verzögert wird.
  17. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass dieVerzögerung des Beginnes (SOI) der Kraftstoffeinspritzung mittels einesmathematisches Modells berechnet wird, wobei für die Verzögerung At gilt: At= F (x, dx/dt, d2x/dt2, h, d, TM, pm, pF), wobei x ..... die Position des Gaspedals, dx/dt .... die zeitliche Änderung des Gaspedalweges, d2x/dt2 .... die zeitliche Änderung der Gaspedalbewegung, h .... die Kolbenstellung, d .... der Einspritzstrahldurchmessers, TM ..... die Motortemperatur, pM ... der Mitteldruck zumindest eines Zylinders, pF .... der Kraftstoffeinspritzdruckes ist.
  18. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet,dass die Verzögerung des Beginnes (SOI) der Kraftstoffeinspritzung zwischenetwa 10° und 50°, vorzugsweise etwa 20° bis 40° Kurbelwinkel (KW) beträgt.
  19. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet,dass - wenn ein transienter Zustand festgestellt wird - die Anzahl derEinspritzungen pro Zyklus verändert wird, wobei vorzugsweise die Anzahl derEinspritzungen pro Zyklus erhöht wird.
  20. 20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet,dass - wenn ein transienter Zustand festgestellt wird - der Einspritzdruckverändert, vorzugsweise erhöht, wird.
  21. 21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet,dass nach Beendigung des transienten Zustandes die Strategie derKraftstoffeinspritzung, vorzugsweise unter Verwendung einer Abklingfunktion,wieder auf den Normalzustand zurückgeführt wird.
  22. 22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass dieAbklingfunktion eine Funktion der Motordrehzahl (n) und/oder derMotortemperatur (TM) und/oder der Kühlmitteltemperatur (Tc) ist.
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