AT515563B1 - Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine Download PDF

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AT515563B1 ATA50210/2014A AT502102014A AT515563B1 AT 515563 B1 AT515563 B1 AT 515563B1 AT 502102014 A AT502102014 A AT 502102014A AT 515563 B1 AT515563 B1 AT 515563B1
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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

Beschreibung [0001] 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, wobei 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 und/oder die zeitliche und/oder örtliche Lage der Kraftstoffeinspritzungen und/oder der Kraftstoffeinspritzdruck - verändert wird.
[0002] Insbesondere bei kaltem Motor kommt es zur Bildung von Rußpartikeln, wenn der eingespritzte Kraftstoff auf der kalten Kolbenoberfläche oder der kalten Zylinderlauffläche auftritt und somit der Kraftstoff nur unvollständig verbrennen kann. Insbesondere kühlt die Oberfläche des Kolbens und/oder der Zylinderbüchse aus, wenn Kraftstoff auf dieser Oberfläche verdampft (Verdampfungswärme wird der Oberfläche entzogen). Nach einem Lastsprung (transienter Betrieb) ist üblicherweise die Oberflächentemperatur höher als vor dem Lastsprung. Allerdings steigt die Oberflächentemperatur bei einem Lastsprung bei Kraftstoffauftrag nur geringer an bzw. sinkt sogar. Erst eine gewisse Zeit nach Abdampfen des Kraftstoffes erwärmt sich die Oberfläche wieder auf die diesem Lastpunkt entsprechende Temperatur.
[0003] Die DE 10 2012 000 697 AI beschreibt ein Steuersystem für einen Motor, welches ein Übergangsbetriebsdetektionsmodul, ein Injektionsbestimmungsmodul und ein Injektionssteuermodul umfasst. Das Übergangsbetriebsdetektionsmodul detektiert, ob der Motor in einem Übergangszustand arbeitet. Auf Grundlage einer verstrichenen Zeit seit einer Kraftstoffanforderung und zumindest eines Motorbetriebsparameters wird vom Injektionsbestimmungsmodul die Anzahl von Kraftstoffinjektionen pro Verbrennungszyklus erhöht und/oder die Periode für jede der Kraftstoffinjektoren eingestellt. Das Injektionssteuermodul steuert eine Kraftstoffinjektion während des Ubergangszustandes auf Grundlage der bestimmten Kraftstoffinjektionen pro Verbrennungszyklus und der eingestellten Perioden.
[0004] Aus der WO 2012/047 191 A ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei bestimmt wird, ob sich die Brennkraftmaschine in einem Übergangsmodus befindet. Die Bestimmung des Übergangsmodus kann dabei auf der Basis der Änderungen des Drehmomentes der Brennkraftmaschine oder der Luftmasse erfolgen.
[0005] Die US 2005 0 145 222 AI offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei ebenfalls festgestellt wird, ob sich die Dieselbrennkraftmaschine in einem transienten Modus befindet. Als Indikator für den transienten Modus wird die Drosselposition oder die Last der Brennkraftmaschine verwendet.
[0006] Die WO 02/18769 AI beschreibt ein Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoff- Direkteinspritzung einer fremdgezündeten, wenigstens zeitweise in einem Homogenmodus betriebenen Verbrennungskraftmaschine. Zu Reduzierung der Schadstoffemission ist vorgesehen, dass der Einspritzzeitpunkt in Abhängigkeit von einer Temperatur der Verbrennungskraftmaschine gesteuert wird. Bei niedrigen Temperaturen wird dabei der Einspritzzeitpunkt verzögert. Dadurch wird zum Einspritzzeitpunkt der Abstand zwischen der Kolbenoberfläche und dem Einspritzventil vergrößert, wodurch dem eingespritztem Kraftstoff mehr Zeit zum Verdampfen bleibt.
[0007] Aus der DE 40 27 197 AI ist es bekannt, dass durch Steuerung der Einspritzzeit die Kohlenwasserstoffmenge im Abgas verringert und ein gutes Ansprechverhalten gegenüber einer Beschleunigung oder Verzögerung erreicht werden kann. Dabei wird der Einspritzzeitpunkt auf der Basis der Motordrehzahl und eines Einspritzzeitpunktes berechnet und auf der Basis der Kühlwassertemperatur korrigiert.
[0008] Bekannte Verfahren verwenden Kennfelder zur Einspritzzeitpunktverstellung in statischen Betriebspunkten, also bei jeweils einer statischen Gaspedalstellung.
[0009] Dies ist allerdings nicht ausreichend, um insbesondere im Teillastbetrieb Rußbildung zu vermeiden, da besonders hohe Rußemissionen im transienten Fall, also beispielsweise bei plötzlicher Beschleunigung, auftreten.
[0010] Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einer direkteinsprit-zenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine die Emissionen auch im transienten Betriebsfall zu vermindern.
[0011] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Kolbenstellung und/oder die Kolbenbewegung ermittelt wird und die Veränderung der Strategie der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit der Kolbenstellung bzw. Kolbenbewegung erfolgt.
[0012] Zur Überprüfung des transienten Betriebszustandes kann die zeitliche Änderung zumindest eines die Last der Brennkraftmaschine beschreibenden Parameters der Motorsteuerung, vorzugsweise die relative Last, die den Zylindern zugeführte Luftmasse, der Mitteldruck, und/oder der Gaspedalweg, ermittelt und ein transienter Betriebszustand festgestellt werden, wenn die zeitliche Änderung des Parameters >0 ist.
[0013] Wird ein transienter Betriebszustand in einem Teillastbereich festgestellt, so kann eine deutliche Reduktion der Rußemissionen durch Verändern der Strategie der Einspritzung erreicht werden.
[0014] Die Veränderung der Strategie der Kraftstoffeinspritzung kann beispielsweise in Abhängigkeit der Gaspedalstellung, der zeitlichen Änderung des Gaspedalweges und/oder der zeitlichen Änderung der Gaspedalbewegung, erfolgten.
[0015] Die zeitliche Änderung des Parameters - also die Geschwindigkeit der Änderung des Parameters - und/oder die zeitliche Änderung dieser Geschwindigkeit - also die Beschleunigung der Änderung des Parameters - sind ein Maß für die Bewertung des transienten Zustandes. Die Tendenz zum plötzlichen Partikelausstoß korreliert mit der Änderungsgeschwindigkeit des Parameters.
[0016] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Geometrie der Brennkraftmaschine, beispielsweise der Hub, der Zylinderdurchmesser, die Pleuellänge und/oder die Kolbengeometrie, vorzugsweise die Form der Kolbenoberfläche, in einer Datenbank abgespeichert werden und die Veränderung des Beginnes der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit der Geometrie der Brennkraftmaschine erfolgt.
[0017] Auch die Form des Einspritzstrahles wirkt sich auf die Emissionen aus. Daher kann in weiterer Ausführung der Erfindung die Form des Kraftstoffstrahles ermittelt und/oder abgespeichert werden, wobei die Veränderung des Beginnes der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit der Form des Kraftstoffstrahles erfolgt.
[0018] Weiters kann die Motortemperatur und/oder die Kühlmitteltemperatur und/oder die Öltemperatur als Maß für die Bauteiltemperatur ermittelt werden und der Beginn der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit der Motortemperatur und/oder der Kühlmitteltemperatur und/oder der Öltemperatur verändert werden.
[0019] Ferner kann auch der Einspritzdruck als Parameter für die Bestimmung der Veränderung der Strategie der Kraftstoffeinspritzung venwendet werden.
[0020] Die Strategie der Kraftstoffeinspritzung wird vor allem durch die Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen, die zeitliche und/oder die lokale Lage der Kraftstoffeinspritzungen - insbesondere des Beginnes der Kraftstoffeinspritzung -, und dem Einspritzdruck der Kraftstoffeinspritzung bestimmt.
[0021] Wenn ein transienter Zustand festgestellt wird kann der Beginn der - vorzugsweise mehrerer Kraftstoffeinspritzvorgänge pro Zyklus aufweisenden - Kraftstoffeinspritzung, verändert, vorzugsweise verzögert werden.
[0022] Weiters kann - wenn ein transienter Zustand festgestellt wird - die Anzahl der Einspritzungen pro Zyklus verändert wird, wobei vorzugsweise die Anzahl der Einspritzungen pro Zyklus erhöht werden.
[0023] Schließlich kann auch vorgesehen sein, dass - wenn ein transienter Zustand festgestellt wird - der Einspritzdruck verändert, vorzugsweise erhöht, wird.
[0024] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann weiters vorgesehen sein, dass die Verzögerung des Beginnes der Kraftstoffeinspritzung mittels eines mathematisohes Modells berechnet wird, wobei für die Verzögerung At gilt:
At= F (x, dx/dt, h, d, Tm, Pm, Pf), wobei X .... die Position des Gaspedals, dx/dt .... die zeitliehe Änderung des Gaspedalweges, d^/dt^ .... die zeitliehe Änderung der Gaspedalbewegung, h ... die Kolbenstellung, d ... der Einspritzstrahldurchmessers,
Tm .... die Motortemperatur,
Pm .... der Mitteldruck zumindest eines Zylinders,
Pf .... der Kraftstoffeinspritzdruck ist.
[0025] Die besten Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Verzögerung des Beginnes der Kraftstoffeinspritzung zwisohen 10° und 50°, vorzugsweise etwa 20° bis 40° Kurbelwinkel beträgt.
[0026] In weiterer Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass nach Beendigung des transienten Zustandes die Strategie der Kraftstoffeinspritzung, vorzugsweise unter Venwendung einer Abklingfunktion, wieder auf den Normalzustand zurückgeführt wird, wobei vorzugsweise die Abklingfunktion eine Funktion der Motordrehzahl und/oder der Motortemperatur und/oder der Kühlmitteltemperatur ist. Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Fig. näher erläutert. Es zeigen: [0027] Fig. 1 versohiedene Motorparameter, über der Zeit aufgetragen und [0028] Fig. 2 den Einfluss der Partikelanzahl in Abhängigkeit des Beginnes der Kraftstoffe inspritzung.
[0029] In Fig. 1 sind das Kraftstoff-Luftverhältnis λ, der Zündzeitpunkt I, die Last L, die Motor-drehzahl n, der Beginn SOI der Kraftstoffeinspritzung, die Partikelanzahl PN, Partikelmasse MSS, Kühlmitteltemperatur Tc, Gang G, Pedalstellung x, und Fahrzeuggesohwindigkeit vs über der Zeit t aufgetragen. Fig. 2 zeigt die Partikelanzahl PN über dem Beginn SOI der Kraftstoffeinspritzung.
[0030] Im mit Pfeilen markierten Zeitbereich t zwischen 250 und 350 Sekunden wurde in einem transienten Betriebsbereich der Beginn der Kraftstoffeinspritzung um etwa 20° Kurbelwinkel KW verzögert, wodurch es zu einer deutlichen Reduzierung der Partikelanzahl PN - im Vergleich zu früheren oder späteren Kraftstoffeinspritzzeitpunkten kam. Mit LW ist dabei der Bereioh der Benetzung des Zylinders (liner wetting) und mit PW der Bereich der Benetzung des Kolbens (piston wetting) mit Kraftstoff bezeichnet. In dem Bereich zwischen den beiden Pfeilen findet keine oder kaum eine Benetzung statt bzw. wird die Benetzung soweit reduziert, dass die Bauteiltemperatur nicht sinkt.
[0031] Nach Beendigung des transienten Zustandes kann die Strategie der Kraftstoffeinspritzung unter Verwendung einer Abklingfunktion (decay function) wieder auf den Normalzustand -also dem Kennfeldwert für die sich nach der Beendigung des transienten Zustandes einstellende Last - zurückgeführt werden. Die Abklingfunktion ist vorteilhafterweise eine Funktion der Motoröl- und/oder der Kühlmitteltemperatur Tc, sowie der Motordrehzahl n. Dabei wird der geänderten Zustand eine gewisse Zeit, eine Anzahl an Einspritzungen, etc. gehalten und dann abgeregelt. Diese Abregelung erfolgt entlang einer Rampe oder einer bestimmten Funktion, bis die Parameter, die transient geändert wurden, wieder auf den Kennfeldwerten liegen.

Claims (21)

  1. Patentansprüche
    1. Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wobei in zumindest einem Motorbetriebsbereich die Strategie der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit zumindest eines Motorparameters verändert wird, wobei 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 und/oder die zeitliche und/oder örtliche Lage der Kraftstoffeinspritzungen und/oder der Kraftstoffeinspritzdruck - verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstellung (h) und/oder die Kolbenbewegung ermittelt wird und die Veränderung der Strategie der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit der Kolbenstellung bzw. Kolbenbewegung erfolgt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überprüfung des transienten Betriebszustandes die zeitliche Änderung zumindest eines die Last der Brennkraftmaschine beschreibenden Parameters der Motorsteuerung ermittelt wird und ein transienter Betriebszustand festgestellt wird, wenn die zeitliche Änderung des Parameters >0 ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überprüfung des transienten Betriebszustandes die zeitliche Änderung der relativen Last ermittelt wird und ein transienter Betriebszustand festgestellt wird, wenn die zeitliche Änderung der relativen Last >0 ist.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überprüfung des transienten Betriebszustandes die zeitliche Änderung der Luftrnasse 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 zeitliche Änderung des Mitteldruckes (pm) ermittelt wird und ein transienter Betriebszustand festgestellt wird, wenn die zeitliche Änderung des Mitteldruckes (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 transienter Betriebszustand festgestellt wird, wenn die zeitliche Änderung des Gaspedalweges (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 der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit des Parameters verändert wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Änderung des Parameters ermittelt wird und die Veränderung der Strategie der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Änderung des Parameters erfolgt.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Änderung der Geschwindigkeit des Parameters ermittelt wird und die Veränderung der Strategie der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit der zeitlichen 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, der Zylinderdurchmesser, die Pleuellänge und/oder die Kolbengeometrie, besonders vorzugsweise die Form der Kolbenoberfläche, in einer Datenbank abgespeichert wird und die Veränderung der Strategie der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit der Geometrie der Brennkraftmaschine erfolgt.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Kraftstoffstrahles ermittelt und/oder abgespeichert wird die Veränderung der Strategie der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit der Form des Kraftstoffstrahles erfolgt.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Motortemperatur (Tm) und/oder Kühlmittetemperatur (Tc) ermittelt wird und die Strategie der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit der Motortemperatur (Tm) und/oder Kühlmitteltemperatur (Tc) verändert wird.
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitteldruck (pm) ermittelt wird und die Strategie der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit des Mitteldruckes (Pm) verändert wird.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffeinspritzdruck (pf) ermittelt wird und die Strategie der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit des Kraftstoffeinspritzdrucks (Pf) verändert wird.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass - wenn ein transienter Zustand festgestellt wird - der Beginn (SOI) der Kraftstoffeinspritzung, vorzugsweise mehrerer Kraftstoffeinspritzungen pro Zyklus, verändert, vorzugsweise verzögert wird.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerung des Beginnes (SOI) der Kraftstoffeinspritzung mittels eines mathematisches Modells berechnet wird, wobei für die Verzögerung At gilt: At= F (x, dx/dt, dVdt^, h, d, Tm, Pm, Pf), wobei X .... die Position des Gaspedals, dx/dt .... die zeitliche Änderung des Gaspedalweges, d^/dt^ .... die zeitliche Änderung der Gaspedalbewegung, h ... die Kolbenstellung, d ... der Einspritzstrahldurchmessers, Tm.... die Motortemperatur, Pm .... der Mitteldruck zumindest eines Zylinders, Pf .... der Kraftstoffeinspritzdruck ist.
  17. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerung des Beginnes (SOI) der Kraftstoffeinspritzung zwischen etwa 10° und 50°, vorzugsweise etwa 20° bis 40° Kurbelwinkel (KW) beträgt.
  18. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass - wenn ein transienter Zustand festgestellt wird - die Anzahl der Einspritzungen pro Zyklus verändert wird, wobei vorzugsweise die Anzahl der Einspritzungen pro Zyklus erhöht wird.
  19. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass - wenn ein transienter Zustand festgestellt wird - der Einspritzdruck verändert, vorzugsweise erhöht, wird.
  20. 20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass nach Beendigung des transienten Zustandes die Strategie der Kraftstoffeinspritzung, vorzugsweise unter Venwendung einer Abklingfunktion, wieder auf den Normalzustand zurückgeführt wird.
  21. 21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Abklingfunktion eine Funktion der Motordrehzahl (n) und/oder der Motortemperatur (Tm) und/oder der Kühlmitteltemperatur (Tc) ist.
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