DE10056862C1 - Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff während der Startphase einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Beim Start einer Brennkraftmaschine mit Benzineinspritzung werden zum Aufbau eines Wandfilms in den Zylindern und gleichzeitiger Bereitstellung eines zündfähigen Gemischs für die erste Verbrennung sogenannte Vorabeinspritzer (I) abgesetzt. Da zu diesem Zeitpunkt noch keine Synchronisation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle vorhanden ist und die Position der Kolben unbekannt ist, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Reihenfolge der Vorabeinspritzer (I) in Abhängigkeit von im voraus bekannten möglichen Stillstandswinkelpositionen der Brennkraftmaschine bestimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ein­ spritzen von Kraftstoff in eine mehrzylindrige Brennkraftma­ schine.

Es ist bekannt, beim Start eines Ottomotors die Zylinder je einmal mit einem sogenannten Vorabeinspritzer zu versorgen, um die Zylinderwände zu benetzen und gleichzeitig ein zündfä­ higes Gemisch für die erste Verbrennung bereitzustellen. Da zu diesem Zeitpunkt noch keine Synchronisation zwischen No­ ckenwelle und der Kurbelwelle vorhanden und die Position der Kolben unbekannt ist, ist eine gezielte Vorabeinspritzstrate­ gie erforderlich, um den Ausstoß von unverbranntem Kraftstoff und somit die Schadstoffemissionen während des Starts zu mi­ nimieren.

Aus der DE 197 41 966 A1 ist ein sequentielles Kraftstoffein­ spritzverfahren für eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine be­ kannt. Beim Start der Brennkraftmaschine werden Vorabspritzer in die Zylinder abgegeben. Beim Start der Brennkraftmaschine werden die Zylinder in zwei Gruppen eingeteilt. Die Vo­ rabspritzer in die erste Gruppe erfolgen zeitgleich, die Vo­ rabspritzer in die Zylinder der zweiten Gruppe werden in Richtung der Zeitpunkte der normalen sequentiellen Einsprit­ zung hin verzögert. Zur Ermittlung der Vorabspritzbeginnwin­ kel wird, solange noch keine Synchronisation des Kurbelwel­ lenwinkels vorliegt, von einem Startwinkel ausgegangen, der mit Hilfe eines Nockenwellensignals ermittelt wird.

In der DE 43 04 163 A1 ist eine Einrichtung de Steuerung der Kraftstoffeinspritzung bei einer Brennkraftmaschine beschrie­ ben, bei deren Steuergerät unmittelbar nach einschalten der Brennkraftmaschine die Position der Kurbel- und Nockenwelle bekannt ist. Dies wird entweder mit Hilfe eines Absolutgeber­ systems erreicht oder mit Hilfe einer Auslauferkennung, bei der die Winkellage der Kurbel- und Nockenwelle im Stillstand gespeichert wird. Unmittelbar nach Wiedereinschalten der Brennkraftmaschine wird eine phasenrichtige Einspritzung in ein offenes Einlassventil vorgenommen. Nach Drehbeginn werden weitere Einspritzungen in ein oder mehrere offene oder noch geschlossene Einlassventile ausgelöst. Nach erfolgter Syn­ chronisation schaltet das Steuergerät auf die normale Ein­ spritzung um.

Bei einem aus der EP 0 371 158 B1 bekannten Verfahren werden die Zylinder in Abhängigkeit von den beiden unterschiedlichen Pegeln des Nockenwellensignals in eine erste und eine zweite Zylindergruppe unterteilt. Die Zylinder der ersten Gruppe werden unmittelbar nach einer Starterkennung zeitgleich mit den Vorabeinspritzern (Gruppeneinspritzer) versorgt, während die Zylinder der zweiten Gruppe zeitlich verzögert mit den Vorabeinspritzern versorgt werden, und zwar entweder in vor­ bestimmter Reihenfolge oder in normaler sequentieller Reihen­ folge, je nachdem, ob eine Synchronisation zwischen Nocken­ welle und Kurbelwelle bereits stattgefunden hat.

Es hat sich nun gezeigt, dass bei diesem Verfahren in 50% aller Starts nicht alle Vorabeinspritzer für die Zylinder der ersten Gruppe zur Verbrennung kommen, da ein Teil der Vorab­ einspritzer in Abhängigkeit von der Stillstandsposition der Brennkraftmaschine und der Position der Einlassventile auf ein offenes bzw. gerade schließendes Einlassventil trifft. Ein solcher Zustand sollte im Hinblick auf die immer strenger werdenden gesetzlichen Abgasbestimmungen vermieden werden. Eine entsprechende überhöhte Schadstoffemission ließe sich zwar dadurch vermeiden, dass die Vorabeinspritzer erst abge­ setzt werden, wenn die genaue Position und Zuordnung zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle bekannt sind, so dass dann ein "sequentieller Start" durchgeführt werden könnte. Die Folge wäre jedoch ein verzögerter Start.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in eine mehrzy­ lindrige Brennkraftmaschine anzugeben, das einen emissionsop­ timierten Schnellstart der Brennkraftmaschine ermöglicht.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist in Anspruch 1 defi­ niert.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ei­ ne Brennkraftmaschine nach dem Abschalten im ausgekuppelten Zustand immer an bestimmten diskreten Positionen stehen bleibt, wobei die Anzahl der diskreten Positionen über zwei Kurbelwellenumdrehungen (760°) immer der Anzahl der Zylinder entspricht. Im Fall von n Zylindern sind dies somit n Still­ stands-Winkelpositionen.

Beim Start der Brennkraftmaschine sind diese n Stillstands­ winkelpositionen zunächst unbekannt. Mit Hilfe des Nockenwel­ lensignals kann jedoch die Anzahl der unbekannten Still­ stands-Winkelpositionen auf n/2 reduziert werden. Somit kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in Abhängigkeit von dem Nockenwellensignal und den gespeicherten Stillstands- Winkelpositionen ein Zylinder ausgewählt werden, der als ers­ ter mit einem Vorabeinspritzer versorgt wird, während die üb­ rigen Vorabeinspritzer später abgesetzt werden. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen vorbekannten Verfahren werden somit die ersten Zylinder nicht zeitgleich, sondern immer zeitlich versetzt zueinander mit den Vorabeinspritzern versorgt.

Vorzugsweise wird in Abhängigkeit von dem Nockenwellensignal, das eine Unterteilung jedes Arbeitsspiels in zwei Segmente entsprechend zwei aufeinanderfolgenden Kurbelwellenumdrehun­ gen erlaubt, die Stillstands-Winkelpositionen in zwei Gruppen unterteilt, und es wird diejenige Gruppe ermittelt, welche die aktuelle Stillstands-Winkelposition umfasst, an der die Brennkraftmaschine stehengeblieben ist. Vorteilhafterweise wird nur derjenige Zylinder der ersten Gruppe, dessen Ein­ lassventil bei Abgabe des ersten Vorabeinspritzers mit Si­ cherheit geschlossen oder zumindest überwiegend geschlossen ist, als erster mit einem Vorabeinspritzer versorgt.

Um die Reihenfolge der nächsten Vorabeinspritzer zu bestim­ men, wird zweckmäßigerweise der Winkelabstand zwischen der Winkelposition, an der der erste Vorabeinspritzer abgegeben wird, und der Winkelposition des ersten Synchronisationsim­ pulses mit dem Winkelabstand zwischen zwei benachbarten ge­ speicherten Stillstands-Winkelpositionen verglichen und in Abhängigkeit von diesem Vergleich die Reihenfolge der nächs­ ten Vorabeinspritzer bestimmt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird sichergestellt, dass alle Vorabeinspritzer tatsächlich an der Verbrennung teilnehmen, so dass die Schadstoffemissionen, insbesondere die HC-Emissionen auf das Niveau eines sequentiellen Starts sinken. Dennoch ist eine frühe Kraftstoffeinspritzung mög­ lich, so dass das erfindungsgemäße Verfahren einen schnelle­ ren Start gegenüber einem sequentiellen Startverfahren ermög­ licht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Anhand der Zeichnungen wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Brennkraftmaschine in Form eines Ottomotors mit Benzin­ einspritzung;

Fig. 2 und 3 Diagramme, in denen über der Zeit Dreh­ zahl-, Nockenwellen-, Kurbelwellen-, Einspritzventil- und Einlassventil-Signale aufgetragen sind.

Die Fig. 1 zeigt einen schematischen Teilschnitt durch eine Brennkraftmaschine, welche im beschriebenen Ausführungsbei­ spiel zu Veranschaulichungszwecken als Vierzylinder-Ottomotor mit Benzineinspritzung ausgebildet ist.

Der Brennkraftmaschine 3 ist in üblicher Weise ein zentrales elektronisches Steuergerät 1 zugeordnet, das die Zündung, Kraftstoffeinspritzung und andere Vorgänge der Brennkraftma­ schine steuert. Jedem Zylinder 7 ist mindestens ein Einlass­ ventil 6 und mindestens ein Einspritzventil 2 zugeordnet. Das Einspritzventil 2 spritzt Kraftstoff in das Saugrohr unmit­ telbar vor oder auf den Ventilteller des Einlassventils 6 ab.

Der Kurbelwelle 8 ist ein Kurbelwellensensor 4 mit einem ge­ zahnten Geberrad zugeordnet, das ein den Kurbelwellenwinkel darstellendes Kurbelwellensignal CRK (siehe untere Hälfte der Fig. 2 und 3) erzeugt. Der Nockenwelle 5, die die Einlass­ ventile 6 steuert und mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle 8 dreht, ist ein Nockenwellensensor 9 zum Erzeugen eines No­ ckenwellensignals CAM (siehe untere Hälfte der Fig. 2 und 3) zugeordnet. Die Nockenwelle 5 kann mit der Kurbelwelle 8 drehfest verbunden oder auch relativ zu ihr winkelverstellbar sein.

In den Fig. 2 und 3, untere Hälfte, sind jeweils das Kur­ belwellensignal CRK, das Nockenwellensignal CAM und die Drehzahl N über der Zeit aufgetragen. Jeder Impuls des Kurbelwel­ lensignals CRK entspricht einem Zahn des Geberrades, wobei eine doppelte Zahnlücke nach jeweils 60 Zähnen als Synchroni­ sationsimpuls 5 für jeweils eine volle Umdrehung der Kurbel­ welle 8 dient. Das Nockenwellensignal CAM hat zwei unter­ schiedliche Pegel, die zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen der Kurbelwelle zugeordnet sind. Das Nockenwellensignal CAN und das Kurbelwellensignal CRK mit seinen Synchronisationsim­ pulsen S erlauben eine eindeutige Zuordnung der Kurbelwellen­ stellung im Arbeitsspiel.

Das Nockenwellensignal kann auch andere Impuls- und Pegelfor­ men aufweisen; es sollte jedoch gewährleistet sein, dass das Nockenwellensignal eine Unterteilung jedes Arbeitsspiels in zwei Segmente (à 360°) entsprechend zwei aufeinanderfolgenden Kurbelwellenumdrehungen (720°) erlaubt.

Bei normalem Betrieb der Brennkraftmaschine können daher mit Hilfe des Kurbelwellensignals und Nockenwellensignals die Einspritzventile 2 im üblichen sequentiellen Einspritzbetrieb angesteuert und betätigt werden. Beim Start ist jedoch die Kurbelwellenstellung und damit die Stellung der Kolben noch nicht bekannt, und es ist ggfs. auch noch keine Synchronisa­ tion zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle vorhanden. Eine Einspritzung im sequentiellen Einspritzbetrieb ist daher nicht möglich.

Versuche haben nun gezeigt, dass eine Brennkraftmaschine nach dem Abschalten im ausgekuppelten Zustand immer an diskreten Positionen Stehen bleibt. Bei einer Vierzylinder-Brennkraft­ maschine sind dies genau vier Positionen über jeweils 760° der Kurbelwellendrehung. Für das verzahnte Geberrad des Kur­ belwellensensors 4 ergeben sich hierbei beispielsweise immer die Positionen entweder 20 (±7) Zähne oder 50 (±7) Zähne vor einem Synchronisationsimpuls S. Der Winkelabstand zwi­ schen diesen Positionen beträgt somit 180° (±42°). Bei einer Sechszylinder-Brennkraftmaschine ergeben sich in entsprechender Weise als Positionen für das verzahnte Geberrad des Kur­ belwellensensors z. B. 5 oder 25 oder 45 Zähne vor dem nächs­ ten Synchronisationsimpuls S; der Winkelabstand zwischen den Positionen beträgt dann 120°. Generell gilt, dass die Anzahl der Stillstands-Winkelpositionen, an der eine Brennkraftma­ schine Stehen bleibt, der Anzahl der Zylinder entspricht. Im übrigen hat sich gezeigt, dass mit größer werdender Zylinder­ zahl die Stillstands-Winkelpositionen immer diskreter werden.

Der oben geschilderte Sachverhalt wird bei dem erfindungsge­ mäßen Verfahren dazu ausgenutzt, eine optimale Strategie zum Abgeben von Vorabeinspritzern während der Startphase zu ent­ wickeln. Zur Erläuterung dieser Vorabeinspritzstrategie sei zunächst auf Fig. 2 Bezug genommen.

In der unteren Hälfte der Fig. 2 sind neben dem Kurbelwel­ lensignal CRK und dem Nockenwellensignal CAM die Drehzahl N der Brennkraftmaschine über der Zeit aufgetragen. In der obe­ ren Hälfte der Fig. 2 sind für die vier Zylinder 1 bis 4 der Vierzylinder-Brennkraftmaschine die Ansteuersignale IV1-IV4 für die vier Einspritzventile über der Zeit aufgetragen, wo­ bei die vier Vorabeinspritzer I mit I1-I4 bezeichnet sind. Außerdem sind die Ansteuersignale EV1-EV4 für die vier Einlassventile über der Zeit aufgetragen, wobei die Öffnungs­ impulse für die Öffnung der Einlassventile mit E1-E4 be­ zeichnet sind. Außerdem sind in den beiden obersten Zeilen der Fig. 2 die Impulse für den oberen Totpunkt (TDC1-TDC4) der vier Zylinder bzw. den oberen Totpunkt (TDC1) des Zylin­ ders 1 dargestellt.

Wie in Fig. 2 in Zusammenhang mit der Drehzahl angedeutet, ist für den Start der Brennkraftmaschine eine Starterkennung E vorgesehen. Zu diesem Zeitpunkt ist das Nockenwellensignal CAM entweder hoch- oder niederpegelig, im Beispiel der Fig. 2 niederpegelig. Damit können - z. B. wie bei dem eingangs be­ schriebenen Verfahren nach der EP 0 371 158 B1 - die Zylinder 1 bis 4 in zwei Gruppen unterteilt werden (im Beispiel der Fig. 2 in eine erste Gruppe mit den Zylindern 3, 4 und einer zweiten Gruppe mit den Zylindern 1, 2). Außerdem ist hier­ durch auch bekannt, ob die Brennkraftmaschine in den ersten beiden Stillstands-Winkelpositionen oder den zweiten beiden Stillstandspositionen stehengeblieben ist. Anders ausge­ drückt, reduziert sich die Anzahl der unbekannten Still­ stands-Winkelpositionen auf zwei.

Bei dem eingangs beschriebenen vorbekannten Verfahren werden in vorgegebenem Winkelabstand zur Starterkennung E (bei­ spielsweise nach acht erkannten und gültigen Zähnen des Kur­ belwellensensors) die beiden Zylinder 3, 4 der ersten Zylin­ dergruppe zeitgleich mit den Vorabeinspritzern versorgt, wie durch die Vorabeinspritzer I3' und I4 angedeutet ist. Hierbei würde jedoch der Vorabeinspritzer I3' kurz vor Schließen des zugehörigen Einlassventils EV3 abgegeben werden, was zu einer Überfettung des Kraftstoff-Luft-Gemischs und zum Ausstoß un­ verbrannten Kraftstoffs führen würde.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher nach der Starterkennung E nur derjenige Zylinder, dessen Einlassventil mit Sicherheit geschlossen oder überwiegend geschlossen ist, mit dem Vorabeinspritzer versorgt; im Beispiel der Fig. 2 ist dies der Zylinder 4 mit dem Vorabeinspritzer I4. Der Vor­ abeinspritzer I3' wird dagegen, wie durch eine gepunktete Li­ nie P angedeutet, zu diesem Zeitpunkt nicht abgegeben.

Wie bereits erwähnt, ist zum Zeitpunkt der Abgabe des ersten Vorabeinspritzers I4 noch nicht bekannt, ob die Brennkraftma­ schine an der ersten oder zweiten Stillstands-Winkelposition (z. B. 50 oder 20 Zähne vor dem ersten Synchronisationsimpuls S) stehengeblieben ist. Bei dem Beispiel der Fig. 2 ist die Kurbelwelle 20 Zähne vor dem ersten Synchronisationsimpuls S stehengeblieben. Wenn daher nach 28 Zähnen ab Starterkennung E (also 20 Zähne nach dem ersten Vorabeinspritzer I4) bereits der erste Synchronisationsimpuls S aufgetreten ist (was im Beispiel der Fig. 2 der Fall ist), so ist erkennbar, dass die Kurbelwelle 20 Zähne vor dem Synchronisationsimpuls S stehengeblieben war. Sobald der Synchronisationsimpuls S auf­ getreten ist, ist die Brennkraftmaschine synchronisiert, und somit kann eine definierte Reihenfolge der nach dem Synchro­ nisationsimpuls S erfolgenden Vorabeinspritzer von dem zent­ ralen Steuergerät 1 bestimmt werden.

Wie sich dem Diagramm der Fig. 2 entnehmen lässt, wird hier­ durch erreicht, dass sämtliche Vorabeinspritzer I1 bis I4 vor dem Öffnen des zugehörigen Einlassventils E1 bis E4 oder zu­ mindest zu Beginn des Öffnungsvorganges (Einlassventil EV4) abgesetzt werden. Somit können alle Vorabeinspritzer an der Verbrennung teilnehmen, so dass die Schadstoffemissionen durch unverbrannt ausgestoßenen Kraftstoff nicht größer als bei einem Start mit sequentiellem Einspritzbetrieb sind. Da eine Zündung in den vier Zylindern zum frühestmöglichen Zeit­ punkt ermöglicht wird, erlaubt diese Vorabeinspritzstrategie einen Schnellstart der Brennkraftmaschine.

Das Diagramm der Fig. 3 entspricht dem der Fig. 2, abgese­ hen davon, dass zum Zeitpunkt der Starterkennung E das No­ ckenwellensignal CAM hochpegelig ist und die Brennkraftma­ schine 50 (±7) Zähne des Kurbelwellensensors vor dem ersten Synchronisationsimpuls S stehengeblieben ist. Da zum Zeit­ punkt der Starterkennung E das Nockenwellensignal CAM hochpe­ gelig ist, wird die erste Zylindergruppe von den Zylindern 1, 2 und die zweite Zylindergruppe von den Zylindern 3, 4 gebil­ det. In diesem Fall wird (nach acht erkannten und gültigen Zähnen des Kurbelwellensensors) nur der Zylinder 2 mit dem Vorabspritzer I2 versorgt, während der bei dem vorbekannten Verfahren vorgesehene Vorabeinspritzer I1' für den Zylinder 1 weggelassen wird. Da bei diesem Beispiel 28 Zähne nach der Starterkennung E noch kein Synchronisationsimpuls S aufgetre­ ten ist, werden der nächste bzw. die nächsten Vorabeinsprit­ zer mit vorgegebenem Winkelabstand zu der Winkelposition, an der der erste Vorabeinspritzer abgegeben wurde, abgegeben. Sobald der erste Synchronisationsimpuls S aufgetreten ist, kann die Reihenfolge der folgenden Vorabeinspritzer wieder von dem zentralen Steuergerät 1 im sequentiellen Einspritzbe­ trieb bestimmt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in eine mehrzy­ lindrige Brennkraftmaschine mit
mindestens einem Einspritzventil (2) je Zylinder (7),
einer Nockenwelle (5) zur Betätigung der Einlassventile (6), die mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle (8) umläuft,
einem Nockenwellensensor (9), der ein periodisches Nockenwel­ lensignal (CAM) liefert,
einem Kurbelwellensensor (4), der ein den Kurbelwellenwinkel darstellendes Kurbelwellensignal (CRK) mit einem Synchronisa­ tionsimpuls (S) je Kurbelwellenumdrehung liefert, und
einem zentralen Steuergerät (1), das die Einspritzventile (2) so steuert, dass sie während einer Startphase je einen Kraft­ stoff-Vorabeinspritzer (1) pro Zylinder (7) und anschließend von dem Steuergerät (1) ermittelte Kraftstoffmengen im norma­ len sequentiellen Einspritzbetrieb einspritzen,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem zentralen Steuergerät (1) eine der Zylinderanzahl entspre­ chende Anzahl Stillstands-Winkelpositionen der Kurbelwelle (8), an denen die Brennkraftmaschine (3) nach Abschalten im ausgekuppelten Zustand stehen bleibt, gespeichert werden,
und dass während der Startphase die Zylinder (7) in Abhängig­ keit von dem Nockenwellensignal (CAM) und den gespeicherten Stillstands-Winkelpositionen zeitlich nacheinander mit den Vorabeinspritzern (I) versorgt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Nockenwellensignal (CAM) eine Un­ terteilung jedes Arbeitsspiels in zwei Segmente (360°) entsprechend zwei aufeinanderfolgenden Kurbelwellenumdrehungen (720°) erlaubt und dass in Abhängigkeit von dem Nockenwellen­ signal (CAM) die Stillstands-Winkelpositionen in zwei Gruppen unterteilt werden und diejenige Gruppe ermittelt wird, welche die aktuelle Stillstands-Winkelposition umfasst, an der die Brennkraftmaschine stehengeblieben ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass in Abhängigkeit von dem Nockenwellen­ signal (CAM) die Zylinder in eine erste und zweite Gruppe un­ terteilt werden und dass aus der ersten Zylindergruppe in Ab­ hängigkeit von der ermittelten Gruppe der Stillstands- Winkelpositionen ein Zylinder ausgewählt wird, der als erster mit einem Vorabeinspritzer (I) versorgt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass derjenige Zylinder der ersten Gruppe, dessen Einlassventil mit Sicherheit geschlossen oder zumin­ dest überwiegend geschlossen ist, als erster mit einem Vorab­ einspritzer versorgt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Winkelabstand zwischen der Kurbel­ wellen-Winkelposition, an der der erste Vorabeinspritzer (I) abgegeben wird, und der Winkelposition des ersten Synchroni­ sationsimpulses (S) mit dem Winkelabstand zwischen zwei be­ nachbarten gespeicherten Stillstands-Winkelpositionen vergli­ chen wird und in Abhängigkeit von diesem Vergleich die Rei­ henfolge der nächsten Vorabeinspritzer (I) bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Auf­ treten des ersten Synchronisationsimpulses (S) die Reihenfol­ ge der verbleibenden Vorabeinspritzer (I) im sequentiellen Betrieb bestimmt wird.