DE10056863C1 - 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 Gemisches für die erste Verbrennung sogenannte Vorabeinspritzer (I) nach einer bestimmten Vorabeinspritzstrategie abgesetzt. Um zu vermeiden, dass die Vorabfüllungen während der Startphase zu fett oder zu mager sind, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kraftstoffmengen der Vorabeinspritzer (I) in Abhängigkeit von den zu erwartenden Füllungen der betreffenden Zylinder unterschiedlich groß gewählt.

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, bei dessen Start Vorabspritzer an die Zylinder abgege­ ben werden. Beim Start der Brennkraftmaschine werden die Zy­ linder in zwei Gruppen eingeteilt. Die Vorabspritzer in die erste Gruppe erfolgen zeitgleich, die Vorabspritzer in die Zylinder der zweiten Gruppe werden in Richtung der Zeitpunkte der normalen sequentiellen Einspritzung hin verzögert. Zur Ermittlung der Vorabspritzbeginnwinkel wird, solange noch keine Synchronisation des Kurbelwellenwinkels vorliegt, von einem Startwinkel ausgegangen, der mit Hilfe eines Nockenwel­ lensignals ermittelt wird.

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 Vorabeinspritzer für die Zylinder der zweiten Gruppe zeitlich verzögert abgesetzt werden. Hierbei werden die Kraftstoffmengen der Vorabeinspritzer gleich groß gewählt.

Es hat sich nun gezeigt, dass infolge der Gasdynamik im Saug­ rohr die Luftfüllungen der Zylinder bereits beim Start nicht gleich sind. So werden die ersten Zylinder infolge der im Saugrohr stehenden Luftsäule nicht so gut gefüllt wie die nachfolgenden Zylinder, bei denen die Luft im Saugrohr be­ reits eine merkliche Strömungsgeschwindigkeit und entspre­ chende Bewegungsenergie erreicht hat. Die Folge ist, dass die Kraftstoff-Luft-Gemische (Lambda-Werte) der ersten Vorabfül­ lungen fetter als die nachfolgenden Vorabfüllungen sind. Dies führt zu erhöhten Schadstoffemissionen in der Startphase, was insbesondere bei schadstoffoptimierten Brennkraftmaschinen zu vermeiden ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in eine mehrzylind­ rische Brennkraftmaschine anzugeben, bei der in der Startpha­ se Kraftstoff-Luft-Gemische mit unterschiedlichen Lambda- Werten weitgehend vermieden werden.

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

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine Brennkraftmaschine nach dem Abschalten im ausgekuppelten Zustand immer an bestimmten diskreten Positionen stehen bleibt, wobei die Anzahl der diskreten Positionen über zwei Kurbelwellenumdrehungen (760°) der Anzahl der Zylinder ent­ spricht. Im Fall von n Zylindern sind dies somit n Still­ stands-Winkelpositionen, die im übrigen gleiche Winkelabstän­ de relativ zueinander haben. Ferner haben Versuche gezeigt, dass das Drehzahlverhalten der Brennkraftmaschine sowie die zeitliche Zuordnung der Öffnung der Einlassventile zu der Drehzahl während den Startphasen immer ähnlich sind, unabhän­ gig davon, an welcher der diskreten Positionen die Brenn­ kraftmaschine stehen geblieben ist. Somit ergibt sich bei je­ dem Start im wesentlichen die gleiche Folge unterschiedlicher Luftfüllungen für aufeinanderfolgende Vorabeinspritzer.

Dies erlaubt es, die zu erwartenden Luftfüllungen für die aufeinanderfolgenden Vorabeinspritzer abzuschätzen. Die Kraftstoffmengen der Vorabeinspritzer können daher in Abhän­ gigkeit von der Reihenfolge der Vorabeinspritzer und den zu erwartenden Luftfüllungen entsprechend gewählt werden, wobei die zu erwartenden Luftfüllungen nur einmal bestimmt werden müssen und die entsprechenden Werte dann bei jedem Start ver­ wendet werden können. Da die Luftfüllungen in erster Linie von der Drehzahl in der jeweiligen Ansaugphase abhängen, wer­ den die Luftfüllungen vorzugsweise in Abhängigkeit von den zu erwartenden Drehzahlen in den jeweiligen Ansaugphasen be­ stimmt.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Kraftstoffmengen der Vorabeinspritzer durch Multiplikation einer Standardmenge mit jeweils einem Vorabeinspritzer zugeordneten Gewichtungsfakto­ ren bestimmt werden. Wenn auch die Gewichtungsfaktoren abge­ schätzt werden könnten, werden sie zweckmäßigerweise für jede Baureihe einer Brennkraftmaschine experimentell ermittelt und dann im zentralen Steuergerät abgespeichert.

Wie erwähnt, macht sich die vorliegende Erfindung die Tatsa­ che zunutze, dass die Brennkraftmaschine nach dem Abschalten im ausgekuppelten Zustand immer an bestimmten diskreten Posi­ tionen stehen bleibt. Es sei jedoch betont, dass zum Durch­ führen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht erforderlich ist, diese Stillstandspositionen zu kennen. Vielmehr ist es für das erfindungsgemäße Verfahren ausreichend, die Reihen­ folge der Vorabeinspritzer zu kennen, um in Abhängigkeit von diesen die Kraftstoffmengen der Vorabeinspritzer vorzugeben.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, dass be­ reits in der Startphase die Vorabeinspritzer in Mengen abge­ setzt werden, die zumindest näherungsweise für die jeweilige Luftfüllung adäquat sind. Somit werden zu fette oder zu mage­ re Kraftstoffluftgemische vermieden, was eine entsprechende Reduzierung der Schadstoffemissionen zur Folge hat.

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

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Brenn­ kraftmaschine in Form eines Ottomotors mit Benzinein­ spritzung;

Fig. 2 ein Diagramm, in dem über der Zeit Drehzahl-, Nocken­ wellen-, Kurbelwellen-, Einspritzventil- und Einlass­ ventil-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 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 relativ zur Kurbelwelle 8 winkelverstellbar sein, was jedoch für das zu beschreibende Verfahren keineswegs erforderlich ist.

In den Fig. 2 und 3, untere Hälfte, sind jeweils das Kur­ belwellensignal CRK, das Nockenwellensignal CAM und die Dreh­ zahl 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 S für jeweils eine volle Umdrehung der Kurbelwelle 8 dient. Aas Nockenwellensignal CAM hat zwei unter­ schiedliche Pegel, die zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen der Kurbelwelle zugeordnet sind. Das Nockenwellensignal CAM und das Kurbelwellensignal CRK mit seinen Synchronisationsim­ pulsen S erlauben eine eindeutige Zuordnung der Kurbelwellen­ stellung im Arbeitsspiel.

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 gezeigt, dass eine Brennkraftmaschine nach dem Abschalten im ausgekuppelten Zustand immer an diskreten Posi­ tionen stehen bleibt. Bei einer Vierzylinder- Brennkraftmaschine sind dies genau vier Positionen über je­ weils 760° der Kurbelwellendrehung. Für das verzahnte Geber­ rad des Kurbelwellensensors 4 ergeben sich hierbei beispiels­ weise immer die Positionen entweder 20 (±7) Zähne oder 50 (± 7) Zähne vor einem Synchronisationsimpuls S. Der Winkelab­ stand zwischen diesen Positionen beträgt somit 180° (±42°). Bei einer Sechszylinder-Brennkraftmaschine ergeben sich in entsprechender Weise als Positionen für das verzahnte Geber­ rad des Kurbelwellensensors 5 oder 25 oder 45 Zähne vor dem nächsten Synchronisationsimpuls S; der Winkelabstand zwischen den Positionen beträgt dann 120°. Generell gilt, dass die An­ zahl der Stillstands-Winkelpositionen, an der eine Brenn­ kraftmaschine stehen bleibt, der Anzahl der Zylinder ent­ spricht. Im übrigen hat sich gezeigt, dass mit größer werden­ der Zylinderzahl die Stillstands-Winkelpositionen immer dis­ kreter werden.

Ferner haben Versuche gezeigt, dass beim Start einer Brenn­ kraftmaschine das Drehzahlverhalten in Relation zu der Betä­ tigung der Einlassventile immer gleich oder zumindest ähnlich ist, unabhängig davon, aus welcher Position die Brennkraftma­ schine angelassen wurde. Anders ausgedrückt, hat die Drehzahl beim Öffnen des ersten Einlassventils einen ersten Wert, beim Öffnen des zweiten Einlassventils einen zweiten (höheren) Wert, usw., wobei diese Werte bei gleicher Starttemperatur und gleicher Kraftstoffqualität für alle Starts ungefähr gleich bleiben. Hieraus folgt, dass beim Start auch die Luft­ füllungen der nacheinander beaufschlagten Zylinder entspre­ chende Werte haben, die in der Reihenfolge ihrer Beaufschla­ gung wegen der größer werdenden Strömungsgeschwindigkeiten im Saugrohr größer werden, die jedoch für alle Starts im wesent­ lichen gleich sind.

Dieser Sachverhalt lässt sich, wie bereits in der Beschrei­ bungseinleitung geschildert, dazu ausnutzen, die Kraftstoff­ mengen der Vorabeinspritzer in Abhängigkeit von der Reihen­ folge der gesetzten Vorabeinspritzer und den zu erwartenden Luftfüllungen der betreffenden Zylinder bzw. der Drehzahl der Brennkraftmaschine vorzugeben.

In der Praxis geht man zweckmäßigerweise so vor, dass die Kraftstoffmengen der Vorabeinspritzer durch Multiplikation einer Standardmenge mit Gewichtungsfaktoren bestimmt werden. Bei der Bestimmung der Gewichtungsfaktoren müssen natürlich auch andere Betriebseigenschaften der Brennkraftmaschine, insbesondere ein einwandfreies Anlaufverhalten, berücksich­ tigt werden. Die Gewichtungsfaktoren werden daher zweckmäßi­ gerweise für die Brennkraftmaschinen einer Baureihe durch Versuche ermittelt und als feste Werte in das zentrale Steu­ ergerät eingespeichert. Legt man als Standardmenge beispiels­ weise die größtmögliche Kraftstoffmenge eines Vorabeinsprit­ zer fest, so liegen die Gewichtungsfaktoren beispielsweise im Bereich von 0,7 bis 1,0.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich grundsätzlich bei beliebigen Vorabeinspritzstrategien einsetzen, beispielsweise auch bei dem Verfahren nach der eingangs diskutierten EP 0 371 158 B1, bei der die Vorabeinspritzer einer ersten Zylin­ dergruppe zeitgleich und die Vorabeinspritzer der zweiten Zy­ lindergruppe zeitlich verzögert abgesetzt werden. Mit beson­ ders gutem Erfolg wird das erfindungsgemäße Verfahren jedoch bei einer Vorabeinspritzstrategie eingesetzt, bei der sämtli­ che Vorabeinspritzer in zeitlicher Reihenfolge nacheinander abgesetzt werden. Ein Beispiel für eine derartige Vorabein­ spritzstrategie wird im folgenden anhand der Fig. 2 näher erläutert.

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 Ein­ lassventile über der Zeit aufgetragen, wobei die Öffnungsim­ pulse für die Öffnung der Einlassventile mit E1-E4 bezeich­ net 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 Zylinders 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 hierdurch auch bekannt, ob die Brennkraftmaschine in den ersten beiden Stillstands-Winkelpositionen oder den zweiten beiden Stillstandspositionen stehen geblieben ist. Anders ausge­ drückt, reduziert sich die Anzahl der unbekannten Still­ stands-Winkelpositionen auf zwei.

Bei dem vorbekannten Verfahren nach der EP 0 371 158 B1 wer­ den 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 der bevorzugten Vorabeinspritzstrategie wird daher nach der Starterkennung E nur derjenige Zylinder, dessen Einlass­ ventil mit Sicherheit geschlossen oder überwiegend geschlos­ sen ist, mit dem Vorabeinspritzer versorgt; im Beispiel der Fig. 2 ist dies der Zylinder 4 mit dem Vorabeinspritzer I4. Der Vorabeinspritzer I3' wird dagegen, wie durch eine gepunk­ tete Linie 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 (50 oder 20 Zähne vor dem ersten Synchronisationsimpuls S) stehen geblieben ist. Bei dem Beispiel der Fig. 2 ist die Kurbelwelle 20 Zähne vor dem ersten Synchronisationsimpuls S stehen geblieben. 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 stehen geblieben war. Sobald der Synchronisationsimpuls S aufgetreten ist, ist die Brennkraftmaschine synchronisiert, und somit kann eine definierte Reihenfolge der nach dem Syn­ chronisationsimpuls 5 erfolgenden Vorabeinspritzer von dem zentralen Steuergerät 1 bestimmt werden.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ergibt sich bei dieser Vorabein­ spritzstrategie eine definierte Reihenfolge der nacheinander mit Vorabeinspritzern I versorgten Zylinder, im dargestellten Fall Zylinder 4, Zylinder 1, Zylinder 2 und Zylinder 3. Die Kraftstoffmengen der zugehörigen Vorabeinspritzer I4, I1, I2 und I3 werden durch Multiplikation der Standardmenge mit den fest vorgegebenen Gewichtungsfaktoren bestimmt.

Wenn die Brennkraftmaschine an einer der anderen drei mögli­ chen Stillstands-Winkelpositionen stehen geblieben ist, so ändert sich zwar die Reihenfolge der mit den Vorabeinsprit­ zern versorgten Zylinder. Da jedoch das Drehzahlverhalten während der Startphase in Relation zu den Ansaugphasen der nacheinander öffnenden Einlassventile im wesentlichen immer gleich bleibt, können die Kraftstoffmengen der aufeinander­ folgenden Vorabeinspritzer I immer mit Hilfe derselben Ge­ wichtungsfaktoren bestimmt werden.

Bei dem oben beschriebenen Vorabeinspritzverfahren handelt es sich nur um ein Beispiel einer Vorabeinspritzstrategie, bei der das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden kann. Insbesondere sei nochmals hervorgehoben, dass es zum Durch­ führen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht erforderlich ist, die Stillstands-Winkelpositionen der Brennkraftmaschine zu kennen.

Claims (5)

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 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 in einer be­ stimmten Reihenfolge je einen Kraftstoff-Vorabeinspritzer (I) pro Zylinder (7) und anschließend von dem Steuergerät (1) er­ mittelte Kraftstoffmengen im normalen sequentiellen Ein­ spritzbetrieb einspritzen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft­ stoffmengen der Vorabeinspritzer (I) in Abhängigkeit von der Reihenfolge der Vorabeinspritzer (I) und den zu erwartenden Luftfüllungen der betreffenden Zylinder (7) unterschiedlich groß vorgegeben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft­ füllungen in Abhängigkeit von den zu erwartenden Drehzahlen (N) der Brennkraftmaschine (3) während den jeweiligen Ansaug­ phasen der betreffenden Zylinder (7) bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft­ stoffmengen der Vorabeinspritzer (I) durch Multiplikation ei­ ner Standardmenge mit vorgegebenen Gewichtungsfaktoren bestimmt werden, die jeweils einem Vorabeinspritzer (I) zuge­ ordnet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewich­ tungsfaktoren für jeweils eine Baureihe von Brennkraftmaschi­ nen experimentell ermittelt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewich­ tungsfaktoren von dem oder den in der Reihenfolge ersten bis letzten Vorabeinspritzer (I) zunehmend größer werden.