Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung von
Kraftstoffeinspritzventilen bei einer Brennkraftmaschine für
ein Kraftfahrzeug, wobei die Brennkraftmaschine wenigstens
einen Brennraum aufweist, in den Kraftstoff von wenigstens
zwei Kraftstoffeinspritzventilen direkt einspritzbar ist,
und wobei die Kraftstoffeinspritzventile unterschiedliche
Einspritzcharakteristika aufweisen. Die Erfindung betrifft
weiterhin ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine sowie
eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Brennraum, mit
wenigstens zwei Kraftstoffeinspritzventilen, mittels derer
Kraftstoff direkt in den Brennraum einspritzbar ist, und
wobei die Kraftstoffeinspritzventile vorzugsweise
unterschiedliche Einspritzcharakteristika aufweisen.
-
Die Erfindung kann beispielsweise im Rahmen einer direkt
einspritzende Benzinbrennkraftmaschine Anwendung finden.
Eine solche direkt einspritzende Benzinbrennkraftmaschine
kann in der Regel in verschiedenen Betriebsarten betrieben
werden. Bei einer homogenen Betriebsart wird der Kraftstoff
während einer Ansaugphase direkt in den Brennraum der
Brennkraftmaschine eingespritzt. Der in den Brennraum
eingespritzte Kraftstoff hat in der anschließenden
Kompressionsphase ausreichend Zeit, sich im Brennraum im
wesentlichen homogen mit der Luft zu vermischen, so dass zum
Zündzeitpunkt ein homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch im
Brennraum vorliegt. Eine weitere mögliche Betriebsart einer
direkt einspritzende Benzinbrennkraftmaschine ist eine
sogenannte Schichtbetriebsart, bei der das Luft-Kraftstoff-
Gemisch im Brennraum geschichtet vorliegt. Bei dieser
Schichtbetriebsart wird der Kraftstoff während der
Kompressionsphase direkt in den Brennraum eingespritzt. Mit
dieser späten Einspritzung während der Kompressionsphase
wird erreicht, dass sich im Bereich der Zündkerze eine
zündfähige Luft-Kraftstoff-Gemischwolke bildet. Im übrigen
Bereich des Brennraums liegt eine im wesentlichen magere,
nicht zündfähige, Luft-Kraftstoff-Mischung vor. Der Vorteil
des Schichtbetriebes liegt darin, dass die insgesamt
eingespritzte Kraftstoffmasse geringer ist als bei einer
entsprechenden homogenen Betriebsart. Die Schichtbetriebsart
gelangt in der Regel bei geringen Lasten und niedrigen
Drehzahlen zum Einsatz, während die homogene Betriebsart für
hohe Lasten und hohe Drehzahlen eingesetzt wird.
-
Die DE 32 03 179 A1 offenbart ein Verfahren zur
Gemischbildung für eine gemischvordichtende
Brennkraftmaschine mit einem Turbolader. Die
Brennkraftmaschine umfasst ein stromaufwärts der
Drosselklappe angeordnetes erstes Kraftstoffeinspritzventil
und ein stromaufwärts eines Verdichters angeordnetes zweites
Kraftstoffeinspritzventil. Durch die Einspritzung
stromaufwärts des Verdichters, der von der Turbine des
Turboladers angetriebenen wird, soll erreicht werden, dass
sich der Kraftstoff möglichst frühzeitig homogen mit der
verdichteten Luft im Saugrohr vermengt. Weiterhin wird durch
die Einspritzung stromaufwärts des Verdichters durch die
Verdampfung des eingespritzten Kraftstoffs eine Kühlung der
Luft und des Verdichters erreicht, wodurch neben der
Verlängerung der Lebensdauer des Verdichters ein höherer
Füllungsgrad der Zylinder und eine Leistungssteigerung
erzielt wird. Im Rahmen der DE 32 03 179 A1 werden vier
mögliche Betriebsweisen der Kraftstoffeinspritzventile
unterschieden:
- 1. Unterhalb der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine
und unterhalb eines vorbestimmten Saugrohrdruckes, der knapp
oberhalb der nicht aufgeladenen Volllast, d. h. am Beginn des
Ladebereiches liegt, wird der Kraftstoff nur unmittelbar
stromaufwärts der Drosselklappe eingespritzt.
- 2. Oberhalb des bestimmten Saugrohrdruckes bei Volllast im
Ladebetrieb erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffes nur
unmittelbar stromaufwärts des Verdichters.
- 3. Bei einer langsamen oder auch schnellen Erhöhung der Last
von einem Betriebspunkt unterhalb des vorbestimmten
Saugrohrdruckes, ausgehend ab dem Erreichen des bestimmten
Saugrohrdruckes, wird die Kraftstoffeinspritzung unmittelbar
stromaufwärts der Drosselklappe nach einer bestimmten
Funktion verringert und in angepasster Weise die
Kraftstoffeinspritzung unmittelbar stromaufwärts des
Verdichters begonnen und im Anschluss derart vergrößert,
dass die Summe der zugeführten Kraftstoffmengen der
erforderlichen Kraftstoffmenge entspricht.
- 4. In umgekehrter Weise soll bei einer Verringerung der Last
von einem Betriebspunkt oberhalb des vorbestimmten
Saugrohrdruckes, ausgehend beim Erreichen des vorbestimmten
Saugrohrdruckes, die Kraftstoffeinspritzung nach einer
bestimmten Funktion von stromaufwärts des Verdichters nach
stromaufwärts der Drosselklappe übergehen.
-
Die EP 07 45 767 A2 offenbart eine direkt einspritzende
Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern. Unter anderem
wird die Möglichkeit offenbart, zwei
Kraftstoffeinspritzventile je Zylinder vorzusehen.
-
Bei einer ersten Ausführungsform sind zwei Injektoren
symmetrisch in der Zylinderwand angeordnet. Der Kraftstoff
wird durch beide Injektoren in den Brennraum eingespritzt,
wobei einer der Injektoren einen größeren Einspritzwinkel
und eine größere Flussrate als der andere Injektor aufweist.
Im Grundsatz wird bei dieser ersten Ausführungsform der
Kraftstoff gleicher Richtung eingespritzt.
-
Eine zweite Ausführungsform zeigt zwei Injektoren, die
Kraftstoff in verschiedene Richtungen einspritzen. Hierbei
ist die Strahlrichtung des einen Injektors in Richtung auf
die Zündkerze im Zylinderkopf ausgerichtet, während die
Strahlrichtung des anderen Injektors in Richtung auf den
Kopf des Kolbens ausgerichtet ist.
-
Eine dritte Ausführungsform zeigt zwei Injektoren, die
unsymmetrisch in der Zylinderwand angeordnet sind. Die
Einspritzrichtung der beiden Injektoren ist auf den
Brennraummittelpunkt gerichtet, wobei von den Injektoren aus
gesehen in Verlängerung des Mittelpunkts des Brennraums der
Luftauslass angeordnet ist.
-
Eine vierte Ausführungsform zeigt zwei Injektoren in einer
Zylinderwand, die jeweils gleichzeitig ein Teil des
Kraftstoffs in Richtung auf die Zündkerze und ein Teil des
Kraftstoffs in Richtung auf den Kolben einspritzen.
-
Alle vier Ausführungsformen der EP 07 45 767 A2 sind am
Beispiel einer ventillosen, nach dem Zwei-Takt-Prinzip
arbeitenden, Brennkraftmaschine erläutert worden.
-
Aufgabe, Vorteile und Lösung
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren
zur Ansteuerung von Kraftstoffeinspritzventilen bei einer
Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug flexibler,
verbrauchsärmer und emissionsoptimiert zu gestalten.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ansteuerung
von Kraftstoffeinspritzventilen bei einer Brennkraftmaschine
für ein Kraftfahrzeug, wobei die Brennkraftmaschine
wenigstens einen Brennraum aufweist, in den Kraftstoff von
wenigstens zwei Kraftstoffeinspritzventilen direkt
einspritzbar ist, wobei die Kraftstoffeinspritzventile
unterschiedliche Einspritzcharakteristika aufweisen, das
gegenüber dem Stand der Technik dadurch weitergebildet ist,
dass die Kraftstoffeinspritzventile betriebspunktabhängig,
unabhängig voneinander angesteuert werden. Durch die
erfindungsgemäße Lösung kann besonders flexibel auf
verschiedene Betriebspunkte der Brennkraftmaschine reagiert
werden. Insbesondere in den Fällen, in denen ein
Einspritzventil mit einer ganz bestimmten
Einspritzcharakteristik einen besonderen Vorteil
hinsichtlich Verbrauch und Emissionen aufweist, bietet das
erfindungsgemäße Verfahren den großen Vorteil, maßgeblich
das besser geeignete Kraftstoffeinspritzventil in diesem
Betriebspunkt unabhängig von dem anderen
Kraftstoffeinspritzventil anzusteuern.
-
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht
vor, dass die Kraftstoffeinspritzventile zeitlich versetzt
angesteuert werden. Hierbei hat es sich als besonders
vorteilhaft herausgestellt, dass die
Kraftstoffeinspritzventile derart zeitlich versetzt
angesteuert werden, dass eine inhomogene, insbesondere
geschichtete Gemischwolke im Brennraum entsteht. Dies kann
beispielsweise ein mageres Hintergrundgemisch und eine
fette, zündfähige Gemischwolke im Bereich einer Zündkerze
sein. Durch diese vorteilhafte Weiterbildung kann die
Gesamtmasse des eingespritzten Kraftstoffs gegenüber einer
Betriebsweise mit einem im Brennraum homogen verteilten,
zündfähigen Gemisch, reduziert werden. Durch die Schichtung
des Kraftstoffs im Brennraum kann weiterhin das
Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert werden.
-
Die bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sieht vor, dass die Kraftstoffeinspritzventile in
Abhängigkeit von einer Betriebsart der Brennkraftmaschine
angesteuert werden. Diese bevorzugte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens basiert auf den möglichen
verschiedenen Betriebsarten einer direkt einspritzenden
Benzinbrennkraftmaschine, die sowohl in einer homogenen
(Lambda = 1) als auch in einer homogen mageren (Lambda > 1) und
in einer geschichteten Betriebsart betrieben werden kann.
Innerhalb der jeweiligen Betriebsart ergibt sich
selbstverständlich weiterhin eine Betriebspunktabhängigkeit,
vorausgesetzt das sich der jeweilige Betriebspunkt im
zulässigen Betriebsbereich einer möglichen Betriebsart
befindet.
-
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Steuergerät für
eine Brennkraftmaschine, mit wenigstens einem Speicher, das
gegenüber dem Stand der Technik dadurch weitergebildet ist,
dass in dem Speicher Programmdaten abgelegt sind die eine
Ausführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen
Verfahrens bewirken.
-
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine
Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Brennraum, mit
wenigstens zwei Kraftstoffeinspritzventilen, mittels derer
Kraftstoff direkt in den Brennraum einspritzbar ist, wobei
die Kraftstoffeinspritzventile unterschiedliche
Einspritzcharakteristika aufweisen, die gegenüber dem Stand
der Technik dadurch weitergebildet ist, dass Mittel
vorgesehen sind, um die Kraftstoffeinspritzventile
betriebspunktabhängig, unabhängig voneinander anzusteuern.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
-
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
-
Fig. 2a zeigt eine erste erfindungsgemäße Ansteuervariante
von zwei Kraftstoffeinspritzventilen,
-
Fig. 2b zeigt eine zweite erfindungsgemäße
Ansteuervariante von zwei Kraftstoffeinspritzventilen und
-
Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit
einem erfindungsgemäßen Steuergerät.
-
Bei Motoren mit Direkteinspritzung wird der Kraftstoff
(Benzin oder Diesel) direkt in den Brennraum eingespritzt.
Entscheidenden Einfluss auf die Gemischaufbereitung im
Brennraum und damit auch Verbrauch, Leistung und Emissionen
hat dabei das Kraftstoffeinspritzventil. Das ideale
Kraftstoffeinspritzventil würde eine veränderliche
Einspritzcharakteristik aufweisen, bei der beispielsweise
der Einspritzwinkel, die Penetration, die Eindringtiefe, die
statische Einspritzmenge oder die Anzahl der Einzelstrahls
variiert werden können. Die Eigenschaften des
Kraftstoffeinspritzventils können dann betriebspunktabhängig
angepasst werden. Bei derzeitigen
Kraftstoffeinspritzventilen ist die Auslegung des
Kraftstoffeinspritzventils immer ein Kompromiss über
verschiedene Betriebspunkte.
-
Besonders wichtig ist die Auslegung des
Kraftstoffeinspritzventils bei direkt einspritzenden
Turbomotoren, da diese bei höherer Leistung eine weit höhere
Kraftstoffmenge als hubraumgleiche Saugmotoren benötigen.
Die Kraftstoffeinspritzmenge im Leerlauf oder bei kleiner
Last entspricht dagegen ungefähr der Einspritzmenge eines
Saugmotors. Dies hat zur Folge, dass
Kraftstoffeinspritzventile für Turbomotoren einen weit
größeren Variationsbereich abdecken müssen. Insbesondere für
großvolumige Turbomotoren mit Benzindirekteinspritzung
werden hohe Anforderungen an die Linearität des
Kraftstoffeinspritzventils und die Einspritzmenge gestellt.
Diese Anforderungen können erfindungsgemäß dadurch erfüllt
werden, dass pro Zylinder bzw. pro Brennraum zwei
Kraftstoffeinspritzventile mit unterschiedlicher
Einspritzcharakteristika verwendet werden, wobei die
Kraftstoffeinspritzventile betriebspunktabhängig, unabhängig
voneinander angesteuert werden.
-
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei wird in einem ersten
Schritt 10 der aktuelle Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
bestimmt. Der Betriebspunkt wird beispielsweise durch die
Drehzahl des Motors, durch die aktuelle Gangstufe, durch den
Momentenwunsch des Fahrers des Kraftfahrzeugs, der über das
"Gaspedal" angefordert wird, die Betriebstemparatur der
Brennkraftmaschine oder auch die Betriebstemparatur eines
Katalysators bestimmt. Ausgehend von dem in Schritt 10
bestimmten Betriebspunkt wird im anschließenden Schritt 11
die entsprechende Betriebsart ausgewählt. Dies kann
beispielsweise über entsprechende Kennfelder erfolgen, die
in einem Speicher eines Motorsteuergerätes abgelegt sind.
Entsprechend der im Schritt 11 ausgewählten Betriebsart
werden im Schritt 12 aus einem im Speicher eines
Steuergerätes der Brennkraftmaschine abgelegten Kennfeld die
entsprechenden Ansteuerdaten für die beiden
Kraftstoffeinspritzventile mit unterschiedlicher
Einspritzcharakteristika bestimmt. Im abschließenden Schritt
13 erfolgt schließlich die entsprechend der Kennfelddaten
nach Schritt 12 bestimmte Ansteuerung der
Kraftstoffeinspritzventile.
-
Fig. 2.a zeigt eine erste mögliche Ansteuervariante des
erfindungsgemäßen Verfahrens. In Fig. 2.a sind die
Ansteuersignalverläufe für zwei Kraftstoffeinspritzventile
20 und 21 dargestellt. Auf der horizontalen Achse ist
hierbei der zeitliche Verlauf dargestellt, während auf der
senkrechten mit Null und Eins die jeweiligen
Ansteuerzustände "keine Ansteuerung" und "Ventil
angesteuert" dargestellt sind. Es ist ersichtlich, dass der
Verlauf des Kraftstoffeinspritzventils 20 insgesamt länger
erfolgt, als der Verlauf des Kraftstoffeinspritzventils 21.
Durch die dargestellte zeitlich versetzte Ansteuerung der
Kraftstoffeinspritzventile kann eine inhomogene Gemischwolke
im Brennraum erzeugt werden. Dadurch kann beispielsweise ein
mageres Hintergrundgemisch erzeugt werden, während im
Bereich der Zündkerze eine fettere Gemischwolke vorhanden
ist. Auf diese Weise liegt im Bereich der Zündkerze ein
zündfähiges Gemisch vor, während das magere
Hintergrundgemisch für sich genommen nicht zündfähig ist.
Eine solche Gemischaufbereitung weist Vorteile bezüglich des
Verbrauchs, der Klopfneigung und Emissionen auf. Bezüglich
des Verbrauchs deswegen, weil es möglich ist, dass die
gesamte eingespritzte Kraftstoffmenge - die Summe der
Einspritzung der Kraftstoffeinspritzventile 20 und 21 -
geringer ist als die Kraftstoffeinspritzmenge, die benötigt
wird, um im gesamten Brennraum ein homogenes, zündfähiges
Kraftstoff-Luftgemisch zu erzeugen. Durch das magere
Hintergrundgemisch nimmt die Klopfneigung ab, während durch
die Gemischschichtung gleichzeitig eine bessere Verbrennung
und somit bessere Emissionswerte gewährleistet sind.
-
Fig. 2.b zeigt eine zweite mögliche Ansteuervariante des
erfindungsgemäßen Verfahrens. In Fig. 2.b sind, analog zu
Fig. 2.a, die Ansteuersignalverläufe für zwei
Kraftstoffeinspritzventile 22 und 23 dargestellt. Auf der
horizontalen Achse ist hierbei wiederum der zeitliche
Verlauf dargestellt, während auf der senkrechten mit Null
und Eins die jeweiligen Ansteuerzustände "keine Ansteuerung"
und "Ventil angesteuert" dargestellt sind. Da beide
Kraftstoffeinspritzventile unterschiedlich voneinander
angesteuert werden können, können beliebige
Mehrfacheinspritzungen vorgenommen werden. Bei
Mehrfacheinspritzungen werden während eines Arbeitsspieles
mehrere Impulse pro Zylinder abgesetzt. Bei der
Benzindirekteinspritzung wird die Mehrfacheinspritzung unter
anderem zur Katalysatoraufheizung benutzt. Bei Dieselmotoren
unter anderem, um das Verbrennungsgeräusch zu mindern.
Aufgrund der Ventildynamik sind bei einem einzigen
Einspritzventil der Mehrfacheinspritzung Grenzen gesetzt.
Zum Beispiel sind zwei zeitlich sehr kurz hintereinander
folgende Impulse nicht möglich. Fig. 2.b zeigt genau diese
mögliche Einspritzvariante bei der Verwendung der
Kraftstoffeinspritzventile 22 und 23. Nach der zeitlich
kürzeren ersten Einspritzung (Voreinspritzung) mit dem
Kraftstoffeinspritzventil 22 erfolgt in sehr kurzem
zeitlichen Abstand eine längere zweite Einspritzung
(Haupteinspritzung) mit dem Kraftstoffeinspritzventil 23.
Bei dieser Ansteuervariante ist es nicht
erfindungswesentlich, ob die Kraftstoffeinspritzventile
unterschiedliche Einspritzcharakteristika aufweisen. Der
wesentliche Vorteil wird auch mit zwei identischen
Kraftstoffeinspritzventilen erreicht.
-
Weitere Ansteuervarianten wären beispielsweise bei
luftverdichtenden Motoren (Turbo oder Kompressor) sinnvoll.
Hier kann durch gleichzeitige Ansteuerung beider
Einspritzventile, insbesondere bei hohen Lasten und
einsetzendem Turbo, die notwendige Einspritzmenge
eingespritzt werden. Mit anderen Worten: reicht die
Einspritzmenge eines Kraftstoffeinspritzventils nicht mehr
aus, so wird das zweite Kraftstoffeinspritzventil zusätzlich
angesteuert. Bei kleinen Lasten wird nur ein
Kraftstoffeinspritzventil angesteuert. Da ein
Kraftstoffeinspritzventil nur rund die Hälfte der maximalen
notwendigen Kraftstoffeinspritzmenge abdecken muss, ist die
Kleinstmengengenauigkeit z. B. im Leerlauf besonders gut.
Insbesondere bei Motoren mit Direkteinspritzung ist während
eines sogenannten Schichtbetriebs das erzeugte Drehmoment
direkt proportional zur eingespritzten Kraftstoffmenge. Der
Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zwei
Kraftstoffeinspritzventilen weist bei diesen Motoren eine
besonders gute Leerlaufeigenschaft auf, da die
Kleinstmengenzumessung besonders präzise ist, was zu
geringen Momentenschwankungen führt.
-
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt
darin, dass die beiden Kraftstoffeinspritzventile mit
unterschiedlicher Einspritzcharakteristika
betriebspunktabhängig, unabhängig voneinander angesteuert
werden können. Werden beispielsweise zwei
Kraftstoffeinspritzventile mit unterschiedlichem
Einspritzwinkel verwendet, so kann das entsprechende
Kraftstoffeinspritzventil gerade in den Betriebsbereichen
aktiviert werden, in denen optimale Ergebnisse erzielt
werden. Durch diese Maßnahme sind Verbrauchsvorteile bzw.
eine Leistungssteigerung von einigen Prozenten möglich.
-
Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit
einem erfindungsgemäßen Steuergerät. Dargestellt ist ein
Brennraum 30, der von einer Zylinderwand 31 umgeben ist.
Innerhalb des Brennraums ist ein Kolben 32 beweglich
angeordnet, der über eine nur teilweise dargestellte
Pneuelstange 33 letztendlich die nicht dargestellte
Kurbelwelle antreibt. Über einen Lufteinlasskanal 34 und ein
Einlassventil 35 gelangt Luft in den Brennraum. Über ein
Auslassventil 36 und ein Luftauslasskanal 37 gelangen die
entsprechende Abgase nach einer Verbrennung aus dem
Brennraum heraus. Im oberen Bereich Brennraums sind
erfindungsgemäß zwei Kraftstoffeinspritzventile 38a und 38b
angeordnet, die unterschiedliche Einspritzcharakteristika
aufweisen. Weiterhin angeordnet ist eine Zündeinrichtung 39.
Sowohl die Kraftstoffeinspritzventile 38a und 38b als auch
die Zündeinrichtung 39 werden entsprechend des
erfindungsgemäßen Verfahrens von einem Motorsteuergerät 40
angesteuert. Selbstverständlich nimmt das Motorsteuergerät
40 weitere Funktionen wahr, von denen hier nur die
erfindungswesentlichen angedeutet sind. Innerhalb des
Steuergerätes 40 sind in der Regel Kennfelder für
verschiedenste Operationen in einem Speicher abgelegt.
-
Im Allgemeinen kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei
einer direkteinspritzenden Dieselbrennkraftmaschine und auch
mit mehr als zwei Kraftstoffeinspritzventilen angewendet
werden. Es liegt weiterhin im Rahmen des erfindungsgemäßen
Verfahrens, dass sich, anders als in den Fig. 2.a und 2.b
dargestellt, mehrere Ansteuerimpulse der verschiedenen
Kraftstoffeinspritzventile überlappen können, bzw. möglich
sind. Ebenso vorteilhaft ist die Möglichkeit, die
Kraftstoffeinspritzventile zeitlich versetzt, nacheinander
anzusteuern: Beispielsweise eine erste Einspritzung mit
einem ersten Kraftstoffeinspritzventil während einer
Ansaugphase und eine zweite Einspritzung mit einem zweiten
Kraftstoffeinspritzventil während einer Kompressionsphase.
Weitere Vorteile sind Stromersparnis bei der Ansteuerung der
Kraftstoffeinspritzventile sowie optimale Anpassung an die
Betriebsarten bei BDE.