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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
mit einer Kraftstoff-Direkteinspritzung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind auch eine Vorrichtung zur Kraftstoff-Direkteinspritzung
und ein Steuergerät
zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Es
ist bekannt, beim Start einer Brennkraftmaschine, während die
Kurbelwelle auf die Startdrehzahl hochläuft, Kraftstoff einzuspritzen,
um die Oberflächen
des Brennraums zu benetzen und gleichzeitig ein zündfähiges Gemisch
für die
erste Verbrennung bereit zustellen. Insbesondere bei einem Kaltstart
bei tiefen Temperaturen können
sehr große
Kraftstoffmengen an den relevanten Oberflächen kondensieren und stehen
einer nachfolgenden Verbrennung nicht zur Verfügung. Die Einspritzmenge muss
in Richtung tiefer Temperaturen immer weiter erhöht werden, um einen sicheren
Start der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.
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Aus
der
DE 197 41 966 ist
bereits ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine
bekannt, bei dem während
der ersten Drehbewegungen der Kurbelwelle beim Starten der Brennkraftmaschine
Kraftstoff vorab eingespritzt wird. Die Vorabeinspritzung erfolgt
in einer ersten Gruppe von Zylindern zeitgleich und in einer zweiten
Gruppe zeitlich versetzt. Zur Ermittlung des Einspritzbeginns wird,
so lange noch keine Synchronisation des Kurbelwellewinkels vorliegt,
von einem Startwinkel ausgegangen, der mit Hilfe eines Nockenwellensignals
ermittelt wird.
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Aus
der
DE 100 56 863 ist
ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff während der Startphase einer
Brennkraftmaschine bekannt, bei dem zum Aufbau eines Wandfilms in
den Zylindern und gleichzeitiger Bereitstellung eines zündfähigen Gemisches
für die
erste Verbrennung sogenannte Vorabeinspritzer nach einer bestimmten
Strategien abgesetzt werden. Um zu vermeiden, dass die Vorabfüllungen
während der
Startphase zu fett oder zu mager sind, werden bei dem Verfahren
die Kraftstoffmengen der Vorabeinspritzung in Abhängigkeit
von den zu erwartenden Füllungen
der betreffenden Zylinder unterschiedlich groß gewählt.
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Den
aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist gemeinsam, dass
für die
Vorabeinspritzung der Start der Brennkraftmaschine und insbesondere
die Bewegung der Kurbel- bzw. Nockenwelle bereits begonnen hat.
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Des
Weiteren liegt während
der Voreinspritzungen einer Brennkraftmaschine typischer Weise keine
Synchronisation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle vor, so dass
die Positionen der Kolben und insbesondere die vorliegenden Arbeitstakte
unbekannt sind. Soll während
des Starts dennoch eine Einspritzung erfolgen, so müssen die
aktuell vorliegenden Arbeitstakte der einzelnen Zylinder mit zusätzlichem
Aufwand anhand geeigneter Methoden ermittelt werden.
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Weiterhin
ist es üblich,
Hochdruckpumpen und auch Einspritzdüsen für den Kraftstoffmengenbedarf
der Brennkraftmaschine in der Volllast auszulegen. Mit dieser Auslegung
können
für sehr
niedrige Temperaturen die notwendigen Kraftstoffmengen in der zur
Verfügung
stehenden Zeit nicht mehr eingespritzt werden. Dies führt beispielsweise
zu einem Druckeinbruch im Kraftstoffsystem insbesondere im Druckspeicher
und erschwert einen Start der Brennkraftmaschine oder macht ihn
unmöglich.
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Insbesondere
Einspritzdüsen
für Hochdruckeinspritzungen
weisen einen geringen Querschnitt auf, wodurch die Kraftstoffmenge,
die maximal eingespritzt werden kann, gegenüber Niederdrucksystem stark
eingeschränkt
wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, dass Kraftstoff während
einer Startphase einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird und
die Einspritzung bereits erfolgt, bevor die Kurbelwelle in Bewegung
ist. Weiterhin ist es von Vorteil, dass zum Zeitpunkt einer erfindungsgemäßen Einspritzung
die Synchronisation der Kurbelwelle mit Nockenwelle nicht zwingend
bekannt sein muss. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass, während die
Brennkraftmaschine stillsteht, die erfindungsgemäße Einspritzung nicht durch
eine zeitliche Länge
eines Arbeitstaktes, wie sie im Betrieb der Brennkraftmaschine vorgegeben
ist, beschränkt
ist und solange erfolgen kann, bis eine ausreichende Kraftstoffmenge
in einen jeweiligen Brennraum eingebracht ist. Dieses Vorgehen ist
insbesondere bei Einspritzsystemen mit hohen Systemdrücken und geringen
Querschnitten der Hochdruckeinspritzventile von Vorteil, da bei
diesem Einspritzsystem und Vorliegen tiefer Temperaturen und entsprechend
kalter Brennraumoberflächen
die Kraftstoffmenge, die bei einem üblichen Start eingespritzt
wird, in der Regel nicht ausreicht, um den Startvorgang optimal
einzuleiten.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch
angegebenen Verfahrens möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist es, den Kraftstoff bei stillstehender Brennkraftmaschine
in jeden Zylinder einzuspritzen, so dass in jedem Zylinder eine ausreichend
hohe Kraftstoffmenge vorgelegt ist, die den nachfolgenden Start
der Brennkraftmaschine erleichtert.
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Weiterhin
ist es vorgesehen, dass bei stillstehender Brennkraftmaschine ein
Kraftstoffdruck aufgebaut wird und die Kraftstoffeinspritzung mit
dem aufgebauten Kraftstoffdruck erfolgt. Dieses Vorgehen hat den
Vorteil, dass die Einspritzung mit dem jeweils vorliegenden und
möglichen
Kraftstoffdruck erfolgen kann, ohne dass bspw. auf einen höheren Kraftstoffdruck,
der ggf. durch eine zweite Kraftstoffpumpe zu erzeugen wäre, gewartet
werden muss.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist ein Steuergerät zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine vorgesehen, dass zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
programmiert ist und erlaubt so eine Erfassung und Auswertung von
Betriebsbedingungen und weiteren Einflussgrößen anhand derer eine erfindungsgemäße Steuerung
der Einspritzventile erfolgen kann.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Vorrichtung zur Kraftstoff-Direkteinspritzung
mit mindestens einer Kraftstoffpumpe und mindestens einem Einspritzventil
pro Zylinder vorgesehen, wobei eine Kraftstoffpumpe auch bei stillstehender
Brennkraftmaschine eine Kraftstoffförderung erlaubt, dadurch gekennzeichnet,
dass während
die Brennkraftmaschine stillsteht Kraftstoff in mindestens einen
Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt wird und dann ein Start
erfolgt.
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Zeichnungen
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Dabei bilden
alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination
den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung
in den Patentansprüchen
oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig von
ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in
den Zeichnungen.
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Es
zeigt:
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1 schematisch
eine Vorrichtung zur Kraftstoff-Direkteinspritzung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
sind sowohl für
Diesel- als auch für
Benzin-Brennkraftmaschine einsetzbar. Sofern in der folgenden Beschreibung
der Einfachheit halber auf eine Benzin-Direkteinspritzung Bezug
genommen ist, ist eine Diesel-Direkteinspritzung mit umfasst.
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Weiterhin
ist das erfindungsgemäße Verfahren
sowohl für
Niederdruck-Kraftstoffzuführsysteme als
auch für
Hochdruck-Kraftstoffzuführsysteme
anwendbar, wobei die Kraftstoffzuführsysteme mindestens eine Kraftstoffpumpe
umfassen, die unabhängig vom
Betriebszustand der Brennkraftmaschine betrieben werden kann.
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Es
ist bekannt, dass bei tiefen Umgebungs-Temperaturen und einer entsprechend
abgekühlten
Brennkraftmaschine der beim Start eingespritzte Kraftstoff zu einem
großen
Teil an den Oberflächen
im Brennraum kondensiert. Beispielsweise wird für einen Start bei – 30°C bis zu
16mal mehr Kraftstoff benötigt
als für
einen Betrieb in der Volllast.
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Die
Erfindung geht von der Überlegung
aus, die während
eines Starts benötigte
zusätzliche
Kraftstoffmenge – bspw.
aufgrund tiefer Temperaturen – vor
dem Start der Brennkraftmaschine einzuspritzen.
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In 1 ist
beispielhaft eine Vorrichtung 1 zur Kraftstoff-Direkteinspritzung
einer Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine gezeigt. Die Vorrichtung
1 weist eine erste Kraftstoffpumpe 10 auf, mit der Kraftstoff
aus einem Kraftstofftank 50 in Richtung einer zweiten Kraftstoffpumpe 20 gepumpt
wird. Die erste Kraftstoffpumpe 10 ist dazu geeignet, einen
Niederdruck zu erzeugen. Die zweite Kraftstoffpumpe 20 fördert den
Kraftstoff in einen Druckspeicher 30 und erhöht den von
der ersten Kraftstoffpumpe 10 zur Verfügung gestellten Niederdruck
auf einen Hochdruck. Der Druckspeicher 30, häufig auch
als Rail oder Common Rail bezeichnet, ist wiederum mit vier Einspritzventilen 40 verbunden.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung
dient im vorliegenden Beispiel dazu, die Einspritzventile 40 einer
vierzylindrigen Brennkraftmaschine mit ausreichendem Kraftstoff
und notwendigen Kraftstoffdruck zu versorgen, sodass eine zuverlässige Einspritzung und
ein sicherer Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet ist.
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Zur
Förderung
von Kraftstoff auch während des
Stillstands der Brennkraftmaschine ist die erste Kraftstoffpumpe 10 vorzugsweise
als elektrische Kraftstoffpumpe ausgeführt. Die zweite Kraftstoffpumpe
kann zwar auch elektrisch betreibbar ausgeführt sein, ist aber überwiegenden
direkt mit der Kurbelwelle oder einer anderen Welle der Brennkraftmaschine
gekoppelt, sodass beim Stillstand der Brennkraftmaschine kein zusätzlicher
Druck durch die zweite Kraftstoffpumpe 20 aufgebaut wird.
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Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, dass bei Vorliegen eines Startwunsches – beispielsweise durch
Betätigen
des Zündschlüssels und
Wahl der Stellung Zündung – die Startphase
beginnt. Zuerst wird überprüft, welche
Startbedingungen vorliegen. Je nach Startbedingungen, bspw. Warmstart,
Kaltstart, etc. sind unterschiedliche Kraftstoffmengen für den Start
vorzusehen. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, bei einem Warmstart
nur geringe Mengen vorab einzuspritzen oder auf eine Vorabeinspritzung
vollständig
zu verzichten. Bei einem erkannten Kaltstart kann bspw. anhand der
Motortemperatur eine Einspritzmenge bzw. Einspritzstrategie für die Startphase
und den Start der Brennkraftma schine bestimmt werden. Mit Beginn
der Startphase oder ggf. auch schon früher wird die erste Kraftstoffpumpe 10 betrieben,
um einen Druck im Kraftstoffsystem und insbesondere im Druckspeicher 30 und
an den Einspritzventilen 40 aufzubauen. Mit dem vorhandenen
Druck wird dann mindestens ein vorzugsweise jeder Zylinder mit der
ermittelten Kraftstoffmenge befüllt
und dann die Brennkraftmaschine gestartet. Diese Einspritzung kann
alternativ bereits vor Vorliegen des Startwunsches erfolgen. Für die Auslösung dieses
Vorganges kann z.B. ein Türkontaktschalter
verwendet werden.
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Falls
die zweite Kraftstoffpumpe 20 eine Kraftstoffdurchleitung
im Stillstand nicht erlaubt, kann es vorgesehen sein, die zweite
Kraftstoffpumpe in der Startphase mit einer Umwegleitung zu überbrücken.
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Als
Starten oder Anlassen der Brennkraftmaschine soll hier der Zeitraum
aufgefasst werden, bei dem die Kurbelwelle in Bewegung versetzt
wird und die Einspritzung und ggf. Zündung so gesteuert wird, dass
die Brennkraftmaschine in einen selbstständigen Betrieb überführt wird.
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Als
Beginn der Startphase soll hier der Zeitpunkt definiert sein, ab
dem ein Startwunsch vorliegt, also beispielsweise sobald am Zündschloss
die Stellung Zündung
gewählt
ist.
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Zumindest
nach Beginn der Startphase und vor dem Starten oder Anlassen der
Brennkraftmaschine steht die Brennkraftmaschine still, d.h. Kurbelwelle
bzw. Zylinder werden nicht bewegt.
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Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, vor dem Starten der Brennkraftmaschine die erste Kraftstoffpumpe
zu betreiben, um einen Kraftstoffdruck im Druckspeicher 30 aufzubauen.
Dies kann beispielsweise mit Beginn der Startphase, also mit Einschalten
der Zündung
erfolgen oder noch vor dem Beginn der Startphase beispielsweise
bereits beim Öffnen der
Fahrzeugtür
durch einen Kontaktschalter. Es sind jedoch auch weitere Zeitpunkte
und/oder Auslösemechanismen
zur Inbetriebnahme der ersten Kraftstoffpumpe denkbar.
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Vor
dem Start der Brennkraftmaschine wird in der Startphase oder auch
davor, also bei stillstehender Brennkraftmaschine, mindestens in
einen vorzugsweise in jeden Zylinder der Brennkraftmaschine eine
definierte Einspritzmenge mit dem zur Verfügung stehen den Kraftstoffdruck
eingespritzt. Nach dieser sogenannten Vorabeinspritzung erfolgt dann
der Start der Brennkraftmaschine.
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Durch
diese Vorabeinspritzung wird die während des Starts benötigte Kraftstoffmenge
deutlich reduziert. So kann es vorgesehen sein, dass mit der Vorabeinspritzung
die Kraftstoffmenge eingespritzt wird, die für einen vorliegenden Betriebszustand
typischer Weise an den Brennraumwänden kondensiert, so dass für die Einspritzungen
während
des Starts/Anlassens der Brennkraftmaschine nur noch die zum Betrieb
notwendige Kraftstoffmenge berücksichtigt
werden muss.
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Weiterhin
kann es vorgesehen sein, die Vorabeinspritzung so aufzuteilen, dass
ein Teil vor dem Start und ein anderer Teil beim Anlassen der Brennkraftmaschine
eingespritzt wird. Weitere Aufteilungen der Kraftstoffmengen oder
auch Mehrfacheinspritzungen sind denkbar.
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Des
Weiteren hat eine erfindungsgemäße Vorabeinspritzung
den Vorteil, dass eventuell im Druckspeicher oder im Kraftstoffsystem
vorhandene Luft bzw. Luftblasen aus dem Kraftstoffsystem mit der Vorabeinspritzung
ausgeblasen werden. Beim Start der Brennkraftmaschine ist somit
das Kraftstoffsystem blasenfrei und der Druckaufbau erfolgt insbesondere
bei Hochdrucksystemen deutlich schneller, da keine Restluft komprimiert
werden muss.
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Die
bislang gemachten Ausführungen
beziehen sich zwar im Wesentlichen auf ein Hochdruck-Kraftstoffsystem,
sind aber ohne Weiteres auch auf ein Niederdruck-Kraftstoffsystem übertragbar.
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In
einem Niederdruck-Kraftstoffsystem wird in der Regel auf eine zweite
Kraftstoffpumpe verzichtet, so dass der Druck allein durch eine
erste Kraftstoffpumpe aufgebaut wird. Die Vorabeinspritzung erfolgt
dann in entsprechender Weise, wobei jedoch beim Start dann keine
weitere Kraftstoffpumpe hinzugeschaltet wird. Eine weitere Kraftstoff-Druckerhöhung während des
Starts oder im Betrieb ist jedoch denkbar.
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Durch
das erfindungsgemäße Vorgehen reicht
es in vorteilhafter Weise aus, das Kraftstoff-Einspritzsystem insbesondere
die Einspritzdüsen
und Kraftstoffpumpe/-pumpen für
die maximale Kraftstofffördermenge,
die für
den Betrieb in der Volllast benötigt
wird, auszulegen. Die zusätzlichen Kraftstoffanforderungen
werden dann in der Startphase durch das erfindungsgemäße Vorgehen
zur Verfügung
gestellt.
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Weiterhin
kann es vorgesehen sein, zumindest während der Startphase den Druck
im Druckspeicher 30 zu ermitteln und anhand des vorhandenen
Drucks die Zeitdauer der Einspritzung zu bemessen. Auch kann es
vorgesehen sein, erst ab Vorliegen eines bestimmten Kraftstoffdrucks
mit der Vorabeinspritzung zu beginnen.
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Weiterhin
kann es vorgesehen sein, die erste Kraftstoffpumpe für eine bestimmte
Dauer zu betreiben, wobei nach diesem Zeitraum, auch ohne Ermittlung
des Kraftstoffdrucks, davon ausgegangen wird, dass ein ausreichender
Kraftstoffdruck vorliegt, wobei dann eine erfindungsgemäße Vorabeinspritzung mit
einem nachfolgenden Start erfolgt.
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Wenn
die Position der Zylinder und der entsprechenden Arbeitstakte bereits
im Stillstand der Brennkraftmaschine bekannt sind – bspw. über Absolutwinkelgeber
an der Kurbelwelle oder Nockenwelle – so kann es vorgesehen sein,
nur in einem oder zwei Brennräumen
vorab Kraftstoff einzuspritzen, bei dem/denen während des nachfolgenden Starts
der Brennkraftmaschine zuerst eine Zündung erfolgt.
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Die
Position der Kurbelwelle beim Start kann bspw. auch dadurch bekannt
sein, wenn nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine die letzte
Position der Kurbelwelle festgehalten wird. Es sollte jedoch sichergestellt
sein, das sich hiernach die Winkelposition de Kurbelwelle nur noch
unwesentlich ändert.
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Weiterhin
kann es vorgesehen sein, dass anhand von Eingangsgrößen wie
bspw. die Umgebungstemperatur, der Motortemperatur und/oder Öltemperatur
oder weiteren Größen eine
Vorabeinspritzmenge bzw. eine Einspritzstrategie ermittelt wird.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, zwischen einem Kaltstart,
Neustart oder Warmstart zu unterscheiden.