DE102004043595B4 - Method for operating a direct injection internal combustion engine with an exhaust gas recirculation and apparatus for carrying out the method - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine (10) mit einer Abgasrückführung, bei dem in einer ersten Betriebsart (HOM) ein Homogenbetrieb vorgesehen wird, bei welchem Kraftstoff während einer Ansaugphase (70) eingespritzt wird und bei dem in einer zweiten Betriebsart (HSP) ein Homogen-Split-Betrieb mit einer Mehrfacheinspritzung vorgesehen wird, bei welcher Kraftstoff in wenigstens einer ersten Einspritzung während der Ansaugphase (70) und in wenigstens einer zweiten Einspritzung während der Kompressionsphase (71) eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Betriebsart (HOM) eine Erhöhung einer Abgasrückführrate vorgesehen ist, bis eine Brennkraftmaschinen-Betriebskenngröße (KI, n) oder eine Abgaskenngröße (HC) einen vorgegebenen ersten Schwellenwert (60, 62, 64) erreicht und dass beim Erreichen des Schwellenwerts (60, 62, 64) auf die zweite Betriebsart (HSP) umgeschaltet wird.Method for operating a direct-injection internal combustion engine (10) with exhaust gas recirculation, in which homogeneous operation is provided in a first operating mode (HOM), in which fuel is injected during an intake phase (70) and in which in a second operating mode (HSP) Homogeneous split operation with a multiple injection is provided, in which fuel is injected in at least one first injection during the intake phase (70) and in at least one second injection during the compression phase (71), characterized in that in the first operating mode (HOM ) an increase in an exhaust gas recirculation rate is provided until an internal combustion engine operating parameter (KI, n) or an exhaust gas parameter (HC) reaches a predetermined first threshold value (60, 62, 64) and that when the threshold value (60, 62, 64) is reached the second operating mode (HSP) is switched.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von Verfahren zum Betreiben einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.The invention is based on methods for operating a direct injection internal combustion engine with an exhaust gas recirculation and an apparatus for carrying out the method according to the preamble of the independent claims.
Aus der
Die
Aus der
Die
Aus der
Das im Homogenbetrieb bereitgestellte Drehmoment hängt unter anderem von der Stellung der Drosselklappe ab. Im Hinblick auf eine geringe Schadstoffentwicklung der Brennkraftmaschine wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch auf eine Luftzahl Lambda von wenigstens näherungsweise gleich Eins oder in Verbindung mit einer Abgasrückführung auf eine Luftzahl Lambda geringfügig größer als Eins eingestellt.The torque provided in homogeneous operation depends inter alia on the position of the throttle valve. With regard to a low pollutant development of the internal combustion engine, the air-fuel mixture is adjusted to an air ratio lambda of at least approximately one or in connection with an exhaust gas recirculation to an air ratio lambda slightly greater than one.
In einer zweiten Betriebsart, einem so genannten Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine, wird die Drosselklappe weit geöffnet. Der Kraftstoff wird vom Einspritzventil während einer durch den Kolben hervorgerufenen Verdichtungsphase in den Brennraum direkt eingespritzt, und zwar örtlich in die unmittelbare Umgebung der Zündkerze sowie zeitlich in geeignetem Abstand vor dem Zündzeitpunkt. Das im Schichtbetrieb bereitgestellte Drehmoment hängt weitgehend von der eingespritzten Kraftstoffmasse ab.In a second operating mode, a so-called shift operation of the internal combustion engine, the throttle valve is opened wide. The fuel is injected directly from the injection valve during a compression phase caused by the piston in the combustion chamber, locally in the immediate vicinity of the spark plug and in time at a suitable distance before the ignition. The torque provided in shift operation largely depends on the injected fuel mass.
In einer dritten Betriebsart wird eine Kraftstoff-Doppeleinspritzung durchgeführt. Dies stellt eine Kombination des Homogenbetriebs und des Schichtbetriebs dar. Kraftstoff wird in einer ersten Einspritzung während der Ansaugphase und in einer zweiten Einspritzung während der Kompressionsphase eingespritzt. Die dritte Betriebsart dient unter anderem dazu, die Klopfempfindlichkeit der Brennkraftmaschine zu vermindern.In a third mode, a double fuel injection is performed. This is a combination of the homogeneous operation and the stratified operation. Fuel is injected in a first injection during the intake phase and in a second injection during the compression phase. The third mode is used inter alia to reduce the knock sensitivity of the internal combustion engine.
Die Klopfempfindlichkeit der Brennkraftmaschine ist umso geringer, je magerer das Luft-Kraftstoff-Gemisch in einem so genannten Endgasbereich des Brennraums ist. Bei dem Endgasbereich handelt es sich um denjenigen Bereich der gesamten, im Brennraum befindlichen Ladung, der nach der Zündung der Zündkerze noch nicht entzündet worden ist. Im vorliegenden Fall wird von der Zündkerze im Wesentlichen der während der Verdichtungsphase eingespritzte Kraftstoff entzündet, der als Wolke unmittelbar im Bereich der Zündkerze vorhanden ist. Erst danach entzündet sich der außerhalb der Wolke befindliche, während der Ansaugphase eingespritzte Kraftstoff. Vor der Entzündung stellt der homogen im Brennraum verteilte Kraftstoff den vorgenannten Endgasbereich dar.The knock sensitivity of the internal combustion engine is the lower, the leaner the air-fuel mixture is in a so-called tail gas region of the combustion chamber. The tail gas area is that area of the entire charge in the combustion chamber which has not yet been ignited after ignition of the spark plug. In the present case, the spark plug essentially ignites the fuel injected during the compression phase, which is present as a cloud directly in the area of the spark plug. Only then does the fuel located outside the cloud and injected during the intake phase ignite. Before ignition, the fuel homogeneously distributed in the combustion chamber represents the abovementioned tail gas region.
Die dritte Betriebsart kann insbesondere mit der Abgasrückführung kombiniert werden, um die Stickoxid(NOx)-Emissionen der Brennkraftmaschine zu verringern. Eine Abgasrückführung vermindert die NOx-Entstehung bei der Verbrennung des Kraftstoffs in den Zylindern einer Brennkraftmaschine durch die Beimischung von Abgas zu der der Brennkraftmaschine zugeführten Frischluft. Die Abgasrückführung senkt die Spitzentemperatur während des Verbrennungsvorgangs des Kraftstoffs, sodass die Bedingungen für die NOx-Bildung verschlechtert werden. Die Menge des beigemischten Abgases und die Ausdehnung des für die Abgasrückführung in Frage kommenden Motorbetriebsbereichs sind durch die Laufruhe der Brennkraftmaschine begrenzt, da sich mit steigender Abgasrückführrate das Entflammungs- und Durchbrennverhalten bis hin zum Auftreten von Verbrennungsaussetzern verschlechtert. Verbrennungsaussetzer verschlechtern einerseits die Laufruhe der Brennkraftmaschine und erhöhen andererseits unerwünschte Kohlenwasserstoff-Emissionen der Brennkraftmaschine.The third operating mode can be combined in particular with the exhaust gas recirculation in order to reduce the nitrogen oxide (NOx) emissions of the internal combustion engine. Reduced exhaust gas recirculation the formation of NOx in the combustion of the fuel in the cylinders of an internal combustion engine by the admixture of exhaust gas to the fresh air supplied to the internal combustion engine. The exhaust gas recirculation lowers the peak temperature during the combustion process of the fuel, so that the conditions for the formation of NOx are deteriorated. The amount of admixed exhaust gas and the extent of the exhaust gas recirculation candidate engine operating range are limited by the smoothness of the engine, as deteriorated with increasing exhaust gas recirculation rate, the flame and burn through behavior up to the occurrence of combustion misfires. On the one hand, misfires worsen the smooth running of the internal combustion engine and on the other hand increase unwanted hydrocarbon emissions of the internal combustion engine.
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, die das Potenzial der Abgasrückführung weit ausnutzen.The invention has for its object to provide a method for operating a direct injection internal combustion engine with an exhaust gas recirculation and an apparatus for performing the method, which exploit the potential of exhaust gas recirculation far.
Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale gelöst.The object is solved by the features specified in the independent claims.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung geht von einer ersten Betriebsart aus, in der ein Homogenbetrieb vorgesehen wird, bei welchem Kraftstoff während einer Ansaugphase eingespritzt wird. In einer zweiten Betriebsart wird eine Kraftstoff-Mehrfacheinspritzung vorgesehen, bei der Kraftstoff in wenigstens einer ersten Einspritzung während der Ansaugphase und in wenigstens einer zweiten Einspritzung während der Kompressionsphase eingespritzt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in der ersten Betriebsart eine Erhöhung der Abgasrückführrate vorgesehen ist, bis eine Brennkraftmaschinen-Betriebskenngröße oder eine Abgaskenngröße einen vorgegebenen ersten Schwellenwert erreicht und dass beim Erreichen des Schwellenwerts auf die zweite Betriebsart umgeschaltet wird. Im Folgenden wird die erste Betriebsart als Homogenbetrieb bezeichnet.The method according to the invention for operating a direct injection internal combustion engine with an exhaust gas recirculation starts from a first operating mode in which a homogeneous operation is provided, in which fuel is injected during an intake phase. In a second mode of operation, multiple fuel injection is provided in which fuel is injected in at least one first injection during the intake phase and at least one second injection during the compression phase. According to the invention, an increase in the exhaust gas recirculation rate is provided in the first operating mode until an engine operating parameter or an exhaust gas parameter reaches a predefined first threshold value and the system switches over to the second operating mode when the threshold value is reached. In the following, the first operating mode is referred to as homogeneous operation.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht im Rahmen des Homogenbetriebs, in welchem die Brennkraftmaschine das höchste Drehmoment bereitstellen kann, eine Erhöhung der Abgasrückführrate, die insbesondere zu einem Vermindern der NOx-Emissionen der Brennkraftmaschine beiträgt, bis zu einer Grenze erhöht werden kann. Das Erreichen der Grenze wird durch einen Vergleich einer Brennkraftmaschinen-Betriebskenngröße oder einer Abgaskenngröße mit dem ersten Schwellenwert festgestellt.The inventive method allows in the context of the homogeneous operation, in which the internal combustion engine can provide the highest torque, an increase in the exhaust gas recirculation rate, which in particular contributes to reducing the NOx emissions of the internal combustion engine can be increased to a limit. The reaching of the limit is determined by a comparison of an engine operating characteristic or an exhaust gas characteristic with the first threshold value.
Innerhalb des Homogenbetriebs kann der Zündzeitpunkt derart variiert werden, dass trotz einer vergleichsweise hohen Abgasrückführrate dennoch eine rechtzeitige Zündung erfolgen kann, die zum Erreichen eines hohen Drehmoments und eines hohen Wirkungsgrads erforderlich ist.Within the homogeneous operation, the ignition timing can be varied such that, despite a comparatively high exhaust gas recirculation rate, a timely ignition, which is required to achieve high torque and high efficiency, can nevertheless take place.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen.Advantageous developments and refinements of the method according to the invention will become apparent from the dependent claims.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass in der zweiten Betriebsart die Abgasrückführrate erhöht wird, bis eine Brennkraftmaschinen-Betriebskenngröße oder eine Abgaskenngröße einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert erreicht. Die zweiten Schwellenwerte können von den ersten Schwellenwerten abweichen. Die Weiterbildung ermöglicht es, auch im Rahmen der zweiten Betriebsart, die im Folgenden als Homogen-Split-Betrieb bezeichnet wird, die Abgasrückführrate wieder bis zum Erreichen der Grenze zu erhöhen, um auch im Homogen-Split-Betrieb möglichst geringe NOx-Emissionen der Brennkraftmaschine zu erzielen.A refinement provides that in the second mode of operation the exhaust gas recirculation rate is increased until an engine operating parameter or an exhaust gas parameter reaches a predetermined second threshold value. The second thresholds may differ from the first thresholds. The development makes it possible, even in the context of the second operating mode, which is referred to below as homogeneous-split operation, to increase the exhaust gas recirculation rate again until reaching the limit in order to minimize the NOx emissions of the internal combustion engine even in homogeneous-split operation to achieve.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass spätestens mit dem Erreichen des ersten Schwellenwerts ein erster Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine im Homogenbetrieb ermittelt wird. In Verbindung mit der weiteren Maßnahme, dass spätestens mit dem Erreichen des zweiten Schwellenwerts ein zweiter Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine ermittelt wird, kann anhand eines Vergleichs der beiden ermittelten Wirkungsgrade diejenige Betriebsart ausgewählt werden, bei welcher die Brennkraftmaschine unter den gegebenen Bedingungen den höheren Wirkungsgrad aufweist. Mit diesen Maßnahmen wird neben geringstmöglichen NOx-Emissionen ein minimaler Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine zum Bereitstellen eines bestimmten Drehmoments erzielt.An advantageous development provides that at the latest when reaching the first threshold, a first efficiency of the internal combustion engine is determined in the homogeneous operation. In connection with the further measure that a second efficiency of the internal combustion engine is determined at the latest when reaching the second threshold value, that operating mode can be selected based on a comparison of the two determined efficiencies, in which the internal combustion engine has the higher efficiency under the given conditions. With these measures, in addition to the lowest possible NOx emissions, a minimum fuel consumption of the internal combustion engine is achieved in order to provide a specific torque.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass als Brennkraftmaschinen-Kenngröße wenigstens ein Maß für die Laufunruhe vorgesehen wird. Die Laufunruhe der Brennkraftmaschine kann beispielsweise anhand der Auswertung eines ohnehin vorhandenen Drehzahl- und Positionssignals erfolgen. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass als Brennkraftmaschinen-Betriebskenngröße wenigstens ein Maß für das Klopfen vorgesehen wird. Der durch eine klopfende Verbrennung hervorgerufene ungleichmäßige Druckverlauf im Zylinder kann beispielsweise mit einem Klopfsensor erfasst werden. An embodiment provides that at least one measure of the uneven running is provided as the engine characteristic. The uneven running of the internal combustion engine can for example be based on the evaluation of an already existing speed and position signal. Another embodiment provides that at least one measure of the knocking is provided as the engine operating parameter. The uneven pressure curve in the cylinder caused by a knocking combustion can be detected, for example, with a knock sensor.
Beim Erreichen der Laufgrenze der Brennkraftmaschine treten Verbrennungsaussetzer auf, die eine Emission von Kohlenwasserstoffen zur Folge haben. Eine Ausgestaltung sieht deshalb als Abgaskenngröße wenigstens ein Maß für die Kohlenwasserstoff-Konzentration im Abgas vor.Upon reaching the running limit of the internal combustion engine, combustion misfires occur, which result in an emission of hydrocarbons. An embodiment therefore provides at least one measure of the hydrocarbon concentration in the exhaust gas as the exhaust gas parameter.
Weitere Ausgestaltungen betreffen die Abgasrückführung. Gemäß einer ersten Ausgestaltung kann eine externe Abgasrückführung vorgesehen sein, bei der zwischen dem Abgasbereich und Ansaugbereich der Brennkraftmaschine eine Abgasrückführungsleitung vorgesehen ist. Sofern eine variable Ventilsteuerung im Rahmen einer Verstellmöglichkeit einer Nockenwelle oder eine Ansteuerungsmöglichkeit einzelner Ventile vorgesehen ist, kann eine interne Abgasrückführung mit einer variablen Ventilüberschneidungszeit vorgesehen werden.Further embodiments relate to the exhaust gas recirculation. According to a first embodiment, an external exhaust gas recirculation can be provided, in which an exhaust gas recirculation line is provided between the exhaust gas region and the intake region of the internal combustion engine. If a variable valve control is provided as part of an adjustment of a camshaft or a control option individual valves, an internal exhaust gas recirculation can be provided with a variable valve overlap time.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens betrifft zunächst ein Steuergerät, das zur Durchführung des Verfahrens hergerichtet ist.The device according to the invention for carrying out the method initially relates to a control device which is prepared for carrying out the method.
Das Steuergerät enthält insbesondere eine Wirkungsgrad-Ermittlung und eine Betriebsartenumschaltung.The control unit contains in particular an efficiency determination and a mode changeover.
Das Steuergerät enthält vorzugsweise wenigstens einen elektrischen Speicher, in dem die Verfahrensschritte als Computerprogramm abgelegt sind.The control unit preferably contains at least one electrical memory in which the method steps are stored as a computer program.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.Further advantageous developments and refinements of the procedure according to the invention emerge from further dependent claims and from the following description.
Zeichnungdrawing
Die Brennkraftmaschine
Der Luftsensor
Die Steuerung
Der Klopfbewertung
Im Abgasbereich treten ein NOx-Massenstrom dmNOx sowie ein Kohlenwasserstoffstrom dmHC auf. Zwischen dem Abgasbereich
In einer ersten Abfrage
Im anschließenden sechsten Funktionsblock
In einer dritten Abfrage
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet folgendermaßen:
Die Steuerung
The
Ausgegangen wird zunächst von der Anforderung eines verbrauchsoptimalen Betriebs der Brennkraftmaschine
Die Ansaugphase
Während des Homogenbetriebs HOM wird eine Erhöhung der Abgasrückführrate gemäß dem zweiten Funktionsblock
Die Abgasrückführung vermindert weiterhin die Verbrennungsgeschwindigkeit. Um eine verbrauchsoptimale Verbrennungsschwerpunktlage zu gewährleisten, muss daher der Zündzeitpunkt in Richtung früh verschoben werden.The exhaust gas recirculation further reduces the combustion speed. In order to ensure a combustion point location that is optimal for consumption, therefore, the ignition timing must be shifted in the direction of early.
Die Erhöhung der Abgasrückführrate kann im Homogenbetrieb bis beispielsweise 30% durchgeführt werden. Mit einer weiteren Erhöhung der Abgasrückführrate steigt die Laufunruhe der Brennkraftmaschine, die sich zunächst durch stochastische Schwankungen der erzeugten mechanischen Leistung bis hin zum Auftreten von Verbrennungsaussetzern äußert.The increase in the exhaust gas recirculation rate can be carried out in homogeneous operation until, for example, 30%. With a further increase in the exhaust gas recirculation rate increases the rough running of the internal combustion engine, which is initially stochastic Fluctuations in the generated mechanical power up to the occurrence of misfires expresses.
In der ersten Abfrage
Verbrennunngsaussetzer beeinflussen den Kohlenwasserstoffstrom dmHC aufgrund des Auftretens von unverbranntem Kraftstoff im Abgasbereich
Falls einer der ersten Schwellenwerte
Mit dem Übergang zur wenigstens doppelten Kraftstoffeinspritzung ergibt sich im Schichtladungsbereich eine verbesserte Zündsicherheit durch bessere Entflammungseigenschaften. Die optimale Verbrennungsschwerpunktlage kann bei einer höheren Abgasrückführrate als im Homogenbetrieb HOM bei noch akzeptabler Laufruhe der Brennkraftmaschine
Im Homogen-Split-Betrieb HSP ist gemäß dem sechsten Funktionsblock
Um der Forderung nach einem verbrauchsoptimalen Betrieb der Brennkraftmaschine
Der vierte Funktionsblock
Der höchstmögliche Wirkungsgrad ηHOM, ηHSP in den beiden Betriebsarten HOM, HSP wird dann mit dem letzten Rücksprung von der ersten Abfrage
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ermittlung des Wirkungsgrads in wenigstens einer Betriebsart, vorzugsweise in allen Betriebsarten, ständig vorgesehen ist, also auch für die Betriebsart, die derzeit nicht eingestellt ist. Mit dieser Maßnahme kann ein unnötiger Wechsel zwischen Betriebsarten vermieden werden.It is particularly advantageous if the determination of the efficiency is always provided in at least one operating mode, preferably in all operating modes, ie also for the operating mode which is currently not set. With this measure, an unnecessary change between operating modes can be avoided.
Der Wirkungsgrad ηHOM, ηHSP der Brennkraftmaschine
Die Abgasrückführung kann extern über die Abgasrückführleitung
Eine andere Ausgestaltung, die insbesondere bei kleinen Abgasrückführraten von beispielsweise kleiner 10 Prozent vorgesehen sein kann, sieht eine motorinterne Abgasrückführung durch eine gezielte Steuerung des Einlass- und Auslassventils
Claims (11)
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