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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
nach der Gattung des unabhängigen
Anspruchs. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder
Regelung einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine
selbst.
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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
ersten Verbrennungen 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. 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
Einspritzmenge muss in Richtung tiefer Temperaturen somit immer
weiter erhöht
werden, um einen sicheren Start der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.
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Ferner
sind übliche
Einspritzsysteme, vorzugsweise bei Systemen mit Direkteinspritzung,
typischer Weise mit zwei Kraftstoffpumpen ausgestattet, wobei eine
erste Kraftstoffpumpe, vorzugsweise eine elektrische Kraftstoffpumpe,
den Kraftstoff auf einen Niederdruck vorverdichtet. Eine weitere
zweite Kraftstoffpumpe, vorzugsweise mit einer Welle der Brennkraftmaschine
gekoppelt, verdichtet den Kraftstoff auf einen höheren Betriebsdruck. Beim Starten
der Brennkraftmaschine liegt im Wesentlichen nur der Kraftstoffdruck
vor, der durch die elektrische Kraftstoffpumpe erreicht wird. Erst
nach einigen Kurbelwellenumdrehungen, bei denen auch die zweite Kraftstoffpumpe
betrieben wird, baut sich ein höherer Kraftstoffdruck
auf.
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Darüber hinaus
ist die Durchflussmenge der Einspritzventile typischer Weise für den Kraftstoff-Mengenbedarf
der Brennkraftmaschine in der Volllast mit entsprechend hohem Nenndruck
ausgelegt. Werden größere Kraftstoffmenge
benötigt,
beispielsweise bei einem Kaltstart bei niedrigen Temperaturen, reicht
die Durchflussmenge der Einspritzventile evtl. nicht mehr aus, um
in der zur Verfügung stehenden
Zeit die benötigte
Kraftstoffmenge einzuspritzen. Ist darüber hinaus der an den Einspritzventilen
anliegende Kraftstoffdruck kleiner als der für den Betrieb vorgesehener
Nenndruck, verringert dies zusätzlich
die Durchflussmenge pro Zeit. Die Zuverlässigkeit mit der die Brennkraftmaschine
startet nimmt ab, bis hin zu einem Startversagen.
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Aus
der
DE 102 58 229
A1 ist bereits ein Verfahren für einen Warmstart einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine
bekannt, bei dem eine für
eine erste Gemischbildung erforderliche Kraftstoffmasse vor Beginn
einer Startphase der Brennkraftmaschine durch mehrere aufeinander
folgende Einspritzungen Kraftstoff in den Brennraum eingebracht
wird. Als Einsatzmöglichkeit
des Verfahrens wird insbesondere eine sogenannte Start-Stopp-Funktion der
Brennkraftmaschine vorgeschlagen, wobei die Brennkraftmaschine beim
erneuten Start nahezu Betriebstemperatur hat und der für den Warmstart
notwendige hohe Kraftstoffdruck noch in der Kraftstoff-Hochdruckleitung
vorhanden ist oder ggf. bereitgestellt wird.
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Vorteile
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, dass bereits bei Kraftstoffdrücken unterhalb eines Schwellenwerts,
eine Kraftstoffeinspritzung auf eine Vielzahl von Einspritzimpulsen aufgeteilt
wird. So werden in vorteilhafter Weise die günstigen Eigenschaften einer
Mehrfacheinspritzung bereits bei Kraftstoffdrücken genutzt, die bislang nicht
für eine
derartige Betriebsart vorgesehen waren.
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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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Eine
vorteilhafte Ausführung
des erfindungsgemäßen Gegenstands
sieht vor, dass ein Maß für eine Temperatur
der Brennkraftmaschine erfasst und mit einem Temperaturschwellenwert
verglichen wird, und dass, wenn das Maß für die Temperatur und/oder das
Maß für den Kraftstoffdruck
ihren jeweiligen Schwellenwert unterschreiten, die Kraftstoffeinspritzung
auf eine Vielzahl von Einspritzimpulsen aufgeteilt wird. Dies hat
insbesondere den Vorteil, das für einen
Start einer Brennkraftmaschine bei niedrigen Drücken und niedrigen Temperaturen,
die Einspritzventile nicht größer ausgelegt
werden müssen,
als es für
den Volllastbetrieb notwendig ist. Die Startsicherheit nimmt deutlich
zu. Wiederholstarts werden ermöglich
und der Abgasausstoß reduziert.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, die Kraftstoffeinspritzung in mehr als 10 Einspritzimpulsen
aufzuteilen, da Untersuchungen in überraschender Weise gezeigt
haben, dass für
Einspritzungen mit mehr als 10 Einspritzimpulsen der kraftstoffeinsparende
Effekt besonders deutlich wird.
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Ferner
ist es von Vorteil eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung
einer Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung
vorzusehen, wobei ein Erfassungsmittel ein Maß für einen Kraftstoffdruck erfasst
und ein Prüfmittel
vorhanden ist, dass überprüft, ob das
Maß des
Kraftstoffdrucks unterhalb eines Schwellenwerts liegt und die Vorrichtung
eine Kraftstoffeinspritzung auf eine Vielzahl von Einspritzimpulsen
aufteilt, wenn das Maß für den Kraftstoffdruck
unterhalb des Schwellenwerts liegt.
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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.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
eine Brennkraftmaschine zur Kraftstoff-Direkteinspritzung;
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2 schematisch
eine Brennkraftmaschine mit Saugrohr-Einspritzung
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
ist sowohl für
eine Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als auch für eine Saugrohreinspritzung
geeignet. Ferner ist die Erfindung nicht auf einen bestimmten Kraftstoff eingeschränkt, sondern
ist insbesondere auch für Diesel-,
Benzin-, Methanol-Kraftstoffe oder Gemische einsetzbar, unabhängig davon,
ob eine Fremd- oder Selbstzündung
vorgesehen ist. Sofern in der folgenden Beschreibung der Einfachheit
halber auf eine Benzin-Direkteinspritzung
Bezug genommen ist, sind auch die übrigen Anwendungsfälle mit
umfasst.
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In 1 ist
schematisch eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine 1 mit
einer Einspritzvorrichtung 5 gezeigt, wobei beispielhaft
vier Einspritzventile 40 und einer der Zylinder 110 dargestellt
sind. Die Einspritzvorrichtung 5 umfasst eine erste und
zweite Kraftstoffpumpe 10, 20, einen Druckspeicher 30,
Einspritzventile 40, einen Kraftstofftank 50 und
einen Drucksensor 60. Die erste Kraftstoffpumpe 10 pumpt Kraftstoff
aus einem Kraftstofftank 50 in Richtung einer zweiten Kraftstoffpumpe 20.
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. Über einen Drucksensor 60 wird zumindest
der Druck im Druckspeicher 30 überwacht.
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Beispielhaft
ist eins der vier Einspritzventile 40 in Verbindung mit
einem Zylinder 110 der Brennkraftmaschine 1 gezeigt.
Im Zylinder 110 ist ein Kolben 120 bewegbar angeordnet.
Der Zylinder weist einen Brennraum 100 auf, der unter anderem
durch den Kolben 120, einem Einlassventil 150 und
einem Auslassventil 160 begrenzt ist. Es können auch
mehrere Ein- und/oder Auslassventile 150, 160 vorgesehen
sein. Im Bereich der Ein- und Auslassventile 150, 160 ragen
ein Einspritzventil 40 und eine Zündkerze 200 in den
Brennraum 100 hinein. Das Einspritzventil 40 ermöglicht ein
direktes Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum 100. Über die
Zündkerze 200 kann der
Kraftstoff im Brennraum 100 entzündet werden. Weiterhin führt ein
Saugrohr 155 vorzugsweise Luft an das Einlassventil 150 heran
und durch Öffnen
des Einlassventils 150 gelangt die Luft in den Brennraum 110.
Durch Öffnen
des Auslassventils 160 werden vorzugsweise Abgase in ein
Abgasrohr 165 weiter geleitet.
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2 zeigt
einen Teil einer Brennkraftmaschine mit einer Saugroheinspritzung,
wobei gleichwirkende Vorrichtungen mit demselben Bezugszeichen versehen
sind. Im Unterschied zu der Einspritzvorrichtung 5, gemäß des in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiels,
ragt bei der Saugrohreinspritzung das Einspritzventil 40 nicht
in den Brennraum 110, sondern in das Saugrohr 155 hinein. Über das
Einspritzventil 40 gelangt der Kraftstoff in das Saugrohr 155 und
vermischt sich dort mit der Luft zu einem Kraftstoff-Luft-Gemisch, das über das
Einlassventil 150 in den Brennraum 150 gelangt
und dort bspw. über
die Zündkerze 200 entzündet werden
kann.
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Ferner
ist eine in 1 und 2 nicht
dargestellte Vorrichtung zum Steuern und/oder Regeln der Einspritzvorrichtung 5 vorgesehen,
die beispielsweise ein Steuergerät
für eine
Brennkraftmaschine oder auch nur ein Teil davon sein kann, oder
als eigenständiges
Steuergerät
aufgebaut sein kann. Die Vorrichtung, im weiteren als Steuergerät bezeichnet, erfasst
beispielsweise über
Sensoren Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine 1 und insbesondere der Einspritzvorrichtung 5.
Unter anderem werden vom Steuergerät die Luftmasse, der Kraftstoffdruck,
Fahrpedalstellung, Drehmomentanforderung, Drehzahl der Brennkraftmaschine
etc. erfasst. In Abhängigkeit der
Betriebsgrößen werden
Ausgangs- und/oder Steuersignale erzeugt, mit denen Komponenten
der Brennkraftmaschine 1 beaufschlagt werden. Insbesondere
ist es vorgesehen, die Einspritzventile 40 in Abhängigkeit
des Kraftstoffdrucks, vorzugsweise des Kraftstoffdrucks im Druckspeicher 30,
anzusteuern.
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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 20 kann
zwar auch elektrisch betreibbar ausgeführt sein, ist aber überwiegenden
direkt mit der Kurbelwelle oder einer anderen Welle der Brennkraftmaschine 1 gekoppelt,
sodass beim Stillstand der Brennkraftmaschine 1 kein zusätzlicher
Druck durch die zweite Kraftstoffpumpe 20 aufgebaut wird.
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Bei
einem erkannten Startwunsch, beispielsweise durch Betätigen des
Zündschalters,
beginnt die erste Kraftstoffpumpe 10 Kraftstoff zu fördern und baut
ein Kraftstoffdruck, einen sogenannten Niederdruck bis hin zum Druckspeicher 30 und
den Einspritzventilen 40 auf, sofern im Druckspeicher 30 nicht
bereits Kraftstoff mit einem höheren
Druck vorliegt. Das Steuergerät
legt nun in Abhängigkeit
der erfassten Betriebsgrößen eine
für den
Start erforderliche Kraftstoffmenge fest, die über die Einspritzventile in
einen jeweiligen Brennraum 110 oder ein Saugrohr 165 einzubringen
ist. Liegt der Kraftstoffdruck im Druckspeicher 30 unterhalb
eines Schwellenwerts, so ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Kraftstoffmenge,
statt in einer einzigen Einspritzung einzubringen, in eine Vielzahl
von Einspritzimpulsen aufzuteilen.
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Dieses
Aufteilen der einzuspritzenden Kraftstoffmenge hat gegenüber einem
Einspritzen des Kraftstoffs in einer einzigen Einspritzung den Vorteil, dass
sich die Eindringtiefe des Kraftstoffstrahls in den Brennraum verringert
und somit die Oberflächen
im Brennraum weniger mit Kraftstoff benetzt werden. Ferner erzeugen
die impulsartigen Einspritzungen eine Art Kraftstoffpakete, wobei
diese Kraftstoffpakete bei ihrer Bewegung im Brennraum gegeneinander stoßen können und
dabei in weitere noch kleinere Pakete bzw. Tropfen zerstäuben. Darüber hinaus wird
zwischen den Einspritzimpulsen vermehrt Luft angesaugt. Dies führt insgesamt
zu einer verbesserten Gemischaufbereitung. Gegenüber einer einzigen Einspritzung
wird die Kraftstoffmenge um bis zu mehr als 50 % reduziert.
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Der
vorteilhafte Effekt der verbesserten Gemischaufbereitung und der
damit verbundenen Kraftstoffeinsparung macht sich ab ca. 10 Einspritzungen bemerkbar.
Je nach Anwendungsfall können
jedoch auch 50, 150 oder mehr Einspritzungen vorgesehen sein. Weiterhin
ist es denkbar, die Kraftstoffimpulse sowohl in Länge, Anzahl
und im Taktverhältnis
zu verändern,
auch müssen
die Einspritzimpulse nicht gleichmäßig verteilt sein, sondern
können
in frei wählbaren
Längen
und Pausen abgesetzt werden. Die Einspritzungen erfolgen vorzugsweise
in der Kompressionsphase bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine
und in der Saugphase bei einer Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung.
Die Einspritzimpulse können
jedoch je nach Anwendungsfall auch in andere Taktphasen der Brennkraftmaschine
abgesetzt werden. Weiterhin ist es denkbar, mehrere Einspritzungen
mit jeweils einer Vielzahl von Einspritzimpulsen vorzusehen.
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Es
hat sich gezeigt, dass die beschriebene Kraftstoffeinspritzung mit
einer Vielzahl von Einspritzimpulsen in überraschender Weise auch bei
einem Kaltstart und insbesondere bei Temperaturen unterhalb 0 °C die beispielsweise
für einen
Start notwendige Kraftstoffmenge verringert. Durch diese vorteilhafte
Kraftstoffeinsparung ist es so möglich,
sowohl bei geringen Kraftstoffdrücken
als auch geringen Temperaturen, ein Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum oder Saugrohr
vorzulegen, das einen Betrieb oder Start der Brennkraftmaschine
ermöglicht.
Die nicht ausreichende Durchflussmenge pro Zeit eines Einspritzventils
bei geringen Kraftstoffdrücken
und/oder geringen Temperaturen lässt sich
so kompensieren, und erlaubt, dass die Einspritzventile nicht größer ausgelegt
werden müssen,
als es für
den Volllastbetrieb notwendig ist.
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Ferner
ist die Erfindung auch für
Brennkraftmaschinen von Vorteil, bei denen der Kraftstoff mit Niederdruck
ins Saugrohr eingespritzt wird. Durch die Verbesserung der Gemischaufbereitung
kann die benötigte
Kraftstoffmenge für
den Start bei Tieftemperaturen deutlich reduziert werden, wobei
in vorteilhafter Weise die Startsicherheit erhöht und Wiederholstarts ermöglicht werden
sowie der Abgasausstoß reduziert
wird.
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Weiterhin
besteht die Möglichkeit,
bei Brennkraftmaschinen, die ohnehin nur eine Einspritzung bei Niederdruck,
also vorzugsweise bei Kraftstoffdrücken unter 20 bar, vorsehen,
nicht nur beim Start, sondern während
des Betriebs der Brennkraftmaschine Einspritzungen mit einer Vielzahl
von Einspritzimpulsen abzusetzen.
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Die
große
Anzahl von Einspritzungen wird ermöglicht, indem Pausenzeiten,
sogenannte Boostertimeouts, eines die Einspritzventile 40 ansteuernden
Boostroms verringert werden. Zusätzlich
wird der Boosterstrom verringert, so dass der Boosterkondensator
nur leicht entladen wird. Die Nachladefähigkeit des Boosterkondensators
ist so in der zwischen den Boosterungen zur Verfügung stehenden kurzen Zeit
sichergestellt. Der Boosterstrom ist jedoch nur soweit zu verringern,
dass sichergestellt ist, dass die Einspritzventile 40 noch
sicher gegen niedrige Drücke öffnen.
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Bei
einer Vielzahl von Brennkraftmaschinen liegt bei einem Start typischer
Weise keine Synchronisation zwischen den Gaswechselventilen und
der Kurbelwelle vor, so dass die Positionen der Kolben und insbesondere
die vorliegenden Arbeitstakte unbekannt sind. Erst nach einigen
Umdrehungen der Kurbelwelle erfolgt eine Synchronisation und erlaubt eine
zielgerichtete Einspritzung. Zur Koordination der Einspritzung kann
in vorteilhafter Weise beispielsweise ein Absolutwinkelgeber o.ä. vorgesehen
sein, so dass die Synchronisation auch ohne ein Bewegen der Kurbelwelle
erfolgen kann.