DE102004062019A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Bei einer Brennkraftmaschine können mindestens ein erster Kraftstofftyp und ein zweiter Kraftstofftyp in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine gelangen. Es wird vorgeschlagen, dass mindestens zeitweise während eines einzigen Arbeitszyklus (A bis D) sowohl der erste Kraftstofftyp als auch der zweite Kraftstofftyp in den Brennraum gelangen (54, 56).

Description

  • Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem mindestens ein erster Kraftstofftyp und ein zweiter Kraftstofftyp in einen Brennraum der Brennkraftmaschine gelangen können. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung einer Brennkraftmaschine, sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine.
  • Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der DE 102 39 397 A1 bekannt. Danach sind im Saugrohr einer Brennkraftmaschine zwei Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen vorhanden, wobei die eine flüssigen und die andere gasförmigen Kraftstoff in das Saugrohr einbringen kann. Die DE 102 49 954 A1 offenbart eine Kraftstoffversorgungsanlage für eine Brennkraftmaschine, bei der über eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung entweder ein Haupt- oder ein Startkraftstoff in den Brennraum eingespritzt werden kann.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Brennkraftmaschine in möglichst allen Betriebsbereichen nur wenig Kraftstoff verbraucht und dabei nur wenig Schadstoffe produziert.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass mindestens zeitweise während eines einzigen Arbeitszyklus sowohl der erste Kraftstofftyp als auch der zweite Kraftstofftyp in den Brennraum gelangen. Bei einem Computerprogramm, einem elektrischen Speichermedium und einer Steuer- und Regeleinrichtung der eingangs genannten Art wird die gestellte Aufgabe entsprechend gelöst.
  • Vorteile der Erfindung
  • Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann im Brennraum ein Kraftstoffgemisch erzeugt werden, welches für die aktuelle Betriebssituation optimale chemische und/oder thermodynamische beziehungsweise kalorische Eigenschaften aufweist. Dies gestattet zum einen eine Optimierung des Kraftstoffverbrauches, zum anderen aber auch eine Reduzierung der Schadstoffemissionen.
  • In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass der erste Kraftstofftyp eine höhere Klopffestigkeit als der zweite Kraftstofftyp aufweist. Dabei können beliebige Kraftstoffe mit unterschiedlichen Oktan- beziehungsweise Cetanzahlen verwendet werden, beispielsweise auf der einen Seite Benzin, Methanol, oder Erdgas, und auf der anderen Seite Diesel oder Wasserstoff. Hierdurch kann im Brennraum ein solcher Kraftstoff hergestellt werden, dessen Zünd- und Brenneigenschaften der aktuellen Betriebssituation optimal entsprechen.
  • Dabei können der erste Kraftstofftyp und der zweite Kraftstofftyp mittels unterschiedlicher Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen in den Brennraum gelangen. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen können so auf die Eigenschaften des jeweiligen Kraftstofftyps optimal ausgerichtet werden.
  • Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen können den Kraftstoff direkt in den Brennraum einspritzen, was die Herstellung beinahe beliebiger und komplexer Ladungsschichtungen ebenso wie homogener Gemischverteilungen gestattet. Alternativ kann eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, mit der der eine Kraftstofftyp eingespritzt wird, den Kraftstoff in ein Saugrohr der Brennkraftmaschine einspritzen, und eine andere Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, mit der der andere Kraftstofftyp eingespritzt wird, den Kraftstoff direkt in einen Brennraum einspritzen.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn sowohl Einspritzbeginn und/oder Einspritzdauer des ersten Kraftstofftyps als auch Einspritzbeginn und/oder Einspritzdauer des zweiten Kraftstofftyps von einem aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine und/oder von einem aktuellen Brennverlauf in einem Brennraum abhängen. Auf diese Weise kann beispielsweise eine klopfende Verbrennung verhindert werden, oder es kann ein gewünschter Zündverzug eingestellt werden. Dies gestattet vor allem bei der homogenen dieselmotorischen Verbrennung (Homogenous Charge Compression Ignition – HCCI) die Realisierung eines hochdynamischen Betriebs bei gleichzeitig günstigem Emissionsverhalten.
  • Durch eine Verlängerung des Zündverzugs kann eine Einspritzung in die Flamme im Brennraum und somit eine diffuse Verbrennung vermieden werden. Da der komplett während des Zündverzugs eingespritzte Kraftstoff vollständig aufbereitet werden kann, kann dieser rußfrei verbrennen. Zwar kann dies auch durch eine Abgasrückführung und eine entsprechende Erhöhung der Abgasrückführrate erzielt werden, deren Steuerung ist jedoch vor allem im hochdynamischen Betrieb schwierig. Hier hat das vorliegende Verfahren erhebliche Vorteile, insbesondere dann, wenn die Einspritzzeitpunkte und Einspritzmengen von einem Arbeitszyklus zum anderen geändert werden können, das Verfahren also zeithochaufgelöst angewendet wird.
  • Dabei kann der Betriebspunkt beispielsweise auch durch die Last der Brennkraftmaschine definiert sein: Beispielsweise kann bei Volllast zur Steigerung der Klopffestigkeit mit magerem homogenem Benzingemisch und mit geschichtetem Dieselkraftstoff gearbeitet werden, wohingegen in der Teillast zur Steigerung der Cetanzahl eine gegensätzliche Strategie gewählt werden kann. Auch hier gilt, dass von einem Zyklus zum nächsten die Strategie trägheitsfrei geändert werden kann, so dass eine maximale Lastdynamik realisierbar ist.
  • Zur Einstellung des gewünschten Kraftstoffgemisches im Brennkraftmaschine können der erste Kraftstofftyp und der zweite Kraftstofftyp mindestens zeitweise gleichzeitig eingespritzt werden, was vor allem bei einer homogenen Gemischaufbereitung Vorteile hat.
  • Denkbar ist aber auch, dass der erste Kraftstofftyp und der zweite Kraftstofftyp mindestens zeitweise innerhalb eines Arbeitszyklus nacheinander eingespritzt werden, was beispielsweise unterschiedliche Gemischaufbereitungen für die einzelnen Kraftstofftypen gestattet, insbesondere dann, wenn diese direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangen.
  • In konkreter Weiterbildung hierzu wird auch vorgeschlagen, dass zunächst ein klopffesterer Kraftstoff so eingespritzt wird, dass er homogen verteilt vorliegt, und dass dann ein weniger klopffester Kraftstoff so eingespritzt wird, dass er geschichtet vorliegt. Auf diese Weise wird für jeden Kraftstofftyp das für ihn optimale Gemischbildungsverfahren realisiert.
    •
  • Zeichnungen
  • Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine;
  • 2 ein schematisches Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine von 1;
  • 3 ein Diagramm, in dem verschiedene Verfahrensparameter des in 2 beschriebenen Verfahrens über dem Winkel einer Kurbelwelle von 1 aufgetragen sind;
  • 4 ein Diagramm ähnlich zu 3 für ein alternatives Verfahren; und
  • 5 eine Darstellung ähnlich zu 1 einer alternativen Ausführungsform einer Brennkraftmaschine.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In 1 trägt eine Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Antrieb eines in 1 nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Brennkraftmaschine 10 vier Zylinder 12a bis d, in deren Brennräume 14a bis d der Kraftstoff direkt eingespritzt wird. Hierzu sind für jeden Brennraum 14a bis d zwei Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16a bis d und 18a bis d vorgesehen.
  • Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 16a bis d sind an eine gemeinsame Kraftstoff-Sammelleitung 20 ("Rail") angeschlossen, in der der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert ist. In die Kraftstoff-Sammelleitung 20 wird der Kraftstoff von einer Fördereinrichtung 22 unter hohem Druck gefördert, die aus einem Vorratsbehälter 24 gespeist wird. Die anderen Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 18a bis d sind an eine separate Kraftstoff-Sammelleitung 26 angeschlossen, in der der Kraftstoff ebenfalls unter hohem Druck gespeichert ist, und die von einer eigenen Fördereinrichtung 28 gespeist ist, die wiederum mit einem eigenen Vorratsbehälter 30 verbunden ist.
  • Durch die Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 16a bis d, die Kraftstoff-Sammelleitung 20, die Fördereinrichtung 22 und den Förderbehälter 24 wird somit eine eigene Einspritzanlage 32 gebildet, welche unabhängig von einer Einspritzanlage 34 arbeiten kann, welche durch die Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 18, die Kraftstoff-Sammelleitung 26, die Fördereinrichtung 28 und den Vorratsbehälter 30 gebildet wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der im Vorratsbehälter 24 bevorratete Kraftstoff Benzin 35, wohingegen der im Vorratsbehälter 30 bevorratete Kraftstoff Diesel 37 ist. Die beiden Einspritzanlagen 32 und 34 unterscheiden sich also vorwiegend durch den verwendeten Kraftstofftyp.
  • Es versteht sich, dass bei diesem Ausführungsbeispiel die Vorratsbehälter 24 und 30 separat betankt werden. Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel werden die unterschiedlichen Kraftstoffe "on board" durch Raffinieren beziehungsweise Destillation in leicht- und schwerflüchtige Bestandteile zerlegt. Die leicht- und schwerflüchtigen Bestandteile werden dann wiederum in unterschiedlichen Vorratsbehältern gespeichert. Ein solches System ist beispielsweise aus der DE 103 05 660 A1 bekannt, deren Offenbarung hiermit ausdrücklich auch zum Gegenstand des vorliegenden Schutzrechts gemacht wird.
  • Die für die Verbrennung in den Brennräume 14a bis d erforderliche Frischluft wird über ein Ansaugsystem zugeführt, welches in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Gleiches gilt auch für das Abgassystem, mit dem die Abgase aus den Brennräumen 14a bis d abgeleitet werden. Die Brennkraftmaschine 36 umfasst ferner eine Kurbelwelle 36, deren Drehzahl und Winkelstellung von einem Kurbelwellensensor 38 erfasst wird. Darüber hinaus ist im Bereich des Zylinders 12a ein Körperschallsensor 40 angeordnet, dessen Signal Rückschlüsse auf den Brennverlauf in den Brennräumen 14a bis d, hier insbesondere auf den Brennraumdruck, gestattet. Alternativ könnten auch entsprechende Brennraumdrucksensoren vorgesehen sein.
  • Der Fahrer des Kraftfahrzeugs, in welches die Brennkraftmaschine 10 eingebaut ist, äußerst einen Leistungswunsch über die Stellung eines Gaspedals 42. Die Signale der beiden Sensoren 38 und 40 sowie ein Signal, welches dem durch das Gaspedal 42 zum Ausdruck gebrachten Leistungswunsch entspricht, werden einer Steuer- und Regeleinrichtung 44 zugeführt, die auch noch Signale von anderen Sensoren erhält. In der Steuer- und Regeleinrichtung 44 sind verschiedene Computerprogramme abgespeichert, mit deren Hilfe der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 gesteuert beziehungsweise geregelt wird. Hierzu werden von der Steuer- und Regeleinrichtung 44 unter anderem auch die Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 16a bis d und 18a bis d angesteuert.
  • Dies ist auch in 2 schematisch gezeigt: Danach werden nach einem Startblock 46 in einem Auswerteblock 48 die Drehzahl nmot und das Körperschallsignal KS der beiden Sensoren 38 und 40 sowie die Stellung des Gaspedals 42 (Fahrerwunschmoment Mfawu) ausgewertet und die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16 beziehungsweise 18 entsprechend angesteuert. Das Verfahren endet in Block 50.
  • Eine mögliche Verfahrensvariante ist dabei in 3 gezeigt: In dieser Figur ist mit 52 die Hubkurve eines Kolbens eines hier beispielhaft betrachteten Zylinders 12 über dem Kurbelwinkel KW aufgetragen. Mit OT ist der obere Totpunkt, mit UT der untere Totpunkt des Kolbens bezeichnet. Der Buchstabe A kennzeichnet einen Ansaugtakt, der Buchstabe B einen Kompressionstakt, mit C ist ein Expansionstakt gekennzeichnet, und ein Ausschiebetakt ist mit D bezeichnet. Die in 1 gezeigte Brennkraftmaschine 10 arbeitet also nach dem Viertaktprinzip und in 3 ist ein vollständiger, da vier Einzeltakte umfassender Arbeitszyklus aufgetragen. Durch einen Balken 54 ist eine Einspritzung durch die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16a angedeutet, wohingegen durch 56 eine Einspritzung durch die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 18a bezeichnet ist. Man erkennt, dass beide Einspritzungen 54 und 56 innerhalb des gleichen Arbeitszyklus während des Kompressionstaktes B erfolgen, wobei gleichzeitig Benzin (Balken 54) und Diesel (Balken 56) in den Brennraum 14 direkt eingespritzt wird.
  • Die beiden Einspritzungen 54 und 56 werden charakterisiert durch den jeweiligen Einspritzbeginn ti54 beziehungsweise ti56 sowie die Einspritzdauer dt54 und dt56. Diese Parameter werden im Auswerteblock 48 abhängig vom aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine und einem aktuellen Brennverlauf im Brennraum 14 festgelegt. Der Betriebspunkt wiederum drückt sich beispielsweise durch den aktuellen Lastzustand der Brennkraftmaschine 10 aus, der wiederum durch die Stellung des Gaspedals 42 und den entsprechenden Leistungswunsch Mfawu sowie die aktuelle Drehzahl nmot der Kurbelwelle 36, die durch den Kurbelwellensensor 38 erfasst wird, definiert ist. Der aktuelle Brennverlauf im Brennraum 14a wiederum wird über den Körperschallsensor 40 (Signal KS) erfasst. Abhängig von diesen Eingangsdaten werden die besagten Einspritzparameter ti54, ti56, dt54 sowie dt56 der beiden Einspritzungen 54 und 56 beispielsweise so eingestellt, dass im Brennraum 14 ein Kraftstoffgemisch mit einer Oktan- beziehungsweise Cetanzahl vorhanden ist, durch welches eine klopfende Verbrennung im Brennraum 14a vermieden wird.
  • Während entsprechend der Darstellung in 3 durch die Einspritzung 54 Benzin und durch die Einspritzung 56 Diesel so eingespritzt werden, dass sie im Brennraum 14 geschichtet vorliegen, kann entsprechend der Darstellung in 4 durch eine Einspritzung 54' des Benzins bereits während des Ansaugtaktes A im Brennraum 14 ein mageres homogenes Benzingemisch, und durch die Dieseleinspritzung 56' während des Kompressionstaktes B ein geschichtetes Dieselgemisch im Brennraum 14 erzeugt werden. Dies bietet sich beispielsweise bei Volllast an, wohingegen bei Teillast zur Steigerung der Cetanzahl eine gegensätzliche Strategie gewählt werden kann. Es versteht sich, dass die beiden in den 3 und 4 gezeigten Einspritzstrategien unmittelbar aufeinander folgen können, das heißt, es kann von einem Arbeitszyklus zum anderen die Einspritzstrategie vollkommen geändert werden.
  • In 5 ist eine alternative Ausführungsform einer Brennkraftmaschine 10 gezeigt. Dabei tragen solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu Elementen und Bereichen der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 10 aufweisen, die gleichen Bezugszeichen, und sie sind nicht nochmals im Detail erläutert.
  • Anders als bei der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine umfasst die Einspritzanlage 32, dem die Einspritzung von Benzin obliegt, keine Kraftstoff-Sammelleitung und nur eine einzige Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16. Diese spritzt den Kraftstoff auch nicht direkt in die Brennräume 14a bis d ein, sondern in ein Ansaugrohr 58 stromabwärts von einer Drosselklappe 60. Durch eine Einspritzung mittels der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16 wird in den Brennräumen 14a bis d ein homogenes Benzin-Luft-Gemisch erzeugt, wohingegen durch die im gleichen Arbeitszyklus erfolgende Einspritzung von Diesel durch die Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 18 direkt in die Brennräume 14a bis d eine geschichtete Dieselkraftstoffschichtung erzeugt werden kann.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), bei dem mindestens ein erster Kraftstofftyp (35) und ein zweiter Kraftstofftyp (37) in einen Brennraum (14) der Brennkraftmaschine (10) gelangen können, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zeitweise während eines einzigen Arbeitszyklus (A-D) sowohl der erste Kraftstofftyp (35) als auch der zweite Kraftstofftyp (37) in den Brennraum (14) gelangen (54, 56).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kraftstofftyp (35) eine höhere Klopffestigkeit als der zweite Kraftstofftyp (37) aufweist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kraftstofftyp (35) und der zweite Kraftstofftyp (37) mittels unterschiedlicher Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen (16, 18) in den Brennraum (14) gelangen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen (16, 18) den Kraftstoff (35, 37) direkt in den Brennraum (14) einspritzen.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (16), mit der der eine Kraftstofftyp (35) eingespritzt wird, den Kraftstoff (35) in ein Saugrohr (58) der Brennkraftmaschine (10) einspritzt, und dass eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (18), mit der der andere Kraftstofftyp (37) eingespritzt wird, den Kraftstoff (37) direkt in einen Brennraum (14) einspritzt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl Einspritzzeitbeginn (ti54) und Einspritzdauer (dt54) des ersten Kraftstofftyps (35) als auch Einspritzbeginn (ti56) und Einspritzdauer (dt56) des zweiten Kraftstofftyps (33) von einem aktuellen Betriebspunkt (Mfawu, nmot) der Brennkraftmaschine (10) und/oder von einem aktuellen Brennverlauf (KS) in einem Brennraum (14) abhängen.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kraftstofftyp (35) und der zweite Kraftstofftyp (37) mindestens zeitweise gleichzeitig eingespritzt werden (54, 56).
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kraftstofftyp (35) und der zweite Kraftstofftyp (37) mindestens zeitweise innerhalb eines Arbeitszyklus (A-D) nacheinander eingespritzt werden (54', 56').
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein klopffesterer Kraftstoff (35) so eingespritzt wird (54'), das er homogen verteilt vorliegt, und dass dann ein weniger klopffester Kraftstoff (37) so eingespritzt wird (56'), dass er geschichtet vorliegt.
  10. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
  11. Elektrisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (44) einer Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 11 abgespeichert ist.
  12. Steuer- und/oder Regeleinrichtung (44) für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 programmiert ist.
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