DE102005003880A1

DE102005003880A1 - Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoffdirekteinspritzung und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102005003880A1
Application number: DE102005003880A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Dr. Pott; Matthias Holz; Michael Dr. Zillmer; David Prochazka
Original assignee: Skoda Auto AS; Volkswagen AG
Current assignee: Skoda Auto AS; Volkswagen AG
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2025-01-25
Also published as: US7475534B2; DE102005003880B4; US20060162324A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoffeinspritzung bei einer mit mindestens einer elektrischen Maschine (26) ausgestatteten Verbrennungskraftmaschine (10), der eine Direkteinspritzungsanlage (18) zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in mindestens einen Brennraum (54) der Verbrennungskraftmaschine (10) zugeordnet ist, wobei die Direkteinspritzungsanlage (18) eine mechanisch angetriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe (22) zur Erzeugung eines Kraftstoffdrucks in einem dem mindestens einen Brennraum (54) vorgelagerten Speichervolumen (20) aufweist. DOLLAR A Es wird vorgesehen, dass bei einem Startvorgang der Verbrennungskraftmaschine (10) die Kraftstoffeinspritzung mit mindestens einer der folgenden Maßnahmen ausgeführt wird: DOLLAR A (a) Aktivierung der Kraftstoffeinspritzung in den mindestens einen Brennraum (54) erst bei Erreichen eines Mindest-Kraftstoffdrucks und DOLLAR A (b) Überwachung eines Verlaufs eines Hochlaufs der Verbrennungkraftmaschine (10) nach Einsetzen der Kraftstoffeinspritzung und bei Feststellung einer Abweichung des Verlaufs von einem Sollverlauf zumindest teilweise Kompensation der Abweichung durch motorischen Eingriff der mindestens einen elektrischen Maschine (26). DOLLAR A Auf diese Weise wird der Startvorgang besonders kraftstoffsparend und emissionsarm durchgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoffeinspritzung bei einem Startvorgang einer direkteinspritzenden, mit mindestens einer elektrischen Maschine, die insbesondere auch die Funktion eines Startergenerators aufweist, ausgestatteten Verbrennungskraftmaschine sowie ein zur Ausführung des Verfahrens befähigtes Kraftfahrzeug.

Bei direkteinspritzenden Ottomotoren und Common-Rail-Dieselmotoren erfolgt die Kraftstoffeinspritzung über in der Regel elektronisch gesteuerte Einspritzventile direkt in den Brennraum der Zylinder. Der Kraftstoff wird dafür üblicherweise über eine elektrische Förderpumpe aus dem Kraftstofftank gefördert und bei hohen Drücken den Einspritzventilen (Injektoren) in einem Speichervolumen vorgelagert. Die Druckerzeugung im Speichervolumen erfolgt mit einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe, die mechanisch über die Verbrennungskraftmaschine, insbesondere über die Nocken- oder Kurbelwelle, angetriebenen wird. Bei Ottomotoren liegt der übliche Kraftstoffdruck im Leerlauf bei etwa 60 bar und im Normalbetrieb bei etwa 120 bar; bei Dieselmotoren sind hingegen Betriebsdrücke von mindestens etwa 300 bar im Leerlauf und von maximal etwa 1800 bar im Fahrbetrieb üblich. Diese Art der Einspritzung ermöglicht die Erzeugung eines Einspritzdrucks unabhängig von Motordrehzahl und Einspritzmenge.

Der übliche Startvorgang von Verbrennungskraftmaschinen erfolgt über konventionelle, batteriegespeiste Startermotoren, die durch Drehen eines Zündschlüssels oder dergleichen ausgelöst werden und ein Drehmoment auf die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine übertragen. Gleichzeitig wird die Kraftstoffeinspritzung aktiviert. Sobald die Verbrennungskraftmaschine eine Grenzdrehzahl erreicht, bei der ein Hochlauf aus eigener Kraft möglich ist (Ottomotoren etwa 60... 100 min^–1, Dieselmotoren etwa 80... 200 min^–1), erfolgt eine Abkopplung des Startermotors von der Kurbelwelle und der Verbrennungsmotor läuft weiter auf seine aggregatspezifische Leerlaufdrehzahl hoch. Nachteilig an diesem Verfahren ist bei direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschinen, dass aufgrund des mechanischen Antriebs der Hochdruck-Kraftstoffpumpe bei den ersten Einspritzvorgängen der Einspritzdruck noch ein relativ niedriges Niveau aufweist, der allenfalls geringfügig über dem Druckniveau der Förderpumpe von etwa 4 bis 7 bar liegt, was negative Auswirkungen auf die Strahl- und Verbrennungsqualität und somit auf die Abgasemissionen (insbesondere bei noch nicht betriebswarmem Katalysatorsystem) hat. So kommt es bis zu einem Einspritzdruck von etwa 10 bar an den Injektoren typischerweise zu einer so genannten Schnurstrahlbildung anstelle des gewünschten feindispergen Spraykegels. Diese mangelnde Gemischaufbereitung beim Startvorgang im Brennraum wird herkömmlich zumindest teilweise durch Erhöhung der Einspritzmenge kompensiert, was zusätzlich zu erhöhten Emissionen führt.

Ein weiteres Problem beim Startvorgang des direkteinspritzenden Otto- oder Dieselmotors stellt die teilweise Abschlagung des eingespritzten Kraftstoffs an die noch kalten Zylinderwände und den Kolbenboden dar. Dieser Wandfilm verdampft und verbrennt nur zum Teil, während der andere Teil in Form von HC-Emissionen ausgetragen wird. Um dem unerwünschten "Ausmagern" infolge der Wandfilmbildung entgegenzuwirken und ein brennbares Gemisch zu erzeugen, wird üblicherweise eine gegenüber dem betriebswarmen Motor erhöhte Kraftstoffmenge eingespritzt. Diese Start- und Nachstartanreicherung führt ihrerseits zu erhöhten Emissionswerten.

Es sind ferner Hybridantriebseinheiten für Kraftfahrzeuge bekannt, die einen (beispielsweise direkteinspritzenden) Verbrennungsmotor und zusätzlich mindestens eine, wahlweise in einen motorischen oder generatorischen Betrieb schaltbare elektrische Maschine umfassen. Bei den seriellen Hybridkonzepten erfolgt der Fahrzeugantrieb ausschließlich über die elektrische Maschine, während der Verbrennungsmotor über einen separaten Generator den elektrischen Strom für die Aufladung eines, die E-Maschine speisenden Energiespeichers beziehungsweise für die direkte Speisung der E-Maschine erzeugt. Demgegenüber werden heute zumindest in PKW-Anwendungen häufig parallele Hybridkonzepte eingesetzt, bei denen der Fahrzeugantrieb sowohl durch den Verbrennungsmotor als auch durch die E-Maschine dargestellt werden kann. So wird in Parallelkonzepten die E-Maschine im motorischen Betrieb typischerweise in Betriebspunkten mit höheren Fahrzeuglasten unterstützend zum Verbrennungsmotor zugeschaltet. Zudem kann sie die Funktion eines Startermotors ("Startergenerator") für den Verbrennungsmotor übernehmen. Demgegenüber wird die E-Maschine im verbrennungsmotorischen Fahrantrieb überwiegend generatorisch betrieben, wobei eine so erzeugte elektrische Leistung zur Aufladung des Energiespeichers und/oder zur Versorgung eines elektrischen Bordnetzes genutzt wird. Ferner wird in der Regel zumindest ein Teil einer Bremsleistung durch die generatorisch gefahrene E-Maschine aufgebracht (Rekuperation), wobei ein Teil der mechanischen Verlustenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Verbrennungskraftmaschine eines Hybridantriebs ist in der Regel mit einer Start-Stopp-Automatik ausgestattet, die bei Vorliegen geeigneter Randbedingungen eine Ausschaltung des Verbrennungsmotors beziehungsweise seinen Wiederstart steuert. Der häufige Startvorgang des direkteinspritzenden Verbrennungsmotors in Hybridantrieben führt zu einer Verstärkung der geschilderten Probleme.

Insgesamt ist also festzustellen, dass der Start direkteinspritzender Verbrennungskraftmaschinen ein relativ kraftstoffzehrender und emissionserhöhender Vorgang ist, der insbesondere auch in Hybridantrieben aufgrund seiner Häufigkeit in dieser Hinsicht nachteilige Auswirkungen aufweist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zum Starten einer direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung zu stellen, das gegenüber bekannten Konzepten hinsichtlich des Kraftstoffverbrauches und der Schadstoffemissionen optimiert ist. Das Verfahren soll insbesondere auch für die Applikation in einem Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb geeignet sein.

Diese Aufgabe wird durch die Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 7 sowie ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 12 gelöst. Eine erste erfindungsgemäße Maßnahme sieht vor, bei einem Startvorgang der Verbrennungskraftmaschine die Kraftstoffeinspritzung erst bei Erreichen eines vorgegebenen Mindest-Kraftstoffdrucks zu aktivieren. Mit anderen Worten wird nach Starten der als Startergenerator fungierenden elektrischen Maschine die Kraftstoffeinspritzung nicht unmittelbar zugelassen, sondern erst, nachdem der Mindest-Kraftstoffdruck in einem den Brennräumen, insbesondere den Injektoren vorgelagerten Speichervolumen, aufgebaut ist. Es ist somit gewährleistet, dass bereits beim ersten Einspritzvorgang ein Einspritzdruck vorliegt, der eine ausreichend gute Gemischaufbereitung im Brennraum gewährleistet und einen Kraftstoffniederschlag an Zylinderwänden und Kolbenboden in Form von Wandfilmen vermeidet. Dabei macht sich die Erfindung die Eigenschaft von elektrischen Maschinen bzw. Startergeneratoren zu nutze, gegenüber konventionellen Startermotoren sehr schnell hohe Drehzahlen und Drehmomente aufzubauen, was zu einer entsprechend schnellen Aktivierung der Hochdruckkraftstoffpumpe des Einspritzungssystems und damit zu einem vergleichsweise schnellen Druckaufbau im Speichervolumen (Rail) führt.

Der vorgegebene Mindest-Kraftstoffdruck beträgt nach einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens insbesondere bei einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine mindestens 20 bar, insbesondere mindestens 30 bar. Eine besonders gute Gemischaufbereitung wird erzielt, wenn mindestens 40 bar Kraftstoffdruck verlangt werden, ehe die Einspritzung zugelassen wird. Im Falle einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine (Common-Rail-Dieselmotoren) kann vorteilhaft vorgesehen sein, einen Mindest-Kraftstoffdruck von mindestens 150 bar, insbesondere mindestens 300 bar, vorzugsweise von mindestens 400 bar, vorzugeben.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zusätzlich zu dem Mindest-Kraftstoffdruck das Vorliegen einer Mindest-Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine verlangt, ehe die Kraftstoffeinspritzung eingesetzt wird. Auf diese Weise kann der aus eigener Kraft erfolgende emissionsträchtige Hochlauf der Verbrennungskraftmaschine noch weiter minimiert werden. Zu diesem Zweck kann eine Mindest-Drehzahl von mindestens 50 % einer aggregatspezifischen Leerlaufdrehzahl, insbesondere mindestens 70 %, bevorzugt mindestens 80 % und besonders bevorzugt mindestens 90 % der Lehrlaufdrehzahl vorgegeben werden.

Neben dem Mindest-Kraftstoffdruck kann ferner vorteilhaft vorgesehen sein, auch einen maximalen Einspritzdruck einzuhalten, der höchstens 40 bar, insbesondere höchstens 30 bar und vorzugsweise höchstens 20 bar oberhalb eines aggregatspezifischen Leerlaufbetriebsdrucks (von beispielsweise 60 bar) liegt. Die Vorgabe des Maximaldruckes verhindert das Abschlagen des Kraftstoffes, insbesondere bei noch betriebskaltem Motor, an Zylinderwänden und Kolbenboden. Im Falle von Dieselmotoren können auch größere Abstände zum aggregatspezifischen Leerlaufbetriebsdruck gefordert werden.

Eine zweite erfindungsgemäße Maßnahme zur Absenkung der Startemissionen sieht vor, dass bei einem Startvorgang der Verbrennungskraftmaschine zumindest nach Einsetzen der Kraftstoffeinspritzung eine Diagnose eines Hochlaufverhaltens der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt wird und im Falle einer Abweichung des festgestellten Verlaufes von einem Sollverlauf, insbesondere im Falle einer Abweichung in Richtung geringerer Drehzahlen, die Abweichung durch einen entsprechenden motorischen Eingriff der mindestens einen elektrischen Maschine (bzw. des Startergenerators) zumindest teilweise kompensiert wird. Während gemäß dem konventionellen Verfahren eine solche Abweichung infolge des Ausmagerns des Verbrennungsgemisches im Brennraum aufgrund von Wandfilmeffekten üblicherweise durch Start- und Nachstartanreicherungen, also Erhöhung der zugeführten Kraftstoffmenge kompensiert wird, wird erfindungsgemäß der Ausgleich zumindest übenrwiegend durch Eingriff der elektrischen Maschine bzw. des Startergenerators durchgeführt. Somit lässt sich auch durch diese Maßnahme der Kraftstoffverbrauch sowie die Abgasemissionen während des Startvorganges senken. Auch hier wird der schnelle Hochlauf des Startergenerators sowie seine sehr schnelle Regelbarkeit vorteilhaft genutzt.

Die Momentenkompensation kann besonders optimal erfolgen, wenn die Überwachung des Hochlaufes der Verbrennungskraftmaschine mit einer hohen Drehzahlauflösung erfolgt. Beispielsweise lässt sich bei einer Viertakt-Verbrennungskraftmaschine mit bis zu vier Zylindern der Hochlauf ohne weiteres mit einer Auflösung von mindestens vier Arbeitstakten, insbesondere mindestens zwei Arbeitstakten durchführen. Vorzugsweise erfolgt die Überwachung sogar mit einer Drehzahlauflösung von einem Arbeitstakt. Eine entsprechend schnelle Ansteuerung des Startergenerators ist problemlos möglich.

Die Überwachung des Hochlaufs der Verbrennungskraftmaschine kann anhand geeigneter Parameter erfolgen. Ein besonders geeigneter Parameter ist die Motordrehzahl, wobei die Überwachung des Drehzahlverlaufs mittels üblichen, meist an der Kurbelwelle angeordneten Drehzahlsensoren erfolgt. Die Minderleistung der Verbrennungskraftmaschine während des Startvorganges kann aber auch durch andere Maßnahmen detektiert werden, die etwa das Brennverhalten betreffen. Beispielsweise kann eine Ionenstromauswertung der Zündkerze im Falle eines Ottomotors erfolgen.

Im Gegensatz zum Stand der Technik, der üblicherweise eine Start- oder Nachstartgemischanreichung vorsieht, wird der Start gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise zumindest bei Motortemperaturen oberhalb von 17 °C gänzlich ohne Anreicherung gegenüber einer betriebspunktbedingten Kraftstoffeinspritzung durchgeführt oder die Anreicherung gegenüber dem Stand der Technik zumindest abgeschwächt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt der Start der Verbrennungskraftmaschine zumindest bei Motortemperaturen oberhalb von 5 °C ohne Anreicherung der Kraftstoffeinspritzung, insbesondere zumindest bei Motor- und/oder Kühlmitteltemperaturen oberhalb von –2 °C und besonders bevorzugt bei Temperaturen zumindest oberhalb von –10 °C. Abhängig von der Auslegung des Verbrennungsmotors sowie der elektrischen Maschine (Startergenerator) kann die Kraftstoffeinspritzung sogar bei beliebigen Motor- und/oder Kühlmitteltemperaturen ohne Anreicherung durchgeführt werden.

Die beiden erfindungsgemäßen Maßnahmen, nämlich Aktivierung der Kraftstoffeinspritzung nach Erreichen eines Mindest-Kraftstoffdrucks und Kompensation einer ausmagerungsbedingten Abweichung des Motorhochlaufs durch die mindestens eine elektrische Maschine bzw. den Startergenerator, ergänzen einander in synergistischer Weise und werden daher bevorzugt zusammen realisiert.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, das durch Mittel gekennzeichnet ist, mit dem die Kraftstoffeinspritzung bei einem Startvorgang der Verbrennungskraftmaschine mit den zuvor beschriebenen Maßnahmen ausgeführt wird. Diese Mittel umfassen neben einer in einer Steuereinheit gespeicherten Steuerlogik zur Ausführung der notwendigen Verfahrensschritte auch konstruktive Maßnahmen, beispielsweise einen Drucksensor im Speichervolumen des Einspritzsystems, Drehzahl- und Temperatursensoren oder andere Merkmale.

Die als Startergenerator ausgebildete elektrische Maschine sollte nach Möglichkeit schlupffrei arbeiten, was insbesondere durch einen kurbelwellenangetriebenen Startergenerator gewährleistet ist. Die Erfindung entfaltet ihre Vorteile besonders vorteilhaft in Hybridantriebskonzepten, in denen die Verbrennungskraftmaschine zusammen mit der mindestens einen elektrischen Maschine vorzugsweise parallel den Fahrzeugantrieb bewirken.

Aufgrund der emissionsarmen Durchführung des Startvorganges kann ein Edelmetallgehalt der Katalysatoren der Abgasanlage gegenüber dem Stand der Technik abgesenkt werden, ohne zulässige Emissionsgrenzen zu überschreiten. Es ist daher bevorzugt vorgesehen, bei einer Abgasanlage mit mindestens einem Katalysator einen mittleren Edelmetallgehalt des Katalysators bei einem Katalysatorgesamtvolumen von mindestens 0,9 g/l Hubvolumen der Verbrennungskraftmaschine von höchstens 3,95 g/dm³ (100 g/ft³), insbesondere höchstens 2,87 g/dm³ (80 g/ft³), vorzugsweise höchstens 2,15 g/dm³ (60 g/ft³) vorzunehmen. Trotz des verhältnismäßig niedrigen Edefmetallgehaltes kann im US-Farbzyklus FTP-75 über eine Fahrstrecke von 120.000 Meilen eine HC-Emission von maximal 0,01 g/Meile und eine NO_x- Emission von maximal 0,02 g/Meile eingehalten werden. Insbesondere wird erfindungsgemäß eine Gesamtedelmetallmasse aller Katalysatoren von höchstens 3 g/l Hubvolumen der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere von höchstens 2,5 g/l Hubvolumen, vorzugsweise von höchstens 2 g/l Hubvolumen und besonders bevorzugt von höchstens 1,5 g/l Hubvolumen vorgegeben.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine mit Direkteinspritzungsanlage und Startergenerator und
2 schematisch den Aufbau eines Zylinders der Verbrennungskraftmaschine gemäß 1 sowie zugeordnete Steuerungselemente.
Gemäß 1 umfasst eine magerlauffähige Viertakt-Verbrennungskraftmaschine 10 beispielsweise vier Zylinder 12. Die Verbrennungskraftmaschine 10 kann selbstzündend arbeiten (Dieselmotor) oder – wie in diesem Beispiel – fremdgezündet sein (Ottomotor). Den Zylindern 12 wird über eine Ansaugleitung 14 Luft zugeführt, wobei der Luftmassenstrom über eine steuerbare Drosselklappe 16 betriebspunktabhängig einstellbar ist. Der Verbrennungskraftmaschine 10 ist eine insgesamt mit 18 bezeichnete Direkteinspritzungsanlage zugeordnet, die mittels (in 1 nicht dargestellten) Kraftstoffeinspritzventilen (Injektoren) eine Kraftstoffeinspritzung unmittelbar in die Brennräume der Zylinder 12 vornimmt. Zu diesem Zweck wird der Kraftstoff in einem gemeinsamen Speichervolumen 20, dem so genannten Rail, unter hohem Druck den Injektoren vorgelagert. Der Kraftstoffdruck (Raildruck) im Speichervolumen 20 wird über eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 erzeugt, die über einen schematisch mit 24 dargestellten Antriebstrang über die Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere über eine Nockenwelle oder Kurbelwelle derselben, angetrieben wird. Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 ist beispielsweise als Kolbenpumpe ausgeführt, insbesondere als Radial-Kolbenpumpe.
Einzelheiten zum Aufbau der Direkteinspritzungsanlage 18 werden anhand von 2 erläutert.
Weiter gemäß 1 ist die Verbrennungskraftmaschine 10 mit einer als Startergenerator 26 ausgelegten elektrischen Maschine verbunden, die in bekannter Weise auf die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine 10 wirkt beziehungsweise von dieser angetrieben wird. Die Anbindung des Startergenerators 26 an die Motorkurbelwelle kann auf verschiedene Weise erfolgen. So kann er direkt oder über eine Kupplung oder ein Getriebe mit der Kurbelwelle verbunden sein oder einer anderen kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung. In jedem Fall sollte der Startergenerator 26 weitestgehend schlupffrei arbeiten, weswegen ein Riemenantrieb vorliegend nicht favorisiert ist. Der Startergenerator 26 ist beispielsweise eine Asynchronmaschine oder eine permanent erregte Synchronmaschine. Insbesondere kann er als integrierter Kurbelwellen-Startergenerator ausgelegt sein, der zwischen Verbrennungskraftmaschine 10 und einem nicht dargestellten Getriebe angeordnet ist. Primäre Aufgabe des Startergenerators 26 ist das Starten der Verbrennungskraftmaschine 10 nach einem Motorstopp. Ist die Verbrennungskraftmaschine 10 zudem noch mit einer Start-Stopp-Automatik ausgestattet, die eine automatische Abschaltung des Verbrennungsmotors 10 beim Fahrzeugstillstand (zum Beispiel beim Ampelstopp) bewirkt, sorgt der Startergenerator 26 auch für einen Wiederstart des Verbrennungsmotors 10. Er kann wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben werden und dient somit während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 auch als Energieerzeuger zum Aufladen der Fahrzeugbatterie oder zur direkten Versorgung des Energiebordnetzes des Fahrzeugs (beide nicht dargestellt).
1 zeigt außerdem eine Abgasanlage 28, die einen Abgasstrang 30 mit einem in diesem angeordneten Katalysatorsystem 32, 34 umfasst. Das Katalysatorsystem besteht aus einem motornah angeordneten kleinvolumigen Vorkatalysator 32, der beispielsweise als 3-Wege-Katalysator zur Konvertierung von Kohlenwasserstoffen HC, Kohlenmonoxid CO und Stickoxiden NO_x ausgestaltet ist. In einer motorfernen Position befindet sich noch ein großvolumiger Hauptkatalysator 34, der beispielsweise ein NO_x-Speicherkatalysator ist, der in mageren Betriebsphasen Stickoxide speichert und in Regenerationsphasen wieder desorbiert und katalytisch umsetzt. Die Abgasanlage 28 weist ferner in der Regel noch verschiedene Abgassensoren und Temperatursensoren auf, die der Regelung des Systems dienen. Von diesen ist hier nur eine dem Vorkatalysator 32 vorgeschaltete Lambdasonde 36 dargestellt, die der Regelung des Luft-Kraftstoff-Gemischs des Verbrennungsmotors 10 dient. Das Katalysatorsystem 32, 34 weist ein Gesamtvolumen beider Katalysatoren 32, 34 von mindestens 0,9 Liter pro Liter Hubvolumen des Verbrennungsmotors 10 auf bei einem mittleren Edelmetallgehalt von höchstens 2,87 g/dm³ (80 g/ft³), idealerweise von höchstens 2,15 g/dm³ (60 g/ft³). Alternativ oder gleichzeitig kann die Gesamtedelmetallmasse (Summe beider Katalysatoren 32, 34) auf einen Wert von höchstens 2,0 g, idealerweise höchstens 1,5 g pro Liter Hubvolumen ausgelegt sein. Diese gegenüber bekannten Konzepten sehr geringe Edelmetallausstattung des Katalysatorsystems 32, 34 ist deshalb möglich, da das erfindungsgemäße Startverfahren besonders emissionsarm verläuft. So wird bei der beschriebenen Katalysatorauslegung über eine Fahrstrecke von 120.000 Meilen (mi) bei ordnungsgemäßem Zustand des Fahrzeugs und ungeschädigten Katalysatoren im US-Fahrzyklus FTP-75 eine HC-Emission von maximal 0,01 g/mi und eine NO_x-Emission von maximal 0,02 g/mi gewährleistet. (Zum Vergleich: Fahrzeuge, die im selben US-Fahrzyklus HC-Emissionen von < 0,007 g/mi und NO_x-Emissionen von < 0,015 g/mi erreichen, werden heute üblicherweise bei einem Gesamtkatalysatorvolumen von 0,9 l/l Hubvolumen mit einem mittleren Edelmetallgehalt ≥ 3,59 g/dm³ (≥ 100 g/ft³) ausgestattet).
Gemäß 2 ist von der Verbrennungskraftmaschine 10 aus 1 lediglich ein Zylinder 12 exemplarisch dargestellt, wobei gleiche Elemente wie in 1 mit übereinstimmenden Bezugszeichen bezeichnet sind. In einem Zylindergehäuse 44 des Zylinders 12 ist ein Kolben 46 axial beweglich angeordnet, der zur Ausbildung einer Schichtladung (im Teillastbetrieb) eine spezielle muldenförmige Ausgestaltung seines Kolbenbodens aufweist. In einem Zylinderkopf 48 des Zylindergehäuses 14 befindet sich an einer zentralen oberen Position eine Zündkerze 50 mit Zündspule sowie an einer seitlichen Position ein Hochdruckeinspritzventil (Injektor) 52, mit welchem eine direkte Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum 54 des Zylinders 12 möglich ist. Die Versorgung des Einspritzventils 52 mit Kraftstoff erfolgt über eine Kraftstoffleitung 56. Der Kraftstoff wird aus einem nicht dargestellten Kraftstofftank mittels einer ebenfalls nicht dargestellten Kraftstoffförderpumpe bei einem Vordruck von beispielsweise 4 bar gefördert und durch die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 auf einen Kraftstoffdruck komprimiert, der im üblichen Fahrzeugbetrieb zwischen 40 bar (Leerlauf) und 120 bar beträgt und in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 10 vorgegeben wird. Zusammen mit einem nicht dargestellten Drucksteuerventil sorgt die Kraftstoffpumpe 22 ferner für einen Ausgleich von Druckschwankungen in dem dem Injektor 52 vorgeschalteten Speichervolumen 20. Die Erfassung des Kraftstoffdrucks p_R im Speichervolumen 20 erfolgt mittels eines Drucksensors 58, der insbesondere in der gemeinsamen Verteilerleiste angeordnet sein kann. Die Regelung des Kraftstoffdrucks p_R erfolgt mittels der Motorsteuerung 40 (siehe unten) über einen geschlossenen Regelkreis. In 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind elektronisch oder über Nockenwellen gesteuerte Einlass- und Auslassventile, die in den Einmündungen der Ansaugleitung 14 beziehungsweise des Abgasstranges 30 in den Zylindern 12 beweglich angeordnet sind.
In 1 und 2 ist zudem eine Motorsteuerung 40 gezeigt, in die diverse Signale der Verbrennungskraftmaschine 10 (Drehzahl n, Motor- beziehungsweise Kühlmitteltemperatur, etc.), des Abgassystems 28 (Lambda λ, Abgastemperatur), der Einspritzungsanlage 18 (Kraftstoffdruck p_R) sowie eine durch ein Pedalwertgebersignal PWG angezeigte Lastanforderung des Fahrzeugs sowie andere Signale eingehen und verarbeitet werden. Unter Zugriff auf in der Motorsteuerung 40 abgespeicherte betriebspunktabhängige Kennlinien und Kennfelder ermittelt die Motorsteuerung 40 aus den Eingangswerten die erforderlichen Stell- und Steuersignale etwa für die Drosselklappe 16, den Startergenerator 26, die Injektoren (Einspritzwinkel α_E, Öffnungsdauer Δt), die Zündung (Zündwinkel α_Z) und die Kraftstoffpumpe 22 (Soll-Kraftstoffdruck p_S) und steuert mit diesen die entsprechenden Bauteile an. Insbesondere enthält die Motorsteuerung eine Steuerlogik 42 (1), mit der das nachfolgend beschriebene Verfahren zur Steuerung des Kraftstoffeinspritzung bei einem Startvorgang der Verbrennungskraftmaschine 10 durch den Startergenerator 26 ausgeführt wird.
Sobald ein Fahrer des Kraftfahrzeugs etwa durch entsprechendes Drehen eines Zündschlüssels ein Startsignal an die Motorsteuerung 40 gibt, startet zunächst der Startgenerator 26, der hierbei durch den Energiespeicher des Hybridsystems (beispielsweise einem Kondensatorspeicher und/oder eine Hochleistungsbatterie) oder auch durch die Fahrzeugbatterie gespeist wird. Durch den schnellen Hochlauf des Startergenerators 26 wird auch die mechanisch angetriebene Kraftstoffpumpe 22 schnell in Funktion versetzt. Der Kraftstoffdruck im Speichervolumen 20 wird zunächst auf einen aggregatspezifischen Soll-Leerlaufdruck von beispielsweise 60 bar (Regelgröße) eingeregelt. Währenddessen wird der Kraftstoffdruck p_R im Speicher 20 kontinuierlich durch den Drucksensor 58 gemessen sowie die Motordrehzahl n mit einem an der Motorkurbelwelle angeordneten Drehzahlsensor (nicht dargestellt) erfasst. Gemäß der in der Motorsteuerung vorhandenen Steuerlogik 42 werden die Messsignale p_R und n kontinuierlich mit entsprechenden Grenzwerten verglichen, deren Überschreitung zur Zulassung der Kraftstoffeinspritzung führt. Dies sind im Einzelnen ein Mindest-Kraftstoffdruck von insbesondere 40 bar sowie eine Mindest-Drehzahl, die insbesondere 80 % einer aggregatspezifischen Leerlaufdrehzahl der Verbrennungskraftmaschine 10 beträgt. Erst wenn vorzugsweise beide Grenzwerte erreicht oder überschritten sind, wird die Kraftstoffeinspritzung zugelassen, das heißt, der Injektor 52 wird entsprechend eines durch die Motorsteuerung 40 vorgegebenen Einspritzwinkels α_E (Ansteuerbeginn) und einer der Einspritzmenge proportionalen Einspritzdauer Δt angesteuert und geöffnet. Außerdem wird die Zündkerze 50 entsprechend dem Zündwinkel α_Z angesteuert. Durch Einhaltung dieser Grenzwerte wird erreicht, dass bereits bei den ersten Einspritzvorgängen ein gut brennbares Gemisch in den Brennräumen 54 der Zylinder 12 vorliegt, insbesondere sich ein feinverteilter Kegelstrahl des eingespritzten Kraftstoffs ausbildet, wodurch die Schadstoffemissionen im Abgas minimiert werden. Gleichzeitig wird während des Startvorgangs überwacht, dass der Einspritzdruck den aggregatspezifischen Leerlaufdruck von beispielsweise 60 bar um höchstens 20 bar überschreitet. Sollte diese Situation eintreten, wird (durch Öffnen des Drucksteuerventils) der Systemdruck gesenkt und wiederum die Einspritzung gesperrt, um ein Abscheiden des eingespritzten Kraftstoffs an den noch nicht betriebswarmen Zylinderwänden und dem Kolbenboden zu vermeiden.
Bereits bei Einsetzen der ersten Einspritzvorgänge nach dem Start wird die einzuspritzende Kraftstoffmenge über die Öffnungsdauer Δt des Injektors betriebspunktabhängig entsprechend des normalen Leelaufbetriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 eingestellt. Mit anderen Worten wird zumindest bei einer Motortemperatur oberhalb von –10 °C, vorzugsweise bei sämtlichen Temperaturen auf eine gemäß Stand der Technik übliche Start- oder Nachstartanreicherung gänzlich verzichtet. Da trotz der von Beginn an guten Gemischaufbereitung im Brennraum 54 Wandfilmeffekte nicht vollständig ausgeschlossen werden können, wird spätestens mit Einsetzen der Kraftstoffeinspritzung erfindungsgemäß der Verlauf des Motorhochlaufs der Verbrennungskraftmaschine 10 überwacht und mit einem Sollverlauf verglichen. Als Indikatorgröße für das Hochlaufverhalten dient insbesondere der Drehzahlverlauf. Wird eine Abweichung des Drehzahlverlaufs von dem Sollverlauf festgestellt, insbesondere ein Unterschreiten des Sollverlaufs, erfolgt eine entsprechende Ansteuerung des Startergenerators 26, so dass dieser ein unterstützendes Drehmoment auf die Motorkurbelwelle überträgt die festgestellte Abweichung weitestgehend kompensiert wird. Auf diese Weise wird ein "Magerruckeln" in Form von Drehzahlschwankungen, das infolge des unerwünschten Ausmagerns des Gemischs im Brennraum 54 auftreten kann, ausschließlich durch Eingriff des Startergenerators 26 und nicht durch eine Gemischanreicherung unterbunden.
Nach einer alternativen Ausgestaltung der in 1 dargestellten Anlage ist der Fahrzeugantrieb als insbesondere paralleler Hybridantrieb realisiert, wobei sich die Verbrennungskraftmaschine 10 und der wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betreibbare Startergenerator 26 zum Fahrzeugantrieb ergänzen. Dabei wird angestrebt, die Verbrennungskraftmaschine 10 weitgehend nur in Betriebsbereichen mit günstigem Wirkungsgrad zu betreiben und in anderen Situationen den nunmehr als Elektromaschine (mit Leistungen von beispielsweise 10 bis 25 kW) ausgestalteten Startergenerator 26 zuzuschalten oder den Antrieb gänzlich durch diesen zu bewirken. Eine Start-Stopp-Automatik sorgt bei Vorliegen entsprechender Bedingungen für eine automatische Abschaltung und den Wiederstart des Verbrennungsmotors 10, wobei auch die Wiederstartvorgänge nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt werden.

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Zylinder
14: Ansaugleitung
16: Drosselklappe
18: Direkteinspritzungsanlage
20: Speichervolumen
22: Hochdruck-Kraftstoffpumpe
24: Antriebstrang Kraftstoffpumpe
26: elektrische Maschine/Startergenerator
28: Abgasanlage
30: Abgasstrang
32: Vorkatalysator
34: Hauptkatalysator
36: Lambdasonde
40: Motorsteuerung
42: Steuerlogik
44: Zylindergehäuse
46: Kolben
48: Zylinderkopf
50: Zündkerze
52: Kraftstoffeinspritzventil (Injektor)
54: Brennraum
56: Kraftstoffleitung
58: Drucksensor
α_E: Einspritzwinkel (Ansteuerbeginn)
Δt: Einspritzdauer (Ventilöffnung)
α_Z: Zündwinkel
n: Drehzahl
λ: Lambda
p_R: Kraftstoffdruck
PWG: Pedalwertgeber-Signal

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoffeinspritzung bei einer mit mindestens einer elektrischen Maschine (26) ausgestatteten Verbrennungskraftmaschine (10), der eine Direkteinspritzungsanlage (18) zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in mindestens einen Brennraum (54) der Verbrennungskraftmaschine (10) zugeordnet ist, wobei die Direkteinspritzungsanlage (18) eine mechanisch angetriebene Kraftstoffpumpe (22) zur Erzeugung eines Kraftstoffdrucks in einem dem mindestens einen Brennraum (54) vorgelagerten Speichervolumen (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Startvorgang der Verbrennungskraftmaschine (10) die Kraftstoffeinspritzung erst bei Erreichen eines Mindest-Kraftstoffdrucks aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere bei einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine (10) der Mindest-Kraftstoffdruck mindestens 20 bar, insbesondere mindestens 30 bar, vorzugsweise mindestens 40 bar beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine (10) der Mindest-Kraftstoffdruck mindestens 150 bar, insbesondere mindestens 300 bar, vorzugsweise mindestens 400 bar beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Kraftstoffeinspritzung erst bei Erreichen einer Mindest-Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (10) aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindest-Drehzahl mindestens 50 %, insbesondere mindestens 70 %, vorzugsweise mindestens 80 % einer Leerlaufdrehzahl beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere bei einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine (10) ein maximaler Einspritzdruck von höchstens 40 bar oberhalb eines Leerlaufbetriebsdrucks, insbesondere höchstens 30 bar oberhalb des Leerlaufbetriebsdrucks, vorzugsweise höchstens 20 bar oberhalb des Leerlaufbetriebsdrucks eingehalten wird.
Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoffeinspritzung bei einer mit mindestens einer elektrischen Maschine (26) ausgestatteten Verbrennungskraftmaschine (10), der eine Direkteinspritzungsanlage (18) zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in mindestens einen Brennraum (54) der Verbrennungskraftmaschine (10) zugeordnet ist, wobei die Direkteinspritzungsanlage (18) eine mechanisch angetriebene Kraftstoffpumpe (22) zur Erzeugung eines Kraftstoffdrucks in einem dem mindestens einen Brennraum (54) vorgelagerten Speichervolumen (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Startvorgang der Verbrennungskraftmaschine (10) zumindest nach Einsetzen der Kraftstoffeinspritzung ein Verlauf eines Hochlaufs der Verbrennungskraftmaschine (10) überwacht wird und bei Feststellung einer Abweichung des Hochlaufs von einem Sollverlauf die Abweichung durch motorischen Eingriff der mindestens einen elektrischen Maschine (26) zumindest teilweise kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Viertakt-Verbrennungskraftmaschine (10) mit vier oder weniger Zylindern (12) die Überwachung des Hochlaufs im Leerlauf mit einer Drehzahlauflösung von mindestens vier Arbeitstakten, insbesondere mindestens zwei Arbeitstakten, vorzugsweise einem Arbeitstakt durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung zumindest bei Motortemperaturen ≥ 17 °C ohne Startanreicherung gegenüber einer betriebspunktbedingten Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung ohne Startanreicherung zumindest bei Motor- und/oder Kühlmitteltemperaturen ≥ 5 °C durchgeführt wird, insbesondere bei Motortemperaturen ≥ –2 °C, vorzugsweise bei Motortemperaturen ≥ –10 °C, besonders bevorzugt bei beliebigen Motortemperaturen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kombination einer Maßnahme nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Maßnahme nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 10.
Kraftfahrzeug mit einer mit mindestens einer elektrischen Maschine (26) ausgestatteten Verbrennungskraftmaschine (10), welcher eine Direkteinspritzungsanlage (18) zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in mindestens einen Brennraum (54) der Verbrennungskraftmaschine (10) zugeordnet ist, wobei die Direkteinspritzungsanlage (18) eine mechanisch angetriebene Kraftstoffpumpe (22) zur Erzeugung eines Kraftstoffdrucks in einem dem mindestens einen Brennraum (54) vorgelagerten Speichervolumen (20) aufweist, gekennzeichnet durch Mittel, mit denen die Kraftstoffeinspritzung bei einem Startvorgang der Verbrennungskraftmaschine (10) mit mindestens einer der folgenden Maßnahmen ausgeführt wird: (a) Aktivierung der Kraftstoffeinspritzung in den mindestens einen Brennraum (54) erst bei Erreichen eines Mindest-Kraftstoffdrucks und (b) Überwachung eines Verlaufs eines Hochlaufs der Verbrennungskraftmaschine (10) zumindest nach Einsetzen der Kraftstoffeinspritzung und bei Feststellung einer Abweichung des Verlaufs von einem Sollverlauf zumindest teilweise Kompensation der Abweichung durch motorischen Eingriff der mindestens einen elektrischen Maschine (26).
Kraftfahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrische Maschine (26) als Startergenerator ausgebildet ist und auf die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine (10) wirkt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verbrennungskraftmaschine (10) und die mindestens eine elektrische Maschine (26) einen Hybridantrieb ausbilden.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug eine mindestens einen Katalysator (32, 34) umfassende Abgasanlage (28) aufweist, wobei bei einem Katalysatorgesamtvolumen von mindestens 0,9 l pro Liter Hubvolumen der Verbrennungskraftmaschine (10) ein mittlerer Edelmetallgehalt des mindestens einen Katalysators (32, 34) höchstens 3,59 g/dm³, insbesondere höchstens 2,87 g/dm³, vorzugsweise höchstens 2,15 g/dm³, beträgt.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug eine mindestens einen Katalysator (32, 34) umfassende Abgasanlage (28) aufweist und eine Gesamtedelmetallmasse des mindestens einen Katalysators (32, 34) höchstens 3 g pro Liter Hubvolumen der Verbrennungskraftmaschine (10), insbesondere höchstens 2,5 g pro Liter Hubvolumen, vorzugsweise höchstens 2 g pro Liter Hubvolumen, besonders bevorzugt höchstens 1,5 g pro Liter Hubvolumen, beträgt.