DE102005056518A1

DE102005056518A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005056518A1
Application number: DE102005056518A
Authority: DE
Inventors: Christina Sauer; Andre-Francisco Casal Kulzer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2007-05-31
Also published as: FR2893985A1

Abstract

Bei einer Brennkraftmaschine wird Benzin direkt in einen Brennraum eingespritzt und durch Selbstzündung (62) entflammt. Es wird vorgeschlagen, dass ein Parameter, insbesondere ein Zeitpunkt der Selbstzündung (62), durch die Anzahl und/oder den Zeitpunkt der Einspritzungen (56a bis d) gezielt beeinflusst wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung, sowie eine Brennkraftmaschine.

Zwar noch nicht in Serie, jedoch grundsätzlich bekannt sind Brennkraftmaschinen, bei denen Benzin direkt in den Brennraum eingespritzt und, ähnlich dem Dieselprinzip, selbst entzündet wird. von solchen Brennkraftmaschinen erwartet man sich weitere Einsparungen beim Kraftstoffverbrauch und ein nochmals günstigeres Emissionsverhalten als bei Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkteinspritzung und Fremdzündung durch eine Zündkerze.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, welches es gestattet, das Emissions- und Verbrauchsverhalten von Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung nochmals zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Lösungsmöglichkeiten finden sich in den nebengeordneten Patentansprüchen, die ein elektrisches Speichermedium, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung, ein Computerprogramm, und eine Brennkraftmaschine betreffen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es (im Unterschied zu bekannten Verfahren, die auf die Verbrennung Einfluss nehmen) einen Parameter, beispielsweise den Zeitpunkt, der Selbstzündung gezielt zu beeinflussen. Damit ist es möglich, den Schwerpunkt der Verbrennung auch bei Benzin-Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung in unterschiedlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine in einen Bereich zu legen, in dem der Kraftstoffverbrauch niedrig und das Emissionsverhalten günstig sind.

Ermöglicht wird dies durch die erfindungsgemäße Erkenntnis, dass der thermodynamische Zustand des Brennraums zum Zeitpunkt der Selbstzündung durch die Anzahl und/oder Zeitpunkte der vorhergehenden Einspritzungen gezielt konditioniert werden kann. Dieser thermodynamische Zustand wiederum, beispielsweise ein Brennraumdruck oder eine Brennraumladung, beeinflusst wiederum die Selbstzündung. Letztlich heißt all dies nichts anderes, als dass die Kombination von mehreren Einspritzungen während eines Zeitraums, der im Bereich des Gaswechsel-OT beginnt und über den Ansaugtakt bis in den Verdichtungstakt reicht, nicht nur erlaubt, sondern für die thermodynamische Konditionierung des Brennraums gegebenenfalls sogar notwendig ist.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise gestattet jedoch nicht nur eine Steuerung, sondern sogar eine Regelung, indem der aktuelle thermodynamische Zustand des Brennraums durch eine diesen charakterisierende Größe erfasst oder ermittelt wird und Anzahl und/oder Zeitpunkt der Einspritzungen von der erfassten oder ermittelten Größe abhängig gemacht werden. Dies kann bestenfalls noch für den gleichen Arbeitszyklus, spätestens jedoch für den auf die Erfassung des thermodynamischen Zustandes folgenden Arbeitszyklus geschehen.

Besonders günstig hierfür ist es, wenn mindestens eine Einspritzung gegen Ende eines Auslasstakts und/oder während eines Ansaugtaktes erfolgt und dann auf der Basis der anschließend erfassten oder ermittelten Größe Anzahl und/oder Zeitpunkt zusätzlicher Einspritzungen bestimmt wird. Durch eine solche erste Einspritzung während eines Ansaugtaktes wird ein homogenes Grundgemisch erzeugt. Aus einer anschließenden Auswertung des thermodynamischen Zustandes kann erkannt werden, ob dieser einem gewünschten Zustand, beispielsweise einem gewünschten Ladungszustand, entspricht. Ist dies nicht der Fall, kann durch eine weitere oder mehrere Einspritzungen, beispielsweise während eines nachfolgenden Kompressionstaktes, Einfluss auf den thermodynamischen Zustand des Brennraums genommen werden.

Dabei sei darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren grundsätzlich nicht nur bei Vier-Takt-Brennkraftmaschinen, sondern auch bei Zwei-Takt-Brennkraftmaschinen oder auch bei Sechs-Takt-Brennkraftmaschinen eingesetzt werden kann. Diese unterschiedlichen Betriebsarten können darüber hinaus auch bei ein und derselben Brennkraftmaschine, jedoch zu unterschiedlichen Betriebspunkten vorliegen.

Während die Grundlagen des Zwei- und des Vier-Takt-Betriebes seit langer Zeit bekannt sind, sei zum Sechs- Takt-Betrieb angemerkt, dass bei diesem ein zusätzlicher Entspannungs- und ein zusätzlicher Verdichtungstakt vorgesehen sind, um im Brennraum ein besseres Reaktionsverhalten des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu erzielen. Ein solcher Sechs-Takt-Betrieb kommt vor allem dann in Frage, wenn an der Brennkraftmaschine eine vergleichsweise niedrige Last anliegt. Voraussetzung hierfür ist natürlich, dass Ein- und Auslassventile mit der hierfür erforderlichen Variabilität betrieben werden können.

Dabei wird der Zündverzug verlängert, wenn mindestens eine zusätzliche Einspritzung während einer Anfangsphase eines Verdichtungstaktes erfolgt. Zu diesem Zeitpunkt sind Druck- und Temperatur im Brennraum noch vergleichsweise niedrig, so dass die Verdampfungsenthalpie des eingespritzten Kraftstoffes eine Kühlung der im Brennraum vorhandenen Luftladung und eine gewisse Inhomogenität bei der Kraftstoffverteilung bewirkt. Dies wirkt einer zu frühen Selbstzündung und einer klopfenden Verbrennung entgegen.

Möglich ist auch, dass ein Zündverzug verkürzt wird, indem mindestens eine zusätzliche Einspritzung nach einer Anfangsphase eines Verdichtungstaktes erfolgt. Zu diesem Zeitpunkt herrschen im Brennraum bereits höhere Drücke und Temperaturen. Die chemische Aufbereitung und die Reaktionskinetik laufen daher vergleichsweise schnell ab, was den Zündverzug verkürzt.

Eine weitere Möglichkeit, den thermodynamischen Zustand, und hier insbesondere den Ladungszustand im Brennraum zu beeinflussen, besteht in der Realisierung einer Abgasrückführung. Bei einer internen Abgasrückführung wird durch eine variable Ansteuerung der Einlass- und Auslassventile im Gaswechsel-OT entweder Restgas im Brennraum zurückbehalten (negative Ventilüberschneidung) oder es wird Restgas aus dem Abgas- oder dem Einlasskanal zurückgesaugt (positive Ventilüberschneidung).

Zeichnungen
Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei sei darauf hingewiesen, dass die in der Beschreibung, den Patentansprüchen, und der Zeichnung angegebenen Merkmale in ganz unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass dies explizit dargelegt ist. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine; und
2 ein Diagramm, in dem ein Druck in einem Brennraum und verschiedene Kraftstoffeinspritzungen über einem Winkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine von 1 aufgetragen sind.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 trägt eine Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in 1 der Einfachheit halber jedoch nur einer mit einem Brennraum 12 und einem Kolben 14 dargestellt ist. Der Kolben 14 ist mit einer Kurbelwelle 16 verbunden. Verbrennungsluft gelangt in den Brennraum 12 über ein Einlassventil 18 und einen Einlasskanal 20. In diesem ist eine Drosselklappe 22 angeordnet.
Kraftstoff wird in den Brennraum 12 durch einen Injektor 24 eingespritzt. Dieser wird von einem Hochdruck-Kraftstoffsystem 26 gespeist. Heiße Verbrennungsabgase werden aus dem Brennraum 12 über ein Auslassventil 28 und einen Auslasskanal 30 abgeführt. Das Einlassventil 18 wird von einer verstellbaren Nockenwelle 32 betätigt, das Auslassventil 28 von einer verstellbaren Nockenwelle 34.
Ein Benutzer der Brennkraftmaschine 10 äußert einen Drehmomentwunsch durch Betätigung eines Gaspedals 36 (EGAS). Gesteuert und geregelt wird der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 von einer Steuer- und Regeleinrichtung 38, die unter anderem die vom Gaspedal 36 gelieferten Signale verarbeitet. Darüber hinaus erhält die Steuer- und Regeleinrichtung 38 die Signale eines Drehzahlsensors 40, welcher die Drehzahl der Kurbelwelle 16 erfasst, eines HFM-Sensors 42, der die durch den Einlasskanal 20 strömende Luftmasse erfasst, und von einem Drucksensor 44, der den im Brennraum 12 herrschenden Druck erfasst.
Zur Einstellung eines Betriebspunktes der Brennkraftmaschine 10 werden unter anderem der Injektor 24 und die Drosselklappe 22 angesteuert. Auch die Stellungen der Einlassnockenwelle 32 und der Auslassnockenwelle 34 werden durch entsprechende Signale von der Steuer- und Regeleinrichtung 38 beeinflusst.
Wie aus 1 sofort ersichtlich ist, verfügt die dort gezeigte Brennkraftmaschine 10 über keine Zündkerze. Stattdessen wird das vom Injektor 24 eingespritzte Benzin selbst entflammt aufgrund der Temperatursteigerung des im Brennraum 12 eingeschlossenen Gases durch die Kompression während des Verdichtungstaktes. Um den Zeitpunkt der Selbstentflammung des eingespritzten Benzins möglichst genau einstellen zu können, wird gemäß einem Verfahren vorgegangen, welches nun unter Bezugnahme auf 2 im Detail erläutert wird.
Das Verfahren zielt darauf ab, dass bei der Brennkraftmaschine 10 in unterschiedlichen Lastpunkten unterschiedliche Abgasrückführ- beziehungsweise Restgasstrategien und unterschiedliche Einspritzstrategien angewendet werden. Bei sehr geringer Last wird zur Rückführung von internem Restgas eine Strategie zur Restgasspeicherung im Brennraum 12 verwendet, welche darin besteht, dass das Auslassventil 28 vor dem Ende eines Auslasstaktes geschlossen und das Einlassventil 18 erst nach dem Beginn eines Ansaugtaktes geöffnet wird.
In 2 ist der Kurbelwinkelbereich des Auslasstaktes mit 46, der Kurbelwinkelbereich des Ansaugtaktes mit 48 bezeichnet. Die Hubkurve des Auslassventils 28 trägt in 2 das Bezugszeichen 50, jene des Einlassventils 18 das Bezugszeichen 52. Man erkennt aus 2, dass im sogenannten Gaswechsel-OT (in 2 bei einem Kurbelwinkel KW von 0°) das Auslassventil 28 bereits geschlossen, das Einlassventil 18 aber noch nicht geöffnet ist. Diese Strategie wird auch als "negative Ventilüberschneidung" bezeichnet.
Hierdurch wird die im Brennraum 12 am Ende des Auslasstaktes 46 eingeschlossene Restgasmasse verdichtet, was zu einer Erhöhung des Drucks p (Kurve 54 in 2) und einer entsprechenden Temperaturerhöhung führt. Eine erste Einspritzung von Benzin durch den Injektor 24 erfolgt zu diesem Zeitpunkt, also kurz vor Ende des Auslasstaktes 46. Diese Einspritzung ist in 2 durch einen Pfeil 56a angedeutet. Aufgrund der hohen Temperaturen kommt es zu Zerfallsreaktionen des in 56a eingespritzten Benzins in reaktivere Zwischenprodukte. Bei sehr hohen Temperaturen im Brennraum 12 und einem hohen Sauerstoffgehalt kann es auch zu einer relevanten Wärmefreisetzung kommen, welche zu einer weiteren und zusätzlichen Temperaturerhöhung im Brennraum 12 führt. Das Einlassventil 18 öffnet, sobald wenigstens in etwa ein Druckgleichgewicht zwischen dem Einlasskanal 20 und dem Brennraum 12 herrscht, um auf diese Weise Strömungsverluste zu vermeiden.
Bei einer höheren Last, einer höheren Temperatur im Brennraum 12 und/oder einem höheren Verdichtungsverhältnis könnte im Übrigen auch eine sogenannte "positive Ventilüberschneidung" zum Einsatz kommen, bei der, anders als in 2 dargestellt, das Auslassventil 28 bis in den Ansaugtakt 48 geöffnet bleibt und bei der das Einlassventil 28 bereits gegen Ende des Auslasstaktes 46 öffnet. Bei dieser positiven Ventilüberschneidung wird also die benötigte Restgasmenge entweder aus dem Auslasskanal 30 oder aus dem Einlasskanal 20 in den Brennraum 12 zurückgesaugt, ohne dass es im Gaswechsel-OT bereits zu einer Druck- und Temperaturerhöhung aufgrund einer Verdichtung im Brennraum 12 kommt.
Durch die Auswahl einer bestimmten Restgas- beziehungsweise Ventilüberschneidungsstrategie kann bereits Einfluss auf den Druck p und auf die Temperatur im Brennraum 12 während eines sich an den Ansaugtakt 48 anschließenden Verdichtungstaktes (Bezugszeichen 58 in 2) und hierdurch auf den Zeitpunkt der Selbstzündung des eingespritzten Benzins genommen werden. Die eigentliche Haupteinspritzung von Kraftstoff durch den Injektor 24 erfolgt dann während des Ansaugtakts 48 (Pfeile 56b). Auch der Zeitpunkt der Haupteinspritzung 56b beeinflusst die Homogenität der Zylinderladung, ebenso wie die erste Einspritzung 56a.
Gegen Ende des Ansaugtaktes 48 ergibt sich aufgrund der gewählten Restgas- und Einspritzstrategie also ein ganz bestimmter thermodynamischer Zustand im Brennraum 12. Dabei werden die Restgasstrategie und die Einspritzstrategie so gewählt, dass dieser einem gewünschten thermodynamischen Zustand, letztlich einem gewünschten Beginn der Selbstzündung des eingespritzten Kraftstoffes, entspricht.
Der im Brennraum 12 vorliegende thermodynamische Zustand, beispielsweise der Druck p (Kurve 54 in 2) im Brennraum 12, wird kontinuierlich vom Drucksensor 44 erfasst. Speziell gegen Ende des Ansaugtaktes 48 wird bei dem vorliegenden Verfahren aufgrund des Signals des Drucksensors 44 geprüft, ob der tatsächliche aktuelle thermodynamische Zustand im Brennraum 12 dem gewünschten thermodynamischen Zustand entspricht. Ist dies nicht der Fall, kann nun während des Verdichtungstaktes 58 der thermodynamische Zustand im Brennraum 12 durch entsprechende Einspritzungen von Benzin durch den Injektor 24 beeinflusst werden.
Wird beispielsweise Benzin zu Beginn des Verdichtungstaktes 58 eingespritzt (Pfeil 56c in 2), also zu einem Zeitpunkt, zu dem im Brennraum 12 ein vergleichsweise niedriger Druck und eine vergleichsweise niedrige Temperatur herrscht, so bewirkt die Verdampfungsenthalpie des eingespritzten Kraftstoffes eine Kühlung der im Brennraum 12 vorhandenen Gasladung und eine gewisse Inhomogenität bei der Kraftstoffverteilung. Dies wirkt einer zu frühen Selbstzündung des eingespritzten Kraftstoffes und einer klopfenden Verbrennung entgegen. Der Zündverzug wird auf diese Weise also verlängert.
Alternativ hierzu kann, wie durch den Pfeil 56d angedeutet ist, die Einspritzung auch später im Verdichtungstakt 58 erfolgen, also zu einem Zeitpunkt, zu dem im Brennraum 12 bereits eine vergleichsweise hohe Temperatur beziehungsweise ein hoher Druck p herrscht. In dieser Phase laufen nach einer Einspritzung von Benzin Gemischaufbereitung und Reaktionskinetik so schnell ab, dass durch diese Einspritzung 56d der Zündverzug verkürzt wird, der Zeitpunkt der Selbstzündung also vorverlegt wird.
Aufgrund des im Ansaugtakt 48 erfassten thermodynamischen Zustands des Brennraums 12 wird also entschieden, ob und wie im Verdichtungstakt 58 zusätzliche Einspritzungen 56c oder 56d erfolgen sollen. Dieser Zusammenhang wird durch den Pfeil 60 in 2 zum Ausdruck gebracht. Auf diese Weise kann der Zeitpunkt der Selbstzündung (Stern 62 in 2) des im Brennraum 12 eingeschlossenen Gas-Kraftstoff-Gemisches so beeinflusst werden, dass die Brennkraftmaschine 10 in jedem Betriebspunkt mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), bei dem Kraftstoff, insbesondere Benzin, direkt in einen Brennraum (12) eingespritzt und durch Selbstzündung (62) entflammt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Parameter, insbesondere ein Zeitpunkt, der Selbstzündung (62) durch die Anzahl und/oder Zeitpunkte der Einspritzungen (56a–d) gezielt beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Verbrennung und/oder den aktuellen thermodynamischen Zustand des Brennraums (12) charakterisierende Größe (p) erfasst oder ermittelt wird, und dass Anzahl und/oder Zeitpunkt der Einspritzungen (56c–d) von der erfassten oder ermittelten Größe (p) abhängen/abhängt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der thermodynamische Zustand ein Brennraumdruck (p) ist, oder eine Größe, die aus dem Brennraumdruck ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einspritzung (56a, b) gegen Ende eines Auslasstakts (46) und/oder während eines Ansaugtaktes (48) erfolgt und dann auf Basis der anschließend erfassten oder ermittelten Größe (p) Anzahl und/oder Zeitpunkt zusätzlicher Einspritzungen (56c–d) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zündverzug verlängert wird, indem mindestens eine zusätzliche Einspritzung (56c) während einer Anfangsphase eines Verdichtungstaktes (58) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zündverzug verkürzt wird, indem mindestens eine zusätzliche Einspritzung (56d) nach einer Anfangsphase eines Verdichtungstakts (58) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine interne Abgasrückführung von einer aktuellen Last abhängt.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
Elektrisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (38) einer Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 7 abgespeichert ist.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (38) für eine Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 programmiert ist.
Brennkraftmaschine (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (38), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (38) zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 programmiert ist.