DE102007050623A1 - Einspritzstrategie zum Maximieren des Wirkungsgrads in einem Gasmotor - Google Patents

Einspritzstrategie zum Maximieren des Wirkungsgrads in einem Gasmotor Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren für einen Motor an die Hand gegeben, der gasförmigen Kraftstoff verbrennen kann, wobei der Motor auch einen Brennraum, eine Kraftstoffzufuhranlage mit mindestens einem Kraftstofftank, mindestens einem Einlassventil und mindestens einem Auslassventil, ein Einspritzventil zum direkten Einspritzen von gasförmigem Kraftstoff in den Brennraum und einen Abgassauerstoffsensor umfasst. Das Verfahren umfasst direktes Einspritzen von Kraftstoff von dem Einspritzventil in den Brennraum bei einem veränderlichen Zufuhrdruck, der bei Abnahme des Kraftstofftankdrucks abnimmt; und Verstellen von mindestens einem von Einspritzzeit und -dauer beruhend auf mindestens dem veränderlichen Druck und Informationen von dem Abgassauerstoffsensor.

Description

  • Gebiet
  • Die vorliegende Anmeldung betrifft ein System und Verfahren zum Verbessern von Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei Motoren, die einen gasförmigen Kraftstoff verbrennen.
  • Hintergrund und Kurzdarstellung
  • Mit Gas betriebene Fahrzeuge können Kraftstoff in druckbeaufschlagten Tanks (zum Beispiel aus Kohlenstofffaser) bei Maximaldrücken von in etwa 350 bis 700 Bar speichern. In dem verdichteten Gas kann bei diesen hohen Drücken erhebliche Energie gespeichert werden, und diese Energie kann verloren gehen, wenn der Druck auf den Bereich von 5–10 Bar von Motoren mit Kanalkraftstoffeinspritzung oder den Bereich von 50–150 Bar von Direkteinspritzmotoren heruntergedrosselt wird.
  • Ein Vorgehen, das auf das Rückgewinnen zumindest eines Teils der verdichteten Gasenergie gerichtet ist, wird in US-Patent 5,941,210 beschrieben. Das offenbarte Vorgehen verwendet einen Turbolader, der durch den verdichteten Gasstrom betrieben wird, um während des Regelprozesses, wenn gasförmiger Kraftstoff reduziert wird, um einem Direkteinspritzmotor Kraftstoff zu liefern, Expansionsenergie zurückzugewinnen. Es beschreibt auch die Einspritzung bei veränderlichen Kraftstoffdrücken ohne Regelung, wobei ein Steuermittel auf Änderungen im Druck der Kraftstoffzufuhranlage reagiert. Diesbezüglich wird in der Kraftstoffzufuhranlage eine Druckmessvorrichtung vorgesehen.
  • Die vorliegenden Erfinder haben aber erkannt, dass in manchen Fällen ein solches System aufgrund des Hinzufügens des Turboladers und zugehöriger Einrichtungen die Kosten und/oder Komplexität der Kraftstoffzufuhranlage steigern kann, was den Betrieb im Fall einer Verschlechterung des Turboladers und/oder der zugehörigen Einrichtungen weiter komplizieren kann. Dies kann die Fähigkeit zum präzisen Regeln von Kraftstoffdruck und/oder zum Rückgewinnen der Energie verdichteten Gases mindern. Wenn weiterhin auf Druckmessungen zum Reagieren auf Änderungen des Kraftstoffdrucks gesetzt wird, können durch Betätigung der Einspritzventile hervorgerufene Schwankungen des Kraftstoffdrucks Fehler bei der Kraftstoffzufuhr erzeugen, was wiederum die Fähigkeit zum präzisen Regeln von Kraftstoffdruck mindert. Ein solcher verschlechterter Betrieb kann insbesondere unter stark schwankenden Tankdrücken vorherrschen, die bei dem Versuch auftreten, Energie verdichteten Gases in der Kraftstoffanlage zurückzugewinnen.
  • Um mindestens einige der obigen Punkte anzugehen, können verschiedene Verfahren vorgesehen werden. In einer Ausführung kann ein Verfahren umfassen: direktes Einspritzen von Kraftstoff von dem Einspritzventil in den Brennraum bei einem veränderlichen Zufuhrdruck, der sinkt, wenn der Kraftstofftankdruck sinkt; und Verstellen mindestens eines von Einspritzsteuerzeit und Einspritzdauer als Reaktion auf mindestens den veränderlichen Druck sowie Informationen von dem Abgassauerstoffsensor. In einem Beispiel kann das Einspritzventil ein Einspritzventil piezoelektrischer Art mit ausreichend schneller Ansprechzeit sein, um einen Ausgleich bei einem stark variierenden Kraftstoffdruck zu ermöglichen, wodurch Druckverlust aufgrund von Regelung gemindert wird. Weiterhin können die Steuerzeiten der Einspritzung später im Verdichtungstakt und im Arbeitstakt liegen (während Bedingungen mit geschlossenem Einlass- und Auslassventil), um eine Rückgewinnung der Energie verdichteten Gases zu ermöglichen. Natürlich können auch zusätzliche Einspritzungen während des Zyklus und andere Bauarten von schnell ansprechenden Einspritzventilen verwendet werden.
  • Das obige Vorgehen kann verschiedene Vorteile haben. Durch Verstellen der Einspritzsteuerung als Reaktion sowohl auf veränderlichen Kraftstoffdruck als auch Rückmeldung von einem Abgassauerstoffsensor kann es zum Beispiel möglich sein, die Zufuhr gasförmigen Kraftstoffs über einem breit schwankenden Kraftstoffdruckbereich präzis zu steuern, selbst bei über dem Motordrehzahl- und Motorlastbereich breit schwankenden Kraftstoffzufuhrmengen und -zeiten. Auf diese Weise kann verdichtete Energie in dem gespeicherten Kraftstoff in dem Zylinder zurückgewonnen werden, während immer noch eine annehmbare Kraftstoffsteuerung aufrechterhalten wird.
  • Zu beachten ist, dass das obige Vorgehen ohne Druckregelung verwendet werden kann, auch wenn es bei Systemen, die mindestens eine Form von Druckregelung in der Kraftstoffanlage aufweisen, die eine veränderliche Druckregelung umfassen kann, anwendbar ist, wenn nicht gar besser anwendbar ist. Unter Motorbetriebsbedingungen reduzierter Einspritzventilpulsbreite kann zum Beispiel vermehrte Druckregelung verwendet werden, wogegen während Bedingungen vergrößerter Einspritzventilpulsbreite eine reduzierte Druckregelung verwendet werden kann, wodurch wenn möglich eine präzise Steuerung und eine verbesserte Rückgewinnung von Energie verdichteten Gases ermöglicht werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführung eines Motors, der gasförmigen Kraftstoff verbrennt.
  • 2 ist ein schematisches Diagramm einer ersten beispielhaften Ausführung eines Einspritzventils und der Kraftstoffzufuhranlage.
  • 3 ist ein schematisches Diagramm einer zweiten beispielhaften Ausführung eines Einspritzventils und der Kraftstoffzufuhranlage.
  • 4 ist ein schematisches Diagramm einer dritten beispielhaften Ausführung eines Einspritzventils und der Kraftstoffzufuhranlage.
  • 5 ist ein schematisches Diagramm, das eine Änderung der Druckregelung bei beispielhaften Betriebsbedingungen zeigt.
  • 6 ist ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführung eines Verfahrens zum Steuern von Kraftstoffeinspritzung basierend auf der Motorbetriebsbedingung und dem Kraftstofftankdruck.
  • 7 ist ein Flussdiagramm einer anderen beispielhaften Ausführung eines Verfahrens zum Steuern von Kraftstoffeinspritzung basierend auf Motorbetriebsbedingungen und Kraftstoffdruck.
  • 8 zeigt die Beziehung zwischen Zylinderdruck und Zylindervolumen, wobei es die thermodynamischen Wirkungen der Einspritzsteuerzeiten veranschaulicht.
  • Eingehende Beschreibung
  • 1 zeigt im Allgemeinen bei 10 eine beispielhafte Ausführung eines Zylinders eines Mehrzylindermotors, mit diesem Zylinder verbundene Ein- und Auslasswege und eine beispielhafte Ausführung einer Nockenwelle mit einem Mechanismus zur veränderlichen Zeitsteuerung zum Steuern der Ventile des Zylinders. Es versteht sich, dass die Auslegung des Motors 10 lediglich beispielhaft ist und dass hierin beschriebene Systeme und Verfahren in jedem anderen geeigneten Motor umgesetzt werden können. Weiterhin kann der Motor mittels einer Zündkerze, die in dem (nicht dargestellten) Zylinder angeordnet ist, fremdgezündet werden, wobei deren Steuerzeiten mit den Betriebsbedingungen verändert werden können.
  • Weiter mit 1 wird der Motor 10 durch ein elektronisches Motorsteuergerät 12 gesteuert. Ein Brennraum oder Zylinder 14 des Motors 10 wird mit Brennraumwänden 16 mit einem darin positionierten und mit einer Kurbelwelle 20 verbundenen Kolben 18 gezeigt. Der Brennraum 14 wird mit einem Ansaugkrümmer 22 und einem Abgaskrümmer 24 hinter einem Einlassventil 26 und Auslassventil 28 in Verbindung stehend gezeigt. Ein Einspritzventil 30 ist mittels eines herkömmlichen elektronischen Treibers 68 mit dem Brennraum 14 zum Zuführen von eingespritztem Kraftstoff direkt dorthinein proportional zu dem vom Steuergerät 12 empfangenen Pulsbreitensignal (fpw) verbunden. Durch eine (nicht dargestellte) Gaskraftstoffanlage, die einen Kraftstofftank, Kraftstoffpumpen und ein Verteilerrohr umfasst, wird dem Einspritzventil 30 Kraftstoff zugeführt.
  • Der Ansaugkrümmer 22 wird mit einem Drosselklappengehäuse 32 in Verbindung stehend gezeigt, die eine Drosselklappe 34 umfasst. In diesem bestimmten Beispiel ist die Drosselklappe 34 mit einem Elektromotor 36 verbunden, so dass die Stellung der Drosselklappe 34 mittels des Elektromotors 36 durch das Steuergerät 12 gesteuert wird. In einer (nicht dargestellten) alternativen Ausführung wird auf das Drosselklappengehäuse 32 und die Drosselklappe 34 verzichtet.
  • Ein Abgassensor 38 wird mit dem Abgaskrümmer 24 stromaufwärts einer Nachbehandlungsvorrichtung 40 verbunden gezeigt. Die Nachbehandlungsvorrichtung 40 kann jede geeignete Art von Vorrichtung zum Reduzieren von Emissionen des Motors 10 umfassen. Beispiele umfassen Dreiwege- und Vierwegekatalysatoren, Partikelfilter, Mager-NOx-Filter etc., sind aber nicht hierauf beschränkt.
  • In 1 wird das Steuergerät 12 als herkömmlicher Mikrocomputer gezeigt, welcher umfasst: eine Mikroprozessoreinrichtung 60, Input/Output-Ports 62, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte (in diesem besonderen Beispiel als Festwertspeicherchip 64 gezeigt), einen Arbeitsspeicher 66, einen batteriestromgestützten Speicher 69 und einen herkömmlichen Datenbus. Das Steuergerät 12 wird gezeigt, wie es neben den zuvor beschriebenen Signalen von mit dem Motor 10 gekoppelten Sensoren verschiedene Signale empfängt, darunter Messung der eingeleiteten Luftmasse (MAF) von einem Luftmengenmesser 70, der mit dem Drosselklappengehäuse 32 verbunden ist; Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von einem mit einem Kühlmantel 74 verbundenen Temperaturfühler 72; ein Zündungsprofil-Aufnehmersignal (PIP) von einem mit der Kurbelwelle 20 verbundenen Hallgeber 76; eine Drosselklappenstellung TP von einem Drosselklappenstellungssensor 78 und ein Krümmerdrucksignal (MAP) von einem Sensor 71.
  • Der Motor 10 kann so ausgelegt sein, dass er die Fähigkeit zur veränderlichen Zeitsteuerung von Einlassventilen und Auslassventilen hat. Zum Beispiel kann der Motor elektromechanisch betätigte Ventile umfassen, die von dem Steuergerät 12 gesteuert werden. Alternativ kann der Motor 10, wie in der dargestellten Ausführung gezeigt wird, einen Mechanismus zum mechanischen Verändern der Ein- und/oder Auslassventilsteuerzeiten, zum Beispiel zur Verstellen der Steuerzeiten einer Nockenwelle, umfassen. In der dargestellten Ausführung wird die Nockenwelle 90 des Motors 10 mit Kipphebeln 52 und 54 zum Betätigen des Einlassventils 26 und Auslassventils 28 in Verbindung stehend gezeigt. Die Nockenwelle 90 ist direkt mit einem Gehäuse 56 verbunden. Das Gehäuse 56 bildet ein Zahnrad mit mehreren Zähnen 58. Das Gehäuse 56 ist mit einem (nicht dargestellten) inneren Antriebselement hydraulisch verbunden, das wiederum direkt mittels einer (nicht dargestellten) Steuerkette mit der Kurbelwelle 20 verbunden ist. Daher drehen das Gehäuse 56 und die Nockenwelle 90 bei einer Geschwindigkeit, die im Wesentlichen gleich dem inneren Antriebselement ist. Das innere Antriebselement dreht bei einem konstanten Drehzahlverhältnis zur Kurbelwelle 20. Durch Betätigung der hydraulischen Kupplung kann aber, wie später hierin beschrieben wird, die relative Position der Nockenwelle 90 zur Kurbelwelle 20 durch Steuerung von Hydraulikdrücken in der Frühverstellkammer 100 und der Spätverstellkammer 102 verändert werden. Zum Beispiel wird durch Eindringenlassen von Hydraulikfluid hohen Drucks in die Frühverstellkammer 100, während man Fluid aus der Spätverstellkammer 102 austreten lässt, die relative Beziehung zwischen der Nockenwelle 90 und der Kurbelwelle 20 auf früh verstellt. Somit öffnen und schließen das Einlassventil 26 und das Auslassventil 28 zu einem früheren Zeitpunkt als normal im Verhältnis zur Kurbelwelle 20. Indem man Hydraulikfluid hohen Drucks in die Spätverstellkammer 102 eindringen lässt, während man Fluid aus der Frühverstellkammer 100 austreten lässt, wird analog die relative Beziehung zwischen der Nockenwelle 90 und der Kurbelwelle 20 auf spät verstellt. Somit öffnen und schließen das Einlassventil 26 und das Auslassventil 28 zu einem späteren Zeitpunkt als normal im Verhältnis zur Kurbelwelle 40.
  • Die Zähne 58, die mit dem Gehäuse 56 und der Nockenwelle 90 verbunden sind, ermöglichen eine Messung der relativen Nockenstellung mittels eines Nockensteuerungssensors 104, der dem Steuergerät 12 ein veränderliches Nockenwellensteuerzeitensignal (VCT, vom engl. Variable Camshaft Timing) liefert. In der dargestellten Ausführung sind vier Zähne (mit 1, 2, 3 und 4 bezeichnet) zur Messung von Nockenwellensteuerzeiten vorgesehen und sind gleichmäßig beabstandet (zum Beispiel 90 Grad voneinander entfernt), während ein Zahn 5 bei einem anderen Abstand für Zylinderidentifizierung verwendet werden kann. Zudem sendet das Steuergerät 12 Steuersignale zu herkömmlichen (nicht dargestellten) Solenoidventilen, um das Strömen von Hydraulikfluid entweder in die Frühverstellkammer 100, die Spätverstellkammer 102 oder in keine zu steuern.
  • Es versteht sich, dass 1 lediglich einen Zylinder eines Mehrzylindermotors zeigt und dass jeder Zylinder seinen eigenen Satz an Einlass-/Auslassventilen, Einspritzventilen etc. aufweist. Ferner versteht sich, dass der dargestellte Motor 10 nur beispielshalber gezeigt wird und dass die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren in jedem anderen geeigneten Motor mit geeigneten Bauteilen und/oder einer geeigneten Anordnung von Bauteilen umgesetzt oder angewendet werden können. Zum Beispiel können das Einlassventil 26 und das Auslassventil 28 elektromechanisch betätigt werden, und auf die Nockenwelle 90 (und verschiedene zugehörige Teile) kann verzichtet werden. Analog können separate Nockenwellen verwendet werden, um das Öffnen des Einlassventils 26 und des Auslassventils 28 zu steuern. Wenn jedes Ventil durch eine separate Nockenwelle betrieben wird, kann jede Nockenwelle einen Mechanismus für veränderliche Steuerzeiten umfassen, wie er zum Beispiel in 1 für Nockenwelle 90 gezeigt wird, um mittels eines Systems für eine veränderliche Nockensteuerung ein Verändern der Steuerzeiten des Auslassventils unabhängig von den Steuerzeiten des Einlassventils und umgekehrt zu ermöglichen.
  • Zu beachten ist, dass die hierin nachstehend enthaltenen Steuer- und Schätzroutinen mit verschiedenen Motorkonfigurationen, wie sie beispielsweise vorstehend beschrieben wurden, verwendet werden können. Die hierin beschriebene spezifische Routine kann eine oder mehrere einer Reihe von Verarbeitungsstrategien darstellen, beispielsweise ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen. Daher können verschiedene gezeigte Schritte, Betriebe oder Funktionen in der gezeigten Abfolge oder parallel ausgeführt oder in manchen Fällen ausgelassen werden. Analog ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungen zu verwirklichen, wird aber zur besseren Veranschaulichung und Beschreibung vorgesehen. Einer oder mehrere der gezeigten Schritte oder Funktionen können abhängig von der jeweils eingesetzten Strategie wiederholt ausgeführt werden. Weiterhin können die beschriebenen Schritte einen in ein maschinenlesbares Speichermedium in dem Steuergerät 12 einzuprogrammierenden Code graphisch darstellen.
  • 2 ist ein schematisches Diagramm einer ersten beispielhaften Ausführung eines Einspritzventils und der Kraftstoffzufuhranlage. In der dargestellten Ausführung kann der Gaskraftstofftank 222 direkt ohne Druckregelung mit dem Einspritzventil 228 verbunden sein. Der Tank 222 kann in einem Beispiel ein Kohlenstofffasertank hoher Festigkeit sein. Der Tank kann gasförmigen Kraftstoff bei dem Druckbereich von zum Beispiel 350–700 Bar speichern. In einer Ausführung kann der gasförmige Kraftstoff in etwa 10 Kilogramm Wasserstoff enthalten und einen Anfangsdruck von 700 Bar haben. In einer anderen Ausführung kann der dem Einspritzventil 228 gelieferte Druck oder der Verteilerrohrdruck in dem Bereich von 10 bis 700 Bar liegen.
  • Das Einspritzventil 228 kann ein schnell ansprechendes Einspritzventil umfassen. Das Einspritzventil kann zum Beispiel eine piezoelektrische oder magnetorestriktive Betätigung umfassen, die zu einem schnellen Ansprechen und einer flexiblen Einspritzung mit mehreren Ereignissen über breiten Ström und Druckbereichen führen kann. In einem Beispiel kann ein Einspritzventil zwischen 1 und 16 mg pro Einspritzung innerhalb eines Kurbelfensters von 40 Grad bei bis zu 700 U/min. bei einem Druck von 10 bis 700 Bar liefern. Es versteht sich, dass alle geeigneten Einspritzventile mit vorhersagbarem Verhalten über einem breiten Druck- und Pulsbreitenbereich (die in diesem arbeiten können) verwendet werden können.
  • In dem Beispiel von 2 betreibt das System das Einspritzventil im Wesentlichen bei dem Tankdruck, der zusammen mit geeigneter Direkteinspritzsteuerung eine Rückgewinnung der verdichteten Energie im Tank mittels Expansion im Zylinder ermöglicht. Durch Nutzen von Einspritzung bei oder nahe dem oberen Totpunkt der Kolbenposition im Verdichtungstakt (einem Viertaktzyklus) kann ein verbesserter Motorwirkungsgrad erreicht werden. Weitere Einzelheiten der Einspritzsteuerung und Energierückgewinnung werden nachstehend bezüglich zum Beispiel 8 näher beschrieben.
  • 3 ist ein schematisches Diagramm einer zweiten beispielhaften Ausführung eines Einspritzventils und seiner Kraftstoffzufuhranlage. In der dargestellten Ausführung ähnelt das System dem in 2 veranschaulichten System, doch ist ein Variodruckregler 334 vorgesehen. Der Regler 334 kann zwischen dem Gaskraftstofftank 332 und dem Einspritzventil 338 angeordnet sein. In einer Ausführung hat der dem Einspritzventil 338 gelieferte veränderliche Druck einen Bereich von 10–700 Bar.
  • Zu beachten ist, dass der Variodruckregler 334 mit der Motorsteuereinrichtung, beispielsweise dem Steuergerät 12, wie in 1 beschrieben in Verbindung gesetzt werden kann, so dass dem Einspritzventil 338 beruhend auf den Motorbetriebsbedingungen mittels des Steuergeräts 12 ein Solldruck geliefert werden kann. In einem Beispiel kann der Betrag der Regelung bzw. der Regelungsdruck als Reaktion auf Kraftstofftankdruck und Motorbetriebsbedingungen verstellt werden. Die Regelung kann zum Beispiel mit der Einspritzventilleistung koordiniert werden, die sich mit Motordrehzahl und zuzuführender Kraftstoffmenge unter Berücksichtigung des Tankdrucks verändern kann. Somit können bei höheren Tankdrücken eine höhere Motordrehzahl und/oder eine geringere Kraftstoffforderung (Einspritzmenge), vermehrte Druckregelung (z.B. ein niedrigerer geregelter Druck) vorgesehen werden und umgekehrt. Somit kann bei Verwenden von Kraftstoff aus dem Tank Druckregelung so weit gesenkt werden, dass im Wesentlichen keine Regelung vorgesehen wird.
  • Ein solches System kann unter einem breit schwankenden Druck- und Motordrehzahl-/Motorlastbetrieb wie in 5 nachstehend beschrieben eine verbesserte Nutzung von verdichteter Energie in dem Kraftstofftank und verbesserte Kraftstoffzufuhrgenauigkeit ermöglichen.
  • 4 ist ein schematisches Diagramm einer dritten beispielhaften Ausführung eines Einspritzventils und seiner Kraftstoffzufuhranlage. In der dargestellten Ausführung kann der Variodruckregler 444 zwischen dem ersten Gaskraftstofftank 442 und dem Einspritzventil 448 angeordnet sein. Ein zweiter Gaskraftstofftank 446 kann stromabwärts des ersten Kraftstofftanks 442 und mit dem Variodruckregler 444 verbunden angeordnet sein. Ein Rückschlagventil 450 kann zwischen den Tanks 442 und 446 angeordnet sein. In einer Ausführung hat der dem Einspritzventil 448 zugeführte veränderliche Druck einen Bereich von 10–700 Bar.
  • In manchen Ausführungen kann ein zweiter Kraftstofftank 446 zunächst im Wesentlichen leer sein. Wenn dann der reduzierte Verteilerrohrdruck für den Betrieb des Einspritzventils 448 erforderlich ist, kann das Rückschlagventil 450 geöffnet werden, um den Druck an dem ersten Kraftstofftank 442 schnell freizusetzen und den Gaskraftstoff in den zweiten Kraftstofftank 446 zu füllen. Der zweite Kraftstofftank 446 kann dann später zum Zuführen von Kraftstoff zum Motor, beispielsweise bei niedrigem Verteilerrohrdruckbetrieb, verwendet werden.
  • Unter Bezug nun auf 5 zeigt diese schematisch eine Druckregelungsaktivität, die sich mit Tankdruck und gewünschter Kraftstoffeinspritzmenge ändert. Somit kann sich abhängig von den Motorbetriebsbedingungen der dem Einspritzventil gelieferte Druck oder der Verteilerrohrdruck ändern. Der Bereich, der verstärkte Druckregelung nutzen kann, wird als Bereich A bezeichnet, in dem der Tankdruck höher und die Solleinspritzmenge niedriger ist. Bei Zufuhr von Kraftstoff zum Motor kann der Tankdruck auf einen Bereich abfallen, der für den Betrieb des Einspritzventils ohne Regelung geeignet ist. Somit kann weniger oder keine Druckregelung eingesetzt werden, wie in dem mit Bereich B bezeichneten Bereich angezeigt ist. Wenn der Tankdruck auf einen bestimmten Wert abgesenkt wird, beispielsweise 10 Bar, kann der Tank nicht den gewünschten Kraftstoff bei einer erwünschten Strömrate liefern, was auf den als Bereich C bezeichneten Bereich verweist.
  • In manchen Systemen kann zum Beispiel bei einem hohen Druck des Tanks (zum Beispiel 700 Bar) das Einspritzventil nicht in der Lage sein, ein geringes Kraftstoffströmen (zum Beispiel 1 mg/Einspritzung) präzis zu liefern. Somit kann der Tankdruck geregelt werden, um eine Sollkraftstoffmenge vorzusehen, während immer noch eine gewisse Energierückgewinnung möglich wird. Wenn der Tankdruck aber absinkt oder die Einspritzmenge zunimmt, kann verminderte Regelung vorgesehen werden, wodurch die Energierückgewinnung verbessert wird.
  • Daher können in manchen Ausführungen zum Erhalten einer präzisen Kraftstoffeinspritzsteuerung mit vermehrter Druckrückgewinnung über einem breiten Tank- und Motorbetriebsbereich Druckregelungsvorrichtungen, beispielsweise der Variodruckregler, ein zusätzlicher Kraftstofftank oder andere geeignete Druckregelungsvorrichtungen wahlweise verwendet werden. Zum Beispiel können die in den 3 und 4 beschriebenen beispielhaften Ausführungen bei manchen Einstellungen vorteilhaft sein, da sie Druckregelung vorsehen, die sich an Änderungen sowohl des Tankdrucks als auch der Motorlast anpasst.
  • Unter Bezug nun auf 6 zeigt diese ein Flussdiagramm einer Ausführung eines Verfahrens zum Steuern von Kraftstoffeinspritzung beruhend auf den Motorbetriebsbedingungen und dem Kraftstofftankdruck. Die Routine 600 ermittelt zunächst bei 610 Motorbetriebsbedingungen. Die Motorbetriebsbedingungen können Motordrehzahl, Luftdurchsatz, Drehmomentforderung etc. umfassen. Als Nächstes ermittelt die Routine bei 620 Tankdruck. Der Tankdruck, die Motordrehzahl und der Luftdurchsatz können die Kraftstoffmenge bestimmen, die nach Bedarf in den Brennraum geliefert werden kann.
  • Als Nächstes ermittelt die Routine bei 630 die Einspritzstartsteuerzeiten und/oder die Pulsbreite in einem Zyklus beruhend auf den Motorbetriebsbedingungen und auf Tankdruck. Wie vorstehend beschrieben kann das Einspritzventil Betriebsbeschränkungen aufweisen. Somit kann der dem Einspritzventil gelieferte Tankdruck oder Verteilerrohrdruck die Zufuhr von Kraftstoff in einen Zylinder beeinflussen Die Einspritzstartzeit und die Einspritzdauer können aber verändert werden, um den erforderlichen Kraftstoff beruhend auf Tankdruck oder Verteilerrohrdruck bei einer spezifischen Betriebsbedingung vorzusehen. Es ist zum Beispiel möglich, die geeignete Kraftstoffmenge pro Zylinder durch eine geeignete Berechnung der Pulsbreitendauer bei offener Einspritzung durch Einbeziehen von Tabellen der Einspritzventilströmrate bei verschiedenen Zufuhrdrücken in dem Motorsteuergerät einzuspritzen. Alternativ können andere Vorgehen, wie eine empirische Korrelation zwischen der Einspritzventilströmrate und dem Zufuhrdruck, verwendet werden.
  • In einem Beispiel werden die Einspritzsteuerzeiten so vorgesehen, dass sie so spät wie möglich im Verdichtungstakt oder Arbeitstakt vor dem Zündereignis enden, um eine vermehrte Energierückgewinnung zu ermöglichen. In manchen Ausführungen kann die Einspritzung so spät wie möglich im Verdichtungstakt oder nahe dem oberen Totpunkt starten, was das Rückgewinnen der Einspritzdruckenergie des gasförmigen Kraftstoffs möglich macht. Daher kann in mancher Ausführung der Kraftstoffdruck (unter manchen Bedingungen bis zu dem maximalen Tankdruck) zurückgewonnen werden.
  • Analog können die Zündsteuerzeiten verändert werden, um die Sollverbrennung bei veränderlichem Tankdruck zu ermöglichen. Somit können alternativ oder zusätzlich in manchen Ausführungen die Zündsteuerzeiten basierend auf Betriebsbedingungen und Tankdruck ermittelt werden Optional können Drosseleinstellungen verändert werden, um ein Einspritzventil beruhend auf Betriebsbedingungen und Tankdruck in seinem Leistungsbereich arbeiten zu lassen.
  • Weiter mit 6 ermittelt die Routine bei 640, ob der Druck des Kraftstofftanks geregelt werden sollte. Wie vorstehend beschrieben kann Druckregelung in manchen Ausführungen abhängig von Tankdruck, Motordrehzahl und/oder Sollkraftstoffmenge verwendet werden.
  • Wenn weiter mit 6 die Antwort auf Schritt 640 Nein lautet, spritzt die Routine bei 660 Kraftstoff zum Zylinder ein. Wenn die Antwort auf Schritt 640 Ja lautet, passt die Routine bei 650 Verteilerrohrdruck auf einen für die aktuellen Betriebsbedingungen geeigneten Wert an. Dann geht die Routine weiter zu Schritt 660, was das Einspritzen von Kraftstoff zum Zylinder umfasst. Als Nächstes misst die Routine bei 670 die Sauerstoffkonzentration im Abgas. Die Sauerstoffkonzentration kann durch einen oder mehrere Sauerstoffsensoren ermittelt werden, was zum Beispiel das Kraftstoff-/Luftverhältnis des Abgases anzeigen kann.
  • Als Nächstes passt die Routine bei 680 die Einspritzstartzeit und die Pulsbreite basierend auf Sauerstoffanteil und/oder gemessenem Kraftstoff-/Luftverhältnis an. Auf diese Weise kann die Verbrennung bei den Sollbedingungen gesteuert werden, beispielsweise bei einem mageren, stöchiometrischen oder fetten Kraftstoff-/Luftverhältnis über einem breit schwankenden Tankdruck, während immer noch Verdichtungsenergie aus dem Kraftstofftank zurückgewonnen wird. Somit ist es durch Nutzen der Verstellung von Einspritzsteuerzeiten und/oder -dauer als Reaktion auf sowohl den Abgassauerstoffsensor als auch Betriebsbedingungen der Kraftstoffanlage, beispielsweise Kraftstoffeinspritzdruck, möglich, eine präzise Kraftstoffmengenzufuhr zu erreichen, während auch eine Zufuhr während Bedingungen ermöglicht wird, die eine verbesserte Energierückgewinnung im Motor zulassen.
  • 7 ist ein Flussdiagramm einer anderen beispielhaften Ausführung eines Verfahrens zum Steuern von Kraftstoffeinspritzung beruhend auf der Motorbetriebsbedingung und dem Kraftstofftankdruck. Zunächst ermittelt die Routine 700 bei 710 Motorbetriebsbedingungen. Die Motorbetriebsbedingungen können Motordrehzahl, Luftdurchsatz, Drehmomentforderung etc. umfassen.
  • Als Nächstes ermittelt die Routine bei 720 den Tankdruck. Der Tankdruck, die Motordrehzahl und der Luftdurchsatz können die Kraftstoffmenge bestimmen, die nach Bedarf in den Brennraum geliefert werden kann. Dann ermittelt die Routine bei 730 die Einspritzstartsteuerzeiten und/oder die Pulsbreite in einem Zyklus beruhend auf den Motorbetriebsbedingungen und auf Tankdruck. Als Nächstes ermittelt die Routine bei 740, ob der Druck aus dem Kraftstofftank geregelt werden sollte. Wenn die Antwort auf Schritt 740 Nein lautet, spritzt die Routine bei 760 Kraftstoff zum Zylinder ein. Wenn die Antwort auf Schritt 740 Ja lautet, verstellt die Routine bei 750 den Verteilerrohrdruck auf einen für die aktuellen Betriebsbedingungen geeigneten Wert. Dann geht die Routine weiter zu Schritt 760, der das Einspritzen von Kraftstoff zum Zylinder umfasst.
  • Als Nächstes misst die Routine bei 770 den Druck im Zylinder. Beruhend auf dem Druck im Zylinder kann die Routine bei 780 den tatsächlichen zurückgehaltenen Kraftstoff aus einer Tabelle von Druck gegen Kraftstoff-/Luftverhältnis ermitteln. Dann legt die Routine bei 790 Zündsteuerzeiten beruhend auf verschiedenen Bedingungen wie Motodrehzahl, Kraftstoff-/Luftverhältnis, Umgebungsbedingungen etc. fest, um eine Sollverbrennung zu erreichen. Als Nächstes misst die Routine bei 810 die Sauerstoffkonzentration im Abgas. Die Sauerstoffkonzentration kann zum Beispiel durch einen oder mehrere Sauerstoffsensoren ermittelt werden, die ein Kraftstoff-/Luftverhältnis des Abgases anzeigen können. Somit verstellt die Routine bei 820 die Einspritzstartsteuerzeiten und die Pulsbreite basierend auf Sauerstoffkonzentration.
  • Zu beachten ist, dass die Routine in anderen als den in den 6 und 7 dargestellten Abläufen ausgeführt werden kann. Ferner können ein oder mehrere Schritte der Routine übersprungen oder hinzugefügt werden. In manchen Ausführungen kann die Routine 700 zum Beispiel die Schritte 790 und 810 überspringen. Somit werden Verbrennungsinformationen nur von dem Zylinderdrucksensor erhalten. Alternativ können in anderen Ausführungen im Anschluss an Schritt 780 Zündsteuerzeiten ermittelt werden, um eine Sollverbrennung beruhend auf dem tatsächlichen Kraftstoff im Zylinder auszuführen. Dann kann die Routine Schritt 810 überspringen und verstellt somit die Einspritzstartzeit und die Pulsbreite ohne Informationen aus der Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas.
  • 8 zeigt die Beziehung zwischen Zylinderdruck und Zylindervolumen, was die thermodynamischen Wirkungen von Einspritzzeitsteuerung veranschaulicht. Insbesondere veranschaulicht die graphische Darstellung Zylinderdruck gegen Zylindervolumen bei 1.500 U/min und Stöchiometrie. Weiterhin veranschaulicht sie den verbesserten Wirkungsgrad (weniger Verdichtungsarbeit erforderlich), der durch späte Direkteinspritzung von Kraftstoff bei erhöhten Kraftstoffdrücken, beispielsweise bei Kraftstofftankdruck, verglichen mit früher Einspritzung bei einem Direkteinspritzmotor erreicht wird. In diesem speziellen Beispiel erfolgt eine späte Endeinspritzung 43–10 Grad VOT (vor dem oberen Totpunkt), wogegen eine frühe Einspritzung 123–90 Grad VOT erfolgt. Verglichen mit Arbeit, die in einem Kanalkraftstoffeinspritzmotor verrichtet wird, verbessert eine späte Einspritzung den Wirkungsgrad aufgrund von weniger erforderlicher Verdichtungsarbeit und vermehrt geleisteter Expansionsarbeit aufgrund von Tankdruckrückgewinnung, während eine frühe Einspritzung den Wirkungsgrad nicht verbessert. Zu beachten ist, dass dies nur ein Beispiel für frühe und späte Einspritzung ist und eine Änderung der Steuerzeiten möglich ist.
  • Die folgenden Ansprüche zeigen bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen auf, die als neuartig und nicht nahe liegend betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf „ein" Element oder „ein erstes" Element oder dessen Entsprechung beziehen. Solche Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein oder mehrere solche Elemente einbezogen werden, wobei zwei oder mehrere solche Elemente weder gefordert noch ausgeschlossen werden. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der Einspritz- und Temperaturverfahren, Prozesse, Einrichtungen und/oder andere Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche, seien sie nun vom Schutzbereich her breiter, enger, gleich oder anders gefasst als die ursprünglichen Ansprüche, werden ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.

Claims (18)

  1. Verfahren für einen Motor, der gasförmigen Kraftstoff verbrennen kann, wobei der Motor auch einen Brennraum, eine Kraftstoffzufuhranlage mit mindestens einem Kraftstofftank, mindestens einem Einlassventil und mindestens einem Auslassventil, ein Einspritzventil zum direkten Einspritzen von gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum und einen Abgassauerstoffsensor umfasst, wobei das Verfahren umfasst: direktes Einspritzen von Kraftstoff aus dem Einspritzventil in den Brennraum bei einem veränderlichen Zufuhrdruck, der bei Abnahme des Kraftstofftankdrucks abnimmt; und Verstellen von mindestens einem von Einspritzzeit und -dauer beruhend auf mindestens dem veränderlichen Druck und Informationen von dem Abgassauerstoffsensor.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung nahe einem Ende eines Verdichtungstakts beginnt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzzeit nahe einem oberen Totpunkt, bevor der Verdichtungstakt beendet ist, beginnt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Einspritzventil gelieferte Druck durch eine Druckregelungsvorrichtung geregelt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckregelungsvorrichtung einen Variodruckregler oder einen zweiten Kraftstofftank umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzventil einen piezoelektrischen oder einen magnetostriktiven Aktor umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin das Verstellen der Zündsteuerzeiten beruhend auf mindestens dem veränderlichen Druck und Informationen von dem Abgassauerstoffsensor umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin das Verstellen der Drosselung beruhend auf mindestens dem veränderlichen Druck und Informationen von dem Abgassauerstoffsensor umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin das Verstellen mindestens eines von Einspritzzeit und -dauer beruhend auf Informationen von einem Zylinderdrucksensor umfasst.
  10. Verfahren für einen Motor, der gasförmigen Kraftstoff verbrennen kann, wobei der Motor auch einen Brennraum, eine Kraftstoffzufuhranlage mit einem Kraftstoffspeicher und mindestens einer Druckregelungsvorrichtung, sowie ein piezoelektrisch betätigtes Einspritzventil zum direkten Einspritzen von gasförmigem Kraftstoff in den Brennraum umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Liefern von Kraftstoff von dem Kraftstoffspeicher zu dem piezoelektrisch betätigten Einspritzventil unter einer ersten Motor- und Tankbedingung durch wesentliches Herunterregeln von Kraftstofftankdruck, wobei das Einspritzventil den zugeführten Kraftstoff mit Regelung zum Zylinder mindestens während einer späteren Hälfte eines Verdichtungstakts direkt einspritzt; Liefern von Kraftstoff von dem Kraftstoffspeicher zu dem piezoelektrisch betätigten Einspritzventil unter einer zweiten Motor- und Tankbedingung ohne wesentliches Herunterregeln von Kraftstofftankdruck, wobei das Einspritzventil den zugeführten Kraftstoff ohne Regelung zum Zylinder mindestens während einer späteren Hälfte eines Verdichtungstakts direkt einspritzt; Verändern einer Regelungsmenge während der ersten Tank- und Motorbedingung als Reaktion auf die erste Motor- und Tankbedingung; und Verstellen von mindestens einem von Einspritzzeit und -dauer beruhend auf mindestens einem Einspritzdruck während mindestens der ersten und zweiten Motor- und Tankbedingung.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Tank- und Motorbedingung einen hohen Kraftstofftankdruck und eine niedrige geforderte Kraftstoffmenge umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Tank- und Motorbedingung einen Druckbereich umfasst, der innerhalb eines Betriebsbereichs des Einspritzventils liegt.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckregelungsvorrichtung entweder einen Variodruckregler oder einen zweiten Kraftstofftankdruck umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin das Verstellen von Zündsteuerzeiten beruhend mindestens auf dem veränderlichen Druck und Informationen von einem Abgassauerstoffsensor umfasst.
  15. System für einen Motor mit einem Zylinder, welches umfasst: einen ersten Kraftstofftank; einen wahlweise mit dem ersten Kraftstofftank verbundenen zweiten Kraftstofftank; ein mit dem Zylinder verbundenes Direkteinspritzventil, wobei das Einspritzventil mindestens mit dem ersten Kraftstofftank verbunden ist; und ein das Einspritzventil betreibendes Steuersystem zum Zuführen von gasförmigem Kraftstoff direkt zum Zylinder während Motorbetriebs und zum Verändern einer Kraftstoffdruckzufuhr zum Einspritzventil durch wahlweises Verbinden des zweiten Kraftstofftanks mit dem ersten Kraftstofftank mindestens bei Veränderung eines Drucks im ersten Tank und einer Bedingung des Motors.
  16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzventil eine piezoelektrische Betätigung umfasst.
  17. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Tank durch ein wahlweise betätigbares Rückschlagventil mit dem ersten Tank verbunden ist.
  18. System nach Anspruch 15, welches weiterhin einen zwischen dem ersten und dem zweiten Tank eingebauten Variodruckregler umfasst.
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