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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Kraftstoffeinbringung
in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bei
einem bekannten Verfahren der kombinierten Direkt- und Saugrohreinspritzung
bei Verbrennungsmotoren, der sog. dualen Kraftstoffeinspritzung
(
US 2006/0096572
A1 ), wird ein Kennfeld angelegt und abgespeichert, in der
das Mengenverhältnis r der über ein Einspritzventil
abzuspritzenden Kraftstoffmenge zu der über beide Einspritzventile insgesamt
in den Brennraum einzubringenden Kraftstoffgesamtmenge in Zuordnung
zu Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors eingetragen ist, die durch
die Drehzahl des Motors und die Füllung bestimmt sind.
Das Mengenverhältnis r = 100% ist dabei das Gebiet, in
dem die Kraftstoffeinspritzung ausschließlich durch das
direkt in den Brennraum einspritzende Einspritzventil erfolgt und
r = 0% ist der Betriebsbereich, in dem die Kraftstoffeinspritzung ausschließlich
durch das in das Saugrohr einspritzende Einspritzventil erfolgt.
0 < r < 100% repräsentiert
den Bereich, in dem die Kraftstoffeinspritzung durch beide Einspritzventile
erfolgt. Ein solches Kennfeld ist einerseits für den kalten
Motor und anderseits für den betriebswarmen Motor abgespeichert.
Die Kennfelder sind so konfiguriert, dass sie verschiedene Steuergebiete
des direkt einspritzenden Einspritzventils und des in das Saugrohr
einspritzenden Einspritzventils angeben, wenn die Motortemperatur
sich ändert. Eines der oder beide Einspritzventile werden
auf Basis des ausgewählten Kennfelds abhängig
von der Drehzahl und des Füllfaktors des Verbrennungsmotors
gesteuert. Ziel dieser Motorsteuerung ist es, die Verbrennungsstabilität und
den Kraftstoffverbrauch in den verschiedenen Betriebspunktbereichen
des Verbrennungsmotors zu optimieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs hat den Vorteil, dass durch die gezielt auf die Schadstoffredukion
abgestellte Beeinflussung des Verbrennungsprozesses der Schadstoffanfall
im Abgas bereits relativ niedrig ist, so dass sich der anschließende
Aufwand für die Abgasnachbehandlung zur Reduzierung der
Schadstoffemission deutlich verringert. Der Kosteneinsatz für
die Abgasnachbehandlung kann somit gesenkt werden. Bei Beibehaltung
einer aufwändigen Abgasnachbehandlung wird dagegen der
Spielraum hin zu einer Senkung der Rohemissions-Grenzwerte vergrößert.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Verfahrens möglich.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird für
jeden Betriebspunkt des Verbrennungsmotors die Konzentration des
mindestens einen ausgewählten Schadstoffs im Abgas zum
einen bei Einspritzung mit dem einen Einspritzventil und zum anderen
bei Einspritzung mit dem anderen Einspritzventil bestimmt und getrennt
in Zuordnung zu den jeweiligen Motorbetriebspunkten abgespeichert.
Für jeden aktuellen Motorbetriebspunkt werden die in Zuordnung
zu diesem Motorbetriebspunkt abgespeicherten beiden Konzentrationswerte
aufgerufen und miteinander verglichen. Dasjenige der beiden Einspritzventile,
dessen zugeordneter Konzentrationswert kleiner ist, wird zum Abspritzen
der insgesamt in den Brennraum einzubringenden Kraftstoffmenge angesteuert.
Diese sog. Schwarz-Weiß-Entscheidung für die jeweils
100%ige Abspritzung der Kraftstoffgesamtmenge durch eines der beiden
Einspritzventile hat insbesondere Vorteile bei der weniger aufwendigen
Erstellung der Speicherdaten für die Ansteuerung der Einspritzventile
im Motorbetrieb, die im Vorfeld mit einem Testmotor durchgeführt
wird, um die erfassten Speicherdaten dann in das Steuergerät der
Serienmotoren zu übertragen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird für
jeden Betriebspunkt des Verbrennungsmotors das ein Minimum der Konzentration
des mindestens einen ausgewählten Schadstoffs im Abgas
ergebende Mengenverhältnis aus der über eines
der beiden Einspritzventile abzuspritzenden Kraftstoffteilmenge
und der von beiden Einspritzventilen insgesamt in den Brennraum
einzubringenden Kraftstoffgesamtmenge bestimmt und in Zuordnung zu
dem jeweiligen Motorbetriebspunkt abgespeichert. Im Motorbetrieb
wird für jeden aktuellen Motorbetriebspunkt das zugeordnete
Mengenverhältnis abgerufen, und anhand des abgerufenen
Mengenverhältnisses werden die beiden Einspritzventile
so angesteuert, dass jedes Einspritzventil seinen aus dem abgerufenen
Mengenverhältnis sich ergebenden Anteil an der insgesamt
in den Brennraum einzubringenden Kraftstoffgesamtmenge abspritzt.
Durch diese Verfahrensgestaltung kann der Verbrennungsprozess sehr
viel feiner in Hinblick auf die Minimierung der Schadstoffkonzentration
geführt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ist anhand eines in
den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ausschnittweise
einen Längsschnitt eines Verbrennungszylinders eines z.
B. vierzylindrigen Ottomotors in Verbindung mit einem dualen Kraftstoffeinspritzsystem,
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2 ein
Diagramm der HC-Konzentration im Abgas des Ottomotors für
einen ausgewählten Drehzahl- und Lastbereich bei ausschließlicher
Kraftstoffeinspritzung mittels der direkt einspritzenden Einspritzventile,
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3 ein
Diagramm der HC-Konzentration im Abgas des Ottomotors für
einen ausgewählten Drehzahl- und Lastbereich bei ausschließlicher
Kraftstoffeinspritzung mittels der in die Saugkanäle einspritzenden
Einspritzventile,
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4 ein
Diagramm der HC-Konzentration im Abgas des Ottomotors in Abhängigkeit
von der Aufteilung der Kraftstoffeinspritzung auf beide Einspritzventile
für verschiedene Betriebspunkte (Drehzahl, Last) des Ottomotors.
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Der
hier als Beispiel für einen Verbrennungsmotor angezogene,
z. B. vierzylindrige Ottomotor für ein Kraftfahrzeug weist
vier Zylinder 11 auf, von denen einer in 1 ausschnittweise
im Längsschnitt dargestellt ist. Der außen mit
einem Kühlwassermantel 12 umgebende Zylinder 11 ist
stirnseitig von einem Zylinderkopf 13 gasdicht abgedeckt.
Ein im Zylinder 11 axial verschieblich geführter
Hubkolben 14 begrenzt zusammen mit dem Zylinderkopf 13 einen Brennraum 15.
Der Hubkolben 14 ist über ein Pleuel 16 mit
einer hier nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden.
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Der
Brennraum 15 weist einen von einem Einlassventil 17 verschließbaren
Einlass 18 und einen von einem Auslassventil 19 verschließbaren Auslass 20 auf.
Zu dem Einlass 18 ist ein Luftansaugkanal 21 geführt,
der von einem im Zylinderkopf 13 ausgeformten Einlassstutzen 22 und
einem an dem Einlassstutzen 22 befestigten Saugrohr 23 gebildet ist.
Die zu allen Brennräumen 15 führenden
Saugrohre 23 sind stromaufwärts in einem Saugrohrkrümmer zusammengefasst.
Vom Auslass 20 ist ein Abgaskanal 24 abgeführt,
der von einem im Zylinderkopf 13 ausgebildeten Auslassstutzen 25 und
einem an dem Auslassstutzen 25 befestigten Abgasrohr 26 gebildet ist.
Alle vier Abgaskanäle 24 der insgesamt vier Zylinder 11 sind
stromabwärts über einen Abgaskrümmer zusammengefasst.
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In
Zuordnung zu jedem Zylinder 11 ist in den Zylinderkopf 13 ein
erstes Einspritzventil 27 eingesetzt, das über
eine Kraftstoffzuleitung 28 zugeführten Kraftstoff
direkt in den Brennraum 15 einzuspritzen vermag, und im
Luftansaugkanal 21, hier im Saugrohr 23, ein zweites
Einspritzventil 29 angeordnet, das über eine Kraftstoffleitung 30 zugeführten Kraftstoff
in das Saugrohr 23 einzuspritzen vermag. Die Einspritzrichtung
des zweiten Einspritzventils 29 ist so festgelegt, dass
der unmittelbar dem Einlassventil 17 vorgeordnete Wandbereich
des Einlassstutzens 22 mit dem zerstäubten Kraftstoff
benetzt wird. Die Kraftstoffzuleitung 28 zu dem direkt
einspritzenden ersten Einspritzventil 27 ist an einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 31 angeschlossen,
die ihrerseits mit einer Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 32 fördernden
Kraftstoff-Niederdruckpumpe 33 verbunden ist. Die Kraftstoffzuleitung 33 zu
dem zweiten Einspritzventil 29 ist an der Kraftstoff-Niederdruckpumpe 33 angeschlossen.
Die beiden Einspritzventile 27, 29 pro Zylinder 11 werden
von einer elektronischen Steuereinheit 34 gesteuert, der
eine Vielzahl von Betriebsparametern des Motors zugeführt
ist. Die direkt einspritzenden ersten Einspritzventile 27 werden
auch als DI-Ventile und die zweiten, in die Saugrohre 23 einspritzenden
zweiten Einspritzventile 29 auch als PFI-Ventile und entsprechend
die Art der Einspritzung mit DI- bzw. PFI-Einspritzung bezeichnet.
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Mittels
der elektronischen Steuereinheit 34 wird abhängig
von dem aktuellen Betriebspunkt des Motors die erforderliche Füllung
des Motors berechnet und mittels der Einspritzventile 27, 29 die
entsprechende Kraftstoffmenge in die Brennräume 15 der
Zylinder 11 eingebracht. Dabei wird die in jeden Brennraum 15 einzubringende
Kraftstoffgesamtmenge von dem ersten oder zweiten Einspritzventil 27, 29 allein
oder von beiden Einspritzventilen 27, 29 anteilig
abgespritzt. Die Einspritzventile 27, 29 haben
aufgrund ihrer baulichen Anordnung unterschiedliche Charakteristiken
und beeinflussen in unterschiedlicher Weise die Kraftstoff-Luft-Gemisch-Verbrennung im
Brennraum 15. Bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren zur Kraftstoffeinbringung wird dies in der Weise genutzt,
dass die Einbringung der Kraftstoffgesamtmenge in den Brennraum 15 in
einer solchen Aufteilung über die ersten und/oder zweiten
Einspritzventile 27, 29 erfolgt, dass in jedem
momentanen Betriebspunkt des Motors die Konzentration mindestens
eines ausgewählten Schadstoffs minimiert wird.
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In
dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind als Schadstoffkomponente
die im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe (HC) ausgewählt. Ebenso
kann als Schadstoffkomponente auch das im Abgas enthaltenen Stickoxid
oder Kohlenmonoxid oder die Partikelmasse oder Partikelanzahl ausgewählt
werden. Dabei kann auch der Fall eintreten, dass bei der Minimierung
der Konzentration eines der Schadstoffe die Konzentration eines
anderen Schadstoffes im Abgas zunimmt. Sollen mehrere Schadstoffe
bezüglich ihrer Konzentration im Abgas reduziert werden,
so ist es vorteilhaft, eine gewichtete Mischung der ausgewählten
Schadstoffe als Bezugsgröße zu betrachten und
eine solche Ansteuerung der Einspritzventile 27, 29 vorzunehmen,
die eine Minimierung dieser Bezugsgröße ergibt.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Betriebspunkte
des Motors durch seine Drehzahl und der abgeforderten Last festgelegt.
Es können aber noch weitere Betriebsparameter, wie Nockenwellenverstellung,
Zündwinkel, Wandfilm und dgl., berücksichtigt
werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ansteuerung
der dualen Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit den Einspritzventilen 27, 29 wird
für jeden Betriebspunkt des Motors die Konzentration des
mindestens einen ausgewählten Schadstoffs im Abgas bestimmt,
und zwar einmal bei Einspritzung mit den direkt einspritzenden ersten
Einspritzventilen 27 und einmal bei Einspritzung mit den
vor den Einlass 18 der Brennräume 15 einspritzenden
zweiten Einspritzventilen 29. Die bestimmten Konzentrationswerte werden
in Zuordnung zu den jeweiligen Motorbetriebspunkten getrennt für
die DI-Einspritzung und die PFI-Einspritzung abgespeichert. Das
Bestimmen und Abspeichern der Konzentrationswerte in Abhängigkeit
von den Motorbetriebspunkten wird mit einem Testmotor durchgeführt,
und die Speicherwerte werden dann auf die Serienmotoren übertragen
und in der elektronischen Steuereinheit 34 abgelegt.
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In 2 und 3 sind
beispielhaft die Konzentrationswerte für einen ausgewählten
Drehzahl (n)- und Lastbereich bei DI-Einspritzung (2)
und bei PFI-Einspritzung (3) dargestellt.
Die in den beiden Diagrammen zu sehenden Linien kennzeichnen eine
bestimmte HC-Konzentration im Abgas, z. B. 1500 ppm, die sich bei
verschiedenen Motorbetriebspunkten (Drehzahl in min–1 und
Last in bar) im Abgas einstellt. Um bei Motorbetrieb die Konzentrationswerte
der HC im Abgas möglichst klein zu halten, wird für
jeden aktuellen Motorbetriebspunkt die in Zuordnung zu diesem Motorbetriebspunkt
einmal für DI-Einspritzung und einmal für PFI-Einspritzung
abgespeicherten beiden Konzentrationswerte aus den in der elektronischen
Steuereinheit 34 abgespeicherten Diagrammen aufgerufen
und miteinander verglichen. Für die in diesem Motorbetriebspunkt
einzubringende Kraftstoffgesamtmenge wird diejenige Einspritzart
gewählt, die den kleineren Konzentrationswert an HC aufweist,
und entsprechend das erste Einspritzventil 27 oder das
zweite Einspritzventil 29 zum Abspritzen der erforderlichen
Kraftstoffgesamtmenge angesteuert. Beispielhaft wird – wie
dies aus 2 und 3 ersichtlich
ist – bei einer Drehzahl von 2500 min–1 und
einer Last von > 4
bar das direkt in den Brennraum 15 einspritzende erste
Einspritzventil 27 zur Abspritzung der für die
Füllung des Brennraum 15 erforderlichen Kraftstoffgesamtmenge angesteuert,
während bei einer Drehzahl von 1500 min–1 in
einem weiten Lastbereich ausschließlich das in das Saugrohr 23 einspritzende
zweite Einspritzventil 29 angesteuert wird.
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In
einer Abwandlung des Verfahrens wird anstelle der getrennt abgespeicherten
Diagramme für DI-Einspritzung und PFI-Einspritzung gemäß 2 und 3 in
der elektronischen Steuereinheit 34 ein einziges Diagramm
abgespeichert, in dem die Differenz der Konzentrationswerte bei
DI-Einspritzung und PFI-Einspritzung in Zuordnung zu dem jeweiligen
Motorbetriebspunkt festgelegt ist. Der Zugriff auf dieses in der
Steuereinheit 34 abgelegte Diagramm erfolgt in der Weise,
dass zu dem aktuellen Motorbetriebspunkt die im Diagramm enthaltene
Differenz der Konzentrationswerte aufgesucht wird. Bei einer positiven
Differenz wird dann das zweite Einspritzventil 29 und bei
einer negativen Differenz das erste Einspritzventil 27 so
angesteuert, dass die für den Betriebspunkt erforderliche
Kraftstoffgesamtmenge über das jeweilige Einspritzventil 29 bzw. 27 abgespritzt
wird.
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Bei
einer bevorzugten, alternativen Ausführung des Verfahrens
wird für jeden Betriebspunkt des Motors dasjenige Mengenverhältnis
aus der über eines der beiden Einspritzventile 27, 29 abzuspritzenden
Kraftstoffteilmenge und der von beiden Einspritzventilen 27, 29 insgesamt
in den Brennraum 15 einzubringenden Kraftstoffgesamtmenge
bestimmt, das ein Minimum der Konzentration des mindestens einen
ausgewählten Schadstoffs, hier HC, im Abgas ergibt. Das
Bestimmen der die Konzentrationsminima ergebenden Mengenverhältnisse
erfolgt wiederum an einem Testmotor. Hierzu werden für
jeden Betriebspunkt die HC-Konzentrationen für unterschiedliche
Mengenverhältnisse erfasst, indem für jeden Betriebspunkt
schrittweise der Anteil der Kraftstoffmenge an der Kraftstoffgesamtmenge,
der über die einen Einspritzventile, z. B. die ersten Einspritzventile 27,
abgespritzt wird, von 100% auf 0% reduziert und der Anteil der Kraftstoffmenge
an der Kraftstoffgesamtmenge, der über die anderen Einspritzventile, z.
B. die zweiten Einspritzventile 29, abgespritzt wird, komplementär
von 0% auf 100% vergrößert wird. In 4 ist
ein solches Diagramm der HC-Konzentrationen bei verschiedenen anteiligen
Abspritzungen der Kraftstoffgesamtmenge über die beiden
Einspritzventile 27, 29 dargestellt. 100% DI bedeutet
dabei die alleinige Abspritzung durch die direkt einspritzenden Einspritzventile 27 und
0% DI eine vollständige Abspritzung der Kraftstoffgesamtmenge
durch die in die Saugrohre 23 einspritzenden zweiten Einspritzventile 29.
Jede Kurve ist für einen Betriebspunkt, z. B. Drehzahl
n und/oder Last, gültig. In den verschiedenen Kurven wird
nunmehr das Minimum aufgesucht und dem durch die jeweilige Kurve
repräsentierten Motorbetriebspunkt zugeordnet. Z. B. wird
einer hohen Motordrehzahl das Mengenverhältnis 70% DI zugeordnet
und abgespeichert. Dieses Mengenverhältnis bedeutet, dass
70% der in den Brennraum 15 einzuspritzenden Kraftstoffgesamtmenge über
das erste Einspritzventil 27 und 30% der Kraftstoffgesamtmenge über
das zweite Einspritzventil 29 abzuspritzen sind, um eine
Minimierung der HC-Konzentration im Abgas zu erreichen. Bei niedrigeren
Drehzahlen ergibt sich eine HC-Konzentrationsminimierung z. B. bei
einem Mengenverhältnis von 30% DI, was bedeutet, dass zur
Erreichung des HC-Konzentrations-Minimums bei dieser Drehzahl 30%
der Kraftstoffgesamtmenge über das erste Einspritzventil 27 und 70%
der Kraftstoffgesamtmenge über das zweite Einspritzventil 29 abzuspritzen
sind. Diese jeweils ein Konzentrationsminimum ergebenden Mengenverhältnisse
werden in Abhängigkeit von den Motorbetriebspunkten (Drehzahl
und/oder Last) abgespeichert. Diese Speicherwerte werden dann in
den Serienmotoren in der elektronischen Steuereinheit 34 abgelegt
und zur Steuerung des Motorbetriebs herangezogen.
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Im
Motorbetrieb wird dann für jeden aktuellen Motorbetriebspunkt
das zugeordnete Mengenverhältnis (z. B. 50% DI) abgerufen
und anhand des abgerufenen Mengenverhältnisses die ersten
und zweiten Einspritzventile 27, 29 so angesteuert,
dass jedes Einspritzventil 27, 29 seine aus dem
abgerufenen Mengenverhältnis sich ergebenden Anteil, z.
B. jeweils die Hälfte, an der insgesamt in den Brennraum 15 einzubringenden
Kraftstoffgesamtmenge, abspritzt. Bei einem abgerufenen Mengenverhältnis von
70% DI würde dann das erste Einspritzventil 27 70%
und das zweite Einspritzventil 29 30% der Kraftstoffgesamtmenge
abspritzen. Bei einem abgerufenen Mengenverhältnis von
100% DI würde die Kraftstoffgesamtmenge ausschließlich
durch das erste Einspritzventil 27 abgespritzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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