DE102009002198A1

DE102009002198A1 - Verfahren zum Betreiben einer mehrere Zylinder aufweisenden Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009002198A1
Application number: DE102009002198A
Authority: DE
Inventors: Axel Storch; Horst Beer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-04-06
Filing date: 2009-04-06
Publication date: 2010-10-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mehrere Zylinder aufweisenden Brennkraftmaschine, wobei zum Aufheizen eines im Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators zumindest eine erste und eine zweite und/oder dritte Einspritzung innerhalb eines Arbeitszyklus zumindest eines der Zylinder durchgeführt und zylinderindividuelle Drehmomente ermittelt werden, wobei zur Zylindergleichstellung zylinderindividuell der Zündwinkel und/oder Parameter der zweiten und/oder dritten Einspritzung verstellt werden. Es ist vorgesehen, dass die zweite und/oder dritte Einspritzung in einem Bereich zwischen 25° vor dem oberen Totpunkt und 40° nach dem oberen Totpunkt verstellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mehrere Zylinder aufweisenden Brennkraftmaschine, wobei zum Aufheizen eines im Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators zumindest eine erste und eine zweite und/oder dritte Einspritzung innerhalb eines Arbeitszyklus zumindest eines der Zylinder durchgeführt und zylinderindividuelle Drehmomente ermittelt werden, wobei zur Zylindergleichstellung zylinderindividuell der Zündwinkel und/oder Parameter der zweiten und/oder dritten Einspritzung verstellt werden.
Stand der Technik
Verfahren der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Fremdgezündete Brennkraftmaschinen, wie beispielsweise ein Ottomotor mit Benzindirekteinspritzung, verwenden zur Aufheizung des Katalysators nach einem Kaltstart die sogenannte „Homogen-Split”-Betriebsart (HSP), bei der mehrere Einspritzvorgänge innerhalb eines Arbeitszyklus eines Zylinders erfolgen. Unter dem Arbeitzyklus eines Zylinders sind hierbei insbesondere der Ansaugtakt, der Kompressions- beziehungsweise Verdichtungstakt und der Arbeitstakt zu verstehen. Dabei wird in der Regel im Ansaugtrakt oder im Kompressionstakt die erste Einspritzung abgesetzt. Die zweite Einspritzung wird dann entweder im Kompressionstakt oder nach dem oberen Totpunkt im eigentlichen Arbeitstakt kurz vor Zündung positioniert. Dabei wird ein globaler Lambda-Wert von ca. 1,05 erreicht. Der Zündwinkel liegt dabei in der Regel deutlich nach dem oberen Totpunkt im Arbeitstakt. Je nach Brennkraftmaschine wird zwischen 0° und 40° nach dem oberen Totpunkt gezündet. Durch diesen späten Zündwinkel erreicht die Brennkraftmaschine einen sehr schlechten Wirkungsgrad, sodass eine entsprechend hohe Füllung der Zylinder notwendig ist. Die dadurch eingestellte späte Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemischs bewirkt eine sehr hohe Abgastemperatur, die zum schnellen Aufheizen des Katalysators genutzt wird.
Bei Untersuchungen wurde jedoch festgestellt, dass in dem HSP-Betrieb die Zylinder auf unterschiedlichen Last- beziehungsweise Leistungsniveaus laufen, also unterschiedliche Drehmomente erbringen. Hierdurch wird die Laufruhe der Brennkraftmaschine erheblich beeinträchtigt. Letztendlich sind die Gründe für dieses Problem in den Toleranzen des Gesamtsystems zu finden. Jeder Zylinder hat seine eigene Luftfüllung, Turbulenzen und Kraftstoffzumessung. Diese Faktoren sind nie bei jedem Zylinder exakt gleich. Eine naheliegende Lösung des Problems liegt daher darin, durch Einengung der Toleranzen die Laufruhe der Brennkraftmaschine zu verbessern. Dies führt jedoch zu enormen Kosten sowie gegebenenfalls zu einer verkürzten Lebensdauer der Brennkraftmaschine.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2004 021 473 A1 ist eine alternative Lösung in Form eines Verfahrens bekannt, bei dem die Laufruhe durch Änderung der Einspritzparameter und/oder der Zündparameter optimiert werden soll. Dazu ist vorgesehen, dass ein Ende der Schichteinspritzung auf cirka 30° bis 40° vor dem oberen Totpunkt verstellt wird.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zur Zylindergleichstellung, also zur Optimierung der Laufruhe der Brennkraftmaschine, die zweite und/oder dritte Einspritzung in einem Bereich zwischen 25° vor dem oberen Totpunkt und 40° nach dem oberen Totpunkt verstellt wird. Die Verbrennung in den Zylindern reagiert im HSP-Betrieb sehr empfindlich sowohl auf den Zündwinkel als auch auf den Zeitpunkt sowie die Zeitdauer der zweiten und/oder dritten Einspritzung. Üblicherweise ist die Menge der zweiten Einspritzung verhältnismäßig klein. Durch Verstellen der zweiten und/oder dritten Einspritzung in dem Bereich zwischen 25° vor dem oberen Totpunkt und 40° nach dem oberen Totpunkt können die zylinderindividuellen Drehmomente besonders genau eingestellt und damit die Laufruhe der Brennkraftmaschine optimiert werden.
Vorteilhafterweise wird der zylinderindividuelle Zündwinkel nach früh oder spät, insbesondere in einem Bereich von 5° bis 40° nach dem oberen Totpunkt in Ab hängigkeit des zylinderindividuellen Drehmoments verschoben, um das zylinderindividuelle Drehmoment weiter zu beeinflussen. Besonders bevorzugt wird die zweite und/oder dritte Einspritzung, also der Zeitpunkt der zweiten und/oder dritten Einspritzung, im gleichen Maß wie der Zündwinkel des entsprechenden Zylinders verstellt. Wird also der Zündwinkel um 10° nach früh verstellt, so wird auch die zweite und/oder dritte Einspritzung im gleichen Maße um 10° nach früh verstellt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird der zylinderindividuelle Zündwinkel derart verstellt, dass er in einem Bereich von +/–10° zu dem Ende der zweiten und/oder dritten Einspritzung liegt. Somit erfolgt die Zündung des Luft-Kraftstoffgemischs zeitnah zu dem Ende der zweiten und/oder dritten Einspritzung. Zu diesem Zeitpunkt können die Bedingungen in dem Zylinder relativ genau bestimmt werden, sodass durch die zeitnahe Zündung beziehungsweise den nahen Zündwinkel von +/–10° zu dem Einspritzende ein gewünschtes Soll-Drehmoment des jeweiligen Zylinders besonders genau umgesetzt werden kann.
Ferner ist vorgesehen, dass der Quotient zwischen der ersten und der zweiten Einspritzmenge 4:1 bis 10:1 beträgt. Das bedeutet, dass die zweite Einspritzung im Vergleich zur ersten Einspritzung wesentlich kürzer ausfällt, und somit die eingespritzte Menge Kraftstoff der zweiten Einspritzung wesentlich geringer ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Quotient zwischen der Summe der ersten und zweiten Einspritzmenge und der dritten Einspritzmenge 4:1 bis 10:1 beträgt.
Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass eine zylinderindividuelle Heizleistung, insbesondere in Abhängigkeit von dem zylinderindividuellen Zündwinkel bestimmt wird. Für jeden der Zylinder der Brennkraftmaschine wird also in Abhängigkeit des jeweiligen Zündwinkels die Heizleistung des Zylinders, die zum Aufheizen des Katalysators genutzt werden kann, bestimmt. Wobei sich die Heizleistung aus dem in dem Zylinder bewirkten Drehmoment berechnen lässt. Werden der zylinderindividuelle Zündwinkel sowie die Parameter der zweiten und/oder dritten Einspritzung wie oben beschrieben verstellt, so kann durch Kenntnis des Zündwinkels auf das Drehmoment und entsprechend auf die zylinderindividuelle Heizleistung geschlossen werden.
Zweckmäßigerweise wird die Gesamtheizleistung aller Zylinder zumindest einer Zylinderbank mit einer Soll-Gesamtheizleistung verglichen. Der Vergleich gibt Aufschluss darüber, in wieweit die Gesamtheizleistung der Zylinder zum Aufheizen des Katalysators ausreicht, oder ob die erzeugte Gesamtheizleistung die notwendige oder maximal ertragbare Heizleistung des Katalysators übersteigt. Dadurch kann verhindert werden, dass aufgrund einer zu großen Heizleistung, die durch die oben beschriebene Optimierung der Laufruhe der Brennkraftmaschine bewirkt wird, zu einer Beschädigung des Katalysators führt. Weist die Brennkraftmaschine mehrere Zylinderbänke auf, so ist es vorteilhaft wenn die Gesamtheizleistung der Zylinder jeweils einer Zylinderbank bestimmt und mit einer entsprechenden Soll-Gesamtheizleistung verglichen wird. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn die Zylinderbänke der Brennkraftmaschine mit jeweils einem Strang des Abgastrakts der Brennkraftmaschine, in dem jeweils ein aufzuheizender Katalysator angeordnet ist, verbunden sind, mit anderen Worten, wenn jeweils einer Zylinderbank ein Katalysator zur Abgasnachbehandlung zugeordnet ist.
Bevorzugt werden die zylinderindividuellen Zündwinkel und Parameter der zweiten und/oder dritten Einspritzung derart verstellt, dass die Gesamtheizleistung weniger als 10% von der Soll-Gesamtheizleistung abweicht. Das bedeutet beispielsweise, dass wenn das Drehmoment nur eines der Zylinder durch Verstellen des Zündwinkels und/oder der Parameter der zweiten und/oder dritten Einspritzung, wie oben beschrieben, zur Optimierung der Laufruhe angepasst werden muss, die Heizleistung dieses Zylinders und damit der Zündwinkel und/oder die Parameter der zweiten und/oder dritten Einspritzung in einem weiteren Bereich verstellt werden können, als bei einer Anpassung der Drehmomente von mehreren Zylindern gleichzeitig, zumindest wenn durch die Verstellung der zylinderindividuellen Zündwinkel und/oder Parameter der zweiten und/oder dritten Einspritzung die Heizleistung der Zylinder jeweils erhöht wird. Anderenfalls kann natürlich die Heizleistung eines Zylinders durch die eines anderen Zylinders kompensiert werden.
Zweckmäßigerweise werden bei der Verstellung der zylinderindividuellen Zündwinkel und/oder Parameter der zweiten und/oder dritten Einspritzung die Belastbarkeit der Brennkraftmaschine und/oder Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine berücksichtigt. So kann verhindert werden, dass durch die Verstellung der Zündwinkel und/oder Parameter die Brennkraftmaschine überlastet und dadurch beschädigt wird und/oder ein unerwünscht hoher Schadstoffausstoß durch die Brennkraftmaschine erfolgt. Weiterhin ist vorgesehen, dass die zylinderindividuellen Drehmomente in Abhängigkeit von der Drehzahl einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bestimmt werden. Dazu werden vorteilhafterweise die Zahnzeiten eines Kurbelwinkelgeberrades ausgewertet, wobei anhand des Drehzahlverlaufs ein Rückschluss auf die Drehmomente der unterschiedlichen Zylinder getroffen wird.
Schließlich ist vorgesehen, dass die Verstellung der zylinderindividuellen Zündwinkel und/oder Parameter der Einspritzungen, insbesondere in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine, gespeichert werden, wobei dann bei einem Neustart der Brennkraftmaschine die gespeicherte Verstellung verwendet wird, so dass die Brennkraftmaschine sogleich besonders ruhig läuft.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigt die
Figur eine schematische Darstellung eines vorteilhaften Verfahrens zum Betreiben einer mehrere Zylinder aufweisenden Brennkraftmaschine.
Die Figur zeigt in einer schematischen Darstellung den Ablauf eines vorteilhaften Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die mehrere Zylinder aufweist, als Flussdiagramm. Das vorteilhafte Verfahren soll ein Aufheizen eines im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators ermöglichen, wobei eine Zylindergleichstellung derart erfolgen soll, dass ein ruhiger und gleichmäßiger Lauf der Brennkraftmaschinen bewirkt wird.
In einem Schritt 1 wird zunächst auf Basis von Zahnzeiten eines der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zugeordneten Kurbelwinkelgeberrades oder auf Basis von Daten eines Drehzahlsensors 2 der Drehzahlverlauf der Brennkraftmaschine in Bezug zu den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine gesetzt, sodass daraus die zylinderindividuellen Drehmomente bestimmt werden können. In einem darauf folgenden zweiten Schritt 3 werden die ermittelten zylinderindividuellen Drehmomente miteinander verglichen, sodass eine Aussage über die Laufru he der Brennkraftmaschine getroffen werden kann. Weichen die Drehmomente einer oder mehrerer Zylinder erheblich von denen der übrigen Zylinder ab, ist eine Laufruhe der Brennkraftmaschine nicht gegeben. In einem HSP-Betrieb (Homogen-Split-Betrieb) ist dies häufig der Fall. Die Verbrennungen im HSP-Betrieb reagieren sehr sensitiv auf den jeweiligen Zündwinkel. Das heißt der Wirkungsgrad der Verbrennung hängt in diesem Betriebsmodus sehr stark von der Entflammung des Kraftstoff-Luftgemischs in dem Zylinder ab. Neben dem Zündwinkel hat die Turbulenz der Brennraumströmung in dem jeweiligen Zylinder einen erheblichen Einfluss auf die Entflammung und Flammausbreitung. Die Turbulenz wird durch die Ladungsbewegung und somit durch die Ansaugkanäle und auch durch die Einspritzung des Kraftstoffs bestimmt. Dabei ist es jedoch auch mit äußerst hohem Fertigungsaufwand nicht möglich, für jeden Zylinder identische Ladungsbewegungen beziehungsweise Turbulenzen zu erzielen. Der Grund hierfür liegt in den Toleranzen des Gesamtsystems. Jeder der Zylinder hat seine eigene Luftfüllung, Turbulenzen und Kraftstoffzumessung (Einspritzung).
Im HSP-Betrieb erfolgt eine Mehrfacheinspritzung mit zumindest einer ersten und einer zweiten Einspritzung, wobei die erste Einspritzung im Saughub oder im Kompressionstakt erfolgt, und die zweite Einspritzung dann entweder im Kompressionstakt oder nach dem oberen Torpunkt im eigentlichen Arbeitstakt kurz vor der Zündung. Natürlich sind auch mehr als zwei Einspritzungen in einem Ansaug- und Verdichtungszyklus eines Zylinders denkbar. Vorzugsweise beträgt der globale Lambda-Wert cirka 1,05. Normalerweise liegt der Zündwinkel deutlich nach dem oberen Totpunkt, im Arbeitstakt des Zylinders. Je nach Brennkraftmaschine wird zwischen 0° und 40° nach dem oberen Totpunkt gezündet. Durch diesen späten Zündwinkel bekommt der Motor einen sehr schlechten Wirkungsgrad mit späten Verbrennungen, die zu einer hohen Abgastemperatur führen, welche zum gewünschten Aufheizen des Katalysators genutzt werden.
Auf Basis der ermittelten zylinderindividuellen Drehmomente und der in Schritt 3 ermittelten Laufunruhe werden in einem folgenden Schritt 4 zylinderindividuell die Zündwinkel und/oder Parameter der zweiten Einspritzung verstellt beziehungsweise verändert, mit dem Ziel, die zylinderindividuellen Drehmomente zueinander anzupassen, um die Laufruhe der Brennkraftmaschine zu erhöhen beziehungsweise zu optimieren. Die zweite Einspritzung wird bevorzugt derart verstellt, dass sie zwischen 25° vor dem oberen Totpunkt (im Kompressionstakt) und 40° nach dem oberen Totpunkt (im Verbrennungstakt) erfolgt. Der Zündwinkel wird nach früh verstellt, wobei vorteilhafterweise die Differenz zwischen dem Zündwinkel und dem Einspritzende der zweiten Einspritzung nicht größer als +/–10° beträgt. Darüber hinaus wird auch berücksichtigt, dass der Quotient zwischen der ersten und der zweiten Einspritzung vorzugsweise 4:1 bis 10:1 beträgt.
Durch die vorteilhafte Verstellung der Zündwinkel und/oder der Parameter der zweiten Einspritzung ist es möglich, auf Basis der eingestellten Werte eine zylinderindividuelle Heizleistung zu ermitteln. Dazu wird im Schritt 5 aus den zylinderindividuell eingestellten Werten im Schritt 4 die zylinderindividuelle Heizleistung ermittelt. In einem darauf folgenden Schritt 6 wird die Gesamtheizleistung der Zylinder bestimmt und mit einer Soll-Gesamtheizleistung verglichen. Wobei die Soll-Gesamtheizleistung beispielsweise von dem aufzuheizenden Katalysator 7 bestimmt wird. So kann sich die Soll-Gesamtheizleistung entsprechend der aktuellen Betriebstemperatur des Katalysators 7 verändern. Dadurch wird eine besonders effiziente Nutzung des Aufheizbetriebs für den Katalysator erreicht.
Wird in dem Schritt 6 ermittelt, dass die Gesamtheizleistung der Zylinder eine katalysatorspezifische Grenze übersteigt, werden die zylinderindividuellen Zündwinkel und/oder die Parameter der zweiten Einspritzung erneut angepasst, wie durch einen Pfeil 8 angedeutet.
Weist die Brennkraftmaschine mehrere Zylinderbänke auf, so kann die zylinderbankindividuelle Gesamtheizleistungen wie oben beschrieben ermittelt und mit einer entsprechenden Soll-Gesamtheizleistung für einen der jeweiligen Zylinderbank zugeordneten Katalysator verglichen werden.
Liegt die im Schritt 6 ermittelte Gesamtheizleistung in einem erlaubten Bereich, so wird in einem folgenden Schritt 9 überprüft, ob die eingestellten Werte aus Schritt 4 und/oder die Gesamtheizleistung und/oder die zylinderindividuellen Heizleistungen in erlaubten Bereichen liegen, sodass eine Beschädigung der Brennkraftmaschine durch Überlastung und/oder ein zu hoher Schadstoffausstoß verhindert wird. Liegen die Werte nicht in einem gewünschten Bereich, so werden die in Schritt 4 eingestellten Werte erneut angepasst, wie durch einen Pfeil 10 angedeutet. Anderenfalls werden die in Schritt 4 ermittelten/bestimmten Werte bezüglich der zylinderindividuellen Zündwinkel und/oder der Parameter der zweiten Einstellung in einem darauf folgenden Schritt 11 umgesetzt.
Das vorteilhafte, oben beschriebene Verfahren kann kontinuierlich im Betrieb der Brennkraftmaschine während des HSP-Betrieb durchgeführt werden. Alternativ ist auch eine stichprobenartige Durchführung des Verfahrens denkbar. Zweckmäßigerweise werden die in Schritt 4 ermittelten Daten gespeichert und bei einem nächsten Kaltstart der Brennkraftmaschine für den HSP-Betrieb verwendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004021473 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer mehrere Zylinder aufweisenden Brennkraftmaschine, wobei zum Aufheizen eines im Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators eine erste und zumindest eine zweite und/oder dritte Einspritzung innerhalb eines Arbeitszyklus zumindest eines der Zylinder durchgeführt und zylinderindividuelle Drehmomente ermittelt werden, wobei zur Zylindergleichstellung zylinderindividuell der Zündwinkel und/oder Parameter der zweiten und/oder dritten Einspritzung verstellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und/oder dritte Einspritzung in einem Bereich zwischen 25° vor dem oberen Totpunkt und 40° nach dem oberen Totpunkt verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderindividuelle Zündwinkel nach früh oder spät verschoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderindividuelle Zündwinkel in Abhängigkeit der zylinderindiviuellen Drehmomente in einem Bereich von 5° bis 40° nach dem oberen Totpunkt nach früh oder spät verstellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und/oder dritten Einspritzung im gleichen Maß wie der Zündwinkel verstellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderindividuelle Zündwinkel in einen Bereich von +/–10° zu dem Ende der zweiten und/oder dritten Einspritzung verstellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient zwischen der ersten und der zweiten Einspritzmenge 4:1 bis 10:1 beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient zwischen der Summe der ersten und zweiten Einspritzmenge und der dritten Einspritzmenge 4:1 bis 10:1 beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zylinderindividuelle Heizleistung, insbesondere in Abhängigkeit von dem zylinderindividuellen Zündwinkel bestimmt wird.
Verfahren nach einem de vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtheizleistung aller Zylinder zumindest einer Zylinderbank mit einer Soll-Gesamtheizleistung verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderindividuellen Zündwinkel und/oder Parameter der zweiten Einspritzung derart eingestellt werden, dass die Gesamtheizleistung weniger als 10% von der Soll-Gesamtheizleistung abweicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung der zylinderindividuellen Zündwinkel und/oder Parameter der Einspritzungen, insbesondere in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine, gespeichert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten der Brennkraftmaschine die gespeicherte Verstellung verwendet wird.