DE102009022648A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei Kraftstoff in einen Brennraum zu einem vorbestimmten Zeitpunkt und mit einem vorbestimmten Einspritzdruck eingespritzt wird. Hierbei wird vor dem Einspritzen des Kraftstoffes in Abhängigkeit von den momentanen Betriebsbedingungen bestimmt, ob beim Einspritzen des Kraftstoffes ein Flash-Boiling auftritt, wobei ein Einspritzbeginn gegenüber dem vorbestimmten Zeitpunkt und/oder der Einspritzdruck gegenüber dem vorbestimmten Einspritzdruck derart verändert wird, dass ein Benetzen einer Brennraumwandung mit Kraftstoff vermieden ist, falls bestimmt wurde, dass beim Einspritzen des Kraftstoffes bei den momentanen Betriebsbedingungen ein Flash-Boiling auftritt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei Kraftstoff in einen Brennraum zu einem vorbestimmten Zeitpunkt und mit einem vorbestimmten Einspritzdruck eingespritzt wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Unter Flash-Boiling versteht man das schlagartige Verdampfen von Teilen des von Hochdruckinjektoren eingespritzten Kraftstoffstrahles, wie sie bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung eingesetzt werden. Dadurch wird das Strahlbild des Kraftstoffsprays stark beeinflusst. Flash-Boiling tritt verstärkt bei abnehmendem Umgebungsdruck und steigender Kraftstoff- bzw. Lufttemperatur, in die der Kraftstoff eingespritzt wird, auf. Der Kraftstoffstrahl wird mit zunehmendem Flash-Boiling schmaler (geringerer Strahlkegelwinkel) und weist infolgedessen eine größere Strahllänge, d. h. eine größere Eindringtiefe auf. Dies kann ggf. negative Auswirkungen auf den Brennverlauf haben, da es zu unerwünschten Wandbenetzungen eines Brennraumes kommen kann. Die beiden Strahlcharakteristika Strahlkegelwinkel und Strahllänge beeinflussen im motorischen Betrieb die Interaktion zwischen angesaugter Verbrennungsluft und Kraftstoffstrahl und damit die innermotorische Gemischbildung maßgeblich.
  • Aus der DE 199 52 344 C2 ist das Phänomen des Flash-Boiling bekannt. Hierbei ist es vorgesehen, dass eine Temperatur des eingespritzten Kraftstoffes erhöht wird, um das Flash-Boiling gezielt zur Verbesserung der Gemischbildung vor allem in den ersten Sekunden nach einem Motorstart zu nutzen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der o. g. Art hinsichtlich eines der Einspritzung nachfolgenden Brennverlaufes zu verbessern und dadurch Schadstoffemissionen zu verringern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
  • Dazu ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass vor dem Einspritzen des Kraftstoffes in Abhängigkeit von den momentanen Betriebsbedingungen bestimmt wird, ob beim Einspritzen des Kraftstoffes ein Flash-Boiling auftritt, und dass ein Einspritzbeginn gegenüber dem vorbestimmten Zeitpunkt und/oder der Einspritzdruck gegenüber dem vorbestimmten Einspritzdruck derart verändert wird, dass ein Benetzen einer Brennraumwandung mit Kraftstoff vermieden ist, falls bestimmt wurde, dass beim Einspritzen des Kraftstoffes bei den momentanen Betriebsbedingungen ein Flash-Boiling auftritt.
  • Dies hat den Vorteil, dass den negativen Auswirkungen des Flash-Boiling während des Einspritzens von Kraftstoff aktiv und wirksam entgegengewirkt wird, so dass Verschlechterungen des Brennverlaufes und der Schadstoffemissionswerte aufgrund von Flash-Boiling weitgehend vermieden sind.
  • Eine besonders gute Vorhersage darüber, ob ein Flash-Boiling auftritt oder nicht, erzielt man dadurch, dass die momentanen Betriebsbedingungen eine Ansauglufttemperatur, eine Drehzahl der Brennkraftmaschine, einen Saugrohrdruck und/oder eine Kraftstofftemperatur umfassen.
  • Ein zusätzlich wirksames Vermeiden des Phänomens Flash-Boiling durch Verlassen eines Kennfeldbereiches, in dem Flash-Boiling auftritt, erzielt man dadurch, dass zum Verändern des Einspritzdruckes gegenüber dem vorbestimmten Einspritzdruck eine Differenz des vorbestimmten Einspritzdruckes und eines Zylinderdruckes bestimmt wird, wobei der Einspritzdruck derart gegenüber dem vorbestimmten Einspritzdruck verändert wird, dass die Gefahr von Flash-Boiling verringert wird.
  • Zum Verändern des Einspritzbeginns gegenüber dem vorbestimmten Zeitpunkt wird der Einspritzbeginn gegenüber dem vorbestimmten Zeitpunkt zweckmäßigerweise nach früh oder spät verschoben.
  • Zum Verändern des Einspritzdruckes gegenüber dem vorbestimmten Einspritzdruck wird der Einspritzdruck zweckmäßigerweise erhöht oder erniedrigt.
  • Eine besonders einfache Abschätzung der Gefahr von Flash-Boiling erzielt man dadurch, dass zum Bestimmen, ob beim Einspritzen des Kraftstoffes ein Flash-Boiling auftritt, ein Strahlkegelwinkel und eine Strahllänge des eingespritzten Kraftstoffstrahls bestimmt wird.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
  • 1 ein Kennfeld eines effektiven Mitteldruckes (EFFMDR) über eine Drehzahl mit Kraftstoffstrahlbildern für verschiedenen Punkte des Kennfeldes und
  • 2 das Kennfeld von 1, bei dem solche Bereiche gekennzeichnet sind, in denen Flash-Boiling mit besonders hoher Wahrscheinlichkeit auftritt.
  • In 1, die ein motorisches Kennfeld darstellt, ist auf einer ersten horizontalen Achse 10 eine Drehzahl in [1/min] aufgetragen, auf einer vertikalen Achse 12 ist ein effektiver Mitteldruck EFFMDR in einem Brennraum in [bar] aufgetragen und auf einer zweiten horizontalen Achse 14 ist ein Druck einer Kraftstoffleitung zu einer Einspritzdüse (Rail) in [bar] aufgetragen. Ein erster Graph 16 veranschaulicht einen Verlauf des effektiven Mitteldruckes EFFMDR 12 über die Drehzahl 10 bei einem Saugrohrdruck von 300 mbar, ein zweiter Graph 18 veranschaulicht einen Verlauf des effektiven Mitteldruckes EFFMDR 12 über die Drehzahl 10 bei einem Saugrohrdruck von 500 mbar, ein dritter Graph 20 veranschaulicht einen Verlauf des effektiven Mitteldruckes EFFMDR 12 über die Drehzahl 10 bei einem Saugrohrdruck von 700 mbar und ein vierter Graph 22 veranschaulicht einen Verlauf des effektiven Mitteldruckes EFFMDR 12 über die Drehzahl 10 bei einem Saugrohrdruck von 900 mbar. Das Kennfeld gemäß 1 ist für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit 1,41 Hubraum, einer Leistung von 125 kW und einer Verdichtung von 9,6 erstellt.
  • In dem Kennfeld gemäß 1 sind mehrere graphische Darstellungen von Kraftstoffstrahlbildern eines Kraftstoffeinspritzstrahles für verschiedene Punkte des Kennfeldes dargestellt. Diese veranschaulichen die Geometrie des eingespritzten Kraftstoffeinspritzstrahles bei einer Kraftstofftemperatur von 75°C. So zeigt beispielsweise die graphische Darstellung 24 in 1 ein Kraftstoffstrahlbild für einen Punkt des Kennfeldes mit einem effektiven Mitteldruck EFFMDR von 4,6 bar, einer Drehzahl von 1500 1/min, einem Druck einer Kraftstoffleitung (Raildruck) von 50 bar und einem Saugrohrdruck von 700 mbar. Das Kraftstoffstrahlbild weist einen großen Strahlkegelwinkel und eine kurze Strahllänge auf, so dass an diesem Punkt des Kennfeldes kein Flash-Boiling des eingespritzten Kraftstoffes stattfindet.
  • Die graphische Darstellung 26 in 1 zeigt ein anderes Kraftstoffstrahlbild für einen Punkt des Kennfeldes mit einem effektiven Mitteldruck EFFMDR von 0,5 bar, einer Drehzahl von 3500 1/min, einem Druck einer Kraftstoffleitung (Raildruck) von 100 bar und einem Saugrohrdruck von unterhalb 300 mbar. Das Kraftstoffstrahlbild weist einen kleinen Strahlkegelwinkel und eine große Strahllänge auf, so dass an diesem Punkt des Kennfeldes ein Flash-Boiling des eingespritzten Kraftstoffes stattfindet. Diese enge und lange Kegelform des Kraftstoffstrahles führt bei entsprechender Geometrie eines Brennraumes in unerwünschter Weise dazu, dass ein Teil des eingespritzten Kraftstoffes vor der Verbrennung eine Wandung des Brennraumes erreicht und diese benetzt. Da dies wegen teilweise unverbranntem Kraftstoff zu erhöhten Schadstoffemissionen führt, soll diese Wandbenetzung mit Kraftstoff unbedingt vermieden werden.
  • So kann man aus den graphischen Darstellungen der 1 erkennen, ob an dem jeweiligen Punkt des Kennfeldes ein Flash-Boiling mehr oder weniger stark ausgeprägt auftritt, dem dann entgegengewirkt werden muss.
  • 2 zeigt für das Kennfeld analog 1 Bereiche, welche hinsichtlich des Auftretens von Flash-Boiling besonders gefährdet sind. In einem ersten Kennfeldbereich 28 tritt ein Flash Boiling bereits bei Kraftstofftemperaturen von 75°C oder mehr auf. In einem zweiten Kennfeldbereich 30 tritt ein Flash-Boiling erste bei Kraftstofftemperaturen von 100°C oder mehr auf.
  • Erfindungsgemäß wird das Strahlverhalten beispielsweise in einem Motorsteuergerät derart simuliert, dass mit mathematischen/physikalischen Berechnungsmethoden die wesentlichen Strahlcharakteristika, wie Strahlkegelwinkel und Strahllänge, in Abhängigkeit von den jeweiligen, aktuell vorherrschenden Betriebsbedingungen berechnet werden und dann als Eingangsgröße für die Bestimmung wesentlicher Applikationsparameter in der Motorsteuerung berücksichtigt werden.
  • Wird beispielsweise unter gegebenen Betriebsbedingungen vom Berechnungsalgorithmus Flash-Boiling prädiziert, so wird aufgrund der bei Flash-Boiling größeren Strahllänge, zur Vermeidung von Wandbenetzung in dem Brennraum, beispielsweise von Zylinderwänden einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, der Einspritzbeginn gegenüber der Grundeinstellung korrigiert bzw. verändert, so dass trotz Flash-Boiling keine Wandbenetzung erfolgt oder so dass das Flash-Boiling unterdrückt wird.
  • Als Eingangsgrößen für den Berechnungsalgorithmus werden beispielsweise Ansauglufttemperatur, Motordrehzahl, Saugrohrdruck und/oder Kraftstofftemperatur berücksichtigt. Mittels dieser Parameter und Voruntersuchungen in einer Injektordruckkammer sind für die entsprechenden fahrzeugrelevanten Randbedingungen Kennfelder abgelegt, die die Strahlcharakteristika auf die vorherrschenden Bedingungen anpassen. Exemplarisch ist ein solches Kennfeld – üblicherweise effektiver Mitteldruck (EFFMDR) über Drehzahl aufgetragen – in 1 dargestellt.
  • Zusätzlich zur Vermeidung von unerwünschter Wandbenetzung ermöglicht die erarbeitete Funktion eine Beeinflussung des Kennfeldbereiches in dem Flash-Boiling auftritt. Mit Hilfe eines Regelalgorithmus, der auf den Einspritzdruck zugreift, wird die Differenz aus Einspritzdruck und Zylinderdruck, der entscheidenden Einfluss auf die Ausbildung der Flash-Boilings besitzt, optimal an die motorischen Bedingungen angepasst, so dass ein Flash-Boiling unterdrückt wird. Unter der Annahme einer Kraftstofftemperatur während des Einspritzvorganges von 75°C bzw. 100°C und einer drehzahlabhängigen Bedatung des Einspritzdruckes, ergeben sich die in 2 dargestellten Kennfeldbereich 28 und 30, in denen es zum Flash-Boiling kommt.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    erste horizontale Achse: Drehzahl in [1/min]
    12
    vertikale Achse: effektiver Mitteldruck EFFMDR in einem Brennraum in [bar]
    14
    zweite horizontale Achse: Druck einer Kraftstoffleitung zu einer Einspritzdüse in [bar]
    16
    erster Graph: Verlauf des effektiven Mitteldruckes EFFMDR 12 über die Drehzahl 10 bei einem Saugrohrdruck von 300 mbar
    18
    zweiter Graph: Verlauf des effektiven Mitteldruckes EFFMDR 12 über die Drehzahl 10 bei einem Saugrohrdruck von 500 mbar
    20
    dritter Graph: Verlauf des effektiven Mitteldruckes EFFMDR 12 über die Drehzahl 10 bei einem Saugrohrdruck von 700 mbar
    22
    vierter Graph: Verlauf des effektiven Mitteldruckes EFFMDR 12 über die Drehzahl 10 bei einem Saugrohrdruck von 900 mbar
    24
    graphische Darstellung eines Kraftstoffstrahlbildes eines Kraftstoffeinspritzstrahles
    26
    graphische Darstellung eines Kraftstoffstrahlbildes eines Kraftstoffeinspritzstrahles
    28
    erster Kennfeldbereich
    30
    zweiter Kennfeldbereich
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19952344 C2 [0003]

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei Kraftstoff in einen Brennraum zu einem vorbestimmten Zeitpunkt und mit einem vorbestimmten Einspritzdruck eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einspritzen des Kraftstoffes in Abhängigkeit von den momentanen Betriebsbedingungen bestimmt wird, ob beim Einspritzen des Kraftstoffes ein Flash-Boiling auftritt, und dass ein Einspritzbeginn gegenüber dem vorbestimmten Zeitpunkt und/oder der Einspritzdruck gegenüber dem vorbestimmten Einspritzdruck derart verändert wird, dass ein Benetzen einer Brennraumwandung mit Kraftstoff vermieden ist, falls bestimmt wurde, dass beim Einspritzen des Kraftstoffes bei den momentanen Betriebsbedingungen ein Flash-Boiling auftritt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die momentanen Betriebsbedingungen eine Ansauglufttemperatur, eine Drehzahl der Brennkraftmaschine, einen Saugrohrdruck und/oder eine Kraftstofftemperatur umfassen.
  3. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verändern des Einspritzdruckes gegenüber dem vorbestimmten Einspritzdruck eine Differenz des vorbestimmten Einspritzdruckes und eines Zylinderdruckes bestimmt wird, wobei der Einspritzdruck gegenüber dem vorbestimmten Einspritzdruck derart verändert wird, dass die Gefahr von Flash-Boiling verringert wird.
  4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verändern des Einspritzbeginns gegenüber dem vorbestimmten Zeitpunkt der Einspritzbeginn gegenüber dem vorbestimmten Zeitpunkt nach früh oder spät verschoben wird.
  5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verändern des Einspritzdruckes gegenüber dem vorbestimmten Einspritzdruck der Einspritzdruck erhöht oder erniedrigt wird.
  6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen, ob beim Einspritzen des Kraftstoffes ein Flash-Boiling auftritt, ein Strahlkegelwinkel und eine Strahllänge des eingespritzten Kraftstoffstrahls bestimmt wird.
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