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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Die Verbrennung in Otto- bzw. Benzinmotoren erfolgt in der Regel durch eine Fremdzündung, üblicherweise mit einer Zündkerze. Die dazu notwendige Aufbereitung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Bei der sogenannten homogenen Gemischaufbereitung (PFI-Port-Fuel-Injection) erfolgt eine äußere Gemischbildung. Weiterhin kann eine homogene Gemischaufbereitung durch direkt in den Brennraum während der Ansaugphase eingespritzten Kraftstoff durchgeführt werden (DISI-homogen: Direct-Injection-Spark-Ignition homogen). Außerdem ist eine sogenannte geschichtete Gemischaufbereitung durch direkt in den Brennraum gegen Ende der Verdichtung eingespritzten Kraftstoff bekannt (DISI-geschichtet: Direct-Injection-Spark-Ignition geschichtet).
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Bei hochaufgeladenen Ottomotoren mit Benzindirekteinspritzung (BDE) kann es zu einer unkontrollierten Verbrennung kommen. Darunter ist nicht die klopfende Verbrennung im üblichen Sinne zu verstehen. Es kommt hingegen aus derzeit nicht bekannten Gründen zu unkontrollierten Verbrennungen kurz nach dem oberen Totpunkt, was unter Umständen mit einer bis drei Zündungen zu Motorschäden führen kann. Dies wird als ”Vorentflammung” bezeichnet. Es deutet viel darauf hin, dass Ablagerungen von Verbrennungsrückständen, wie bspw. durch Abplatzen mit Hot-Spots oder Teilchenbahnen durch den Brennraum, ursächlich für die Vorentflammung sind.
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Zur Vermeidung von rußenden Benzinmotoren und damit zur Erfüllung der EU6 Abgasgrenzwerte wurde das duale Einspritzsystem (P-DI: Port Fuel and Direct Injection) eingeführt. Dazu wird im Ottomotor neben den mittlerweile üblichen Benzindirekteinspritzungen auch noch pro Zylinder ein Einspritzventil im Saugrohr verbaut, so dass außerdem eine Saugrohreinspritzung (SRE) vorgenommen werden kann. Da nunmehr zwei unterschiedliche Einspritzventile pro Zylinder vorhanden sind, kann die für die Verbrennung benötigte Einspritzmenge mit einer beliebigen Aufteilung durch beide Ventile bereitgestellt werden.
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In der Druckschrift
DE 10 2008 001 605 A1 ist ein Verfahren vorgestellt, bei dem eine einzuspritzende Soll-Kraftstoffmenge in Abhängigkeit der für den Betrieb der Brennkraftmaschine charakteristischen Temperatur in eine erste in ein Saugrohr der Brennkraftmaschine einzuspritzende Kraftstoffmenge und in eine zweite direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine einzuspritzende Kraftstoffmenge aufgeteilt wird. Die Aufteilung der Einspritzungen bzw. der einzuspritzenden Kraftstoffmengen wird dabei, insbesondere in der Startphase, in Abhängigkeit der charakteristischen Temperatur vorgenommen.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 001 111 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff sowohl über mindestens ein erstes Einspritzventil direkt in einen Brennraum sowie über mindestens ein zweites Einspritzventil in ein Saugrohr einspritzbar ist. Im Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine wird Kraftstoff unter Berücksichtigung eines ersten Zumessbereichs von beiden Einspritzventilen eingespritzt.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 002 511 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bei kombinierter Direkt- und Saugrohreinspritzung. Hierbei wird Kraftstoff mittels mindestens eines ersten Einspritzventils in ein Saugrohr und/oder mittels mindestens eines zweiten Einspritzventils direkt in einen Brennraum zur Verbrennung eingespritzt. In mindestens einem vorgegebenen Betriebszustand der Brennkraftmaschine wird für eine vorbestimmte Anzahl an aufeinanderfolgenden Arbeitstakten Kraftstoff mittels des mindestens einen ersten Einspritzventils in ein Saugrohr eingespritzt und in einem anschließenden Arbeitstakt mittels des mindestens einen ersten Einspritzventils in das Saugrohr und mittels des mindestens einen zweiten Einspritzventils direkt in den Brennraum eingespritzt. Hierbei kann eine Anzahl an aufeinanderfolgenden Arbeitstakten abhängig von einer Temperatur im Brennraum festgelegt werden.
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Aus der
EP 1 555 417 A1 ist eine Injektorsteuerung für einen Verbrennungsmotor bekannt, der die Ansammlung von Ablagerungen auf einer Düsenöffnung eines Direkteinspritzventils unterdrückt. Der Einspritzregler beinhaltet das Direkteinspritzventil, das den Kraftstoff in einen Zylinder einspritzt und ein Saugrohreinspritzventil, das Kraftstoff in einen Ansaugkanal einspritzt. Eine ECU, die mit den Direkteinspritz- und Saugrohreinspritzventilen verbunden ist, führt einen ersten Einspritzmodus zum Einspritzen von Kraftstoff mit dem Direkteinspritzventil und einen zweiten Einspritzmodus zum Einspritzen von Kraftstoff mit dem Saugrohreirispritzventil durch. Die ECU schaltet die Kraftstoffeinspritz-Modi aus dem zweiten Einspritzmodus, um den ersten Einspritzmodus für einen bestimmten Zeitraum durchzuführen, wenn Brennstoff wird im zweiten Einspritzmodus injiziert wird.
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Aus der
US 2005/0 155 578 A1 ist Verbrennungsmotor ist mit einem Saugrohreinspritzventil und einem Direkteinspritzventil bekannt. Bevor eine Saugrohreinspritzung gestartet wird, wird der Gesamtbetrag der Kraftstoffmenge berechnet (an einem Einspritzmengen-Berechnungs-Zeitpunkt). Die Saugrohreinspritzungs-Kraftstoffmenge und die Direkteinspritzungs-Kraftstoffmenge werden durch entsprechend Aufteilung der Gesamtmenge zwischen ihnen berechnet. Wenn eine Änderung der Last des Verbrennungsmotors nach dem Einspritzmengen-Berechnungs-Zeitpunkt erkannt wird, spiegelt sich diese Laständerung in der Menge an Kraftstoff wider, die in den aktuellen Motorzyklus eingespritzt wird, indem die Direkteinspritzungs-Kraftstoffmenge erhöht oder reduziert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Verfügung zu stellen, die sicherstellen, dass es nicht zu vermehrten Ablagerungen im Brennraum kommt, wodurch die Wahrscheinlichkeit für die Vorentflammung deutlich reduziert wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Mit dem vorgestellten Verfahren kann mittels des P-DI Systems betriebspunktabhängig und ggf. zeitlich variabel die Aufteilung der Einspritzmenge zwischen SRE und BDE appliziert werden. Damit kann sichergestellt werden.
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Der Aufteilungsfaktor wird betriebspunktabhängig so gewählt, dass erst gar keine Ablagerungen entstehen können. Dabei wird der Aufteilungsfaktor betriebspunktabhängig als ein zeitlicher Verlauf bzw. ein zeitliches Muster vorgegeben. Dies kann bspw. entsprechend einem PWM-Signal erfolgen, indem für eine vorgegebene Periodendauer zusätzlich die Zeit und/oder die Menge für eine der Einspritzarten vorgegeben wird.
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Es kann bei einem reinen BDE-Betrieb in vorgebbaren zeitlichen Abständen auf SRE-Betrieb umgeschaltet werden, um die bis dahin geringen Mengen an Brennraumablagerungen zu beseitigen, bevor es zu Vorentflammungen kommen kann.
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Ist die SRE-Einspritzung aus verbrennungstechnischen Gründen in der Vollast nicht möglich, so kann durch eine vorbeugende Umstellung auf SRE in besonders geeigneten Betriebspunkten zur schnellen unkritischen Entsorgung der Ablagerungen vorgebeugt werden. So hat es sich gezeigt, dass nach längeren Phasen mit SRE-Einspritzung die messbare Partikelanzahl langsamer ansteigt als nach kurzen SRE-Betriebszeiten.
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Um bei einem Wechsel der Einspritzart unerwünschte Randeffekte zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, kann der Faktor mit einer applizierbaren maximalen Änderungsgeschwindigkeit, üblicherweise einer Steigungsbegrenzung, erfolgen. Alternativ kann der Aufteilungsfaktor nicht als Rechtecksignal, sondern als glattes periodisches Signal mit variabler Periodenlänge, bspw. ein sinusförmiger Signalverlauf, eingesetzt werden.
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Zusätzlich zur zeitlichen Aufteilung von BDE und SRE innerhalb einer Periodenlänge kann die Periodenlänge betriebspunktabhängig vorgegeben werden. Das bedeutet, dass der zeitliche Verlauf des Aufteilungsfaktors in Abhängigkeit mindestens eines Betriebspunkts variiert. Auf diese Weise kann auch auf bestimmte Sondersituationen reagiert werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in einem Graphen Verläufe eines Aufteilungsfaktors.
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2 zeigt in einem Flussdiagramm den Ablauf einer Ausführung des vorgestellten Verfahrens.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführung der beschriebenen Anordnung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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In 1 sind mögliche Verläufe bzw. zeitliche Muster des Aufteilungsfaktors dargestellt. Dabei ist an einer Abszisse 10 die Zeit t und an einer Ordinate 12 der Aufteilungsfaktor aufgetragen. Zu erkennen ist, dass der Aufteilungsfaktor sich zwischen den Werten 0 und 1 bewegt. Ein erster zeitlicher Verlauf 14, mit einer durchgezogenen Linie dargestellt, entspricht einem rechteckförmigen Signal. In einem ersten Bereich 18 ist der Aufteilungsfaktor gleich 1, d. h. es erfolgt eine reine Benzindirekteinspritzung. In einem zweiten Bereich 20 erfolgt eine reine Saugrohreinspritzung, in diesem zweiten Bereich 20 ist der Aufteilungsfaktor gleich 0. Der erste Verlauf 14 weist ein periodisches Muster auf, das durch eine Periodenlänge (Doppelpfeil 22) definiert ist.
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Der erste Verlauf 14 zeichnet sich dadurch aus, dass der Aufteilungsfaktor nur die Werte 0 und 1 annimmt. Dies bedeutet, dass entweder eine reine Benzindirekteinspritzung (Bereich 18) oder eine reine Saugrohreinspritzung (Bereich 20) erfolgt. Dies ist durch die scharfen Flanken des ersten Verlaufs 14 festgelegt.
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Ein zweiter Verlauf 24 weist eine geringere Flankensteilheit auf, d. h. dass in bestimmten Zeiträumen beim Übergang von Benzineinspritzung zu Saugrohreinspritzung und umgekehrt beide Einspritzarten erfolgen. Das bedeutet, dass in gewissen Zeiträumen beide Einspritzarten mit sich ändernden Anteilen vorgenommen werden.
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In 2 ist in einem Flussdiagramm ein möglicher Verlauf des vorgestellten Verfahrens beschrieben. In einem ersten Schritt 50 erfolgt der Start der Brennkraftmaschine. Mit einem Sensor wird in einem weiteren Schritt 52 ein Betriebspunkt erfasst. Grundsätzlich kann der Betriebspunkt bereits zum Start der Brennkraftmaschine vorliegen, bspw. abgelegt in einem Speicher als Standardwert oder als Wert eines vorherigen Betriebs oder auch als Mittelwert bereits erfasster Werte.
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In Abhängigkeit des erfassten Betriebspunkts, bspw. der Motortemperatur, wird in einem darauffolgenden Schritt 54 ein zeitlicher Verlauf eines Aufteilungsfaktors festgelegt, der typischerweise periodisch ist. Dieser zeitliche Verlauf des Aufteilungsfaktors legt die Anteile von Benzindirekteinspritzung zu Saugrohreinspritzung über der Zeit fest. Dabei kann die Aufteilung gemäß zeitlichem Verlauf des Aufteilungsfaktors über einen Arbeitstakt oder über mehrere Arbeitstakte der Brennkraftmaschine erfolgen. Die Anzahl der zu berücksichtigenden Arbeitstakte kann auch betriebspunktabhängig festgelegt werden.
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Nunmehr ist die Brennkraftmaschine in Betrieb und es kann vorgesehen sein, dass im Betrieb in einem weiteren Schritt 56 der zunächst berücksichtigte Betriebspunkt und/oder ein anderer Betriebspunkt herangezogen werden, um die Periodenlänge des zeitlichen Verlaufs zu bestimmen. Dies bedeutet, dass die Periodenlänge des zeitlichen Verlaufs in Abhängigkeit des Betriebspunkts variiert wird. Grundsätzlich kann auch die Form des Verlaufs, bspw. die Flankensteilheit, in Abhängigkeit des Betriebspunkts geändert werden.
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Die Entscheidung, ob der zeitliche Verlauf in Abhängigkeit des sich ändernden Betriebspunkts variiert wird (Schritt 56) kann wiederum von diesem oder anderen Betriebspunkten oder ebenso von äußeren Randbedingungen abhängen (Verzweigung 58).
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Ergänzend kann auch die Periodenlänge oder auch die Form des zeitlichen Verlaufs in Abhängigkeit der Betriebsdauer der Brennkraftmaschine geändert werden.
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In 3 ist in einer schematischen Darstellung eine Anordnung, insgesamt mit der Bezugsziffer 80 versehen, zum Betreiben einer Brennkraftmaschine 82 dargestellt. Zu beachten ist, dass Komponenten der Anordnung 80 in der Brennkraftmaschine 82 angeordnet sein können. Andere Komponenten der Anordnung 80 können wiederum in einem Motorsteuergerät, das zum Steuern der Brennkraftmaschine 82 dient, integriert oder diesem zugeordnet sein.
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In der Anordnung 80 sind eine Recheneinheit 84, eine Speichereinheit 86 und ein Sensor 88 vorgesehen. Mit dem Sensor 88 kann ein oder auch mehrere Betriebspunkte der Brennkraftmaschine 82 erfasst werden. Auf Grundlage dieses Betriebspunkts wird ein Aufteilungsfaktor bzw. dessen zeitlicher Verlauf oder zeitliches Muster bestimmt. Die Anordnung 82 steuert dann mit einer Steuereinheit 98 ein erstes Einspritzventil 90 und ein zweites Einspritzventil 92 an.
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Das erste Einspritzventil 90 ist für eine Benzindirekteinspritzung und das zweite Einspritzventil 92 für eine Saugrohreinspritzung vorgesehen. Durch eine geeignete Aufteilung in Abhängigkeit des Betriebspunkts wird sichergestellt, dass Ablagerungen vermieden werden. Auf diese Weise können Vorentflammungen vermindert werden, die zu Motorschäden führen können. Dabei gibt der zeitliche Verlauf des Aufteilungsfaktors vor, zu welchem Zeitpunkt welche der beiden Einspritzarten durchgeführt wird oder auch wie zu bestimmten Zeitpunkt das Verhältnis der beiden Einspritzarten zueinander hinsichtlich der jeweiligen Einspritzmenge ist.
