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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei direkt einspritzenden, nach dem Diesel-Prinzip arbeitenden Brennkraftmaschinen (Dieselmotoren) werden Voreinspritzungen von Kraftstoff zur Minderung der Geräuschemissionen vorgesehen. Dabei werden relativ geringe Mengen Kraftstoff vor der Haupteinspritzung, nach der die Verbrennung des Kraftstoffs erst erfolgt, in den Brennraum der einzelnen Zylinder eingebracht, um den Druckanstiegsgradient zu mindern, so dass ein insgesamt leiseres und akustisch zu tieferen Frequenzen hin verschobenes Klangbild erzeugt wird.
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Die Anzahl der Voreinspritzungen können dabei in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebspunkt des Dieselmotors variiert werden. Üblicherweise werden bei niedrigen Drehzahlen und Lasten zwei Voreinspritzungen vorgesehen, um eine maximale Geräuschminderung zu erzielen – eine noch höhere Anzahl von Voreinspritzungen bietet dagegen regelmäßig keine weiteren wahrnehmbaren Geräuschvorteile mehr. Mit steigender Drehzahl und Last kommt eine Voreinspritzung zum Einsatz und im obersten Drehzahl-Last-Bereich wird in der Regel keine Voreinspritzung vorgesehen. Die Übergänge zwischen diesen drei Betriebszuständen erfolgen üblicherweise bei in einem Betriebskennfeld des Dieselmotors definierten, von der Drehzahl und der Einspritzmenge des Kraftstoff (d. h. der Last) abhängigen Schwellwerten. Diese können um eine Hysterese ergänzt sein, um ein Pendeln zwischen den Betriebszuständen zu vermeiden.
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Nachteilig bei dieser Vorgehensweise ist, dass insbesondere beim Übergang von einer auf keine Voreinspritzung aber auch bei dem Übergang von zwei auf eine Voreinspritzung eine schlagartige Änderung des Geräuschverhaltens des Dieselmotors eintritt, die von dem Fahrer des Kraftfahrzeugs häufig als störend empfunden wird. Um dies zu vermeiden, wird üblicherweise versucht, über eine Anpassung der Einspritzparameter das Geräuschverhalten zu beeinflussen. Beispielsweise ist aus der
DE 100 21 931 B4 bekannt, eine zylinderindividuelle Anpassung der Vor- und Haupteinspritzparameter durchzuführen, um das Geräuschverhalten der einzelnen Zylinder anzupassen. Dieses Vorgehen ist regelmäßig mit einem erheblichen Regelungsaufwand verbunden und führt zudem nicht immer zu dem gewünschten Erfolg.
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Aus der
EP 1 264 098 B1 ist zudem ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem eine sprunghafte Änderung des Geräuschverhaltens dadurch vermieden werden soll, dass in einem Übergangsbereich zwischen zwei Betriebsarten, die sich in der Anzahl der Voreinspritzungen unterscheiden, nicht mehr alle Voreinspritzungen durchgeführt werden, sondern kontinuierlich zu- bzw. abnehmend – beispielsweise jede dritte, dann jede zweite, etc. – Voreinspritzung für die einzelnen Zylinder ausgelassen wird. Dieses Auslassen einzelner Voreinspritzungen erfolgt für alle Zylinder der Brennkraftmaschine gleichzeitig. Auch dieses Verfahren ist mit einem erheblichen Regelungsaufwand während der Übergangsphasen und somit einer entsprechenden rechnerischen Belastung der Motorsteuerung verbunden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Geräuschverhalten von insbesondere direkt einspritzenden Dieselmotoren auf einfache Weise zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, die eine Mehrzahl an Zylindern und eine zylinderindividuelle Kraftstoffeinspritzung umfasst, ist vorgesehen, den Zylindern den jeweils im Rahmen eines Arbeitszyklus zugeführten Kraftstoff in mindestens zwei nacheinander ablaufenden Teileinspritzungen zuzuführen, wobei erfindungsgemäß ein Betriebszustand vorgesehen ist, in dem zumindest eine, jedoch nicht alle der Teileinspritzungen in nur einem Teil der Zylinder erfolgt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf einfache Weise, das Geräuschverhalten einer Brennkraftmaschine in einer Vielzahl, von der Anzahl an Zylindern abhängigen Stufen zu verändern.
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Vorzugsweise handelt es sich bei den mindestens zwei Teileinspritzungen um eine oder mehrere Voreinspritzungen sowie eine Haupteinspritzung, in der der Großteil des insgesamt für den Arbeitszyklus des jeweiligen Zylinders vorgesehenen Kraftstoffs zugeführt wird. Da eine Voreinspritzung bei einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine hauptsächlich zur Beeinflussung des Geräuschemissionsverhaltens der Brennkraftmaschinen durchgeführt wird, ist vorzugsweise auch vorgesehen, die erfindungsgemäße Ausnahme einzelner Zylinder von einzelnen Teileinspritzungen bei der Voreinspritzung durchzuführen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise, eine Brennkraftmaschine, die – wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist – in zumindest einem ersten und einem zweiten Betriebszustand betrieben wird, wobei sich die Betriebszustände in der Anzahl der durchgeführten Voreinspritzungen unterscheiden, in einem Übergangsbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand zu betreiben, in dem ein Teil der Zylinder mit der Anzahl an Voreinspritzungen des ersten und ein zweiter Teil der Zylinder mit der Anzahl der Voreinspritzungen des zweiten Betriebszustands betrieben wird.
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Dadurch kann ein großer „Sprung” im Geräuschverhalten, wie er bei konventionellen Dieselmotoren beispielsweise beim Umschalten von einer auf keine Voreinspritzung als unangenehm empfunden wird, vermieden werden. Vielmehr können zusätzliche Zwischenstufen eingeführt werden, wodurch ein akustisch als angenehmer empfundener Übergang zwischen zwei sich in der Anzahl der Voreinspritzungen (in allen Zylindern) unterscheidenden Betriebszuständen erreicht werden kann.
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Die unterschiedlichen Betriebszustände können insbesondere drehzahl- und/oder lastabhängig definiert sein, so dass vorgesehen sein kann, die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine bei hohen Drehzahlen und Lasten ohne Voreinspritzung (in allen Zylindern), bei geringeren Lasten mit einer Voreinspritzung (in allen Zylindern) und bei niedrigen Drehzahlen und niedriger Last (in allen Zylindern) mit zwei Voreinspritzungen zu betreiben. In den jeweiligen Übergangsbereichen (zwischen diesen unterschiedlichen Betriebszuständen) kann dann ein Teil der Zylinder mit der Anzahl (eine oder zwei) der Voreinspritzungen des einen benachbarten Betriebszustands und der andere Teil der Zylinder mit der Anzahl (keine oder eine) der Voreinspritzungen des anderen benachbarten Betriebszustands betrieben werden.
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Es bestehen verschiedene Möglichkeiten, die Ausdehnungen des Übergangsbereichs bzw. der Übergangsbereiche zu definieren. Eine bevorzugte, weil einfach zu steuernde Möglichkeit kann darin bestehen, den Betrieb der Brennkraftmaschine in dem Übergangsbereich für eine definierte Zeitspanne aufrecht zu erhalten. Diese Zeitspanne kann beispielsweise unter einer Sekunde und insbesondere 500 ms betragen.
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Eine alternative Möglichkeit zur Bestimmung der Ausdehnung des Übergangsbereichs kann darin liegen, diesen drehzahl- und lastabhängig zu definieren. Der Übergangsbereich kann somit in einem für jeden der Zylinder vorgesehenen Drehzahl-Einspritzmengen-Betriebskennfeld definiert sein. In Abhängigkeit von den jeweiligen Änderungen in der Drehzahl und der Last können sich somit unterschiedliche Zeitspannen für den Betrieb der Brennkraftmaschine in dem/den Übergangsbereich(en) ergeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, einzelne der mehreren Zylinder mit unterschiedlichen Anzahlen an Teileinspritzungen zu betreiben. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass, sofern eine zylinderindividuelle Steuerung der Teileinspritzungen in einem Übergangsbereich zwischen zwei sich in der Anzahl der vorgenommenen Voreinspritzungen unterscheidenden Betriebszuständen vorgesehen ist, einfach die Hälfte der Zylinder mit der Anzahl an Voreinspritzungen des ersten und die andere Hälfte der Zylinder mit der Anzahl der Voreinspritzungen des zweiten Betriebszustandes zu betreiben. Es hat sich gezeigt, dass durch diese „nur” einstufige Abstufung bereits ein vorteilhaftes Geräuschemissionsverhalten der Brennkraftmaschine erreicht werden kann und sich gleichzeitig der zusätzliche Regelungsaufwand in Grenzen hält.
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Unter „Hälfte” soll im vorliegenden Fall nicht nur die mathematisch exakt berechnete Hälfte verstanden werden, da dies eine Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Brennkraftmaschinen mit ungeraden Zylinderzahlen verhindern würde. Vielmehr soll darunter auch die genauest ermittelbare, ganzzahlige Hälfte fallen; bei Brennkraftmaschinen mit ungerader Zylinderzahl unterscheiden sich die zwei „Hälften” somit um die Zahl eins. Dabei kann die größere „Hälfte” sowohl mit mehr als auch weniger Teileinspritzungen betrieben werden.
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Es besteht selbstverständlich die Möglichkeit, eine Abstufung des Übergangs zwischen den zwei Betriebszuständen mit mehr als einer Zwischenstufe vorzusehen, wobei zusätzliche Zwischenstufen grundsätzlich das Geräuschemissionsverhalten positiv beeinflussen können, gleichzeitig aber auch den Regelungsbedarf der Motorsteuerung erhöhen. Neben einer Zwischenstufe, in der jeweils die Hälfte der Zylinder mit den unterschiedlichen Anzahlen an Voreinspritzungen betrieben werden, kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, in einer Zwischenstufe die Voreinspritzung in jeweils zwei Zylindern zu aktivieren/deaktivieren (was bei einer Brennkraftmaschine mit vier Zylindern der Hälfte entspricht und bei einer Brennkraftmaschine mit drei oder fünf Zylindern der Hälfte im erfindungsgemäßen Sinne entsprechen kann). So kann beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine mit sechs Zylindern vorgesehen sein, in einem ersten Betriebszustand alle sechs Zylinder mit einer Voreinspritzung, dann in einer ersten Zwischenstufe zwei Zylinder ohne Voreinspritzung, dann in einer zweiten Zwischenstufe vier Zylinder ohne Voreinspritzung und in einem zweiten Betriebszustand dann alle sechs Zylinder ohne Voreinspritzung zu betreiben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
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1: eine schematische Darstellung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Brennkraftmaschine;
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2: ein Diagramm zur Verdeutlichung eines erfindungsgemäßen Betriebs der Brennkraftmaschine gemäß 1 in einem zeitlich definierten Übergangsbereich; und
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3: ein Diagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Betriebs einer Brennkraftmaschine gemäß 1 in einem drehzahl- und lastabhängigen Übergangsbereich.
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In der 1 sind schematisch die wesentlichen Elemente eines erfindungsgemäßen Dieselmotors dargestellt. Dieser umfasst insgesamt vier, jeweils einen Brennraum ausbildende Zylinder 10, denen jeweils eine individuell ansteuerbare Kraftstoffeinspritzeinheit 12 zugeordnet ist. Die Kraftstoffeinspritzeinheiten 12 sind so ausgeführt, dass sie innerhalb sehr kurzer Zeiten Kraftstoff in die jeweiligen Zylinder 10 einspritzen können, um nachfolgend beispielsweise eine oder zwei Voreinspritzungen und eine Haupteinspritzung (in der ein Großteil des Kraftstoffs eingespritzt wird) durchzuführen. Eine Ansteuerung der einzelnen Kraftstoffeinspritzeinheiten 12 erfolgt über eine Steuereinheit 14, wobei die Steuereinheit 14 zur Ansteuerung der Kraftstoffeinspritzeinheiten 12 unter anderem die Drehzahl einer von den Zylindern 10 des Dieselmotors angetriebenen Kurbelwelle (nicht dargestellt) und einer die Lastanforderung definierenden Gaspedalstellung eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt), zu dessen Antrieb der Dieselmotor dient, heranzieht.
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Bei dem Dieselmotor gemäß der 1 ist vorgesehen, diesen in verschiedenen, von der Drehzahl der Kurbelwelle und der angeforderten Last abhängigen Betriebszuständen zu betreiben, wobei in diesen Betriebszuständen eine unterschiedliche Anzahl an Voreinspritzungen vorgesehen ist.
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So soll der Dieselmotor in einer Ausführungsform bei niedrigen Drehzahlen und Lasten mit einer Voreinspritzung in allen vier Zylindern betrieben werden. Bei höheren Drehzahlen und Lasten soll dann auf eine Voreinspritzung in allen Zylindern verzichtet werden und die Zylinder mit lediglich der Haupteinspritzung betrieben werden. Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, einen zwischen diesen beiden Betriebsbereichen liegenden Übergangsbereich vorzusehen, in dem nur die Hälfte, d. h. zwei der Zylinder 10, mit einer Voreinspritzung und die andere Hälfte ohne Voreinspritzung betrieben wird. Dadurch kann eine sprunghafte Veränderung des Geräuschemissionsverhaltens des Dieselmotors bei einem Wechsel von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand vermieden bzw. abgemildert werden, indem eine zusätzliche Geräuschemissionsstufe eingeführt wird.
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In der 2 ist eine Möglichkeit dargestellt, wie ein solcher Übergangsbereich definiert werden kann. Dort ist der zeitliche Verlauf (Rechtsachse) des Übergangs von dem ersten Betriebszustand 16 in den zweiten Betriebszustand 18 über der Anzahl der Voreinspritzungen (Hochachse) dargestellt. In dem ersten Betriebszustand 16, der durch eine relativ geringe Drehzahl und Last des Dieselmotors gekennzeichnet ist, wird dieser mit einer Voreinspritzung in allen vier Zylindern 10 betrieben. Daraufhin erfolgt ein Umschalten in einen erfindungsgemäßen Übergangsbereich 20, in dem noch in der Hälfte der Zylinder 10 eine Voreinspritzung vorgesehen ist, während die andere Hälfte bereits ohne Voreinspritzung betrieben wird. Dieser Übergangsbereich 20 wird über eine definierte Zeitspanne von vorliegend ca. 500 ms aufrecht gehalten, vorausgesetzt, der aktuelle Betriebspunkt des Dieselmotors verschiebt sich weiter in Richtung des zweiten Betriebszustands 18. Nachdem die definierte Zeitspanne beendet ist, erfolgt dann die Umschaltung in den zweiten Betriebszustand 18, in dem in keinem der Zylinder 10 eine Voreinspritzung vorgesehen ist.
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Die 3 zeigt eine alternative Möglichkeit für den erfindungsgemäßen Betrieb einer Brennkraftmaschine gemäß der 1. Dort sind drei unterschiedliche Betriebszustände vorgesehen, nämlich zwei Voreinspritzungen in einem sowohl von der Last, gekennzeichnet durch die Menge des in die einzelnen Zylinder eingespritzten Kraftstoffs (Hochsachse), als auch von der Drehzahl (Rechtsachse) abhängigen Betriebszustand, wobei dieser erste Betriebszustand 22 insbesondere durch eine relativ geringe Lastanforderung gekennzeichnet ist. Dieser Betriebszustand geht in einen zweiten, mittleren Betriebszustand 24 über, in dem eine (einzige) Voreinspritzung in allen vier Zylindern vorgesehen ist. In dem dritten, im wesentlichen durch eine hohe Last gekennzeichneten Betriebszustand 26 erfolgt in allen vier Zylindern 10 keine Voreinspritzung. Zwischen dem zweiten Betriebszustand 24 mit einer und dem dritten Betriebszustand 26 ohne Voreinspritzung ist erfindungsgemäß ein Übergangsbereich 28 vorgesehen, innerhalb dessen die Hälfte der Zylinder 10 ohne und die andere Hälfte der Zylinder 10 mit einer Voreinspritzung betrieben wird. Die Dauer, innerhalb dessen die Brennkraftmaschine in dem Übergangsbereich 28 betrieben wird, ist kennfeld-, d. h. last- und drehzahlabhängig.
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Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, auch zwischen dem ersten Betriebszustand 22 mit zwei und dem zweiten Betriebszustand 24 mit einer Voreinspritzung einen entsprechenden Übergangsbereich vorzusehen, in dem beispielsweise die Hälfte der Zylinder 10 mit zwei und die andere Hälfte mit einer Voreinspritzung betrieben wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zylinder
- 12
- Kraftstoffeinspritzeinheit
- 14
- Steuereinheit
- 16
- erster Betriebszustand
- 18
- Übergangsbereich
- 20
- zweiter Betriebszustand
- 22
- erster Betriebszustand
- 24
- zweiter Betriebszustand
- 26
- dritter Betriebszustand
- 28
- Übergangsbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10021931 B4 [0004]
- EP 1264098 B1 [0005]
