DE102013214261A1

DE102013214261A1 - Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoff-Direkteinspritzung

Info

Publication number: DE102013214261A1
Application number: DE102013214261.7A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Farsch
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2033-07-23
Also published as: DE102013214261B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoff-Direkteinspritzung beim Starten einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine, wobei mindestens ein Kolben sich in einem Zylinder zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt auf und ab bewegt, die Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle übersetzt wird und eine Kraftstoffeinspritzung zu einem vorgebbaren Einspritzzeitpunkt durchgeführt wird und der Einspritzzeitpunkt in Abhängigkeit von der Temperatur und der Drehzahl gesteuert wird. Erfindungsgemäß liegt dabei der Einspritzzeitpunkt zumindest einer Einspritzung oder einer vorgegebenen Hauptmenge der gesamten Einspritzmenge einer einzelnen Verbrennung bei Unterschreiten einer vorgebbaren Temperaturschwelle bei einem Kurbelwellenwinkel im Bereich um den unteren Totpunkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoff-Direkteinspritzung beim Starten einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei derzeitigen Kraftfahrzeugen mit fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschinen und einer Kraftstoff-Direkteinspritzung wird die Einspritzung des Kraftstoffs beim Starten (auch bei sog. automatischen Start eines automatischen Start-Stopp-Systems) vor allem bei niedrigen Motortemperaturen entweder im Saughub des Zylinders (Einspritzwinkelbereich von 300°–230° Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt) oder im Kompressionshub (Einspritzwinkelbereich von ca. 150°–10° Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt) durch geführt. So ist bspw. aus der DE 100 42 551 A1 bereits ein Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoff-Direkteinspritzung einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine bekannt, wobei der Kraftstoff während des Saughubs eingespritzt wird. Der genaue Einspritzzeitpunkt wird dabei in Abhängigkeit von der Temperatur gesteuert, insbesondere derart, dass der Einspritzzeitpunkt bei niedrigen Temperaturen verzögert wird.
Ein insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen mit Direkteinspritzung auftretendes Problem sind Partikelemissionen, welche in Form von ultrafeinen Rußteilchen mit den Abgasen in die Umwelt gelangen. Aufgrund vom immer strengeren Feinstaubverordnungen ist es jedoch notwendig, diese Partikelemissionen zu reduzieren.
Aufgabe der Erfindung ist nun, ein Verfahren zur Steuerung einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine bei Starten bereitzustellen, welches eine Reduzierung der Partikelemissionen zur Folge hat.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Das erfindungsgemäße Verfahren, sowie deren vorteilhafte Ausgestaltungen können mittels eines implementierten Algorithmus oder einer entsprechenden Baugruppenanordnung in einer dafür vorgesehenen Steuervorrichtung durchgeführt werden.
Grundsätzlich wird von einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung ausgegangen, wobei mindestens ein Kolben sich in einem Zylinder zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt auf und ab bewegt und die Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle übersetzt wird. Die Kraftstoffeinspritzung wird zu einem vorgebbaren Einspritzzeitpunkt durchgeführt, wobei der Einspritzzeitpunkt in Abhängigkeit von der Temperatur und der Motordrehzahl gesteuert werden kann.
Grundgedanke der Erfindung ist, durch Beeinflussung verschiedener Steuerungsparameter beim Starten der Verbrennungskraftmaschine eine Reduzierung der Partikelemissionen herbeizuführen. Einsprechende Versuche am Prüfstand haben dabei gezeigt, dass durch die Wahl einer geeigneten Einspritzstrategie, insbesondere der Wahl eines geeigneten Einspritzzeitpunktes diese Emissionen reduziert werden können.
Unter Berücksichtigung der Versuchsergebnisse ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoff-Direkteinspritzung beim Starten einer oben beschriebenen fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine derart ausgebildet, dass zur Reduzierung der Partikelemissionen der Einspritzzeitpunkt zumindest einer Einspritzung oder einer vorgegebenen Hauptmenge (z. B. 90%) der gesamten Einspritzmenge einer einzelnen Verbrennung bei Unterschreiten einer vorgebbaren Temperaturschwelle, insbesondere bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine, bei einem Kurbelwellenwinkel im Bereich um den unteren Totpunkt erfolgen muss. Diese partikelemissions-optimale Auslegung des Einspritzzeitpunkts sollte vorteilhafterweise beim Starten der Verbrennungskraftmaschine zumindest solange erfolgen, bis eine vorgegebene Drehzahlgrenze erreicht oder überschritten ist. Als relevanter Drehzahlbereich mit entsprechender Drehzahlgrenze kann bspw. ein Bereich von 0- ca. 850 Umdrehungen pro Minute vorgegeben werden.
Anhand der Messungen hat sich weiter gezeigt, dass der Einspritzzeitpunkt für jede Einspritzung abhängig von der Anzahl der Einspritzungen pro Verbrennung hinsichtlich einer partikeloptimalen Auslegung innerhalb unterschiedlicher definierte Einspritzzeitpunktbereiche bzw. Kurbelwellenwinkelbereiche zu erfolgen hat.
Vorteilhafterweise ist bei einer sog. Einfacheinspritzung einer einzelnen Verbrennung (d. h. für eine Verbrennung wird genau einmal eine definierte Menge an Kraftstoff eigenspritzt) der Einspritzzeitpunkt so zu wählen, dass er innerhalb eines Kurbelwellenwinkelbereichs von 230° bis 150° vor dem oberen Totpunkt, insbesondere bei 220° bis 150° vor dem oberen Totpunkt oder bei 230° bis 160° vor dem oberen Totpunkt oder bei 220° bis 160° vor dem oberen Totpunkt liegt. Die Grenzen des Kurbelwellenwinkelbereichs können hiervon auch im gewissen Maße abweichen, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Wesentlich ist jedoch stets, dass der Einspritzzeitpunkt im Bereich des untern Totpunktes liegt.
Wird für eine Verbrennung der Kraftstoff durch zwei oder mehrere Einspritzungen in den Brennkaum eingespritzt (sog. Zweifach- oder Mehrfacheinspritzung) sollte zumindest eine Einspritzung, idealerweise die erste Einspritzung oder alle bis auf die letzte Einspritzung im Bereich um den unteren Totpunkt zwischen Ansaughub und Kompressionshub erfolgen. Alternativ können aber auch alle Einspritzungen um den unteren Totpunkt vorgenommen werden. Als besonders vorteilhaft hat sich gezeigt, wenn bei zwei oder mehreren Einspritzungen zumindest die Hauptmenge (z. B. eine Einspritzmenge > 90% der Gesamteinspritzmenge) der Gesamteinspritzmenge im Bereich des unteren Totpunktes (insbesondere im Bereich von 230° bis 150° eingespritzt wird.
Vorteilhafterweise sollten bei einer sog. Zweifacheinspritzung die beiden Einspritzungen innerhalb folgender Einspritzzeitpunktbereiche bzw. Kurbelwellenwinkelbereiche erfolgen:

1. Einspritzung: 230° bis 170° vor dem oberen Totpunkt, insbesondere bei 220° bis 170° vor dem oberen Totpunkt oder bei 230° bis 175° vor dem oberen Totpunkt oder bei 220° bis 175° vor dem oberen Totpunkt.
2. Einspritzung: 210° bis 160° vor dem oberen Totpunkt, insbesondere bei 200° bis 160° vor dem oberen Totpunkt oder bei 210° bis 170° vor dem oberen Totpunkt oder bei 210° bis 170° vor dem oberen Totpunkt.

Bei einer sog. Mehrfacheinspritzung (3 oder mehr Einspritzungen) für eine Verbrennung sollten die entsprechenden Einspritzungen innerhalb folgender Einspritzzeitpunktbereiche bzw. Kurbelwellenwinkelbereiche erfolgen:

1. Einspritzung: 230° bis 170° vor dem oberen Totpunkt, insbesondere bei 220° bis 170° vor dem oberen Totpunkt oder bei 230° bis 175° vor dem oberen Totpunkt oder bei 220° bis 175° vor dem oberen Totpunkt.
2. Einspritzung: 210° bis 160° vordem oberen Totpunkt, insbesondere bei 200° bis 160° vor dem oberen Totpunkt oder bei 210° bis 170° vor dem oberen Totpunkt oder bei 210° bis 170° vor dem oberen Totpunkt.
3.-nte Einspritzung: 180° bis 120° vor dem oberen Totpunkt, insbesondere bei 170° bis 120° vor dem oberen Totpunkt oder bei 180° bis 130° vor dem oberen Totpunkt oder bei 170° bis 130° vor dem oberen Totpunkt erfolgt.

Auch bei diesen beispielhaft angegebenen Kurbelwellenwinkelbereichen sind geringe Abweichungen nach oben und unten zulässig, ohne den Schutzbereich zu verlassen.
Die Erfindung wird nun anhand nachfolgender Ausführungsbeispiele und den Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
1 ein schematisches Zeitdiagramm des Betriebs einer fremdgezündeten 4-Zylindrigen Brennkraftmaschine mit einer Einfach-Kraftstoff-Direkteinspritzung beim Starten der Brennkraftmaschine, und
2 ein schematisches Zeitdiagramm des Betriebs einer fremdgezündeten 4-Zylindrigen Brennkraftmaschine mit einer Mehrfach-Kraftstoff-Direkteinspritzung beim Starten der Brennkraftmaschine.
Im Detail zeigen die 1 und 2 für 4 Zylinder Z1, Z2, Z3 und Z4 der Brennkraftmaschine den jeweiligen Betriebsablauf über die Zeit, wobei die hier angegebene Zündreihenfolge Z1-Z2-Z3-Z4 nicht mit der physikalischen Zündreihenfolgen, wie sie bei 4-Zylinder Motoren üblich ist (z. B. Z1-Z3-Z4-Z2), übereinstimmt. Die einzelnen, verschieden markierten Segmente stellen jeweils einen bestimmten Arbeitstakt (Ansaugen, Verdichten, Arbeit, Ausschieben) dar. Zwischen den einzelnen Segmente befindet sich der jeweilige Kolben des Zylinders in einem oberen Totpunkt OT0 oder OT1 oder in einem unteren Totpunkt UT0 bzw. UT1, wobei mit OT1 der oberen Zünd-OT, bei dem die Zündung erfolgt, mit UT0 der unteren Totpunkt zwischen Arbeit und Ausschieben, mit OT0 der obere Totpunkt zwischen Ausschieben und Ansaugen, und mit UT1 der untere Totpunkt zwischen Ansaugen und Verdichten gekennzeichnet ist. Jeder Totpunkt OT0, UT0, OT1 und UT1 ist grundsätzlich einem bestimmten Kurbelwellenwinkel zugeordnet, welche über den Segmenten aufgetragen sind. Dabei steht bspw. 520°vOT1 für einen Kurbelwellenwinkel von 520° vor dem oberen Zünd-Totpunkt OT1.
Unter den jeweiligen Zylindersegmenten ist für jeden Zylinder Z1-Z4 ein dünner Balken aufgetragen, der die Einspritzung bzw. das Einspritzzeitfenster, innerhalb dessen die Einspritzung stattfindet, dargestellt. In der 1 ist der Einspritzzeitpunktbereich für eine Einfacheinspritzung dargestellt, wobei in 2 die Einspritzzeitpunktbereiche für eine Mehrfacheinspritzung dargestellt sind.
Grundsätzlich wird im Weiteren davon ausgegangen, dass die aktuelle Motortemperatur beim Starten der fremdgezündeten Brennkraftmaschine unter 18°C, insbesondere unter 15°C oder unter 0°C liegt.
Bei dem im 1 dargestellten Zeitdiagramm ist der Einspritzzeitpunkt beim Starten der Brennkraftmaschine (bis zum Erreichen eines Drehzahlgrenzwertes von ca. 850 U/min) für den ersten Zylinder Z1 (sowie auch für alle anderen Zylinder Z2, Z3 und Z4 entsprechend) wie folgt festgelegt:
230°–150° vordem oberen Totpunkt OT1 (1Z1E1, 1Z2E1, 1Z3E1, 1Z4E1)
Dieser Bereich kann auch kleiner gewählt werden, wobei bei einer Änderung des Einspritzzeitpunktbereichs weiterhin gewährleistet sein muss, der der anhand von Versuchen und unter Berücksichtigung aktueller Betriebsparameter der Brennkraftmaschine ermittelte tatsächliche Einspritzzeitpunkt im Bereich des unteren Totpunktes UT1 bleibt.
Da in der 2 die hier nicht dargestellte Brennkraftmaschine derart ausgelegt sein soll bzw. sich in einem entsprechenden Betriebspunkt befindet, dass der Kraftstoff für eine Verbrennung nicht mittels einer Einspritzung, sondern durch eine Mehrfach-Einspritzung (hier einer 3-fach-Einsprtzung erfolgen soll, sind die entsprechenden Einspritzzeitpunkte bzw. – definierten – Bereich nicht identisch mit denen der 1. Konkret sind in diesem Beispiel folgende Einspritzzeitpunkt-Bereiche für die einzelnen Einspritzungen des ersten Zylinders Z1 und auch die anderen Zylinder Z2-Z4 wie folgt definiert:

1. Einspritzung bei 230° bis 170° vor dem oberen Totpunkt OT1 (Z1E1, Z2E1, Z3E1, Z4E1),
2. Einspritzung bei 210° bis 160° vor dem oberen Totpunkt OT1 (Z1E2, Z2E2, Z3E2, Z4E2),
3. Einspritzung bei 180° bis 120° vor dem oberen Totpunkt OT1 (Z1E3, Z2E3, Z3E3, Z4E3).

Selbstverständlich können auch hier die Einspritzbereiche Z1E1, Z2E2, Z1E3, Z1E2, Z2E2, Z3E2, Z4E2, Z1E3, Z2E3, Z3E3 oder Z4E3 kleiner gewählt werden, wobei bei einer Änderung des Einspritzzeitpunktbereichs Z1E1, Z2E2, Z1E3, Z1E2, Z2E2, Z3E2, Z4E2, Z1E3, Z2E3, Z3E3 oder Z4E3 weiterhin gewährleistet sein muss, der der anhand von Versuchen und unter Berücksichtigung aktueller Betriebsparameter der Brennkraftmaschine ermittelte tatsächliche Einspritzzeitpunkt zumindest einer dieser 3 Einspritzungen im Bereich des unteren Totpunktes UT1 bleibt.
Durch eine derartige Ausgestaltung der Einspritzstrategie bzw. der maximal erlaubten Einspritzzeitpunktbereiche kann auf einfache Weise und ohne zu Lasten andere Erfordernisse sichergestellt werden, dass beim Starten der Verbrennungskraftmaschine bei niedrigen Motortemperaturen nur sehr geringe Partikelemissionen auftreten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10042551 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoff-Direkteinspritzung beim Starten einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine, wobei mindestens ein Kolben sich in einem Zylinder zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt auf und ab bewegt, die Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle übersetzt wird und eine Kraftstoffeinspritzung zu einem vorgebbaren Einspritzzeitpunkt durchgeführt wird und der Einspritzzeitpunkt in Abhängigkeit von der Temperatur gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzzeitpunkt (1Z1E1, 1Z2E1, 1Z3E1, 1Z4E1, Z1E1, Z2E2, Z1E3, Z1E2, Z2E2, Z3E2, Z4E2, Z1E3, Z2E3, Z3E3, Z4E3) zumindest einer Einspritzung oder einer vorgegebenen Hauptmenge der gesamten Einspritzmenge einer einzelnen Verbrennung bei Unterschreiten einer vorgebbaren Temperaturschwelle, insbesondere bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine, bei einem Kurbelwellenwinkel im Bereich um den unteren Totpunkt (UT1) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzzeitpunkt zumindest einer Einspritzung oder einer vorgegebenen Hauptmenge der gesamten Einspritzmenge einer einzelnen Verbrennung beim Starten der Verbrennungskraftmaschine solange im Bereich um den unteren Totpunkt (UT1) liegt, bis eine vorgegebene Drehzahlgrenze erreicht oder überschritten ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Einfacheinspritzung einer einzelnen Verbrennung der Einspritzzeitpunkt innerhalb eines Kurbelwellenwinkelbereichs von 230° bis 150° (1Z1E1, 1Z2E1, 1Z3E1, 1Z4E1) vor dem oberen Totpunkt (OT1), insbesondere bei 220° bis 150° vor dem oberen Totpunkt (OT1) oder bei 230° bis 160° vor dem oberen Totpunkt (OT1) oder bei 220° bis 160° vor dem oberen Totpunkt (OT1) liegt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Zweifacheinspritzung oder Mehrfacheinspritzung einer einzelnen Verbrennung zumindest zwei der Einspritzungen, vorteilhafterweise alle Einspritzungen im Bereich um den unteren Totpunkt (UT1) liegt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Zweifacheinspritzung oder Mehrfacheinspritzung einer einzelnen Verbrennung zumindest eine vorgegebenen Hauptmenge der gesamten Einspritzmenge im Bereich um den unteren Totpunkt (UT1) liegt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Zweifacheinspritzung einer einzelnen Verbrennung der Einspritzzeitpunkt für die erste Einspritzung zu einem definierten ersten Einspritzzeitpunkt, und der Einspritzzeitpunkt für die zweite Einspritzung zu einem definierten zweiten Einspritzzeitpunkt erfolgt, wobei der erste Einspritzzeitpunkt bei einer Zweifacheinspritzung innerhalb eines Kurbelwellenwinkelbereichs von 230° bis 170° vor dem oberen Totpunkt (OT1), insbesondere bei 220° bis 170° vor dem oberen Totpunkt (OT1) oder bei 230° bis 175° vor dem oberen Totpunkt (OT1) oder bei 220° bis 175° vor dem oberen Totpunkt (OT1) liegt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Zweifacheinspritzung einer einzelnen Verbrennung der Einspritzzeitpunkt für die erste Einspritzung zu einem definierten ersten Einspritzzeitpunkt, und der Einspritzzeitpunkt für die zweite Einspritzung zu einem definierten zweiten Einspritzzeitpunkt erfolgt, wobei der zweite Einspritzzeitpunkt bei einer Zweifacheinspritzung innerhalb eines Kurbelwellenwinkelbereichs von 210° bis 160° vor dem oberen Totpunkt (OT1), insbesondere bei 200° bis 160° vor dem oberen Totpunkt (OT1) oder bei 210° bis 170° vor dem oberen Totpunkt (OT1) oder bei 210° bis 170° vor dem oberen Totpunkt (OT1) liegt.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Mehrfacheinspritzung einer einzelnen Verbrennung der Einspritzzeitpunkt für die erste Einspritzung zu einem definierten ersten Einspritzzeitpunkt, der Einspritzzeitpunkt für die zweite Einspritzung zu einem definierten zweiten Einspritzzeitpunkt erfolgt und der Einspritzzeitpunkt für die dritte und jede weitere Einspritzung zu einem definierten dritten Einspritzzeitpunkt erfolgt, wobei der erste Einspritzzeitpunkt bei einer Mehrfacheispritzung innerhalb eines Kurbelwellenwinkelbereichs von 230° bis 170° (Z1E1, Z2E1, Z3E1, Z4E1) vordem oberen Totpunkt (OT1), insbesondere bei 220° bis 170° vor dem oberen Totpunkt (OT1) oder bei 230° bis 175° vor dem oberen Totpunkt (OT1) oder bei 220° bis 175° vor dem oberen Totpunkt (OT1) liegt.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Mehrfacheinspritzung einer einzelnen Verbrennung der Einspritzzeitpunkt für die erste Einspritzung zu einem definierten ersten Einspritzzeitpunkt, der Einspritzzeitpunkt für die zweite Einspritzung zu einem definierten zweiten Einspritzzeitpunkt erfolgt und der Einspritzzeitpunkt für die dritte und jede weitere Einspritzung zu einem definierten dritten Einspritzzeitpunkt erfolgt, und wobei der zweite Einspritzzeitpunkt bei einer Mehrfacheinspritzung innerhalb eines Kurbelwellenwinkelbereichs von 210° bis 160° (Z1E2, Z2E2, Z3E2, Z4E2) vor dem oberen Totpunkt (OT1), insbesondere bei 200° bis 160° vor dem oberen Totpunkt (OT1) oder bei 210° bis 170° vor dem oberen Totpunkt (OT1) oder bei 210° bis 170° vor dem oberen Totpunkt (OT1) liegt.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Mehrfacheinspritzung einer einzelnen Verbrennung der Einspritzzeitpunkt für die erste Einspritzung zu einem definierten ersten Einspritzzeitpunkt, der Einspritzzeitpunkt für die zweite Einspritzung zu einem definierten zweiten Einspritzzeitpunkt erfolgt und der Einspritzzeitpunkt für die dritte und jede weitere Einspritzung zu einem definierten dritten Einspritzzeitpunkt erfolgt, und wobei der dritte Einspritzzeitpunkt bei einer Mehrfacheinspritzung innerhalb eines Kurbelwellenwinkelbereichs von 180° bis 120° (Z1E3, Z2E3, Z3E3, Z4E3) vor dem oberen Totpunkt (OT1), insbesondere bei 170° bis 120° vor dem oberen Totpunkt (OT1) oder bei 180° bis 130° vor dem oberen Totpunkt (OT1) oder bei 170° bis 130° vor dem oberen Totpunkt (OT1) liegt.