DE102015222854A1

DE102015222854A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102015222854A1
Application number: DE102015222854.1A
Authority: DE
Inventors: Udo Schulz; Timm Hollmann; Rainer Ecker; Thomas Kuhn; Claus Wundling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-19
Filing date: 2015-11-19
Publication date: 2017-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Kraftstoffeinspritzsystem, welches mindestens ein erstes Einspritzventil für eine Direkteinspritzung und mindestens ein zweites Einspritzventil für eine Saugrohreinspritzung aufweist. Eine Aufteilung (A) einer Kraftstoffeinspritzung auf die Direkteinspritzung und die Saugrohreinspritzung erfolgt in Abhängigkeit von einer Wandtemperatur eines Kolbens des Verbrennungsmotors, in den die Kraftstoffeinspritzung erfolgen soll.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um mindestens das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Stand der Technik
Im Rahmen der europäischen Gesetzgebungsnorm EURO6 werden bei Kraftfahrzeugen mit direkteinspritzendem Ottomotor die Rußpartikelanzahl und die Kohlenwasserstoffemissionen im Abgas limitiert. Daher gilt es die innermotorischen Partikelquellen und Kohlenwasserstoffemissionsquellen zu eliminieren oder soweit wie möglich zu verringern.
Wird Kraftstoff direkt in einen kalten Brennraum eingespritzt, so kommt es aufgrund des Effektes, dass das Einspritzsystem und das Luftsystem eines Verbrennungsmotors auf eine schnell angeforderte Motorlast schneller reagieren, als die Mechanikteile im Brennraum, die auf einem niedrigeren Temperaturniveau vor der Lastanforderung als einige Zeit nach der Lastanforderung sind, zu Kraftstoffablagerungs-, Kondensations- und Verkokungs-Effekten im Brennraum. Diese treten vor allem auf der Kolbenoberfläche auf. Sie zeigen sich in einem Peak von Rußemissionen und/oder Kohlenwasserstoffkonzentrationen im Abgas. Bei kaltem Motor kommt es ebenfalls zu diesen Effekten der Brennraumwandbenetzung, vor Allem zu Kolbenoberflächenbenetzungen.
Auch von an den Kraftstoff anpassungsfähigen Fahrzeug (Flexible Fuel Vehicle; FFV) können hohe Emissionen ausgehen. Hierbei handelt es sich um Fahrzeuge, die mit Benzin den Alkoholen Methanol und Ethanol sowie beliebigen Mischungen dieser drei Kraftstoffe betrieben werden können. Der Begriff des FFV ist klar abzugrenzen zu einem Fahrzeug mit einem Vielstoffmotor, der verschiedenste Kraftstoffe verbrennt sowie zu Motoren, die mit Dieselkraftstoff oder Biodiesel betrieben werden. Der Sinn des FFV-Konzepts besteht darin, eine vorzugsweise Verwendung von Alkoholen, insbesondere von Bioalkoholen zu ermöglichen, wobei bei deren zeitlicher oder regional begrenzter Nicht-Verfügbarkeit ebenfalls ein Benzinbetrieb möglich ist. Daher bleibt im Gegensatz zu reinen Alkoholfahrzeugen die Mobilität für den Fahrzeugbetreiber gewährleistet.
Sowohl Methanol- als auch Ethanolkraftstoffe enthalten einen Zusatz von 15 % spezieller leicht flüchtiger Kohlenwasserstoffe oder im einfachsten Fall von Benzin. Dieser Zusatz dient hauptsächlich der Verbesserung der bei reinen Alkoholen kritischen Kaltstart- und Kaltlaufeigenschaften unterhalb einer Temperatur von etwa 15°C sowie aus Sicherheitsgründen der Verschiebung der oberen Explosionsgrenzen. Bei reinen Alkoholen kann es unter bestimmten Bedingungen zur Entzündung von Kraftstoffdampf im Tank kommen. Die Alkoholkonzentration in Kraftstoffen kann sich saisonal unterscheiden. Um einen Kaltstart bei tiefen Temperaturen zu gewährleisten, wird die übliche maximale Ethanolkonzentration von 85 % im Sommer im Winter auf bis zu 50 % reduziert.
Die Sensierung der Ethanolkonzentration im Kraftstoff wird üblicherweise mit einem Ethanolsensor im Kraftstofftank realisiert. Alternativ können anstelle des Einsatzes eines Ethanolsensors in adaptiven Systemen die Daten einer Lambdasonde zur Erkennung der Kraftstoffgemischzusammensetzung herangezogen werden.
Zur Verringerung der Rußpartikelanzahl können Ottomotoren eingesetzt werden, deren Kraftstoffeinspritzsystem sowohl ein Einspritzventil für die Direkteinspritzung als auch ein Einspritzventil für die Saugrohreinspritzung aufweist. Solche Kraftstoffeinspritzsysteme werden als Dualsysteme oder als PDI-Systeme bezeichnet. Sie ermöglichen die Nutzung der Vorteile beider Einspritzarten für eine optimale Gemischbildung und Verbrennung. In Volllast und Dynamik des Motors ist die Nutzung der Direkteinspritzung vorteilhafter, um Klopfen zu vermeiden. In Teillast ist eine Saugrohreinspritzung vorteilhafter, um die Rußpartikelanzahl und den Kohlenwasserstoffgehalt, der bei der Verbrennung erzeugten Abgase zu verringern.
Offenbarung der Erfindung
Das Verfahren dient zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Kraftstoffeinspritzsystem, welches mindestens ein erstes Einspritzventil für eine Direkteinspritzung und mindestens ein zweites Einspritzventil für eine Saugrohreinspritzung aufweist. Eine Aufteilung einer Kraftstoffeinspritzung auf die Direkteinspritzung und die Saugrohreinspritzung erfolgt in Abhängigkeit von einer Wandtemperatur eines Kolbens des Verbrennungsmotors, in den die Kraftstoffeinspritzung erfolgen soll.
Die Bildung von Ruß- und Kohlenwasserstoffemissionen beruht zu einem wesentlichen Anteil auf Kondensations- und Benetzungsprozessen von Brennraumoberflächen. Dies führt zu Ablagerungen von flüssigem Kraftstoff an insbesondere der Kolbenoberfläche. Ist die Kolbenoberfläche so heiß, dass ein Großteil oder der gesamte auf der Oberfläche befindliche flüssige Kraftstoff schon vor der Verbrennung im Arbeitstakt wieder abdampfen kann, so nimmt der nun dampfförmige Kraftstoff an der Hauptverbrennung teil. Im Falle einer zu geringen Kolbentemperatur kann der flüssige Kraftstoff auf der Oberfläche hingegen nicht an der Hauptverbrennung teilnehmen. Es entsteht durch den zusätzlichen Wärmeeintrag aus der Hauptverbrennung eine kurzzeitige Kolbenoberflächentemperaturerhöhung. Dies führt zu einem Abdampfen des flüssigen Kraftstoffs erst nach der Hauptverbrennung. Der dabei freigesetzte Kraftstoffdampf kann nicht mehr an der Hauptverbrennung teilnehmen, da der Sauerstoff im Brennraum bereits bei der Hauptverbrennung umgesetzt wurde. Wenn der freiwerdende Kraftstoffdampf mit den jetzt sehr heißen Abgasen unter Sauerstoffmangel in Kontakt kommt liegen ideale Bedingungen für eine Rußpartikelbildung vor. Um eine Benetzung aufgrund von zu weitem Eindringen von Kraftstoffspray aus einer Direkteinspritzung zu vermeiden, wird die Aufteilung vorzugsweise gegenüber einer für einen betriebswarmen Verbrennungsmotor vorgegebenen Aufteilung zu einem höheren Anteil der Saugrohreinspritzung verschoben, wenn die Kolbentemperatur unter einer Kolbentemperatur des betriebswarmen Verbrennungsmotor liegt. Hierdurch kann eine Brennraumoberflächenbenetzung ganz oder teilweise vermieden werden.
Die Wandtemperatur kann direkt oder indirekt sensiert werden oder mittels physikalischer oder numerischer Modelle ermittelt werden. Bevorzugt ist die Wandtemperatur allerdings eine prädiktiv ermittelte zukünftige Wandtemperatur. Damit werden Emissionsspitzen bereits im Vorfeld ganz oder teilweise unterdrückt. Die Prädiktion kann beispielsweise auf der Grundlage von Lastanforderungen im Steuergerät des Verbrennungsmotors erfolgen.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Aufteilung in Abhängigkeit von einem Alkoholgehalt des eingespritzten Kraftstoffs erfolgt. Die Verdampfungsenthalpie von Ethanol (904 kJ/kg) ist ungefähr doppelt so groß wie die Verdampfungsenthalpie von Benzin, die im Bereich von 380 bis 500 kJ/kg liegt. Zur Verdampfung von ethanolreichen Kraftstoffmischungen wird daher erheblich mehr Wärme benötigt als zur Verdampfung von benzinreichen Kraftstoffen. Ein erhöhter Ethanolgehalt führt deshalb zu erhöhten Anforderungen an den Betrieb des Verbrennungsmotors, insbesondere beim Kaltstart unterhalb von 10 °C, was auch zu einer erhöhten Brennraumwandfilmbildung im Kaltbetrieb führen kann.
Die Aufteilung wird deshalb besonders bevorzugt gegenüber einer für einen Referenzkraftstoff vorgegebenen Aufteilung zu einem höheren Anteil der Saugrohreinspritzung verschoben, wenn der Alkoholgehalt des eingespritzten Kraftstoffs über dem Alkoholgehalt des Referenzkraftstoffs liegt. Hierdurch kann die Wandfilmbildung verringert oder vermieden werden. Der Referenzkraftstoff enthält insbesondere maximal 5 Vol.% Alkohole.
Es ist bevorzugt, dass die Aufteilung nach einem Lastsprung von niedrigen zu erhöhten Motorlasten des Verbrennungsmotors zu einem höheren Anteil der Saugrohreinspritzung verschoben wird. Ein solcher Lastsprung führt zu einer erhöhten Einspritzmenge, während die Brennraumwand für eine Aufheizzeit unter der Temperatur liegt, die notwendig wäre, um den Verbrennungsmotor mit einem herkömmlichen Verhältnis zwischen Direkteinspritzung und Saugrohreinspritzung zu betreiben. Mit Ansteigen der Temperatur kann die Aufteilung dann wieder zu einem geringeren Anteil der Saugrohreinspritzung verschoben werden. Dies erfolgt in Abhängigkeit der Wandtemperatur in einer Ausführungsform des Verfahrens stufenweise und in einer anderen Ausführungsform rampenförmig.
Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens auf einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Dazu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das erfindungsgemäße elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, einen Verbrennungsmotor mittels des Verfahrens zu betreiben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt schematisch einen Teil eines Verbrennungsmotors, der mit einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung betrieben werden kann sowie das Kraftstoffeinspritzsystem des Verbrennungsmotors.
2 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf der Motorlast, der Aufteilung der Einspritzmenge und der Partikelkonzentration im Abgas in einem herkömmlichen Verfahren zum Betreiben des Verbrennungsmotors.
3 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf der Motorlast, der Aufteilung der Einspritzmenge und der Partikelkonzentration im Abgas in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf der Motorlast und der Aufteilung der Einspritzmenge in einem Verfahren gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf der Motorlast und der Aufteilung der Einspritzmenge in einem Verfahren gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
6 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf der Motorlast und der Aufteilung der Einspritzmenge in einem Verfahren gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsbeispiel der Erfindung
Ein Verbrennungsmotor 1, der als Ottomotor ausgeführt ist, weist mehrere Zylinder 10 auf, von denen einer schematisch in 1 dargestellt ist. In dem Zylinder 10 ist ein Kolben 11 angeordnet, der mit einer Kurbelwelle 12 des Verbrennungsmotors 1 verbunden ist. Der Zylinder 10 verfügt über ein Einlassventil 13 und ein Auslassventil 14. Das Einlassventil 13 verbindet den Innenraum des Zylinders 10 mit einem Saugrohr 15 des Verbrennungsmotors 1, und das Auslassventil 14 verbindet den Innenraum des Zylinders 10 mit dem Abgasstrang des Verbrennungsmotors 1. Ein erstes Einspritzventil 16 für die Direkteinspritzung von Kraftstoff ist als Hochdruckeinspritzventil ausgeführt, das im Innenraum des Zylinders 10 endet. Ein zweites Einspritzventil 17 für die Saugrohreinspritzung von Kraftstoff ist im Saugrohr 15 angeordnet. Die beiden Einspritzventile 16, 17 werden von einem Kraftstoffeinspritzsystem 2 mit Kraftstoff versorgt. Ein Kraftstofftank 20, in dem ein Ethanolsensor 201 angeordnet ist, ist zur Bevorratung des Kraftstoffs 21 vorgesehen. Dieser ist über eine Kraftstoffleitung 22 mit den beiden Einspritzventilen 16, 17 verbunden. In der Kraftstoffleitung 22 sind nacheinander eine elektrische Kraftstoffpumpe 23 und eine Hochdruckpumpe 24 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 1 und das Kraftstoffeinspritzsystem 2 werden von einem elektronischen Steuergerät 3 gesteuert.
Bei einem herkömmlichen Betrieb des Verbrennungsmotors 1 bleibt die Aufteilung A zwischen Direkteinspritzung DI und Saugrohreinspritzung PFI bei einem sprunghaften Ansteigen der Motorlast L unverändert. Dies führt dazu, dass die Partikelemissionen P im Abgas bei dem Lastsprung sprunghaft ansteigen und dann erst mit der Zeit t wieder abnehmen, wenn sich der Zylinder 10 aufheizt. Dies ist in 2 dargestellt.
In einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Aufteilung A bei dem Lastsprung Richtung erhöhter Motorlast und der daraus prädiktierten für die bevorstehende Motorlast zu niedrigen Wandtemperatur des Kolbens 10 zu einem größeren Anteil der Saugrohreinspritzung hin verschoben. Dies führt gegenüber der herkömmlichen Betriebsstrategie zu einer verringerten Wandfilmbildung und damit zu den in 3 gezeigten geringeren Partikelemissionen P. Falls mittels des Ethanolsensors 201 ein Ethanolgehalt im Kraftstoff 21 detektiert wird, welcher über dem eines ethanolfreien Referenzkraftstoffs liegt, für den in einer Grundapplikation des Verbrennungsmotors 1 eine optimale Aufteilung A ermittelt wurde, so wird die Aufteilung A zu einem noch größeren Anteil der Saugrohreinspritzung hin verschoben. Diese Aufteilung ist in 3 als A(Et) bezeichnet.
Um auf den besonders großen Unterschied zwischen der angeforderten Last und der dafür optimalen Kolbentemperatur unmittelbar nach einem Lastsprung zu reagieren sieht ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, die Aufteilung A nach dem Lastsprung zunächst zu einem besonders hohen Anteil der Saugrohreinspritzung zu verschieben und sie dann mit steigender Wandtemperatur rampenförmig auf das Niveau zurückzuführen, welches in dem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens für die Dauer der erhöhten Lastanforderung vorgesehen ist. Dies wird in 4 gezeigt.
5 zeigt, wie in einem dritten Ausführungsbeispiel das Zurückführen der Aufteilung A nicht rampenförmig, sondern in einer einzigen Stufe erfolgen kann.
In einem vierten Ausführungsbeispiel, das in 6 gezeigt ist erfolgt das Zurückführen der Aufteilung A in zwei Stufen.
Auch im zweiten bis vierten Ausführungsbeispiel wird bei einem erhöhten Ethanolgehalt des Kraftstoffs 21 die Aufteilung A zu einem noch größeren Anteil der Saugrohreinspritzung hin verschoben.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1) mit einem Kraftstoffeinspritzsystem (2), welches mindestens ein erstes Einspritzventil (16) für eine Direkteinspritzung und mindestens ein zweites Einspritzventil (17) für eine Saugrohreinspritzung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufteilung (A) einer Kraftstoffeinspritzung auf die Direkteinspritzung und die Saugrohreinspritzung in Abhängigkeit von einer Wandtemperatur eines Kolbens (10) des Verbrennungsmotors (1) erfolgt, in den die Kraftstoffeinspritzung erfolgen soll.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandtemperatur eine prädiktiv ermittelte zukünftige Wandtemperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung (A) gegenüber einer für einen betriebswarmen Verbrennungsmotor (1) vorgegebenen Aufteilung (A) zu einem höheren Anteil der Saugrohreinspritzung verschoben wird, wenn die Kolbentemperatur unter einer Kolbentemperatur des betriebswarmen Verbrennungsmotor (1) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung (A) in Abhängigkeit von einem Alkoholgehalt des eingespritzten Kraftstoffs erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung (A) gegenüber einer für einen Referenzkraftstoff vorgegebenen Aufteilung (A) zu einem höheren Anteil der Saugrohreinspritzung verschoben wird, wenn der Alkoholgehalt des eingespritzten Kraftstoffs über dem Alkoholgehalt des Referenzkraftstoffs liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung (A) nach einem Lastsprung von geringeren zu erhöhten Lasten des Verbrennungsmotors (1) zu einem höheren Anteil der Saugrohreinspritzung verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung (A) nach dem Lastsprung stufenweise in Abhängigkeit der Wandtemperatur zu einem geringeren Anteil der Saugrohreinspritzung verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung (A) nach dem Lastsprung rampenförmig in Abhängigkeit der Wandtemperatur zu einem geringeren Anteil der Saugrohreinspritzung verschoben wird.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät (3), welches eingerichtet ist, einen Verbrennungsmotor (1) mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zu betreiben.