DE102015223864A1

DE102015223864A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit dualer Kraftstoffeinspritzung

Info

Publication number: DE102015223864A1
Application number: DE102015223864.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kuhn; Claus Wundling; Timm Hollmann; Udo Schulz; Rainer Ecker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-01
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2017-06-01
Also published as: CN106979090A; CN106979090B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer dualen, saugrohrbasierten Kraftstoffzumessung sowie einer direkten Kraftstoffzumessung, wobei die bei der saugrohrbasierten Kraftstoffzumessung und bei der direkten Kraftstoffzumessung jeweils benötigte Kraftstoffmenge anhand einer Kraftstoffaufteilung berechnet wird (415), und mit einer Abgasrückführung (560), mittels der bei der Verbrennung gebildetes Restgas über einen Einlasskanal (535) eines Saugrohres (505) der Brennkraftmaschine erneut zugeführt wird, und wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Temperatur des Einlasskanals (535) und/oder die Temperatur zugehöriger Komponenten des Einlasskanals (535) bzw. des Saugrohres (505) erfasst oder ermittelt wird (431, 432) und dass bei Überschreiten eines empirisch vorgebbaren Schwellenwertes (433) der erfassten bzw. ermittelten Temperatur die Kraftstoffaufteilung zu einer anteilig höheren saugrohrbasierten Kraftstoffzumessung hin verschoben wird (434).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit dualer Kraftstoffzumessung, gemäß den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm, ein maschinenlesbarer Datenträger zur Speicherung des Computerprogramms und ein elektronisches Steuergerät, mittels derer das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
Stand der Technik
Bei einer hier betroffenen dualen Kraftstoffzumessung werden eine Saugrohreinspritzung und eine Direkteinspritzung bei der Kraftstoffzumessung einer Brennkraftmaschine gekoppelt bzw. parallel betrieben. Aus der Praxis ist es bekannt, dass eine solche Brennkraftmaschine als Dualsystem ausgebildet sein kann, in dessen Mischbetrieb Kraftstoff zu einem Zylinder der Brennkraftmaschine parallel mittels einer Saugrohreinspritzung (SRE) und mittels einer Brennstoff- bzw. Kraftstoffdirekteinspritzung (BDE) gemäß einem Aufteilungsmaß zuführbar ist. Dabei gibt das Aufteilungsmaß eine Aufteilung des Kraftstoffs in eine Kraftstoffmenge, die zum Zylinder mittels der Saugrohreinspritzung zuführbar ist, und in eine weitere Kraftstoffmenge an, die zum Zylinder mittels der Kraftstoffdirekteinspritzung zuführbar ist.
Beispielsweise ist in DE 10 2010 039 434 A1 beschrieben, dass das Aufteilungsmaß einer Brennkraftmaschine in einem genannten Mischbetrieb unter Berücksichtigung eines Betriebspunktes, z.B. einer Last und/oder einer Drehzahl, bestimmt wird. So erlaubt ein solcher Mischbetrieb mit jeweils einem gezielt umgesetzten Aufteilungsmaß, einen für unterschiedliche Betriebsbedingungen optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine zu bewerkstelligen. Durch die Nutzung der Vorteile beider Einspritzarten wird eine optimale Gemischbildung und Verbrennung ermöglicht. So ist die BDE vorteilhafter bei einem dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine oder einem Betrieb unter Volllast, da hierdurch das an sich bekannte „Klopfen“ vermieden werden kann. Andererseits wird bei der SRE in einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine vorteilhaft die Abgasbelastung mit Partikeln und/oder Kohlenwasserstoffen (HC) verringert.
Es sind ferner Brennkraftmaschinen bekannt geworden, bei denen bei der Verbrennung gebildetes Restgas mittels einer Abgasrückführung (AGR) der Brennkraftmaschine erneut zugeführt wird. Dabei unterscheidet man zwischen internem Restgas (interne Abgasrückführung), welches nach der Verbrennung im oberen Totraum eines jeweiligen Zylinders verbleibt oder bei gleichzeitig offenen Einlass- und Auslassventilen in ein genanntes Saugrohr zurückgesaugt wird und beim nachfolgenden Arbeitstakt wieder in den jeweiligen Brennraum strömt, sowie externem Restgas (externe Abgasrückführung), das über ein Abgasrückführventil in das Saugrohr eingeleitet wird. Dieses Restgas besteht aus Inertgas und im Magerbetrieb der Brennkraftmaschine, d.h. bei Luftüberschuss, aus nicht verbrannter Luft. Der Inertgasanteil verlangsamt den Verlauf der Verbrennung und verursacht damit niedrigere Verbrennungsendtemperaturen. Dadurch kann mittels des Restgasanteils die Emission von Stickoxiden (NOx) reduziert werden, obwohl ein Dreiwegekatalysator bei Luftüberschuss Stickoxide an sich nicht reduzieren kann.
Auch treten sog. „Drosselverluste“ auf, wenn in der Ansaugphase der Brennkraftmaschine der Saugrohrdruck kleiner als der Umgebungsdruck und insbesondere kleiner als der Druck in einem Kolbenrückraum ist, da der jeweilige Kolben gegen diese Druckdifferenz arbeiten muss. Darüber hinaus treten sog. „Ausschiebeverluste“ auf, wenn bei hohen Drehzahlen und Lasten beim Ausstoßen des verbrannten Gases während der Aufwärtsbewegung des Kolbens im Brennraum ein Staudruck entsteht, gegen den der Kolben Arbeit aufwänden muss, um diesen Staudruck zu überwinden. Die genannten Drosselverluste können bekanntermaßen im BDE-Betrieb, und zwar bei Vorliegen eines Schichtbetriebs bei ganz geöffneter Drosselklappe oder im homogenen Betrieb mit einem Kraftstoffdampf-Luft-Verhältnis bzw. einem entsprechenden Lambdawert von <= 1, durch den Einsatz einer hohen bzw. erhöhten Abgasrückführung reduziert werden, da dann der Saugrohrdruck höher ist und dadurch die über dem Kolben anliegende Druckdifferenz geringer ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Kraftstoffaufteilung bei einer hier betroffenen dualen Kraftstoffzumessung einer Brennkraftmaschine mit einer internen und/oder externen Abgasrückführung. Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass verbranntes Abgas bzw. Kraftstoff/Luft-Gemisch Wasserdampf und CO₂ enthält. Dadurch steigt die Wärmekapazität des Abgases, verglichen mit der Umgebungsluft, erheblich an. Daher führt in das Saugrohr geleitetes, heißes Abgas dem Ansaugkanal einen hohen Wärmestrom zu. Dadurch werden die Saugrohrinnenwände relativ schnell auf hohe Temperaturen aufgeheizt.
Bei einer hier betroffenen, eine Abgasrückführung aufweisenden Brennkraftmaschine kommt es nun bei einer genannten internen Abgasrückführung auch zu einer sehr starken Erwärmung des Einlasskanals, da sich in diesem Fall die Steuerzeiten der Ein- und Auslassventile so überschneiden, dass eine Abgasrückspülung bis in den Einlasskanal erfolgt. Andererseits kann es bei einer genannten externen Abgasrückführung ebenfalls zu einer unzulässig hohen Erwärmung des Ansaugkanals kommen, die lediglich durch eine Abkühlung des Abgasstroms im AGR-Kanal vermindert wird.
Bei beiden genannten Arten der Abgasrückführung kann es daher zu einer Überschreitung von zulässigen Temperaturen des Ansaugtraktes, z.B. des bei heutigen Brennkraftmaschinen üblicherweise aus Kunststoff gebildeten Saugrohres sowie von Anbauteilen des Ansaugtraktes kommen, was im Ergebnis zur Beeinträchtigung oder sogar zu Beschädigungen solcher Komponenten führen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt daher vor, die Temperatur des Einlasskanals und/oder zugehöriger Komponenten zu messen bzw. zu überwachen und bei Überschreiten eines empirisch vorgebbaren Schwellenwertes dieser Temperatur das genannte Aufteilungsmaß bzw. einen entsprechenden Aufteilungsfaktor hin zu relativ höherer SRE-Menge zu verschieben. Die Größe der Verschiebung des Aufteilungsfaktors kann dabei von dem Ausmaß der Temperaturüberschreitung abhängig gemacht werden. Wird der genannte Schwellenwert der Temperatur wieder unterschritten, kann der Aufteilungsfaktor wieder auf den vor der Verschiebung vorgelegenen Wert zurückgestellt werden.
Durch die zusätzlich über den SRE-Pfad zugemessene Kraftstoffmenge wird die Verdampfungsenthalpie dieses Kraftstoffs zur gezielten Kühlung der Komponenten des Ansaugtraktes genutzt und dadurch die genannten, unzulässiger Weise zu hohen Temperaturen dieser Komponenten wirksam verhindert.
Durch die vorgeschlagene Anpassung bzw. Verschiebung des Aufteilungsfaktors ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren daher einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Komponentenschutz insbesondere von Komponenten des Ansaugtraktes einer hier betroffenen Brennkraftmaschine mit dualer Kraftstoffzumessung bei der Nutzung einer internen und/oder externen Abgasrückführung.
Im Ergebnis wird, neben einem Mischbetrieb mit fixem Mischungsverhältnis, auch ein gegenüber dem Stand der Technik wesentlich betriebssicherer dynamischer bzw. variabler Mischbetrieb mit einem in der genannten Weise sich ändernden Mischungsverhältnis der beiden Kraftstoffzumesssysteme möglich. Die dafür erforderliche Berechnung des über zwei Kraftstoffzumesspfade jeweils zugemessenen Kraftstoffs erfolgt bevorzugt gesteuert auf der Grundlage der genannten Temperaturwerte bzw. dem genannten Schwellenwert.
Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer dualen, saugrohrbasierten Kraftstoffzumessung sowie einer direkten Kraftstoffzumessung, wobei die bei der saugrohrbasierten Kraftstoffzumessung und bei der direkten Kraftstoffzumessung jeweils benötigte Kraftstoffmenge anhand einer Kraftstoffaufteilung berechnet wird, und mit einer Abgasrückführung, mittels der bei der Verbrennung gebildetes Restgas über einen Einlasskanal eines Saugrohres der Brennkraftmaschine erneut zugeführt wird, ist insbesondere vorgesehen, dass die Temperatur des Einlasskanals des Saugrohres und/oder die Temperatur zugehöriger Komponenten des Einlasskanals bzw. des Saugrohres z.B. mittels eines vor einem genannten Einlassventil angeordneten Temperaturfühlers erfasst oder rechnerisch ermittelt wird bzw. werden und dass bei Überschreiten eines empirisch vorgebbaren Schwellenwertes der wenigstens einen so erfassten bzw. so ermittelten Temperatur die Kraftstoffaufteilung zu einer anteilig höheren saugrohrbasierten Kraftstoffzumessung hin verschoben wird.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Größe der genannten Verschiebung der Kraftstoffaufteilung von dem Ausmaß der Temperaturüberschreitung des vorgebbaren Schwellenwertes abhängig gemacht wird, wodurch die genannte Schutzwirkung der Komponenten des Ansaugtraktes verbessert wird.
Weiter kann vorgesehen sein, dass nach einer erfassten Überschreitung geprüft wird, ob der Schwellenwert der Temperatur wieder unterschritten wird und dass bei erfasster Unterschreitung des Schwellenwertes die Kraftstoffaufteilung wieder auf den vor der Verschiebung vorgelegenen Wert zurückgestellt wird. Dadurch wird ein vollständiger Prozess zur Steuerung oder Regelung eines hier betroffenen dualen Kraftstoffzumesssystems ermöglicht.
Anhand der erfindungsgemäß verschobenen Kraftstoffaufteilung kann eine anteilige, für die direkte Kraftstoffzumessung zur Verfügung stehende Kraftstoffmenge berechnet werden und bei einer nachfolgend durchgeführten direkten Kraftstoffzumessung zugrunde gelegt werden.
Bei Nichtvorhandensein eines genannten, vor dem Einlassventil angeordneten Temperaturfühlers kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass die Temperatur des Einlasskanals des Saugrohres und/oder die Temperatur zugehöriger Komponenten des Einlasskanals bzw. des Saugrohres anhand der Temperatur des mittels der Abgasrückführung rückgeführten Abgases indirekt ermittelt wird. Die jeweilige Temperatur kann insbesondere aus der Abgastemperatur am Auslass der Brennkraftmaschine und/oder vor oder nach einem Turbolader oder einem Ladeluftkühler berechnet werden, wobei eine Modellrechnung bezüglich der Temperaturverteilung in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine zugrunde gelegt wird.
Die erfindungsgemäße Berechnung der beiden Kraftstoffmengen für die saugrohrbasierte Kraftstoffzumessung und für die direkte Kraftstoffzumessung wird bevorzugt für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine durchgeführt, und zwar sequenziell bzw. nacheinander.
Die Erfindung kann insbesondere in einem hier betroffenen dualen Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zur Anwendung kommen. Darüber hinaus ist auch eine Anwendung bei im industriellen Bereich, z.B. in der chemischen Verfahrenstechnik eingesetzten Brennkraftmaschinen mit einer solchen dualen Kraftstoffeinspritzung möglich.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, ohne an diesem bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist der maschinenlesbare Datenträger vorgesehen, auf welchem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist. Durch Aufspielen des erfindungsgemäßen Computerprogramms auf ein elektronisches Steuergerät wird das erfindungsgemäße elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um eine hier betroffene duale Kraftstoffzumessung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu steuern.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer dualen Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine vierzylindrige Brennkraftmaschine, gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt schematisch den zeitlichen Ablauf von Kraftstoffeinspritzungen bei einer Kraftstoff-Saugrohreinspritzung, gemäß dem Stand der Technik.
3 zeigt schematisch den zeitlichen Ablauf von Kraftstoffeinspritzungen bei einer Kraftstoff-Direkteinspritzung, gemäß dem Stand der Technik.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Flussdiagramms.
5 zeigt ein Abgasrückführsystem einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar bzw. einsetzbar ist.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die in 1 gezeigte Brennkraftmaschine weist vier Zylinder 11 auf, die von einem Zylinderkopf 12 abgedeckt sind. Der Zylinderkopf 12 begrenzt in jedem Zylinder 11 zusammen mit einem hier nicht dargestellten, im Zylinder 11 geführten Hubkolben einen Brennraum 13, der eine von einem nicht gezeigten Einlassventil 14 gesteuerte ebenfalls nicht gezeigte Einlassöffnung 15 aufweist. Die Einlassöffnung 15 bildet dabei die Mündung eines den Zylinderkopf 12 durchdringenden ebenfalls hier nicht gezeigten Einlasskanals 16.
Die gezeigte Kraftstoffeinspritzvorrichtung umfasst einen Luftströmungsweg 18 zum Zuführen von Verbrennungsluft zu den Brennräumen 13 der Zylinder 11, der endseitig voneinander getrennte, zu den einzelnen Einlasskanälen 16 führende Strömungskanäle 17 aufweist. Zudem sind eine erste Gruppe von Kraftstoffeinspritzventilen 19, die Kraftstoff direkt in jeweils einen Brennraum 13 der Zylinder 11 einspritzen, sowie eine zweite Gruppe von Kraftstoffeinspritzventilen 20, die Kraftstoff in die Strömungskanäle 17 einspritzen, angeordnet.
Die erste Gruppe von Kraftstoffeinspritzventilen 19, welche direkt in die Zylinder 11 einspritzen, wird von einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 21 versorgt, während die zweite Gruppe der Kraftstoffeinspritzventile 20, welche in die Strömungskanäle 17 einspritzen, von einer Kraftstoff-Niederdruckpumpe 22 versorgt werden. Eine üblicherweise in einem Kraftstofftank 23 angeordnete Kraftstoff-Niederdruckpumpe fördert dabei Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 23 einerseits zu der zweiten Gruppe von Kraftstoffeinspritzventilen 20 und andererseits zu der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 21. Der Einspritzzeitpunkt und die Einspritzdauer der Kraftstoffeinspritzventile 19, 20 werden von einer in einem Motorsteuergerät integrierten elektronischen Steuereinheit, in Abhängigkeit von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine gesteuert, wobei im Wesentlichen die Kraftstoffeinspritzung über die Kraftstoffeinspritzventile 19 der ersten Gruppe erfolgt und die Kraftstoffeinspritzventile 20 der zweiten Gruppe nur ergänzend eingesetzt werden, um Unzulänglichkeiten der Kraftstoffdirekteinspritzung durch die Kraftstoffeinspritzventile 19 der ersten Gruppe in bestimmten Betriebsbereichen zu verbessern und um zusätzliche Freiheitsgrade bzw. Einspritzstrategien zu nutzen.
Die Kraftstoffeinspritzventile 20 der zweiten Gruppe sind als Mehrstrahl-Einspritzventile ausgebildet, die mindestens zwei getrennte, zueinander winkelversetzte Kraftstoffstrahlen gleichzeitig ab- bzw. einspritzen und im Luftströmungsweg 18 so angeordnet sind, dass die eingespritzten Kraftstoffstrahlen 24, 25, die üblicherweise die Form eines Spraykegels aufweisen, in verschiedene Strömungskanäle gelangen. Bei dieser Brennkraftmaschine sind zwei Zweistrahl-Einspritzventile 26, 27 vorgesehen, die – im Luftströmungsweg 18 so platziert sind, dass das eine Zweistrahl-Einspritzventil 26 in die zum ersten und zweiten Zylinder 11 führenden Strömungskanäle 17 und das zweite Zweistrahl-Einspritzventil 27 in die zu dem dritten und vierten Zylinder 11 führenden Strömungskanäle 17 einspritzen. Hierzu sind die Strömungskanäle 17 so gestaltet, dass zwischen zwei direkt benachbarten Strömungskanälen 17 ein Einbaupunkt für das Zweistrahl-Einspritzventil 26 bzw. 27 vorhanden ist.
Es ist auch bekannt, dass bei einer genannten Kraftstoff-Saugrohreinspritzung einer hier betroffenen Brennkraftmaschine das Luft-Kraftstoff-Gemisch außerhalb des Brennraums im Saugrohr entsteht. Das jeweilige Einspritzventil spritzt den Kraftstoff dabei vor ein Einlassventil, wobei das Gemisch im Ansaugtakt durch das geöffnete Einlassventil in den Verbrennungsraum strömt. Die Kraftstoffversorgung erfolgt mittels eines Kraftstofffördermoduls, welches die benötigte Kraftstoffmenge mit definiertem Druck vom Tank zu den Einspritzventilen fördert. Eine Luftsteuerung sorgt dafür, dass der Brennkraftmaschine in jedem Betriebspunkt die richtige Luftmasse zur Verfügung steht. Die an einem Kraftstoffzuteiler angeordneten Einspritzventile dosieren die gewünschte Kraftstoffmenge präzise in den Luftstrom. Das genannte Motorsteuergerät regelt auf der Grundlage des Drehmoments als zentrale Bezugsgröße das jeweils benötigte Luft-Kraftstoff-Gemisch ein. Eine wirksame Abgasreinigung wird mit einer Lambda-Regelung erreicht, mittels der immer ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1) eingeregelt wird.
Demgegenüber wird bei einer Kraftstoff-Direkteinspritzung das Luft-Kraftstoff-Gemisch direkt im Brennraum gebildet. Über ein genanntes Einlassventil strömt dabei Frischluft ein, wobei in diesen Luftstrom mit hohem Druck (bis zu 350 bar) der Kraftstoff eingespritzt wird. Dies ermöglicht eine optimale Verwirbelung des Luft-Kraftstoff-Gemisches sowie eine verbesserte Kühlung des Brennraums.
Es ist ferner bekannt, dass bei einer viertaktigen Brennkraftmaschine (Ottomotor) das Arbeitsspiel die Vorgänge Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen umfasst, wobei sich jeder Zylinder zweimal auf und abwärts bewegt und dabei in zwei oberen Totpunkten (OT) und zwei unteren Totpunkten (UT) zum Stillstand kommt. Die Kurbelwelle führt also bei einem Arbeitsspiel zwei Umdrehungen aus, die Nockenwelle eine Umdrehung. Die Zündung des in einen Zylinder verbrachten Gas-Kraftstoff-Gemisches erfolgt bei einem oberen Totpunkt, in dem das Gemisch gerade verdichtet ist. Hier spricht man vom Zünd-OT (ZOT). Demgegenüber gibt es noch einen Überschneidungs-OT (ÜOT), bei dem beim Übergang vom Ausstoßen zum Ansaugen sowohl die Einlass- als auch die Auslassventile geöffnet sind.
Demgemäß wird unmittelbar nach dem Starten zumindest in einem Zylinder eine Zündung bei allen oberen Totpunkten (OT) durchgeführt, wobei bei bestimmten oberen Totpunkten, insbesondere bei jedem zweiten OT, bei Kurbelwellenwinkeln von 720° jeweils eine Verschiebung des Zündzeitpunktes erfolgt. Je nachdem, ob bei dem oberen Totpunkt (OT), bei dem die Zündzeitpunktverschiebung durchgeführt wird, oder aber beim einem um 360 verschobenen Kurbelwellenwinkel, das Luft-Kraftstoff-Gemisch tatsächlich gezündet wird, ist eine Minderung der im jeweiligen Zylinder erfolgten physikalischen Arbeit festzustellen.
In 2 sind y-Richtung bei verschiedenen Drehzahlen der Brennkraftmaschine erfolgende Saugrohreinspritzungen über dem in der Einheit [Grad] gemessenen Kurbelwellenwinkel (KW) dargestellt. Der gemäß dem Ottomotorprinzip viertaktige Verbrennungszyklus umfasst bekanntermaßen Kurbelwellenwinkel zwischen einem ersten unteren Totpunkt (UT1), einem ersten oberen Totpunkt (OT), einem weiteren unteren Totpunkt (UT2) sowie einem weiteren oberen Totpunkt (ZOT), bei dem das in der Brennkammer vorliegende Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet wird.
Die genannten zeitlichen Bezugsmarken werden für die beiden Einspritzpfade sehr unterschiedlich vorgegeben. So wird bei einer Saugrohreinspritzung (SRE), wie in 2 schematisch dargestellt, bei nur beispielhaft vier verschiedenen Drehzahlen n = 1000, 2000, 4000 und 7000 U/min erfolgenden Einspritzungen 200 ein vor dem Ende 210 des Einspritzzyklus‘ 225 vorzusehender, konstanter zeitlicher Verzögerungsanteil 205 berücksichtigt, da die Einspritzventile bei einer SRE außerhalb der jeweiligen Brennkammer der Brennkraftmaschine angeordnet sind und der Kraftstoff daher vom Einspritzort erst in die Brennkammer gelangen muss. Dieser zusätzliche Zeitbedarf ändert sich, wie in 2 zu ersehen, nicht bei sich ändernder bzw. steigender Drehzahl der Brennkraftmaschine. Daher werden die Einspritzungen entsprechend früher angesteuert, z.B. bei 7000 U/min sogar noch vor dem zeitlich hinter der im vorausgehenden ZOT 220 erfolgenden Zündung liegenden UT1, damit bei allen Drehzahlen der konstante Zeitbedarf 205 bereitgestellt wird. Das gesamte zeitliche Einspritzfenster für den gezeigten Einspritzzyklus entspricht, wie bereits erwähnt, der eingezeichneten Klammer 225. Der auf den vorausgehenden ZOT 220 nachfolgende nächste ZOT ist mit 215 bezeichnet.
Demgegenüber werden bei einer Benzindirekteinspritzung (BDE) bei den jeweiligen Einspritzungen 300 als Bezugsmarken (konkrete) Winkelmarken empirisch vorgegeben, wie in 3 schematisch dargestellt ist. D.h. im Gegensatz zur SRE werden bei der BDE keine konstanten Zeitanteile berücksichtigt, wie sich z.B. aus dem Verlauf 305 der jeweiligen Einspritzenden ersehen lässt. Daher können hier die Einspritzungen näher am Zündereignis des ZOT 315 erfolgen und werden daher entsprechend zu späteren Zeitpunkten berechnet. In dem vorliegenden Beispiel folgt auf das Ende 310 des hier gezeigten Einspritzzyklus‘ 325 eine Zündung am nachfolgenden ZOT 315. Der diesem ZOT 315 vorausgehende Zündzeitpunkt erfolgt an einem vorausgehenden ZOT 320.
Bei einer vorliegenden internen und/oder externen Abgasrückführung (AGR) (siehe 5) kommt es zu einer erhöhten Erwärmung des Einlasskanals. Um Schädigungen von Komponenten insbesondere des Abgasstrangs oder negative Einflüsse auf die Funktionsweise solcher Komponenten zu verhindern, wird der Aufteilungsfaktor in Richtung SRE-Einspritzung vergrößert bzw. verschoben.
Bei den genannten Komponenten handelt es sich bevorzugt um ein üblicherweise aus Kunststoff bestehendes Ansaugrohr bzw. Saugrohr, ein SRE-Ventil, im Saugrohr bevorzugt vor dem bzw. nahe dem Einlassventil angeordnete Druck- und Temperatursensoren, oder dergleichen. Die Verdampfung und die durch die Verdampfungsenthalpie der Umgebung entzogene Wärme und damit einhergehende Kühlwirkung der zusätzlichen im SRE-Betrieb zugemessenen Kraftstoffmenge bewirkt eine solche Absenkung der Temperatur des Einlasskanals sowie der zugehörigen Komponenten, dass zumindest ein genanntes, für die jeweilige Komponente unzulässiges Temperaturniveau unterschritten wird.
Bei einem z.B. in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine angeordneten Regler kann ein empirisch vorgegebener oder anhand eines Versuchsstandes gefundener Sollwert für die maximal zulässige Temperatur z.B. des Ansaugkanals vorgegeben werden. Als Istwert wird die momentane Temperatur des Ansaugkanals genommen und als Stellgröße die Verschiebung des Aufteilungsfaktors in %, und zwar in Richtung relativ erhöhter SRE-basierter Kraftstoffzumessung.
Entsprechend geeignete Werte für die genannte Verschiebung des Aufteilungsfaktors können in einem Kennfeld der Brennkraftmaschine abgelegt werden, in dem z.B. mögliche bzw. vorher empirisch oder versuchstechnisch ermittelte Verschiebungswerte über der Temperatur des Ansaugkanals auftragen bzw. zugeordnet sind.
Alternativ können genannte, bezüglich der Temperatur kritische Betriebszustände anhand einer Modellrechnung erkannt werden und bei als kritisch erkanntem Zustand eine genannte Verschiebung des Aufteilungsfaktors durchgeführt werden.
Es ist anzumerken, dass bei Nichtvorhandensein eines genannten, vor dem Einlassventil angeordneten Temperaturfühlers, der entsprechende Saugrohrtemperaturwert auch indirekt bzw. mittelbar aus der Abgastemperatur am Auslass der Brennkraftmaschine und/oder vor bzw. nach einem etwa vorhandenen Turbolader oder Ladeluftkühler abgeleitet bzw. berechnet werden kann, wobei z.B. eine vereinfachte Modellrechnung bezüglich der Temperaturverteilung im Abgastrakt zugrunde gelegt werden kann.
Bei der genannten Modellrechnung wird die Ansaugkanaltemperatur aus der hinter dem Turbolader vorliegenden Ansauglufttemperatur abgeleitet, wobei die in der Regel mitgemessene Lufttemperatur zugrunde gelegt wird. Aus dem ebenfalls in der Regel gemessenen Atmosphärendruck und dem ebenfalls in der Regel gemessenen Ladedruck lässt sich die Verdichtungsarbeit des Turboladers bestimmen und daraus die hinter dem Turbolader resultierende Temperaturerhöhung der genannten Ansaugluft.
Je nach Kühlkonzept des Ladeluftkühlers (Luft-Luft oder Wasser-Luft) kann die Kühlungssteuerung/Regelung des Ladeluftkühlers als Maß für die Abkühlung der Ladeluft herangezogen werden. Je nach hinter der Drosselklappe aufgrund der Stellung der Drosselklappe vorliegenden Luftmasse und der aufgrund der Drosselklappenstellung vorliegenden Abgasrückführung ergibt sich die Ansauglufttemperatur hinter der Mischstelle Luft-Abgas. Je nach Grad der Ventilüberschneidung von Motoreinlass- und Motorauslassventil ergibt sich der Grad der internen Abgasrückführung. Je nach Motorlastpunkt und in den Ansaugkanal zurückströmender Abgasmenge, vermischt mit der Ansaugluft, ergibt sich in an sich bekannter Weise die mittlere Zylindereinlasstemperatur des zylinderindividuellen Ansaugkanals.
Die Bestimmung der Ansaugkanaltemperatur aus der Abgastemperatur geschieht wie folgt. Zusammen mit dem Lastpunkt der Brennkraftmaschine (Moment und Drehzahl) und der gesamten Einspritzmenge pro Zylinder sowie dem Zündwinkel kann auf die Ansaugkanaltemperatur rückgeschlossen werden, und zwar bekanntermaßen anhand eines Verbrennungsmodells. Die externe Abgasrückführrate spielt eine Rolle bzgl. der verzögerten Verbrennung und damit geringerer Verbrennungstemperatur und damit dann auch geringerer Abgastemperatur. Andererseits erhöht diese (externe als auch interne) Abgasrückführrate wiederum die Einlasskanaltemperatur.
Die genannten Zusammenhänge der Modellrechnung werden bevorzugt in Kennlinien und Kennfeldern an einem Prüfstand angewendet bzw. appliziert, so dass zur Laufzeit der Brennkraftmaschine bzw. im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs aus aktuell vorliegenden Eingangsgrößen die entsprechenden Ausgangsgrößen, z.B. die Einlasskanaltemperatur, berechnet werden kann.
In einem hier betroffenen Dualsystem werden die beschriebenen beiden Anteile, d.h. der SRE- und der BDE-Anteil, bekanntermaßen in Form von Systemen bzw. Systemkomponenten kombiniert. Dabei ist insbesondere eine korrekte Aufteilung der zur Verfügung stehenden bzw. zuzumessenden gesamten Kraftstoffmasse erforderlich. Die Gesamtkraftstoffmasse KM_ges für einen Zylinder setzt sich wie folgt zusammen: KM_ges = KM_SRE + KM_BDE, wobei KM_SRE die relative Kraftstoffmasse des SRE-Pfades und KM_BDE die relative Kraftstoffmasse des BDE-Pfades bezeichnen. Ein entsprechender Prozessablauf zur Berechnung bzw. Aufteilung der bei einer Einspritzung in einem solchen Dualsystem erforderlichen Kraftstoffmasse wird nachfolgend anhand eines in 4 gezeigten Flussdiagramms beschrieben.
Die nachfolgend beschriebene Routine wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel für alle Zylinder der Brennkraftmaschine sequenziell bzw. nacheinander durchgeführt, und zwar vorliegend für einen i-ten Zylinder 400. Basierend auf einem vorliegenden Fahrerwunsch 405, der im Wesentlichen einem Wunsch(dreh-)moment bzw. Gesamtmoment der Brennkraftmaschine entspricht, erfolgt zunächst nur für einen SRE-Pfad eine Berechnung 410 der Kraftstoffmasse, die für das genannte Fahrer-Wunschmoment erforderlich ist. Diese Berechnung 410 beruht zudem auf einem angenommenen bzw. empirisch vorgegebenen Aufteilungsfaktor bzw. Splitfaktor 415, der die für das Wunschmoment erforderliche Verbrennung zwischen SRE und BDE aufteilt. Dabei werden, ebenfalls anteilig für SRE, entsprechende Beiträge aus anderen Systemkomponenten der Brennkraftmaschine, z.B. Kraftstoffbeiträge aus einer Tankentlüftung oder anderweitigen Kraftstoffausgasung, berücksichtigt 420.
Aus der so berechneten anteiligen Kraftstoffmasse wird die für eine vollständige Verbrennung des entsprechenden Kraftstoffanteils notwendige Luftmasse berechnet 425. Das sich tatsächlich im Brennraum einstellende Kraftstoffdampf-Luft-Verhältnis (= Lambda) wird dabei mittels einer Lambdasonde detektiert und im Weiteren so geregelt, dass es möglichst einem vorab berechneten idealen Luft/Kraftstoff-Verhältnis (Lambda) 430, z.B. Lambda = 1, entspricht.
Nach Abschluss der beschriebenen SRE-Berechnung wird die Temperatur eines genannten Einlasskanals 535 der Brennkraftmaschine erfasst 431. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperatur genannter Komponenten des Einlasskanals 535 bzw. des Saugrohres 505 erfasst werden 432. Danach wird geprüft 433, ob die so erfasste Temperatur einen empirisch vorgebbaren Schwellenwert überschreitet. Ist dies der Fall, wird der Aufteilungsfaktor 415 zu einer anteilig höheren saugrohrbasierten Kraftstoffzumessung hin verändert bzw. verschoben 434. Für den so veränderten Aufteilungsfaktor 415 erfolgt für den i-ten Zylinder eine SRE-Einspritzung 435 auf der Grundlage der entsprechend berechneten Kraftstoff- und Luftmassedaten. Zusätzlich erfolgt eine Meldung 440 an den BDE-Pfad, unter Mitteilung des genannten Aufteilungsfaktors 415, anhand dessen die anteilige bzw. übrige, nach der SRE-Einspritzung 435 noch zur Verfügung stehende Kraftstoffmenge für eine BDE-Einspritzung 445 berechnet wird. Auf der Grundlage des so übermittelten Aufteilungsfaktors bzw. der anteiligen Kraftstoffmenge des BDE-Pfades erfolgt daraufhin für den vorliegenden i-ten Zylinder die genannte BDE-Einspritzung 450.
Danach wird die beschriebene Routine 400–450 für den nächsten, d.h. vorliegend den i + 1-ten Zylinder durchgeführt 455.
Bei dem in 5 gezeigten AGR-System, bei dem das beschriebene Verfahren anwendbar ist, werden bekanntermaßen Luft und Kraftstoffdämpfe über eine Zuführleitung 500 einem Saugrohr 505 zugeführt. Die Zuführleitung 500 ist an ihrem Ende 510 mit einem (hier nicht gezeigten) an sich bekannten Kraftstoffverdunstungs-Rückhaltesystem verbunden. In der Zuführleitung 500 ist ein Regenerierventil 515 mit einem variablen Ventilöffnungsquerschnitt angeordnet.
In dem Saugrohr 505 ist bekanntermaßen eine Drosselklappe 520, mittels der die einem Brennraum 525 der Brennkraftmaschine zugeführte Luft über einen Stellwinkel α einstellbar ist. Vor der Drosselklappe 520 liegt daher ein Luftmassenstrom 530 mit einem Umgebungsdruck p_U vor und hinter der Drosselklappe 520 im Bereich eines Einlasskanals 535 ein Luftmassenstrom mit einem Saugrohrdruck p_S. Der hier gezeigte Zylinder der Brennkraftmaschine weist bekanntermaßen einen Kolben 540 sowie ein Einlassventil 545 und ein Auslassventil 550 auf. Das über das Auslassventil 550 ausgestoßene Abgas wird über einen Auslasskanal 565 zu einem an sich bekannten (nicht gezeigten) Abgasstrang geleitet.
Zwischen dem Auslasskanal 565 und dem Einlasskanal 535 ist eine Abgasrückführleitung (AGR-Leitung) 560 angeordnet, in der rückgeführtes Abgas erneut dem Brennraum 525 bzw. der Verbrennung zugeführt wird. Die Rückführrate bzw. AGR-Rate ist mittels eines Abgasrückführventils (AGR-Ventil) 555 mit variablem Ventilöffnungsquerschnitt einstellbar bzw. steuerbar oder regelbar.
Das beschriebene Verfahren kann in Form eines Steuerprogramms für ein elektronisches Steuergerät zur Steuerung einer Brennkraftmaschine oder in Form einer oder mehrerer entsprechender elektronischer Steuereinheiten (ECUs) realisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010039434 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer dualen, saugrohrbasierten Kraftstoffzumessung sowie einer direkten Kraftstoffzumessung, wobei die bei der saugrohrbasierten Kraftstoffzumessung und bei der direkten Kraftstoffzumessung jeweils benötigte Kraftstoffmenge anhand einer Kraftstoffaufteilung berechnet wird (415), und mit einer Abgasrückführung (560), mittels der bei der Verbrennung gebildetes Restgas über einen Einlasskanal (535) eines Saugrohres (505) der Brennkraftmaschine erneut zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Einlasskanals (535) des Saugrohres (505) und/oder die Temperatur zugehöriger Komponenten des Einlasskanals (535) bzw. des Saugrohres (505) erfasst oder ermittelt wird/werden (431, 432) und dass bei Überschreiten eines empirisch vorgebbaren Schwellenwertes (433) der wenigstens einen erfassten bzw. ermittelten Temperatur die Kraftstoffaufteilung (415) zu einer anteilig höheren saugrohrbasierten Kraftstoffzumessung hin verschoben wird (434).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Verschiebung (434) der Kraftstoffaufteilung von dem Ausmaß der Temperaturüberschreitung des vorgebbaren Schwellenwertes (433) abhängig gemacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer erfassten Überschreitung geprüft wird, ob der Schwellenwert (433) der Temperatur wieder unterschritten wird und dass bei erfasster Unterschreitung des Schwellenwertes (433) die Kraftstoffaufteilung (415) wieder auf den vor der Verschiebung vorgelegenen Wert zurückgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Einlasskanals (535) des Saugrohres (505) und/oder die Temperatur zugehöriger Komponenten des Einlasskanals (535) bzw. des Saugrohres (505) anhand der Temperatur des mittels der Abgasrückführung (560) rückgeführten Abgases indirekt ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Einlasskanals (535) des Saugrohres (505) und/oder die Temperatur zugehöriger Komponenten des Einlasskanals (535) bzw. des Saugrohres (505) aus der Abgastemperatur am Auslass der Brennkraftmaschine und/oder vor oder nach einem Turbolader oder einem Ladeluftkühler berechnet wird, wobei eine Modellrechnung bezüglich der Temperaturverteilung in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine zugrunde gelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der verschobenen Kraftstoffaufteilung (434) eine anteilige, für die direkte Kraftstoffzumessung zur Verfügung stehende Kraftstoffmenge berechnet wird (445).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der beiden Kraftstoffmengen für die saugrohrbasierte Kraftstoffzumessung und für die direkte Kraftstoffzumessung für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine durchgeführt wird (400, 455).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Berechnung für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine sequenziell durchgeführt wird (400, 455).
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
Maschinenlesbarer Datenträger, auf welchem ein Computerprogramm gemäß Anspruch 9 gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, eine duale Kraftstoffzumessung mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zu steuern.