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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Benetzung einer Kolbenoberfläche mit flüssigem Kraftstoff an einem Kolben eines Zylinders in einem Verbrennungsmotor. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das Verfahren auszuführen.
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Stand der Technik
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Bei Verbrennungsmotoren mit direkt in den Brennraum einspritzenden Injektoren, der sogenannten Direkteinspritzung, werden Injektoren entweder zentral oder seitlich im Zylinderkopf angeordnet. Die Injektoren geben den meist flüssigen Kraftstoff dann abhängig vom jeweiligen Brennverhalten unter hohem Druck stehend in Form eines Sprays in den Brennraum ab. Dies Spray besteht zu Beginn des Einspritzprozesses hauptsächlich aus Tröpfchen, die dann mit zunehmender Eindringtiefe des Spraystrahls in den Brennraum mehr oder weniger verdampfen. Ein Teil der Tropfen trifft aber auch in flüssiger Form auf den Kolben auf. Dabei kommt es zu Kondensations- und Benetzungsprozessen. Dies führt zu Ablagerungen von flüssigem Kraftstoff auf 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 nur der dampfförmige Kraftstoff an der Hauptverbrennung teil.
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Im Falle einer zu geringen Kolbentemperatur kann der flüssige Kraftstoff auf der Oberfläche nicht an der Hauptverbrennung teilnehmen. Durch den zusätzlichen Wärmeeintrag aus der Hauptverbrennung kommt es zu einer kurzzeitigen Kolbenoberflächentemperaturerhöhung. Dies führt zum Abdampfen des flüssigen Kraftstoffs erst nach der Hauptverbrennung. Der dabei freigesetzte Kraftstoffdampf kann nicht mehr vollständig verbrennen, da der Sauerstoff im Brennraum bereits bei der Hauptverbrennung umgesetzt wurde. Er kommt unter Sauerstoffmangel mit den jetzt sehr heißen Abgasen in Berührung. Somit liegen ideale Bedingungen für eine Rußpartikelbildung vor. Eine solche Rußpartikelbildung kann zur Verletzung gesetzlicher Emissionsgrenzen führen. Außerdem können sich Rußbeläge auf dem Kolben bilden.
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Bei einer massiven Benetzung der Kolbenoberfläche kann es sogar zu einer Reflexion des Kraftstoffsprays kommen. Hierdurch werden das Brennraumdach oder sonstige Brennraumkomponenten wie Zündkerzen oder Einlassventile ebenfalls benetzt. Außerdem kann durch Sprayreflexionen der Schmierstoffilm an der Zylinderwandung abgewaschen werden, was zu einer erhöhten Reibung zwischen dem Kolben und der Zylinderwand führt. Damit ist ein erhöhter Reibverschleiß verbunden. Es kann durch übermäßigen Kraftstoffeintrag außerdem zu einer Ölverdünnung im Ölkreislauf kommen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das Verfahren ermöglicht eine Verringerung der Benetzung einer Kolbenoberfläche mit flüssigem Kraftstoff an einem Kolben eines Zylinders in einem Verbrennungsmotor. Hierbei erfolgt ein Ermitteln einer Benetzung der Kolbenoberfläche mit flüssigem Kraftstoff. Eine Verdichtung in dem Zylinder wird verringert, wenn die Benetzung einen vorgebbaren ersten Schwellenwert überschreitet. Durch die Verringerung der Verdichtung entfernt sich das Kolbenarbeitsspiel weiter weg von einem Kraftstoffdirekteinspritzventil des Zylinders. Dies führt dazu, dass das Kraftstoffdirekteinspritzventil, insbesondere bei zentraler Einbaulage, während der Einspritzung einen größeren Abstand zur Kolbenoberfläche hat. Diese Erhöhung des Abstands führt zu einer größeren Wegstrecke auf der die Tröpfchen des Kraftstoffsprays verdampfen können, bis sie eventuell auf der Kolbenoberfläche auftreffen. Damit wird die Benetzung der Kolbenoberfläche mit flüssigem Kraftstoff verringert oder ganz vermieden.
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Das Verringern der Verdichtung kann insbesondere mittels einer Exzenterwelle eines VCR-Systems (variable compression ratio) erfolgen. Diese steht bei konstanter Verdichtung still. Sie kann mittels eines Elektromotors gedreht werden, um die Verdichtung stufenlos auf beliebige Werte zu verstellen.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Verringern der Verdichtung inkrementell. Es wird fortgesetzt bis die Benetzung den vorgebbaren ersten Schwellenwert nicht mehr überschreitet, so dass keine zu große Benetzung der Kolbenoberfläche mehr stattfindet.
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In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird die Verdichtung zunächst auf einen vorgebbaren Wert verringert. Hierzu kann insbesondere die niedrigste zulässige Verdichtung gewählt werden. Dann wird die Verdichtung inkrementell erhöht, bis die Benetzung einen vorgebbaren zweiten Schwellenwert überschreitet. Der zweite Schwellenwert ist kleiner als der erste Schwellenwert. Er kann so gewählt werden, dass durch die Erhöhung der Verdichtung keine unzulässige Erhöhung der Benetzung erfolgt.
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Das Verringern der Verdichtung wird vorzugsweise in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors begrenzt, um zu niedrige Verdichtungen zu vermeiden. Der Betriebspunkt kann insbesondere von der Last, der Drehzahl, der Temperatur oder der Lastwechselgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors abhängen. Wenn das Verringern der Verdichtung inkrementell erfolgt, kann auf diese Weise beispielsweise verhindert werden, dass die Verdichtung unter einen betriebspunktabhängigen Wert fällt. Wenn die Verdichtung zunächst auf einen vorgebbaren Wert verringert wird, kann dieser beispielsweise in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt vorgegeben werden.
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Die Abhängigkeit von dem Betriebspunkt wird in einer Ausführungsform des Verfahrens im Betrieb des Verbrennungsmotors gelernt. In einer anderen Ausführungsform die Abhängigkeit von dem Betriebspunkt in einer Grundapplikation des Verbrennungsmotors bedatet. Sie kann dann in Motorkennfeldern abgelegt werden.
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Wenn eine angeforderte Verringerung der Verdichtung wegen der Begrenzung nicht durchgeführt werden kann, wird vorzugsweise das Vorliegen eines Fehlers in einem Einspritzsystem und/oder einem Motorsystem des Verbrennungsmotors und/oder auf die Verwendung eines Schlechtkraftstoffs erkannt. Anschließend können Maßnahmen eingeleitet werden, um den Fehler zu beheben. Weiterhin kann eine Alarmierung des Fahrers eines Kraftfahrzeugs erfolgen, dass von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird.
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Die Benetzung kann in einer Ausführungsform mit Hilfe einer via eines Softwaremodells berechneten Kolbentemperatur bestimmt werden.
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Solche Softwaremodelle werden auch zur Veränderung des optimalen Einspritzzeitpunktes verwendet. Dieser wird in Abhängigkeit der Kolbentemperatur so verändert, dass z. B. bei einem Lastsprung von niedrigen zu hohen Motorlasten der Einspritzzeitpunkt in Richtung später verschoben wird, solange bis der Kolben entsprechend der höheren Motorlast und damit dem erhöhten Wärmestrom eine erhöhte Temperatur angenommen hat. Damit ist der Kolben im Ansaugtakt temporär zu Beginn der Einspritzung geometrisch ein Stück weiter vom Einspritzventil entfernt. Dies führt zu einer Verringerung der Kolbenbenetzung. Ein solches Softwaremodell wird mittels einer Grundapplikation mit Hilfe von exemplarischen Kolbentemperaturmessungen bedatet. Diese können berührend via Sensoren oder berührungslos via Wärmestrahlungsmessverfahren erfolgen. Ein für diese Ausführungsform geeignetes Softwaremodell wird beispielsweise in der
DE 10 2013 217 928 A1 beschrieben. Hierin wird Kolbentemperatur basierend auf Motorbetriebsbedingungen geschätzt, wie beispielsweise basierend auf einer Motordrehzahl, einer Motorlast, einer Einlasslufttemperatur, einer Motorkühlmitteltemperatur, einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis und einem Zündfunkenzeitpunkt. Die Beziehung zwischen der Kolbentemperatur und den Motorbetriebsbedingungen kann unter stationären Bedingungen entwickelt werden (z. B. bei konstanter Drehzahl), und die Kolbentemperatur kann unter Verwendung eines Verzögerungsfilters gefiltert werden, um Übergangsbedingungen zu berücksichtigen. Die Beziehung kann hierbei in einem mathematischen Modell und/oder in einer Nachschlagetabelle verkörpert werden. Sie kann Gewichtungsfaktoren auf die Motorbetriebsbedingungen anwenden. Die Gewichtungsfaktoren, die auf einige der Motorbetriebsbedingungen angewendet werden, können größer als die Gewichtungsfaktoren sein, die auf andere Motorbetriebsbedingungen angewendet werden.
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Die Benetzung kann in einer anderen Ausführungsform mittels mehrerer Temperatursensoren an der Kolbenoberfläche des Kolbens ermittelt. Mithilfe der Temperatursensoren ist es möglich, Temperaturänderungen an der Kolbenoberfläche zu messen. Solche Temperaturänderungen werden unter anderem durch die Benetzung der Kolbenoberfläche mit flüssigem Kraftstoff hervorgerufen, wodurch die Kolbenoberfläche im Kraftstoffauftreffbereich abgekühlt wird. Die Temperatursensoren ermöglichen es deshalb, eine Aussage über die die Benetzung der Kolbenoberfläche zu treffen.
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In einer einfachen Ausführungsform des Verfahrens sind hierzu einzelne Temperatursensoren weitmaschig auf der Kolbenoberfläche verteilt. Dabei sind insbesondere mindestens 12 Temperatursensoren auf der Kolbenoberfläche angeordnet. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Temperatursensoren so angeordnet sind, dass in jedem Kraftstoffauftreffbereich des Kraftstoffdirekteinspritzventils mehrere Temperatursensoren angeordnet sind. Unter dem Kraftstoffauftreffbereich wird dabei jener Bereich auf der Kolbenoberfläche verstanden, in welchem bei einem erwarteten Sprayverhalten des Kraftstoffdirekteinspritzventils Kraftstoff auf die Kolbenoberfläche auftritt. Mehrere Temperatursensoren pro Kraftstoffauftreffbereich ermöglichen dabei eine ausreichend genaue Bestimmung der Temperaturverteilung, welche durch das Auftreffen des Kraftstoffsprays auf die Kolbenoberfläche hervorgerufen wird.
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Die Temperatursensoren sind insbesondere als Thermoelemente ausgeführt. Diese basieren auf dem Prinzip der thermoelektrischen Energieerzeugung durch die Temperaturdifferenz zwischen der Kolbenoberseite und der Kolbenunterseite. Die erzeugte Energie kann eine Messelektronik und eine drahtlose Übertragungselektronik versorgen, die Messdaten zu einer Empfangseinheit sendet. Eine solche drahtlose Temperaturmessung ermöglicht eine kompakte Ausführung des Zylinders. Wenn die Temperatursensoren als Thermoelemente ausgeführt sind, erfolgt eine Berechnung absoluter Temperaturen an der Kolbenoberfläche vorzugsweise aus den Signalen der Thermoelemente und einer Öltemperatur des Verbrennungsmotors. Da die Thermoelemente lediglich eine Temperaturdifferenz zwischen der Kolbenoberseite und der Kolbenunterseite ermitteln können, ist für die Bestimmung der Absoluttemperatur die Kenntnis der Temperatur an der Kolbenunterseite notwendig. Diese kann aus der Öltemperatur ermittelt werden, insbesondere dann, wenn der Kolben von unten mittels Öldüsen gekühlt wird. Die Messung der Öltemperatur kann beispielsweise im Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors oder in der Nähe des Rücklaufs jeder Kolbenkühlung erfolgen.
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Um Abkühleffekte klar identifizieren zu können, ist es weiterhin bevorzugt, dass die Temperaturverläufe der Temperatursensoren analysiert werden. Das Auftreten von Sprüngen in der Monotonie der Temperaturverläufe lässt beispielsweise auf eine Kolbenbenetzung schließen.
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Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder elektronischen Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um eine Benetzung einer Kolbenoberfläche mit flüssigem Kraftstoff mittels des Verfahrens zu verringern.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch einen Teil eines Verbrennungsmotors, in dem eine Benetzung einer Kolbenoberfläche mit flüssigem Kraftstoff mittels eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verringert werden kann.
- 2 zeigt eine Aufsicht auf die Kolbenoberfläche des Zylinders gemäß 1.
- 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Ein Verbrennungsmotor 1, der in 1 dargestellt ist, weist einen Zylinder 2 auf, in dem ein Kolben 3, der mit einer Kurbelwelle 4 verbunden ist, beweglich gelagert ist. Der Kolben 3 begrenzt einen Brennraum 21. Frischluft kann über ein Einlassventil 22 in den Brennraum 21 gelangen. Ein Auslassventil 23 ermöglicht es, Verbrennungsabgase in den Abgasstrang des Verbrennungsmotors 1 zu entlassen. Ein Kraftstoffdirekteinspritzventil 5 ist so in dem Zylinder 2 angeordnet, dass es ein Kraftstoffspray auf die Kolbenoberfläche 31 des Kolbens 3 sprühen kann. Die Verdichtung des Kolbens 3 kann mittels einer VCR-Exzenterwelle 41 verstellt werden. Die Komponenten des Verbrennungsmotors 1 werden durch ein elektronisches Steuergerät 6 gesteuert.
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Das Kraftstoffdirekteinspritzventil 5 ist als Mehrlochinjektor mit sechs Injektorbohrungen ausgeführt. Dadurch ergeben sich sechs Kraftstoffauftreffbereiche 32, die in 2 auf der Kolbenoberfläche 31 dargestellt sind. Ein Netzwerk von Temperatursensoren 7, die als Thermoelemente ausgeführt sind, ist derart weitmaschig über die Kolbenoberfläche 31 verteilt, dass in jedem Kraftstoffauftreffbereich 32 mehrere Temperatursensoren 7 angeordnet sind. Jedes Mal, wenn mittels des Kraftstoffdirekteinspritzventils 5 Kraftstoff in einen Kraftstoffauftreffbereich 32 auf der Kolbenoberfläche 31 gespritzt wird, kommt es dort zu einer Abkühlung, die von den im Kraftstoffauftreffbereich 32 angeordneten Temperatursensoren erfasst wird.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 3 dargestellt. Nach dem Start 80 des Verfahrens wird mittels der Temperatursensoren 7 eine Benetzung B im aktuellen Kraftstoffeinspritzbereich 32 ermittelt 81. Diese wird mit einem ersten Schwellenwert S1 verglichen 82. Wenn Sie unter diesem Schwellenwert liegt, so wird die Ermittlung 81 für den nächsten Kraftstoffeinspritzbereich 32 wiederholt. Andernfalls erfolgt ein Vergleich 83 der aktuellen Verdichtung des Zylinders 3 mit einer Begrenzung, die vom aktuellen Betriebspunkt P des Verbrennungsmotors 1 abhängt. Wenn die Verdichtung um ein vorgegebenes Inkrement verringert werden kann, ohne das es unter die Begrenzung sinkt, so wird diese Verringerung durchgeführt 84. Anschließend wird mittels der Temperatursensoren 7 erneut die Benetzung B ermittelt 85. Wenn eine weitere Prüfung 86 ergibt, dass diese nun nicht mehr über dem ersten Schwellenwert S1 liegt, wird das Verfahren beendet 87. Andernfalls erfolgt ein erneuter Vergleich 83 der nun gesenkten Verdichtung mit der Begrenzung und, wenn möglich, eine weitere Verringerung 84 um das vorgegebene Inkrement. Wenn der Vergleich 83 allerdings ergibt, dass keine weitere Verringerung der Verdichtung möglich ist, so wird das Vorliegen eines Fehlers in einem Einspritzsystem und/oder einem Motorsystem des Verbrennungsmotors und/oder die Verwendung eines Schlechtkraftstoffs erkannt und ein Fehler ausgegeben 88. Anschließend wird das Verfahren ebenfalls beendet.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 4 dargestellt. Nach dem Start 90 des Verfahrens wird mittels der Temperatursensoren 7 eine Benetzung B im aktuellen Kraftstoffeinspritzbereich 32 ermittelt 91. Diese wird mit einem ersten Schwellenwert S1 verglichen 92. Wenn Sie unter diesem Schwellenwert liegt, so wird die Ermittlung 91 für den nächsten Kraftstoffeinspritzbereich 32 wiederholt. Andernfalls wird die Verdichtung auf einen Wert abgesenkt 93, der vom aktuellen Betriebspunkt P des Verbrennungsmotors 1 abhängt. Anschließend wird mittels der Temperatursensoren 7 erneut die Benetzung B ermittelt 94. Wenn eine weitere Prüfung 95 ergibt, dass diese noch nicht über einem zweiten Schwellenwert S2 liegt, wird die Verdichtung um ein vorgegebenes Inkrement erhöht 96. Anschließend wird erneut die Benetzung B ermittelt 94. Dies wird so lange wiederholt, bis die Prüfung 95 ergibt, dass die Benetzung den zweiten Schwellenwert S2 überschritten hat. Dann wird das Verfahren beendet 97.
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In einem dritten Ausführungsbeispiel und einem vierten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ebenfalls die Verfahrensführung gemäß den 3 oder 4 gewählt. Allerdings wird in den Schritten 81, 85, 91, 94 die Benetzung B nicht mittels der Temperartursensoren 7 ermittelt. Stattdessen wird ein Softwaremodell genutzt, um die Temperatur des Kolbens 3 zu ermitteln. Das Softwaremodell wurde mittels einer Grundapplikation mit Hilfe von exemplarischen Kolbentemperaturmessungen bedatet. Aus einer der Änderung der Temperatur wird auf die Benetzung B geschlossen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013217928 A1 [0013]
