DE102019201200A1 - Verbrennungsmotor sowie Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors (2) mit mindestens zwei Zylindern (4) und mit einem einzigen Injektor (10) zur Zentralpunkteinspritzung von Kraftstoff in einen mit den Zylindern (4) verbundenen Luftansaugstutzen (6), wobei für jeden der Zylinder (4) eine Einspritzmenge (EM) des Kraftstoffs sowie ein Startzeitpunkt (SOI) der Einspritzung in Abhängigkeit der aktuellen Motorlast und der aktuellen Motordrehzahl ermittelt und eingestellt werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen solchen Verbrennungsmotor (2).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit mindestens zwei Zylindern und mit einem einzigen Injektor zur Zentralpunkteinspritzung von Kraftstoff in einen mit den Zylindern verbundenen Luftansaugstutzen. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen solchen Verbrennungsmotor.
  • Beispielsweise weist ein Verbrennungsmotor, insbesondere ein als Kleinmotor ausgebildeter Verbrennungsmotor, wie ein Verbrennungsmotor eines Rasenmähers oder eines Stromgenerators, eine Zentralpunkteinspritzung auf. Diese wird auch als Einpunkteinspritzung bezeichnet. Ferner werden Hierbei unter einem Kleinmotor ein Viertakt-Motor mit mindestens zwei Zylindern und einem Hubraum bis 1000 cm3 verstanden.
  • Bei Betrieb des Verbrennungsmotors wird der Kraftstoff mittels eines Injektors in einen Luftansaugstutzen eingespritzt, welcher mit den Zylindern des Verbrennungsmotors strömungstechnisch verbunden ist. Zudem erfolgen dabei die Einspritzungen des Kraftstoffs für die Zylinder zeitlich nacheinander. Beispielsweise erfolgen also bei einem Verbrennungsmotor mit zwei Zylindern zwei Einspritzungen pro Arbeitsspiel.
  • Hierbei können ein vergleichsweis langer Weg vom Einspritzort in den Luftansaugstutzen zu dem jeweiligen Zylinder, eine (Druck-) Pulsation der angesaugten Luft im Luftansaugstutzen, und/oder eine Bauweise des Verbrennungsmotors, insbesondere einer Zylinderanordnung entsprechend eines sogenannten Bankwinkels bei einer V-Bauweise des Verbrennungsmotors, in einer ungleichmäßigen Verteilung des in den Luftansaugstutzen eingespritzten Kraftstoffes auf die Zylinder resultieren, d.h. den Zylindern wird nicht die gleiche Kraftstoffmenge zugeführt. So wird beispielsweise einem der Zylinder vergleichsweise viel und dem anderen Zylinder vergleichsweise wenig Kraftstoff zugeführt. Dies hat zur Folge, dass das Luft-Kraftstoffverhältnis entsprechend fett oder entsprechend mager ist, was wiederum in einem schlechten und unförmigen Motorlauf, einem höheren Kraftstoffverbrauch, und/oder einer vergleichsweise niedrigen Motorleistung resultieren kann. Weiterhin kann eine solche ungleichmäßige Kraftstoffzufuhr in die Zylinder zur Nichteinhaltung von Normen der Abgasgesetzgebung führen. Beispielsweise wird bei einem zu mageren Luft-Kraftstoffverhältnis eine gesetzliche Vorgabe der Abgastemperatur überschritten.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors sowie Verbrennungsmotor anzugeben. Insbesondere soll dabei eine möglichst gleichmäßige Kraftstoffstoffzufuhr zu dessen Zylinder realisiert werden.
  • Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hinsichtlich des Verbrennungsmotors wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 6 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren sinngemäß auch für den Verbrennungsmotor und umgekehrt.
  • Das Verfahren dient dem Betrieb eines, insbesondere als Kleinmotor ausgebildeten, Verbrennungsmotors, welcher mindestens zwei Zylinder und einen einzigen Injektor aufweist. Der Injektor ist dabei zur Zentraleinspritzung (Einpunkteinspritzung) von Kraftstoff in einen mit den Zylindern verbundenen Luftansaugstutzen eingerichtet. Der Luftansaugstutzen wird auch als Saugrohr und die Einspritzung entsprechend als Saugrohreinspritzung bezeichnet.
  • Bei dem Verfahren wird für jeden der Zylinder eine Einspritzmenge des Kraftstoffs sowie ein Startzeitpunkt der Einspritzung in Abhängigkeit der aktuellen Motorlast und der aktuellen Motordrehzahl ermittelt und entsprechend eingestellt. Zweckmäßigerweise erfolgen die auf das Einstellen zeitlich folgenden Einspritzungen mit der eingestellten Einspritzmenge und dem eingestellten Startzeitpunkt. Der Startzeitpunkt entspricht dabei einer ersten (Winkel-)Position einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, insbesondere bezogen auf ein Arbeitsspiel. Beispielsweise wird zur Zuordnung des Startzeitpunkts zur Position der Kurbelwelle ein Positions- und/oder Drehgeschwindigkeitssensor herangezogen. Folglich es ermöglicht, dass die Einstellung der Einspritzung anhand einer Kurbelwellenposition erfolgt und/oder durchgeführt wird.
  • Beispielsweise werden zur Ermittlung der Einspritzungsmenge und des Startzeitpunkts der Einspritzung in Abhängigkeit der aktuellen Motorlast und der aktuellen Motordrehzahl Kennlinien oder Tabellen herangezogen, welche in einem Steuergerät des Verbrennungsmotors hinterlegt sind.
  • Im Vergleich zu einem Betrieb des Verbrennungsmotors, bei welchem die Einspritzungen für die jeweiligen Zylinder unabhängig von der aktuellen Motorlast und/oder von der aktuellen Motordrehzahl in zueinander gleichmäßigen zeitlichen Abständen und mit jeweils der gleichen Einspritzmenge erfolgen, ist beim erfindungsgemäßen Verfahren die Einspritzmenge für einen der Zylinder (erster Zylinder) unterschiedlich zur Einspritzmenge für den anderen (zweiten) Zylinder einstellbar und gegebenenfalls auch eingestellt. Weiterhin ist hierbei der zeitliche Abstand zwischen der Einspritzung für den ersten Zylinder und der Einspritzung für den zweiten Zylinder unterschiedlich zum zeitlichen Abstand zwischen der Einspritzung für den zweiten Zylinder und der darauffolgenden Einspritzung für den ersten Zylinder einstellbar und gegebenenfalls auch eingestellt.
  • Mittels des Verfahrens sind besonders vorteilhaft die eingangs erwähnten Effekte der Länge des Luftansaugstutzens und/oder der Druckpulsation der Luft im Luftansaugstutzen ausgleichbar und ausgeglichen. So ist insbesondere sowohl eine den Zylindern jeweils zugeführte Menge an Kraftstoff einstellbar, als auch eine gleichmäßige Aufteilung des in das Saugrohr eingespritzten Kraftstoffs auf die Zylinder ermöglicht. Zusammenfassend erfolgt also eine zylinderselektive Einspritzung des Kraftstoffes mit einer jeweiligen Einspritzmenge und mit einem jeweiligen Startzeitpunkt in den Luftansaugstutzen.
  • Die in den Zylinder aufgenommene Kraftstoffmenge ist insbesondere davon abhängig, ob der in den Luftansaugstützten eingespritzte Kraftstoff vollständig oder lediglich teilweise im Zuge der Luftansaugphase des jeweiligen Zylinders aufgenommen wird. Beispielsweise wird bei einer vergleichsweise späten Einspritzung bezüglich einer Ansaugphase des Zylinders nicht die komplette in das Saugrohr eingespritzte Menge an Kraftstoff in diesen Zylinder aufgenommen, sondern es verbleibt ein Teil des Kraftstoffes zunächst im Saugrohr und wird erst beim Ansaugvorgang des darauf folgenden ansaugenden Zylinders von diesem aufgenommen. Die den Zylindern zugeführte Kraftstoffmenge ist also insbesondere von einem Endzeitpunkt der Einspritzungen abhängig. Gemäß einer geeigneten Ausgestaltung des Verfahrens ist folglich ein geeigneter Endzeitpunkt der Einspritzung, welcher einer zweiten (Winkel-)Position der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors entspricht, vorgegeben. Der Startzeitpunkt der Einspritzung wird mittels der bestimmten Einspritzmenge bestimmt. Insbesondere wird hierzu ein Zusammenhang zwischen einer Einspritzdauer und der Einspritzmenge herangezogen, welcher Zusammenhang beispielsweise in Form einer Kennlinie oder als Kenngröße des Injektors in dem Steuergerät hinterlegt ist. Zusammenfassend wird also ausgehend von dem Endzeitpunkt der Einspritzung mittels der der Einspritzmenge entsprechenden Einspritzungsdauer (Einspritzzeitdauer) der Startzeitpunkt der Einspritzung bestimmt. Beispielsweise zudem wird mittels der Motordrehzahl, der Einspritzdauer und der zweiten Winkelposition die erste Winkelposition ermittelt und diese zur Steuerung des Injektors herangezogen.
  • Beispielsweise ist der Injektor als ein Magnetventil ausgebildet, an welchem eine separate Kraftstoffpumpe angeschlossen ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung jedoch ist der Injektor ein sogenannter Pumpe-Düse-Injektor (Pumpe-Düse-System). Bei einem solchen Injektor ist vorteilhafterweise keine separate Kraftstoffpumpe notwendig. Zudem ist ein solcher Injektor vergleichsweise kostensparend. Ein solcher Pumpe-Düse-Injektor weist eine Spule auf, welche im bestromten Zustand eine elektromagnetische Kraft auf einen Stempel bewirkt und diesen zu einer Einspritzdüse des Injektors hin bewegt. Bei dieser (Hub-) Bewegung wird der Kraftstoff über die Einspritzdüse in den Luftansaugstutzen gefördert.
  • Dabei wird der Startzeitpunkt der Einspritzung, der Ende Zeitpunkt der Einspritzung und/oder die Einspritzmenge der Einspritzung anhand eines zeitlichen Stromverlaufs der Spule des Injektors eingestellt. So sind anhand der Bestromungsdauer der Spule und/oder einer Stromstärke der Bestromung also die jeweilige Hubbewegung und die entsprechende Einspritzmenge bestimmbar und bestimmt. Der Endzeitpunkt der Einspritzung sowie der Startzeitpunkt der Einspritzung werden entsprechend anhand eines Endes der Bestromung bzw. einem Beginn der Bestromung der Spule eingestellt.
  • Der Injektor weist des Weiteren ein Federelement auf, mittels welchem der Stempel nach dessen Hubbewegung zur Einspritzdüse hin zu einer Ausgangsposition hin zurückgestellt wird. Diejenige Zeitdauer, welche zum Bewegen des Stempels nach Beendigung der Hubbewegung in die Ausgangsposition benötigt wird, wird hier und im Folgenden als Stempelrücklaufzeit bezeichnet. Die Stempelrücklaufzeit ist zweckmäßigerweise im Steuergerät hinterlegt.
  • Gemäß einer geeigneten Ausgestaltung wird der Startzeitpunkt Einspritzung, der Endzeitpunkt der Einspritzung und/oder die Einspritzmenge in Abhängigkeit einer Stempelrücklaufzeit des Stempels eingestellt. Vorzugsweise wird der Stempel in seine Ausgangsposition zurückgestellt, also der Startpunkt so eingestellt, dass der Stempel nach der vorangehenden Hubbewegung in seine Ausgangsposition, also das Federelement maximal ausgedehnt ist. Gemäß dieser bevorzugten Ausgestaltung ist mittels der Stempelrücklaufzeit also ein frühester möglicher Startzeitpunkt nach dem Ende des vorhergehenden Einspritzvorgangs bestimmt. Entsprechend dieses frühesten möglichen Startzeitpunkts der Einspritzung werden ggf. eine Einspritzmenge und/oder der Endzeitpunkt der Einspritzung eingestellt. Auf diese Weise kann mittels der Hubbewegung eine vergleichsweise große Kraftstoffmenge in den Luftansaugstutzen gefördert werden. Wird der Stempel dagegen vor Ablauf der Stempelrücklaufzeit, also vor Erreichen dessen Ausgangsposition, wieder in die Hubbewegung versetzt, so ist die in den Luftansaugstutzen geförderte Kraftstoffmenge entsprechend reduziert.
  • Nach Ende der Bestromung der Spule induziert diese einen Strom. Das aufgrund dieses Stroms erzeugte Magnetfeld bewirkt eine Kraft, welcher einer Rückstellkraft des Federelements entgegengerichtet ist, so dass das Rückstellen des Stempels zur Ausgangsposition hin vergleichsweise langsam erfolgt. Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird die Steilheit des Stromverlaufs des mittels der Spule induzierten Stroms erhöht. Somit (klingt) fällt die Stromstärke des induzierten Stromes schneller ab und die Stempelrücklaufzeit wird reduziert. Durch die Reduzierung der Stempelrücklaufzeit ist es vorteilhaft ermöglicht, dass der Startzeitpunkt der Einspritzung dem Endzeitpunkt der vorangehenden Einspritzung zeitlich näher ist oder gewählt oder bestimmt werden kann.
  • Beispielsweise zusätzlich werden bei einem Kaltstart des Motors oder bei einem Anstieg der Motorlast in einem Drehzahlbereich, in welchem pro Arbeitsspiel entsprechend der Einspritzungsdauer für jeden Zylinder mehrere Einspritzungsvorgänge durchgeführt werden können, mehrere Einspritzungen durchgeführt. Insbesondere werden hierzu mehrere Hubbewegungen des Stempels zur Bereitstellung einer vergleichsweise großen Kraftstoffmenge für die jeweilige Anlaufphase der Zylinder durchgeführt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist ein Verbrennungsmotor mindestens zwei Zylinder, einen einzigen Injektor zur Zentralpunkteinspritzung von Kraftstoff in einen mit den Zylindern verbundenen Luftansaugstutzen sowie ein Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens in einer der oben dargelegten Varianten auf. Insbesondere wird der Injektor dabei derart angesteuert, dass für jeden Zylinder jeweils eine Einspritzung von Kraftstoff entsprechend der in Abhängigkeit der aktuellen Motorlast und der aktuellen Motordrehzahl ermittelten und eingestellten Einspritzmenge und mit dem in Abhängigkeit der aktuellen Motorlast und der aktuellen Motordrehzahl ermittelten und eingestellten Startzeitpunkt der Einspritzung erfolgt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist dessen Injektor als der oben beschriebene Pumpe-Düse-Injektor ausgebildet. Dieser weist zusammenfassend also die Spule zum Bewegen des Stempels auf, wobei bei einer mittels einer Bestromung der Spule bewirkten Hubbewegung des Stempels zu einer Einspritzdüse hin der Kraftstoff in den Luftansaugstutzen gefördert wird.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Verbrennungsmotor eine parallel zum Injektor geschaltete Schaltung auf, welche der oben dargelegten Erhöhung der Steilheit des Stromverlaufs des nach Ende der Bestromung der Spule mittels dieser induzierten Stroms, sowie zur Begrenzung einer Spannung an einem Steuergeräte-Anschluss des Injektors dient.
  • Eine solche Schaltung zur Begrenzung der Spannung am Steuergeräte-Anschluss wird auch als Clamping-Network oder Clipping-Network bezeichnet.
  • Mit der Spule ist zweckmäßigerweise ein Steuergeräte-Anschluss des Injektors in Serie geschaltet. Aufgrund des mittels der zum Injektor parallel geschalteten Schaltung ist der maximale Betrag der mittels der Spule induzierten Spannung reduziert. Der Steuergeräte-Anschluss und gegebenenfalls ein an diesem angeschlossener Schalter des Steuergeräts sind somit vor einer Überspannung aufgrund der Induktion geschützt. Insbesondere ist eine Durchbruchschaltung des Schalters des Steuergeräts, also dessen strom leitendes Schalten aufgrund der Induktionsspannung, somit vermieden.
  • Gemäß einer geeigneten Ausgestaltung weist die Schaltung sowohl eine Freilaufdiode als auch eine zu dieser in Serie und gegengerichtet geschaltete Z-Diode zur Dissipation der in der Spule gespeicherten Energie nach Beenden der Bestromung der Spule auf. Alternativ zur Z-Diode weist die Schaltung einen zur Freilaufdiode in Serie geschalteten Halbleiterschalter auf, welcher insbesondere als ein Leistungs-MOSFET ausgebildet ist. Zur Dissipation der in der Spule gespeicherten Energie und somit zur Erhöhung der Steilheit des induzierten Stroms, also für ein schnelleres Abklingen des induzierten Stroms, sind die Z-Diode bzw. der Halbleiterschalter vorzugsweise im sogenannten (Lawinendurchbruchs-Betrieb) Avalanche-Betrieb betrieben.
  • Sofern die Schaltung zur Begrenzung der Spannung am Steuergeräte-Anschluss nicht vorhanden ist, würde im Wesentlichen die gesamte in der Spule gespeicherte Energie bei der beschriebenen Durchbruchschaltung im Schalter des Steuergeräts als Wärme frei. Insbesondere bei einer aufgrund des Motorbetriebs vergleichsweise hohen Umgebungstemperatur ist folglich eine thermische Belastung dieses Schalters vergleichsweise hoch. Bei Verwendung der Schaltung zur Begrenzung der Spannung am Steuergeräte-Anschluss jedoch, erfolgt die Dissipation zumindest teilweise im Halbleiterschalter oder in der Z-Diode. Infolge dessen wird Wärme örtlich getrennt vom Schalter des Steuergeräts frei. Somit ist eine thermische Belastung des Schalters des Steuergeräts reduziert.
  • Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung weist der Verbrennungsmotor den mit dem Steuergerät verbundenen Sensor zur Bestimmung der (Winkel-)Position der Kurbelwelle und/oder einer Motordrehzahl anhand eines mit der Kurbelwelle gekoppelten Polrads auf. Der Sensor ist insbesondere als ein Hall-Sensor oder ein VR-Sensor (Variable Reluctance-Sensor) ausgebildet. Bei Rotation der Kurbelwelle und des damit gekoppelten Polrades wird eine Spannung induziert, welche mittels des Sensors erfasst wird. Beispielsweise wird der zeitliche Verlauf der induzierten Spannung zur Bestimmung der Kurbelwellenposition und/oder der Motordrehzahl dem Steuergerät zur Auswertung bereitgestellt.
  • Beispielsweise zusätzlich weist der Verbrennungsmotor einen weiteren Sensor zur Bestimmung des Drucks und/oder der Temperatur im Luftansaugstutzen auf. Dieser Sensor ist zweckmäßigerweise Weise mit dem Steuergerät verbunden, sodass das Steuergerät anhand der vom Sensor ermittelten und bereitgestellten Werte die Motorlast bestimmen kann. Beispielsweise ist es zur Bestimmung der Motorlast zusätzlich vorgesehen, dem Steuergerät einen Wert, welcher eine Gaspedalstellung einer den Verbrennungsmotor aufweisenden Vorrichtung repräsentiert, und/oder ein Wert, welcher eine Stellung einer Drosselklappe repräsentiert zuzuführen.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    • 1 schematisch einen Verbrennungsmotor, welcher zwei Zylinder, einen mit den Zylindern verbundenen Luftansaugstutzen sowie einen einzigen Injektor zur Zentralpunkteinspritzung von Kraftstoff in den Luftansaugstutzen aufweist,
    • 2 einen schematischen Längsschnitt des als Pumpe-Düse-Injektor ausgebildeten Injektors, welcher eine Spule zum Bewegen eines Stempels aufweist, wobei bei einer bei einer Hubbewegung des Stempels zu einer Einspritzdüse hin Kraftstoff in den Luftansaugstutzen gefördert wird,
    • 3a,b jeweils eine zum Pumpe-Düse-Injektor parallel geschaltete Schaltung mit einer Freilaufdiode und mit einem Halbleiterschalter bzw. mit einer Z-Diode zur Erhöhung der Steilheit eines mittels der Spule induzierten Stroms, welcher nach Ende der die Hubbewegung bewirkenden Bestromung erzeugt wird,
    • 4a einen zeitlichen Verlauf des Stroms durch die Spule, wobei die Startzeitpunkte und die Endzeitpunkte der Einspritzung in Abhängigkeit der aktuellen Motorlast und der aktuellen Motordrehzahl eingestellt sind, und eine hierzu korrespondierende Hubposition des Stempels,
    • 4b einen zeitlichen Verlauf des Drucks im Luftansaugstutzen, und
    • 5 ein Bestromungsdauer-Einspritzmengen-Diagramm für einen Pumpe-Düse-Injektor.
  • Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In der 1 ist ein als Viertaktmotor ausgebildeter Verbrennungsmotor 2 dargestellt. Dieser weist zwei Zylinder 4 auf, welche zur Zuführung von Kraftstoff mit einem auch als Saugrohr bezeichneten Luftansaugstutzen 6 strömungstechnisch verbunden sind. Im Luftansaugstutzen 6 ist eine Drosselklappe 8 angeordnet, mittels welcher bei Betrieb die den Zylindern zugeführte Menge an Luft eingestellt wird. Des Weiteren weist der Verbrennungsmotor 2 einen einzigen Injektor 10 auf, welcher als Pumpe-Düse-Injektor ausgebildet ist, und welcher den Kraftstoff an einem einzigen (Einspritz-)Ort in den Luftansaugstutzen 6 einspritzt. Dies wird auch als Zentralpunkteinspritzung bezeichnet.
  • Des Weiteren weist der Verbrennungsmotor 2 eine Abgasanlage 12 auf, welche zur Abfuhr des in den Zylindern 4 gezündeten Kraftstoff-Luft-Gemischs dient.
  • Weiterhin ist eine Kurbelwelle 14 des Verbrennungsmotors 2 mit einem Polrad 16 gekoppelt, wobei sich das Polrad 16 bei einer Drehung der Kurbelwelle 14 entsprechend mitdreht. Auf diese Weise kann mittels des Polrades 16 und mittels eines als sogenannter VR-Sensor ausgebildeter ersten Sensors 18 eine (Winkel-) Position der Kurbelwelle 14 und/oder eine Motordrehzahl bestimmt werden.
  • Der Verbrennungsmotor 2 weist zudem ein (Motor-)Steuergerät 20 auf, welches sowohl mit dem als VR-Sensor ausgebildeten ersten Sensor 18 als auch mit dem Injektor 10 verbunden ist. Das Steuergerät 20 ist mit einem im Luftansaugstutzen 6 angeordneten, auch als TMAP-Sensor bezeichneten, zweiten Sensor 22 verbunden, welcher den Druck und die Temperatur im Luftansaugstutzen 6 erfasst und als Messwerte für das Steuergerät 20 bereitstellt. Mittels der Messwerte ermittelt das Steuergerät 20 die aktuelle Motorlast.
  • In der 2 ist der als Pumpe-Düse-Injektor ausgebildete Injektor 10 gezeigt. Dieser weist einen Stempel 24 sowie eine (Magnetspule) Spule 26 auf. Bei einer Bestromung der Spule 26 wird der Stempel 24 in eine Hubbewegung zu einer Einspritzdüse 28 hin versetzt. Aufgrund der Hubbewegung wird der in einer zwischen dem Stempel 24 und der Einspritzdüse 28 angeordneten Kraftstoffkammer 30 aufgenommene Kraftstoff durch die Einspritzdüse 28 in den Luftansaugstutzen 6 eingespritzt. Der Kraftstoffzulauf bzw. der Kraftstoffrücklauf in bzw. aus der Kraftstoffkammer 30 ist dabei mit entsprechenden Pfeilen repräsentiert. Zudem weist der Injektor 10 ein Federelement 32 auf, welches den Stempel 24 nach Ende der Bestromung der Spule 26, also nach Ende der Hubbewegung, zu einer Ausgangsposition hin zurück verstellt. Dabei wird nach Ende der Bestromung durch die Spule 26 ein Strom IS induziert. Aufgrund dessen wird eine magnetische Kraft erzeugt wird, welche der Rückstellwirkung des Federelements 32 entgegenwirkt. Folglich ist diejenige als Rücklaufzeit dR bezeichnete Zeitdauer, welche der Stempel 24 benötigt, um nach Beendigung der Hubbewegung in seine Ausgangsposition zurück verstellt zu werden, entsprechend verlängert. Um den in der Spule 26 induzierten Strom IS möglichst schnell abklingen zu lassen, mit anderen Worten, um eine Steilheit des Stromverlaufs IS(t) des mittels der Spule nach Beendigung der Bewegung induzierten Stromes IS zu erhöhen, ist eine Schaltung 34 parallel zum Injektor 10 geschaltet, welche in der 3a oder in einer dazu alternativen Ausgestaltung in der 3b dargestellt ist.
  • In den 3a und 3b ist das Steuergerät 20 ausschnittsweise gezeigt, wobei dieses eine Spannungsquelle 36 aufweist, welche über einen ersten Widerstand 38 an einen als Gate ausgebildeten Steuereingang eines als MOSFET (MetallOxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) ausgebildeten Schalters 40 angeschlossen ist.
  • Der Injektor 10 weist einen Steuergeräte-Anschluss 42 auf, mittels welchem der Injektor an das Steuergerät 20, insbesondere drainseitig an den Schalter 40 des Steuergeräts 20, angeschlossen ist. Zusätzlich zur Spule 26 weist der Injektor 10 einen zu dieser in Serie geschalteten zweiten Widerstand 44 sowie einen Versorgungseingang 46 für eine als Batterie ausgebildete weitere Spannungsquelle 48 auf.
  • Die zum Injektor 10 parallel geschaltete Schaltung 34 gemäß der 3a und 3b weist eine Freilaufdiode 50 auf, welche einen Stromfluss von der als Batterie ausgebildeten Spannungsquelle 48 über die parallel zum Injektor 10 geschaltete Schaltung 34 zum Steuergerät 20 hin verhindert, jedoch in Durchlassrichtung bezüglich der mittels der Spule 36 induzierten Stroms geschaltet ist.
  • Gemäß der Ausgestaltung der in der 3a gezeigten Schaltung 34 ist in Serie zur Freilaufdiode 50 ein als MOSFET ausgebildete Halbleiterschalter 54 zur Dissipation der in der Spule gespeicherten Energie sowie zur Begrenzung der am Steuergeräte-Anschluss 42 anliegend Spannung geschaltet. Dabei ist die Freilaufdiode 50 drainseitig am als MOSFET ausgebildeten Halbleiterschalter 54 angeschlossen. Sourceseitig ist der Halbleiterschalter 54 mit dem Versorgungseingang 46 des Injektors 10 verbunden.
  • In einen zwischen dem Source und dem Gate des Halbleiterschalters 54 verlaufenden Strompfad ist ein dritter Widerstand 56 geschaltet, zu welchem wiederum eine zweite Diode 58 parallel geschaltet ist. Die zweite Diode 58 weist dabei eine Durchlassrichtung vom Source zum Gate des Halbleiterschalters 54 auf. In einen zwischen dem Gate und der Freilaufdiode 50 verlaufenden Strompfad sind ein vierter Widerstand 60 sowie eine dritte Diode 62 mit einer Durchlassrichtung vom Gate des Halbleiterschalters 54 zur Freilaufdiode 50 geschaltet.
  • Gemäß der in der 3b gezeigten alternativen Ausgestaltung der Schaltung 34 weist diese weiterhin eine zur Freilaufdiode 50 in Serie geschaltete und bezüglich der Durchlassrichtung zur Freilaufdiode 50 gegengerichtete Z-Diode 52 auf, welche eine mittels der Spule 26 nach Ende deren Bestromung induzierte Spannung am Injektor und an dessen Steuergeräte-Anschluss begrenzt. Ferner dient die Z-Diode 52 der Dissipation der in der Spule gespeicherten Energie.
  • In der 4a ist ein zeitlicher Verlauf IS(t) des Stroms IS durch die Spule 26 dargestellt. Dabei ist auf der Abszissenachse die Kurbelwellenposition je Arbeitsspiel in °KW der Kurbelselle 14 angegeben. Dabei umfasst ein Arbeitsspiel 720°KW. Diese Kurbelwellenposition ist für eine Motordrehzahl, hier 3600 Umdrehungen/Minute (3600 min-1), direkt proportional zur Zeit t. Die Motordrehzahl wird zweckmäßigerweise mittels des als VR-Sensor ausgebildeten ersten Sensors 18 bestimmt. Die Motorlast entspricht hier einer Leistung von 15,5 kW, wobei die Motorlast mittels des (TMAP-Sensors) zweiten Sensors 22 bestimmt wird.
  • In der 4b ist ein korrespondierender zeitlicher Verlauf des auch als Saugrohrdruck bezeichneten Drucks im Luftansaugstutzen dargestellt. In analoger Weise zur 4a ist dabei auf der Abszissenachse die Kurbelwellenposition je Arbeitsspiel angegeben.
  • Der Verbrennungsmotor 2 ist in V-Bauweise ausgeführt. Dies ist insbesondere daran zu erkennen, dass eine Ansaugphase des ersten der beiden Zylinder 4, bei welcher der Saugrohrdruck entsprechend verringert ist, von 0°KW bis 180°KW und die Ansaugphase des zweiten Zylinders 4 von 270°KW bis 450°KW andauert. Zudem ist der Zündzeitpunkt ZP des ersten der beiden Zylinder 4 bei 360°KW und des zweiten Zylinders 4 bei 630°KW. Der sogenannte Zündpunktversatz (Zündzeitpunktversatz) beträgt also 270°KW.
  • Insbesondere aufgrund einer solchen V-Bauweise des Verbrennungsmotors 2 und der entsprechenden zeitlichen Verläufe der Ansaugphasen der Zylinder 4, wäre bei gleichmäßigen zeitlichen Abständen der Startpunkte SOI der Einspritzungen, also bei einem 360°KW entsprechenden zeitlichen Abstand für den Verbrennungsmotor 2 mit zwei Zylindern 4 und einem Arbeitsspiel von 720°KW, sowie bei gleicher Einspritzmenge EM die in den Zylindern 4 aufgenommene Kraftstoffmenge unterschiedlich. Infolgedessen wären ebenfalls die Luft-Kraftstoffverhältnisse der beiden Zylinder 4 entsprechend zu fett oder zu mager.
  • Um dies zu vermeiden wird, wie in der 4a dargestellt, der Startzeitpunk SOI, der Endzeitpunkt EOI der Einspritzung, sowie deren Einspritzmenge EM anhand des zeitlichen Stromverlaufs IS(t) der Spule 26 des Injektors 10 entsprechend der aktuellen Motorlast und der aktuellen Motordrehzahl eingestellt. Der Startzeitpunkt SOI der Einspritzung ist dabei derjenige Zeitpunkt, bei welchem die Spule 26 bestromt wird, um die Hubbewegung des Stempels 24 zu bewirken. Der Endzeitpunkt EOI der Einspritzung ist dabei derjenige Zeitpunkt, bei welchem die Spule 26 nicht weiter bestromt wird und infolgedessen die Hubbewegung des Stempels 24 zur Einspritzdüse 28 hin beendet ist. Die Einspritzmenge EM wird über den zeitlichen Abstand vom Startzeitpunkt SOI zum Endzeitpunkt EOI der Einspritzung eingestellt.
  • Für den ersten Zylinder 4 ist Startzeitpunkt SOI der Einspritzung bei 645°KW, der Endpunkt EOI der Einspritzung entsprechend bei 60°KW. Für den zweiten Zylinder 4 ist Startzeitpunkt SOI der Einspritzung bei 240 °KW und der Endzeitpunkt EOI der Einspritzung bei 375°KW.
  • Der Endzeitpunkt EOI der Einspritzung wird hierbei vorgegeben. Der Startzeitpunkt SOI der Einspritzung wird mittels Einspritzmenge EM bestimmt. Hierzu wird der in der 5 gezeigte Zusammenhang zwischen der Einspritzmenge und der Einspritzdauer dS , also der zeitlichen Dauer zwischen dem Endzeitpunkt EOI der Einspritzung und deren Startzeitpunkt SOI, herangezogen. Die Einspritzmenge beträgt hier 26 mg Kraftstoff je Zylinder 4 je Arbeitsspiel, was gemäß der 5 einer Einspritzdauer dS von 6,3 ms entspricht.
  • In 4a ist ebenfalls schematisch der zeitliche Verlauf H(t) der Hubposition H des Stempels 24 als strichpunktierte Linie dargestellt. Dabei entsprechen eine Hubposition H von Null (H=0) der Ausgangsposition und eins (H=1) der maximalen Hubposition. Die Steilheit des Stromverlaufs IS(t) ist mittels der Schaltung 34 in einer der Varianten der 3a oder 3b erhöht und die Stempelrücklaufzeit dR entsprechend verringert. Im Vergleich hierzu ist als punktierte Line der zeitliche Verlauf der Hubposition des Stempels 24 nach Ende der Bestromung der Spule 26 für die Einspritzung für den ersten Zylinder 4 bis zur Rückkehr in die Ausgangsposition des Stempels 24 für den Fall gezeigt, dass keine Schaltung 34 parallel zu dem Injektor 10 geschaltet ist. Die hierzu korrespondierende Stempelrücklaufzeit dR ist größer als die Stempelrücklaufzeit dR bei Verwendung der Schaltung 34. Also ist der Stempel 24 bei der Verwendung der Schaltung 34 schneller in dessen Ausgangsposition zurückgekehrt.
  • Bei Betrieb wird der Stempel 24 bevorzugt nach der Hubbewegung in dessen Ausgangsposition zurück verstellt. Somit ist es bei Verwendung der Schaltung 34 ermöglicht, dass der Startzeitpunkt SOI der Einspritzung zeitlich näher an den Endzeitpunkt EOI der vorangehenden Einspritzung eingestellt werden kann. Gemäß der Ausführung der 4a ist der Startpunkt SOI der Einspritzung zeitlich vor dem Erreichen der Ausgangsposition (H=0) des Stempels 24 ohne Verwendung der Schaltung 34, was entsprechend mittels der punktierten Linie dargestellt ist.
  • Zusammenfassend werden also der Startzeitpunkt SOI der Einspritzung, deren Endzeitpunkt EOI bzw. deren Einspritzmenge EM in Abhängigkeit einer Stempelrücklaufzeit dR des Stempels 24 eingestellt.
  • Weiter zusammenfassend ist für jeden der Zylinder 4 jeweils die Einspritzmenge EM des Kraftstoffs sowie der Startzeitpunkt SOI der Einspritzung in Abhängigkeit der aktuellen Motorlast und der aktuellen Motordrehzahl anhand von im Steuergerät 20 hinterlegten Zusammengängen ermittelt. Anschließend werden die Einspritzmenge EM des Kraftstoffs sowie der Startzeitpunkt SOI entsprechend eingestellt.
  • Gemäß einer nicht weiter dargestellten Variante werden die Einspritzmengen EM der Zylinder 4 derart eingestellt, dass diese unterschiedlich sind. Hierbei wird die Bestromungsdauer dS der Spule 26, also der Dauer vom Startzeitpunkt SOI der Einspritzung bis zum Endzeitpunkt EOI der Einspritzung, entsprechend des in der 5 gezeigten Zusammenhangs eingestellt.
  • In der 5 ist ein Diagramm gezeigt, welches den Zusammenhang der Einspritzmenge EM und der Bestromungsdauer dS der Spule 26 zur Erzeugung der Hubbewegung des Stempels 24 darstellt. Hierbei nimmt die Einspritzmenge EM mit größer werdender Bestromungsdauer bis zu einer Zeitdauer dmax stetig zu und fällt anschließend wieder ab. Diesem Verlauf liegt die Tatsache zugrunde, dass ab der Bestromungsdauer dmax der Stempel 24 innerhalb einer durch die Motordrehzahl bestimmten Zeitdauer nicht ausreichend Zeit hat, um nach Ende der Bestromung der Spule 26 in dessen Ausgangsposition (Startposition) zurückverstellt zu werden, bevor die Spule 26 für die darauffolgende Hubbewegung erneut bestromt wird. Folglich kann die folgende Hubbewegung nicht mit der maximal möglichen Hubdistanz ausgeführt und entsprechend weniger Kraftstoff gefördert werden. Dieser Zusammenhang ist auf dem Steuergerät 20 hinterlegt.
  • Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Verbrennungsmotor
    4
    Zylinder
    6
    Luftansaugstutzen
    8
    Drosselklappe
    10
    Injektor
    12
    Abgasanlage
    14
    Kurbelwelle
    16
    Polrad
    18
    erster Sensor/VR-Sensor
    20
    Steuergerät
    22
    zweiter Sensor/TMAP-Sensor
    24
    Stempel
    26
    Spule
    28
    Einspritzdüse
    30
    Kraftstoffkammer
    32
    Federelement
    34
    Schaltung
    36
    Spannungsquelle
    38
    erster Widerstand
    40
    Schalter des Steuergeräts
    42
    Steuergeräte-Anschluss
    44
    zweiter Widerstand
    46
    Versorgungseingang des Injektors
    48
    Spannungsquelle/Batterie
    50
    Freilaufdiode
    52
    Z-Diode
    54
    Halbleiterschalter
    56
    dritter Widerstand
    58
    zweite Diode
    60
    vierter Widerstand
    62
    dritte Diode
    dmax
    Zeitdauer
    dR, dR'
    Stempelrücklaufzeit
    dS
    Bestromungsdauer
    EM
    Einspritzmenge
    EOI
    Endzeitpunkt
    H
    Hubposition
    H(t)
    zeitlicher Verlauf der Hubposition
    IS
    Strom durch die Spule
    IS(t)
    Stromverlauf
    SOI
    Startzeitpunkt
    ZP
    Zündzeitpunkt

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors (2) mit mindestens zwei Zylindern (4) und mit einem einzigen Injektor (10) zur Zentralpunkteinspritzung von Kraftstoff in einen mit den Zylindern (4) verbundenen Luftansaugstutzen (6), - wobei für jeden der Zylinder (4) jeweils eine Einspritzmenge (EM) des Kraftstoffs sowie ein Startzeitpunkt (SOI) der Einspritzung in Abhängigkeit der aktuellen Motorlast und/oder der aktuellen Motordrehzahl ermittelt und eingestellt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Endzeitpunkt (EOI) der Einspritzung vorgegeben und mittels deren Einspritzmenge (EM) deren Startzeitpunkt (SOI) bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Injektor (10) ein Pumpe-Düse-Injektor mit einer Spule (26) zum Bewegen eines Stempels (24) ist, welcher bei einer Hubbewegung zu einer Einspritzdüse (28) hin den Kraftstoff fördert, dadurch gekennzeichnet, dass der Startzeitpunkt der Einspritzung (SOI), deren Endzeitpunkt (EOI) und/oder deren Einspritzmenge (EM) anhand eines zeitlichen Stromverlaufs (IS(t)) der Spule (26) des Injektors (10) eingestellt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Startzeitpunkt (SOI) der Einspritzung, deren Endzeitpunkt (EOI) und/oder deren Einspritzmenge (EM) in Abhängigkeit einer Stempelrücklaufzeit (dR) des Stempels (24) eingestellt werden.
  5. Verfahren nach einem der Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempelrücklaufzeit (dR) mittels einer Erhöhung der Steilheit des Stromverlaufs (IS(t)) des nach Ende der die Hubbewegung bewirkenden Bestromung mittels der Spule induzierten Stroms reduziert wird.
  6. Verbrennungsmotor (2) mit mindestens zwei Zylindern (4), mit einem einzigen Injektor (10) zur Zentralpunkteinspritzung von Kraftstoff in einen mit den Zylindern (4) verbundenen Luftansaugstutzen (6) sowie mit einem Steuergerät (20) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
  7. Verbrennungsmotor (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (10) ein Pumpe-Düse-Injektor mit einem Stempel (24) ist, welcher bei einer Hubbewegung zu einer Einspritzdüse (28) hin den Kraftstoff fördert, und mit einer Spule (26), welche im bestromten Zustand die Hubbewegung des Stempels (24) zur Einspritzdüse hin bewirkt.
  8. Verbrennungsmotor (2) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine parallel zum Injektor (10) geschaltete Schaltung (34) zur Erhöhung der Steilheit des Stromverlaufs (IS(t)) des nach Ende der Bestromung der Spule (26) mittels dieser induzierten Stroms (IS), sowie zur Begrenzung einer Spannung an einem Steuergeräte-Anschluss (42) des Injektors.
  9. Verbrennungsmotor (2) nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (34) sowohl eine Freilaufdiode (50) als auch eine zu dieser in Serie und gegengerichtet geschaltete Z-Diode (52) oder einen zu dieser in Serie geschalteten Halbleiterschalter (54) zur Dissipation der in der Spule (26) gespeicherten Energie aufweist.
  10. Verbrennungsmotor (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 9 , gekennzeichnet durch einen mit dem Steuergerät (20) verbundenen Sensor (18) zur Bestimmung der Position einer Kurbelwelle (14) und/oder einer Motordrehzahl anhand eines mit der Kurbelwelle (14) gekoppelten Polrads (16).
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