DE102020003435A1 - Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, wobei für die ersten Arbeitsspiele (AS1 bis AS4) bei einem Kaltstart bis zur Erreichung einer Startende-Drehzahl eine Kraftstoffmenge in mindestens zwei Teilmengen eingespritzt wird, wobei eine erste Einspritzung (E1) und anschließend eine zweite Einspritzung (E2) erfolgt, wobei während der ersten zwei Arbeitsspiele (AS1, AS2) ein Ansteuerende (E1E) der ersten Einspritzung (E1) etwa zeitgleich mit einem Zündzeitpunkt (ZZP) erfolgt, wobei nach einer kurzen Einspritzpause von wenigen Grad Kurbelwinkel (φ) eine zweite Einspritzung (E2) erfolgt, bei der die zweite Teilmenge eingespritzt wird, wobei ab dem dritten Arbeitsspiel (AS3) die erste Einspritzung (E1) vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) und die zweite Einspritzung (E2) im Kurbelwinkelbereich des Zündzeitpunkts (ZZP) erfolgt, wobei die Zeitpunkte der Einspritzungen (E1, E2) sukzessive weiter vor einen oberen Totpunkt (ZOT) verschoben werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1.
  • Ein schneller und sicherer Motorstart ist auch bei niedrigen Außentemperaturen erwünscht. Um die Schadstoffemissionen zu begrenzen, sind Aussetzer und unvollständige Verbrennungen zu vermeiden. Besondere Schwierigkeiten bezüglich des sicheren und emissionsarmen Motorstarts ergeben sich bei sehr niedrigen Ansaugluft- und Motortemperaturen sowie bei der Verwendung von Kraftstoffen mit niedrigem Dampfdruck und großer Verdampfungswärme bzw. Verdampfungsenthalpie, beispielsweise bei Alkoholen (Methanol, Ethanol).
  • Die DE 10 2004 017 988 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung. Nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine wird zunächst eine Voreinspritzung einer ersten Kraftstoffmenge in einem Ansaughub der Brennkraftmaschine in den Brennraum eingespritzt, mit welcher im Wesentlichen in dem gesamten Brennraum ein homogenes, mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet wird, und anschließend wird eine Haupteinspritzung einer zweiten Kraftstoffmenge in einem Arbeitshub der Brennkraftmaschine unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt in den Brennraum eingespritzt, mit welcher im Bereich der Zündkerze ein geschichtetes, fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet wird. Dabei wird die Haupteinspritzung als Mehrfacheinspritzung mit mehreren Schichteinspritzungen in zeitlich kurzer Abfolge durchgeführt. Auf diese Weise werden die Schadstoffemissionen sowie der Kraftstoffverbrauch nach dem Kaltstart reduziert, und gleichzeitig kann auf eine konstruktiv aufwendige Sekundärlufteinblasung verzichtet werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors wird für die ersten Arbeitsspiele bei einem Kaltstart bis zur Erreichung einer Startende-Drehzahl eine Kraftstoffmenge in mindestens zwei Teilmengen eingespritzt, wobei eine erste Einspritzung und anschließend eine zweite Einspritzung erfolgt, wobei während der ersten zwei Arbeitsspiele ein Ansteuerende der ersten Einspritzung etwa zeitgleich mit einem Zündzeitpunkt erfolgt, wobei nach einer kurzen Einspritzpause von wenigen Grad Kurbelwinkel eine zweite Einspritzung erfolgt, bei der die zweite Teilmenge eingespritzt wird. Ab dem dritten Arbeitsspiel erfolgt die erste Einspritzung vor dem Zündzeitpunkt und die zweite Einspritzung erfolgt im Kurbelwinkelbereich des Zündzeitpunkts, wobei die Zeitpunkte der Einspritzungen sukzessive weiter vor einen oberen Totpunkt verschoben werden.
  • Diese Nacheinspritzung ist insbesondere bei Methanolkraftstoff bezüglich der Partikelemission unproblematisch.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt einen schnellen und sicheren Motorstart, reduzierten Kraftstoffverbrauch, verringerte Schadstoffemissionen und verringerten Kraftstoffeintrag ins Motoröl.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
    • 1 ein schematisches Diagramm mit einem Verlauf eines Zylinderdrucks über einem Kurbelwinkel zur Darstellung einer Einspritzstrategie, und
    • 2 ein schematisches Diagramm mit Einspritzsignalen und Zündsignalen über dem Kurbelwinkel.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff, insbesondere von Kraftstoff mit niedrigem Dampfdruck, beispielsweise Methanol, beim Kaltstart eines Verbrennungsmotors. Ein schneller und sicherer Motorstart des Verbrennungsmotors soll auch bei niedrigen Außentemperaturen erreicht werden.
  • Für das erste Arbeitsspiel mit Verbrennung wird die Kraftstoffmenge in mindestens zwei Teilmengen eingespritzt. Dabei erfolgt die erste Einspritzung E1 als sogenannte zündgekoppelte Einspritzung, das heißt das Ansteuerende E1E der ersten Einspritzung E1 erfolgt etwa zeitgleich mit einem Zündzeitpunkt ZZP. Nach einer kurzen Einspritzpause von wenigen Grad Kurbelwinkel φ erfolgt eine zweite Einspritzung E2, bei der die zweite Teilmenge in die Flamme eingespritzt wird. Diese Nacheinspritzung ist insbesondere bei Methanolkraftstoff bezüglich der Partikelemission unproblematisch.
  • Beispielsweise kann der Zündzeitpunkt ZZP bei einem Kurbelwinkel φ von 9° bis 29° vor dem oberen Totpunkt (Zünd-OT) liegen. Das Ansteuerende E1E der ersten Einspritzung E1 kann beispielsweise bei einem Kurbelwinkel φ von 2° vor dem Zündzeitpunkt ZZP bis 8° nach dem Zündzeitpunkt ZZP liegen. Der Ansteuerbeginn E2B der zweiten Einspritzung E2 kann beispielsweise bei einem Kurbelwinkel φ von 2° bis 12° nach dem Ansteuerende E1E der ersten Einspritzung E1 liegen. Die Mengenaufteilung des Kraftstoffes zwischen der ersten Einspritzung E1 und der zweiten Einspritzung E2 kann beispielsweise von 70/30 bis 90/10 betragen. Der Einspritzdruck kann beispielsweise von 120 bar bis 200 bar betragen.
  • 1 zeigt ein schematisches Diagramm mit einem Verlauf eines Zylinderdrucks pz über einem Kurbelwinkel φ zur Darstellung einer beispielhaften Einspritzstrategie. Während des Verdichtungstaktes steigt der Zylinderdruck pz stetig an. Der Zündzeitpunkt ZZP liegt während der ersten Einspritzung E1 bei einem Kurbelwinkel φ von 19° vor dem oberen Totpunkt (Zünd-OT), der bei einem Kurbelwinkel φ von 0 definiert ist. Das Ansteuerende E1E der ersten Einspritzung E1 liegt bei einem Kurbelwinkel φ von 16° vor dem oberen Totpunkt (Zünd-OT), der Ansteuerbeginn E2B der zweiten Einspritzung E2 bei einem Kurbelwinkel φ von 7° nach dem Ansteuerende E1E der ersten Einspritzung E1 beziehungsweise 9° vor dem oberen Totpunkt (Zünd-OT), die Mengenaufteilung des Kraftstoffes zwischen der ersten Einspritzung E1 und der zweiten Einspritzung E2 beträgt 80/20 und der Einspritzdruck 160 bar.
  • Bei den darauffolgenden Arbeitsspielen wird die Kraftstoffmenge ebenfalls in mindestens zwei Teilmengen eingespritzt. Dabei werden die Einspritzungen jedoch sukzessiv in Richtung „früh“ verschoben. Somit bleibt nur im zweiten Arbeitsspiel die erste Einspritzung noch im Bereich der Zündung und die zweite Einspritzung erfolgt als Nacheinspritzung in die Flamme. Ab dem dritten Arbeitsspiel erfolgt die erste Einspritzung vor der Zündung und die zweite Einspritzung erfolgt im Kurbelwinkelbereich der Zündung (sogenannte „zündgekoppelte Einspritzung“).
  • 2 zeigt ein schematisches Diagramm mit Einspritzsignalen und Zündsignalen über dem Kurbelwinkel φ für die ersten vier Arbeitsspiele AS1 bis AS4.
  • Bei einem ersten Arbeitsspiel AS1 wird beispielsweise in den vierten Zylinder eines Vierzylindermotors eine erste Einspritzung E1 bei einem Kurbelwinkel φ von beispielsweise 34° vor dem oberen Totpunkt ZOT begonnen. Der Zündzeitpunkt ZZP wird mittels eines Zündsignals festgelegt und liegt beispielsweise bei einem Kurbelwinkel φ von 19° vor dem oberen Totpunkt ZOT noch während der ersten Einspritzung E1. Eine zweite Einspritzung E2 erfolgt als Nacheinspritzung in die Flamme und endet beispielsweise bei einem Kurbelwinkel φ von 2° vor dem oberen Totpunkt ZOT.
  • Bei einem zweiten Arbeitsspiel AS2 wird beispielsweise in den zweiten Zylinder eine erste Einspritzung E1 bei einem Kurbelwinkel φ von beispielsweise 70° vor dem oberen Totpunkt ZOT begonnen. Der Zündzeitpunkt ZZP liegt beispielsweise bei einem Kurbelwinkel φ von 36° vor dem oberen Totpunkt ZOT noch während der ersten Einspritzung E1. Eine zweite Einspritzung E2 erfolgt als Nacheinspritzung in die Flamme und endet beispielsweise bei einem Kurbelwinkel φ von 3° vor dem oberen Totpunkt ZOT.
  • Bei einem dritten Arbeitsspiel AS3 wird beispielsweise in den ersten Zylinder eine erste Einspritzung E1 bei einem Kurbelwinkel φ von beispielsweise 144° vor dem oberen Totpunkt ZOT begonnen. Der Zündzeitpunkt ZZP liegt beispielsweise bei einem Kurbelwinkel φ von 39° vor dem oberen Totpunkt ZOT und nach dem Ende der ersten Einspritzung E1. Eine zweite Einspritzung E2 erfolgt im Kurbelwinkelbereich der Zündung und endet beispielsweise bei einem Kurbelwinkel φ von 30° vor dem oberen Totpunkt ZOT.
  • Bei einem vierten Arbeitsspiel AS4 wird beispielsweise in den dritten Zylinder eine erste Einspritzung E1 bei einem Kurbelwinkel φ von beispielsweise 204° vor dem oberen Totpunkt ZOT begonnen. Der Zündzeitpunkt ZZP liegt beispielsweise bei einem Kurbelwinkel φ von 42° vor dem oberen Totpunkt ZOT und nach dem Ende der ersten Einspritzung E1. Eine zweite Einspritzung E2 erfolgt im Kurbelwinkelbereich der Zündung und endet beispielsweise bei einem Kurbelwinkel φ von 32° vor dem oberen Totpunkt ZOT.
  • In einer Ausführungsform wird der Verbrennungsmotor mit einem strombasierten, synthetischen Kraftstoff (sog. e-Fuel) betrieben. Der Kraftstoff kann ein Alkohol oder ein Benzin-Alkohol-Gemisch sein. Insbesondere besteht der Kraftstoff aus Methanol oder aus einem Benzin-Methanol-Gemisch oder enthält diese Substanzen. Der Alkoholanteil im Kraftstoff kann beispielsweise mehr als 50 % betragen. Der Motor kann mit Direkteinspritzung und Einspritzdrücken größer als 150 bar ausgeführt sein. Ein Einspritzventil kann zentral im Zylinderkopf angeordnet sein. In einer Ausführungsform weist das Einspritzventil zwischen fünf und sieben Einzelstrahlen auf. Dabei kann insbesondere mindestens einer der Einzelstrahlen zur Zündung wenigstens annähernd auf eine Zündkerze gerichtet sein, wodurch ein sogenanntes strahlgeführtes Brennverfahren realisiert werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt einen schnellen und sicheren Motorstart, reduzierten Kraftstoffverbrauch, verringerte Schadstoffemissionen und verringerten Kraftstoffeintrag ins Motoröl.
  • Der Verbrennungsmotor für Alkoholkraftstoffe kann mit einer Hochdruck-Direkteinspritzung oder mit einer dualen Einspritzung, insbesondere einer Kombination aus einer Hochdruck-Direkteinspritzung und einer Saugrohreinspritzung mit elektromagnetisch betätigten Einspritzventilen, ausgeführt sein.
  • Das Verfahren zum Betreiben des Verbrennungsmotors kann vorsehen, den Verbrennungsmotor beim Kaltstart gemäß der oben beschriebenen Einspritzstrategie mittels Hochdruck-Direkteinspritzung bei einem hohen Einspritzdruck von zumindest 300 bar sicher und emissionsarm zu starten, anschließend einen Katalysator-Heizbetrieb zu starten, wobei weiterhin eine Direkteinspritzung mit hohem Einspritzdruck erfolgt, wobei zusätzlich eine Saugrohreinspritzung erfolgen kann (kombinierte Einspritzung). Sobald der Katalysator eine ausreichende Betriebstemperatur erreicht hat, erfolgt eine Umschaltung auf reine Saugrohreinspritzung, wobei gleichzeitig der Einspritzdruck im Hochdruck-Einspritzsystem auf Werte unter 200 bar reduziert wird.
  • Im Nennleistungsbereich (beispielsweise bei einer Leistung P > 0,8 * PNenn) kann, um dem Verbrennungsmotor die erforderliche Kraftstoffmenge zuführen zu können, der Kraftstoff über beide Einspritzsysteme zugeführt werden.
  • Als Vorteile ergeben sich ein sicherer und emissionsarmer Kaltstart und eine hohe Lebensdauer bzw. hohe Laufleistung des Verbrennungsmotors. Auf eine leistungsfähigere Hochdruckpumpe kann verzichtet werden. Die Pumpenantriebsleistung und damit die mechanische Verlustleistung des Verbrennungsmotors wird reduziert. Ferner reduziert sich der Kraftstoffverbrauch und es entstehen verringerte Schadstoffemissionen. Somit wird erreicht, dass die Betriebszeit des Hochdruck-Direkteinspritzsystems möglichst gering ist und insgesamt eine hohe Laufleistung des Verbrennungsmotors ohne Schäden erreicht werden kann.
  • In einer Ausführungsform wird der Verbrennungsmotor mit einem strombasierten, synthetischen Kraftstoff (sog. e-Fuel) betrieben. Der Kraftstoff kann ein Alkohol oder ein Benzin-Alkohol-Gemisch sein. Insbesondere besteht der Kraftstoff aus Methanol oder aus einem Benzin-Methanol-Gemisch oder enthält diese Substanzen. Der Alkoholanteil im Kraftstoff kann beispielsweise mehr als 50 % betragen. Der Motor ist mit Direkteinspritzung und Einspritzdrücken größer als 300 bar ausgeführt. Die Saugrohreinspritzung oder Kanaleinspritzung kann mit Drücken zwischen 5 bar und 10 bar erfolgen. Einspritzventile für die Direkteinspritzung und die Saugrohreinspritzung oder Kanaleinspritzung werden elektromagnetisch betätigt.
  • Bezugszeichenliste
    • AS1 bis AS4
    Arbeitsspiel
    E1
    erste Einspritzung
    E1E
    Ansteuerende der ersten Einspritzung
    E2
    zweite Einspritzung
    E2B
    Ansteuerbeginn der zweiten Einspritzung
    pz
    Zylinderdruck
    ZOT
    oberer Totpunkt
    ZZP
    Zündzeitpunkt
    φ
    Kurbelwinkel
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102004017988 A1 [0003]

Claims (5)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, wobei für die ersten Arbeitsspiele (AS1 bis AS4) bei einem Kaltstart bis zur Erreichung einer Startende-Drehzahl eine Kraftstoffmenge in mindestens zwei Teilmengen eingespritzt wird, wobei eine erste Einspritzung (E1) und anschließend eine zweite Einspritzung (E2) erfolgt, wobei während der ersten zwei Arbeitsspiele (AS1, AS2) ein Ansteuerende (E1E) der ersten Einspritzung (E1) etwa zeitgleich mit einem Zündzeitpunkt (ZZP) erfolgt, wobei nach einer kurzen Einspritzpause von wenigen Grad Kurbelwinkel (φ) eine zweite Einspritzung (E2) erfolgt, bei der die zweite Teilmenge eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ab dem dritten Arbeitsspiel (AS3) die erste Einspritzung (E1) vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) und die zweite Einspritzung (E2) im Kurbelwinkelbereich des Zündzeitpunkts (ZZP) erfolgt, wobei die Zeitpunkte der Einspritzungen (E1, E2) sukzessive weiter vor einen oberen Totpunkt (ZOT) verschoben werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kraftstoff ein mittels Strom synthetisierter Kraftstoff, insbesondere ein Alkohol oder ein Benzin-Alkohol-Gemisch, vorzugsweise Methanol oder ein Benzin-Methanol-Gemisch, verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Alkoholanteil im Kraftstoff mehr als 50 % beträgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim ersten Arbeitsspiel (AS1) der Zündzeitpunkt (ZZP) bei einem Kurbelwinkel (φ) von 9° bis 29°, insbesondere 19°, vor dem oberen Totpunkt (ZOT) liegt und/oder dass das Ansteuerende (E1E) der ersten Einspritzung (E1) bei einem Kurbelwinkel (φ) von 2° vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) bis 8° nach dem Zündzeitpunkt (ZZP), insbesondere bei einem Kurbelwinkel (φ) von 16° vor dem oberen Totpunkt (ZOT), liegt und/oder dass der Ansteuerbeginn (E2B) der zweiten Einspritzung (E2) bei einem Kurbelwinkel (φ) von 2° bis 12° nach dem Ansteuerende (E1E) der ersten Einspritzung (E1), insbesondere bei einem Kurbelwinkel (φ) von 7° nach dem Ansteuerende (E1E) der ersten Einspritzung (E1), liegt und/oder dass eine Mengenaufteilung des Kraftstoffes zwischen der ersten Einspritzung (E1) und der zweiten Einspritzung (E2) in einem Bereich von 70/30 bis 90/10, insbesondere bei 80/20, liegt und/oder dass ein Einspritzdruck in einem Bereich von 120 bar bis 200 bar, insbesondere bei 160 bar, liegt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim ersten Arbeitsspiel (AS1) die erste Einspritzung (E1) bei einem Kurbelwinkel (φ) von 34° vor dem oberen Totpunkt (ZOT) begonnen wird und der Zündzeitpunkt (ZZP) bei einem Kurbelwinkel φ von 19° vor dem oberen Totpunkt (ZOT) noch während der ersten Einspritzung (E1) liegt, wobei eine zweite Einspritzung (E2) als Nacheinspritzung in die Flamme erfolgt und bei einem Kurbelwinkel (φ) von 2° vor dem oberen Totpunkt (ZOT) endet, wobei beim zweiten Arbeitsspiel (AS2) die erste Einspritzung (E1) bei einem Kurbelwinkel (φ) von 70° vor dem oberen Totpunkt (ZOT) begonnen wird und der Zündzeitpunkt (ZZP) bei einem Kurbelwinkel (φ) von 36° vor dem oberen Totpunkt (ZOT) noch während der ersten Einspritzung (E1) liegt, wobei die zweite Einspritzung (E2) als Nacheinspritzung in die Flamme erfolgt und bei einem Kurbelwinkel (φ) von 3° vor dem oberen Totpunkt (ZOT) erfolgt, wobei beim dritten Arbeitsspiel (AS3) die erste Einspritzung (E1) bei einem Kurbelwinkel (φ) von 144° vor dem oberen Totpunkt (ZOT) begonnen wird und der Zündzeitpunkt (ZZP) bei einem Kurbelwinkel (φ) von 39° vor dem oberen Totpunkt (ZOT) und nach dem Ende der ersten Einspritzung (E1) liegt, wobei die zweite Einspritzung (E2) im Kurbelwinkelbereich der Zündung erfolgt und bei einem Kurbelwinkel (φ) von 30° vor dem oberen Totpunkt (ZOT) endet, wobei beim vierten Arbeitsspiel (AS4) die erste Einspritzung (E1) bei einem Kurbelwinkel (φ) von 204° vor dem oberen Totpunkt (ZOT) begonnen wird, wobei der Zündzeitpunkt (ZZP) bei einem Kurbelwinkel (φ) von 42° vor dem oberen Totpunkt (ZOT) und nach dem Ende der ersten Einspritzung (E1) liegt, wobei die zweite Einspritzung (E2) im Kurbelwinkelbereich der Zündung erfolgt und bei einem Kurbelwinkel (φ) von 32° vor dem oberen Totpunkt (ZOT) endet.
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DE102004017988A1 (de) 2004-04-14 2005-11-03 Daimlerchrysler Ag Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung

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