DE102020211774A1

DE102020211774A1 - Verfahren zum Betreiben einer wenigstens ein Gasventil aufweisenden Brennkraftmaschine, Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine und Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102020211774A1
Application number: DE102020211774.8A
Authority: DE
Inventors: Marcus Marheineke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-09-21
Filing date: 2020-09-21
Publication date: 2022-03-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer wenigstens ein Gasventil (10) aufweisenden Brennkraftmaschine (1), bei dem beim Regelbetrieb der Brennkraftmaschine (1) in einen Brennraum (3) eines Zylinders (2) der Brennkraftmaschine (1) während eines Ansaugtakts eines Kolbens (4) zumindest mittelbar durch Öffnen eines Ventilglieds (13) an dem Gasventil (10) unter Überdruck stehendes, brennbares Gas eingeblasen wird, das anschließend durch Aktivierung einer Zündkerze (7) während einer Arbeitstakts des Kolbens (4) entzündet wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer wenigstens ein Gasventil aufweisenden Brennkraftmaschine. Eine derartige Brennkraftmaschine, die typischerweise in Kraftfahrzeugen eingebaut ist, zeichnet sich durch Gasventile aus, die unter Verwendung von Erdgas oder Wasserstoff anstelle von Benzin, wie bei konventionellen Einspritzventilen, betrieben werden können. Ferner betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung für eine derartige Brennkraftmaschine sowie ein Computerprogrammprodukt zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. als Bestandteil der Steuereinrichtung.
Stand der Technik
Als Ersatz für konventionelle, Benzin einspritzende Einspritzventile in fremdgezündeten Brennkraftmaschinen sind beispielsweise aus der DE 10 2015 202 477 A1 Gasventile bekannt, die dazu ausgebildet sind, alternativ zu den konventionellen Einspritzventilen Gas in den Brennraum der Brennkraftmaschine einzublasen. Mittels derartiger, an sich bekannter Gasventile lässt sich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in einem sogenannten Regelbetrieb betreiben, indem während eines Ansaugtaktes, bei dem sich der Kolben in dem Brennraum der Brennkraftmaschine nach unten bewegt, über ein geöffnetes Ventilelement des Gasventils zumindest mittelbar Gas in den Brennraum eingeblasen wird. Bei einem anschließenden, bei geschlossenem Ventilelement stattfindenden Verdichtungstakt wird das eingeblasene Gas im Zylinder durch den Kolben komprimiert und anschließend durch eine Zündkerze gezündet. Die damit ausgelöste Expansion des Gases treibt den Kolben während des Arbeitstaktes an, wobei der Kolben über eine Kurbelwelle mit dem Antriebsstrang des Fahrzeugs verbunden ist.
Gasventile zeichnen sich darüber hinaus zusätzlich durch die Notwendigkeit aus, bei geschlossenem Ventilelement des Gaselements eine hinreichend hohe Dichtigkeit zu erzielen, um zu vermeiden, dass Gas in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt.
Insbesondere über die Lebensdauer eines derartigen Gasventils betrachtet ist nicht immer sichergestellt, dass stets eine hinreichend große Dichtigkeit erzielbar ist. Dies kann zur Folge haben, dass während einer Stillstandsphase der Brennkraftmaschine in unerwünschter Weise Gas in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt (entsprechende Kolbenstellung vorausgesetzt), sodass bei der Wiederinbetriebnahme der Brennkraftmaschine eine mechanische Überlastung von Bauteilen erfolgen kann, hervorgerufen durch einen zu hohen Druck nach der Zündung des Gasgemisches aufgrund der zusätzlichen, bereits im Brennraum befindlichen Gasmenge, das auch als Restgas bezeichnet wird.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer wenigstens ein Gasventil aufweisenden Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass auch bei einem ggf. eine gewisse Undichtigkeit aufweisenden Gasventil ein sicherer Betrieb bzw. ein sicheres Starten der Brennkraftmaschine erzielt wird, ohne dass mechanische Überlastungen bzw. Beschädigungen der Brennkraftmaschine auftreten können.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, während den ersten Takten bzw. Umdrehungen der Kurbelwelle das ggf. in dem Brennraum der Brennkraftmaschine vorhandene, zündfähige (Rest-) Gas auszuspülen bzw. nicht zur Verbrennung zu bringen und erst dann (neues) Gas in den Brennraum aktiv einzublasen, wenn davon ausgegangen wird, dass sich kein (Rest-) Gas mehr im Brennraum befindet.
Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen schlägt daher das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer wenigstens ein Gasventil aufweisenden Brennkraftmaschine vor, dass bei einem Startvorgang der Brennkraftmaschine vor Aufnahme des Regelbetriebs das Ventilelement des Gasventils und die Zündkerze nicht aktiviert werden, sodass ggf. in dem Brennraum vorhandenes (Rest-) Gas aus dem Brennraum ausgespült wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Beim Startvorgang der Brennkraftmaschine ist es einerseits erforderlich, dass eventuell in dem Brennraum der Brennkraftmaschine vorhandenes Restgas vor der ersten Zündung sicher ausgespült wurde. Auf der anderen Seite ist es wünschenswert, ein möglichst rasches bzw. schnelles Starten der Brennkraftmaschine zu ermöglichen, alleine schon deshalb, um dem Nutzer bzw. Fahrer nicht den Eindruck zu vermitteln, dass das Starten der Brennkraftmaschine Probleme verursacht. Typischerweise sammelt sich in dem Brennraum einer Brennkraftmaschine umso mehr Gas an, desto länger die vorausgehende Betriebspause der Brennkraftmaschine ist und/oder desto größer eine evtl. vorhandene Undichtigkeit bei geschlossenem Ventilglied des Gasventils ist. Weiterhin wird angemerkt, dass es steuerungstechnisch ggf. möglich bzw. bereits aus anderen Gründen vorgesehen sein kann, den Zeitraum bzw. die Zeitdauer einer Betriebspause der Brennkraftmaschine durch entsprechende Zähler bzw. Einrichtungen einer Steuereinrichtung zu erfassen.
Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen werden daher zwei unterschiedliche Verfahren vorgeschlagen, die mit Blick auf die oben genannten Anmerkungen eine Optimierung des Startvorgangs ermöglichen: In einer ersten Variante ist es vorgesehen, dass die Nichtaktivierung von Ventilelement und Zündkerze während einer bestimmten Anzahl von Ansaug- und Arbeitstakten erfolgt. Ein derartiges Vorgehen ist immer dann sinnvoll, wenn nicht bekannt ist, wie lange eine vorhergehende Betriebspause der Brennkraftmaschine gedauert hat. Dabei ist die Anzahl typischerweise so groß zu wählen, dass auch eine relativ lange Betriebspause zu einer hinreichend sicheren Spülung bzw. entfernen von ggf. vorhandenem Gas aus dem Brennraum führt.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Nichtaktivierung von Ventilelement und Zündkerze während einer bestimmten Zeitdauer erfolgt. In diesem Fall ist es somit nicht erforderlich, die Anzahl der Ansaug- bzw. Arbeitstakte zu erfassen, sondern es genügt, einen (Zeit-) Zähler zu verwenden, der solange eine Zündung bzw. das Einblasen von Gas in den Brennraum verhindert, solange der Zähler nicht abgelaufen ist.
Insbesondere ist es unabhängig von den beiden vorgeschlagenen Verfahren sinnvoll bzw. vorteilhaft, dass die Anzahl von Ansaug- und Arbeitstakten bzw. die Zeitdauer anhand eines Zeitraums seit dem letzten Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgt, derart, dass bei einem längeren Zeitraum eine größere Anzahl bzw. eine längere Zeitdauer ausgewählt wird.
In Weiterbildung eines derartigen Vorschlags ist es vorgesehen, dass eine Mindest- und eine Höchstanzahl von Takten bzw. eine minimale und eine maximale Zeitdauer vorgesehen ist, während derer keine Aktivierung von Gasventil und Zündkerze erfolgt. Ergänzend wird erwähnt, dass beispielsweise ein linearer Zusammenhang zwischen der Anzahl der Takte bzw. der Zeitdauer in Abhängigkeit der Dauer der Betriebspause der Brennkraftmaschine erfolgen kann.
Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren bei Brennkraftmaschinen, bei denen als brennbares Gas Wasserstoff verwendet wird.
Weiterhin umfasst die Erfindung eine Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine, wobei die Steuereinrichtung zumindest mittelbar zur Aktivierung des Ventilglieds des Gasventils und der Zündkerze ausgebildet ist. Die Steuereinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass diese einen Algorithmus aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein soweit beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
Zuletzt umfasst die Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt, insbesondere einen Datenträger oder ein Datenprogramm, das dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen und/oder als Bestandteil einer soweit beschriebenen Steuereinrichtung ausgebildet ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.
Figurenliste

1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Brennkraftmaschine im Bereich eines Zylinders mit einem Gasventil und einer Zündkerze sowie einer Steuereinrichtung und
2 ein Schaubild zur Verdeutlichung der Anzahl bzw. der Zeitdauer eines nicht stattfindenden Gaseinblasens bzw. einer nicht stattfindenden Zündung in Abhängigkeit einer vorhergehenden Stillstandsphase der Brennkraftmaschine.

Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist stark vereinfacht eine fremdgezündete Brennkraftmaschine 1 mit einem Zylinder 2 dargestellt. Der Zylinder 2 weist einen Brennraum 3 auf, dessen Volumen von einem hubbeweglich angeordneten Kolben 4 begrenzt ist. Der Kolben 4 steht, in an sich bekannter Art und Weise, in Wirkverbindung mit einer Kurbelwelle 5, die zum Starten der Brennkraftmaschine 1 wiederum von einem Anlasser 6 antreibbar ist.
Typischerweise weist eine derartige Brennkraftmaschine 1 darüber hinaus mehrere, beispielsweise drei oder vier Zylinder 2 auf, wobei zur Erläuterung der Erfindung aus Vereinfachungsgründen auf eine entsprechende Darstellung mit mehreren Zylindern 2 verzichtet wurde.
In den Brennraum 3 der Brennkraftmaschine 1 ragt eine Zündkerze 7 und in einen in den Brennraum 3 mündenden Ansaugkanal 8 ein Gasventil 10 hinein. Eine Steuerung des Gaswechsels in bzw. aus dem Zylinder 2 erfolgt in bekannter Art und Weise über ein Einlassventil 11 sowie ein Auslassventil 12, das einen Auslasskanal 9 steuert. Das Einlassventil 11 und das Auslassventil 12 werden vorzugsweise über eine Nockenwelle der Brennkraftmaschine 1 bewegt.
Das Gasventil 10 weist ein verstellbares, beispielsweise hubbeweglich im Gasventil 10 angeordnetes Ventilglied 13 auf, das dazu ausgebildet ist, bei geöffnetem Ventilglied 13 eine bestimmte Menge bzw. ein bestimmtes Volumen von Gas, insbesondere Wasserstoff, aus einem unter Druck stehendem Vorratsspeicher 14 in den Brennraum 3 der Brennkraftmaschine 1 einzublasen. Die mit einer nicht dargestellten Spannungsversorgung verbundene Zündkerze 7 wiederum dient dazu, das in dem Brennraum 3 befindliche, verdichtete Gas zu zünden.
Sowohl die Zündkerze 7 als auch das Gasventil 10 bzw. das Ventilglied 13 sind zumindest mittelbar mit einer Steuereinrichtung 20 gekoppelt. Die Steuereinrichtung 20 weist einen Algorithmus 22 auf, der bei einem Startvorgang der Brennkraftmaschine 1 eine spezielle Ansteuerung des Gasventils 10 bzw. der Zündkerze 7 bewirkt, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
Beim Normal- bzw. Regelbetrieb, beispielsweise während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs, erfolgt die Betriebsweise der Brennkraftmaschine 1 mit Blick auf den Zylinder 2 derart, dass bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens 4 in den Brennraum 3 und bei geöffnetem Ventilglied 13 des Gasventils 10 und geöffnetem Einlassventil 11, eine bestimmte Menge Gas in den Brennraum 3 eingeblasen bzw. angesaugt wird. Anschließend wird das Ventilglied 12 des Gasventils 10 und das Einlassventil 11 geschlossen, sodass während einer sich anschließenden Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 in dem Zylinder 2 das in dem Brennraum 3 befindliche Gas verdichtet wird. Kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts des Zylinders 2 oder aber danach erfolgt eine Zündung des Gases in dem Brennraum 3 durch eine Aktivierung der Zündkerze 7. Die nachfolgende Expansion des Gases führt während eines Arbeitstaktes zur Abgabe von Leistung bzw. Arbeit an die Kurbelwelle 5 der Brennkraftmaschine 1.
Während einer Betriebspause der Brennkraftmaschine 1 kann es insbesondere bei einem undichten Ventilglied 13 und einer entsprechenden Stellung des Kolbens 4 in dem Zylinder 2 und des Einlassventils 11 dazu kommen, dass in unerwünschter Art und Weise Gas in den Brennraum 3 eintritt. Um zu vermeiden, dass bei einer anschließenden Wiederinbetriebnahme der Brennkraftmaschine 1 dieses (Rest-) Gas zur Entzündung kommt, und gleichzeitig weiteres Gas durch ein aktiviertes Gasventil 10 in den Brennraum 3 der Brennkraftmaschine 1 gelangt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuereinrichtung 20 bzw. der Algorithmus 22 bei einer Wiederinbetriebnahme der Brennkraftmaschine 1 während einer bestimmten Anzahl n von Ansaug- bzw. Arbeitstakten bzw. während einer bestimmten Zeitspanne t ein (zusätzliches) Einblasen von Gas über das Gasventil 10 sowie eine Zündung über die Zündkerze 7 verhindert. Zur Erläuterung wird hierzu zusätzlich auf die 2 verwiesen.
Dort ist über den Zeitraum T einer Betriebspause der Brennkraftmaschine 1 eine Anzahl n von Ansaug- und/oder Arbeitstakten bzw. eine Zeitdauer t dargestellt, während derer die Steuereinrichtung 20 das Gasventil 10 bzw. die Zündkerze 7 nicht aktiviert. Insbesondere erkennt man, dass mit größer werdender Zeitdauer T, beginnend von einem Wert n₁ bzw. t₁, beispielhaft eine lineare Erhöhung der Anzahl n bzw. der Zeitdauer t bis zu einem maximalen Wert n₂ bzw. t₂ stattfindet. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass sich typischerweise eine umso größere (Rest-) Gasmenge in dem Brennraum 3 ansammelt hat, desto größer bzw. länger die vorhergehende Betriebspause der Brennkraftmaschine 1 war. Während der Anzahl n bzw. der Zeitdauer t wird der Kolben 4 im Zylinder 2 somit ausschließlich durch den Anlasser 6 bewegt, um das (Rest-) Gas aus dem Zylinder 2 zu entfernen bzw. auszuspülen.
Nach einer entsprechenden Anzahl n von Ansaug- bzw. Arbeitstakten der Brennkraftmaschine 1 bzw. nach einer bestimmten Zeitdauer t beim Starten der Brennkraftmaschine 1 findet ein Einblasen von Gas in den Brennraum 3 der Brennkraftmaschine 1 durch Aktivierung des Ventilglieds 13 des Gasventils 10 mittels der Steuereinrichtung 20 sowie eine entsprechende zeitgerechte Zündung des Gases durch Aktivierung der Zündkerze 7 statt. Gleichzeitig koppelt der Anlasser 6 in an sich bekannter Art und Weise aus.
Das soweit beschriebene Verfahren kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So ist es insbesondere denkbar, dass das Gasventil 10 das Gas direkt in den Brennraum 3 einbläst, bzw. direkt in den Brennraum 3 hineinragt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015202477 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer wenigstens ein Gasventil (10) aufweisenden Brennkraftmaschine (1), bei dem beim Regelbetrieb der Brennkraftmaschine (1) in einen Brennraum (3) eines Zylinders (2) der Brennkraftmaschine (1) während eines Ansaugtakts eines Kolbens (4) zumindest mittelbar durch Öffnen eines Ventilglieds (13) an dem Gasventil (10) unter Überdruck stehendes, brennbares Gas eingeblasen wird, das anschließend durch Aktivierung einer Zündkerze (7) während einer Arbeitstakts des Kolbens (4) entzündet wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Startvorgang der Brennkraftmaschine (1) vor Aufnahme des Regelbetriebs das Ventilglied (13) und die Zündkerze (7) nicht aktiviert werden, sodass ggf. in dem Brennraum (3) vorhandenes brennbares Gas aus dem Brennraum (3) ausgespült wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nichtaktivierung von Ventilglied (13) und Zündkerze (7) während einer bestimmten Anzahl (n) von Ansaug- und Arbeitstakten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nichtaktivierung von Ventilglied (13) und Zündkerze (7) während einer bestimmten Zeitspanne (t) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (n) von Ansaug- und Arbeitstakten bzw. die Zeitspanne (t) anhand eines Zeitraums (T) seit dem letzten Betrieb der Brennkraftmaschine (1) erfolgt, derart, dass bei einen längeren Zeitraum (T) eine größere Anzahl (n) bzw. eine längere Zeitdauer (t) ausgewählt wird.
Verfahren Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mindest- und eine Höchstanzahl (n₁, n₂) von Takten bzw. eine minimale und eine maximale Zeitdauer (t₁, t₂) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als brennbares Gas Wasserstoff verwendet wird.
Steuereinrichtung (20) für eine Brennkraftmaschine (1), wobei die Steuereinrichtung (20) zumindest mittelbar zur Aktivierung des Ventilglieds (13) des Gasventils (10) und der Zündkerze (7) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (20) einen Algorithmus (22) aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Computerprogrammprodukt, insbesondere Datenträger oder Datenprogramm, das dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Schritt eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen und/oder als Bestandteil einer Steuereinrichtung (20) nach Anspruch 7 ausgebildet ist.