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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gasinjektors einer Brennkraftmaschine bei einer Ablassfunktion des Gasinjektors vor einem Abstellen der Brennkraftmaschine.
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Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Ein Problemkreis bei Gasinjektoren, welche einen gasförmigen Brennstoff einblasen, liegt darin, dass bei einer abgestellten Brennkraftmaschine trotz geschlossenem Gasinjektor eine Leckage des sich noch unter hohem Druck befindlichen gasförmigen Brennstoffs im Gasinjektor auftreten kann. Dies muss jedoch aus Umweltschutzgründen vermieden werden. Daher wird der Gasinjektor vor einem endgültigen Abstellen der Brennkraftmaschine in einer Ablassfunktion betrieben (sog. „Purge-Funktion“), bei der sich noch unter hohem Druck befindliches Gas aus dem Gasinjektor in einen Brennraum der Brennkraftmaschine abgelassen wird und dort dem endgültigen Abstellen der Brennkraftmaschine verbrannt wird. Eine Verbindung des Gasinjektors zu einem Gasspeicher ist hierbei durch zusätzliche Schließelemente schon unterbrochen. Da während dieser Ablassfunktion der Druck im Gasinjektor sinkt, muss der Gasinjektor derart ausgelegt werden, dass dieser auch bei einem geringen Systemdruck öffnet. Hier wird bisher ein Magnetkreis eines Magnetaktors des Gasinjektors derart dimensioniert, dass eine ausreichende Magnetkraft auch bei einem minimal zu erreichenden Systemdruck vorhanden ist. Dies führt jedoch zu großen Magnetaktoren, welche einen großen Bauraum einnehmen, welcher größer ist als ein für den eigentlichen Injektorbetrieb notwendiger Bauraum.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Gasinjektors einer Brennkraftmaschine bei einer Ablassfunktion vor einem Abstellen der Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein Magnetaktor für den Gasinjektor deutlich kleiner ausgelegt werden kann. Hierdurch wird ein Bauraum am Gasinjektor eingespart, was insbesondere bei direkt einblasenden Gasinjektoren sehr vorteilhaft ist, da nahe einem Brennraum der Brennkraftmaschine wenig Bauraum für den Gasinjektor zur Verfügung steht. Ferner kann der Gasinjektor durch einen verkleinerten Magnetaktor kostengünstiger hergestellt werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass bei der Ablassfunktion, in der gasförmiger Brennstoff aus dem Gasinjektor vor einem endgültigen Abstellen der Brennkraftmaschine in den Brennraum abgelassen wird, um noch in der Brennkraftmaschine verbrannt zu werden, in einem ersten Schritt ein Ansteuern des Magnetaktors in einer Boostphase derart erfolgt, dass bis zum Ende der Boostphase eine kontinuierliche Erhöhung des Stroms für den Magnetaktor ausgeführt wird. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Konstanthalten des Stroms für den Magnetaktor in einer Anzugsphase, welche auf die Boostphase folgt. Das Konstanthalten des Stroms wird dabei auf einem Niveau durchgeführt, welches einer maximalen Stromstärke in der Boostphase entspricht. Dadurch kann bei der Ablassfunktion des Gasinjektors trotz des reduzierten Gasdrucks im Gasinjektor eine Öffnung und ein Offenhalten des Gasinjektors ermöglicht werden, da eine erhöhte Aktorkraft den reduzierten Gasdruck während der Ablassfunktion des Gasinjektors ausgleicht.
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Somit kann in der Anzugsphase ein Stromniveau bei der Ablassfunktion angehoben werden, um den bei der Ablassfunktion kontinuierlich sinkenden Gasdruck auszugleichen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise wird der erhöhte Strombedarf in der Anzugsphase durch einen DC/DC-Wandler und/oder einen Boostkondensator bereitgestellt. Hierbei erfolgt eine Ansteuerung in der Anzugsstromphase vorzugsweise mit Boostspannung. Der Boostkondensator wurde im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine aufgeladen und kann somit den erhöhten Strombedarf bei der Ablassfunktion bereitstellen.
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Weiter bevorzugt wird eine Länge der Anzugsphase im Vergleich mit einem Normalbetrieb des Gasinjektors, d.h., einem normalen Einblasbetrieb, reduziert. Hintergrund ist die längere Booststromphase bedingt durch ein höheres Booststromniveau. Vorzugsweise ist ein Umschaltzeitpunkt von Anzugsstrom auf Haltestrom im Steuergerät als konstanter Wert hinterlegt. Somit hat eine längere Booststromphase eine kürzere Anzugsstromphase zur Folge.
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Weiter bevorzugt wird das Stromniveau in der Boostphase im Vergleich mit dem Normalbetrieb des Gasinjektors erhöht. Somit wird am Ende der Boostphase ein höheres Stromniveau als im Vergleich mit dem Normalbetrieb des Gasinjektors erreicht, wodurch auf einfache Weise das Stromniveau in der Anzugsphase ebenfalls auf einem höheren Niveau als im Vergleich mit dem Normalbetrieb gehalten werden kann.
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Alternativ wird das Stromniveau in der Boostphase im Vergleich mit dem Normalbetrieb des Gasinjektors gleich gehalten. Dann wird das in der Anzugsphase höhere Stromniveau beispielsweise durch Nutzung des Boostkondensators bereitgestellt.
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Weiter bevorzugt ist eine Länge der Boostphase bei der Ablassfunktion im Vergleich mit dem Normalbetrieb des Gasinjektors verlängert. Hierdurch steht mehr Zeit zur Verfügung, um in der Boostphase einen im Vergleich mit dem Normalbetrieb höheres absolutes Stromniveau zu erreichen.
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Um möglichst viel gasförmigen Brennstoff während der Ablassfunktion des Gasinjektors in den Brennraum einblasen zu können, wird vorzugsweise eine Haltephase des Gasinjektors, in welcher der Gasinjektor offengehalten wird, im Vergleich mit dem Normalbetrieb des Gasinjektors verlängert.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuergerät, welches eingerichtet ist, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Vorzugsweise führt das Steuergerät dabei das Verfahren derart aus, bis ein Gasdruck im Gasinjektor dem Umgebungsdruck entspricht. Dadurch kann bei abgestellter Brennkraftmaschine der Gasinjektor ohne Leckage in der geschlossenen Stellung gehalten werden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm mit einem Programmcode, welcher Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, beispielsweise auf einem erfindungsgemäßen Steuergerät, abläuft.
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Ferner wird ein Computerprogrammprodukt mit einem erfindungsgemäßen Computerprogramm vorgeschlagen, das auf einem maschinenlesbaren Datenträger oder Speichermedium gespeichert ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 ein schematisches Diagramm, welches die Spannung und den Strom eines erfindungsgemäßen Magnetaktors und einen Kraftverlauf und einen Hub eines Ankers des Magnetaktors über der Zeit bei einem Normalbetrieb einer Brennkraftmaschine darstellt,
- 2 ein schematisches Diagramm, welches die Spannung und den Strom eines erfindungsgemäßen Magnetaktors und einen Kraftverlauf und einen Hub eines Ankers des Magnetaktors über der Zeit bei einer Ablassfunktion einer Brennkraftmaschine darstellt, und
- 3 einen Längsschnitt durch einen Gasinjektor, welcher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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3 zeigt beispielhaft einen Gasinjektor 1 mit einem Magnetaktor. Der Magnetaktor umfasst eine Magnetspule 3 zur Einwirkung auf einen axial beweglichen Anker 2. Der Anker 2 ist mit einem Schließelement 4, insbesondere einer Ventilnadel, in Kontakt bringbar, um an einem Dichtsitz 5 einen Einblasquerschnitt freizugeben. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet ein Rückstellelement des Gasinjektors. Das Schließelement 4 ist mittels einer Ventilfeder 7 in der in 3 gezeigten, geschlossenen Position, gehalten.
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Wenn die Magnetspule 3 bestromt wird, bildet sich ein Magnetfeld aus, dessen Magnetkraft den Anker 2 in Richtung des Schließelements 4 bewegt (Pfeil 11). Dabei gelangt ein mit dem Anker 2 verbundener Ankerbolzen 9 zur Anlage mit dem Schließelement 4, so dass das Schließelement 4 entgegen der Federkraft der Ventilfeder 7 am Dichtsitz 5 geöffnet wird. Der Anker 2 wird dabei bis zu einem Hubanschlag 6 für den Anker bewegt, was den vollständigen Öffnungszustand des Gasinjektors darstellt.
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Zum Schließen des Gasinjektors 1 wird die Bestromung der Magnetspule 3 beendet, so dass das Rückstellelement 8 den Anker 2 wieder in die in 3 gezeigte Ausgangsposition zurückstellt. Gleichzeitig stellt auch die Ventilfeder 7 das Schließelement 4 in die in 1 gezeigte, geschlossene Position zurück.
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Der Gasinjektor 1 ist ein nach außen öffnender Injektor.
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Als gasförmiger Brennstoff wird vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder dgl. verwendet.
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Das Diagramm in 1 zeigt einen Normalbetrieb des Gasinjektors 1 zum Einblasen von gasförmigem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Hierbei durchlaufen der Gasinjektor und der Magnetaktor grundsätzlich vier Phasen, nämlich eine Boostphase A, eine Anzugsphase B, eine Haltephase C und eine Schließphase D.
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In 1 und 2 sind hierbei vier Kurven über der Zeit t in den vier Phasen dargestellt. K1 zeigt dabei den Stromverlauf des Stroms für den Magnetaktor über der Zeit. K2 zeigt die mittlere Spannung des Magnetaktors über der Zeit. K3 zeigt den Kraftverlauf des Ankers über der Zeit und K4 zeigt den Hub des Ankers über der Zeit t.
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Weiterhin ist in den 1 und 2 eine schließende Kraft K5 dargestellt, welche die Subtraktion der Druckkraft des Systemdrucks im Gasinjektor von der Federkraft der Ventilfeder darstellt. Diese ist im Normalbetrieb in 1 bei F1 und um F' bei dem in 2 gezeigten Ablassbetrieb auf F2 erhöht, da im Ablassbetrieb der unterstützende Öffnungsdruck durch das Druckniveau des gasförmigen, einzublasenden Brennstoffs fehlt.
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Ferner ist in den 1 und 2 noch eine Batteriespannung K6 eingezeichnet, welche sowohl im Normalbetrieb als auch im Ablassbetrieb konstant ist.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, endet die Boostphase A im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine nach der Zeit t1, die Anzugsphase B endet nach Zeitablauf der Zeit t2, die Haltephase C endet nach Zeitablauf der Zeit t3 und die Schließphase D endet nach Zeitablauf der Zeit t4.
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Weiterhin ist im Normalbetrieb in 1 der Stromverlauf K1 derart, dass am Ende der Boostphase das Stromniveau absinkt und in der Anzugsphase dann auf einem konstanten Niveau 11 gehalten wird. Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, beginnt der Öffnungsvorgang, d.h., ein Abheben des Schließelements vom Dichtsitz am Übergang zwischen der Boostphase A und der Anzugsphase B. Der maximale Öffnungshub wird dabei in der Anzugsphase B erreicht (Hubkurve K4).
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Bei der in 2 dargestellten Ablassfunktion des Gasinjektors vor einem endgültigen Abstellen der Brennkraftmaschine ist der Stromverlauf K1 derart, dass in der Boostphase A' eine kontinuierliche Erhöhung des Stroms bis zum Punkt I1' erreicht wird. Dieser Stromwert I1' wird in der kompletten Anzugsphase B' in der Ablassfunktion beibehalten. Wie ein Vergleich zwischen 1 und 2 zeigt, ist somit in der Boostphase A' bzw. in der Anzugsphase B' in der Ablassfunktion das Stromniveau deutlich höher als in der Boostphase A bzw. in der Anzugsphase B von 1 im Normalbetrieb.
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Insbesondere findet keine Absenkung des Stromniveaus in der Anzugsphase B' in der Ablassfunktion des Gasinjektors statt. Auch ist der absolute Wert I1' größer als der Wert I1 im Normalbetrieb am Ende der Boostphase. Dies kann durch Dimension eines DC/DC-Wandlers und/oder eines Boostkondensators erreicht werden. Der DC/DC-Wandler und der Boostkondensator sind derart dimensioniert, dass im Normalbetrieb (1) alle relevanten Betriebspunkte des Gasinjektors bedient werden können. Im Falle des Abstellens der Brennkraftmaschine und der dann notwendigen Ablassfunktion (Purge-Funktion) sind Leistungsreserven vorhanden, welche in der Ablassfunktion für die wenigen notwendigen Einspritzungen, üblicherweise bei geringerer Drehzahl als im Normalbetrieb, ausreichen.
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Somit werden die Energiereserven aus dem DC/DC-Wandler und/oder dem Boostkondensator für die in 2 dargestellte Ansteuerung zur Anhebung des Stromniveaus (Kurve K1 in 2 in der Anzugsphase B') genutzt.
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Wie weiterhin aus dem Vergleich zwischen 1 und 2 ersichtlich ist, ist die Anzugsphase B' im Ablassbetrieb (t2`-t1`) kürzer als die Anzugsphase B im Normalbetrieb (t2-t1). Hingegen ist die Boostphase A' im Ablassbetrieb bedingt durch das höhere Booststromniveau größer als im Normalbetrieb, was in 2 durch den Zeitpunkt t1' im Vergleich zum Zeitpunkt t1 im Normalbetrieb gezeigt ist.
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Durch das höhere Stromniveau I1' im Ablassbetrieb wird ferner eine erhöhte Öffnungskraft des Magnetaktors bereitgestellt, was durch einen Vergleich der Kraftverläufe K3 zwischen 1 und 2 ersichtlich ist. Dadurch kann der aufgrund des absinkenden Gasdrucks im Gasinjektor fehlende Kraftanteil des Gasdrucks zum Öffnen des Gasinjektors ausgeglichen werden. In der Haltephase C, C' und der Schließphase D, D' im Ablassbetrieb und im Normalbetrieb sind alle vier Kurven K1, K2, K3 und K4 wieder gleich.
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Somit kann durch die Nutzung der Boostspannung für die Anzugsstromregelung in der Anzugsphase B eine höhere mittlere Spannung und damit auch ein höherer Anzugsstrom I1' ermöglicht werden. Somit sind höhere Magnetkräfte durch den Magnetaktor möglich, welche die reduzierten öffnenden Druckkräfte des einzublasenden gasförmigen Brennstoffs ausgleichen.
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Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Ansteuervariante mit erhöhtem Booststrom am Ende der Boostphase A' dargestellt. Es sind jedoch auch Ansteuervarianten denkbar, bei denen der Stromverlauf in der Boostphase A' im Ablassbetrieb gleich wie im Normalbetrieb ist und dann der Ausgleich durch die Magnetkraft nur in der Anzugsphase B' mit erhöhtem Strom realisiert wird.
