DE112006002724T5

DE112006002724T5 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern von Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE112006002724T5
Application number: DE112006002724T
Authority: DE
Inventors: Robert M. Birmingham Siewert
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-10-12
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2026-09-30
Also published as: WO2007047067A2; US7464689B2; WO2007047067A3; DE112006002724B4; US20070079798A1; CN101287896A; CN101287896B

Abstract

Verfahren zum Steuern von Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und Kompressionszündung umfassend:
Ermitteln eines Betriebspunkts der Brennkraftmaschine;
Ermitteln einer während eines Verbrennungszyklus einzuspritzenden Kraftstoffmenge; und
selektives Ausführen eines von ein, zwei und drei Kraftstoffeinspritzvorgängen während des Verbrennungszyklus beruhend auf dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine und der einzuspritzenden Kraftstoffmenge.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Brennkraftmaschinen und insbesondere Kraftstoffeinspritzung und Verbrennung in einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung.
Hintergrund der Erfindung
Die Hersteller von Brennkraftmaschinen mit Kompressionszündung werden in Zukunft mit zunehmend strengeren Emissionsnormen konfrontiert, die ein Senken zulässiger Nitridwerte von Sauerstoff (,NOx') und Partikel (,PM') umfassen. Grob gesagt wird das Verringern von Emissionen durch Reduzieren von Emissionen aus der Brennkraftmaschine oder durch Umwandeln von Emissionen aus der Brennkraftmaschine in unschädliche Gase durch Verwenden irgendeiner Form von Abgasnachbehandlung erreicht, was Wandler, Speicher oder Nachbrenner umfasst. Systeme und Verfahren zum Senken von Emissionen aus der Brennkraftmaschine können Systeme umfassen, die Kraftstoff und Luft vor Eindringen in den Brennraum mischen.
Das Erreichen niedriger Emissionswerte stellt insbesondere bei Bedingungen eines Hochlastbetriebs einer Brennkraftmaschine eine Herausforderung dar. Bekannte Vormischkonzepte für Kraftstoff/Luft können niedrige NOx- und PM-Emissionen bei niedrigen Lastwerten der Brennkraftma schine erreichen. Solche Systeme sind aber häufig während eines Brennkraftmaschinenbetriebs bei höherer Last neben anderen Problemen aufgrund übermäßigen Verbrennungsgeräusches nicht verwendbar.
Daher besteht Bedarf nach einem verbesserten Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung, um die vorstehend erwähnten Probleme zu lösen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern von Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und Fremdzündung vorgesehen. Die Brennkraftmaschine umfasst bevorzugt eine Brennkraftmaschine mit Diffusionsverbrennung, die mit einer Kraftstoffeinspritzanlage ausgestattet ist, welche eine Hochdruckkraftstoffanlage und mehrere Kraftstoffeinspritzventile umfasst, die jeweils zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine ausgelegt sind, sowie ein Steuergerät. Das Steuergerät ist dafür ausgelegt, den Brennkraftmaschinenbetrieb und eine Drehmomentforderung des Fahrers zu überwachen und eine in jeden der Brennräume während eines Verbrennungszyklus einzuspritzende Kraftstoffmenge zu ermitteln. Jedes Kraftstoffeinspritzventil wird betätigt, um selektiv einen von ein, zwei und drei Kraftstoffeinspritzvorgängen auszuführen, um dem Brennraum die ermittelte Kraftstoffmenge während des Verbrennungszyklus zuzuführen.
Diese und andere Gesichtspunkte der Erfindung werden dem Fachmann bei Lesen und Verstehen der folgenden eingehenden Beschreibung der Ausführungsformen klar.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung kann in bestimmten Teilen und Anordnungen von Teilen eine physikalische Form annehmen, wobei eine Ausführungsform in den Begleitzeichnungen, die einen Teil hiervon bilden, beschrieben und veranschaulicht wird und wobei:
1 ein schematisches Diagramm gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine grafische Darstellung bezüglich Brennkraftmaschinenbetrieb gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
3–14 grafische Diagramme von quantitativen parametrischen Daten gemäß der vorliegenden Erfindung sind.
Eingehende Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung
Unter Bezug nun auf die Zeichnungen, bei denen das Gezeigte lediglich dem Zweck der Veranschaulichung der Erfindung und nicht dem Zweck der Beschränkung derselben dient, zeigt 1 eine Brennkraftmaschine 10, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konstruiert wurde. Die Erfindung umfasst ein Verfahren und System zum Lenken und Steuern von Ausgestaltungen des Betriebs und der Verbrennung der Brennkraftmaschine und zum Steuern von Abgasemissionen. Die beispielhafte Brennkraftmaschine umfasst eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, Diffusionsverbrennung und Kompressionszündung, die einen Viertaktbetrieb nutzt, wobei jeder Verbrennungszyklus der Brennkraftmaschine 720 Grad Winkeldrehung einer Kurbelwelle umfasst, die in vier Stufen zu 180 Grad von Ansaugen-Kompression-Expansion-Auslassen unterteilt sind und die die Kolbenbewegung in jedem Brennkraftmaschinenzylinder darstellen. Die Diffusionsverbrennung ist durch Verbrennung von Kraftstoff unmittelbar nach Einspritzung in einen Brennraum mit wenig oder keinem Vormischen des Kraftstoffs mit Luft in dem Brennraum gekennzeichnet. Die Brennkraftmaschine 10 ist mit einem Steuermodul (ECM, kurz vom engl. Engine Control Module) 5 der Brennkraftmaschine wirkverbunden, das zum Ausführen von Brennkraftmaschinen-Steuermaßnahmen beruhend auf Fahrereingaben, Umgebungsbedingungen und Brennkraftmaschinen-Betriebsbedingungen ausgelegt ist.
Unter erneutem Bezug auf 1 umfasst die beispielhafte Brennkraftmaschine eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine mit einem Brennkraftmaschinenblock 13, einem Zylinderkopf 15 und einer Kurbelwelle 34. In dem Block sind mehrere Zylinder 14 ausgebildet, wobei jeder Zylinder 14 einen Kolben 12 enthält, der zum geradlinigen Bewegen darin dient. Jeder Kolben 12 ist mit der Kurbelwelle 34 mittels einer Kolbenstange 36 mechanisch wirkverbunden, und die Kurbelwelle ist an dem Brennkraftmaschinenblock 13 an den Hauptlagern angebracht. In jedem Zylinder 14 ist zwischen der Oberseite jedes Kolbens 12 und dem Zylinderkopf 15 ein Brennraum 16 ausgebildet. Die Kurbelwelle 34 dreht an den Hauptlagern als Reaktion auf eine dort durch die Kolbenstangen 36 ausgeübte lineare Kraft infolge von Verbrennungsvorgängen in den Brennräumen 16. Der Kopf 15 enthält eine oder mehrere Lufteinlasskanäle 18 und Einlassventile 20, einen oder mehrere Auslasskanäle 22 und Auslassventile 24 sowie ein Kraftstoffeinspritzventil 38, das zum Zuführen von Kraftstoff direkt in den Brennraum 16 dient. Das Öffnen und Schließen der Einlassventile 20 wird von einer Nockenwelle gesteuert, deren Betrieb das Einströmen von Luft zu dem Brennraum steuert. Das Öffnen und Schließen der Auslassventile 24 wird von einer Nockenwelle gesteuert, deren Betrieb das Ablassen von Verbrennungsprodukten aus dem Brennraum steuert. Ein Kur belsensor 32 ist im Wesentlichen nahe der Kurbelwelle angeordnet, der zum Erzeugen eines elektrischen Signals dient, das mit einer von dem ECM 5 lesbaren Winkelstellung der Kurbelwelle korrelierbar ist. Das Kurbelsignal wird von dem ECM übersetzt, um Kurbelwellendrehzahl und Kurbelwellendrehstellung zu ermitteln.
Das Kraftstoffeinspritzventil 38 ist bevorzugt ein Element einer Common-Rail-Kraftstoffeinspritzanlage, welche weiterhin eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe umfasst, die zum Versorgen jedes Einspritzventils mit Hochdruck (z. B. 1.800 bar/180 MPa) dient. Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst entweder eine solenoidbetätigte oder eine piezoelektrisch betätigte Vorrichtung mit einer durch eine Öffnung in dem Zylinderkopf 15 angeordneten Düse zum Einspritzen von druckbeaufschlagtem Kraftstoff in den Brennraum. Die Einspritzventildüse umfasst eine Kraftstoffeinspritzventilspitze, die durch eine Reihe von Öffnungen, Einspritzwinkel und Stromzahl gekennzeichnet ist, die eine Volumenstromrate bei einem vorgegebenen Druck darstellen. Eine beispielhafte Kraftstoffeinspritzventilspitze umfasst einen Einspritzwinkel mit 7 Löchern und 158 Grad mit einer Stromzahl 405 (FN), die in cc/30 s bei 100 bar gemessen wurde. Die Betriebseigenschaften des Kraftstoffeinspritzventils umfassen weiterhin eine steuerbare Mindeststromrate, eine maximale Stromrate und einen dynamischen Bereich, die jeweils von Kraftstoffdruck und anderen Parametern abhängen. Das ECM 5 dient zum individuellen und selektiven Steuern der Kraftstoffeinspritzventile zum Einspritzen präziser Kraftstoffmengen zu spezifischen Zeiten während eines kontinuierlichen Brennkraftmaschinenbetriebs. Jede Kraftstoffeinspritzventildüse umfasst eine Strömspitze mit mehreren Öffnungen, durch die druckbeaufschlagter Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird.
Das ECM 55 umfasst bevorzugt einen Hauptprozessor, der mittels Datenbussen mit Vorrichtungen mit flüchtigem und nichtflüchtigem Speicher elektrisch signalverbunden ist. Das ECM ist mit Erfassungsvorrichtungen signalverbunden und mit Ausgabevorrichtungen zum Überwachen und Steuern von Brennkraftmaschinenbetrieb und Fahrereingaben wirkverbunden. Die Ausgabevorrichtungen umfassen bevorzugt Subsysteme, die für ordnungsgemäße Steuerung und ordnungsgemäßen Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlich sind, wobei sie die Kraftstoffeinspritzanlage und andere Vorrichtungen einschließlich einer Abgasrückführungsanlage (nicht dargestellt) umfassen. Die Erfassungsvorrichtungen der Brennkraftmaschine umfassen Vorrichtungen, die zum Überwachen von Brennkraftmaschinenbetrieb, Außenbedingungen und Fahrerforderung dienen, z. B. Drehmomentforderungen des Fahrers. Während vorab festgelegter Schleifendurchläufe werden typischerweise Steueralgorithmen ausgeführt, so dass jeder mindestens einmal pro Schleifendurchlauf ausgeführt wird. Schleifendurchläufe werden bei einem typischen Brennkraftmaschinenbetrieb alle 3, 6, 15, 25 und 100 Millisekunden ausgeführt. Die Beschreibung des ECM 5 und der Brennkraftmaschine soll veranschaulichend sein und nicht die Erfindung beschränken.
Unter Bezug nun auf 2–14 wird ein Verfahren zum Steuern von Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum 16 der beispielhaften Brennkraftmaschine 10 näher beschrieben. Das Verfahren umfasst das Ermitteln eines Betriebspunkts der Brennkraftmaschine, typischerweise in Brennkraftmaschinenlast ausgedrückt, und einer während jedes Verbrennungszyklus einzuspritzenden Kraftstoffmenge beruhend auf Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine und der Drehmomentforderung des Fahrers. Während kontinuierlichen Brennkraftmaschinenbetriebs wird durch selektives Ausführen von einem von ein, zwei und drei Kraftstoffeinspritzvorgängen während jedes Verbrennungszyklus basierend auf dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, der einzuspritzenden Kraftstoffmenge und anderen Faktoren Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt. Bei niedrigeren Brennkraftmaschinenlasten gibt es einen einzigen Einspritzvorgang. Bei moderaten Brennkraftmaschinenlasten gibt es zwei oder duale Einspritzvorgänge. Bei höheren Brennkraftmaschinenlasten gibt es drei oder dreifache Einspritzvorgänge. Die Verweilzeiten zwischen aufeinander folgenden Kraftstoffeinspritzvorgängen in dem gleichen Brennkraftmaschinenzyklus sind im Wesentlichen gleich, und die während jedes der Kraftstoffeinspritzvorgänge eingespritzten Kraftstoffmengen sind im Wesentlichen gleich.
Unter Bezug auf 2 finden sich grafische Darstellungen beispielhafter Steuerzeiten von Einspritzungen für einfache (1-INJ), duale (2-INJ) und dreifache (3-INJ) Einspritzvorgänge zum Zuführen der gleichen Kraftstoffmenge bei einem beispielhaften Betriebspunkt der Brennkraftmaschine. In dieser Darstellung arbeitet die beispielhafte Brennkraftmaschine bei 2.115 Umdrehungen pro Minute (RPM) bei einem Krümmerdruck von 214 kPa absolut und einem mittleren effektiven Druck (BMEP) von 8 bar (800 kPa). Die dargestellten Daten umfassen ein nicht dimensioniertes Signal, das Fließen von elektrischem Strom zu dem Kraftstoffeinspritzventil 38 als Funktion von Kurbelwinkelgrad der Brennkraftmaschine um den oberen Totpunkt (CA° aTDC) darstellt. Der Betrieb mit Einzeleinspritzung dient zur Verwendung während niedrigen bis moderaten Lastbedingungen der Brennkraftmaschine, typischerweise unter etwa 6 bar (600 kPa) BMEP. Eine Einzeleinspritzung umfasst einen herkömmlichen Einspritzvorgang, wobei die zur Zufuhr zum Brennraum während des Brennkraftmaschinenzyklus angesetzte gesamte Kraftstoffmenge während eines einzelnen Einspritzvorgangs eingespritzt wird. Der Einzeleinspritzvorgang erfolgt bevorzugt unmittelbar nach dem oberen Totpunkt (TDC) während des Arbeitstakts, wobei er hierin für den spezifischen Zylinder bei in etwa sechs Kurbelwinkelgrad nach dem oberen Totpunkt (6 CA° aTDC) beginnend gezeigt wird. Die Größenordnung der Pulsbreite der Kraftstoffeinspritzung wird durch in dem ECM vorhandene Algorithmen ermittelt, um dem Brennraum beruhend auf einer vorbestimmten Kalibrierung die erforderliche Kraftstoffmenge zu liefern.
Der duale Einspritzbetrieb dient vorrangig zur Verwendung während moderaten bis mittleren Lastbedingungen der Brennkraftmaschine in dem Bereich von 6 bis 12 bar (600 bis 1.200 kPa) BMEP. Die duale Einspritzung umfasst zwei Einspritzvorgänge, wobei die Hälfte der zur Zufuhr zum Brennraum während des Brennkraftmaschinenzyklus angesetzte Kraftstoffmenge während jedes Einspritzvorgangs mit einer vorbestimmten Verweilzeit zwischen den beiden Einspritzvorgängen eingespritzt wird. Die Verweilzeit wird hierin als verstrichene Zeit in Mikrosekunden zwischen einem Ende eines ersten Einspritzvorgangs und einem Einsetzen eines zweiten Einspritzvorgangs für den Verbrennungszyklus definiert. Die Größenordnungen der Pulsbreiten sowohl der ersten als auch der zweiten Einspritzung werden durch Algorithmen ermittelt, die im ECM vorhanden sind, um dem Brennraum beruhend auf einer vorbestimmten Kalibrierung die erforderliche Kraftstoffmenge zu liefern. Der duale Einspritzvorgang erfolgt bevorzugt um den oberen Totpunkt während eines Arbeitstakts, der hierin für den spezifischen Zylinder mit dem ersten Einspritzvorgang bei etwa vier Kurbelwinkelgrad vor dem oberen Totpunkt (4 CA° bTDC) einsetzend gezeigt wird. Nach dem Ende der ersten Einspritzung folgt eine Verweilzeit, und dann setzt die zweite Einspritzung beginnend bei etwa 20 CA° aTDC ein. Die Verweilzeit ist bei etwa 1.000 Mikrosekunden festgelegt, wobei sie beruhend auf Zylinderdruck der Brennkraftmaschine und verbranntem Massenanteil optimiert wurde.
Der Betrieb mit dreifacher Einspritzung dient vorrangig zur Verwendung während hohen Lastbedingungen der Brennkraftmaschine in dem Bereich von 8 bis 16 bar (800 bis 1.600 kPa) BMEP. Die dreifache Einspritzung umfasst drei Einspritzvorgänge, wobei während jedes Einspritzvorgangs ein Drittel der zur Zufuhr zum Brennraum während des Brennkraftmaschinenzyklus angesetzten Kraftstoffmenge mit einer vorbestimmten Verweilzeit zwischen den Einspritzvorgängen eingespritzt wird. Der Betrieb mit dreifacher Einspritzung wird in der gleichzeitig angemeldeten U.S. Patentanmeldung Nr. 11/535,509, eingereicht am 27. September 2006 mit dem Titel Method Arid Apparatus to Control Fuel Injection, die hierin durch Verweis berücksichtigt wird, näher beschrieben. Die Größenordnung jeder von erster, zweiter und dritter Kraftstoffeinspritz-Pulsbreite wird durch Algorithmen ermittelt, die sich in dem ECM befinden, um dem Brennraum beruhend auf einer vorbestimmten Kalibrierung die erforderliche Kraftstoffmenge zu liefern. Der Dreifacheinspritzvorgang erfolgt während des Arbeitstakts um den oberen Totpunkt, wobei er hierin für den spezifischen Zylinder mit dem ersten Einspritzvorgang bei in etwa 12 CA° bTDC beginnend gezeigt wird. Nach dem Ende der ersten Einspritzung folgt eine Verweilzeit, und dann setzt die zweite Einspritzung beginnend in etwa bei 8 CA° aTDC ein. Am Ende der zweiten Einspritzung folgt eine zweite Verweilzeit, und dann setzt die dritte Einspritzung beginnend bei in etwa 27 CA° aTDC ein. Die Verweilzeiten sind bei etwa 1.000 Mikrosekunden festgelegt, wobei sie wiederum beruhend auf Zylinderdruck der Brennkraftmaschine und verbranntem Massenanteil optimiert wurden.
Das Einleiten des ersten Kraftstoffeinspritzvorgangs sowohl der dualen Einspritzung als auch der dreifachen Einspritzung wird bevorzugt beruhend auf einem Kurbelwinkel ermittelt, bei dem 50% der während des Verbrennungszyklus einzuspritzenden Kraftstoffmenge für die mehreren Einspritzvorgänge im Wesentlichen gleich dem einzelnen Einspritzvorgang sind. Repräsentative Daten, die bevorzugte Kurbelwinkel zeigen, bei denen 50% des Kraftstoffs für einen spezifischen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eingespritzt wurden, werden in 12 vorgesehen. Der bevorzugte Kurbelwinkel, bei dem 50% des Kraftstoffs eingespritzt wurde, lässt sich beruhend auf analytischen und empirischen Daten in Verbindung mit dem Betrieb einer spezifischen Auslegung einer Brennkraftmaschine mühelos für einen einzelnen Einspritzvorgang ermitteln. Ein Kurbelwinkel, bei dem der erste Kraftstoffeinspritzvorgang für entweder die duale oder die dreifache Einspritzung auszulösen ist, lässt sich basierend auf den Einspritzventilpulsbreiten des Dreifacheinspritzvorgangs für den Verbrennungszyklus und die Verweilzeit durch einen in dem ECM vorhandenen Algorithmus mit Anpassungen hinsichtlich Verzögerungszeiten in Verbindung mit Freisetzung von Kraftstoffwärme und anderen Wirkungen mühelos ermitteln. Bevorzugte Kurbelwinkel, bei denen 50% des Kraftstoffs für einen spezifischen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eingespritzt wurden, werden in 12 vorgesehen, wobei der Einspritzpunkt für 50% für den Dreifacheinspritzvorgang zum Verzögern des Einspritzpunkts für 50% für die Einzeleinspritzung um in etwa 0,9 Kurbelwinkelgrad (CA°) gezeigt wird.

Unter Bezug nun auf 3 bis 12 werden Datengramme gezeigt, die verschiedene Aspekte eines Brennkraftmaschinenbetriebs für die Dreifacheinspritzung verglichen mit ähnlich ausgeführten Einfach- und Zweifacheinspritzvorgängen darstellen. Die Datengramme umfassen Ergebnisse, die aus Tests erhalten wurden, die an einer beispielhaften, unter Bezug auf 1 beschriebenen Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und Kompressionszündung, die unter den nachstehend beschriebenen Bedingungen arbeitete, durchgeführt wurden. Die beispielhafte Brennkraftmaschine hat weiterhin die unter Bezug auf Tabelle 1 beschriebenen Maße und Betriebsbedingungen. Tabelle 1

Bohrung	103	mm
Hub	99	mm
Brennkraftmaschinendrehzahl	2.115	RPM
IMEP	978	kPa
Krümmerdruck	215	kPa absolut
Verteilerrohrdruck	1.800	bar
Einspritzventilspitze (Anzahl Löcher)	7	Menge
Einspritzventilspitzen-Stromzahl	405	cc/30 s bei 100 bar
NOx-Emissionsindex	1,5	g/kg Kraftstoff

Unter Bezug nun auf 3 und 4 werden beispielhafte Daten, die Zylinderdrücke und Massenanteil des verbrannten Kraftstoffs darstellen, über einem betreffenden Bereich von Brennkraftmaschinen-Kurbelwinkeln während der Kompressions- und Arbeitszyklen grafisch dargestellt. Die beispielhaften Daten zeigen Ergebnisse aus Brennkraftmaschinentests bei den unter Bezug auf Tabelle 1 beschriebenen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, wie dargestellt mit einzelnen (1-INJ), dualen (2-INJ) und dreifachen (3-INJ) Einspritzvorgängen. In 3 werden Zylinderdruckspuren für jede der Strategien mit einfacher, dualer und dreifacher Einspritzung dargestellt. In 4 wird ein verbrannter kumulativer Kraftstoffmassenanteil für jede der Strategien mit einfacher, dualer und dreifacher Einspritzung dargestellt. Für diesen Vergleich wurden Verweilzeiten bei 1.000 Mikrosekunden konstant gehalten, NOx EI wurde bei 1,5 g/kg konstant gehalten und PM EI wurde bei einem Wert von 0,3 g/kg konstant gehalten. Wie in 4 demonstriert veranschaulichen die Spuren kumulativen verbrannten Massenanteils unterschiedliche Verbrennungsphasen für jede der Einspritzstrategien. Die optimalen Steuerzeiten für duale Einspritzungen führen zu zwei Pulsen, die um den Puls der einzelnen Einspritzung zentriert sind. Analog führt der Optimalwert für Dreifacheinspritzungen ebenfalls zu den um den einzelnen Einspritzpuls zentrierten drei Pulsen. Die Kurven des kumulativen verbrannten Massenanteils zeigen deutlich die Wirkung der zwei und drei Phasen der Verbrennung bei dualer bzw. dreifacher Einspritzung verglichen mit dem Fall der einfachen Einspritzung.
Unter Bezug nun auf 5–12 werden die unter Bezugnahme auf 3 und 4 gezeigten Ergebnisse weiter analysiert. Unter Bezug auf 5 wird der angegebene Wärmewirkungsgrad (ITE) für die Verbrennung mit einfachen, dualen und dreifachen Einspritzvorgängen gezeigt und gibt Verbesserungen des angegebenen Wärmewirkungsgrads bei Verwendung des dreifachen Einspritzvorgangs verglichen mit der Verbrennung mit dualer und einfacher Einspritzung bei gleich niedrigen Werten von NOx- und PM-Emissionen bei dem spezifischen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine an. Duale Einspritzvorgänge und eine entsprechende Verbrennung mit dualer Stufe haben wie gezeigt einen Wirkungsgradvorteil von 4% gegenüber einfachen Einspritzvorgängen und einstufiger Verbrennung. Dreifache Einspritzvorgänge mit dreistufiger Verbrennung verstärken den Wirkungsgradvorteil auf etwa 8% gegenüber einstufiger Verbrennung bei der beispielhaften Brennkraftmaschine und den beispielhaften Betriebsbedingungen. Unter Bezug auf 6 und 7 steigen die Emissionen von HC EI und CO EI bei zunehmenden Verbrennungsstufen, doch sind die Größenordnungen klein. Wie in 8 gezeigt wird, findet sich weiterhin eine entsprechend minimale Wirkung auf den Verbrennungswirkungsgrad, was ein Senken des Verbrennungswirkungsgrads um eine Größenordnung von in etwa 0,5% zeigt. Diese Wirkung auf den Verbrennungswirkungsgrad wird nicht durch Wärmewirkungsgrad der Brennkraftmaschine oder durch Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine wiedergegeben, wie unter Bezug auf 5 bzw. 11 demonstriert wird. Unter Bezug nun auf 9 können Steigerungen beim angegebenen Wärmewirkungsgrad aus Dreifacheinspritzung verglichen mit dualer Einspritzung und einfacher Einspritzung der fortgeschritteneren Phaseneinstellung der Verbrennung zugeordnet werden, wie durch die Position des 50%-Verbrennungspunkts demonstriert wird, der bei dreifacher Einspritzung hin zu dem oberen Totpunkt vorrückt. Beim dualen Einspritzbetrieb rückt die Phaseneinstellung um etwa einen halben Weg zwischen den Fällen einfacher Einspritzung und dreifacher Einspritzung vor. Wie weiterhin unter Bezug auf 10 gezeigt wird, führt das zusätzliche Verweilen zwischen den Einspritzungen zu einem zweistufigen Verbrennen, das länger dauert als einstufiges Verbrennen, und einem dreistufigen Verbrennen, das noch länger dauert, wie durch eine Brenndauer von 10–90% (gemessen in CA°) angegeben wird, die mit den längeren Brennstufen signifikant zunimmt. Solche längeren Brennzeiten beschränken letztendlich die Steigerungen des Wirkungsgrads. Unter Bezug auf 11 wird ein bremsspezifischer Kraftstoffverbrauch (BFSC) für die beispielhafte Bremskraftmaschine für den Betrieb mit einfacher, dualer und dreifacher Einspritzung dargestellt. Die Brennkraftmaschine, die mit Hilfe der dreifachen Einspritzung arbeitet, wie hierin beschrieben wurde, weist eine Reduzierung des BFSC um 7,4% verglichen mit Verwendung der einfachen Einspritzung bei dem gleichen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine auf.
Der duale Einspritzvorgang führt zu einem zweistufigen Verbrennungsvorgang, der zum Mindern von PM-Emissionen oder ,Rauch' durch Begrenzen des Verbrennungstemperaturanstiegs und somit der Grenzwertbildung von Partikeln bei den ersten und zweiten Verbrennungsvorgängen führt. Wie vorstehend beschrieben wird in etwa eine Hälfte der zur Zufuhr angesetzten Kraftstoffmasse beim oder nahe dem oberen Totpunkt im Kom pressionstakt in den Brennraum eingespritzt, und nach einer Verweilzeit wird die restliche Kraftstoffmasse während des Arbeitstakts beginnend bei einem Punkt nach dem oberen Totpunkt während des Arbeitstakts eingespritzt, um eine zweite Stufe der Verbrennung zu verwirklichen. Für jeden Wirkungsgrad gibt es optimale Steuerzeiten und Kraftstoffprozentsätze. Bei Verwendung kombiniert mit erheblichen Mengen rückgeführten Abgases (AGR) können verglichen mit einstufiger Verbrennung wesentliche Reduzierungen von NOx- und PM-Emissionen erreicht werden, während ein guter Wirkungsgrad aufrechterhalten wird.
Unter Bezug nun auf 13 und 14 zeigen Datengramme die Leistungswirkungen beim Verändern des Prozentsatzes des eingespritzten Kraftstoffs zwischen den ersten und zweiten Einspritzvorgängen für das duale Einspritzsystem spezifisch in Bezug auf Partikelemissionen. Die Daten umfassen ein Maß eines Partikelemissionsindexes (EI) in den Einheiten g/kg, gemessen mit Hilfe einer bekannten Rauchüberwachungsvorrichtung. Der Brennkraftmaschinenbetrieb, bei dem die Daten erhoben wurden, lag bei 2.200 RPM, bei einer Last von 718 kPa (oder etwa 8 bar) angegebenen mittleren wirksamen Drucks (IMEP-dyno), bei einem Verteilerrohrdruck von 1.800 bar, wobei der erste Einspritzvorgang bei 4 CA° bTDC erfolgte und wobei eine Verweilzeit und dann eine zweite Einspritzung gegeben waren. Die Testgeräte umfassten Einspritzventilmessdüsen von 490 FN mit 150 μm (Mikrometer) großen Lochöffnungen, 435 FN mit 141 μm großen Lochöffnungen und 405 FN mit 137 μm großen Lochöffnungen. Die FN umfasst ein Maß von Einspritzventilströmen in den Einheiten Kubikzentimeter pro 30 Sekunden Strömen (cc/30 s). Die Daten demonstrieren unterschiedliche Startzeiten des zweiten Einspritzvorgangs im Verhältnis zum TDC. Als der Prozentsatz der Einspritzung während des zweiten Einspritzereignisses von 0%, d. h. ein einfaches Einspritzereignis, auf 50% anstieg, nahm PM EI wesentlich ab. Der aus einem verzögerten Brennen der zweiten Stufe gewonnene Vorteil besteht darin, einen Anstieg der Zylindergastemperaturen während des Arbeitstakts zu beschränken, wodurch die Bildung von Partikelemissionen verglichen mit dem Fall einfacher Einspritzung wirksamer beschränkt wird. Diese Ergebnisse zeigen die Wirkung von reduzierten Düsenlochdurchmessern (von 150 auf 137 μm) auf PM-Emissionen, was eine Abnahme der PM-Emissionen aufgrund verbesserter Zerstäubung des Kraftstoffs vor Verbrennung anzeigt. Bei dem beispielhaften Einspritzventil mit einer 7-Loch-Düse sank die Stromzahl von 490 auf 405 cc/30 s bei reduzierten Düsenlochdurchmessern.
Andere (nicht dargestellte) Ergebnisse zeigten an, dass mehr als drei Einspritzvorgänge während eines Verbrennungszyklus nicht vorteilhaft waren. Die Ergebnisse zeigten an, dass die erforderlichen Verweilzeiten zwischen Einspritzungen die Zeit verlängern, die zum Einspritzen des Kraftstoffs erforderlich ist, und den Verbrennungsvorgang übermäßig verlängern, was zu einem verschlechterten Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine führte, als die Brennkraftmaschine unter Bedingungen ähnlich den hierin vorstehend beschriebenen betrieben wurde.
Die Erfindung wurde unter besonderem Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen und Abwandlungen derselben beschrieben. Weitere Abwandlungen und Änderungen können bei Lesen und Verstehen der Beschreibung nahe liegen. Alle solche Abwandlungen und Änderungen sollen, soweit sie in den Schutzumfang der Erfindung fallen, umfasst sein.
Zusammenfassung
Es wird ein Verfahren zum Steuern von Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und Kompressionszündung vorgesehen. Die Brennkraftmaschine umfasst bevorzugt eine Brennkraftmaschine mit Diffusionsverbrennung, die mit einer Kraftstoffanlage ausgestattet ist, die eine Hochdruck-Kraftstoffanlage und mehrere Kraftstoffeinspritzventile umfasst, die jeweils zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine ausgelegt sind, sowie ein Steuergerät. Das Steuergerät ist zum Überwachen des Brennkraftmaschinenbetriebs und einer Drehmomentforderung des Fahrers und zum Ermitteln einer in einen der Brennräume während eines Verbrennungszyklus einzuspritzenden Kraftstoffmenge ausgelegt. Jedes Kraftstoffeinspritzventil wird betätigt, um selektiv einen von ein, zwei und drei Kraftstoffeinspritzvorgängen zum Zuführen der ermittelten Kraftstoffmenge zu dem Brennraum während des Verbrennungszyklus auszuführen.

Claims

Verfahren zum Steuern von Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und Kompressionszündung umfassend: Ermitteln eines Betriebspunkts der Brennkraftmaschine; Ermitteln einer während eines Verbrennungszyklus einzuspritzenden Kraftstoffmenge; und selektives Ausführen eines von ein, zwei und drei Kraftstoffeinspritzvorgängen während des Verbrennungszyklus beruhend auf dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine und der einzuspritzenden Kraftstoffmenge.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: selektives Ausführen eines von ein, zwei und drei Kraftstoffeinspritzvorgängen beruhend auf einer steuerbaren Mindeststromrate des Kraftstoffeinspritzventils.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das selektive Ausführen von zwei Kraftstoffeinspritzvorgängen weiterhin das Einspritzen von im Wesentlichen gleichen Mengen an Kraftstoff während jedes der beiden Kraftstoffeinspritzvorgänge umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, weiterhin umfassend: das Einleiten des ersten Kraftstoffeinspritzvorgangs bei einem Kurbelwinkel, der beruhend auf einem Kurbelwinkel ermittelt wird, bei dem fünfzig Prozent der während des Verbrennungszyklus eingespritzten Kraftstoffmenge für die zwei Einspritzvorgänge im Wesentlichen gleich wie bei einem optimierten einzelnen Einspritzvorgang zum Einspritzen der Kraftstoffmenge ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das selektive Ausführen von drei Kraftstoffeinspritzvorgängen weiterhin das Einspritzen von im Wesentlichen gleichen Mengen Kraftstoff während jedes der drei Kraftstoffeinspritzvorgänge umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin umfassend: Aufweisen einer ersten Verweilzeit zwischen einem Ende des ersten Einspritzvorgangs und einem Start des zweiten Einspritzvorgangs, die im Wesentlichen gleich einer zweiten Verweilzeit zwischen einem Ende des zweiten Einspritzvorgangs und einem Start des dritten Einspritzvorgangs ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die erste und zweite Verweilzeit jeweils eine verstrichene Zeit umfassen, die zum Minimieren von Partikelemissionen und Optimieren des Wärmewirkungsgrads der Brennkraftmaschine dient.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das selektive Ausführen der drei Kraftstoffeinspritzvorgänge weiterhin das Auslösen des ersten Kraftstoffeinspritzvorgangs während eines Kompressionstakts unmittelbar vor einem oberen Totpunkt eines Kolbenhubs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein Kurbelwinkel zum Auslösen einer Einspritzung des ersten Kraftstoffeinspritzvorgangs beruhend auf einem Kurbelwinkel ermittelt wird, bei dem fünfzig Prozent der während des Verbrennungszyklus eingespritzten Kraftstoffmenge für die drei Einspritzvorgänge im Wesentlichen gleich wie bei einem optimierten einzelnen Einspritzvorgang zum Einspritzen der Kraftstoffmenge ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine beruhend auf Brennkraftmaschinenlast ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln der während des Verbrennungszyklus einzuspritzenden Kraftstoffmenge auf dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine und einer Drehmomentforderung des Fahrers beruht.
Verfahren zum Optimieren des Betriebs einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und Kompressionszündung umfassend: Ermitteln eines Betriebspunkts der Brennkraftmaschine; Ermitteln einer während eines Verbrennungszyklus einzuspritzenden Kraftstoffmenge; und selektives Ausführen eines von ein, zwei und drei Kraftstoffeinspritzvorgängen während des Verbrennungszyklus beruhend auf dem Verbrennungswirkungsgrad und den Abgasemissionen der Brennkraftmaschine.
Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend: selektives Ausführen des einen von ein, zwei und drei Kraftstoffeinspritzvorgängen während des Verbrennungszyklus beruhend auf dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine und der einzuspritzenden Kraftstoffmenge.
Brennkraftmaschine umfassend: eine Brennkraftmaschine mit Diffusionsverbrennung, die mit einer Kraftstoffeinspritzanlage mit einer Hochdruck-Kraftstoffanlage und mehreren Kraftstoffeinspritzventilen ausgestattet ist, die jeweils zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine ausgelegt sind; und ein dafür ausgelegtes Steuergerät: den Brennkraftmaschinenbetrieb und eine Drehmomentforderung des Fahrers zu überwachen; eine in einen der Brennräume während eines Verbrennungszyklus einzuspritzende Kraftstoffmenge zu ermitteln; eines der Kraftstoffeinspritzventile zu betätigen, um selektiv einen von ein, zwei und drei Kraftstoffeinspritzvorgängen zum Liefern der ermittelten Kraftstoffmenge zu dem Brennraum während des Verbrennungszyklus auszuführen; und einen Start der Einspritzung des ersten Kraftstoffeinspritzvorgangs auszulösen, der zum Minimieren von Partikelemissionen und zum Optimieren des Wärmewirkungsgrads der Brennkraftmaschine dient.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, wobei das zum Auslösen des Starts der Einspritzung des ersten Kraftstoffeinspritzvorgangs, der zum Minimieren von Partikelemissionen und zum Optimieren des Wärmewirkungsgrads der Brennkraftmaschine dient, ausgelegte Steuergerät weiterhin zum Auslösen des Starts der Einspritzung bei einem Kurbelwinkel ausgelegt ist, der beruhend auf einem Kurbelwinkel ermittelt wird, bei dem fünfzig Prozent der während des Verbrennungszyklus eingespritzten Kraftstoffmenge im Wesentlichen gleich wie bei einem einzigen Einspritzvorgang zum Einspritzen der Kraftstoffmenge ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, wobei die Brennkraftmaschine mit Diffusionsverbrennung eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und Kompressionszündung umfasst.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, wobei die Hochdruck-Kraftstoffanlage zum Arbeiten bei einem Kraftstoffdruck von 1.800 bar dient.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, wobei das Steuergerät dafür ausgelegt ist, eines der Kraftstoffeinspritzventile selektiv zu betätigen, um drei Kraftstoffeinspritzvorgänge zum Liefern der ermittelten Kraftstoffmenge beruhend auf Brennkraftmaschinenlast auszuführen.
System zum Steuern von Abgasemissionen in einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und Dieselzyklus umfassend: i) eine Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung mit: a) mehreren Zylindern, wobei jeder Zylinder einen darin ausgebildeten Brennraum aufweist; b) einer Kraftstoffeinspritzanlage mit mehreren Kraftstoffeinspritzventilen, die mit einer druckbeaufschlagten Kraftstoffleitung fluidisch verbunden sind; wobei jedes Einspritzventil mehrere kraftstoffverteilende Düsen mit einer niedrigen Stromzahl aufweist, wobei jedes Einspritzventil zum Aufnehmen von druckbeaufschlagtem Kraftstoff von dem Verteilerrohr dient und zum direkten Einspritzen einer quantifizierbaren Kraftstoffmasse in einen Brennraum der Brennkraftmaschine dient; und ii) ein Steuersystem, das zum Überwachen des Brennkraftmaschinenbetriebs und zum Steuern der Kraftstoffeinspritzanlage dient; wobei das Steuersystem ein darin codiertes Computerprogramm zum Ausführen eines Verfahrens zum Steuern des Betriebs der Kraftstoffeinspritzanlage aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Einspritzen einer ersten Masse von Kraftstoff unmittelbar bevor der Kolben eine Position des oberen Totpunkts in dem Brennraum während eines Kompressionstakts erreicht; und nach einer vorbestimmten Verweilzeit Einspritzen einer zweiten Masse von Kraftstoff, die im Wesentlichen gleich der ersten Masse von Kraftstoff ist, in den Brennraum während eines Arbeitstakts, der unmittelbar danach erfolgt.