DE19815266B4

DE19815266B4 - Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19815266B4
Application number: DE19815266A
Authority: DE
Inventors: Winfried Oppermann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1997-04-16
Filing date: 1998-04-04
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2018-04-05
Also published as: DE19815266A1

Abstract

Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine, bei dem eine für die Verbrennung vorgesehene Gesamtkraftstoffmenge während eines Arbeitsspieles in im zeitlichen Verlauf der Einspritzung voneinander getrennten Teilmengen eingespritzt wird, wobei diese Teilmengen voneinander abweichend bemessen sein können, dadurch gekennzeichnet, dass die im zeitlichen Verlauf zuerst eingespritzte Teilmenge eine Haupt-Teilmenge (OH) zur Ausbildung einer geschichteten Ladung im Brennraum ist, während die im zeitlichen Verlauf anschließend eingespritzte Teilmenge eine Zünd-Teilmenge (Q_Z) zur Entflammung des Gemisches im Brennraum ist, wobei die Haupt-Teilmenge (OH) zumindest in einem niedrige bis hohe Teillasten der Brennkraftmaschine enthaltenden Lastbereich mit Gesamt-Lambda-Werten von größer oder gleich 1,6, größer bemessen ist als die Zünd-Teilmenge (Q_Z) und wobei die Zünd-Teilmenge (O_Z) im Bereich des Zünd-OT (ZOT) eingespritzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzverfahren für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus DE 44 14 906 C1 ist ein gattungsgemäßes Kraftstoffeinspritzverfahren für eine Brennkraftmaschine derart bekannt, daß die Gesamtkraftstoffmenge im zeitlichen Verlauf der Einspritzung in voneinander getrennten Teilmengen eingespritzt wird. Hierbei wird eine Sekundärmenge Kraftstoff im Ansaugtakt zugeführt, während die Primärmenge während des Verdichtungstaktes im wesentlichen unmittelbar vor Erreichen des Zünd-OT eingebracht wird. Bei diesem bekannten Verfahren ist die eingespritzte Primärmenge wesentlich größer bemessen als die Sekundärmenge.
Die in diesem Dokument gewürdigte EP 0 141 044 A2 wird dahingehend zitiert, daß eine Vor- und eine Haupteinspritzmenge einer Brennkraftmaschine jeweils im Verdichtungstakt zugeführt wird. Eine mengenmäßige Aufteilung der gesamten Kraftstoffmenge auf die Vor- bzw. Haupteinspritzung wird in diesem Dokument nicht vorgenommen.
Des weiteren ist es aus DE 195 36 098 A1 bekannt, eine unterteilte, direkte Kraftstoffeinspritzung zum schnelleren Erreichen der Anspringtemperatur eines Abgaskatalysators zu verwenden. Hierbei erfolgt eine erste Einspritzung im Saug- oder Verdichtungstakt, anschließend eine Zündung des sich bis dahin bildenden Gemisches. Im anschließenden Expansionstakt dieser Brennkraftmaschine erfolgt eine zweite Einspritzung von Kraftstoff, welcher durch die sich bereits ausbreitende Flammenfront der gezündeten ersten Einspritzung ebenfalls entflammt wird und somit für eine erhöhte Energiezufuhr im Abgas zwecks schnellerer Erwärmung des Katalysators sorgt.
Weiterhin ist es aus DE 44 02 808 A1 bekannt, zunächst eine kennfeldabhängige Soll-Kraftstoffmenge auszulesen und anschließend zu berechnen, ob diese Soll-Kraftstoffmenge innerhalb einer bestimmten Zeitspanne während des Ansaughubes nach OT eingebracht werden kann. Dies ist beispielsweise nach der dortigen 4 für einen niedrigen und mittleren Lastbereich gegeben. Für einen hohen Lastbereich ist die vorerwähnte Zeitspanne zu gering, so dass die Routine die gesamte Kraftstoffmenge in zwei Teilmengen aufteilt, wobei die erwähnte Zeitspanne im Ansaughub voll ausgeschöpft wird und die dann noch erforderliche Restmenge vor dem Ansaughub eingespritzt wird.
Aus der US 4 955 339 A ist ein Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem eine für die Verbrennung vorgesehene Gesamtkraftstoffmenge während eines Arbeitsspieles in im zeitlichen Verlauf der Einspritzung voneinander getrennten Teilmengen eingespritzt wird, wobei diese Teilmengen voneinander abweichend bemessen sein können. Hierbei ist eine im zeitlichen Verlauf zuerst eingespritzte Teilmenge zumindest in einem bestimmten Lastbereich größer bemessen als die zeitlich später im Bereich des Zünd-OT eingespritzte Zündteilmenge bemessen.
Darüber hinaus wird in US 4 621 599 A vorgeschlagen bei einem Kraftstoffeinspritzverfahren die Hauptteilmenge in zwei Unterteilmengen, eine Früh- und eine Spätteilmenge aufgeteilt einzuspritzen.
Weiterhin ist es aus US 3 924 598 A dort 4, bekannt eine Pilotkraftstoffeinspritzmenge in allen Lastbereichen gleich groß zu bemessen.
Aus der nicht vorveröffentlichten DE 196 02 065 A1 ist ein Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennkraftmaschine bekannt, bei dem eine für die Verbrennung vorgesehene Gesamtkraftstoffmenge während eines Arbeitsspieles in im zeitlichen Verlauf der Einspritzung voneinander getrennten Teilmengen eingespritzt wird, wobei diese Teilmengen voneinander abweichend bemessen sein können und wobei die im zeitlichen Verlauf zuerst eingespritzte Teilmenge eine Teilmenge zur Ausbildung einer geschichteten Ladung im Brennraum ist, während die im zeitlichen Verlauf später eingespritzte Teilmenge eine Zündteilmenge zur Entflammung des Gemisches im Brennraum ist, und wobei die zuerst eingespritzte Teilmenge zumindest in bestimmten Bereichen größer bemessen ist als die Zündteilmenge und wobei die Zündteilmenge im Bereich des Zünd-OT eingespritzt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Kraftstoffeinspritzverfahren dahingehend zu verbessern, dass in weiten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine eine Ladungschichtung möglich ist und die sich innerhalb der verschiedenen Betriebsbereiche einstellenden Schichtungen für einen stabilen Betrieb sicher entzündend werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass in einem weiten Lastbereich der Brennkraftmaschine eine für einen sogenannten Schicht-/Magermotor günstige Ladungsschichtung und Gemischbildung erzielt werden kann, wenn die einzuspritzende Kraftstoffmenge in Form einer ersten Haupt-Teilmenge und in einer davon abgesetzten und daran anschließenden Zünd-Teilmenge eingebracht wird. Der Begriff "Haupt" ist hier nicht beschränkend im Sinne der hierbei eingespritzten Menge zu verstehen, sondern bringt zum Ausdruck, dass diese Teilmenge einen wesentlichen Beitrag zur geschichteten Ladungserzeugung bringt.
Die Unterteilung der Kraftstoffeinspritzung in mehrere Teilmengen bewirkt eine zeitliche Streckung der gesamten Kraftstoffeinspritzung und ermöglicht es, nach der Einspritzung der Haupt-Teilmenge eine günstige Gemischaufbereitung zu erzielen, welche anschließend mit Hilfe der Zünd-Teilmenge und der darauffolgenden Zündung entflammt wird. Die wesentliche Funktion der Zünd-Teilmenge ist somit die stabile und reproduzierbare Entflammung des gesamten, im Brennraum befindlichen Gemisches. Der erwähnte, relativ große Lastbereich der Brennkraftmaschine umfasst hierbei niedrige bis hohe Teillasten, d. h. Lasten ab knapp oberhalb des Leerlaufs bis in den vollastnahen Bereich.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, daß die Haupt-Teilmenge in weitere Unter-Teilmengen aufgeteilt eingespritzt wird. Hierdurch kann die Bildung der Ladungsschichtung gezielt beeinflußt werden und die Menge an eingebrachtem Kraftstoff besser verteilt bzw. gestreckt werden.
In diesem Zusammenhang kann bevorzugt vorgesehen, daß diese Unter-Teilmengen voneinander abweichend bemessen sind, jedoch ist auch eine gleich große Bemessung aller Teilmengen möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren findet besonders bevorzugt Verwendung bei einem direkteinspritzenden Otto-Motor, wobei hier besonders vorteilhafte Effekte erzielt werden, wenn Haupt- und Zünd-Teilmengen im Verdichtungstakt des Arbeitsspieles eingespritzt werden. In einem Lastbereich unterhalb des vorerwähnten Lastbereiches, d. h. etwa zwischen Leerlauf und sehr niedriger Last, kann die Haupt-Teilmenge geringer bemessen sein als die anschließend eingespritzte Zünd-Teilmenge.
In einem oberhalb des erwähnten Lastbereiches liegenden weiteren Lastbereich, welcher von hohen Teillasten bis zur Vollast reicht, kann für eine besonders günstige Gemischbildung vorgesehen sein, daß die Haupt-Teilmenge bereits im Saughub eingespritzt wird. Diese ist dabei deutlich größer bemessen als die Zünd-Teilmenge.
Bei Verwendung in einem direkteinspritzenden Otto-Motor erfolgt die Einbringung der gesamten Kraftstoffmenge bevorzugt über eine einzige, in entsprechender Weise über eine Motorsteuerung aktivierte Kraftstoffeinspritzdüse.
Insbesondere bei einem direkteinspritzenden Otto-Motor ist ein stabiler Betrieb mit geschichteter Ladung möglich. Hierdurch ist ein ungedrosselter Betrieb unter Reduzierung des CO₂-Ausstoßes möglich.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus dem nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispiel. In der Zeichnung ist anhand der 1a bis 1g das Kraftstoffeinspritzverfahren anhand von Diagrammen erläutert. Die Abszisse zeigt jeweils den Kurbelwinkel in °Kurbelwinkel, während auf der Ordinate die eingespritzte Kraftstoffmenge Q aufgetragen ist, welche gleichzusetzen mit der Einspritzdauer ist.
Auf der Abszisse ist jeweils der Ansaughub zwischen OT bei 360° Kurbelwinkel und UT bei 540° Kurbelwinkel erkennbar, während sich der Verdichtungstakt daran anschließend bis zum Zünd-OT (ZOT) bei 720° Kurbelwinkel erstreckt.
Die Figuren zeigen von 1a in Richtung auf 1g jeweils zunehmende Lasten. in einem ersten Lastbereich gemäß 1a, welcher vom Leerlauf bis zu sehr niedrigen Teillasten reicht, wird die für ein Arbeitsspiel insgesamt vorgesehene Gesamtkraftstoffmenge in eine Haupt-Teilmenge Q_H und eine Zünd-Teilmenge Q_Z unterteilt eingespritzt. Beide Teilmengen werden, wie deutlich erkennbar, im Verdichtungstakt eingebracht. Infolge dessen stellt sich eine geschichtete Verbrennung mit Gesamt-Lambda-Werten deutlich oberhalb von ca. 1,6.
Ein zweiter, anhand der 1b bis 1f dargestellter Lastbereich deckt niedrige bis hohe Teillasten der Brennkraftmaschine ab. Zunächst wächst mit zunehmender Last die Haupt-Teilmenge Q_H bezüglich der Menge an und kann dabei beispielsweise gleich groß mit der Zünd-Teilmenge Q_Z gemäß 1b sein. Bei weiter steigender Last nimmt Q_H gemäß 1c deutlich zu, wobei Q_Z konstant bleibt.
Es sei angenommen, daß mit weiter zunehmender Last zur verbesserten Homogenisierung der Schichtladung die Haupt-Teilmenge Q_H mit einem einzigen Einspritzimpuls über die verwendete Einspritzdüse nicht mehr eingebracht werden soll, so daß gemäß 1d die Haupt-Teilmenge Q_H in Form von zwei Unter-Teilmengen Q_Hu1,2 eingebracht wird. Hierbei kann, wie anhand von 1d gezeigt, für die Erzeugung einer sicheren geschichteten Verbrennung im Bereich mit Gesamt-Lambda-Werten von größer oder gleich 1,6 eine erste Unter-Teilmenge Q_Hu1 größer bemessen sein als die darauf folgende zweite Unter-Teilmenge Q_Hu2.
Bei weiter steigender Last gemäß 1e nimmt die zweite Unterteilmenge Q_Hu2 identische Werte mit der ersten Unterteilmenge Q_Hu1 an.
Ein weiteres ansteigen gemäß 1f kann eine mehrfache, hier dargestellt eine dreifache, Unterteilung der Haupt-Teilmenge Q_H erforderlich machen. Bevorzugt wird dabei die erste Unter-Teilmenge Q_Hu1 größer gewählt als die nachfolgenden Unterteilmengen Q_Hu2 und Q_Hu3.
Zur Anpassung an brennkraftmaschinenindividuelle Anforderungen bezüglich der Ladungsschichtung können die zuvor beschriebenen und in den Figuren gezeigten Mengenverhältnisse über die Einstellung der Einspritzdauer variiert werden. Entscheidend bei der Einspritzung von mehreren Unterteilmengen Q_Hu ist, das nach Zünden der Zünd-Teilmengen Q_Z alle sich infolge der zuvor gehenden Einspritzungen gebildeten Ladungswolken bzw. Schichten sicher entflammt werden.
In einem dritten Lastbereich, welcher von hohen Teillasten bis zur Vollast reicht, gemäß 1g ist vorgesehen, daß zur Erzielung einer ausreichend großen Zeitspanne für eine günstige Gemischbildung die Haupt-Teilmenge Q_H bereits im Saughub eingespritzt wird.
Das erfindungsgemäße Einspritzverfahren wurde vorstehend für steigende Lasten bei einer bestimmten Drehzahl dargestellt, es ist jedoch prinzipiell in allen Drehzahlbereichen anwendbar. Bei steigenden Drehzahlen steht während eines festen Kurbelwinkeifensters eine immer kürzere Einspritzdauer zur Verfügung, so daß zum Einbringen von ausreichenden Kraftstoffmengen mit steigender Drehzahl die Kurbelwinkel für die einzuspritzenden Teilmengen vergrößert werden und insgesamt zu früheren Kurbelwinkeln verschoben werden. Dieser Sachverhalt ist schematisch für eine höhere Drehzahl durch die gestrichelt dargestellten Kurvenzüge repräsentiert, wobei gemäß 1g für Q_H die Vergrößerung des Kurbelwinkelbereiches für das Einspritzende in Richtung auf spätere Kurbelwinkel erfolgt. Bei Bedarf kann der Einspritzbeginn auch in Richtung früher, vor OT, gelegt werden.
Mit der vergleichsweisen großen Haupt-Teilmenge Q_H gemäß 1g wird eine homogene Ladung mit Lambda-Werten von ca. > 1 bis < 1,6 erzeugt, bis dann vor ZOT die Zündung mit einem zusätzlichen, vergleichsweisen kleinen fetteren Zünd-Gemisch erfolgt.

Claims

Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine, bei dem eine für die Verbrennung vorgesehene Gesamtkraftstoffmenge während eines Arbeitsspieles in im zeitlichen Verlauf der Einspritzung voneinander getrennten Teilmengen eingespritzt wird, wobei diese Teilmengen voneinander abweichend bemessen sein können, dadurch gekennzeichnet, dass die im zeitlichen Verlauf zuerst eingespritzte Teilmenge eine Haupt-Teilmenge (OH) zur Ausbildung einer geschichteten Ladung im Brennraum ist, während die im zeitlichen Verlauf anschließend eingespritzte Teilmenge eine Zünd-Teilmenge (Q_Z) zur Entflammung des Gemisches im Brennraum ist, wobei die Haupt-Teilmenge (OH) zumindest in einem niedrige bis hohe Teillasten der Brennkraftmaschine enthaltenden Lastbereich mit Gesamt-Lambda-Werten von größer oder gleich 1,6, größer bemessen ist als die Zünd-Teilmenge (Q_Z) und wobei die Zünd-Teilmenge (O_Z) im Bereich des Zünd-OT (ZOT) eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupt-Teilmenge (Q_H) in mehrere Unter-Teilmengen (Q_Hu1,2) aufgeteilt eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unter-Teilmengen (Q_Hu1,2) voneinander abweichend bemessen sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupt-Teilmenge (Q_H) mit steigender Last zunimmt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Teilmengen (Q_H, Q_Z) im Verdichtungstakt des Arbeitsspieles eingespritzt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem hohe Teillasten bis die Volllast enthaltenden Lastbereich die Haupt-Teilmenge (Q_H) größer bemessen ist als die Zünd-Teilmenge (Q_Z) und diese Haupt-Teilmenge (Q_H) im Ansaugtakt des Arbeitsspieles eingespritzt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Zünd-Teilmenge (Q_Z) in allen Lastbereichen gleich groß bemessen ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Teilmengen (Q_H, Q_Z) mittels einer einzigen Einspritzdüse in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht werden.