Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer di
rekteinspritzenden Brennkraftmaschine während des Starts ge
mäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung beinhalten ein
großes Potential zur Reduktion des Kraftstoffverbrauches bei
relativ geringem Schadstoffausstoß. Im Gegensatz zur Saug
rohreinspritzung wird bei einer Direkteinspritzung Kraftstoff
mit hohem Druck direkt in den Verbrennungsraum eingespritzt.
Die Direkteinspritzung ermöglicht durch die freie Wahl des
Einspritzzeitpunktes verschiedene Betriebsweisen der Brenn
kraftmaschine. Bei sehr früher Einspritzung während des An
saughubes ergibt sich eine weitgehende Ladungshomogenisierung
und damit ein homogener Betrieb, der für maximale Luftausnut
zung unter Vollast, teilweise auch im Kaltstart und Warmlauf,
sowie insbesondere für den homogenen Teillastbetrieb einge
setzt wird. Bei spätem Einspritzzeitpunkt während des Ver
dichtungshubes erhält man eine mehr oder weniger stark ausge
prägte Ladungsschichtung und damit einen geschichteten Be
trieb, der weitgehend im extrem mageren Teillastbetrieb ange
wendet wird. Auch sind die Zündzeitpunkte unterschiedlich
wählbar (s. hierzu AVL Tagung "Motor und Umwelt" 1997, "Otto-
Direkteinspritzung - ein ganzheitlicher Systemansatz",
S. 255-271).
Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen ist es ferner
bekannt, den Startvorgang im homogenen Betriebsmodus durchzu
führen. Dabei werden die Einspritzmenge für den Kraftstoff
und der Einspritzbeginnwinkel vorgegeben und die Einspritzung
beginnt sofort nachdem die Synchronisation abgeschlossen ist.
Da unmittelbar nach dem Beginn des Startvorganges aufgrund
des mechanischen Antriebes der Kraftstoffhochdruckpumpe der
Druck im Hochdruckspeicher (Raildruck) im wesentlichen von
der elektrisch angetriebenen Förderpumpe bestimmt ist und da
mit relativ geringe Werte aufweist, wird der eingespritzte
Kraftstoff schlecht aufbereitet (große Kraftstofftröpfchen).
Abhängig vom Raildruck ändert sich die Einspritzdauer und da
mit auch das Einspritzende. Das hat u. U. zur Folge, daß an
der Zündkerze kein zündfähiges Gemisch vorliegt und die Zeit
spanne, bis der Startvorgang beendet ist, sehr groß ist. Ein
solcher Startvorgang wird auch als Niederdruckstart bezeich
net.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
Betreiben einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine wäh
rend des Starts anzugeben, mit dem der Startvorgang verkürzt
werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen angegeben.
In Abhängigkeit einer die Temperatur der Brennkraftmaschine
charakterisierenden Größe, insbesondere der Kühlmitteltempe
ratur wird zwischen dem sogenannten Niederdruckstart mit ho
mogenem Gemisch und dem sogenannten Hochdruckstart mit ge
schichtetem Gemisch umgeschaltet. Dadurch, daß die Einsprit
zung beim Hochdruckstart der Brennkraftmaschine erst freige
geben wird, wenn der Druck im Hochdruckspeicher einen vorge
gebenen Schwellenwert überschreitet, wird der eingespritzte
Kraftstoff besser aufbereitet (kleinere Kraftstofftröpfchen).
Die Einspritzung wird bei einem solchen Hochdruckstart durch
die Einspritzmenge und dem Einspritzendewinkel vorgegeben.
Durch Vorgabe des Einspritzendewinkels im Gegensatz zur Vor
gabe des Einspritzbeginnwinkels bei einem herkömmlichen Nie
derdruckstart wird sichergestellt, daß sich an der Zündkerze
ein zündfähiges Gemisch befindet und zwar unabhängig von der
Spritzdauer.
Vorteilhafterweise erfolgt beim Hochdruckstart eine Begren
zung der Einspritzzeit auf einen frühest möglichen Einspritz
beginn, damit nicht in den Ausschubtakt eingespritzt wird.
Beim Niederdruckstart dagegen erfolgt eine Begrenzung der
Einspritzzeit hinsichtlich des Einspritzendes, damit nicht in
das gezündete Kraftstoff-Luftgemisch gespritzt wird, was zu
starker Rußentwicklung führen würde.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: ein Blockschaltbild einer direkteinspritzenden
Brennkraftmaschine mit Hochdruckspeicher und zuge
höriger Steuerungseinrichtung;
Fig. 2: ein Flußdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemä
ßen Verfahrens.
Die Fig. 1 zeigt in grob schematischer Darstellung eine
Brennkraftmaschine mit einer Hochdruck-Speichereinrichtung
(Common Rail). Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind dabei
nur diejenigen Teile gezeichnet, die für das Verständnis der
Erfindung notwendig sind. Insbesondere ist nur ein Zylinder
einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine dargestellt.
Mit dem Bezugszeichen 10 ist ein Kolben bezeichnet, der in
einem Zylinder 11 einen Verbrennungsraum 12 begrenzt. In den
Verbrennungsraum 12 mündet ein Ansaugkanal 13, durch den ge
steuert durch ein Einlaßventil 14 die Verbrennungsluft in den
Verbrennungsraum 12 strömt. Gesteuert durch ein Außlaßventil
15 zweigt vom Verbrennungsraum 12 ein Abgaskanal 16 ab, in
dessen weiterer Verlauf ein Sauerstoffsensor (Lambdasonde) 17
und ein NOx-Speicherkatalysator 18 angeordnet ist. Der NOx-
Speicherkatalysator 18 dient dazu, in Betriebsbereichen der
Brennkraftmaschine mit magerer Verbrennung die geforderten
Abgasgrenzwerte einhalten zu können. Er adsorbiert aufgrund
seiner Beschichtung die bei magerer Verbrennung erzeugten
NOx-Verbindungen im Abgas.
Die zur Verbrennung im Zylinder 11 notwendige Frischluft
strömt über ein nicht dargestelltes Luftfilter und einen
Luftmassenmesser 19 in den Ansaugkanal 13 zu einer Drossel
klappe 20. Als Drosselklappe 20 findet bevorzugter Weise ein
elektromotorisch angetriebenes Drosselorgan Verwendung, des
sen Öffnungsquerschnitt neben der Betätigung durch den Fahrer
(Fahrerwunsch) auch abhängig von Betriebsparametern der
Brennkraftmaschine über Signale einer Steuerungseinrichtung
21 einstellbar ist (E-Gasanlage). Damit lassen sich bei
spielsweise störende Lastwechselreaktionen des Fahrzeugs beim
abrupten Gasgeben oder Gaswegnehmen ebenso reduzieren wie
Drehmomentsprünge beim Übergang vom Betrieb mit homogenem Ge
misch zum Betrieb mit geschichteter Ladung und ungedrosseltem
Luftweg. Zugleich wird zur Überwachung und Überprüfung ein
Signal für die Stellung der Drosselklappe an die Steuerungs
einrichtung 21 abgegeben.
In den Verbrennungsraum 12 ragt eine Zündkerze 22 und ein
Einspritzventil 23, durch das Kraftstoff bei Bedarf in den
Verbrennungsraum 12 eingespritzt werden kann. Die Förderung
und Bereitstellung des Kraftstoffes für dieses Einspritzven
til 23 erfolgt durch ein bekanntes Common-Rail-System für
Benzin-Direkteinspritzung. Der Kraftstoff wird dabei aus ei
nem Kraftstoffvorratsbehälter 24 mittels einer, in der Regel
innerhalb des Behälters angeordneten, einen Vorfilter aufwei
senden Elektrokraftstoffpumpe 25 unter geringem Druck (ty
pisch 3 bar) gefördert und anschließend über einen Kraftstof
filter 26 zu einer Kraftstoffhochdruckpumpe 27 geleitet. Die
se Kraftstoffhochdruckpumpe 27 wird in bevorzugter Weise me
chanisch durch eine Kopplung mit der Kurbelwelle oder der
Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetrieben. Sie erhöht
den Kraftstoffdruck auf einen maximalen Wert von typisch 100 bar
in einem Hochdruckspeicher 28 (Common-Rail), an dem die
Zuführleitungen aller Einspritzventile angeschlossen sind.
Der Druck im Hochdruckspeicher 28 wird mittels eines Druck
sensors erfaßt und ein entsprechendes Drucksignal pRail der
Steuerungseinrichtung 21 übertragen. Mit Hilfe eines Druck
reglers 30 wird der Druck im Hochdruckspeicher 28 auf einen
konstanten Wert eingestellt. Überschüssiger Kraftstoff wird
nicht in den Kraftstoffvorratsbehälter 24 zurückgeführt, son
dern an den Eingang der Kraftstoffhochdruckpumpe 27.
Ein Temperatursensor 31 erfaßt ein der Temperatur der Brenn
kraftmaschine entsprechendes Signal, vorzugsweise über eine
Messung der Kühlmitteltemperatur TKW. Die Drehzahl N der
Brennkraftmaschine wird mit Hilfe eines Markierungen der Kur
belwelle oder eines mit ihr verbundenen Geberrades abtasten
den Sensors 32 erfaßt. Diese Signale werden ebenso wie das Si
gnal des Luftmassenmessers 19 der Steuerungseinrichtung 21
zur Aufbereitung und weiteren Verarbeitung, insbesondere zur
Berechnung der Einspritzmenge bzw. der Einspritzzeit, sowie
des Einspritzbeginnwinkels und des Einspritzendewinkels zuge
führt.
Weitere Steuerparameter, die zum gesteuerten/geregelten Be
trieb der Brennkraftmaschine benötigt werden, wie beispiels
weise Gaspedalstellung, Temperatur der Ansaugluft, Drossel
klappenstellung, Signale von Klopfsensoren, Batteriespannung,
Fahrdynamikanforderungen usw. sind ebenfalls der Steuerungs
einrichtung 21 zugeführt und sind in der Figur allgemein mit
dem Bezugszeichen 33 gekennzeichnet. Mit Hilfe der Steuerpa
rameter wird in der Steuerungseinrichtung 21 durch Abarbeiten
abgelegter Steuerroutinen die Brennkraftmaschine gesteuert
bzw. geregelt. Hierzu werden über Signale verschiedene Stell
geräte angesteuert, die jeweils einen Stellantrieb und ein
Stellglied umfassen, z. B. die Drosselklappe und die Einspritz
ventile. Diese Signale sind in der Figur allgemein mit dem
Bezugszeichen 34 gekennzeichnet. Desweiteren weist die Steue
rungseinrichtung einen Speicher 35 auf, in dem u. a. mehrere
Kennfelder KF1-KF5 abgelegt sind, deren Bedeutung anhand der
nun folgenden Beschreibung der Fig. 2 näher erläutert wird.
Nach dem Start der Brennkraftmaschine (Klemme 15 ein) wird in
einem ersten Verfahrensschritt S1 der Inhalt eines Zyklenzäh
lers auf den Wert Null zurückgesetzt und neu gestartet. Als
Zyklus ist dabei bei einer 4-Zylinder-Brennkraftmaschine eine
halbe Umdrehung der Kurbelwelle zu verstehen. Es ist aber
auch möglich, daß der Zyklenzähler die Anzahl der Arbeits
spiele nach dem Start der Brennkraftmaschine aufsummiert.
Anschließend wird im Verfahrensschritt S2 die mittels des
Temperatursensors 31 erfaßte Kühlmitteltemperatur TKW mit ei
nem Schwellenwert TKW_SCHW verglichen. Der Schwellenwert
TKW_SCHW wird durch Versuche ermittelt und ist in dem Spei
cher 35 der Steuerungseinrichtung 21 abgelegt. Liegt die Tem
peratur TKW des Kühlmittels unterhalb des Schwellenwertes
oder ist sie gleich diesem Schwellenwert, so wird immer ein
sogenannter Niederdruckstart durchgeführt und das Verfahren
wird mit dem Verfahrensschritt S5 fortgesetzt. Dabei wird
überprüft, ob die Synchronisation für den Einspritzvorgang
schon beendet ist. Diese Abfrage wird solange innerhalb einer
Schleife wiederholt, bis die Abfrage ein positives Ergebnis
liefert. Ist dies der Fall, so wird im Verfahrensschritt S6
die Einspritzmenge MFF aus einem Kennfeld KF1 des Speichers
35 ausgelesen. In diesem Kennfeld KF1 sind in Abhängigkeit
von der Kühlmitteltemperatur TKW und der Drehzahl N Werte für
die Einspritzmenge MFF in mg/Hub abgelegt.
Außerdem wird aus einem Kennfeld KF2 des Speichers 35 der
Einspritzbeginnwinkel SOI als Funktion der Drehzahl N und der
Einspritzzeit TI ausgelesen, wobei die Einspritzzeit TI aus
dem Wert für den Druck PRail im Hochdruckspeicher 28 gewonnen
wird. Mit diesen Parametern wird die Einspritzung ausgeführt.
Anschließend wird im Verfahrensschritt S7 abgefragt, ob das
Ende des Startvorganges schon erreicht ist. Der Startvorgang
ist abgeschlossen, wenn die vom Drehzahlsensor erfaßte Dreh
zahl N einen vorgegebenen Grenzwert überschritten hat. Bei
negativem Ergebnis der Abfrage wird der Verfahrensschritt S6
wiederholt ausgeführt, andernfalls erfolgt die Berechnung der
Parameter für den Einspritzvorgang nach herkömmlicher Weise
für den Betrieb der Brennkraftmaschine außerhalb des Start
vorganges (Verfahrensschritt S10).
Ergibt die Abfrage in Verfahrensschritt S2, daß die Tempera
tur des Kühlmittels TKW den Schwellenwert TKW_SCHW über
schritten hat, so wird im Verfahrensschritt S3 überprüft, ob
der mittels des Drucksensors 29 erfaßte Druck PRail im Hoch
druckspeicher 28 einen vorgegebenen Schwellenwert P_SCHW
überschritten hat. Dieser Schwellenwert P_SCHW ist in Abhän
gigkeit der Kühlmitteltemperatur TKW in einem Kennfeld KF3
der Steuerungseinrichtung 21 abgelegt. Liegt der aktuelle
Wert des Druckes unterhalb des Schwellenwertes P_SCHW, so
wird im Verfahrensschritt S4 abgefragt, ob der Wert des Zy
klenzählers einen vorgegebenen Schwellenwert überschritten
hat. Ist dies der Fall, so wird zum Verfahrensschritt S5 ver
zweigt und es werden die Parameter für den sogenannten Nie
derdruckstart berechnet, wie es anhand der Verfahrensschritte
S6, S7 und S10 bereits erläutert wurde. Innerhalb der vorge
gebenen Anzahl von Zyklen konnte kein so hoher Druck im Hoch
druckspeicher aufgebaut werden, daß ein Hochdruckstart durch
geführt werden kann. Der Hochdruckstart wird also abgebrochen
und auf Niederdruckstart umgeschaltet. An Stelle der Abfrage
des Inhalts eines Zyklenzählers kann alternativ hierzu auch
eine reine Zeitabfrage erfolgen und auf Niederdruckstart um
geschaltet werden, wenn nach einer bestimmten Zeit die
Raildruckschwelle nicht erreicht wird.
Ist die Anzahl der gezählten Zyklen kleiner als der vorgege
bene Schwellenwert (Abfrage in Verfahrensschritt S4), so wird
wieder zum Verfahrensschritt S3 verzweigt. Dies geschieht so
lange, bis der Druck PRail im Hochdruckspeicher 28 den Schwel
lenwert P_SCHW überschritten hat. Ist diese Bedingung er
füllt, die Abfrage also positiv, dann wird im Verfahrens
schritt S8 die Einspritzmenge MFF aus einem Kennfeld KF4 des
Speichers 35 ausgelesen. In diesem Kennfeld KF4 sind in Ab
hängigkeit von der Kühlmitteltemperatur TKW, der Drehzahl N
und des Inhalts des Zyklenzählers Werte für die Einspritzmen
ge MFF in mg/Hub abgelegt. Sobald der Wert für die Druck
schwelle P_SCHW einmal überschritten wurde, bleibt der Hoch
druckstart freigegeben, auch wenn der Druck im Hochdruckspei
cher 28 anschließend durch den Einspritzvorgang ausgelöst
wieder unter den Schwellenwert fällt.
Außerdem wird aus einem Kennfeld KF5 des Speichers 35 der
Einspritzendewinkel EOI als Funktion der Kühlmitteltemperatur
TKW ausgelesen. Mit diesen Parametern wird die Einspritzung
ausgeführt.
Anschließend wird im Verfahrensschritt S9 abgefragt, ob das
Ende des Startvorganges schon erreicht ist. Der Startvorgang
ist abgeschlossen, wenn die vom Drehzahlsensor erfaßte Dreh
zahl N einen vorgegebenen Grenzwert überschritten hat. Bei
negativem Ergebnis der Abfrage wird der Verfahrensschritt S8
wiederholt ausgeführt, andernfalls erfolgt die Berechnung der
Parameter für den Einspritzvorgang nach herkömmlicher Weise
für den Betrieb der Brennkraftmaschine außerhalb des Start
vorganges (Verfahrensschritt S10).