DE19823280C1 - Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine während des Starts - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine während des Starts

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Abstract

In Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur wird zwischen dem sogenannten Niederdruckstart mit homogenem Gemisch und dem sogenannten Hochdruckstart mit geschichtetem Gemisch umgeschaltet. Dadurch, daß die Einspritzung beim Hochdruckstart der Brennkraftmaschine erst freigegeben wird, wenn der Durck im Hochdruckspeicher einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wird der eingespritzte Kraftstoff besser aufbereitet. Die Einspritzung wird bei einem solchen Hochdruckstart durch die Einspritzmenge und dem Einspritzendewinkel vorgegeben. Durch Vorgabe des Einspritzendewinkels im Gegensatz zur Vorgabe des Einspritzbeginnwinkels bei einem herkömmlichen Niederdruckstart wird sichergestellt, daß sich an der Zündkerze ein zündfähiges Gemisch befindet und zwar unabhängig von der Spritzdauer.

Description

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).

Claims (12)

1. Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Brenn­ kraftmaschine während des Starts, wobei die Brennkraftmaschi­ ne wahlweise mit homogenem oder geschichtetem Betrieb gestar­ tet werden kann und hierfür vorbestimmte Motorsteuerungspara­ meter für den homogenen und den geschichteten Betrieb berech­ net werden, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. abhängig von einer die Temperatur der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größe (TKW) zwischen dem Betrieb mit homogenem Gemisch und geschichtetem Gemisch ausgewählt wird,
  • 2. der Betrieb mit geschichtetem Gemisch erst freigegeben wird, wenn der Kraftstoffdruck (PRail) einen vorgegebenen Schwellenwert (P_SCHW) erreicht hat,
  • 3. bei Betrieb mit geschichtetem Gemisch die Einspritzung durch die Parameter Einspritzmenge (MFF) und Einspritzende­ winkel (EOI) vorgegeben ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrieb mit geschichtetem Gemisch ausgewählt wird, wenn die Kühlmitteltemperatur (TKW) einen vorgegebenen Schwellenwert (TKW_SCHW) überschritten hat, andernfalls der Betrieb mit ho­ mogenem Gemisch ausgewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrieb mit geschichtetem Gemisch abgebrochen wird, wenn nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen der Brennkraftmaschine der Schwellenwert (P_SCHW) für den Kraftstoffdruck (PRail) nicht erreicht wird und dann auf Betrieb mit homogenem Gemisch um­ geschaltet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzmenge (MFF) bei Start mit geschichtetem Gemisch als Funktion der Kühlmitteltemperatur (TKW), der Drehzahl (N) der Brennkraftmaschine und dem Wert des Inhaltes eines Zyklenzäh­ lers bestimmt ist, der die Anzahl der Zyklen der Brennkraft­ maschine seit dem Start der Brennkraftmaschine zählt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzendewinkel (EOI) abhängig von der Kühlmitteltempera­ tur (TKW) festgelegt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb mit homogenem Gemisch die Einspritzung durch die Pa­ rameter Einspritzmenge (MFF) und Einspritzbeginnwinkel (SOI) vorgegeben ist.
7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzmenge (MFF) bei Start mit homogenem Gemisch als Funktion der Kühlmitteltemperatur (TKW) und der Drehzahl (N) der Brennkraftmaschine bestimmt ist.
8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb mit homogenem Gemisch der Einspritzbeginnwinkel (SOI) abhängig von der Drehzahl (N) und der Einspritzzeit (TI) festgelegt ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert (P_SCHW) für den Kraftstoffdruck (P_Rail) ab­ hängig von der Kühlmitteltemperatur (TKW) der Brennkraftma­ schine in einem Kennfeld (KF3) eines Speichers einer zur Steuerung der Brennkraftmaschine dienenden Steuerungseinrich­ tung (21) abgelegt ist.
10. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte für die Einspritzmengen (MFF) für den geschich­ teten und den homogenen Betrieb der Brennkraftmaschine, den Einspritzbeginnwinkel (SOI) und den Einspritzendewinkel (EOI) getrennt in unterschiedlichen Kennfeldern (KF1; KF4, KF2; KF5) eines Speichers (35) einer zur Steuerung der Brennkraft­ maschine dienenden Steuerungseinrichtung (21) abgelegt sind.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Betrieb mit geschichtetem Gemisch die Einspritzzeit auf einen frühest möglichen Einspritzbeginnwinkel begrenzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Betrieb mit homogenem Gemisch die Einspritzzeit hin­ sichtlich des Einspritzendewinkel begrenzt wird.
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