DE19857785C2

DE19857785C2 - Verfahren zur Gemischbildung in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE19857785C2
Application number: DE19857785A
Authority: DE
Inventors: Johannes Ernst; Jens Froehlich; Deborah Mowll; Klaus Roessler; Guido Vent
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1998-12-15
Filing date: 1998-12-15
Publication date: 2000-12-07
Anticipated expiration: 2018-12-16
Also published as: EP1055061A1; EP1055061B1; US6467453B1; DE19857785A1; JP2002532651A; WO2000036292A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Gemischbildung in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors, bei dem während eines Arbeitstaktes des Verbrennungsmotors Kraftstoff mit einem sich ändernden Kraftstoffmassenstrom in den Brennraum eingespritzt wird.

Aus der Patentschrift DE 196 42 653 C1 ist ein Verfahren zur Bildung eines zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches in den Zy lindern einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine bekannt, bei dem in jeden Brennraum mittels eines Einspritzventils mit variabel einstellbarem Öffnungshub Kraftstoff eingespritzt wird. Die Einstellung des Ventilhubes erfolgt dabei in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors, insbesondere in Abhängigkeit von der Laufruhe der Brennkraftmaschine. Es ist ferner vorgesehen, den Öffnungshub des Einspritzventils während des Einspritzvor ganges zu verändern, und zwar entweder durch eine kurzzeitige Erhöhung des Öffnungshubes in einem mittleren Bereich der Ein spritzzeit oder eine dynamische Verkleinerung des Öffnungshubes von einem großen Anfangswert zu Beginn der Kraftstoffeinsprit zung auf einen reduzierten, jedoch von null verschiedenen End wert am Ende der Kraftstoffeinspritzung. Die dynamische Verklei nerung des Öffnungshubes erfolgt invers exponentiell, wodurch der Großteil einer zugemessenen Kraftstoffmenge mit einem hohen Kraftstoffmassenstrom zu Beginn der Einspritzzeit in den Brenn raum eingespritzt wird.

Aus der Offenlegungsschrift DE 196 02 065 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem während ei ner jeweiligen Kompressionshubphase zunächst eine Hauptkraft stoffmenge und nach einer Einspritzpause von festlegbarer Dauer eine Zündkraftstoffmenge in einen Kolbenbrennraum eingespritzt werden. Dadurch wird eine Ladungsschichtung des eingespritzten Kraftstoffes erzielt, wobei sich die beiden Gemischwolken zum Zündzeitpunkt überlappen oder aneinander angrenzen sollen.

Aus der Offenlegungsschrift DE 195 30 072 A1 ist ein Verbren nungsmotor bekannt, bei dem Kraftstoff in zwei Teilmengen in ei nen Brennraum eingespritzt wird, wobei die resultierende erste, größere Gemischmenge von der resultierenden zweiten, kleineren Gemischmenge zum Zeitpunkt der Zündung getrennt ist. Eine Ein spritzung der ersten Kraftstoffteilmenge erfolgt während des An saugtaktes, während die zweite Kraftstoffteilmenge in der Expan sionsphase in einen separaten Brennraumabschnitt eingespritzt und gezündet wird.

In der nachveröffentlichten Offenlegungsschrift DE 197 48 018 A1 wird eine Kraftstoffeinspritzung in drei Teilmengen beschrieben, von denen eine erste während eines Auspufftakts, eine zweite wäh rend des Ansaugtakts und eine dritte während des Kompressions takts eingespritzt wird, wobei die zweite Kraftstoffteilmenge entsprechend dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors korri giert wird. Auf diese Weise wird die Gesamtkraftstoffeinspritz menge durch variable Wahl der zweiten eingespritzten Teilmenge ganz aktuell an den momentanen Motorbetriebszustand angepasst. Die Einspritzung der drei Teilmengen erfolgt in drei zugehörigen, zeitlich getrennten Einspritzintervallen.

In der Offenlegungsschrift DE 198 15 266 A1 wird ein Verfahren zur Gemischbildung im Brennraum eines Verbrennungsmotors be schrieben, bei dem die gesamte Kraftstoffmenge in Form einer zu erst eingespritzten Haupt-Teilmenge und einer danach eingespritz ten Zünd-Teilmenge eingebracht wird. Dabei erfolgt die Einsprit zung der Haupt-Teilmenge ihrerseits motorlastabhängig bei niedri ger Motorlast mit einem einzelnen Einspritzvorgang und für höhere Motorlasten in Form von zwei und mehr aufeinanderfolgenden, ein zelnen Einspritzungen einer jeweiligen Unter-Teilmenge, wobei letztere gleich groß oder voneinander verschieden sein können. In jedem Fall bilden die einzelnen, aufeinanderfolgenden Einsprit zungen der Unter-Teilmengen und der abschließenden Zünd-Teilmenge zeitlich voneinander getrennte Einspritzvorgänge, d. h. zwischen je zwei solchen Einspritzvorgängen liegt eine Einspritzpause, in denen die zeitliche Einspritzmengenkurve bis auf null zurückgeht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Gemischbildung in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, das durch spezielle Gestaltung des Einspritzvorgangs ein verbessertes Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors erreicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 oder 3 gelöst.

Das Verfahren nach Anspruch 1 sieht eine dreistufige Kraftstoff einspritzung vor, bei der eine Hauptkraftstoffmenge über eine Zu satzkraftstoffmenge ohne Einspritzunterbrechung mit einer Zünd kraftstoffmenge verbunden wird. Durch die Zusatzkraftstoffmenge, die zwischen der Hauptkraftstoffeinspritzung und der Zündkraft stoffeinspritzung eingespritzt wird, können die Zeitpunkte von Beginn und Ende der Einspritzungen der Hauptkraftstoffmenge und der Zündkraftstoffmenge flexibler gewählt werden. Vorzugsweise wird als Zusatzkraftstoffmenge eine geringe Kraftstoffmenge bei einem vergleichsweise niedrigen Kraftstoffmassenstrom, d. h. bei geringer Öffnung des Einspritzventils, in den Brennraum einge spritzt. Hauptkraftstoffmenge und Zündkraftstoffmenge werden so miteinander verbunden, daß eine zuverlässige Entflammung der Hauptkraftstoffmenge erfolgt.

In Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 2 werden die Haupt kraftstoffmenge und die Zündkraftstoffmenge bei im wesentlichen gleich großem Kraftstoffmassenstrom, d. h. gleicher Öffnungsstel lung des Einspritzventils, in den Brennraum eingespritzt. Eine Einspritzventilsteuerung steuert dabei das Einspritzventil ledig lich in zwei verschiedene Öffnungspositionen. Das Verfahren ist somit besonders einfach realisierbar.

Das Verfahren nach Anspruch 3 sieht während eines Arbeitstaktes eine Kraftstoffeinspritzung vor, deren Kraftstoffmassenstrom von einem von null verschiedenen, maximalen Anfangswert monoton bis auf null abgesenkt wird. Dabei wird das Einspritzventil kontinu ierlich oder in Stufen langsam geschlossen und eine Variation des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in der Gemischwolke von fett nach mager erreicht. Damit ist sichergestellt, daß an irgendeiner Stelle der Gemischwolke zu einem bestimmten Zeitpunkt ein zündfä higes Gemisch mit günstiger Kraftstoffverteilung vorliegt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 4 wird das Einspritzventil in vorzugsweise gleich großen Stufen oder konti nuierlich von einer Öffnungsposition in eine Schließposition übergeführt, wobei der Kraftstoffmassenstrom entsprechend bis auf null abnimmt.

Beim gemäß Anspruch 5 weitergebildeten Verfahren wird eine gewis se Kraftstoffmenge in Abhängigkeit vom Massenstrom der in den Brennraum strömenden Verbrennungsluft bereits während der Ansaug phase eingespritzt. Der Kraftstoffmassenstrom ist dabei wenigs tens zeitweise dem Luftmassenstrom proportional, so daß in einem Bereich des Brennraumes ein näherungsweise gleichbleibendes Luft- Kraftstoff-Verhältnis erzielt wird. Dazu wird insbesondere der Nadelhub des Einspritzventils an die Bewegung des Lufteinlaßven tils angepaßt. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrie ben. Hierzu zeigen:

Fig. 1a in einem Zeitdiagramm den Verlauf des Sollwertes einer Ansteuerspannung bzw. den dazu proportionalen idealen Nadelhubverlauf eines Einspritzventils eines Verbren nungsmotors während eines ersten erfindungsgemäßen Ver fahrensbeispiels,

Fig. 1b in einem Zeitdiagramm einen tatsächlichen Nadelhubver lauf während des Verfahrens gemäß Fig. 1a,

Fig. 2a in einem Zeitdiagramm den Verlauf des Sollwertes einer Ansteuerspannung bzw. den dazu proportionalen idealen Nadelhubverlauf eines Einspritzventils eines Verbren nungsmotors während eines zweiten erfindungsgemäßen Ver fahrensbeispiels und

Fig. 2b in einem Zeitdiagramm einen tatsächlichen Nadelhubver lauf während des Verfahrens gemäß Fig. 2a.

Ein beispielhafter Verbrennungsmotor in Form eines Hubkolben- Ottomotors weist mehrere Arbeitszylinder mit jeweils einem Brennraum auf, dem wenigstens ein Lufteinlaßventil, wenigstens ein Abgasauslaßventil, ein Kraftstoffeinspritzventil für eine Direkteinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum sowie eine Zündkerze zur Zündung des eingespritzten Kraftstoffs zugeordnet sind. Während des Ansaug- und/oder Kompressionshubes des Hubkol bens wird zur Bildung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches durch das Einspritzventil fein zerstäubter Kraftstoff in die angesaugte Verbrennungsluft gespritzt (sog. innere Gemischbildung). Insbe sondere bei sogenannten strahlgeführten Brennverfahren ist es erforderlich, daß im Bereich der Zündkerze zum Zeitpunkt der Zündung ein zündfähiges Luft-Kraftstoff-Gemisch vorliegt, was im Falle der Einspritzung in den Kompressionshub durch eine ent sprechende Anordnung der Zündkerze im Bereich des Einspritz strahls des Einspritzventils sichergestellt wird.

Wesentliche Kriterien für eine optimale Verbrennung des einge spritzten Kraftstoffs sind die Entflammungsstabilität und die vollständige Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs, so daß Verkokungen innerhalb des Brennraums, Zyklenschwankungen und er höhte Schadstoffemissionen vermieden werden. Dazu sind die nach folgend beschriebenen Verfahrensbeispiele zur Gemischbildung in einem Brennraum geeignet, die beispielsweise abwechselnd während des Betriebes des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von dessen Lastzustand angewendet werden können.

Gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Verfahrensbeispiel wird die während eines Arbeitstaktes in den Brennraum eines Zylinders einzuspritzende Kraftstoffmenge in drei Teilmengen, eine Haupt kraftstoffmenge, eine Zündkraftstoffmenge und eine Zusatzkraft stoffmenge aufgeteilt. Die Hauptkraftstoffmenge wird in einem ersten Einspritzschritt zur Bildung einer ersten Gemischwolke in den Brennraum eingespritzt, wobei dieser Einspritzschritt vor zugsweise zu Beginn der Kompressionsphase des in dem Arbeits zylinder geführten Hubkolbens erfolgt. Der Beginn des genannten Einspritzschrittes kann in einem modifizierten Verfahren bereits während der Ansaugphase vorgesehen sein.

In einem zweiten Einspritzschritt, der direkt, d. h. ohne Ein spritzunterbrechung, an den ersten anschließt, wird die Zusatz kraftstoffmenge mit einem Kraftstoffmassenstrom, der geringer ist als der in dem ersten Einspritzschritt vorgesehene Kraft stoffmassenstrom, in den Brennraum eingespritzt.

Schließlich wird in einem dritten Einspritzschritt, der wiederum direkt an den zweiten anschließt, die Zündkraftstoffmenge bei einem Kraftstoffmassenstrom, der größer ist als der in dem zwei ten Einspritzschritt vorgesehene Kraftstoffmassenstrom, in den Brennraum eingespritzt. Die Zündkraftstoffmenge bildet eine zweite Gemischwolke, die zur Auslösung des Brennvorganges von der Zündkerze entzündet wird und dazu ein annähernd stöchiome trisches Luft/Kraftstoff-Gemisch aufweist.

Die Zusatzkraftstoffmenge, deren Größe von dem zeitlichen und räumlichen Abstand der ersten Gemischwolke von der zweiten Ge mischwolke abhängt, verbindet diese beiden Gemischwolken mitein ander, so daß diese unabhängig voneinander in den Brennraum ein gespritzt werden können. Die Zusatzkraftstoffmenge gewährleistet eine sichere Übertragung der Entflammung von der Zündkraftstoff menge auf die Hauptkraftstoffmenge und wird im übrigen möglichst gering gewählt.

Durch die vorgeschlagene dreistufige Kraftstoffeinspritzung er gibt sich ein vergrößerter Gestaltungsbereich der Optimierung der Gemischbildung und der Verbrennungslage. In Fig. 1a ist ex emplarisch der Verlauf einer Ansteuerspannung U₁ eines piezoelek trisch betätigten Einspritzventils des Verbrennungsmotors über der Zeit t während der Durchführung des erläuterten ersten Ver fahrens dargestellt, wobei diese Spannung U₁ proportional zum idealen Nadelhub H_i1 des Einspritzventils ist. In Fig. 1b ist der tatsächliche Verlauf des Nadelhubs H_r1 während des zugehörigen Einspritzvorgangs dargestellt.

In einem zweiten erfindungsgemäßen Verfahrensbeispiel zur Ge mischbildung in einem Brennraum des Verbrennungsmotors wird wäh rend eines Arbeitstaktes des Verbrennungsmotors über das Ein spritzventil Kraftstoff mit einem monoton abfallenden Kraft stoffmassenstrom in den Brennraum eingespritzt. Vorzugsweise wird der Kraftstoff nach Beginn der Kompressionsphase einge spritzt, wobei der Kraftstoffmassenstrom von einem maximalen An fangswert bis auf null abfallend reduziert wird. Der abfallende Kraftstoffmassenstrom wird durch ein langsames Schließen des Einspritzventils erreicht. Dazu ist in Fig. 2a exemplarisch die Ansteuerspannung U₂ eines piezoelektrisch betätigten Einspritz ventils des Verbrennungsmotors über der Zeit t dargestellt, wo bei diese Spannung U₂ in etwa proportional zum idealen Verlauf H_i2 des Nadelhubs des Einspritzventils ist. In Fig. 2b ist der tat sächliche Verlauf H_r2 des Nadelhubs des Einspritzventils über der Zeit t während des zugehörigen Einspritzvorgangs dargestellt. Aus den Fig. 2a und 2b wird ersichtlich, daß aufgrund der Träg heit des Einspritzventils und seiner Ansteuerung über eine trep penförmige Reduzierung der Ansteuerspannung U₂ ein näherungsweise kontinuierliches Schließen des Einspritzventils erreichbar ist. Durch das langsame Schließen des Einspritzventils ergibt sich in der erzeugten Gemischwolke ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das kontinuierlich von fett nach mager variiert wird. Dadurch kann insbesondere bei hohen Lastanforderungen sichergestellt werden, daß zum gewünschten Zündzeitpunkt an einer Stelle der Gemisch wolke ein zündfähiges Luft-Kraftstoff-Gemisch vorliegt.

Bei einem dritten erfindungsgemäßen Verfahrensbeispiel zur Ge mischbildung in einem Brennraum des Verbrennungsmotors wird zu nächst über eine Meßvorrichtung der während der Ansaugphase in den Brennraum eintretende Luftmassenstrom detektiert und ein dazu wenigstens zeitweise proportionaler Kraftstoffmassenstrom durch das Einspritzventil in den Brennraum eingespritzt. Das Proportio nalitätsverhältnis zwischen Luftmassenstrom und Kraftstoffmassen strom kann dabei in Abhängigkeit von der Motorlast gewählt wer den. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel dieses Verfahrens wird der Nadelhub proportional zu dem Luftmassenstrom gewählt, wobei sich ein von der Öffnungscharakteristik des Einspritzven tils abhängiger Kraftstoffmassenstrom ergibt. Diese Einspritzmaß nahme wird dem ersten oder zweiten Verfahrensbeispiel vorange stellt oder mit diesem kombiniert.

Alle dargestellten Verfahrensbeispiele ermöglichen eine Wirkungs gradoptimierung des Verbrennungsmotors mit innerer Gemischbil dung, eine verbesserte Entflammungsstabilität, reduzierte Zyklus schwankungen und Schadstoffemissionen sowie eine hohe Langzeit stabilität durch reduzierte Verkokung im Brennraum.

Claims

1. Verfahren zur Gemischbildung in einem Brennraum eines Ver brennungsmotors, bei dem

- während eines Arbeitstaktes des Verbrennungsmotors Kraft stoff mit einem sich änderndem Kraftstoffmassenstrom in den Brennraum eingespritzt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- wenigstens in bestimmten Motorbetriebszuständen eine drei stufige Kraftstoffeinspritzung vollständig oder teilweise während der Kompressionsphase derart erfolgt, daß
- in einem ersten Einspritzschritt eine vom Lastzustand des Verbrennungsmotors abhängige Hauptkraftstoffmenge zur Bildung ei ner ersten Gemischwolke,
- in einem direkt an den ersten anschließenden zweiten Ein spritzschritt ohne Einspritzunterbrechung eine Zusatzkraftstoff menge mit einem Kraftstoffmassenstrom, der geringer ist als der in dem ersten Einspritzschritt vorgesehene Kraftstoffmassenstrom und
- in einem direkt an den zweiten anschließenden dritten Ein spritzschritt ohne Einspritzunterbrechung eine Zündkraftstoffmen ge mit einem Kraftstoffmassenstrom, der größer ist als der in dem zweiten Einspritzschritt vorgesehene Kraftstoffmassenstrom, zur Bildung einer zweiten Gemischwolke eingespritzt werden,
- wobei die Einspritzung der Zusatzkraftstoffmenge so gewählt ist, daß über diese die zweite Gemischwolke mit der ersten Ge mischwolke verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffmassenströme in dem ersten und dem dritten Ein spritzschritt im wesentlichen gleich groß sind.

3. Verfahren zur Gemischbildung in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors, bei dem

- während eines Arbeitstaktes des Verbrennungsmotors Kraft stoff mit einem sich ändernden Kraftstoffmassenstrom in den Brennraum eingespritzt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- mindestens in bestimmten Motorbetriebszuständen während der Kompressionsphase Kraftstoff mit einem Kraftstoffmassenstrom ein gespritzt wird, der von einem maximalen Anfangswert monoton bis auf null abfallend reduziert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffmassenstrom in wenigstens drei Stufen oder kontinu ierlich vom maximalen Anfangswert bis auf null reduziert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in bestimmten Motorbetriebszuständen während der Ansaugphase eine Kraftstoffmenge mit einem wenigstens zeitweise dem Luftmassen strom proportionalen Kraftstoffmassenstrom eingespritzt wird.