DE19909474A1 - Betriebsverfahren für eine fremdgezündete, mit Kraftstoff-Direkteinspritzung arbeitende mehrzylindrige Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für eine fremdgezündete, mit Kraftstoff-Direkteinspritzung arbeitende mehrzylindrige Brennkraftmaschine, welche für jeden Zylinder-Brennraum neben Gaswechselventilen ein luftunterstütztes Kraftstoff-Einblaseventil aufweist, über welches eine geringe vorverdichtete und somit unter Überdruck stehende Luftmenge insbesondere zur Einbringung des Kraftstoffs neben der über zumindest ein Gaswechselventil zuführbaren Frischluftmenge in den Brennraum einführbar ist. Erfindungsgemäß wird zumindest in Niederlastpunkten der Brennkraftmaschine die über die luftunterstützten Kraftstoff-Einblaseventile in die Brennräume eingeführte Luftmenge durch geeignete Ansteuerung derselben zylinderindividuell derart bemessen, daß bei einem konstanten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine in allen deren Brennräumen für eine nachfolgende Verbrennung eine im wesentlichen gleiche Gemischzusammensetzung vorliegt. Dabei können in Niederlastpunkten der Brennkraftmaschine deren die Frischluftzufuhr in die Brennräume steuernden Gaswechselventile stillgesetzt werden und die Lufteinbringung in die Brennräume alleine über die luftunterstützten Kraftstoff-Einblaseventile erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für eine fremdgezündete, mit Kraftstoff-Direkteinspritzung arbeitende mehrzylindrige Brennkraftmaschine, welche für jeden Zylinder-Brennraum neben Gaswechselventilen ein luftun­ terstütztes Kraftstoff-Einblaseventil aufweist, über welches eine geringe vor­ verdichtete und somit unter Überdruck stehende Luftmenge insbesondere zur Einbringung des Kraftstoffs neben der über zumindest ein Gaswechsel­ ventil zuführbaren Frischluftmenge in den Brennraum einführbar ist. Zum bekannten Stand der Technik wird insbesondere auf das SAE-Paper 980153 und weiterhin auf die DE 38 00 176 A1 sowie die US 5,377,654 verwiesen.

Im genannten SAE-Paper 980153 ist das der Fachwelt bekannte Orbital- Direkteinspritzverfahren für fremdgezündete Viertakt-Brennkraftmaschinen beschrieben. Wie im Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruches 1 an­ gegeben, wird dabei die einem Brennkraftmaschinen-Zylinder zuzuführende Kraftstoffmenge in dessen Brennraum durch ein spezielles sog. Einblase­ ventil eingebracht, und zwar im wesentlichen mittels einer geringen Menge von Frischluft, die zumindest geringfügig soweit vorverdichtet wurde, daß diese Frischluftmenge (somit unter Überdruck stehend) in den ggf. bereits eine Menge von komprimierter Frischluft enthaltenden Brennraum einströ­ men kann. Die Menge der über das bzw. die Einblaseventil(e) in den Brenn­ raum einbringbaren Frischluft ist dabei individuell festlegbar und muß insbe­ sondere nicht in einem direktem Abhängigkeitsverhältnis zur in den Brenn­ raum aktuell einzuführenden Kraftstoffmenge stehen, wozu diese speziellen Einblaseventile entsprechend ansteuerbar sind.

Als weiteren bekannten Stand der Technik wird beispielshalber auf die DE 38 00 176 A1 verwiesen, in der die Grundlagen der sog. Einzelzylinder- Lambdaregelung für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine beschrieben sind. U. a. aus Gründen der Laufruhe der Brennkraftmaschine, aber auch im Hinblick auf deren Abgasemissionen ist es erwünscht, in sämtlichen Zylin­ dern einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine bei einem konstanten Be­ triebspunkt derselben ein im wesentlichen gleiches zur Verbrennung anste­ hendes Gemisch, d. h. eine im wesentlichen gleiche Gemischzusammenset­ zung vorliegen zu haben. Hierbei wird anhand der Abgaszusammensetzung der einzelnen Brennkraftmaschinen-Zylinder festgestellt, welche Zylinder aufgrund unvermeidbarer Toleranzen einerseits in der Frischluftzufuhr und andererseits in der Kraftstoffzufuhr ein magereres Gemisch und welche Zy­ linder ein fetteres Gemisch erhalten, d. h. weichen Zylindern kontinuierlich mehr oder weniger Frischluft oder Kraftstoff als anderen Zylindern dieser Brennkraftmaschine zugeführt wird. Denjenigen Zylindern, die ohne Ein­ zelzylinder-Lambdaregelung stets ein fetteres Gemisch als andere Zylinder erhielten, wird daraufhin, d. h. mit aktivierter Einzelzylinder-Lambdaregelung, stets etwas weniger Kraftstoff zugeführt als den anderen Zylindern, so daß letztendlich alle Brennkraftmaschinen-Zylinder ein im wesentlichen gleiches Frischluft-Kraftstoff-Gemisch erhalten. Dabei arbeitet eine solche Einzelzy­ linder-Lambdaregelung adaptiv, d. h. selbstlernend.

Für eine Brennkraftmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 ange­ gebenen Merkmalen eine vorteilhafte (und bislang unbekannte) Zusatzmaß­ nahme aufzuzeigen, die für den Betrieb dieser Brennkraftmaschine förderlich ist, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in Niederlastpunkten der Brennkraftmaschine die über die luftunterstützten Kraftstoff-Einblaseventile in die Brennräume eingeführte Luftmenge durch geeignete Ansteuerung derselben zylinderindividuell derart bemessen wird, daß bei einem konstanten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine in allen deren Brennräumen für eine nachfolgende Verbrennung eine im wesentli­ chen gleiche Gemischzusammensetzung vorliegt. Eine vorteilhafte Weiter­ bildung ist Inhalt des Unteranspruches.

Erfindungsgemäß wird die über die luftunterstützten Kraftstoff Einblaseventile in die Zylinder-Brennräume eingebrachte Luftmenge weniger im Hinblick auf die Einbringung des Kraftstoffes selbst festgelegt, als viel­ mehr daraufhin, daß sich - zumindest solange, als allen Brennkraftmaschi­ nen-Zylindern eine gleiche Kraftstoffmenge zugemessen wird - in allen Zylin­ dern eine gleiche Menge von Frischluft befindet. In anderen Worten ausge­ drückt soll somit die bekannte und oben kurz beschriebene Einzelzylinder- Lambdaregelung durch eine geeignete Steuerung der über die Kraftstoff Einblaseventile eingebrachte Luftmenge umgesetzt werden. Selbstverständ­ lich kann dieses Betriebsverfahren analog der bekannten Einzelzylinder- Lambdaregelung unterstützt durch eine geeignete elektronische Steuerein­ heit adaptiv umgesetzt werden und ist dabei - analog dieser bekannten Ein­ zelzylinder-Lambdaregelung - selbstverständlich nicht auf konstante Brenn­ kraftmaschinen-Betriebspunkte beschränkt.

Beispielshalber sollen für die folgende nähere Erläuterung alle Brennkraft­ maschinenzylinder im Falle eines konstanten Brennkraftmaschinen-Betriebs­ punktes stets exakt die gleiche Kraftstoffmenge erhalten, d. h. die Toleranzen der einzelnen den Zylindern zugeordneten Kraftstoff-Einblaseventile seien vom Wert "Null". Aufgrund unvermeidbarer Toleranzen im üblichen, über die Gaswechselventile der Brennkraftmaschine gesteuerten Lufteinlaßsystem erhalte nun ohne Umsetzung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens beispielsweise der erste und der zweite Zylinder einer vierzylindrigen Brenn­ kraftmaschine über diese Gaswechselventile eine geringere Luftmenge als der dritte und der vierte Zylinder. Daraufhin soll nun dem ersten und dem zweiten Zylinder über deren luftunterstützte Kraftstoff-Einblaseventile eine solche Differenz-Luftmenge zugeführt werden, daß sich letztlich in allen vier Brennkraftmaschinen-Zylindern für eine nachfolgende Verbrennung jeweils die gleiche Menge von Frischluft befindet. Diese soeben sog. Differenz- Luftmenge wird dabei zu derjenigen Luftmenge, die dem dritten und dem vierten Brennkraftmaschinen-Zylinder über deren luftunterstützte Kraftstoff- Einblaseventile zugeführt wird, hinzuaddiert.

Selbstverständlich kann mit dem beschriebenen Betriebsverfahren auch eine Gemischungleichverteilung zwischen den einzelnen Brennkraftmaschinen- Zylindern, die aus Toleranzen zwischen den einzelnen Kraftstoff- Einblaseventilen und somit aus unterschiedlichen, den einzelnen Zylindern zugeführten Kraftstoffmengen resultiert, zumindest bis zu einem gewissen Maße ausgeglichen werden. Dabei sei nochmals ausdrücklich erwähnt, daß diese prinzipiell bekannte Einzelzylinder-Lambdaregelung, die nunmehr er­ findungsgemäß durch Zumessung einer geeigneten über luftunterstützte Kraftstoff-Einblaseventile in die Zylinder-Brennräume eingeführte Luftmenge erfolgt, analog der bekannten Einzelzylinder-Lambdaregelung nicht nur in einem konstanten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, sondern auch bei einem Lastwechsel derselben, d. h. bei Instationärbetrieb, durchgeführt wer­ den kann, wobei kontinuierlich berücksichtigt werden kann, daß bspw. der erste und der zweite Zylinder stets eine größere zusätzliche Luftmenge über die luftunterstützten Kraftstoff-Einblaseventile erhalten müssen, als bspw. der dritte und der vierte Brennkraftmaschinen-Zylinder.

Zwangsläufig ist die Menge von Frischluft, die über die luftunterstützten Kraftstoff-Einblaseventile in die Zylinder-Brennräume einführbar ist, be­ schränkt. Dies hat zur Folge, daß eine Gemischungleichverteilung, die sich ohne dieses erfindungsgemäße Betriebsverfahren zwischen den einzelnen Zylindern einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine einstellen würde, auch nur bis zu einem gewissen Maße ausgleichbar ist. Sollte darüber hinausge­ hend immer noch eine gewisse Gemischungleichverteilung vorliegen, d. h. reicht die über die Kraftstoff-Einblaseventile in die jeweiligen Brennräume einbringbare Luftmasse nicht aus, um eine Gemischgleichverteilung zwi­ schen den einzelnen Brennkraftmaschinen-Zylindern herzustellen, so wird vorgeschlagen, diese dann noch vorliegende Gemischungleichverteilung über eine unterschiedliche, den einzelnen Brennräumen zugemessene Kraftstoffmenge auszugleichen, d. h. darüberhinausgehend die bislang übli­ che Einzelzylinder-Lambdaregelung (bspw. analog der bereits genannten DE 38 00 176 A1) durchzuführen. Aus diesem Grund wird das erfindungs­ gemäße Betriebsverfahren insbesondere für Niederlastpunkte bzw. für den Niederlastbereich einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen.

In diesem Zusammenhang sei der besondere Vorteil des erfindungsgemä­ ßen Betriebsverfahrens, d. h. der erfindungsgemäßen Einzelzylinder- Lambdaregelung über unterschiedliche Luftmengen-Zumessung erläutert. Bei der bekannten Einzelzylinder-Lambdaregelung bspw. nach der bereits genannten DE 38 00 176 A1 enthalten in einem konstanten Brennkraftma­ schinen-Betriebspunkt zwar alle Zylinder dieser Brennkraftmaschine eine im wesentlichen gleiche Gemischzusammensetzung, jedoch können sich dabei in den verschiedenen Zylindern unterschiedliche Kraftstoffmengen befinden. Demzufolge können sich die Anteile der einzelnen Zylinder an der von der Brennkraftmaschine geleisteten Arbeit voneinander unterscheiden, was der Laufruhe der Brennkraftmaschine abträglich ist. Demgegenüber befindet sich bei einer Realisierung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens aufgrund der relativ geringen Toleranzen zwischen den einzelnen Kraftstoff- Einblaseventilen - (die größten Toleranzen liegen nämlich üblicherweise im Ladungswechseltrakt, d. h. bei den Gaswechselkanälen und den Gaswech­ selventilen bzw. bei deren Steuerung vor) - in sämtlichen Zylindern der Brennkraftmaschine jeweils eine im wesentlichen gleiche Menge zu verbren­ nenden Gemisches (zusammengesetzt aus im wesentlichen gleicher Luft­ menge und im wesentlichen gleicher Kraftstoffmenge) vor, so daß auch die Anteile der einzelnen Zylinder an der von der Brennkraftmaschine geleiste­ ten Arbeit im wesentlichen gleich sind, was eine optimale Laufruhe der Brennkraftmaschine zur Folge hat.

Ebenfalls in diesem Zusammenhang sei noch ein weiterer bekannter Stand der Technik genannt, und zwar die eingangs bereits zitierte US 5,377,654. Inhalt dieser Schrift ist ebenfalls ein System zur Einzelzylinder- Lambdaregelung an einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine, wobei eine gewünschte Gemischgleichverteilung zwischen den einzelnen Brennkraft­ maschinen-Zylindern dadurch hergestellt wird, daß den einzelnen Zylindern über hinsichtlich ihres Öffnungsquerschnittes, insbesondere Hubes mehr oder weniger frei einstellbare Gaswechselventile eine jeweils individuelle Luftmenge zugeführt wird. Dieses bekannte Betriebsverfahren ist jedoch nicht nur hinsichtlich seiner Regelung und der damit zu ermöglichenden Ge­ nauigkeit wesentlich aufwendiger als das vorgeschlagene Betriebsverfahren, welches mit ohnehin vorhandenen luftunterstützten Kraftstoff-Einblase­ ventilen arbeitet, sondern dieses aus der US 5,377,654 bekannte Betriebs­ verfahren macht insbesondere die hinsichtlich ihres Hubes bzw. Öffnungs­ querschnittes frei ansteuerbaren Gaswechselventile erforderlich, was selbst­ verständlich einen immensen Aufwand bedeutet.

Ist jedoch eine direkteinspritzende, mit luftunterstützten Kraftstoff- Einblaseventilen versehene Brennkraftmaschine mit derartigen, hinsichtlich ihres Hubes bzw. ihres Öffnungsquerschnittes im wesentlichen frei ansteu­ erbaren Gaswechselventilen versehen, so kann hierfür das erfindungsge­ mäße Betriebsverfahren wie im folgenden beschrieben und im abhängigen Patentanspruch angegeben weitergebildet werden. Vorgeschlagen wird demzufolge, in Niederlastpunkten der Brennkraftmaschine deren die Frisch­ luftzufuhr in die Brennräume steuernde Gaswechselventile stillzusetzen, so daß die Lufteinbringung in die Brennräume alleine über die luftunterstützten Kraftstoff-Einblaseventile erfolgt. Dies hat wiederum den Vorteil, daß sich hiermit in allen Brennkraftmaschinen-Zylindern nicht nur ein im wesentlichen gleiches Gemisch, sondern eine im wesentlichen gleiche Menge von Luft und Kraftstoff für eine nachfolgende Verbrennung befinden, so daß sich ein gleichmäßiger Lauf der Brennkraftmaschine und somit eine optimale Laufru­ he ergibt. Wie bereits erwähnt liegt nämlich die Hauptursache für eine - sich ohne das erfindungsgemäße Betriebsverfahren einstellende - Gemischun­ gleichverteilung zwischen den einzelnen Brennkraftmaschinen-Zylindern in den relativ großen Toleranzen im Luftansaugsystem und in der Steuerung der Brennraum-Gaswechselventile, während die Toleranz-Unterschiede zwi­ schen den einzelnen Kraftstoff-Einblaseventilen üblicherweise relativ gering sind. Wird somit insbesondere in Niederlastpunkten bzw. im Niederlastbe­ reich der Brennkraftmaschine und insbesondere bzw. bevorzugt im Leerlauf­ punkt derselben die für eine Verbrennung des in die Brennräume einge­ brachten Kraftstoffes benötigte Luftmenge alleine über die luftunterstützten Kraftstoff-Einblaseventile zugeführt, (d. h. es werden in diesen genannten Betriebspunkten die die Frischluftzufuhr in die Brennräume steuernden Gaswechselventile im geschlossenen Zustand gehalten und somit stillge­ setzt), so ergibt sich ohne weitere Regelungsmaßnahmen eine optimale Gleichverteilung der Frischluftmenge und Kraftstoffmenge über den einzel­ nen Brennkraftmaschinen-Zylindern, woraus ein besonders ruhiger Brenn­ kraftmaschinen-Lauf resultiert.

Selbstverständlich sind darüber hinaus eine Vielzahl von Weiterbildungen und Abwandlungen von obiger Beschreibung möglich, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (2)

1. Betriebsverfahren für eine fremdgezündete, mit Kraftstoff- Direkteinspritzung arbeitende mehrzylindrige Brennkraftmaschine, welche für jeden Zylinder-Brennraum neben Gaswechselventilen ein luftunterstütztes Kraftstoff-Einblaseventil aufweist, über welches eine geringe vorverdichtete und somit unter Überdruck stehende Luftmen­ ge insbesondere zur Einbringung des Kraftstoffs neben der über zu­ mindest ein Gaswechselventil zuführbaren Frischluftmenge in den Brennraum einführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in Niederlastpunkten der Brennkraftmaschine die über die luftunterstützten Kraftstoff- Einblaseventile in die Brennräume eingeführte Luftmenge durch ge­ eignete Ansteuerung derselben zylinderindividuell derart bemessen wird, daß bei einem konstanten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine in allen deren Brennräumen für eine nachfolgende Verbrennung eine im wesentlichen gleiche Gemischzusammensetzung vorliegt.

2. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, wobei in Niederlastpunkten der Brennkraftmaschine deren die Frischluftzufuhr in die Brennräume steuernden Gaswechselventile stillgesetzt werden und die Luftein­ bringung in die Brennräume alleine über die luftunterstützten Kraft­ stoff-Einblaseventile erfolgt.