DE19944190A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung des Drehmoments bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung des Drehmoments bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit einem AbgasturboladerInfo
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Abstract
Eine Verbesserung des Ansprechverhaltens eines Fahrzeugs wird durch eine Drehmomentenerhöhung der Brennkraftmaschine erreicht, indem vor einem Anfahrvorgang neben einer Primäreinspritzung eine Nacheinspritzung in ein oder mehrere Zylinder der Brennkraftmaschine veranlaßt wird.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Erhöhung des Drehmoments bei einer
direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit einem
Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der EP 0 621 400 A1 ist eine direkteinspritzende
Brennkraftmaschine beschrieben, bei der zur Reduzierung der
Stickoxide im Abgas zusätzlich zu einer Primäreinspritzung
eine Nacheinspritzung frühestens im Bereich der Endphase der
Verbrennung, nachdem die Kurbelwelle ihren oberen Totpunkt
erreicht hat, durchgeführt wird. Dabei wird der Zeitpunkt
der Nacheinspritzung so gewählt, daß nur ein Teil des
nacheingespritzten Kraftstoffes verbrannt wird. Der
restliche Kraftstoff bleibt unverbrannt und steht damit als
aufbereitetes Reduktionsmittel im Katalysator zur Verfügung.
Brennkraftmaschinen mit Abgasturboaufladung, insbesondere
solche mit hoher Aufladung und ohne variable Geometrie der
Turbine des Abgasturboladers, zeigen beim Anfahren oft eine
Drehmomentschwäche. Das liegt daran, daß der bei einem
Anfahrvorgang vorhandene zu geringe Abgasmassenstrom der
Brennkraftmaschine zu einem schlechten Wirkungsgrad sowohl
der Turbine als auch des Verdichters des Abgasturboladers
führt. Die Folge davon ist ein schwacher Ladedruckaufbau mit
geringem Drehmomentenangebot. In extremen Fahrsituationen -
z. B. steile Paßfahrt in großer Höhe und zusätzlich aktivem
Klimakompressor - kann dann sogar kein Anfahren mehr möglich
sein.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, womit während
eines Anfahrvorganges der Wirkungsgrad des Abgasturboladers
und damit das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine
verbessert wird.
Die genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1
dadurch gelöst, daß vor einem Anfahrvorgang neben einer
Primäreinspritzung eine Nacheinspritzung veranlaßt wird.
Damit wird die Abgasenthalpie für die Turbine des
Abgastuboladers unmittelbar vor und während des Anfahrens
nachhaltig erhöht, so daß das Ansprechverhalten der Maschine
bei einer Drehmoment- oder Leistungsaforderun infolge des
gesteigerten Ladedrucks signifikant verbessert wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den
Unteransprüchen hervor.
Vorzugsweise wird die Nacheinspritzung dann initiiert,
sobald ein oder mehrere Aktionen des Fahrers erkannt werden,
die auf einen bevorstehenden Anfahrvorgang hinweisen. Als
Anzeichen für einen bevorstehenden Anfahrvorgang kann
aufgefaßt werden, wenn der Fahrer während des Leerlaufs der
Brennkraftmaschine einen Getriebegang einlegt oder das
Bremspedal freigibt, was am Ausschalten des Bremslichts
erkennbar ist, oder das Fahrpedal betätigt oder, bei einem
automatischen Getriebe, eine Fahrstufe einschaltet. Es ist
zweckmäßig, daß die Nacheinspritzung in Abhängigkeit vom
Pegel und/oder vom Gradienten des Fahrpedalsignals ausgelöst
wird, weil dadurch ein Anfahrvorgang deutlich zu erkennen
ist.
Eine besonders stake Erhöhung der Abgasenthalpie wird
dadurch erreicht, daß die Nacheinspritzung gegen Ende des
Expansionshubes in ein oder mehreren Zylindern veranlaßt
wird.
Zweckmäßigerweise wird vor der Nacheinspritzung in den
betroffenen Zylindern ein Luftüberschuß erzeugt, so daß das
Vohandensein eines brennbaren Gemisches in den Zylindern
sicher gestellt ist.
Die Nacheinspritzung sollte beendet werden, wenn der
Ladedruck eine vorgegebene Schwelle überschreitet.
Um eine zu starke mechanische oder thermische Belastung des
Abgasturboladers und/oder des Motors zu vermeiden, wird die
Nacheinspritzung abgebrochen, wenn nach Ablauf einer
vorgegebenen Zeit, nachdem vom Fahrer Maßnahmen für einen
Anfahrvorgang ergriffen worden sind, kein Anfahrvorgang
erfolgt.
Es ist zweckmäßig, daß während der Nacheinspritzung die Ein-
und Auslaßventile der Zylinder so gesteuert werden, daß es
zu einer größeren Ventilüberschneidung kommt. Dadurch
entsteht ein größerer Luftdurchsatz und Druck auf die
Turbine, so daß ein höherer Ladedruck aufgebaut werden kann.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels wird nachfolgend die Erfindung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit einem
Abgasturbolader und
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm zur Steuerung der
Nacheinspritzung.
In der Fig. 1 ist schematisch eine direkteinspritzende
Brennkraftmaschine 1 mit z. B. vier Zylindern und zugehörigen
Einspritzventilen 2, 3, 4 und 5 dargestellt. Den
Einspritzventilen 2, 3, 4 und 5 wird der Kraftstoff z. B.
über eine gemeinsame Leitung 6 zugeführt. Die
direkteinspritzende Brennkraftmaschine 1 kann ein Diesel-
oder ein Ottomotor sein.
Die dargestellte Brennkraftmaschine ist mit einem
Abgasturbolader ausgestattet. Dabei ist im Ansaugkanal 7, in
dem sich auch eine Drosselklappe 8 befindet, ein Verdichter
9 angeordnet, der mit einer Turbine 10 mechanisch gekoppelt
ist, die vom Abgasstrom im Abgaskanal 11 angetrieben wird.
Die Turbine 10 ist in bekannter Weise von einer
Bypassleitung 12 überbrückt, in der ein Bypassventil 13
angeordnet ist, womit der vom Turbolader erzeugte Ladedruck
gesteuert werden kann.
Zur Steuerung bzw. Regelung der Kraftstoffeinspritzung ist
eine Steuereinheit 14 vorgesehen, die mit jedem einzelnen
Einspritzventil 2, 3, 4 und 5 über eine Steuerleitung 15,
16, 17 und 18 verbunden ist. Von einem mit der
Brennkraftmaschine 1 gekoppelten Getriebe 19 erhält die
Steuereinheit 14 eine Information darüber, ob der Fahrer die
Kupplung betätigt und einen Gang eingelegt hat oder, bei
einem automatischen Getriebe, ob er eine Fahrstufe eingelegt
hat. Außerdem erhält die Steuereinheit 14 noch Informationen
von Sensoren 20 und 21, welche die Fahrpedalstellung und die
Bremspedalstellung bzw. den Schaltzustand des Bremslichts
erfassen.
Wie anhand des in der Fig. 2 dargestellten Ablaufdiagramms
nachfolgend erläutert wird, steuert das Steuergerät 14 die
Einspritzventile 2, 3, 4 und 5 so an, daß zumindest vor
(evtl. auch noch während) einem Anfahrvorganges neben einer
Primäreinspritzung zusätzlich eine Nacheinspritzung erfolgt.
Und zwar wird die Nacheinspritzung gegen Ende des
Expansionshubes des Kolbens in ein oder mehreren Zylindern
initiiert.
Es sind Maßnahmen zu ergreifen, um einen bevorstehenden
Anfahrvorgang rechtzeitig zu erkennen, damit die
Nacheinspritzung noch vor dem Anfahrvorgang erfolgt und
dadurch ein erhöhter Ladedruck ohne großen Zeitverzug beim
Anfahren zur Verfügung steht. Nachfolgend sind einige auf
Aktionen des Fahrers zurückgehende Anzeichen für einen
bevorstehenden Anfahrvorgang aufgeführt. Z. B kann das
Einlegen eines Getriebeganges durch den Fahrer während des
Leerlaufs ein Anzeichen für einen Anfahrvorgang sein. Eine
Information über eine solche Aktion erhält die Steuereinheit
14 vom Getriebe oder einer Getriebesteuerung 19. Bei einem
automatischen Getriebe kann das Einlegen einer Fahrstufe als
Anzeichen für einen Anfahrvorgang gewertet werden. Ein
weiteres Anzeichen kann die Freigabe des Bremspedals sein,
wenn also der Fahrer seinen Fuß vom Bremspedal nimmt und zum
Fahrpedal wechselt. Die Freigabe des Bremspedals kann daran
vom Sensor 20 erkannt werden, daß das Bremslicht abschaltet.
Auch kann die Betätigung des Fahrpedals im Leerlauf als
Indiz für einen bevorstehenden Anfahrvorgang gewertet
werden. Mit dem Fahrpedalsensor 21 kann der Pegel und/oder
der Gradient des Fahrpedalsignals erfaßt und in Abhängigkeit
davon in der Steuereinheit 14 auf einen Anfahrvorgang
entschieden werden.
Durch die zusätzlichen Nacheinspritzung in ein oder mehrere
Zylinder wird die Abgasenthalpie sprungartig erhöht. Denn
die zusätzlich eingespritzte Kraftstoffmenge führt zusammen
mit dem aufgrund eines vorangegangenen Magerbetriebs
vorhandenen hohen restlichen Luftüberschuß in den einzelnen
Brennräumen zu einem brennfähigen Gemisch, das sich dann
infolge der noch laufenden Verbrennung bzw. der hohen
Temperatur entzündet. Reicht der Luftüberschuß nicht aus,
muß zusätzlich in den Zylindern, in denen die Nachspritzung
erfolgt, ein Luftüberschuß erzeugt werden. Der plötzliche
Anstieg der Abgasenthalpie erhöht drastisch die
Antriebsleistung für die Turbine 10 des Abgasturboladers,
wodurch der vom Verdichter 9 erzeugte Ladedruck im
Ansaugrohr 7 ebenfalls stark ansteigt und damit das von der
Brennkraftmaschine erzeugte Drehmoment während des
Anfahrvorganges deutlich steigert. Infolge des höheren
Liefergrades steigt also das spontan abrufbare Drehmoment
der Maschine deutlich an, so daß selbst bei Motoren mit
kleinem Hubraum ein problemloses Anfahren gewährleistet ist.
Der Ladedruck kann noch weiter dadurch erhöht werden, daß
die Ein- und Auslaßventile der Zylinder zu einer größeren
Ventilüberschneidung hin gesteuert werden, wodurch ein
höherer Luftdurchsatz und Druck auf die Turbine des
Turboladers entsteht.
In der Steuereinheit 14 läuft nun folgender in der Fig. 2
dargestellter Prozeß ab. Gemäß dem Schritt 20 stellt die
Steuereinheit 14 fest, daß sich die Brennkraftmaschine im
Leerlauf befindet. Im Schritt 21 erfolgt eine Abfrage, ob
ein Gang oder eine Fahrstufe eingelegt worden ist oder
andere oben genannte Anzeichen vorliegen, die auf einen
bevorstehenden Anfahrvorgang hindeuten. Ist das der Fall, so
aktiviert die Steuereinheit 14 im Verfahrensschritt 22 eine
Nacheinspritzung in ein oder mehreren Zylindern der
Brennkraftmaschine. Die Nacheinspritzung wird solange
aufrecht erhalten, bis der Ladedruck eine vorgegebene
Schwelle überschreitet. Diese Schwellwertabfrage erfolgt im
Verfahrensschritt 23. Hat der Ladedruck die vorgegebene
Schwelle überschritten, so erfolgt im Verfahrensschritt 24
eine Deaktivierung der Nacheinspritzung.
Solange seit Beginn der Nacheinspritzung die
Ladedruckschwelle noch nicht überschritten worden ist, läuft
gleichzeitig, wie im Schritt 25 angedeutet, ein Zeitzähler
mit. Anschließend erfolgt eine Abfrage 26, ob die gezählte
Zeit eine vorgegebene Schwelle überschritten hat oder nicht.
Wenn nicht, geht der Ausgang der Abfrage 26 an den Eingang
der Abfrage 23 zurück. Falls die Zeitschwelle tatsächlich
überschritten worden ist, wird die Nacheinspritzung
sprungartig abgebrochen oder allmählich abgeregelt. Mit
dieser Zeitabfrage soll festgestellt werden, ob nach
Erkennen eines Anfahrindizes eine der Zeitschwelle
entsprechende Zeit abgelaufen ist, ohne daß es zu einem
tatsächlichen Anfahren des Fahrzeugs kam. Diese zeitliche
Begrenzung für die Erhöhung der Abgasenthalpie wird zum
Schutz des Abgasturboladers durchgeführt. Würde nämlich die
erhöhte Energie nicht in mechanische Energie zum Antrieb des
Fahrzeugs umgesetzt, so wären mechanische oder thermische
Überlastungen der Maschine und/oder des Turboladers die
Folge. Außerdem würde es zu einer Geräuschbelästigung für
den Fahrer sowie zu einer unnötigen Erhöhung des
Kraftstoffverbrauchs kommen.
Claims (10)
1. Verfahren zur Erhöhung des Drehmoments bei einer
direkteinspritzenden Brennkraftmaschine (1) mit einem
Abgasturbolader (9, 10, 12, 13), dadurch gekennzeichnet, daß
vor einem Anfahrvorgang des Fahrzeugs neben einer
Primäreinspritzung eine Nacheinspritzung in ein oder mehrere
Zylinder der Brennkraftmaschine (1) veranlaßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Nacheinspritzung dann initiiert wird, sobald ein
oder mehrere Aktionen des Fahrers erkannt werden, die auf
einen bevorstehenden Anfahrvorgang hinweisen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
als Anzeichen für einen bevorstehenden Anfahrvorgang
aufgefaßt wird, wenn der Fahrer während des Leerlaufs der
Brennkraftmaschine (1) einen Getriebegang einlegt oder das
Bremspedal freigibt, was am Ausschalten des Bremslichts
erkennbar ist, oder das Fahrpedal betätigt oder, bei einem
automatischen Getriebe, eine Fahrstufe einschaltet.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Nacheinspritzung in Abhängigkeit vom Pegel und/oder
vom Gradienten des Fahrpedalsignals ausgelöst wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Nacheinspritzung gegen Ende des Expansionshubes in ein
oder mehreren Zylindern veranlaßt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß vor der Nacheinspritzung in den betroffenen Zylindern
ein Luftüberschuß erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Nacheinspritzung beendet wird, wenn der Ladedruck eine
vorgegebene Schwelle überschreitet.
8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Nacheinspritzung abgebrochen wird, wenn nach Ablauf
einer vorgegebenen Zeit, nachdem vom Fahrer Maßnahmen für
einen Anfahrvorgang ergriffen worden sind, kein
tatsächlicher Anfahrvorgang erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
während der Nacheinspritzung die Ein- und Auslaßventile der
Zylinder so gesteuert werden, daß es zu einer größeren
Ventilüberschneidung kommt.
10. Vorrichtung zur Erhöhung des Drehmoments bei einer
direkteinspritzenden Brennkraftmaschine (1) mit einem
Abgasturbolader (9, 10, 12, 13), dadurch gekennzeichnet, daß
eine Steuereinheit (14) die Kraftstoffeinspritzung in ein
oder mehrere Zylinder der Brennkraftmaschine (1) so steuert,
daß vor einem Anfahrvorgang neben einer Primäreinspritzung
noch eine Nacheinspritzung erfolgt.
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