DE60217021T2

DE60217021T2 - Verfahren zur Steuerung der Brennstoffeinspritzung einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung

Info

Publication number: DE60217021T2
Application number: DE60217021T
Authority: DE
Inventors: Bruno Walter; Bertrand Gatellier
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2002-07-08
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2022-07-09
Also published as: EP1279809B1; JP2003056390A; KR20030011606A; FR2827913B1; ES2278885T3; FR2827913A1; ATE349610T1; EP1279809A1; DE60217021D1; US6637403B2; US20030019466A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung in einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung.
Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur Kraftstoffeinspritzung, das es ermöglicht, ein einheitliches Gemisch des eingespritzten Kraftstoffes mit Luft oder mit einem Gemisch aus Luft und umgewälzten Abgasen zu erreichen.
Die Entwicklungen der Brennkraftmaschinen müssen den Anforderungen bezüglich der Reduzierung von Schadstoffemissionen, des Kraftstoffverbrauchs, der Erhöhung des Drehmoments und der spezifischen Brennstoffleistung sowie der Reduzierung der Verbrennungsgeräusche entsprechen und dabei mit den Kriterien langfristiger Haltbarkeit kompatibel bleiben.
Dazu ist es möglich, bestimmte Parameter des Einspritzsystems (wie etwa Druck, Steuerungsgesetze, usw.) oder der Kraftstoffstrahlen, wie den Fächerwinkel, den diese Strahlen an der Einspritzdüsenspitze bilden, zu ändern.
Wenn man jedoch einen dieser Parameter verbessert, führt dies zu einer Verschlechterung eines anderen Parameters.
Somit ist dies z.B. der Fall bei der Einspritzung des flüssigen Kraftstoffes in den Brennraum, wo dieser Kraftstoff in einem durch die Art der verwendeten Einspritzdüse bestimmten Fächerwinkel eingespritzt wird.
Eine Änderung dieses Winkels kann zu Kraftstoffspritzern auf der Zylinderwand führen, was zu einer Verschlechterung der Beständigkeit des Schmiermittels, das sich auf dieser Wand befindet, sowie zur Bildung von Ruß führen.
Dadurch entsteht der Nachteil, dass es zu einer Erhöhung der Schadstoffemissionen und/oder einer Reduzierung der Leistung bei voller Belastung und/oder einer Erhöhung des Lärms kommt.
Wie in den Patentanmeldungen EP 849 448 bzw. EP 589 178 beschrieben, wird der Kraftstoff in den Brennraum durch eine Einspritzdüse eingeführt, die auf der Achse jedes Zylinders in einem sehr großen Fächerwinkel von ungefähr 140 bis 180° angeordnet ist.
Durch diese Einspritzdüse werden Kraftstoffstrahlen abgegeben, die versprühen, ohne jemals die Wand des Zylinders zu berühren und demnach ohne seine Schmierung zu beeinträchtigen.
Um diese Wirkung zu erzielen, ist es natürlich notwendig, dass der Kolben sich nah genug an seinem oberen Totpunkt (PMH) befindet, und man verfügt somit nur über einen geringen Spielraum bei der Wahl der Kraftstoffeinspritzzeitpunkte.
Dies ist kein geringer Nachteil, da es ebenfalls bekannt ist, dass frühe und/oder späte Kraftstoffeinspritzungen zahlreiche Vorteile bieten.
Eine Voreinspritzung vor dem oberen Totpunkt und der Haupteinspritzung ermöglicht es beispielsweise, die Verbrennungsgeräusche zu reduzieren.
Ebenso benötigt die Regenerierung der Partikelfilter, die durch eine Erhöhung der Temperatur am Auspuff ausgelöst wird, bekanntlich eine Kraftstoffeinspritzung kurz vor der Öffnung der Auslassventile.
Eine Kraftstoffeinspritzung während der Expansion oder aber während der Auslassphase kann auch nützlich sein, um die günstigen Bedingungen am Auspuff zu erreichen, um die NOx-Fallen zu regenerieren.
Um außerdem eine Einheitlichkeit des Kraftstoffgemischs zu erreichen, kann es erwünscht sein, Kraftstoff frühzeitig einzuspritzen.
Da die im Allgemeinen verwendeten Einspritzdüsen einen Fächerwinkel zwischen 140° und 160° aufweisen, ist der Einstellbereich dieser Einspritzdüsen gering, um Probleme einer Verdünnung des Schmiermittels durch Kraftstoff einzuschränken.
Die vorliegende Erfindung ist bemüht, dank eines Verfahrens zur Kraftstoffeinspritzung, das es ermöglicht, sehr vielseitige Einspritzbedingungen zu verwenden, bei den oben genannten Nachteilen Abhilfe zu schaffen.
Dazu ist ein Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung in einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, umfassend mindestens eine Einspritzdüse mit einem Winkel a₁ des aufgefächerten Kraftstoffstrahls, einen Zylinder, einen Zylinderkopf, einen in diesem Zylinder verschieblich gelagerten Kolben, der mit einer Kurbelwelle verbunden ist, und einen Brennraum, der durch die Zylinderwand, den Zylinderkopf und durch die Oberseite des Kolbens begrenzt ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst:

– Ermitteln einer unteren Endposition des Kolbens, unterhalb welcher die Zylinderwand empfindlich gegenüber dem Benetzt werden durch von der Einspritzdüse abgespritzten Kraftstoffstrahlen ist;
– Ermitteln der tatsächlichen Position dieses Kolbens;
– Orten dieser tatsächlichen Position des Kolbens im Verhältnis zur unteren Endposition;
– Anpassen der Einspritzparameter des Kraftstoffes in Abhängigkeit der tatsächlichen Position des Kolbens im Verhältnis zu der unteren Endposition.

Vorteilhafterweise kann das Verfahren darin bestehen, die Einspritzparameter anzupassen, um das Eindringen der Kraftstoffstrahlen in den Brennraum bei allen Positionen des Kolbens, die sich zwischen seiner unteren Endposition und seiner von dem Zylinderkopf am weitesten entfernten Position befinden, zu begrenzen.
Bevorzugt kann es darin bestehen, eine bestimmte Menge an Kraftstoff unter sehr hohem Druck, bevorzugt höher als 1000 bar, einzuspritzen.
Dieses Verfahren kann darin bestehen, eine bestimmte Menge an Kraftstoff innerhalb einer sehr kurzen Zeit einzuspritzen.
Es kann darin bestehen, die Einspritzung einer bestimmten Menge an Kraftstoff solange zu wiederholen, bis die Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffes erreicht ist.
Die bestimmte Menge an Kraftstoff kann eventuell 25 % der Gesamtmenge des einzuspritzenden Kraftstoffes nicht übersteigen.
Vorteilhafterweise kann es darin bestehen, die untere Endposition des Kolbens anhand der Relation D × tan(a₁/2) zu ermitteln, wobei D die radiale Entfernung zwischen dem Ursprungspunkt O der Kraftstoffstrahlen und der Wand des Zylinders ist.
Das Verfahren kann darin bestehen, Einspritzparameter zu verwenden, um den Kraftstoff bei allen Positionen des Kolbens, die sich zwischen seiner unteren Endposition und seiner dem Zylinderkopf nächstgelegenen Position befinden, auf herkömmliche Art und Weise einzuspritzen.
Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nach dem Durchlesen der nachstehenden beispielhaften Beschreibung, der folgende Zeichnungen beigefügt sind, hervorgehen:
1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine, die das erfindungsgemäße Verfahren verwendet.
2 bildet den Winkelspielraum der Kurbelwelle ab, die mit dem Kolben des Motors, der das erfindungsgemäße Verfahren verwendet, verbunden ist.
Mit Bezug auf 1 umfasst eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung, z.B. ein Dieselmotor, mindestens einen Zylinder 10 mit einer Achse XX' und einem Durchmesser CD, einen Zylinderkopf 12, der den Zylinder oben abschließt, Mittel zum Lufteinlass und Mittel zum Ablassen der verbrannten Gase, hier jeweils ein oder mehrere Einlassventile 14, ein oder mehrere Auslassventile 16, einen Kolben 18, der in dem Zylinder 10 verschieblich gelagert und mit der Kurbelwelle (nicht dargestellt) verbunden ist, und eine Kraftstoffeinspritzdüse 20, die bevorzugt auf der Achse XX' des Zylinders angeordnet ist, aus dem ein Fächer 22 von Kraftstoffstrahlen hervorgeht, der bei dem gezeigten Beispiel eine Hauptachse aufweist, die mit der des Zylinders 10 übereinstimmt.
Selbstverständlich kann es vorgesehen sein, dass die Einspritzdüse nicht auf der Achse XX' angeordnet ist, in diesem Fall ist jedoch die Hauptachse der aus dieser Kraftstoffeinspritzdüse hervorgehenden aufgefächerten Kraftstoffstrahlen mindestens parallel zu dieser Achse XX'.
Genauer gesagt ist die Kraftstoffeinspritzdüse von der Art mit einem geringen Fächerwinkel a₁, und man wählt den Fächerwinkel a₁ mit höchstens 120° und bevorzugt zwischen 40° und 100°.
Bekanntlich wird der Brennraum auf einer Seite durch den Zylinderkopf 12, auf der gegenüberliegenden Seite durch die Oberseite 24 des Kolbens 18 und seitlich durch die Wand 26 des Zylinders 10 begrenzt.
Je nach dem gewählten Fächerwinkel a₁ wird eine untere Endposition PL des Kolbens 18 ermittelt, in der die Kraftstoffstrahlen nicht die Wand 26 des Zylinders 10 zwischen dieser Position und der oberen Position des Kolbens berühren.
Diese untere Endposition wird durch die Entfernung F zwischen dem Ursprungspunkt O der aus der Spitze der Einspritzdüse 20 hervorgehenden Kraftstoffstrahlen und der Oberseite 24 des Kolbens ermittelt und ist gleich D × tan(a₁/2), wobei D die radiale Entfernung zwischen dem Ursprungspunkt O der Kraftstoffstrahlen und der Wand 26 des Zylinders 10 ist, die diesem Punkt am nächsten ist.
Bei dem beschriebenen Beispiel ist die Entfernung D gleich CD/2, wobei CD der Durchmesser des Zylinders ist.
Durch eine geometrische Berechnung des Kurbelstangensystems, das gewöhnlich zwischen dem Kolben und der Kurbelwelle angeordnet ist, ermöglicht es die Entfernung F, eine Winkelposition der Kurbelwelle zu ermitteln, wie es besser in 2 zu sehen ist, die einen Winkel α der Kurbelwelle vom unteren Totpunkt (PMB) aus ergibt.
Durch die Ermittlung dieses Winkels α ist es möglich, vorzugeben, dass die Wand 26 des Zylinders 10 bei allen Positionen des Kolbens 18 mit Kurbelwellenwinkeln zwischen 0° und 180°-α und zwischen 180°+α und 360° niemals vom Kraftstoff benetzt wird, wobei 0° und 360° den Kurbelwellenwinkel am oberen Totpunkt (PMH), der einer oberen Position des Kolbens entspricht, 180° den unteren Totpunkt (PMB), welcher der unteren Position des Kolbens entspricht, darstellen.
Der obere Totpunkt (PMH) und der untere Totpunkt (PMB) entsprechen Betriebsphasen des Motors, bei denen es erwünscht ist, Kraftstoff einzuspritzen, insbesondere in der Einlass-, Kompressions- oder Auslassphase.
Somit werden zwei Arten von Winkelbereichen des Spielraums der Kurbelwelle ermittelt, die jeweils einem Weg des Kolbens entsprechen, und zwar eine Art, die erlaubte Bereiche genannt wird, zwischen 0° und 180°-α und zwischen 180°+α und 360°, und eine zweite Art, die als eingeschränkter Bereich bezeichnet wird, der einem Winkelspielraum der Kurbelwelle zwischen 180°-α und 180°+α entspricht.
Bezogen auf den Kolbenweg bedeutet dies, dass in dem erlaubten Bereich die Wand 26 bei der Position des Kolbens 18, die zwischen seiner unteren Endposition und seiner oberen Position liegt (die dem Zylinderkopf 12 am nächsten ist), niemals von dem Kraftstoff benetzt wird.
Bei dem eingeschränkten Bereich befindet sich der Kolben demnach zwischen seiner unteren Endposition und seiner vom Zylinderkopf am weitesten entfernten Position.
Je nach Art des Bereichs, in dem sich der Kolben befindet, ist es vorgesehen, die Einspritzparameter des Kraftstoffes anzupassen, um ihn entweder auf herkömmliche Art und Weise für die erlaubten Bereiche, oder unter Verwendung spezifischer Einstellungen der Kraftstoffeinspritzung für den eingeschränkten Bereich einzuspritzen.
Genauer gesagt sind die Einstellungen der Einspritzung im eingeschränkten Bereich derart, dass es vorgesehen ist, das Eindringen der Kraftstoffstrahlen in den Brennraum zu begrenzen.
Dazu sind die Einstellungen der Einspritzung im eingeschränkten Bereich vorgesehen, damit das Eindringen der Kraftstoffstrahlen, von den äußeren Seitenrändern des Fächers betrachtet, kleiner ist als die Entfernung, die den Ursprungspunkt O der Kraftstoffstrahlen von der Wand 26 des Zylinders 10 trennt.
Diese Entfernung, die in 1 durch den Buchstaben G angegeben ist, ist gleich D × sin(a₁/2), wobei D eine Entfernung ist, wie sie zuvor definiert wurde und bei dem beschriebenen Beispiel CD/2 entspricht.
Um dieses Eindringen zu begrenzen, ist es vorgesehen, unter hohem Druck, höher oder gleich 1000 bar, eine begrenzte Menge an Kraftstoff, die höchstens 25 % der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffes darstellt, mit einer sehr kurzen Einspritzzeit einzuspritzen, wodurch dieser Kraftstoff sich in der Luft oder in dem Gemisch aus Luft und umgewälzten Abgasen versprühen kann, und zwar bevor er die Wand 26 des Zylinders erreicht.
Selbstverständlich wiederholt sich die Einspritzung dieser begrenzten Menge an Kraftstoff mehrmals, und genauer gesagt erfolgt sie bei dem beschriebenen Beispiel in vier Kraftstoffeinspritzungen, die 25 % der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffes entsprechen.
Dadurch dass die Kraftstoffeinspritzung unter sehr hohem Druck erfolgt, ist es möglich, sehr kleine Kraftstofftröpfchen auszubilden, die eine Wolke bilden, die sich in der Luft oder in dem Gemisch aus Luft und umgewälzten Abgasen leichter als ein Flüssigkeitsstrahl versprüht.
Um die Bildung dieser Tröpfchen zu begünstigen, kann man selbstverständlich mit diesen Einstellungen des Einspritzdrucks und der Einspritzzeit andere Parameter verknüpfen, wie etwa den Durchmesser der Einspritzlöcher der Einspritzdüse, der mit ungefähr 100 μm gering sein soll.
In der Praxis enthalten die Mittel zur Steuerung des Einspritzsystems, die ein Motor gewöhnlich umfasst, wie etwa ein Motorrechner, in ihrer Datenbank die untere Endposition PL des Kolbens 18 und den Kurbelwellenwinkel α, der dieser unteren Endposition entspricht.
Dieser Rechner enthält auch Parameter der Kraftstoffeinspritzung je nach den erlaubten Bereichen (Kurbelwellenwinkel zwischen 0° und 180°-α oder zwischen 180°+α und 360°) und je nach dem eingeschränkten Bereich (Kurbelwellenwinkel zwischen 180°-α und 180°+α).
Wenn der Motorrechner so weit ist, der Einspritzdüse den Befehl zum Einspritzen zu geben, ermittelt dieser Rechner zuvor die tatsächliche Position des Kolbens 18 im Brennraum.
Diese Position des Kolbens wird z.B. durch einen Winkelgeber abgeleitet, der auf der Kurbelwelle vorgesehen ist und den Kurbelwellenwinkel vom oberen Totpunkt aus ermittelt.
Nachdem der Kurbelwellenwinkel ermittelt wurde (und demzufolge die tatsächliche Position des Kolbens), überprüft der Rechner, ob dieser Winkel in den erlaubten Bereichen oder in dem eingeschränkten Bereich enthalten ist.
Wenn sich dieser Winkel in einem der erlaubten Bereiche befindet, erteilt dieser Rechner Befehle zur Kraftstoffeinspritzung an das Einspritzsystem, das der Motor umfasst, so dass dies einem herkömmlichen Einspritzprozess entspricht.
Wenn dieser Winkel in dem eingeschränkten Bereich liegt, ändert der Rechner die Einspritzparameter, wie zuvor beschrieben, um das Eindringen des Kraftstoffstrahls in den Brennraum zu begrenzen.
Somit ist es dank der Erfindung möglich, einen großen Spielraum bei der Auswahl der Einspritzzeitpunkte zu erreichen, da das definierte Verfahren es ermöglicht, aufgefächerte Kraftstoffstrahlen zu erreichen, die nicht die Wände des Zylinders benetzen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Beispiel begrenzt, sondern umfasst alle Alternativen.
Sie umfasst insbesondere ein Verfahren zur Kraftstoffeinspritzung von Benzin, das es ermöglicht, ein einheitliches Gemisch mit Luft oder mit einem Gemisch aus Luft und umgewälzten Abgasen zu erreichen.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung in einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, umfassend mindestens eine Einspritzdüse (20) mit einem Winkel (a₁) des aufgefächerten Kraftstoffstrahls, einen Zylinder (10), einen Zylinderkopf (12), einen in diesem Zylinder verschieblich gelagerten Kolben (18), der mit einer Kurbelwelle verbunden ist, und einen Brennraum, der durch die Zylinderwand (26), den Zylinderkopf (12) und die Oberseite (24) des Kolbens (18) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: – Ermitteln einer unteren Endposition (PL) des Kolbens (18), unterhalb welcher die Zylinderwand (26) empfindlich gegenüber dem Benetzt werden durch von der Einspritzdüse abgespritzten Kraftstoffstrahlen ist; – Ermitteln der tatsächlichen Position dieses Kolbens; – Orten dieser tatsächlichen Position des Kolbens im Verhältnis zur unteren Endposition; – Anpassen der Einspritzparameter des Kraftstoffes in Abhängigkeit der tatsächlichen Position des Kolbens im Verhältnis zu der unteren Endposition.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, die Einspritzparameter anzupassen, um das Eindringen der Kraftstoffstrahlen in den Brennraum bei allen Positionen des Kolbens (18), die sich zwischen seiner unteren Endposition (PL) und seiner von dem Zylinderkopf (12) entferntesten Position befinden, zu begrenzen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, eine bestimmte Menge an Kraftstoff unter sehr hohem Druck einzuspritzen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, eine bestimmte Menge an Kraftstoff unter einem Druck, der höher ist als 1000 bar, einzuspritzen.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, eine bestimmte Menge an Kraftstoff innerhalb einer sehr kurzen Zeit einzuspritzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, die Einspritzung einer bestimmten Menge an Kraftstoff solange zu wiederholen, bis die Gesamtmenge des einzuspritzenden Kraftstoffs erreicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, eine bestimmte Menge einzuspritzen, die 25 % der Gesamtmenge des einzuspritzenden Kraftstoffes nicht übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, die untere Endposition (PL) des Kolbens anhand der Relation D × tan(a₁/2) zu ermitteln, wobei D die radiale Entfernung zwischen dem Ursprungspunkt O der Kraftstoffstrahlen und der Wand (26) des Zylinders (10) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, Einspritzparameter zu verwenden, um den Kraftstoff auf herkömmliche Weise bei allen Positionen des Kolbens (18), die sich zwischen seiner unteren Endposition (PL) und seiner dem Zylinderkopf (12) nächstgelegenen Position befinden, einzuspritzen.