EP1386075A1

EP1386075A1 - Verfahren zum betreiben einer direkteinspritzenden benzin-brennkraftmaschine

Info

Publication number: EP1386075A1
Application number: EP02717946A
Authority: EP
Inventors: Manfred Vogel; Werner Herden
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2002-02-13
Publication date: 2004-02-04
Anticipated expiration: 2022-02-13
Also published as: US20040025833A1; WO2002079642A1; DE50204536D1; EP1386075B1; US6814049B2; KR20030007732A; DE10115597A1; JP4225788B2; JP2004518898A; KR100846922B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Benzin-Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem Benzin in einem Brennraum (4) der Brennkraftmaschine (1) direkt eingespritzt und ein Zündfunke in dem Brennraum (4) gezündet wird. Um trotz eines relativ grossen Elektrodenabstands einer Zündkerze (10) der Brennkraftmaschine (1) ein in dem Brennraum (4) enthaltenes Benzin-Luft-Gemisch mit einer relativ niedrigen Zündspannung sicher und zuverlässig zünden zu können, wird vorgeschlagen, dass der Zündfunke vor dem Beginn der Einspritzung (45) gezündet und eine Funkenbrenndauer (44) bis über das Ende der Einspritzung (45) hinaus erhalten wird.

Description

Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Benzin- Brennkraftmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Benzin- Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftf hrzeugs. Bei dem Verfahren wird Benzin in einen Brennraum der Brennkraftmaschine direkt eingespritzt und ein Zündfunke in dem Brennraum gezündet .

Die Erfindung betrifft außerdem ein Speicherelement für ein Steuergerät einer direkteinspritzenden Benzin- Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs . Auf dem Speicherelement ist ein Computerprogramm abgespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig ist. Das Speicherelement ist bspw. als ein Read-Only-Memory, ein Random-Access-Memory oder als ein Flash-Memory ausgebildet.

Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogramm, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig ist.

Schließlich betrifft die Erfindung ein Steuergerät für eine direkteinspritzende Benzin-Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Das Steuergerät dient zur Steuerung der Einspritzung von Benzin in einen Brennraum der Brennkraftmaschine -und der Zündung eines Zündfunkens in dem Brenriraum.

Stand der Technik

Bei aus dem Stand der Technik bekannten direkteinspritzenden Benzin-Brennkraftmaschinen wird Benzin direkt in den Brennraum eines Zylinders der Brennkraftmaschine eingespritzt. Das in dem Brennraum komprimierte Benzin-Luft-Gemisch wird anschließend durch Zünden eines Zündfunkens in dem Brennraum entzündet. Das Volumen des entzündeten Benzin-Luft-Gemisches dehnt sich explosionsartig aus und versetzt einen in dem Zylinder, hin- und herbewegbaren Kolben in Bewegung. Die Hin- und Herbewegung des Kolbens wird auf eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine übertragen.

Direkteinspritzende Brennkraftmaschinen können in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden. Als eine erste Betriebsart ist ein sog. Schichtbetrieb bekannt, der insbesondere bei kleineren Lasten verwendet wird. Als eine zweite Betriebsart ist ein sog. Homogenbetrieb bekannt, der bei größeren, an der Brennkraftmaschine anliegenden Lasten zur Anwendung kommt . Die verschiedenen Betriebsarten unterscheiden sich insbesondere in dem Einspritzzeitpunkt und der Einspritzdauer sowie in dem Zündzeitpunkt.

Im Schichtbetrieb wird das Benzin während der Verdichtungsphase der Brennkraftmaschine- in den Brennraum derart eingespritzt, dass sich im Zeitpunkt der Zündung eine Kraftstoffwolke in .unmittelbarer Umgebung einer Zündkerze befindet. Diese Einspritzung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. So ist es möglich, dass die eingespritzte Kraftstoff ölke sich bereits während bzw. unmittelbar nach der Einspritzung bei der Zündkerze befindet und von dieser entzündet wird. Ebenfalls ist es 3

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direkteinspritzende Benzin-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Steuergerät eine Zündung des Zündfunkens vor dem Beginn der Einspritzung und eine Funkdauer bis über das Ende der Einspritzung hinaus veranlasst .

Schließlich wird als noch eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ausgehend von der direkteinspritzenden Benzin-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Zündanlage den Zündfunken vor dem Beginn der Einspritzung zündet und eine Funkendauer bis über das Ende der Einspritzung hinaus liefert .

Zeichnungen

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es zeigen:

Figur 1 eine erfindungsgemäße direkteinspritzende Benzin- Brennkraftmaschine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;

Figur 2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ;

Figur 3 einen zeitlichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens aus Figur 2 in Abhängigkeit von einer Drehwinkelstellung °KW einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine; und

Figur 4 eine Düse eines Einspritzventils der

Brennkraftmaschine aus Figur 1 und einen von dem Einspritzventil eingespritzten Einspritzstrahl.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße direkteinspritzende Benzin-Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs dargestellt, bei der ein Kolben 2 in einem Zylinder 3 hin- und herbewegbar ist. Der Zylinder 3 ist mit. einem Brennraum 4 versehen, der unter anderem durch den Kolben 2, ein Einlassventil 5 und ein Auslassventil 6 begrenzt ist. Mit dem Einlassventil 5 ist ein Ansaugrohr 7 und mit -dem Auslassventil ein Abgasrohr 8 gekoppelt.

Im Bereich des Einlassventils 5 und des Auslassventils 6 ragen ein Einspritzventil 9 und eine Zündkerze 10 in den Brennraum 4. Über das Einspritzventil 9 kann Benzin in den Brennraum 4 eingespritzt werden. Mit der Zündkerze 10 kann das Benzin-Luf -Gemisch in dem Brennraum 4 entzündet werden .

In dem Ansaugrohr 7 ist eine drehbare Drosselklappe 11 untergebracht, über die dem Ansaugrohr 7 Luft zuführbar ist. Die Menge der zugeführten Luft ist abhängig von der Winkelstellung der Drosselklappe 11. In dem Abgasrohr 8 ist ein Katalysator 12 untergebracht, der der Reinigung der durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches entstehenden Abgase dient.

Der Kolben 2 wird durch die Verbrennung des Kraftstoff- Luft-Gemisches 4 in eine Hin- und Herbewegung versetzt, die auf eine nicht dargestellte Kurbelwelle übertragen wird und auf diese ein Drehmoment ausübt .

Ein Steuergerät 18 zur Steuerung und/oder Regelung der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine 1 ist von Eingangssignalen 19 beaufschlagt, die mittels Sensoren gemessene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 darstellen. Bspw. ist das Steuergerät 18 mit einem Luftmassensensor, einem Lambda-Sensor, einem Drehzahlsensor und dergleichen verbunden. Des Weiteren ist das Steuergerät 18 mit einem Fahrpedalsensor verbunden, der ein Signal erzeugt, das die Stellung eines von einem Fahrer betätigbaren Fahrpedals und damit das angeforderte Drehmoment angibt . Das Steuergerät 18 erzeugt Ausgangssignale 20, mit denen über Aktoren bzw. Steller das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 beeinflusst werden kann. Bspw. ist das Steuergerät 18 mit dem Einspritzventil 9 (Steuersignal EW) , der Zündkerze 10 (Steuersignal ZV) , der Drosselklappe 11 und dergleichen verbunden und erzeugt die zu deren Ansteuerung erforderlichen Signale.

Unter anderem ist das Steuergerät 18 dazu vorgesehen, die Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 zu steuern und/oder zu regeln. Bspw. wird die von dem Einspritzventil 9 in den Brennraum 4 eingespritzte Kraftstoffmasse von dem Steuergerät 18 insbesondere im Hinblick auf einen geringen Kraf stoffverbrauch, eine geringe Schadstoffentwicklung und/oder eine geringe Lärmverursachung gesteuert und/oder geregelt . Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 18 mit einem Mikroprozessor 21 versehen, der in einem Flash-Memory 22 ein Computerprogramm abgespeichert hat, das dazu geeignet ist, die genannte Steuerung und/oder Regelung durchzuführen und das nachfolgend im Detail erläuterte erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.

Die Brennkraftmaschine 1 aus Fig. 1 kann in einer Vielzahl unterschiedlicher Betriebsarten betrieben werden. So ist es möglich, die Brennkraftmaschine 1 in einem Homogenbetrieb, einem Schichtbetrieb, einem homogenen Magerbetrieb oder dergl . zu betreiben. Im Homogenbetrieb wird der Kraftstoff während der Ansaugphase von dem Einspritzventil 9 direkt in den Brennraum 4 der Brennkraftmaschine 1 eingespritzt . Der Kraftstoff wird dadurch bis zur Zündung noch weitgehend verwirbelt, so dass im Brennraum 4 ein im Wesentlichen homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht. Das zu erzeugende Moment wird dabei im Wesentlichen über die Stellung der Drosselklappe 11 von dem Steuergerät 18 eingestellt. Im Homogenbetrieb werden die Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 derart gesteuert und/oder geregelt, dass Lambda = 1 ist. Der Homogenbetrieb wird insbesondere bei Volllast angewendet.

Der homogene Magerbetrieb entspricht weitgehend dem Homogenbetrieb, es wird jedoch das. Lambda auf einen Wert größer 1 eingestellt .

Im Schichtbetrieb wird der Kraftstoff während der Verdichtungsphase von dem Einspritzventil 9 direkt in den Brennraum 4 der Brennkraftmaschine 1 eingespritzt. Damit ist bei der Zündung durch die Zündkerze 10 kein homogenes Gemisch im Brennraum 4 vorhanden, sondern eine KraftstoffSchichtung. Die Drosselklappe 11 kann, abgesehen von Anforderungen z. B. einer Abgasrückführung und/oder einer Tankentlüftung vollständig geöffnet und die Brennkraftmaschine 1 damit entdrosselt betrieben werden. Das zu erzeugende Moment wird im Schichtbetrieb weitgehend über die Kraftstoffmasse eingestellt. Mit dem Schichtbetrieb kann die Brennkraftmaschine 1 insbesondere im- Leerlauf und bei Teillast betrieben werden.

Zwischen den genannten Betriebsarten der Brennkraftmaschine 1 kann hin- und her- bzw. umgeschaltet werden. Derartige φ Cd tr rt α tr ^fu CQ Cd PJ y y Φ y PJ PJ P- 0 P- P fi rt y P r LQ P LQ

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über einen relativ langen Zeitraum in dem Brennraum 4 brennt . Dieser Zeitraum beginnt vor dem Beginn der Einspritzung und endet erst nach dem Ende der Einspritzung. Für die Erzeugung der für die Entflammung des Benzin-Luft- Gemisches erforderlichen Temperatur steht also ein relativ langer Zeitraum zur Verfügung. Durch das Einspritzen des Benzins in den Brennraum 4 wird dann die Verbrennung ausgelöst .

In Fig. 3 ist der zeitliche Ablauf des Verfahrens, aus Fig. 2 dargestellt. Mit 40 ist der Einspritzverlauf, mit 42 der Zündverlauf und mit 43 eine Drehwinkelstellung °KW der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 bezeichnet. Die Brenndauer des Zündfunkens ist mit 44 und die Einspritzdauer mit 45 bezeichnet . Bei einem strahlgeführten Brennverfahren im Schichtbetrieb ist entscheidend für eine erfolgreiche Entflammung des Benzin-Luft-Gemisches ein sog. "physikalischer" Zeitbereich ,t_phy, der eng an das Ende 41 der Einspritzung 45 gekoppelt ist. Das Benzin-Luft-Gemisch kann nur dann erfolgreich durchbrennen, wenn das geometrische Strahlende 50 (vgl. Fig. 4) angezündet wird. Das bedeutet, dass insbesondere der "physikalische" Zeitbereich t_phy von der Brenndauer 44 der Funkenstrecke abgedeckt sein muss, was bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch der Fall ist. Einen relativ geringen Einfluss auf die Verbrennung des Benzin-Luft-Gemisches hat der Anfang und das Ende der Brenndauer 44, d. h. ob der Zündfunke deutlich früher. als der physikalische Zeitbereich t_phy gezündet wird oder die Funkenstrecke bis deutlich später brennt. Die relativ lange Brenndauer 44 wirkt sich jedoch vorteilhaft auf die Zündspannung für die Zündkerze 10 aus. Statt einer relativ hohen Zündspannung von bspw. 50 kV oder mehr, die nur kurzzeitig an der Zündkerze 10 anliegt, reicht eine wesentlich niedrigere Spannung von bspw. 25 bis 30 kV aus, um den Funken zu entzünden. Die niedrigere Brennspannung von typisch < 2 KV liegt dafür aber für einen längeren Zeitraum an der Zündkerze 10.

Für die vorliegende Erfindung sind Zündanlagen besonders vorteilhaft, bei denen die Brenndauer 44 des Zündfunkens bzw. der Funkenstrecke steuerbar ist. Solche Zündanlagen, sind bspw. Pulszugzündungen, Pulszugzündungen mit Energieübertrag in der Ladephase, Wechselstromzündungen oder HF- Zündungen .

In Fig. -2 ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt . Das Verfahren beginnt in einem Funktionsblock 30. In einem Funktionsblock 31 wird ein Zündfunke von der Zündkerze 10 gezündet und am Brennen gehalten. In einem Funktionsblock 32 wird Benzin in den Brennraum 4 der Brennkraftmaschine 1 eingespritzt. Der Funktionsblock 32 umfasst die gesamte Benzineinspritzung, vom Anfang bis zum Ende. Nach dem Ende der Einspritzung 45 wird in einem Funktionsblock 33 die Brenndauer 44 der Funkenstrecke beendet. Vorzugsweise wird abgewartet, bis ein geometrisches Ende 50 des Einspritzstrahls 51 (vgl . Fig. 4) die Zündstelle passiert hat. In einem Funktionsblock 34 wird das erfindungsgemäße Verfahren dann beendet .

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Benzin-Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem Benzin in einen Brennraum (4) der Brennkraftmaschine (1) direkt eingespritzt und ein Zündfunke in dem Brennraum (4) gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündfunke vor dem Beginn der Einspritzung (45) gezündet und die Funkendauer (44) bis über das Ende der Einspritzung (45) hinaus anhält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkra tmaschine (1) in einem Schichtbetrieb betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) strahlgeführt betrieben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Funkendauer (44) anhält, bis das geometrische Ende (50) eines Einspritzstrahls (51) die Zündstelle passiert hat.

5. Speicherelement (22), insbesondere Read-Only-Memory , Random-Access-Memory oder Flash-Memory, für ein Steuergerät (18) einer direkteinspritzenden Benzin-Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, auf dem ein Computerprogramm abgespeichert ist, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor (21), ablauffähig und zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, geeignet ist.

6. Computerprogramm, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor (21) , ablauffähig ist; dadurch, gekennzeichnet, dass das Computerprogramm zur Ausführung eines _.Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 geeignet ist, wenn es auf dem Rechengerät abläuft.

7. Computerprogramm nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm ^' auf einem Speicherelement (22), insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist.

8. Steuergerät (18) für eine direkteinspritzende Benzin- Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs zur Steuerung und/oder Regelung der Einspritzung von Benzin in einen Brennraum (4) der Brennkraftmaschine (1) und der Zündung eines Zündfunkens in dem Brennraum (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18) eine Zündung des Zündfunken vor dem Beginn der Einspritzung (45) und eine Funkendauer (44) bis über das Ende der Einspritzung (45) hinaus veranlasst. ■

9. Direkteinspritzende Benzin-Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine (1) ein Kraftstoffeinspritzsystem zum direkten Einspritzen von Benzin in einen Brennraum (4) der Brennkraftmaschine (1) und eine Zündanlage zum Zünden eines Zündfunken in dem Brennraum (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündanlage den Zündfunken vor dem Beginn der Einspritzung (45) zündet und eine Funkendauer bis über das Ende der Einspritzung (45) hinaus liefert.