Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist vom Markt her bekannt. Bei derartigen Brennkraftmaschinen ist jedem Brennraum ein eigener Injektor zugeordnet, der den Kraftstoff, nämlich Benzin, direkt in den Brennraum einspritzt. Die Abgase der Brennkraftmaschine werden durch mindestens einen Katalysator gereinigt. Realisiert wird ein Verfahren der eingangs genannten Art auch bei Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung, bei denen durch ein oder mehrere Einspritzvorrichtungen der Kraftstoff zylinderindividuell zugemessen und in die Brennräume eingebracht wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass im Betrieb der Brennkraftmaschine möglichst wenig Schadstoffe emittiert werden.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Lösungen sind in den nebengeordneten Patentansprüchen angegeben.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen genannt. Außerdem finden sich für die Erfindung wesentliche Merkmale in der nachfolgenden Beschreibung und deren Zeichnung. Dabei können die einzelnen Merkmale für die Erfindung auch in ganz unterschiedlichen Kombinationen wichtig sein.
Vorteile der Erfindung
Für eine effektive Reinigung der Abgase ist es erforderlich, dass der Katalysator ein möglichst hohes Temperaturniveau aufweist. Beim Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Abgastemperatur erhöht und somit auch das Temperaturniveau des Katalysators angehoben. Damit können die Emissionen gesenkt werden. Dies ist dank der Erfindung ohne zusätzlichen Kraftstoffverbrauch möglich und ohne dass zusätzliche Komponenten erforderlich sind.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass durch eine gewollte, also ganz bewusst herbeigeführte oder provozierte zylinderindividuelle Variation der eingespritzten Kraftstoffmenge wenigstens zeitweise im einen Zylinder ein eher fettes, im anderen Zylinder dagegen ein eher mageres Gemisch erzeugt wird. Ein eher fettes Gemisch führt im Abgas zu einem Überschuss von Kohlenwasserstoffen (HC), ein eher mageres Gemisch zu einem Überschuss im Abgas von Sauerstoff (O2). Durch diese beiden Komponenten wird im Bereich vor dem Katalysator und im Katalysator selbst eine exotherme Reaktion in Gang gesetzt, die die Abgastemperatur erhöht und hierdurch den Katalysator vergleichsweise schnell aufheizt.
Dabei bleiben Drehmoment und Drehzahl von dieser Maßnahme wenigstens im
Wesentlichen unbeeinflusst, da erfindungsgemäß der Mittelwert der in jeden Zylinder beziehungsweise in jeden Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge einer Normal- Sollkraftstoffmenge entspricht. Bei dieser handelt es sich um jene (aus dem Stand der Technik bekannte) Sollkraftstoffmenge, die an sich ohne die vorgeschlagene gewollte Variation einzuspritzen wäre, um einen Soll- Betriebszustand der Brennkraftmaschine herbeizuführen oder beizubehalten, also beispielsweise, um eine bestimmte Drehzahl
(im Leerlauf) und/oder ein bestimmtes Drehmoment und/oder ein bestimmtes Gemisch bereitzustellen.
In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Variation von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel neu vorgegeben wird. Dabei wird die Variation der eingespritzten Kraftstoffmenge auf eine möglichst große Anzahl von Arbeitsspielen verteilt, wodurch die Einflüsse auf den Betrieb der Brennkraftmaschine maximal geglättet werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Variation in einer gewünschten Weise zufällig ist, beispielsweise durch eine Zufallsfunktion vorgegeben wird, was einfach realisiert werden kann. Der Begriff "in gewünschter Weise zufällig" soll darauf hinweisen, dass keine zufällige Variation gemeint ist, die ungewollt beispielsweise durch Bauteiltoleranzen oder gar durch einen Defekt oder eine Fehlfunktion einer Komponente der Brennkraftmaschine hervorgerufen wird, sondern die bewusst herbeigeführt wird und einer Vorgabe entspricht.
Eine solche in gewünschter Weise zufällige Variation kann vorteilhafterweise so gewählt werden, dass die Variation eine Normalverteilung ist, deren höchste Wahrscheinlichkeitsdichte bei der Normal-Sollkraftstoffmenge liegt. Durch eine solche in Form der Gaußschen Glockenkurve bekannten Normalverteilung wird auf besonders einfache Art und Weise sichergestellt, das die insgesamt über einen bestimmten Zeitraum eingespritzte Kraftstoffmenge im Bereich der Normal-Sollkraftstoffmenge liegt und damit der Normalbetrieb der Brennkraftmaschine durch das erfindungsgemäße Verfahren möglichst wenig beeinflusst wird.
Eine einfache Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Normal-Sollkraftstoffmenge mit einem in gewünschter Weise zufällig variierenden und normal verteilten Faktor beaufschlagt wird, dessen höchste Wahrscheinlichkeitsdichte bei eins liegt.
Besonders wichtig ist es, nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine den Katalysator möglichst schnell auf ein Temperaturniveau zu bringen, bei dem seine abgasreinigende Funktion einsetzt. Daher ist die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Zeitraum unmittelbar nach dem Starten der Brennkraftmaschine besonders vorteilhaft.
Grundsätzlich kann der Kraftstoff durch eine Einfach- oder eine Mehrfacheinspritzung eingebracht werden. Ersteres ist technisch einfach, Letzteres hat Vorteile bzgl. der Emissionen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders wirkungsvoll dann, wenn der Kraftstoff mindestens während des besagten Zeitraums durch eine Homogen-Split- Einspritzung eingespritzt wird, wie sie bei Brennkraftmaschinen mit Benzin- Direkteinspritzung bereits grundsätzlich bekannt ist. In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass der Zeitraum, über den die einzuspritzende Kraftstoffmenge in gewünschter Weise zufällig und normal verteilt variiert wird, dem Zeitraum entspricht, während dem die Homogen- Split- Einspritzung durchgeführt wird. Dabei kann auch nur eine von zwei Homogen- Split- Einspritzungen mit dem normal verteilten Faktor beaufschlagt werden, was den Rechenaufwand reduziert.
Möglich ist auch, dass die Variationen der in die einzelnen Brennräume eingespritzten Kraftstoffmenge so gekoppelt sind, dass innerhalb eines Arbeitsspiels aller Brennräume die über die Brennräume gemittelte einzuspritzende Sollkraftstoffmenge der Normal- Sollkraftstoffmenge entspricht. Auf diese Weise entspricht bei jedem Arbeitsspiel die insgesamt eingespritzte Kraftstoffmenge der Normal-Sollkraftstoffmenge.
Zeichnungen
Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit mehreren
Zylindern mit jeweils einem Brennraum;
Figur 2 einen teilweisen Schnitt durch einen Bereich eines Zylinders der Brennkraftmaschine von Figur 1;
Figur 3 ein Diagramm, in dem das Verhältnis einer Sollkraftstoffmenge zu einer
Normal-Sollkraftstoffmenge unmittelbar nach einem Start der Brennkraftmaschine für die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine von Figur 2 über der Zeit aufgetragen ist;
Figur 4 ein Diagramm, in dem die Temperatur des Abgases vor einem
Katalysator der Brennkraftmaschine von Figur 1 über dem Umfang der Variation der Sollkraftstoffmenge aufgetragen ist; und
Figur 5 ein Diagramm ähnlich Figur 4, in dem die Absenkung der emittierten
Kohlenwasserstoffe über dem Umfang der Variation der Sollkraftstoffmenge aufgetragen ist.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst vier Zylinder 12a - 12d mit entsprechenden Brennräume 14a - 14d. Der Zylinder 12a ist in Figur 2 stärker detailliert dargestellt. Verbrennungsluft gelangt in die Brennräume 14a - 14d über ein Ansaugrohr 16 und Einlassventile 18a - 18d. Kraftstoff wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel in die Brennräume 14a - 14d jeweils durch einen Injektor 20a - 20d eingespritzt. Die Injektoren 20a - 20d sind an ein nicht dargestelltes "Rail" angeschlossen, in dem der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert ist. Beim Kraftstoff handelt es sich vorliegend um Benzin, die in Figur 1 dargestellte Brennkraftmaschine ist also eine solche mit Benzin- Direkteinspritzung ("BDE").
Denkbar ist aber auch die Verwendung eines gasförmigen Kraftstoffs, von Biokraftstoff, oder eines synthetischen Kraftstoffs. Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
wird der Kraftstoff zylinderindividuell in ein Saugrohr eingespritzt. Letztlich gelten die meisten der nachfolgend dargestellten Prinzipien allgemein für Brennkraftmaschinen mit ottomotorischer Verbrennung bzw. für Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung.
Das in den Brennräumen 14a - 14d befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch wird jeweils durch eine Zündkerze 22a - 22d entzündet. Die heißen Verbrennungsabgase werden aus den Brennräumen 14a - 14d über Auslassventile 24a - 24d in ein Abgasrohr 26 abgeleitet. Dieses führt zu einer Katalysatoranlage 28, welche Schadstoffe im Abgas umwandelt und hierdurch das Abgas reinigt. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung 30 gesteuert und geregelt, die Signale von verschiedenen, in Figur 1 jedoch nicht dargestellten Sensoren und Aktuatoren der Brennkraftmaschine 10 erhält. Hierzu gehört beispielsweise ein Fahrpedalgeber, mit dem ein Benutzer der Brennkraftmaschine 10, die in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist, einen Drehmomentwunsch äußern kann. Ferner gehören zu diesen Sensoren Temperatursensoren, die die Betriebstemperatur der
Brennkraftmaschine 10 erfassen, ein HFM-Sensor, welcher die über das Ansaugrohr 16 in die Brennräume 14a - 14d gelangende Luftmasse erfasst und Lambda-Sensoren, die im Bereich der Katalysatoranlage 28 angeordnet sind und das Verhältnis des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Brennräumen 14a - 14d erfassen. Angesteuert werden von der Steuer- und Regeleinrichtung 30 beispielsweise die Injektoren 20, die Zündkerze 22 sowie eine in Figur 1 nicht dargestellte Drosselklappe im Ansaugrohr 16 (wenn der Index bei einem Bezugszeichen nicht angegeben ist, bedeutet dies hier und nachfolgend, dass die entsprechenden Ausführungen für alle gleichartigen Komponenten gelten).
Um eine optimale Umwandlung der im Abgas enthaltenen Schadstoffe zu erzielen, muss die Katalysatoranlage 28 eine bestimmte Betriebstemperatur aufweisen. Da die Katalysatoranlage 28 unmittelbar nach dem Starten der kalten Brennkraftmaschine 10 ebenfalls noch kalt ist, ist während dieses Zeitraums die Umwandlungsrate der im Abgas enthaltenen Schadstoffe vergleichsweise gering. Um die Emissionen zu senken, ist es daher erforderlich, die Katalysatoranlage 28 nach dem Starten der kalten Brennkraftmaschine 10 möglichst schnell aufzuheizen.
Eine optimale Strategie zur Aufheizung der Katalysatoranlage 28 nach dem Start vereinbart dabei geringe Rohemissionen bei einer gleichzeitig großen Heizleistung. Hierzu wurde die Einspritzstrategie "Homogen-Split" entwickelt, die auch mit "HSP" abgekürzt wird. Bei dieser wird eine erste Einspritzung durch einen Injektor 20 während des Ansaugtaktes eines Zylinders 12 in den Brennraum 14 eingespritzt. Hierdurch wird ein homogenes, jedoch mageres Grundgemisch erzeugt. Dieses ist in Figur 2 mit 32 bezeichnet.
Eine zweite Einspritzung erfolgt während der Kompressionsphase. Durch diese zweite Einspritzung wird, unterstützt durch eine entsprechende Ausformung der Oberseite eines Kolbens 34, eine vergleichsweise fette Gemischwolke im Bereich der Zündkerze 22 erzeugt. Diese ist in Figur 2 mit 36 bezeichnet. Der Einspritzzeitpunkt und die Aufteilung der Menge zwischen der ersten und der zweiten Einspritzung werden so gelegt, dass unter Einbeziehung der Transportzeit ein Zündwinkel realisiert werden kann, der bei aussetzerfreier Verbrennung und bei gleichzeitig guter Laufruhe einen weitgehend entdrosselten Betrieb zulässt. Durch die späte Schwerpunktlage wird ein Großteil der frei werdenden Energie nicht in mechanische Energie umgewandelt, sondern im Abgasstrom als Wärme freigesetzt. Hierdurch ist ein schnelles Aufheizen der Katalysatoranlage 28 möglich.
Um eine bestimmte Drehzahl beziehungsweise ein bestimmtes Drehmoment der Brennkraftmaschine 10 zu erzielen, wird von der Steuer- und Regeleinrichtung 30 für jeden Zylinder 12a - 12d eine bestimmte Normal-Sollkraftstoffmenge qson _norm festgelegt. Wie aus Figur 3 hervorgeht, wird diese Kraftstoffmenge mit einem für jeden Zylinder 12a - 12b ("zylinderindividuell") in einer gewünschten Weise, nämlich entsprechend einer Zufallsfunktion zufällig variierenden und normal verteilten Faktor beaufschlagt, dessen höchste Wahrscheinlichkeitsdichte bei eins liegt. Die Sollkraftstoffmenge qson, die in einen Brennraum 14 von dem entsprechenden Injektor 20 eingespritzt werden soll, kann sich daher von der Normal-Sollkraftstoffmenge qsoiι_norm unterscheiden. Dies gilt für jenen Zeitraum, in dem das oben beschriebene
Homogen-Split- Einspritzverfahren angewendet wird. Dieser sich unmittelbar an den Start der Brennkraftmaschine anschließende Zeitraum endet zu einem Zeitpunkt tE.
Die Variation des besagten Faktors erfolgt so, dass der über den zum Zeitpunkt tE endende Zeitraum gebildete Mittelwert für jeden Zylinder 12a - 12d der einzuspritzenden Sollkraftstoffmenge qson der Normal-Sollkraftstoffmenge qson _norm entspricht. Der Mittelwert des Verhältnisses zwischen der Sollkraftstoffmenge qson und der Normal-Sollkraftstoffmenge qson _norm entspricht daher für jeden Zylinder 12a - 12d für den besagten Zeitraum dem Wert eins. Die bei jedem Arbeitsspiel aller Zylinder 12a - 12d herrschenden Verhältnisse sind in Figur 3 durch Punkte dargestellt. Man erkennt, dass die Verhältnisse für jeden Zylinder 12a - 12d individuell um den Wert eins zufällig variieren.
Für die Arbeitsspiele der einzelnen Brennräume 14a - 14d zu dem hier beispielhaft herausgegriffenen Zeitpunkt ti bedeutet dies, dass im Brennraum 14a ein eher mageres Gemisch erzeugt wird, im Brennraum 14b ein eher fettes Gemisch, im Brennraum 14c ebenfalls ein eher fettes Gemisch und auch im Brennraum 14d ein eher fettes Gemisch erzeugt wird. Durch das eher magere Gemisch im Brennraum 14a ergibt sich in dem aus diesem Brennraum 14a abströmenden Abgas ein Sauerstoffüberschuss, wohingegen sich in dem aus den anderen Brennräume 14b, 14c und 14d abströmenden Abgas ein Überschuss an Kohlenwasserstoff ergibt. Im Abgasrohr 26 vermischen sich der überschüssige Sauerstoff O2 und der Kohlenwasserstoff HC und führen dort zu einer exothermen Reaktion, die wiederum zu einer Anhebung der Abgastemperatur unmittelbar vor der Katalysatoranlage 28 führt.
Zu dem wiederum hier beispielhaft herausgegriffenen Zeitpunkt t2 ergibt sich in den Brennräumen 14c und 14d ein eher mageres Gemisch, wohingegen in den Brennräumen 14a und 14b ein eher fettes Gemisch vorliegt. In der Folge hat das aus den Brennräumen 14a und 14b abströmende Abgas einen HC-Überschuss, wohingegen das aus den Brennräumen 14c und 14d abströmende Abgas einen O2- Überschuss aufweist. Auch dies führt wiederum zu der bereits oben erwähnten exothermen Reaktion im Abgasrohr 26, die ebenfalls eine Erhöhung der
Abgastemperatur zur Folge hat. Ferner hat die zeitlich variierende Kombination von HC- und O2-Überschuss zur Folge, dass das Abgas in der Aufwärmphase des Katalysators homogener wird, was zu einer geringeren Roh-HC- und NOx-Emission in dieser Phase führt.
Durch das stärker erwärmte Abgas wird die Katalysatoranlage 28 nach dem Start der Brennkraftmaschine 10 stärker erwärmt, diese erreicht ihre Betriebstemperatur, bei der sie eine optimale Umwandlungsrate der im Abgas enthaltenen Schadstoffe aufweist, also vergleichsweise schnell. Auf diese Weise werden die von der Brennkraftmaschine 10 emittierten Schadstoffe unmittelbar nach deren Start reduziert. Durch die in gewünschter Weise zufällige Variation der einzuspritzenden Sollkraftstoffmenge qson bleibt das von der Brennkraftmaschine 10 zu erzeugende Drehmoment insgesamt im Wesentlichen unbeeinflusst.
In Figur 4 ist die Abgastemperatur T über der maximal zulässigen Streuung dq, also dem Umfang der Variation der Sollkraftstoffmenge qson aufgetragen. Man erkennt, dass bereits bei einer geringen Streuung eine deutliche Temperaturerhöhung dt erzielt wird. Wie umgekehrt aus Figur 5 hervorgeht, führt bereits eine vergleichsweise geringe Streuung dq zu einer signifikanten Absenkung dHC der von der Brennkraftmaschine 10 unmittelbar nach dem Start emittierten Kohlenwasserstoffe.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgte die Variation der einzuspritzenden Sollkraftstoffmenge qson individuell für jeden Zylinder 12a - 12d, und zwar unabhängig für die einzelnen Zylinder 12a - 12d. Möglich ist aber auch, die Variationen der Soll- Kraftstoffmengen der einzelnen Brennräume so zu koppeln, dass innerhalb eines Arbeitsspiels aller Brennräume die über die Brennräume gemittelte einzuspritzende Sollkraftstoffmenge der Normal-Sollkraftstoffmenge entspricht.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde ferner von einer in einer gewünschten Weise zufälligen gewollten Variation ausgegangen. Denkbar ist auch, eine "starr" gesteuerte Variation zu realisieren, beispielsweise in Form einer periodischen Funktion, bevorzugt einer Sinusfunktion mit unterschiedlichen Perioden
oder einer Sinusfunktion mit gleichen Perioden und einer bestimmten Phasenverschiebung. Durch die Variation würde dann für jeden Zylinder entsprechend einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf eine Zusatz- oder Minderkraftstoffmenge ermittelt, die additiv mit der Normal-Sollkraftstoffmenge die Soll- Kraftstoffmenge ergibt. Alternativ könnte die Normal-Sollkraftstoffmenge mit einem sich in vorgegebener
Weise, beispielsweise periodisch ändernden Faktor beaufschlagt werden, der zwischen einem Wert >1 und einem Wert <1 variiert. Der zeitliche Verlauf (bei einer Sinusfunktion beispielsweise durch Amplitude und Periode definiert) könnte darüber hinaus auch noch von einem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine, beispielsweise einer Betriebstemperatur, abhängen.