WO2006069848A1 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Einspritzventil (18), das elektrisch geöffnet und geschlössen wird, wobei ein Boosterkondensator (BK) der Erhöhung der Stromstärke bei Öffnen des Einspritzventiles (18) dient. Eine sichere Einspritzung wird auch in den Extremfällen Wiedereinsetzen der Einspritzungen nach einem Schubbetrieb sowie Startvorgang nach einer Abstellphase mit Druckerhöhung im Kraftstoffhochdrucksystem auf Grund der Aufheizung des Kraftstoffs bei für den Normalbetrieb ausgelegten Boosterkondensatoren gewährleistet, indem das Stromprofil des Boosterstroms in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine von einem Standardwert auf einen erhöhten Wert und/oder auf eine längere Dauer umgeschaltet und mit Beendigung des bestimmten Betriebszustandes auf den Standardwert sowie die Standarddauer zurückgesetzt wird.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.
Für das Öffnen eines innen öffnenden Hochdruckeinspritzmagnetventils bei Benzin-Direkteinspritzung ist auf Grund des hohen Systemdrucks eine Boosterphase notwendig, in der der durch das Hochdruckeinspritzventil fließende Strom bis auf Werte wie z.B. 12 A ansteigt. Der hohe Strom wird durch das Zuschalten des Hochdruckeinspritzventils auf einen Boosterkondensator erzeugt, welcher Energie unter einer Spannung von z.B. 65 V speichert und sie dem Hochdruckeinspritzventil während der Boosterphase liefert. Die in der Boosterphase entnommene Energie wird durch einen Nachladeschaltkreis bis zur nächsten Boosterphase dem Boosterkondensator wieder nachgeliefert. Die Größe dieses Nachladeschaltkreises sowie des Boosterkondensators hängt u.a. von der vom Hochdruckein- spritzventil benötigten Boosterenergie ab, welche wiederum von dem für das Öffnen des Hochdruckeinspritzventils benötigten Boosterstrom abhängt. Die Höhe des Boosterstroms wird hauptsächlich durch den maximalen Systemdruck, gegen den das Hochdruckeinspritzventil öffnen muss, und den statischen Durchfluss bestimmt.
Probleme des Standes der Technik
Der höchste Systemdruck im Normalbetrieb bei Benzin- Direkteinspritzung wird durch das Öffnen eines Druckbegren- zungsventils bestimmt. Der Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils wird in zwei Fällen des Normalbetriebs erreicht. Den ersten Fall stellt der Heißstart dar, d.h. ein Startvorgang nach einer Abstellphase mit Druckerhöhung im Kraftstoffhochdrucksystem auf Grund der Aufheizung des
Kraftstoffs. Die Aufheizung des Kraftstoffs im Kraftstoffsystem erfolgt durch die Wärmeübertragung eines vorher in Volllast gefahrenen und deshalb stark aufgeheizten Motors. Den zweiten Fall stellt das Wiedereinsetzen der Einspritzun- gen nach einem Schubbetrieb dar. Im Schubbetrieb wird das
Einspritzen des Kraftstoffs eingestellt, und eine Druckerhöhung im Kraftstoffhochdrucksystem findet wegen dem oben genannten Grund statt. In beiden Fällen wird der Druck im Kraftstoffhochdrucksystem nach einigen Einspritzungen bis auf normales, geringeres Druckniveau abgesenkt. Der Boosterstrom wird aber nach dem maximal erreichbaren Druck ausgelegt, nämlich nach dem Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils. Der Nachladekreis und der Nachladekondensator sind für den Normalbetrieb dann überdimensioniert.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, den ein Verfahren anzugeben, das eine sichere Einspritzung auch in den Extremfällen Wiedereinsetzen der Einspritzungen nach einem Schubbetrieb sowie Startvorgang nach einer Abstellphase mit Druckerhöhung im Kraftstoffhochdrucksystem auf Grund der
Aufheizung des Kraftstoffs bei für den Normalbetrieb ausgelegten Boosterkondensatoren gewährleistet.
Vorteile der Erfindung
Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Einspritzventil, das elektrisch geöffnet und geschlossen wird, wobei ein Boosterkondensator der Erhöhung der Stromstärke bei Öffnen des Einspritzventiles dient, wobei das Stromprofil des Boos- terstroms in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine von einem Standardwert auf einen erhöhten Wert und/oder auf eine längere Dauer umgeschaltet und mit Beendigung des bestimmten Betriebszustandes auf den Standard- wert sowie die Standarddauer zurückgesetzt wird. Das Stromprofil des Boosterstroms wird vorzugsweise während eines Startvorganges der Brennkraftmaschine und/oder beim Wiedereinsetzen der Einspritzung nach einem Schubbetrieb von dem Standardwert auf den erhöhten Wert und/oder von der Stan- darddauer der Boosterphase auf die verlängerte Boosterphase umgeschaltet und mit Beendigung des Startvorganges und nach einigen Einspritzungen beim Wiedereinsetzen nach einem Schubbetrieb auf den Standardwert bzw. auf die Standarddauer der Boosterphase zurückgesetzt. Das Stromprofil des Boos- terstroms wird vorzugsweise durch Mehrfachboosterung, d.h. ein wiederholtes Einschalten des Boosterstromes für jeweils eine kurze Zeitdauer, auf eine insgesamt längere Dauer umgeschaltet.
Der Öffnungsdruck der Hochdruckeinspritzventile wird durch die Änderung des Boosterstroms für die zwei oben erwähnten Fälle erhöht. Die Änderung des Boosterstroms muss bei Absenkung des Kraftstoffdruckes schnell wieder rückgängig gemacht werden, um eine tiefe Entladung des Boosterkondensators zu vermeiden. Durch die wenigen Einspritzungen mit geändertem
Boosterstrom ist die Entladung des Boosterkondensators minimal, so dass weitere Einspritzungen sichergestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Nachladeschaltkreis und der Boosterkondensator für den Normalbetrieb dimensioniert werden können. Ihre Überdimensionierung für den Heißstart und Wiedereinsetzen nach Schubabschalten ist nicht notwendig. Ferner kann die Öffnungskraft des Hochdruckeinspritzventils erhöht werden (durch z.B. die Erhöhung des statischen Durchflusses des Ventils), ohne die Hardware ändern zu müssen. Mit einem größeren statischen Durchfluss kann z.B. eine aufgeladene Variante einer Motorbaureihe bedient werden und/oder die Verlustleistung im Steuergerät, z.B. durch Verkleinerung des Einspritzfensters, reduziert werden. Mit größerem statischen Durchfluss wird auch das Verhalten des Starts bei Tieftemperaturen verbessert.
Das Stromprofil wird beim Start generell geändert, so dass das Öffnen der Hochdruckeinspritzventile bis zum Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils sichergestellt ist. Am En- de des Startvorgangs wird das Stromprofil für den Normalbetrieb wieder aktiviert. Der Nachladeschaltkreis kann den Boosterkondensator auf Grund der geringen Drehzahl im Startvorgang auch mit erhöhtem Boosterenergiebedarf des geänderten Stromprofils ausreichend nachladen. Überschreitet der Systemdruck eine bestimmte Druckschwelle im Schubbetrieb, wird das Stromprofil für die darauf folgende Wiedereinsetzphase geändert. Die ersten Einspritzungen der Wiedereinsetzphase werden dann einen erhöhten Boosterenergiebedarf beanspruchen.
Die Umschaltung zwischen Standardwert und erhöhtem Wert erfolgt vorzugsweise innerhalb eines Einspritzzyklus.
Das Stromprofil des Boosterstroms wird von dem erhöhten Wert auf den Standardwert oder von der verlängerten Dauer auf die Standarddauer vorzugsweise umgeschaltet wenn der Raildruck eine Schwelle unterschreitet. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Stromprofil des Boosterstroms von dem erhöhten Wert auf den Standardwert oder von der verlängerten Dauer auf die Standarddauer umgeschaltet wird wenn die Anzahl der Einspritzungen mit dem erhöhten Wert des Boosterstroms einen Maximalwert überschreitet. Alternativ oder zusätzlich kann des Weiteren vorgesehen sein, dass das Stromprofil des Boosterstroms von dem erhöhten Wert auf den Standardwert oder von der verlängerten Dauer auf die Standarddauer umgeschaltet wird, sobald die Spannung des Boosterkondensators eine untere Schwelle unterschreitet.
Sobald der Systemdruck die Druckschwelle also wieder unterschreitet oder die Anzahl von abgesetzten Einspritzungen mit geändertem Stromprofil eine bestimmte Schwelle überschreitet, wird das Stromprofil auf originalles, geringeres Niveau rasch zurückgesetzt. Somit wird es verhindert, dass der Boosterkondensator tief entladen wird, was zu Einspritzaussetzungen führen könnte.
Das Eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch eine Brennkraftmaschine mit einem Einspritzventil, das elektrisch geöffnet und geschlossen werden kann, wobei ein zuschaltbarer Boosterkondensator der Erhöhung der Stromstär- ke bei Öffnen des Einspritzventiles dient, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromprofil des Boosterstroms von einem Standardwert auf einen erhöhten Wert und/oder auf eine längere Dauer umschaltbar ist. Der Boosterkondensator wird dabei vorzugsweise von einem Nachladekreis geladen.
Zeichnungen
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Zylinders einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffversorgungs- System; Fig. 2 eine Schaltskizze mit Steuergerät und Einspritzdüsen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Zylinders einer Brennkraftmaschine mit zugehörigen Komponenten des Kraft- stoffversorgungssystems . Dargestellt ist eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung (Benzindirekteinspritzung BDE) mit einem Kraftstofftank 11, an dem eine Elektrokraftstoffpumpe (EKP) 12, ein Kraftstofffilter 13 und ein Niederdruckregler 14 angeordnet sind. Vom Kraftstofftank 11 führt eine Kraftstoff- leitung 15 zu einer Hochdruckpumpe 16. An die Hochdruckpumpe 16 schließt sich ein Speicherraum 17 an. Am Speicherraum 17 sind Einspritzventile 18 angeordnet, die vorzugsweise direkt Brenn- räumen 26 der Brennkraftmaschine zugeordnet sind. Bei Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung ist jedem Brennraum 26 wenigstens ein Einspritzventil 18 zugeordnet, es können hier aber auch mehrere Einspritzventile 18 für jeden Brennraum 26 vorgesehen sein. Der Kraftstoff wird durch die Elektrokraft- stoffpumpe 12 aus dem Kraftstofftank 11 über den Kraftstofffilter 13 und die Kraftstoffleitung 15 zur Hochdruckpumpe 16 gefördert. Der Kraftstofffilter 13 hat die Aufgabe, Fremdpartikel aus dem Kraftstoff zu entfernen. Mit Hilfe des Niederdruckreglers 14 wird der Kraftstoffdruck in einem Niederdruckbereich des Kraftstoffversorgungssystems auf einen vorbestimmten Wert, der meist in der Größenordnung von etwa 4 bis 5 bar liegt, geregelt. Die Hochdruckpumpe 16, die vorzugsweise direkt von der Brennkraftmaschine angetrieben wird, verdichtet den Kraftstoff und fördert ihn den Speicherraum 17. Der Kraftstoffdruck er- reicht hierbei Werte von bis zu etwa 150 bar. In Fig. 1 ist beispielhaft ein Brennraum 26 einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung dargestellt, im Allgemeinen weist die Brennkraftmaschine mehrere Zylinder mit je einem Brennraum 26 auf. An dem Brennraum 26 ist wenigstens ein Einspritzventil 18, we- nigstens eine Zündkerze 24, wenigstens ein Einlassventil 27, wenigstens ein Auslassventil 28 angeordnet. Der Brennraum wird von einem Kolben 29, der in dem Zylinder auf- und abgleiten kann, begrenzt. Über das Einlassventil 27 wird Frischluft aus einem Ansaugtrakt 36 in den Brennraum 26 angesaugt. Mit Hilfe des Einspritzventils 18 wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum 26 der Brennkraftmaschine gespritzt. Mit der Zündkerze 24 wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet. Durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoff-Luft-Gemisches wird der Kolben 29 angetrieben. Die Bewegung des Kolbens 29 wird über eine Pleuelstange 37 auf eine Kurbelwelle 35 übertragen. An der Kurbelwelle 35 ist eine Segmentscheibe 34 angeordnet, die von einem Drehzahlsensor 30 abgetastet wird. Der Drehzahlsensor 30 erzeugt ein Signal, das die Drehbewegung der Kurbelwelle 35 charakterisiert.
Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase gelangen über das Auslassventil 28 aus dem Brennraum 26 zu einem Abgasrohr 33, in dem ein Temperatursensor 31 und eine Lambdasonde 32 angeordnet sind. Mit Hilfe des Temperatursensors 31 wird die Temperatur und mit Hilfe der Lambdasonde 32 der Sauerstoffgehalt der Abgase erfasst.
Ein Drucksensor 21 und ein Drucksteuerventil 19 sind am Spei- cherraum 17 angeschlossen. Das Drucksteuerventil 19 ist ein- gangsseitig mit dem Speicherraum 17 verbunden. Ausgangsseitig führt eine Rückflussleitung 20 zur Kraftstoffleitung 15. In dem Ansaugtrakt 36 ist eine Drosselklappe 38 angeordnet, deren Drehstellung über eine Signalleitung 39 und einen zugehörigen, hier nicht dargestellten elektrischen Aktuator durch das Steuergerät 25 einstellbar ist.
Anstatt einem Drucksteuerventil 19 kann auch ein Mengensteuerventil in dem Kraftstoffversorgungssystem 10 zur Anwendung kom- men. Mit Hilfe des Drucksensors 21 wird der Istwert des Kraftstoffdrucks im Speicherraum 17 erfasst und einem Steuergerät 25 zugeführt. Durch das Steuergerät 25 wird auf der Basis des er- fassten Istwertes des Kraftstoffdrucks ein Ansteuersignal ge- bildet, mit dem das Drucksteuerventil angesteuert wird. Die e- lektrische Ansteuerung der Einspritzventile 18 ist in Fig. 1 nicht dargestellt, diese ergibt sich aus Fig. 2. Über Steuerungssignalleitungen 22 sind die verschiedenen Aktuatoren und Sensoren mit dem Steuergerät 25 verbunden. Im Steuergerät 25 sind verschiedene Funktionen, die zur Steuerung der Brennkraftmaschinen dienen, implementiert. In modernen Steuergeräten werden diese Funktionen auf einem Rechner programmiert und anschließend in einem Speicher des Steuergerätes 25 abgelegt. Die im Speicher abgelegten Funktionen werden in Abhängigkeit der Anforderungen an die Brennkraftmaschine aktiviert, hierbei werden insbesondere strenge Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit des Steuergerätes 25 gestellt. Prinzipiell ist eine reine Hardwarerealisierung der Steuerung der Brennkraftmaschine alternativ zu einer Softwarerealisierung möglich.
In Fig. 2 ist die Beschaltung der Einspritzventile, diese sind hier als HPIV 11 sowie HPIV 12 bezeichnet, mit dem Steuergerät 25 dargestellt. Der Einfachheit halber sind in der nachfolgenden Darstellung die Indizes der jeweils drei- fach vorhandenen Ausgänge BATTX, BOOSTX, SPOX, SHSX, DLSXl sowie DLSX2 unterdrückt. Die Skizze zeigt beispielhaft einen Vierzylindermotor mit zwei Bänken, hier als Bank 1 und als Bank 2 bezeichnet, wobei nur Bank 1 näher dargestellt ist. Das Steuergerät 25 umfasst hier eine Endstufe 40 zur Ansteu- erung der Einspritzventile HPIV 11 und HPIV 12 sowie einen MikroController 41 zur Steuerung der Funktionen des Steuergerätes 25. Die Ansteuerung der Einspritzventile HPIV 11 sowie HPIV 12 erfolgt dergestalt, dass die Endstufe 40 die Signale BOOSTx_l bis BOOSTx_3 zu SBOx_l bis SBOx_3 in der Boosterphase zuschaltet, und DLSX1_1 bis DLSX1_3 für die Ansteuerung von HPIVIl zur Masse zuschaltet. Dadurch fließt ein hoher Strom durch HPIVIl. Der notwendige Boosterstrom wird über die Eingänge BOOSTX_1 usw. einem Boosterkondensa- tor BK entnommen. Der Boosterkondensator BK wird dabei bei jedem Öffnungsvorgang eines der Einspritzventile entladen und in der Zwischenzeit über eine Nachladedrossel NLD, der an eine Batteriespannungsversorgung BS angeschlossen ist, nachgeladen. Ein Nachladetransistor NLT dient der Steuerung des Nachladevorgangs. In bestimmten Betriebssituationen, zum Beispiel beim Start der Brennkraftmaschine oder zur Beendigung des Schubbetriebes, ist ein höherer Strom zur Öffnung des jeweiligen Einspritzventils in der Boosterphase notwendig. Der wird erreicht durch eine Verlängerung der Booster- phase, sei es durch eine Erhöhung des zu erreichenden Boosterstromniveaus oder durch eine Mehrfachboosterung, d.h. die Zuschaltung zwischen BOOSTx_l bis BOOSTx_3 und SBOx_l bis SBOx_3 wird ein paar mal zu- und abgeschaltet.
Nach der Boosterphase schaltet die Endstufe 40 die Signale
BATTx_l bis BATTx_3 zu SHSx_l bis SHSx_3 zu, und DLSX1_1 bis DLSX1_3 für die Ansteuerung von HPIVIl zur Masse. Somit fließt ein geringerer Strom in der Haltephase durch HPIVIl. Der Ausgang SHSX liefert dabei eine Grundspannung zum Öffnen des Ventils.
Das Boosterstromniveau lässt sich durch den MikroController 31 schrittweise einstellen, beispielsweise zwischen 8,5 und 12 Ampere in 0,5 Ampereschritten. Wird das Boosterstromni- veau so hoch eingestellt, dass die Boosterspannung im Boosterkondensator BK auf Dauer durch Nachladen nicht aufrecherhalten werden kann, wird der Boosterkondensator innerhalb einiger Einspritzzyklen vollständig entladen. Um eine Entladung des Boosterkondensators BK zu vermeiden wird der Be- trieb mit längerer Boosterphase auf einige Einspritzungen begrenzt. Dazu kann die Spannung des Boosterkondensators BK herangezogen werden, bei Erreichen einer unteren Grenze wird wieder auf Normalbetrieb umgeschaltet. Die Umschaltung auf Normalbetrieb kann auch durch Unterschreiten einer Druckschwelle erfolgen. Alternativ kann nach einer bestimmten Anzahl von Einspritzungen, wobei die Anzahl vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, z.B. Drehzahl, Last und dergleichen abhängig sein kann, auf Normalbetrieb umgeschaltet werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit ei- nem Einspritzventil (18) , das elektrisch geöffnet und geschlossen wird, wobei ein Boosterkondensator (BK) der Erhöhung der Stromstärke bei Öffnen des Einspritzventiles (18) dient, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromprofil des Boosterstroms in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine von einem Standardwert auf einen erhöhten Wert und/oder auf eine längere Dauer umgeschaltet und mit Beendigung des bestimmten Betriebszustandes auf den Standardwert sowie die Standarddauer zurückgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromprofil des Boosterstroms während eines Startvorganges der Brennkraftmaschine von dem Standardwert auf den erhöhten Wert und/oder auf eine längere Dauer umgeschaltet und mit Übergang in den Normalbetrieb auf den Standardwert zurückgesetzt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromprofil des Boosterstroms bei Beendigung eines Schubbetriebes von dem Stan- dardwert auf den erhöhten Wert und/oder auf eine längere Dauer umgeschaltet und mit Übergang in den Normalbetrieb auf den Standardwert zurückgesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass das Stromprofil des Boosterstroms durch Mehrfachboosterung auf eine längere Dauer umgeschaltet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Umschaltung zwischen Stan- dardwert und erhöhtem Wert innerhalb eines Einspritzzyklus geschieht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass das Stromprofil des Boosterstroms von dem erhöhten Wert oder von der längeren Dauer auf den Standardwert und die Standarddauer umgeschaltet wird wenn der Raildruck eine untere Schwelle unterschreitet.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromprofil des Boosterstroms von dem erhöhten Wert oder von der längeren Dauer auf den Standardwert und die Standarddauer umgeschaltet wird wenn die Anzahl der Einspritzungen mit dem erhöhten Wert des Boosterstroms einen Maximalwert überschreitet
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromprofil des Booster- Stroms von dem erhöhten Wert oder von der längeren Dauer auf den Standardwert und -Dauer umgeschaltet wird, sobald die Spannung des Boosterkondensators (BK) eine untere Schwelle unterschreitet.
9. Brennkraftmaschine mit einem Einspritzventil (18), das elektrisch geöffnet und geschlossen werden kann, wobei ein zuschaltbarer Boosterkondensator (BK) der Erhöhung der Stromstärke bei Öffnen des Einspritzventiles (18) dient, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromprofil des Booster- Stroms von einem Standardwert auf einen erhöhten Wert und/oder auf eine längere Dauer umschaltbar ist.
10. Brennkraftmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Boosterkondensator (BK) von einem Nachladekreis (NLK) geladen wird.
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