Titel

Verfahren zur Kraftstoffeinbringung in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Kraftstoffeinbringung in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten Verfahren der kombinierten Direkt- und Saugrohreinspritzung bei

Verbrennungsmotoren, der sog. dualen Kraftstoffeinspritzung (US 2006/0096572 Al), wird ein Kennfeld angelegt und abgespeichert, in der das Mengenverhältnis r der über ein Einspritzventil abzuspritzenden Kraftstoffmenge zu der über beide Einspritzventile insgesamt in den Brennraum einzubringenden Kraftstoffgesamtmenge in Zuordnung zu Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors eingetragen ist, die durch die Drehzahl des Motors und die Füllung bestimmt sind. Das Mengenverhältnis r=100% ist dabei das Gebiet, in dem die Kraftstoffeinspritzung ausschließlich durch das direkt in den Brennraum einspritzende Einspritzventil erfolgt und r=0% ist der Betriebsbereich, in dem die Kraftstoffeinspritzung ausschließlich durch das in das Saugrohr einspritzende Einspritzventil erfolgt. 0< r<100% repräsentiert den Bereich, in dem die Kraftstoffeinspritzung durch beide Einspritzventile erfolgt. Ein solches Kennfeld ist einerseits für den kalten Motor und anderseits für den betriebswarmen Motor abgespeichert. Die Kennfelder sind so konfiguriert, dass sie verschiedene Steuergebiete des direkt einspritzenden Einspritzventils und des in das Saugrohr einspritzenden Einspritzventils angeben, wenn die Motortemperatur sich ändert. Eines der oder beide Einspritzventile werden auf Basis des ausgewählten Kennfelds abhängig von der Drehzahl und des Füllfaktors des Verbrennungsmotors gesteuert. Ziel dieser Motorsteuerung ist es, die Verbrennungsstabilität und den Kraftstoffverbrauch in den verschiedenen Betriebspunktbereichen des Verbrennungsmotors zu optimieren. Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs hat den Vorteil, dass durch die gezielt auf die Schadstoffredukion abgestellte Beeinflussung des Verbrennungsprozesses der Schadstoffanfall im Abgas bereits relativ niedrig ist, so dass sich der anschließende Aufwand für die Abgasnachbehandlung zur Reduzierung der Schadstoffemission deutlich verringert. Der Kosteneinsatz für die Abgasnachbehandlung kann somit gesenkt werden. Bei Beibehaltung einer aufwändigen Abgasnachbehandlung wird dagegen der Spielraum hin zu einer Senkung der Rohemissions-Grenzwerte vergrößert.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird für jeden Betriebspunkt des Verbrennungsmotors die Konzentration des mindestens einen ausgewählten Schadstoffs im Abgas zum einen bei Einspritzung mit dem einen Einspritzventil und zum anderen bei Einspritzung mit dem anderen Einspritzventil bestimmt und getrennt in Zuordnung zu den jeweiligen Motorbetriebspunkten abgespeichert. Für jeden aktuellen Motorbetriebspunkt werden die in Zuordnung zu diesem Motorbetriebspunkt abgespeicherten beiden Konzentrationswerte aufgerufen und miteinander verglichen. Dasjenige der beiden Einspritzventile, dessen zugeordneter Konzentrationswert kleiner ist, wird zum Abspritzen der insgesamt in den Brennraum einzubringenden Kraftstoffmenge angesteuert. Diese sog. Schwarz- Weiß-Entscheidung für die jeweils 100%ige Abspritzung der Kraftstoffgesamtmenge durch eines der beiden Einspritzventile hat insbesondere Vorteile bei der weniger aufwendigen Erstellung der Speicherdaten für die Ansteuerung der Einspritzventile im Motorbetrieb, die im Vorfeld mit einem Testmotor durchgeführt wird, um die erfassten Speicherdaten dann in das Steuergerät der Serienmotoren zu übertragen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird für jeden Betriebspunkt des Verbrennungsmotors das ein Minimum der Konzentration des mindestens einen ausgewählten

Schadstoffs im Abgas ergebende Mengenverhältnis aus der über eines der beiden Einspritzventile abzuspritzenden Kraftstoffteilmenge und der von beiden Einspritzventilen insgesamt in den Brennraum einzubringenden Kraftstoffgesamtmenge bestimmt und in Zuordnung zu dem jeweiligen Motorbetriebspunkt abgespeichert. Im Motorbetrieb wird für jeden aktuellen Motorbetriebspunkt das zugeordnete Mengenverhältnis abgerufen, und anhand des abgerufenen Mengenverhältnisses werden die beiden Einspritzventile so angesteuert, dass jedes Einspritzventil seinen aus dem abgerufenen Mengenverhältnis sich ergebenden Anteil an der insgesamt in den Brennraum einzubringenden Kraftstoffgesamtmenge abspritzt. Durch diese Verfahrensgestaltung kann der Verbrennungsprozess sehr viel feiner in Hinblick auf die Minimierung der Schadstoffkonzentration geführt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Das erfindungsgemäße Verfahren ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ausschnittweise einen Längsschnitt eines Verbrennungszylinders eines z.B. vierzylindrigen Ottomotors in Verbindung mit einem dualen Kraftstoffeinspritzsystem,

Fig. 2 ein Diagramm der HC-Konzentration im Abgas des Ottomotors für einen ausgewählten Drehzahl- und Lastbereich bei ausschließlicher Kraftstoffeinspritzung mittels der direkt einspritzenden Einspritzventile,

Fig. 3 ein Diagramm der HC-Konzentration im Abgas des Ottomotors für einen ausgewählten Drehzahl- und Lastbereich bei ausschließlicher Kraftstoffeinspritzung mittels der in die Saugkanäle einspritzenden Einspritzventile,

Fig. 4 ein Diagramm der HC-Konzentration im Abgas des Ottomotors in Abhängigkeit von der Aufteilung der Kraftstoffeinspritzung auf beide Einspritzventile für verschiedene Betriebspunkte (Drehzahl, Last) des Ottomotors.

Der hier als Beispiel für einen Verbrennungsmotor angezogene, z.B. vierzylindrige Ottomotor für ein Kraftfahrzeug weist vier Zylinder 11 auf, von denen einer in Fig. 1 ausschnittweise im Längsschnitt dargestellt ist. Der außen mit einem Kühlwassermantel 12 umgebende Zylinder 11 ist stirnseitig von einem Zylinderkopf 13 gasdicht abgedeckt. Ein im Zylinder 11 axial verschieblich geführter Hubkolben 14 begrenzt zusammen mit dem Zylinderkopf 13 einen Brennraum 15. Der Hubkolben 14 ist über ein Pleuel 16 mit einer hier nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden.

Der Brennraum 15 weist einen von einem Einlassventil 17 verschließbaren Einlass 18 und einen von einem Auslassventil 19 verschließbaren Auslass 20 auf. Zu dem Einlass 18 ist ein

Luftansaugkanal 21 geführt, der von einem im Zylinderkopf 13 ausgeformten Einlassstutzen 22 und einem an dem Einlassstutzen 22 befestigten Saugrohr 23 gebildet ist. Die zu allen Brennräumen 15 führenden Saugrohre 23 sind stromaufwärts in einem Saugrohrkrümmer zusammengefasst. Vom Auslass 20 ist ein Abgaskanal 24 abgeführt, der von einem im Zylinderkopf 13 ausgebildeten Auslassstutzen 25 und einem an dem Auslassstutzen 25 befestigten Abgasrohr 26 gebildet ist. Alle vier Abgaskanäle 24 der insgesamt vier Zylinder 11 sind stromabwärts über einen Abgaskrümmer zusammengefasst.

In Zuordnung zu jedem Zylinder 11 ist in den Zylinderkopf 13 ein erstes Einspritzventil 27 eingesetzt, das über eine Kraftstoffzuleitung 28 zugeführten Kraftstoff direkt in den Brennraum 15 einzuspritzen vermag, und im Luftansaugkanal 21, hier im Saugrohr 23, ein zweites Einspritzventil 29 angeordnet, das über eine Kraftstoffleitung 30 zugeführten Kraftstoff in das Saugrohr 23 einzuspritzen vermag. Die Einspritzrichtung des zweiten Einspritzventils 29 ist so festgelegt, dass der unmittelbar dem Einlassventil 17 vorgeordnete Wandbereich des Einlassstutzens 22 mit dem zerstäubten Kraftstoff benetzt wird. Die Kraftstoffzuleitung 28 zu dem direkt einspritzenden ersten Einspritzventil 27 ist an einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 31 angeschlossen, die ihrerseits mit einer Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 32 fördernden Kraftstoff-Niederdruckpumpe 33 verbunden ist. Die Kraftstoffzuleitung 33 zu dem zweiten Einspritzventil 29 ist an der Kraftstoff- Nieder druckpumpe 33 angeschlossen. Die beiden Einspritzventile 27, 29 pro Zylinder 11 werden von einer elektronischen Steuereinheit 34 gesteuert, der eine Vielzahl von Betriebsparametern des Motors zugeführt ist. Die direkt einspritzenden ersten Einspritzventile 27 werden auch als DI- Ventile und die zweiten, in die Saugrohre 23 einspritzenden zweiten Einspritzventile 29 auch als PFI-Ventile und entsprechend die Art der Einspritzung mit DI- bzw. PFI-Einspritzung bezeichnet.

Mittels der elektronischen Steuereinheit 34 wird abhängig von dem aktuellen Betriebspunkt des Motors die erforderliche Füllung des Motors berechnet und mittels der Einspritzventile 27, 29 die entsprechende Kraftstoffmenge in die Brennräume 15 der Zylinder 11 eingebracht. Dabei wird die in jeden Brennraum 15 einzubringende Kraftstoffgesamtmenge von dem ersten oder zweiten Einspritzventil 27, 29 allein oder von beiden Einspritzventilen 27, 29 anteilig abgespritzt. Die Einspritzventile 27, 29 haben aufgrund ihrer baulichen Anordnung unterschiedliche Charakteristiken und beeinflussen in unterschiedlicher Weise die Kraftstoff-Luft-Gemisch- Verbrennung im Brennraum 15. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kraftstoffeinbringung wird dies in der Weise genutzt, dass die Einbringung der Kraftstoffgesamtmenge in den Brennraum 15 in einer solchen Aufteilung über die ersten und /oder zweiten Einspritzventile 27, 29 erfolgt, dass in jedem momentanen Betriebspunkt des Motors die Konzentration mindestens eines ausgewählten Schadstoffs minimiert wird.

In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind als Schadstoffkomponente die im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe (HC) ausgewählt. Ebenso kann als Schadstoffkomponente auch das im Abgas enthaltenen Stickoxid oder Kohlenmonoxid oder die Partikelmasse oder Partikelanzahl ausgewählt werden. Dabei kann auch der Fall eintreten, dass bei der Minimierung der Konzentration eines der Schadstoffe die Konzentration eines anderen Schadstoffes im Abgas zunimmt. Sollen mehrere Schadstoffe bezüglich ihrer Konzentration im Abgas reduziert werden, so ist es vorteilhaft, eine gewichtete Mischung der ausgewählten Schadstoffe als Bezugsgröße zu betrachten und eine solche Ansteuerung der Einspritzventile 27, 29 vorzunehmen, die eine Minimierung dieser Bezugsgröße ergibt. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Betriebspunkte des Motors durch seine Drehzahl und der abgeforderten Last festgelegt. Es können aber noch weitere Betriebsparameter, wie Nockenwellenverstellung, Zündwinkel, Wandfilm und dgl., berücksichtigt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ansteuerung der dualen Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit den Einspritzventilen 27, 29 wird für jeden Betriebspunkt des Motors die Konzentration des mindestens einen ausgewählten Schadstoffs im Abgas bestimmt, und zwar einmal bei Einspritzung mit den direkt einspritzenden ersten Einspritzventilen 27 und einmal bei Einspritzung mit den vor den Einlass 18 der Brennräume 15 einspritzenden zweiten Einspritzventilen 29. Die bestimmten Konzentrationswerte werden in Zuordnung zu den jeweiligen Motorbetriebspunkten getrennt für die DI-Einspritzung und die PFI-Einspritzung abgespeichert. Das Bestimmen und Abspeichern der Konzentrationswerte in Abhängigkeit von den Motorbetriebspunkten wird mit einem Testmotor durchgeführt, und die Speicherwerte werden dann auf die Serienmotoren übertragen und in der elektronischen Steuereinheit 34 abgelegt.

In Fig. 2 und 3 sind beispielhaft die Konzentrationswerte für einen ausgewählten Drehzahl (n)- und Lastbereich bei DI-Einspritzung (Fig. 2) und bei PFI-Einspritzung (Fig. 3) dargestellt. Die in den beiden Diagrammen zu sehenden Linien kennzeichnen eine bestimmte HC-Konzentration im Abgas, z.B. 1500ppm, die sich bei verschiedenen Motorbetriebspunkten (Drehzahl in min ^"1 und Last in bar) im Abgas einstellt. Um bei Motorbetrieb die Konzentrationswerte der HC im Abgas möglichst klein zu halten, wird für jeden aktuellen Motorbetriebspunkt die in Zuordnung zu diesem Motorbetriebspunkt einmal für DI-Einspritzung und einmal für PFI-Einspritzung abgespeicherten beiden Konzentrationswerte aus den in der elektronischen Steuereinheit 34 abgespeicherten Diagrammen aufgerufen und miteinander verglichen. Für die in diesem Motorbetriebspunkt einzubringende Kraftstoffgesamtmenge wird diejenige Einspritzart gewählt, die den kleineren Konzentrationswert an HC aufweist, und entsprechend das erste Einspritzventil 27 oder das zweite Einspritzventil 29 zum Abspritzen der erforderlichen Kraftstoffgesamtmenge angesteuert.

Beispielhaft wird - wie dies aus Fig. 2 und 3 ersichtlich ist - bei einer Drehzahl von 2500min ^"1 und einer Last von >4 bar das direkt in den Brennraum 15 einspritzende erste Einspritzventil 27 zur Abspritzung der für die Füllung des Brennraum 15 erforderlichen Kraftstoffgesamtmenge angesteuert, während bei einer Drehzahl von 1500min ^"1 in einem weiten Lastbereich ausschließlich das in das Saugrohr 23 einspritzende zweite Einspritzventil 29 angesteuert wird.

In einer Abwandlung des Verfahrens wird anstelle der getrennt abgespeicherten Diagramme für DI- Einspritzung und PFI-Einspritzung gemäß Fig. 2 und 3 in der elektronischen Steuereinheit 34 ein einziges Diagramm abgespeichert, in dem die Differenz der Konzentrationswerte bei DI- Einspritzung und PFI-Einspritzung in Zuordnung zu dem jeweiligen Motorbetriebspunkt festgelegt ist. Der Zugriff auf dieses in der Steuereinheit 34 abgelegte Diagramm erfolgt in der Weise, dass zu dem aktuellen Motorbetriebspunkt die im Diagramm enthaltene Differenz der Konzentrationswerte aufgesucht wird. Bei einer positiven Differenz wird dann das zweite Einspritzventil 29 und bei einer negativen Differenz das erste Einspritzventil 27 so angesteuert, dass die für den Betriebspunkt erforderliche Kraftstoffgesamtmenge über das jeweilige Einspritzventil 29 bzw. 27 abgespritzt wird.

Bei einer bevorzugten,alternativen Ausführung des Verfahrens wird für jeden Betriebspunkt des Motors dasjenige Mengenverhältnis aus der über eines der beiden Einspritzventile 27, 29 abzuspritzenden Kraftstoffteilmenge und der von beiden Einspritzventilen 27, 29 insgesamt in den Brennraum 15 einzubringenden Kraftstoffgesamtmenge bestimmt, das ein Minimum der Konzentration des mindestens einen ausgewählten Schadstoffs, hier HC, im Abgas ergibt. Das Bestimmen der die Konzentrationsminima ergebenden Mengenverhältnisse erfolgt wiederum an einem Testmotor. Hierzu werden für jeden Betriebspunkt die HC-Konzentrationen für unterschiedliche Mengenverhältnisse erfasst, indem für jeden Betriebspunkt schrittweise der Anteil der Kraftstoffmenge an der Kraftstoffgesamtmenge, der über die einen Einspritzventile, z.B. die ersten Einspritzventile 27, abgespritzt wird, von 100% auf 0% reduziert und der Anteil der Kraftstoffmenge an der Kraftstoffgesamtmenge, der über die anderen Einspritzventile, z.B. die zweiten Einspritzventile 29, abgespritzt wird, komplementär von 0% auf 100% vergrößert wird. In Fig. 4 ist ein solches Diagramm der HC-Konzentrationen bei verschiedenen anteiligen Abspritzungen der Kraftstoffgesamtmenge über die beiden Einspritzventile 27, 29 dargestellt. 100% DI bedeutet dabei die alleinige Abspritzung durch die direkt einspritzenden Einspritzventile 27 und 0% DI eine vollständige Abspritzung der Kraftstoffgesamtmenge durch die in die Saugrohre 23 einspritzenden zweiten Einspritzventile 29. Jede Kurve ist für einen Betriebspunkt, z.B. Drehzahl n und/oder Last, gültig. In den verschiedenen Kurven wird nunmehr das Minimum aufgesucht und dem durch die jeweilige Kurve repräsentierten Motorbetriebspunkt zugeordnet. Z.B. wird einer hohen Motordrehzahl das Mengenverhältnis 70% DI zugeordnet und abgespeichert. Dieses Mengenverhältnis bedeutet, dass 70% der in den Brennraum 15 einzuspritzenden Kraftstoffgesamtmenge über das erste Einspritzventil 27 und 30% der Kraftstoffgesamtmenge über das zweite Einspritzventil 29 abzuspritzen sind, um eine Minimierung der HC-Konzentration im Abgas zu erreichen. Bei niedrigeren Drehzahlen ergibt sich eine HC-Konzentrationsminimierung z.B. bei einem Mengenverhältnis von 30% DI, was bedeutet, dass zur Erreichung des HC- Konzentrations-Minimums bei dieser Drehzahl 30% der Kraftstoffgesamtmenge über das erste Einspritzventil 27 und 70% der Kraftstoffgesamtmenge über das zweite Einspritzventil 29 abzuspritzen sind. Diese jeweils ein Konzentrationsminimum ergebenden Mengenverhältnisse werden in Abhängigkeit von den Motorbetriebspunkten (Drehzahl und/oder Last) abgespeichert. Diese Speicherwerte werden dann in den Serienmotoren in der elektronischen Steuereinheit 34 abgelegt und zur Steuerung des Motorbetriebs herangezogen.

Im Motorbetrieb wird dann für jeden aktuellen Motorbetriebspunkt das zugeordnete Mengenverhältnis (z.B. 50% DI) abgerufen und anhand des abgerufenen Mengenverhältnisses die ersten und zweiten Einspritzventile 27, 29 so angesteuert, dass jedes Einspritzventil 27, 29 seine aus dem abgerufenen Mengenverhältnis sich ergebenden Anteil, z.B. jeweils die Hälfte, an der insgesamt in den Brennraum 15 einzubringenden Kraftstoffgesamtmenge, abspritzt. Bei einem abgerufenen Mengenverhältnis von 70% DI würde dann das erste Einspritzventil 27 70% und das zweite Einspritzventil 29 30% der Kraftstoffgesamtmenge abspritzen. Bei einem abgerufenen Mengenverhältnis von 100% DI würde die Kraftstoffgesamtmenge ausschließlich durch das erste Einspritzventil 27 abgespritzt.