Titel Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, wobei ein Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine eine Entlüftung in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine hat.

Das Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine ist nicht fest verschlossen. An den Kolbenringen vorbei strömt ein geringer Gasstrom, der ohne eine Öffnung im Kurbelgehäuse dort einen ho- hen Druck erzeugen würde. Dieser Druckaufbau wird über die sogenannte Kurbelgehäuseentlüftung vermieden. Die Kurbelgehäuseentlüftung leitet Gase aus dem Kurbelgehäuse in das Saugrohr und damit den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine. Ein direkter Anschluss an den Saugrohrunterdruck wird vermieden, da sonst das Kurbelgehäuse auf Saugrohrdruckniveau gebracht würde.

Über die Kolbenringe werden nicht nur verbrannte sogenannte Blow-By-Gase in das Kurbelgehäuse gedrückt, sondern insbesondere bei kaltem Motor auch Kraftstoff in das Motoröl, das sich beispielsweise in einem Ölsumpf oder dergleichen in dem Kurbelgehäuse befindet, eingebracht. Dieser Kraftstoff ist in der Regel überschüssig eingespritzter Kraftstoff, der nicht an der Verbrennung teilnimmt, sondern z.B. an den Zylinderwandungen kondensiert oder erst gar nicht verdampft.

Zunächst wird dieser in das Kurbelgehäuse eingebrachte Kraftstoff bei kaltem Motor ins Motoröl gewaschen. Mit Erwärmung des Motoröls verdampft dieser Kraftstoff. Die Dämpfe strö- men dann über die Kurbelgehäuseentlüftung in das Saugrohr und sodann in die Brennräume.

Dieser zusätzliche Kraftstoffstrom führt zu einem fetteren Motorlauf. Insbesondere im Leerlauf kann der Kraftstoffstrom einen sehr großen Anteil am Leerlaufkraftstoffbedarf der Brennstoff- maschine ausmachen. Im Gegensatz zu dem Kraftstoffdampfstrom der Tankentlüftung ist der Kraftstoffdampfstrom über die Kurbelgehäuseentlüftung in der Regel nicht steuerbar. Es gibt also üblicherweise kein z.B. elektrisch ansteuerbares Kurbelgehäuseentlüftungsventil.

Sehr ausgeprägt ist das Problem der Ausgasung aus dem Motoröl bei stark ethanolhaltigem Kraftstoff. Solche Kraftstoffe werden zunehmend für den Betrieb von Fahrzeugen mit einem

Otto-Motor eingesetzt. Derartige Fahrzeuge werden „Flex-Fuel-Vehicle (FFV)" genannt. Reines Ethanol wird ElOO genannt, reines Benzin EO, eine beliebige Mischung wird mit EX bezeichnet. In Europa und in U. S. A. übliche ethanolhaltige Kraftstoffe beinhalten etwa 75 bis 85 % Ethanol (Sortenname E85). Der Rest (15 bis 25 %) ist Benzin.

Es ist bekannt, dass Ethanol bei tiefen Temperaturen schlechter verdampft als reines Benzin. Daher muss bei Verwendung von E85 bei einem Kaltstart deutlich mehr Kraftstoff eingespritzt werden als bei reinem Benzin. Dies führt dazu, dass bei einem Kaltstart und in der Warmlaufphase deutlich mehr Kraftstoff als beim Betrieb mit reinem Benzin über die Kolbenringe ins Motoröl gestreift wird. Da Ethanol ein Reinstoff mit festem Siedepunkt ist (78 ⁰ C), wird dieser

Kraftstoffeintrag dann bei warm werdendem Öl recht schlagartig ausgasen. Bei niedrigen Lastdrehzahlpunkten und insbesondere im Leerlauf führt dies zu einer signifikanten Anfettung, die mit der Lambdaregelung alleine nicht immer beherrscht werden kann. Insbesondere wenn häufige extreme Kaltstarts ohne Warmfahren des Motoröls erfolgen, kann sich sehr viel Kraftstoff im Motoröl ansammeln. Dabei sind durchaus 200 bis 500 ml Kraftstoff im Motoröl beobachtet worden.

Wenn bei einem derart hohen Eintrag von Kraftstoff in das Motoröl die Brennkraftmaschine in kurzer Zeit warm gefahren wird (z.B. durch hohe Last und hohe Drehzahl) und dann wieder im Leerlauf betrieben wird, so ist der Ausgasvolumenstrom oftmals nicht beherrschbar. Eine weitere Abmagerung durch die Einspritzventile ist dann oft nicht möglich, da die minimale Ein- spritzzeit bereits erreicht ist. Außerdem darf ein maximaler Kraftstoffanteil von z.B. 60 % nicht überschritten werden. Offenbarung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das den Betrieb einer Brennkraftmaschine auch bei sehr hoher Ausgasungsrate von Kraftstoff aus dem Motoröl ermöglicht.

Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, wobei ein Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine eine Entlüftung in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine hat, wobei bei Ausgasen von Kraftstoff aus in dem Kurbelgehäuse befindlichem Motoröl der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine so verändert wird, dass ein vorgebbares

Luft-Kraftstoffverhältnis nicht unterschritten wird. Das Luft-Kraftstoffverhältnis kann z. B. die Fettlaufgrenze sein. Es wird also bewusst ein Betriebspunkt gewählt, der einen möglichst hohen Kraftstoffverbrauch hat. Das Ausgasen von Kraftstoff kann beispielsweise durch Beobachtung der Lambdaregelung festgestellt werden, da bei dem Ausgasen ein Anfetten des Kraftstoff- Luftgemisches zu beobachten ist, was einen Reglereingriff hin zu einem magereren Gemisch erzeugen wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Motoröltemperatur zu beobachten, Erreichen der Siedegrenze für Ethanol, also etwa 78 ⁰ C, mit einem starken Ausgasen von Kraftstoff zu rechnen ist. Die Fettlaufgrenze ist ein Lambda-Wert kleiner als 1 , bei dem gerade noch eine sichere Gemischzündung gewährleistet ist.

Vorzugsweise wird der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine so verändert, dass ein erhöhter Kraftstoffverbrauch resultiert. Dazu wird vorzugsweise der Zündwirkungsgrad verringert. Eine Verringerung des Zündwirkungsgrades tritt beispielsweise durch eine Spätverstellung der Zündung ein. In einer Weiterbildung des Verfahrens ist ergänzend vorgesehen, dass eine Leerlauf- Solldrehzahl angehoben wird. Dadurch kann der Kraftstoffverbrauch weiter erhöht werden.

Die Soll-Einspritzmenge wird vorzugsweise so verringert, dass die Summe aus der SoIl- Einspritzmenge und einer zusätzlich zugeführten Ausgasungs-Kraftstoffmenge einen Lambda- wert von etwa 1 ergibt. Vorzugsweise ist weiter vorgesehen, dass das minimale vorgebbare Luftkraftstoffverhältnis eine Fettlaufgrenze darstellt. Alternativ ist vorgesehen, dass das minimale vorgebbare Luftkraftstoffverhältnis das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis Lamb- da = 1 darstellt. Dabei wird die Einspritzmenge nach unten so begrenzt, dass eine minimale Einspritzzeit nicht unterschritten wird. Die Einspritzmenge wird also vorzugsweise so hoch - A -

gehalten, dass diese weiterhin in beide Richtungen steuerbar bleibt, sodass auch durch Verringerung der Einspritzmenge weiterhin eine Lambdaregelung möglich ist.

Vorzugsweise ist weiter vorgesehen, dass zur Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs die Sollfül- lung erhöht wird und zur Kompensation automatisch der Zündwinkelwirkungsgrad verringert wird. Auch diese Maßnahme erhöht den Kraftstoffverbrauch. Die zu der Soll-Füllung gehörige Soll-Luftmenge wird vorzugsweise durch Öffnen einer Drosselklappe erhöht. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Mindest-Momentenreserve zur Erhöhung der Sollfüllung auf Basis der minimalen Einspritzzeit und auf Basis des aktuellen Ausgasmassenstroms bestimmt wird. Die Momentenreserve ist die Differenz zwischen dem Moment, das bei aktuellem Luftmassenstrom und Einspritzmenge an der Kurbelwelle anliegen würde und dem Fahrerwunschmoment. Effektiv ist es also das Moment, das durch ungünstige Wahl der Verbrennungsparameter abgebaut werden muss.

Insbesondere bei einer mittleren und hohen Ausgasung ist vorgesehen, dass insbesondere im

Schubbetrieb eine Einspritzausblendung unterdrückt wird. Eine Einspritzausblendung hätte in dieser Situation zur Folge, dass unverbrannter Kraftstoff über den Ansaugtrakt in die Zylinder gelangt und über die Auspuffanlage wieder ausgestoßen wird. Zusätzlich ist hier vorgesehen, dass die Zündung aufrechterhalten wird und der ausgasende Kraftstoff weiter verbrannt wird. Dazu wird gerade soviel Kraftstoff eingespritzt, dass ein zündfähiges Gemisch entsteht. Der

Betriebspunkt wird dabei so eingestellt, dass ein möglichst geringes Antriebsmoment durch die Brennkraftmaschine erzeugt wird.

In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei Ausgasung im Schubbetrieb die Zündung abgeschaltet wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine derartig hohe Ausgasungsrate vorliegt, dass nur ein Betriebspunkt der Brennkraftmaschine mit einem Kurbelwellendrehmoment, das für den Schubbetrieb zu hoch wäre, möglich ist. In diesem Fall wird vorzugsweise eine Drosselklappe maximal geschlossen, sodass im Wesentlichen nur unverbrannter Kraftstoff durchgeschoben wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 eine Skizze einer Brennkraftmaschine;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens als Ablaufdia- gramm;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Skizze einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Kurbelgehäuse 2, in der eine Kurbelwelle 3 angeordnet ist. Die Kurbelwelle 3 ist über einer Pleuelstange 4 mit einem Kolben 5 verbunden, der hin- und her beweglich am Zylinder 6 angeordnet ist. Der Einfachheit halber ist hier nur ein Zylinder der Brennkraftmaschine dargestellt, üblicherweise verfügt die

Brennkraftmaschine über mehrere, beispielsweise 4 oder 6, Zylinder. In dem Kurbelgehäuse 2 befindet sich Motoröl 7, das über hier nicht dargestellte Leitungen und Pumpen den jeweiligen Schmierstellen, unter anderem auch der Lauffläche des Kolbens 5 in dem Zylinder 6, zugeführt wird. Das Motoröl sammelt sich in einem Ölsumpf 8. Um Überdruck in dem Kolbengehäuse 2 abzubauen, ist dieses mit einer Entlüftung 9 mit dem Ansaugtrakt 10 der Brennkraftmaschine verbunden. Über den Ansaugtrakt 10 wird Umgebungsluft in an sich bekannter Art und Weise in den Zylinder 6 angesaugt, Verbrennungsabgase werden über ein schematisch dargestelltes Auspuffsystem 11 an die Umgebung wieder abgegeben. Jedem Zylinder 6 ist ein Einspritzven- til 12, das beispielsweise elektrisch gesteuert und mit einem Hochdruckrail verbunden ist, so- wie eine elektrische Zündkerze 13 zugeordnet. Die Entlüftung verzweigt in eine Hauptzuleitung 14, die stromauf einer Drosselklappe 15 mit einem Ansaugtrakt 10 verbunden ist, sowie eine Nebenleitung 16 mit einem geringeren Querschnitt, dies ist hier durch eine schematisch dargestellte Drossel 17 gekennzeichnet, die stromab der Drosselklappe 15 mit dem Ansaugtrakt 10 verbunden ist.

Ein Steuergerät 18 steuert den Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Eingangsseitig liegen an dem Steuergerät 18 ein Fahrpedalwinkel wped sowie die Kurbelwellendrehzahl n und der mittels einer im Abgassystem angeordneten Lambdasonde 19 gemessene Lambdawert λ an. Weitere Eingangsgrößen wie z.B. die Stellung der Drosselklappe, Ansaugluftdruck bzw. - temperatur und dergleichen sind der Einfachheit halber hier nicht dargestellt. Ausgangsseitig liegen unter anderem Steuersignale für das Einspritzventil 12, die Zündkerze 13 sowie die Stellung der Drosselklappe 15 an. Die Öltemperatur T OL wird mittels eines Öltemperatursensors 20 erfasst.

Aus der Öltemperatur T OL und einer der Einfachheit halber nicht dargestellten Modellierung der aktuell sich im Motoröl befindlichen Kraftstoffmasse wird der Massestrom m G des aus dem Motoröl 7 ausgasenden Kraftstoffes bestimmt.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Ablaufdiagramms. In einem ersten Schritt 101 wird der Massenstrom m G des ausgasenden Kraftstoffes bestimmt. In einem zweiten Schritt 102 wird geprüft, ob dieser Wert größer einer oberen Grenze m _ max ist. Ist dies nicht der Fall, mit der Option N gekennzeichnet, so wird wieder in Schritt 101 verzweigt und der Massenstrom m G erneut bestimmt. Ergibt die Ab- frage in Schritt 102, dass der Massestrom m G größer als die zulässige Grenze m _ max ist, ist dies mit der Option J gekennzeichnet. Es wird in einem Schritt 103 der Zündwinkel hin zu einem möglichst schlechten Zündwirkungsgrad verstellt. Dies kann beispielsweise durch eine möglichst späte Zündung erreicht werden. Daraufhin wird in einem Schritt 104 die Leerlaufdrehzahl n _L angehoben. Das Verfahren endet im Schritt 105. Die Anpassung der tatsächlich einzuspritzenden Kraftstoffmenge erfolgt gewissermaßen automatisch über den hier nicht dargestellten Lambdaregelkreis. Durch eine Regelung des Lambdawertes λ auf einen Wert von möglichst 1 wird die einzuspritzende Kraftstoffmenge reduziert, wenn durch den Volumenstrom m G ausgasender Kraftstoff in den Zylinder eingebracht wird. Durch die hier vorgeschlagene Maßnahme führen auch sehr große ausgasende Kraftstoffmengen nicht zu einer Ü- berforderung des Regelkreises, mithin also zu einem Lambdawert < 1, der nicht mehr auf 1 ausgeregelt werden kann.

Das zuvor dargestellte Verfahren kann auch in einem Betriebszustand mit einer Momentenreserve abgebildet werden. Die Momentenreserve erhöht im Füllungspfad die Sollfüllung. Die Drosselklappe 15 wird dazu geöffnet, sodass die Brennkraftmaschine mehr Luft und über die

Einspritzregelung bzw. Lambdaregelung auch mehr Kraftstoff zugeführt bekommt. Im Zündpfad führt dies jedoch dazu, dass der Soll-Zündwinkelwirkungsgrad erniedrigt wird, weil das optimale Moment, basierend auf der Motorfüllung, zugenommen hat. Die Brennkraftmaschine wird also mit hohem Kraftstoffbedarf und höherer Füllung betrieben, wobei das Moment an der Kurbelwelle unverändert bleibt.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines derartigen erfindungsgemäßen Verfahrens. In Fig. 3 ist der Teil des Verfahrens zur Bestimmung der Sollfüllung rlsol sowie der Einspritzzeit te dargestellt, in Fig. 4 ist der Teil des Verfahrens zur Bestimmung einer Momentenreserve dmr dargestellt. Zunächst wird auf Fig. 3 eingegangen. In einem oberen Pfad wird in einem Block FE die prädizierte Frischluftfüllung rlp ermittelt. Zu diesem Wert wird der Offset des relativen Kraftstoffanteils der Gemischadaption rka addiert, weiterhin wird der Wert sodann mit dem Faktor der Regelung der Gemischadaption fra sowie dem Regelfaktor der Lamb- daregelung fr multipliziert. In dem in Fig. 3 mittleren Pfad wird aus dem Massenstrom der Ausgasung, also dem Wert des realen Massenstroms im Motor, mkausg m sowie der Motordrehzahl nmot ein relativer Kraftstoffanteil durch Ausgasung aus dem Öl rkausg m ermittelt. Dieser wird von dem im oberen Pfad ermittelten Wert abgezogen, daraus ergibt sich die Kraftstoffmenge rk. Aus dieser wird nun unter Berücksichtigung eines Korrekturfaktors zur Berücksichtigung eines Stöchiometriefaktors des Kraftstoffes ffuel sowie einem Korrekturfaktor für den Kraftstoffdruck fpfuel ein Wert te für die Einspritzdauer errechnet. Dabei wird diese auf einen Wert TEMIN nach unten hin begrenzt.

In dem unteren Pfad in Fig. 3 wird aus dem Fahrerwunschmoment mifal sowie der Momentenreserve dmr und der Kurbelwellendrehzahl nmot aus dem zuvor gekannten Kennfeld KFMIRL wiederum ein Füllungssollwert rlmds errechnet. Aus dem im mittleren Pfad bestimmten relativen Kraftstoffanteil durch Ausgasung rkausg und einem maximalen Kraftstoffanteil der Ausga- sung fgausgmx wird ein Mindestwert für die Sollfüllung rlmin ausg ermittelt. Aus diesem

Wert sowie dem Füllungssollwert rlmds wird über eine Maximalwert- Auswahl ein Mindestwert für die Sollfüllung rlsol berechnet, der dann zur Ansteuerung der Drosselklappe genommen wird.

Fig. 4 zeigt die Bestimmung der Momentenreserve während der Ausgasung. In einem oberen

Pfad wird aus der Mindesteinspritzzeit TEMIN sowie weiteren Werten wie dem Faktor Regel- und Gemisch dazu fra, dem Off-Set des relativen Kraftstoffanteils der Gemischadaption rka und weiteren Werten ein erster Wert der Mindest-Sollfüllung bestimmt. Im mittleren Pfad wird ein relativer Kraftstoffanteil durch Ausgasung rkausg ermittelt, der sowohl im oberen als auch im unteren Pfad weiterverwendet wird. Die Bestimmung erfolgt aus dem Ausgasungsmassen- strom mkausg, der Motordrehzahl nmot und einer Konstante KUMSRL zur Umrechnung des Massenstroms in eine Füllung. Über eine Max-Auswahl wird die Mindest Soll-Füllung rlsolmn bestimmt, die dann gemeinsam mit der Motordrehzahl nmot über das Kennfeld KFMIOP in ein Moment gewandelt wird. Von diesem Moment wird das Fahrerwunschmoment mifal abgezogen. Die Differenz wird auf den Wert 0 nach unten begrenzt und stellt die Momentenreserve dmr dar.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand ei- nes Blockdiagramms. Dabei wird in einem Schritt 201 in den Schubbetrieb übergegangen. Bei diesem ist das Fahrerwunschmoment gleich 0, der Fahrer ist also vom Gaspedal gegangen. Der Triebstrang ist eingekuppelt und die Motordrehzahl ist größer als eine untere Schwelle. Üblicherweise wird im Schubbetrieb die Einspritzung abgeschaltet, also unterdrückt. Die Zündung bleibt weiterhin aktiv, sodass auch Restkraftstoff im Zylinder verbrannt wird. Bei einer Zylin- derausblendung zur Momentenreduktion darf eine hohe Ausgasung nicht zu einer Fortsetzung des Motorbetriebs mit Kraftstoff über die Kurbelgehäuseentlüftung führen. Um dies zu vermeiden, wird ein Verbot der Einspritzausblendung bei mittlerer und hoher Ausgasung aktiviert. Dazu wird zunächst in einem Schritt 202 ermittelt, ob eine mittlere oder hohe Ausgasungsrate vorliegt. Dazu wird die gemessene oder simulierte Ausgasungsrate mit einer Maximalschwelle verglichen. Liegt die Ausgasungsrate darüber, mit der Option J gekennzeichnet, so liegt eine mittlere bis hohe Ausgasungsrate vor und in einem Schritt 203 wird ein Verbot der Einspritzausblendung beispielsweise über ein Kennbit in einem Steuergerät gesetzt. Liegt keine zu hohe Ausgasungsrate vor, mit der Option N gekennzeichnet, so wird in Schritt 204 die Einspritzausblendung erlaubt, was ebenfalls durch ein entsprechendes Kennbit realisiert werden kann. Randbedingungen dabei sind, dass im Schub das erforderliche Bremsmoment weiter eingestellt werden können muss. Die Einspritzventile müssen aktiviert sein und die Einspritzzeit größer TEMIN, der minimal erlaubten Einspritzzeit für Einhaltung der Toleranzanforderung, betrieben werden. Der spätestmögliche Zündwinkel darf nicht unterschritten werden und der Lambdawert kann im Extremfall bis zur Fettlaufgrenze nach unten zugelassen werden.

Bei extrem hoher Ausgasung sind die zuvor genannten Bedingungen bei Drehzahlen unterhalb einer Schwelle nicht mehr einhaltbar, da ein zu hoher Kraftstoffanteil durch Ausgasung herbeigeführt wird. Bei einer derartig extremen Ausgasung wird das anhand der Fig. 5 dargestellte Verfahren abgewandelt. Es wird nun in jedem Fall die Einspritzausblendung erlaubt, zusätzlich wird die Zündung abgeschaltet und die Drosselklappe maximal geöffnet. Bei einer extrem hohen Ausgasung wird soviel Kraftstoff in den Ansaugtrakt eingebracht, dass dieser nicht mehr ohne Erzeugung eines Antriebsmomentes verbrannt werden kann. Durch Abschalten der Zündung wird daher eine unkontrollierte Verbrennung im Brennraum vermieden, wobei das maximale Schließen der Drosselklappe zur Vermeidung eines für den Katalysator schädlichen Frischluftmassenstroms hinzukommt.