Titel

Verfahren zum Betreiben eines Gasinjektors

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gasinjektors einer Brennkraftmaschine bei einer Nacheinblasung nach einer Haupteinblasung des Gasinjektors.

Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Ein Problemkreis bei Gasinjektoren, welche einen gasförmigen Brennstoff einblasen, liegt darin, dass zu einer Reduktion von Abgasemissionen und einer Reduktion eines Brennstoffbedarfs eine Nacheinblasung realisierbar sein sollte. Insbesondere bei einem Ändern eines Lastpunkts der Brennkraftmaschine bei einer Drehzahlerhöhung sollte eine Nacheinblasung ausgeführt werden, um ein schnelles Ansprechen, insbesondere eines Turboladers zu ermöglichen. Problematisch bei der Nacheinblasung ist bei direkt einblasenden Gasinjektoren ein erhöhter Brennraumdruck, da die Nacheinblasung üblicherweise kurz nach Erreichen des oberen Totpunkts der Brennkraftmaschine ausgeführt wird. Der erhöhte Brennraumdruck stellt somit eine zusätzliche schließende Kraft auf den Gasinjektor bereit, welche bei Durchführung einer Nacheinblasung zusätzlich überwunden werden muss. Hier wird bisher ein Magnetkreis eines Magnetaktors des Gasinjektors derart dimensioniert, dass eine ausreichende Magnetkraft auch bei der Nacheinblasung vorhanden ist. Dies führt jedoch zu großen Magnetaktoren, welche einen großen Bauraum einnehmen, welcher größer ist als ein für den eigentlichen Injektorbetrieb notwendiger Bauraum.

Offenbarung der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines nach außen öffnenden Gasinjektors einer Brennkraftmaschine bei einer Nacheinblasung in einen Brennraum der Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein Magnetaktor für den Gasinjektor deutlich kleiner ausgelegt werden kann. Hierdurch wird ein Bauraum am Gasinjektor eingespart, was insbesondere bei direkt einblasenden Gasinjektoren sehr vorteilhaft ist, da nahe einem Brennraum der Brennkraftmaschine wenig Bauraum für den Gasinjektor zur Verfügung steht. Ferner kann der Gasinjektor durch einen verkleinerten Magnetaktor kostengünstiger hergestellt werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass bei der Nacheinblasung, welche auf eine Haupteinblasung des gasförmigen Brennstoffs in den Brennraum erfolgt, eine verbesserte Ansteuerung des Gasinjektors ausgeführt wird. Hierbei wird, insbesondere bei einem konstant hohen Spannungsniveau des Magnetaktors, in einem ersten Schritt ein Ansteuern des Magnetaktors in einer Boostphase derart ausgeführt, dass bis zum Ende der Boostphase eine kontinuierliche Erhöhung des Stroms für den Magnetaktor ausgeführt wird. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Konstanthalten des Stroms für den Magnetaktor in einer Anzugsphase, welche auf die Boostphase folgt. Das Konstanthalten des Stroms wird dabei auf einem Niveau durchgeführt, welches einer maximalen Stromstärke in der Boostphase entspricht. Dadurch kann bei der Nacheinblasung des Gasinjektors trotz eines hohen Brennraumdrucks kurz nach einem oberen Totpunkt der Brennkraftmaschine im Gasinjektor eine Öffnung und ein Offenhalten des Gasinjektors ermöglicht werden, da eine erhöhte Aktorkraft den hohen Brennraumdruck während der Nacheinblasung des Gasinjektors ausgleicht.

Somit kann in der Anzugsphase ein Stromniveau bei der Nacheinblasung angehoben werden, um den bei der Nacheinblasung notwendigen Kraftbedarf des Magnetaktors bereitzustellen. Der Kraftbedarf bei der Nacheinblasung des Magnetaktors zum Öffnen des Gasinjektors muss dabei eine Rückstellkraft einer Rückstellfeder und den Brennraumdruck überwinden, wobei der Magnetaktor durch den Systemdruck des einzublasenden gasförmigen Brennstoffs im Gasinjektor unterstützt wird. D.h., die vom Magnetaktor zum Öffnen in der Nacheinblasung notwendige Kraft muss größer sein als die Summe der Rückstellkraft der Feder und des Brennraumdrucks abzüglich des Systemdrucks im Gasinjektor.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Vorzugsweise ist in der Boostphase der Nacheinblasung ein gleiches oder höheres Stromniveau vorhanden wie in der Haupteinblasung, wobei insbesondere der erhöhte Strombedarf in der Anzugsphase der Nacheinblasung durch einen Boostkondensator und/oder einen DC/DC-Wandler bereitgestellt wird. Bevorzugt ist die Booststromdauer der Nacheinblasung dabei gleich oder größer als in der Haupteinblasung. Somit wird bevorzugt ein höheres Anzugsstromniveau bei der Nacheinblasung im Vergleich mit der Haupteinblasung erreicht. Vorzugsweise wird der erhöhte Strombedarf in der Anzugsphase durch einen DC/DC-Wandler und/oder einen Boostkondensator bereitgestellt. Der Boostkondensator wurde im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine aufgeladen und kann somit den erhöhten Strombedarf bei der Nacheinblasung bereitstellen.

Weiter bevorzugt wird eine Länge der Anzugsphase bei der Nacheinblasung im Vergleich mit einer Haupteinblasung des Gasinjektors reduziert. Dies ist möglich, da in der Anzugsphase das Stromniveau länger auf einem erhöhten Anzugsstrom gehalten wird.

Vorzugsweise wird eine Länge der Anzugsphase der Nacheinblasung im Vergleich mit der Haupteinblasung des Gasinjektors verlängert.

Weiter bevorzugt wird das Stromniveau in der Boostphase in der Nacheinblasung im Vergleich mit der Haupteinblasung des Gasinjektors erhöht. Somit wird am Ende der Boostphase ein höheres Stromniveau als im Vergleich mit der Haupteinblasung des Gasinjektors erreicht, wodurch auf einfache Weise das Stromniveau in der Anzugsphase bei der Nacheinblasung ebenfalls auf einem höheren Niveau als im Vergleich mit der Haupteinblasung gehalten werden kann.

Alternativ wird das Stromniveau in der Boostphase bei der Nacheinblasung im Vergleich mit der Haupteinblasung des Gasinjektors gleich gehalten. Dann wird das in der Anzugsphase bei der Nacheinblasung höhere Stromniveau beispielsweise durch Nutzung des Boostkondensators bereitgestellt.

Weiter bevorzugt ist eine Länge der Boostphase bei der Nacheinblasung im Vergleich mit der Haupteinblasung des Gasinjektors verlängert. Hierdurch steht mehr Zeit zur Verfügung, um in der Boostphase bei der Nacheinblasung einen im Vergleich mit der Haupteinblasung höheres absolutes Stromniveau zu erreichen.

Um möglichst viel gasförmigen Brennstoff während der Nacheinblasung des Gasinjektors in den Brennraum einblasen zu können, wird vorzugsweise eine Haltephase bei der Nacheinblasung des Gasinjektors, in welcher der Gasinjektor offengehalten wird, im Vergleich mit der Haupteinblasung des Gasinjektors verlängert.

Vorzugsweise ist das Haltestromniveau in der Haltephase der Nacheinblasung des Gasinjektors, in der der Gasinjektor offengehalten wird, im Vergleich mit der Haupteinblasung des Gasinjektors gleich oder höher.

Vorzugsweise umfasst ein Einblaszyklus der Brennkraftmaschine ausschließlich eine Haupteinblasung und eine Nacheinblasung. D.h., der Einblaszyklus umfasst keine Voreinblasung.

Weiter bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Änderung eines Lastpunktes der Brennkraftmaschine und insbesondere bei einer Drehzahlerhöhung der Brennkraftmaschine verwendet.

Weiter bevorzugt erfolgt die Nacheinblasung ausschließlich nach Erreichen des oberen Totpunkts eines Kolbens der Brennkraftmaschine.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuergerät, welches eingerichtet ist, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm mit einem Programmcode, welcher Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, beispielsweise auf einem erfindungsgemäßen Steuergerät, abläuft.

Ferner wird ein Computerprogrammprodukt mit einem erfindungsgemäßen Computerprogramm vorgeschlagen, das auf einem maschinenlesbaren Datenträger oder Speichermedium gespeichert ist. Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 ein schematisches Diagramm, welches die Spannung und den

Strom eines erfindungsgemäßen Magnetaktors und einen Kraftverlauf und einen Hub eines Ankers des Magnetaktors über der Zeit bei einer Haupteinblasung einer Brennkraftmaschine darstellt,

Figur 2 ein schematisches Diagramm, welches die Spannung und den

Strom eines erfindungsgemäßen Magnetaktors und einen Kraftverlauf und einen Hub eines Ankers des Magnetaktors über der Zeit bei einer Nacheinblasung einer Brennkraftmaschine darstellt, und

Figur 3 einen Längsschnitt durch einen Gasinjektor, welcher zur

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.

Figur 3 zeigt beispielhaft einen Gasinjektor 1 mit einem Magnetaktor. Der Magnetaktor umfasst eine Magnetspule 3 zur Einwirkung auf einen axial beweglichen Anker 2. Der Anker 2 ist mit einem Schließelement 4, insbesondere einer Ventilnadel, in Kontakt bringbar, um an einem Dichtsitz 5 einen Einblasquerschnitt freizugeben. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet ein Rückstellelement des Gasinjektors. Das Schließelement 4 ist mittels einer Ventilfeder 7 in der in Figur 3 gezeigten, geschlossenen Position, gehalten.

Wenn die Magnetspule 3 bestromt wird, bildet sich ein Magnetfeld aus, dessen Magnetkraft den Anker 2 in Richtung des Schließelements 4 bewegt (Pfeil 11). Dabei gelangt ein mit dem Anker 2 verbundener Ankerbolzen 9 zur Anlage mit dem Schließelement 4, so dass das Schließelement 4 entgegen der Federkraft der Ventilfeder 7 am Dichtsitz 5 geöffnet wird. Der Anker 2 wird dabei bis zu einem Hubanschlag 6 für den Anker bewegt, was den vollständigen Öffnungszustand des Gasinjektors darstellt.

Zum Schließen des Gasinjektors 1 wird die Bestromung der Magnetspule 3 beendet, so dass das Rückstellelement 8 den Anker 2 wieder in die in Figur 3 gezeigte Ausgangsposition zurückstellt. Gleichzeitig stellt auch die Ventilfeder 7 das Schließelement 4 in die in Figur 1 gezeigte, geschlossene Position zurück.

Der Gasinjektor 1 ist ein nach außen öffnender Injektor.

Als gasförmiger Brennstoff wird vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder dgl. verwendet.

Das Diagramm in Figur 1 zeigt eine Haupteinblasung des Gasinjektors 1 zum Einblasen von gasförmigem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Hierbei durchlaufen der Gasinjektor und der Magnetaktor grundsätzlich vier Phasen, nämlich eine Boostphase A, eine Anzugsphase B, eine Haltephase C und eine Schließphase D.

In Figur 1 und 2 sind hierbei vier Kurven über der Zeit t in den vier Phasen dargestellt. K1 zeigt dabei den Stromverlauf des Stroms für den Magnetaktor über der Zeit. K2 zeigt die Spannung des Magnetaktors über der Zeit. K3 zeigt den Kraftverlauf des Ankers über der Zeit und K4 zeigt den Hub des Ankers über der Zeit t.

Weiterhin ist in den Figuren 1 und 2 eine schließende Kraft K5 dargestellt, welche die Summe der Federkraft der Ventilfeder und der Gegenkraft durch den Brennraumdruck darstellt. Diese ist bei der Haupteinblasung in Figur 1 bei F1 und um F‘ bei der in Figur 2 gezeigten Nacheinblasung auf F2 erhöht, da bei der Nacheinblasung, welche nach Erreichen eines oberen Totpunkts eines Kolbens in einem Einblaszyklus der Brennkraftmaschine ausgeführt wird, zusätzlich noch ein hoher Druck im Brennraum herrscht, gegen den zusätzlich eine Öffnungskraft zum Öffnen des Gasinjektors bereitgestellt werden muss. Ferner ist in den Figuren 1 und 2 noch eine Batteriespannung K6 eingezeichnet, welche sowohl bei der Nacheinblasung als auch bei der Haupteinblasung konstant ist.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, endet die Boostphase A bei der Haupteinblasung der Brennkraftmaschine nach der Zeit t1, die Anzugsphase B endet nach Zeitablauf der Zeit t2, die Haltephase C endet nach Zeitablauf der Zeit t3 und die Schließphase D endet nach Zeitablauf der Zeit t4.

Weiterhin ist bei der Haupteinblasung in Figur 1 der Stromverlauf K1 derart, dass am Ende der Boostphase das Stromniveau absinkt und in der Anzugsphase dann auf einem konstanten Niveau 11 gehalten wird. Wie weiter aus Figur 1 ersichtlich ist, beginnt der Öffnungsvorgang, d.h., ein Abheben des Schließelements vom Dichtsitz am Übergang zwischen der Boostphase A und der Anzugsphase B. Der maximale Öffnungshub wird dabei in der Anzugsphase B erreicht (Hubkurve K4).

Bei der in Figur 2 dargestellten Nacheinblasung des Gasinjektors nach erfolgter Haupteinblasung der Brennkraftmaschine ist der Stromverlauf K1 derart, dass in der Boostphase A‘ eine kontinuierliche Erhöhung des Stroms bis zum Punkt 11 ‘ erreicht wird. Dieser Stromwert IT wird in der kompletten Anzugsphase B‘ bei der Nacheinblasung beibehalten. Wie ein Vergleich zwischen Figur 1 und Figur 2 zeigt, ist somit in der Anzugsphase B‘ bei der Nacheinblasung das Stromniveau deutlich höher als in der Anzugsphase B von Figur 1 bei der Haupteinblasung. Die Anzugsstromphase B‘ wird in diesem Fall vorzugsweise nicht wie in Figur 1 in der Anzugsphase B mit der Batteriespannung, sondern mit der Boostspannung geregelt.

Insbesondere findet keine Absenkung des Stromniveaus in der Anzugsphase B‘ bei der Nacheinblasung des Gasinjektors statt. Auch ist der absolute Wert IT größer als der Wert 11 bei der Haupteinblasung am Ende der Boostphase. Dies kann durch Dimensionierung eines DC/DC-Wandlers und/oder eines Boostkondensators erreicht werden. Der DC/DC-Wandler und der Boostkondensator sind derart dimensioniert, dass bei der Haupteinblasung (Figur 1) alle relevanten Betriebspunkte des Gasinjektors bedient werden können. Im Falle der Nacheinblasung der Brennkraftmaschine sind Leistungsreserven vorhanden, welche bei der Nacheinblasung für die notwendigen Einblasungen ausreichen.

Somit werden die Energiereserven aus dem DC/DC-Wandler und/oder dem Boostkondensator für die in Figur 2 dargestellte Ansteuerung zur Anhebung des Stromniveaus (Kurve K1 in Figur 2 in der Anzugsphase B‘) genutzt.

Wie weiterhin aus dem Vergleich zwischen Figur 1 und Figur 2 ersichtlich ist, ist die Anzugsphase B‘ bei der Nacheinblasung (t2‘-tT) kürzer als die Anzugsphase B bei der Haupteinblasung (t2-t1). Hingegen ist die Boostphase A‘ bei der Nacheinblasung aufgrund des höheren Booststromniveaus 11 ‘ größer als bei der Haupteinblasung, was in Figur 2 durch den Zeitpunkt t1‘ im Vergleich zum Zeitpunkt t1 bei der Haupteinblasung gezeigt ist.

Durch das höhere Stromniveau 11 ‘bei der Nacheinblasung wird ferner eine erhöhte Öffnungskraft des Magnetaktors bereitgestellt, was durch einen Vergleich der Kraftverläufe K3 zwischen Figur 1 und Figur 2 ersichtlich ist. Dadurch kann der aufgrund des hohen Brennraumdrucks im Gasinjektor fehlende Kraftanteil zum Öffnen des Gasinjektors bei der Nacheinblasung ausgeglichen werden. In der Haltephase C, C‘ und der Schließphase D, D‘ bei der Nacheinblasung und bei der Haupteinblasung sind alle vier Kurven K1 , K2, K3 und K4 wieder gleich. Bei Bedarf kann aber das Haltestromniveau in der Haltephase C‘ erhöht werden, um den erhöhten Schließkräften K5 in Figur 2 entgegenzuwirken.

Somit kann durch die Nutzung der Boostspannung für die Anzugsstromregelung in der Anzugsphase B‘ eine höhere mittlere Spannung und damit auch ein höherer Anzugsstrom I T für die Nacheinblasung ermöglicht werden. Somit sind höhere Magnetkräfte durch den Magnetaktor möglich, welche die Öffnung des Gasinjektors bei hohen Brennraumdrücken ermöglichen.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Ansteuervariante mit erhöhtem Booststrom am Ende der Boostphase A‘ dargestellt. Es sind jedoch auch Ansteuervarianten denkbar, bei denen der Stromverlauf in der Boostphase A‘ bei der Nacheinblasung gleich wie bei der Haupteinblasung ist und dann der Ausgleich durch die Magnetkraft nur in der Anzugsphase B‘ mit erhöhtem Strom realisiert wird.