DE69716576T2

DE69716576T2 - Fremdgezündete Brennkraftmaschine mit mehreren Brennstoffeinspritzungen

Info

Publication number: DE69716576T2
Application number: DE69716576T
Authority: DE
Inventors: Richard Walter Anderson; Paul D. Sleeman; Robert Michael Whiteaker; Jialin Yang
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1997-03-31
Filing date: 1997-12-31
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2018-01-01
Also published as: EP0869269A1; AU738394B2; DE69716576D1; BR9800970A; EP0869269B1; AU5971098A; CN1195067A; US5713328A; CA2226193A1

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem System und einem Verfahren zur direkten Zuführung von Kraftstoff in die Zylinder einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine.
Fremdgezündete Viertakt-Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung sind zwar schon seit einiger Zeit in der Technik bekannt, sind jedoch im praktischen Einsatz noch nicht weit verbreitet. Der Mangel einer breiten Akzeptanz von fremdgezündeten Motoren mit Direkteinspritzung, zumindest in der Automobilindustrie, läßt sich auf mehrere Faktoren zurückführen, die Probleme mit dem Schmiervermögen von Benzin im Vergleich mit Dieselkraftstoff beinhalten, Probleme mit dem Gebrauch der Luft, der zu Partikelemissionen einschließlich Ruß führt, und Probleme mit der Klopfregelung.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, daß es vorteilhaft ist, einen fremdgezündeten Motor mit Direkteinspritzung (nachstehend als direct injection, spark ignition - DISI-Motor bezeichnet) mit gestaffelter Kraftstoffeinspritzung zu betreiben. Zwar ist geteilte Einspritzung in der Literatur schon vorgeschlagen worden ("A Review of Mixture Preparation and Combustion Control Strategies for Spark-Ignited Direct-Injection Gasoline Engines (Ein Überblick über die Gemischaufbereitungs- und Verbrennungssteuerstrategien bei fremdgezündeten Benzinmotoren mit Direkteinspritzung)", Zhao u. a., SAE Technical Paper 970627; "Mixture Formation Process and Combustion Process of Direct Injection S. I. Engine (Gemischbildungsprozeß und Verbrennungsprozeß von fremdgezündeten Motoren mit Direkteinspritzung)", Matsushita u. a., Proceedings of JSAE, Nr. 965, 10. Oktober 1996), aber die Arbeiten an dem, was mit geteilter Einspritzung bezeichnet wurde, zielten darauf ab, eine Ladungsschichtung im Motorzylinder einzuhalten. Dieses Bestreben der Einhaltung einer Ladungsschichtung geht aber weg von den Lehren der Erfindung der Anmelder.
EP-A-0 369 480 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffeinspritzdüse zur Einspritzung von Kraftstoff direkt in einen Zylinder sowie eine Rechnervorrichtung zur Berechnung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge anhand des Motorbetriebszustandes. Die Kraftstoffeinspritzdüse spritzt die gesamte berechnete Kraftstoffmenge während eines Verdichtungstaktes ein, wenn die berechnete Kraftstoffmenge kleiner als eine vorgegebene erste Kraftstoffmenge ist. Ist die berechnete Kraftstoffmenge gleich oder größer als die erste vorgegebene Menge, aber kleiner als eine zweite Menge, spritzt die Kraftstoffeinspritzdüse einen Teil der berechneten Menge Kraftstoff während etwa der ersten Hälfte eines Ansaughubes ein und den Rest während des Verdichtungshubes. Die in der EP-A-0 369 480 beschriebene geteilte Einspritzung schlägt so vor, eine Ladungsschichtung einzuhalten.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, daß Ladungsschichtung die Bildung von Partikeln und Ruß verursacht - zwei Abgasemissionen, die derzeit gesetzlichen Vorschriften unterliegen und höchstwahrscheinlich Gegenstand verschärfter Regelungen in der Zukunft werden.
Das Kraftstoffeinspritzsystem und -Verfahren der vorliegenden Erfindung löst Probleme, die mit bei herkömmlichen DISI-Motoren verwendeten Systemen verbunden sind, indem der Kraftstoff in wenigstens zwei Perioden eines Viertaktzyklus eingespritzt wird. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, daß es vorteilhaft ist, einen Teil des Kraftstoffes früh im Verlauf des Zyklus einzuspritzen, d. h. während des Einlaß- oder Ansaugtaktes, so daß der Volumenwirkungsgrad des Motors durch Abkühlen der Charge verbessert wird. Des weiteren ist festgestellt worden, daß es auch vorteilhaft ist, einen Teil des Kraftstoffes später im Verlauf des Zyklus einzuspritzen, z. B. bei 150 Grad Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt (vor OT). Die Einspritzung eines Teiles des Kraftstoffes später während des Verdichtungshubes ermöglicht vorteilhaft eine Erhöhung der durch das Klopfverhalten begrenzten Zündvorverstellung des Motors, so daß der Wärmewirkungsgrad des Motorbetriebes erhöht wird.
Der vorliegenden Erfindung zufolge hat eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit hin- und hergehendem Kolben in einem durch einen Zylinderkopf abgeschlossenen Zylinder ein Kraftstoffsystem zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Motorzylinder, wobei das Kraftstoffeinspritzsystem einen ersten Teil des Kraftstoffes während eines ersten Einspritzereignisses einspritzt und einen zweiten Teil des Kraftstoffes während eines zweiten Einspritzereignisses einspritzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt des ersten und des zweiten Einspritzereignisses sowie die in jedem Einspritzereignis eingespritzten Kraftstoffmengen so gewählt sind, daß das resultierende Luft-Kraftstoff-Gemisch im Zylinder homogen ist. Der vorliegenden Erfindung zufolge verbrennt ein DISI-Motor mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffsystem ein homogenes Kraftstoffgemisch über den ganzen Lastbetriebsbereich. Der erste und der zweite Kraftstoffteil sind in ihrer Größe von einer Motorsteuerung berechnet, die mit gemessenen Werten eines oder mehrerer Motorbetriebsparameter arbeitet.
Im allgemeinen beträgt der erste Kraftstoffteil etwa zwei drittel der Kraftstoffmenge, und der zweite Kraftstoffteil umfaßt das verbleibende ein drittel des einzuspritzenden Kraftstoffes.
Die Ausgangspunkte der ersten und zweiten Einspritzereignisse werden vorverschoben, wenn der Motor von einem Betriebspunkt mit niedrigerer Geschwindigkeit auf einen Betriebspunkt mit einer höheren Geschwindigkeit übergeht, und umgekehrt. Arbeitet der Motor nach dem Viertaktprinzip, dann liegt der Ausgangspunkt für das erste Einspritzereignis zwischen 30 und 120 Grad Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt (nach OT) im Ansaughub. Der Ausgangspunkt für das zweite Einspritzereignis liegt in der Regel zwischen 60 und 180 Grad Kurbelwellenwinkel vor OT im Verdichtungshub. Im allgemeinen wird der Ausgangspunkt des ersten Einspritzereignisses so gewählt, daß die Mehrzahl der Kraftstofftröpfchen im Kraftstoffstrahl unmittelbar vor dem Schließen des/der Einlaßventils/-ventile verdampft. Auf diese Weise wird der durch Kraftstoffverdampfung erzeugte Ladungskühleffekt auf den Volumenwirkungsgrad maximiert. Der Ausgangspunkt für das zweite Einspritzereignis wird so gewählt, daß ein homogenes Gemisch gebildet wird, so daß Rußbildung und instabile Verbrennungsbedingungen vermieden werden. Mit dieser Forderung wird das zweite Einspritzereignis so spät wie möglich gewählt, um den Klopfunterdrückungseffekt der Ladungskühlung zu maximieren. Natürlich hängt die Einstellung der Zeiten beider Einspritzereignisse von der Motordrehzahl und der Größe der Kraftstofftröpfchen ab.
Das Verhältnis von erstem Kraftstoffteil zu zweitem Kraftstoffteil wird so gewählt, daß nur die Minimalmenge an Kraftstoff beim zweiten Einspritzereignis zur Verfügung steht, so daß der Motor klopffrei bei oder in der Nähe des MBT-Zündpunktes betrieben werden kann.
Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden, dabei zeigt:
Fig. 1 eine teilgeschnittene Ansicht eines Motors mit einem erfindungsgemäßen Kraftstoffsystem;
Fig. 2 ein Blockdiagramm, welches die verschiedenen Komponenten eines Motors mit einem erfindungsgemäßen Kraftstoffsystem darstellt.
Fig. 3 ein Blockdiagramm, welches ein Verfahren zur Kraftstoffversorgung eines erfindungsgemäßen Motors veranschaulicht.
Wie Fig. 1 zeigt, erhält eine Brennkraftmaschine mit einem hin- und hergehenden Kolben 12 in einem durch einen Zylinderkopf 24 verschlossenen Zylinder 14 eine Luftcharge, welche das Einlaßventil 20 umströmt; verbrauchte Gase fließen aus dem Zylinder 14 um das Auslaßventil 22 ab. Kraftstoff tritt in den Zylinder 14 über eine Kraftstoffeinspritzdüse 16 ein, die von einer Steuerung 30 (Fig. 2) gesteuert wird. Das Verbrennungsgemisch wird auf herkömmliche Art und Weise durch eine Zündkerze 18 gezündet, die ebenfalls von der Steuerung 30 gesteuert wird. Der Fachmann wird angesichts dieser Beschreibung erkennen, daß ein System nach der vorliegenden Erfindung auch bei Einzylinder- oder Mehrzylinder-Zweitakt- und Viertakt-Motoren mit einem, zwei oder mehr Einlaß- und/oder Auslaßventilen eingesetzt werden kann, wobei die Einzelheiten dieser Konstruktionen demjenigen überlassen sind, der ein solches System nach der vorliegenden Erfindung einsetzen will.
Wie Fig. 2 zeigt, empfängt die Motorsteuerung 30, die vorzugsweise einer Klasse von Motorsteuerungen entnommen ist, die dem Fachmann bekannt sind und für den Betrieb von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden, Daten von mehreren Sensoren 32. Diese Sensoren, die Ausgangssignale in Reaktion auf verschiedene Motorbetriebsparameter erzeugen, messen solche Motorbetriebsparameter wie die Einlaßlufttemperatur, Kraftstoffdruck, Drosselklappenstellung, Motorkühlwassertemperatur, Motorschmiermitteltemperatur, Absolutdruck im Einlaßsystem, Kraftstoffsystemdruck, Motordrehzahl, Motorlast, Auspuffanlagentemperatur, Abgassauerstoffgehalt und andere Parameter, wie sie dem Fachmann bekannt und in dieser Offenbarung angedeutet sind.
Die Steuerung 30 liest kontinuierlich die Ausgänge der Sensoren 32 ab und bestimmt die Kraftstoffgesamtmenge, die im Verlauf der mehreren Kraftstoffeinspritzungen in jedem Viertakt- Zylinderereignis einzuspritzen ist, oder auch in jedem Zweitakt-Zylinderereignis, wenn die vorliegende Erfindung auf einen Zweitaktmotor angewandt wird. Die Steuerung 30 bestimmt auch die relativen Anteile von einzuspritzendem Kraftstoff in jedem Zylinderereignis sowie den Zeitpunkt der verschiedenen Einspritzereignisse. Danach bestromt die Steuerung 30 Kraftstoffeinspritzdüsen 16 je nach der vorgegebenen Kraftstoffmenge und den Einspritzpunkten. Es wird dabei davon ausgegangen, daß die den Motorzylindern durch die Kraftstoffeinspritzdüsen 16 zugeführte Kraftstoffmenge im allgemeinen proportional zu dem Zeitraum ist, in dem sich die Kraftstoffeinspritzdüsen in einer offenen Stellung befinden, und zwar gemäß einer herkömmlichen pulsbreitengesteuerten Kraftstoffeinspritzstrategie, sowie proportional zur Quadratwurzel des Kraftstoffdruckes an den Einspritzdüsen. Natürlich können beide Parameter gesteuert und je nach den Erfordernissen eines beliebigen gegebenen Motors gewählt werden, auf den das vorliegende System angewendet werden soll.
Fig. 3 veranschaulicht nur einen von vielen möglichen potentiellen Algorithmen für die Verwendung eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Routine beginnt bei Block 50, wo die Steuerung 30 entlang einem Rechnungsweg gestartet wird. Bei Block 52 liest die Steuerung 30 die Ausgänge der Sensoren 32 ab. Bei Block 54 berechnet die Steuerung 30 die Gesamtmenge des im Verlauf des Zweitakt- oder Viertakt-Zyklus zu liefernden Kraftstoffes, je nach der Art von Motor, auf den die vorliegende Erfindung angewandt wird. Weiter zu Block 56 bestimmt nun die Steuerung 30 die relativen Kraftstoffanteile. Diese Teile werden so gewählt, daß der Motorwirkungsgrad gemäß dem weiter oben in der vorliegenden Offenbarungsschrift erwähnten Kompromiß optimiert wird. Im besonderen wird, wenn eine relativ große Kraftstoffmenge früh im Verlauf des Zyklus eingespritzt wird, der Volumenwirkungsgrad erhöht. Wenn aber ein zu großer Anteil Kraftstoff schon früh im Zyklus eingespritzt wird, kann eine spätere Abkühlung, die zur Unterdrückung von Zündungsklingeln oder Klopfen benutzt werden kann, nicht mehr verfügbar sein. So ist von den Erfindern der vorliegenden Erfindung ermittelt worden, daß eine homogene Charge hergestellt werden kann, wenn zwei drittel Kraftstoff früh im Verlauf des Zyklus eingespritzt werden und ein drittel für eine spätere Einspritzung zurückgehalten wird, so daß sowohl eine Ladungskühlung und hoher Volumenwirkungsgrad gewährleistet wird, als auch Klopfen unterdrückt wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben des weiteren festgestellt, daß der volumetrische Wirkungsgrad, der demjenigen nahe kommt, der mit einer einzigen frühen Einspritzung erreichbar ist, selbst dann erzielt werden kann, wenn ein drittel des Kraftstoffes erst später im Zyklus eingespritzt wird. Die nachstehende Tabelle veranschaulicht typische Zeitpunkte für den Einspritzbeginn bei einem Motor, der mit jeweils 1500, 3000 und 4000 U/min läuft. In der Tabelle bedeutet "nach OT" den Kurbelwellenwinkel in Grad nach dem oberen Totpunkt im Ansaugtakt; "vor OT" bezeichnet den Kurbelwellenwinkel in Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungstaktes.
1500 U/min erste Einspritzung - 90 nach OT
zweite Einspritzung - 90-120 vor OT
3000 U/min erste Einspritzung - 40-50 nach OT
zweite Einspritzung - 120-150 vor OT
4000 U/min erste Einspritzung - 30 nach OT
zweite Einspritzung - 150-180 vor OT
Der Sinn der Berechnung der Kraftstoffanteile für jedes der mehreren Einspritzereignisse sowie die Bestimmung der Zeitpunkte dieser Ereignisse ist, das Motordrehmoment zu maximieren. Das bedeutet, daß die Steuerung 30 die relativen Kraftstoffanteile sowie die Zeitpunkte der einzelnen Einspritzereignisse ständig neu berechnet. Die Zeiteinstellung der Ereignisse wird in Block 58 unter Bezugnahme auf die Motordrehzahl bestimmt. Wie dem Fachmann bekannt ist, muß bei den verschiedenen Motordrehzahlen ausreichend viel Zeit gewährt werden, damit der Kraftstoff korrekt verdampfen kann, und so unnötige Rußbildung und die Entstehung anderer Partikelemissionen vermieden wird. Bei Block 60 gibt die Steuerung 30 die entsprechenden Befehle an die Einspritzdüsen 16 aus, dem Motor Kraftstoff zu liefern, und zwar entsprechend den vorbestimmten Anteilen, der Gesamtmenge und der Einspritzzeitpunkte. Danach geht die Routine weiter zu Block 62 und liest in Block 62 erneut alle Sensorausgänge bei Block 58 ab.
Eine weitere Funktion der Steuerung 30 ist, die Zündeinstellung zur Steuerung der Zündkerzen 18 zu berechnen. Im allgemeinen haben die vorliegenden Erfinder festgestellt, daß es wünschenswert ist, einen DISI-Motor mit MBT-Zündeinstellung zu betreiben. In diesem Falle ist MBT als die "minimale Frühzündung für das beste erreichbare Drehmoment" definiert. Diese MBT-Zündung wird von der Steuerung 30 entweder unter Einsatz einer Nachschlagetabelle oder ggf. anhand eines Algorithmus bestimmt, bei dem viele der gemessenen Betriebsparameter berücksichtigt werden, deren Werte von den Sensoren 32 geliefert werden. Ein Unterschied ist dabei, daß die Kraftstoffmenge, der Einspritzzeitpunkt und die relativen Kraftstoffanteile zusammen mit der MBT-Zündeinstellung derart bestimmt werden, um den Wirkungsgrad des Motors zu maximieren. Mengen und Einspritzzeitpunkte des eingespritzten Kraftstoffes können bei der Bestimmung der MBT-Zündeinstellung mitbenutzt werden. Schließlich kann die von der Steuerung 30 gewählte tatsächliche Zündeinstellung nicht die zu erwartende MBT- Zündeinstellung sein, sondern eine Funktion dieser MBT-Einstellung. Wenn z. B. die Steuerung 30 eine Vorausberechnung durchführt und dabei bestimmt, daß die MBT-Einstellung 25 Grad Kurbelwellenwinkel vor OT sein soll, dann kann der tatsächliche Zündzeitpunkt auf 20 Grad vor OT gestellt werden, um sicherzustellen, daß der Motor nicht klopft.

Claims

1. Fremdgezündete Brennkraftmaschine mit hin- und hergehendem Kolben, folgendes aufweisend:

wenigstens einen in einem von einem Zylinderkopf (24) verschlossenen Zylinder (14) angeordneten Kolben (12); und

ein Kraftstoffsystem (16, 30) zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Motorzylinder (14), wobei besagtes Kraftstoffeinspritzsystem einen ersten Teil des Kraftstoffes während eines ersten Einspritzereignisses einspritzt und einen zweiten Teil des Kraftstoffes während eines zweiten Ereignisses einspritzt,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Zeitpunkte der besagten ersten und zweiten Einspritzereignisse sowie die in jedem der besagten Ereignisse eingespritzten Kraftstoffmengen so gewählt werden, daß das resultierende Luft-Kraftstoff-Gemisch in besagtem Zylinder (14) homogen ist.

2. Motor nach Anspruch 1, worin besagter erster Anteil und besagter zweiter Anteil von einer Motorsteuerung bestimmt werden, und zwar einigen Meßwerten eines oder mehrerer Motorbetriebsparameter entsprechend.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, worin besagter erster Anteil etwa zwei drittel des eingespritzten Kraftstoffes ausmacht, und besagter zweiter Anteil ein drittel des eingespritzten Kraftstoffes ausmacht.

4. Motor nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin die Startpunkte der ersten und zweiten Einspritzereignisse vorverschoben werden, wenn der Motor von einem Betriebspunkt mit niedrigerer Drehzahl auf einen Betriebspunkt mit höherer Drehzahl übergeht.

5. Motor nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, worin der Motor in einem Viertaktzyklus arbeitet, wobei der Anfangspunkt des besagten ersten Einspritzereignisses zwischen 30 und 120 Grad Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt im Ansaugtakt liegt.

6. Motor nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin der Motor in einem Viertaktzyklus arbeitet, wobei der Anfangspunkt des besagten zweiten Einspritzereignisses zwischen 60 und 180 Grad Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt im Verdichtungstakt liegt.

7. Motor nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin das Verhältnis von besagtem erstem Kraftstoffanteil zu besagtem zweitem Kraftstoffanteil so gewählt ist, daß nur eine minimale Kraftstoffmenge im zweiten Einspritzereignis vorhanden ist, so daß der Motor klopffrei mit einer MBT-Zündeinstellung betrieben werden kann.

8. Verfahren zum Betreiben eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors mit hin- und hergehendem Kolben, mit wenigstens einem in einem von einem Zylinderkopf (24) verschlossenen Zylinder (14) angeordneten Kolben (12), welches Verfahren folgendes aufweist:

Betreiben eines Kraftstoffsystems (16, 30), so daß Kraftstoff direkt in den Motorzylinder (14) eingespritzt wird, derart, daß besagtes Kraftstoffeinspritzsystem einen ersten Teil des Kraftstoffes während eines ersten Einspritzereignisses einspritzt und einen zweiten Teil des Kraftstoffes während eines zweiten Einspritzereignisses einspritzt;

gekennzeichnet durch

die Wahl der Zeitpunkte der besagten ersten und zweiten Einspritzereignisse sowie der in jedem der besagten Einspritzereignisse eingespritzten Kraftstoffmengen derart, daß das resultierende Luft-Kraftstoff-Gemisch in besagtem Zylinder (14) homogen ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, außerdem die Schritte der Berechnung einer MBT- Zündeinstellung als Funktion wenigstens der eingespritzten Kraftstoffmenge und der Einspritzzeitpunkte beinhaltend, sowie der Einstellung des Zündzeitpunktes des Motors als Funktion der berechneten MBT-Einstellung.