DE102008042604A1

DE102008042604A1 - Kraftstoff-Einspritzsystem und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008042604A1
Application number: DE200810042604
Authority: DE
Inventors: Helerson Kemmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-10-06
Filing date: 2008-10-06
Publication date: 2010-04-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoff-Einspritzsysstem (10) für eine Brennkraftmaschine (12) mit Direkteinspritzung und Saugrohreinspritzung, wobei das Kraftstoff-Einspritzsystem (10) eine Kraftstoffhochdruckpumpe (26), mindestens ein erstes Kraftstoff-Einspritzventil (16) und mindestens ein zweites Kraftstoff-Einspritzventil (24) umfasst. Die Kraftstoffhochdruckpumpe (26) versorgt das mindestens eine erste Kraftstoff-Einspritzventil (16) und/oder das mindestens eine zweite Kraftstoff-Einspritzventil (24) mit unter Druck stehendem Kraftstoff. Auf der Druckseite der Kraftstoffhochdruckpumpe (26) ist ein Druckregelventil, insbesondere ein mechnanisches Druckregelventil (36), angeordnet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Kraftstoff-Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine, ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach dem Oberbegriff des entsprechenden nebengeordneten Patentanspruchs.
Beim Betreiben einer Brennkraftmaschine ist eine Kombination von einer Saugrohr-Einspritzung, auch PFI genannt (PFI steht für „Port Fuel Injection”), mit einer Direkt-Einspritzung, auch DI genannt (DI steht für „Direct Injection”), für Otto-Brennkraftmaschinen bereits bekannt. Bei herkömmlichen DI-Systemen ist eine Variation des Kraftstoffdrucks eine wichtige Strategie, um eine erforderlichen Mengenspreizung für die Abdeckung des Kraftstoffbedarfes zu realisieren. Dabei wird ein statischer Durchfluss der Hochdruckeinspritzventile für einen hohen Mengenbedarf in Volllast z. B. beim Turbo-Betrieb oder für eine Mehrmenge bei einem Ethanol-Betrieb für Kraftstoffeinspritzsysteme, die mit verschiedenen Kraftstoffen arbeiten können (sog. Flexible Fuel Systems), dimensioniert. Der sich ergebende statische Durchfluss ist auf Grund des hohen Mengenbedarfes und der geringen verfügbaren Einspritzzeit bei Direkteinspritzung relativ hoch. Wegen eines begrenzten Zumessbereiches des Hochdruckeinspritzventils ist eine Mindestmenge für z. B. Leerlauf- oder Mehrfacheinspritzungsbetrieb nur mit großem Entwicklungs- und Fertigungsaufwand realisierbar.
So zeigt bspw. die DE 10 2006 033 141 A1 eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine neben einer Benzin-Direkteinspritzung eine Saugrohreinspritzung aufweist. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung umfasst dabei eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe, die Kraftstoff aus einen Kraftstoffvorratsbehälter ansaugt und mit Hochdruck einen Kraftstoffspeicher versorgt, an dem Hochdruckeinspritzventile zur Direkteinspritzung in Brennräume der Brennkraftmaschine angeschlossen sind. Außerdem umfasst die Brennkraftmaschine eine Kraftstoff-Niederdruckpumpe, die ebenfalls Kraftstoff aus dem Kraftstoffvorratsbehälter ansaugt und Kraftstoff mit Niederdruck an ein an einem Saugrohr der Brennkraftmaschine angeordnetes Saugrohrventil zur Saugrohreinspritzung fördert. Ein Steuergerät ermittelt durch Auswerten von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine die bevorzugte Betriebsart und steuert bei Bedarf die Umschaltung.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art weiterzuentwickeln, die einfach aufgebaut und deshalb kostengünstig ist, ohne Abstriche beim Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine hinsichtlich Laufruhe, Emissionen und Kraftstoffverbrauch machen zu müssen.
Die Aufgabe wird durch eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm mit den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche gelöst. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf jeweils explizit hingewiesen wird. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zu Grunde, dass zum Betreiben einer nach dem Otto-Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschine mit zwei möglichen Betriebsarten, die sich bei Bedarf ergänzen, auf eine aufwändige, elektronisch gesteuerte Kraftstoffdruckermittlung innerhalb einer Betriebsart verzichtet werden kann. So gewährleistet das mechanische Druckregelventil für alle Betriebszustände der Brennkraftmaschine einen konstanten Kraftstoffdruck von ca. beispielsweise 70 bar, der für ein Kraftstoffeinspritzsystem mit Direkteinspritzung anwendbar ist. Dabei können der Betriebsdruck der Direkteinspritzung und der statische Durchfluss der Hochdruck-Einspritzventile so gewählt werden, dass der Kraftstoffbedarf der Brennkraftmaschine bei Volllast nicht vollständig durch die Benzin-Direkteinspritzung gedeckt werden kann. In Folge dessen kann der statische Durchfluss der Hochdruck-Einspritzventile verringert werden. Dadurch können kleinere Kraftstoffmengen mit erhöhter Genauigkeit eingespritzt werden, was sich positiv auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine bei geringen Lasten auswirkt.
Ein Spitzenbedarf an Kraftstoff kann somit keine der beiden Betriebsarten allein liefern, da durch den Ausfall der Kraftstoff-Druckspreizung, insbesondere bei der Direkteinspritzung, auch die Kraftstoff-Mengenspreizung geringer ist. In diesem Fall müssen sich beide Betriebsarten ergänzen. Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorrichtung hat dabei den Vorteil, dass auf ein Mengensteuerventil und auf einen Drucksensor und deren Behandlung in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung verzichtet werden kann. Das macht die Erfindung kostengünstig und reduziert die aufzubringende Leistung in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung.
Besonders kostengünstig ist die Erfindung, wenn ein einziges Saugrohreinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in ein gemeinsames Saugrohr der Brennkraftmaschine angeordnet ist (Single Point Einspritzung). Es können natürlich zu einer effektiveren Steuerung der Saugrohreinspritzung pro Brennraum der Brennkraftmaschine ein Saugrohreinspritzventil angeordnet sein (Multi Point Einspritzung).
In einem Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine werden je nach dem aktuellen Kraftstoffbedarf unterschiedliche Betriebsarten von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung eingestellt. So wird bei einem kleinen Kraftstoffbedarf die Brennkraftmaschine beispielsweise ausschließlich mit Saugrohreinspritzung betrieben. Bei einem mittleren Kraftstoffbedarf wird die Brennkraftmaschine beispielsweise ausschließlich mit Direkteinspritzung betrieben und bei hohem Kraftstoffbedarf sind beide Betriebsarten im Einsatz.
Da ein Fahrzeug den größten Teil seiner Betriebszeit bei mittlerer Last und daher einem einem mittleren Kraftstoffbedarf betrieben wird, können beim Fahren im Wesentlichen die bekannten Vorzüge der Direkteinspritzung genutzt werden. Möglich ist auch, dass der kleine und der mittlere Kraftstoffbedarf zumindest teilweise zusammengefasst werden, so dass dieser erweiterte Bereich ausschließlich mit Direkteinspritzung betrieben wird. Da die Kraftstoffhochdruckventile für Direkteinspritzung nicht für einen Höchstbedarf an Kraftstoff dimensioniert werden müssen, können die Kraftstoffhochdruckventile so klein dimensioniert werden, dass eine ausreichend gute Zumessgenauigkeit bei den kleinen Mengen besteht. Bei hohem Kraftstoffbedarf wird die Direkteinspritzung durch die Saugrohreinspritzung ergänzt.
In einer weiteren Ausführungsform können neben dem Kraftstoffbedarf weitere Kriterien (z. B. Kaltstart, alternative Kraftstoffe, Motorlast, etc.) herangezogen werden, um durch Auswerten von weiteren Betriebsparametern der Brennkraftmaschine in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung zu entscheiden, welche Betriebsart für einen aktuellen Fahrzustand die günstigste ist oder ob eine Kombination beider Betriebsarten vorteilhafter ist. Dies kann bspw. anhand einer Entscheidungstabelle in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung ermittelt werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielhaft erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung; und
2 ein Flussdiagramm zum Betreiben der Brennkraftmaschine mit der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung aus 1.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 ist Teil einer Brennkraftmaschine 12 mit Fremdzündung. Die Brennkraftmaschine 12 weist Brennräume 14 auf. Jedem Brennraum 14 ist mindestens ein Hochdruck- oder Direkteinspritzventil 16 zugeordnet. Die Direkteinspritzventile 16 sind mit einem gemeinsamen Hochdruckspeicher 17 verbunden. Mittels der Direkteinspritzventile 16 ist eine Benzindirekteinspritzung realisierbar. Zur Steuerung der Direkteinspritzung ist jedes der Direkteinspritzventile 16 über eine Signalleitung 18 mit einem Steuergerät 20 verbunden.
Über eine Niederdruckkraftstoffleitung 42, eine Niederdruckkraftstoffpumpe 41, eine Kraftstoffleitung 28 und eine Kraftstoffhochdruckpumpe 26 wird Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 30 in eine Kraftstoffhochdruckleitung 34 gefördert. Erfindungsgemäß wird die Kraftstoffhochdruckpumpe 26 ohne Steuerung betrieben, so dass keine Signalleitung zwischen Steuergerät 20 und Kraftstoffhochdruckpumpe 26 erforderlich ist. Die Kraftstoffhochdruckleitung 34 befördert Kraftstoff von der Kraftstoffhochdruckpumpe 26 unter hohem Druck zu einem mechanischen Druckregelventil 36. Das Druckregelventil 36 weist eine Kraftstoffrückführung 38 zum Kraftstoffvorratsbehälter 30 auf und ist über eine Hochdruckleitung 40 mit dem Hochdruckspeicher 17 verbunden. Bei der Darstellung gemäß 1 handelt es sich um eine schematische Darstellung. In der Praxis wird man häufig das Druckregelventil 36 und/oder die Kraftstoffrückführung 38 in die Kraftstoffhochdruckpumpe 26 integrieren.
Die Brennkraftmaschine 12 weist ferner ein Saugrohr 22 auf, in dem ein Niederdruck- oder Saugrohreinspritzventil 24 angeordnet ist. Die Niederdruckkraftstoffpumpe 41 fördert Kraftstoff über eine Kraftstoffleitung 42 von dem Kraftstoffvorratsbehälter 30 zu dem Saugrohreinspritzventil 24. Die Niederdruckkraftstoffpumpe 41 wird elektrisch angetrieben und über eine Signalleitung 32 vom Steuergerät 20 angesteuert. Um den Druck auf den Betriebsdruck des Saugrohreinspritzventils 24 zu regeln, ist in der Niederdruckkraftstoffleitung 42 ein zweites Druckregelventil 44 vorgesehen. Hiermit ist eine Saugrohreinspritzung realisierbar. Zur Steuerung der Saugrohreinspritzung ist das Saugrohreinspritzventil 24 über eine Signalleitung 25 mit dem Steuergerät 20 verbunden. In einer alternativen Ausführungsform ist es auch möglich, dass jeder Brennraum 14 ein separates Saugrohreinspritzventil aufweist.
Alternativ wäre es auch denkbar, auf die Niederdruckkraftstoffpumpe 41 zu verzichten und stattdessen das Saugrohreinspritzventil 24 über die Hochdruckleitung 40 und das zweite Druckregelventil 44 mit Kraftstoff zu versorgen.
Das Kraftstoff-Einspritzsystem 10 arbeitet folgendermaßen:
Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 26 fördert Kraftstoff unter hohem Druck zum mechanischen Druckregelventil 36. Das Druckregelventil 36 regelt den Druck in dem Hochdruckspeicher 17 auf einen konstanten Wert von beispielsweise ca. 70 bar. Bei Überdruck am Eingang des Druckregelventils 36 wird überschüssiger Kraftstoff über die Leitung 38 wieder in den Kraftstoffvorratsbehälter 30 zurückgeführt.
Die Kraftstoff-Niederdruckpumpe 41 fördert Kraftstoff zu dem Saugrohreinspritzventil 24 mechanischen Druckregelventil 36. Das zweite Druckregelventil 44 regelt den Druck auf einen konstanten Wert von ca. 4 bis 6 bar. Bei Überdruck am Eingang des Druckregelventils 36 wird überschüssiger Kraftstoff über die Leitung 38 wieder in den Kraftstoffvorratsbehälter 30 zurückgeführt.
In dem Steuergerät 20 wird durch Auswerten des aktuellen Kraftstoffbedarfs der Brennkraftmaschine 12 entschieden, welche Betriebsart – Benzindirekteinspritzung und/oder Saugrohreinspritzung – für einen aktuellen Fahrzustand die günstigste ist oder ob eine Kombination beider Betriebsarten vorteilhafter ist. Über die Signalleitungen 18 und 25 werden die Direkteinspritzventile 16 und/oder das Saugrohreinspritzventil 24 entsprechend angesteuert.
2 zeigt in einem Flussdiagramm die Arbeitsweise des Steuergeräts 20. In Block 100 werden die nötigen Betriebsparameter gesammelt und ausgewertet. Bspw. anhand einer Entscheidungstabelle wird nun in der Abfrage 110 ermittelt, welcher Betriebszustand für die Brennkraftmaschine 12 der günstigste ist. Das Steuergerät 20 steuert dabei die Ventile 16 und/oder 24 in entsprechender Weise an.
Wird ein kleiner Kraftstoffbedarf (beispielsweise kleiner 15% bis 25%, bevorzugt ca. 20% der maximalen Motorlast) ermittelt, so wird die Brennkraftmaschine 12 ausschließlich mit Saugrohreinspritzung betrieben (vgl. Bezugszeichen 120). Bei einem mittleren Kraftstoffbedarf (von beispielsweise 15% bis 25%, bevorzugt ca. 20% bis 60% bis 80%, bevorzugt ca. 70% der maximalen Motorleistung) wird die Brennkraftmaschine 12 ausschließlich mit Direkteinspritzung betrieben (vgl. Bezugszeichen 130) und bei hohem Kraftstoffbedarf (über beispielsweise ca. 70% der maximalen Motorleistung) kommen beide Betriebsarten zum Einsatz (vgl. Bezugszeichen 140). Die angegebenen Grenzen für die verschiedenen Lastbereiche können sich auch teilweise „überlappen” oder verschoben werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Brennkraftmaschine bis zu einem Kraftstoffbedarf von ca. 60% bis 80% bevorzugt bis ca. 70% der maximalen. Motorlast ausschließlich mit Direkteinspritzung betrieben. Bei einem darüber hinausgehenden Kraftstoffbedarf wird die Brennkraftmaschine 12 mit Direkteinspritzung und Saugrohreinspritzung betrieben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006033141 A1 [0003]

Claims

Kraftstoff-Einspritzsystem (10) für eine Brennkraftmaschine (12) mit Direkteinspritzung und Saugrohreinspritzung, wobei das Kraftstoff-Einspritzsystem (10) eine Kraftstoffhochdruckpumpe (26), mindestens ein Direkteinspritzventil (16) und mindestens ein Saugrohreinspritzventil (24) umfasst, wobei die Kraftstoffhochdruckpumpe (26) das mindestens eine Direkteinspritzventil (16) mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgt, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Druckseite der Kraftstoffhochdruckpumpe (26) ein passives Druckregelventil, insbesondere ein mechanisches Druckregelventil (36), angeordnet ist.
Kraftstoff-Einspritzsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Direkteinspritzventil (16) zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum (14) der Brennkraftmaschine (12) ausgestaltet ist.
Kraftstoff-Einspritzsystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Saugrohreinspritzventil (24) zum Einspritzen von Kraftstoff in ein Saugrohr (22) der Brennkraftmaschine (12) ausgestaltet ist.
Kraftstoff-Einspritzsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Saugrohreinspritzventile (24) vorgesehen sind.
Kraftstoff-Einspritzsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Saugrohreinspritzventil (24) über einer Niederdruckkraftstoffpumpe (41) oder die Hochdruckkraftstoffpumpe (26) mit Kraftstoff versorgt wird.
Kraftstoff-Einspritzsystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einen Saugrohreinspritzventil (24) einerseits und der Niederdruckkraftstoffpumpe (41) oder die Hochdruckkraftstoffpumpe (26) andererseits ein zweites Druckregelventil 44 vorgesehen ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (12) mit einem Kraftstoff-Einspritzsystem (10) zur Direkteinspritzung und zur Saugrohreinspritzung, wobei das Kraftstoff-Einspritzsystem (10) mittels einer Kraftstoffhochdruckpumpe (26) mindestens ein Direkteinspritzventil (16) mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgt und wobei die Betriebsarten der Brennkraftmaschine (12) von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (20) aktiviert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Direkteinspritzung mit konstantem Kraftstoffdruck erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffdruck ausschließlich durch ein mechanisches Druckregelventil (36) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem kleinen Kraftstoffbedarf die Brennkraftmaschine (12) ausschließlich mit Saugrohreinspritzung betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem mittleren Kraftstoffbedarf die Brennkraftmaschine (12) ausschließlich mit Direkteinspritzung betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem kleinen bis mittlerem Kraftstoffbedarf die Brennkraftmaschine (12) ausschließlich mit Direkteinspritzung betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem hohen Kraftstoffbedarf die Brennkraftmaschine (12) mit Direkteinspritzung und Saugrohreinspritzung betrieben wird.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (20) für eine Brennkraftmaschine (12), dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Computerprogramm umfasst, welches zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 12 programmiert ist.