EP2268909A1 - Verfahren zum starten einer selbstzündenden brennkraftmaschine bei niedrigen temperaturen - Google Patents

Verfahren zum starten einer selbstzündenden brennkraftmaschine bei niedrigen temperaturen

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EP2268909A1
EP2268909A1 EP09735323A EP09735323A EP2268909A1 EP 2268909 A1 EP2268909 A1 EP 2268909A1 EP 09735323 A EP09735323 A EP 09735323A EP 09735323 A EP09735323 A EP 09735323A EP 2268909 A1 EP2268909 A1 EP 2268909A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
injection
fuel
combustion chamber
internal combustion
combustion engine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09735323A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Koch
Johannes Ritzinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KOCH, THOMAS
RITZINGER, JOHANNES
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Publication of EP2268909A1 publication Critical patent/EP2268909A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/04—Introducing corrections for particular operating conditions
    • F02D41/06—Introducing corrections for particular operating conditions for engine starting or warming up
    • F02D41/062—Introducing corrections for particular operating conditions for engine starting or warming up for starting
    • F02D41/064—Introducing corrections for particular operating conditions for engine starting or warming up for starting at cold start
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
    • F02D41/40—Controlling fuel injection of the high pressure type with means for controlling injection timing or duration
    • F02D41/402—Multiple injections
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention relates to a method for starting a self-igniting internal combustion engine at low temperatures, in which initially introduced a first amount of fuel during a compression stroke of the internal combustion engine by a first pilot injection into the combustion chamber and a partially homogeneous premix is formed. In a subsequent step, a main fuel quantity is introduced into the combustion chamber by a main injection, and the fuel-air mixture is burnt by means of auto-ignition.
  • a method for starting a self-igniting internal combustion engine at low temperatures is known in which fuel is introduced into three partial injections in a combustion chamber of the internal combustion engine.
  • a pre-injection a first amount of fuel is injected when the piston is at a bottom dead center from a compression stroke.
  • a main fuel quantity is introduced into the combustion chamber in a main injection, wherein the main injection is made in the region of top dead center of the piston.
  • the main injection is followed immediately by a post-injection, through which a better energy conversion is to be achieved.
  • the method is intended to avoid combustion misfires during a cold start phase.
  • a further method for starting a self-igniting internal combustion engine at low temperatures in which a small first amount of fuel is introduced into a combustion chamber, so that a premix is formed. With the help of suitable sensors, it is monitored whether the premixture ignites. The steps are repeated in the following cycles until autoignition of the first amount of fuel is detected. Subsequently, a Large amount of fuel introduced into the combustion chamber, wherein a mixture formed from the main fuel quantity and air is ignited securely under the prevailing conditions. In a transition phase, a pilot injection and a main injection during a work cycle or during successive work cycles of the internal combustion engine can be made in the combustion chamber.
  • the invention has for its object to provide an improved method for starting an internal combustion engine, which is characterized by a safe and fast start at low temperatures.
  • an injection start of the first pilot injection is selected such that the partially homogeneous premixture is flammable after a possibly short ignition delay
  • an injection start of the main injection is selected such that the main fuel quantity during a combustion phase or immediately after a combustion phase of the ignited premix in the combustion chamber is introduced.
  • the first amount of fuel is introduced into the combustion chamber at a time when the temperature in the combustion chamber is sufficiently high due to compression that the resulting partially homogeneous premix reacts in a typical partially homogeneous combustion after a short ignition delay at elevated temperature.
  • exemplary values for a short ignition delay are time periods of 1 ms to 15 ms between the start of injection of the first pilot injection and the achievement of a significantly elevated temperature in the combustion chamber (for example, 100 K or more above the combustion chamber temperature immediately before the start of injection).
  • the specified period of time can be converted into a corresponding crankshaft angle.
  • the injection start of the main injection is selected so that the main fuel quantity is injected into the combustion chamber during or immediately after a combustion phase of the premix. At this time, a temperature level in the combustion chamber due to the reaction of the premix is still significantly increased, so that an ignition of the fuel-air mixture formed with the main fuel quantity is simplified.
  • the pre-injection is carried out in a range between 22 ° and 100 °, in particular between 25 ° and 30 ° crankshaft angle before a top dead center of the piston. Due to the late introduction in the compression phase in the at this time comparatively warm, compressed air or in the fuel-air mixture in the combustion chamber a short ignition delay is guaranteed. In addition, a sufficient period of time for the partially homogeneous combustion of the premix at high temperature is available, so that a significant increase in temperature in the combustion chamber can be achieved.
  • the main injection is made in a range between 20 ° crankshaft angle before top dead center and 20 ° crankshaft angle after top dead center.
  • the maximum temperatures in the combustion chamber are given by the maximum compression of the combustion chamber gases and the advanced heat release from the reaction of the premix, so that there is a high probability of ignition and combustion of the main fuel quantity.
  • the main injection is subdivided into a plurality of partial injections, that is to say the main fuel quantity is introduced into the combustion chamber in a plurality of partial injections.
  • An injection of fuel into the combustion chamber and subsequent evaporation inherently leads to a short-term decrease in temperature in the combustion chamber, whereby an ignition delay is prolonged.
  • the subdivision of the main injection into a plurality of partial injections causes a comparatively low temperature reduction in each partial injection and thus a shorter ignition delay and a reliable increase in temperature.
  • a first partial injection in a range between 2 ° crankshaft angle before top dead center and 2 ° crankshaft angle after top dead center is made at the start of the starting process of the internal combustion engine
  • a second partial injection is in a range between 2 ° and 5 ° Crankshaft angle made after top dead center.
  • a sufficient period of time for a reaction of the amount of fuel, which is introduced with the first partial injection given in particular at low temperatures and / or speeds.
  • the initiation of the starting process or a first-time ignition of the fuel-air mixture is improved.
  • an injection start of the first partial injection is shifted in the direction of early with increasing rotational speed. In this way, a temperature increase due to the reaction of the premix is optimally exploitable.
  • an injection start of a second and / or a later partial injection is shifted late with increasing rotational speed, so that a time span between the end of a preceding partial injection and the beginning of the second and / or later partial injection is sufficiently great to ensure a sustainable increase in temperature.
  • an amount of fuel introduced in a second and / or later partial injection is greater than a quantity of fuel introduced in a preceding partial injection.
  • the sum of the fuel introduced during one or more pilot injections amounts to between 5 and 20 percent by weight of the total amount of fuel introduced during a working cycle.
  • a heating of the combustion chamber by the reaction of the premix is sufficiently large to allow a safe combustion of the main fuel quantity.
  • an injection start of the pilot injection is shifted with increasing speed in the direction of early, that is, the pilot injection is carried out at an earlier crankshaft angle. This provides a sufficient time for the reaction of the premix and to achieve a sustainable increase in temperature in the combustion chamber even with increasing speeds available.
  • the injection is carried out by means of a common rail injection system. This injection system provides the required variability in order to control or regulate the injection times, injection durations and injection quantities of the fuel in the individual injections in the best possible way.
  • an injection pressure during the starting process is set as a function of the rotational speed of the internal combustion engine in order to allow optimum atomization of the fuel and / or to minimize wallwashing of the combustion chamber.
  • a quantitative ratio between the main fuel quantity and the sum of the partial fuel quantities introduced during the pilot injections is set as a function of a rotational speed and / or a temperature of the internal combustion engine, whereby the cold start characteristics of the internal combustion engine can be further improved.
  • Fig. 1 is a representation of an injection curve and a heating course in one
  • FIG. 2 shows by way of example a representation of an ignition delay
  • An internal combustion engine not shown in the figures is designed in this embodiment as a diesel engine with six combustion chambers.
  • the internal combustion engine comprises a common-rail injection system, which allows precise timing of a defined amount of fuel into the individual combustion chambers.
  • the internal combustion engine further includes an angle sensor for measuring a crankshaft angle and a control unit, with the aid of the common rail injection system in dependence on the measured crankshaft angle and optionally controllable by other measured on the internal combustion engine variables such as temperature, speed, load request.
  • crankshaft of the internal combustion engine is set in rotation by means of a starting device.
  • the crankshaft is connected via connecting rods with pistons in the individual combustion chambers, so that an oscillating stroke movement of the individual pistons is initiated by the rotation of the crankshaft.
  • a cold start in the context of the present invention is given when a relevant for the operation of the internal combustion engine temperature is so low that a reliable start is difficult.
  • a guideline an outside temperature and / or a coolant temperature of -15 ° C or less is considered.
  • an activation signal of a fuel injector of the internal combustion engine during a cold start of the internal combustion engine is shown by way of example.
  • Each combustion chamber of the internal combustion engine is assigned at least one injector.
  • the injector preferably comprises a solenoid valve, via which a nozzle needle can be actuated in a multi-hole nozzle.
  • the control signal shown in Fig. 1 is transmitted from the control unit to the solenoid valve and causes an adjustment of the stroke of the nozzle needle in the multi-hole nozzle. In this way, a precise metering of the fuel into the combustion chamber is possible.
  • the injectors of the internal combustion engine assigned to the remaining five combustion chambers are actuated analogously in a crankshaft angle distance of 0 °, 120 ° and 240 ° in accordance with the ignition sequence of the six-cylinder diesel engine.
  • a first amount of fuel in a pre-injection Pill is injected into the combustion chamber during a compression stroke at a crank angle of about -25 °, that is, before the upper Zündtot Vietnamese ZOT.
  • the first amount of fuel is preferably between one and thirty milligrams, which is approximately five to twenty percent of the total amount of fuel injected during the work cycle.
  • a main fuel quantity is introduced into the combustion chamber in a main injection.
  • the main injection is subdivided into a first partial injection Maini and a second part injection Main2.
  • the first partial injection Maini takes place at a crankshaft angle of about 0 °.
  • the second partial injection Main2 starts at a distance of approximately 1.5 ° crankshaft angle after completion of the first partial injection Maini and extends up to a crankshaft angle of approximately 3.5 ° after top dead center ZOT.
  • top dead center ZOT a heating course in the combustion chamber in the region of top dead center ZOT is shown.
  • the negative gradient of the heating course to be observed before top dead center ZOT is primarily attributable to heat losses due to a heat transfer to the combustion chamber walls.
  • the heating process was measured at an ambient temperature of -27 0 C.
  • the introduced first fuel quantity evaporates, which initially leads to a slight reduction in the combustion chamber temperature (can be seen in FIG. 1 from the slightly flattened gradient of the heating profile after the pilot injection Pill).
  • the temperature in the combustion chamber is too low for conventional diffusion combustion so that the premix formed with the first amount of fuel reacts in a typical partially homogeneous combustion.
  • the premix is heated via heat conduction and a turbulent flow in the combustion chamber and as a result of the progressive compression.
  • first reaction phase 1 which extends in this embodiment from about -25 ° to about -9 ° crankshaft angle and is also referred to as a low-temperature phase, take place pre-reactions in which essentially peroxides and aldehydes are formed and disintegrate, only small amounts of heat are released.
  • second reaction phase 2 which extends from about -9 ° to about 0 ° crankshaft angle and is also referred to as a high-temperature phase, a thermal ignition of the fuel-air mixture takes place, so that here the actual heat release from the reaction of the premix takes place.
  • the first reaction phase 1 and the second reaction phase 2 together form a combustion phase of the premix.
  • the main fuel quantity is introduced into the combustion chamber in a main injection Maini, Main2 at a point in time at which part of the premixture in the second reaction phase 2 is burnt, so that a markedly elevated temperature already exists in the combustion chamber at this time.
  • Fig. 1 it can be seen that with the first part injection Maini formed fuel-air mixture in a third reaction phase 3 chemically reacts and burns.
  • An ignition delay between the start of injection of the first partial injection Maini and the onset of thermal ignition is significantly shorter than the ignition delay in the reaction of the premix.
  • the amount of fuel introduced in the second partial injection Main2 is preferably greater than the amount of fuel introduced in the first partial injection Maini, whereby the effects of the evaporation on the combustion chamber temperature and thus on the ignition delay are mitigated.
  • the amount of fuel injected in the first partial injection is relatively small, so that only a slightly reduced combustion chamber temperature is established after the evaporation. Due to the energy released from the combustion of the fuel-air mixture, the decrease in temperature due to the evaporation is compensated and the combustion chamber temperature is increased. The higher temperature causes a shorter ignition delay of the subsequently introduced in the second partial injection amount of fuel.
  • the main injection is subdivided into further partial injections, with a larger amount of fuel preferably being introduced into the combustion chamber in each partial injection than in a preceding partial injection. In this way, a relatively large amount of fuel at low temperatures can be burned safely.
  • pilot injections are provided, whereby lower temperature decreases and shorter ignition delays occur after each pilot injection due to the lower introduced fuel quantities, so that altogether a faster temperature increase and a faster reaction of the premix are made possible.
  • the pilot injection and the main injection can be made during a cold start during several compression strokes. It should be noted that a initial ignition may only occur after a few crankshaft revolutions.
  • FIG. 2 variations of the start of injection and the end of injection of the first partial injection BOI_Main1, EOI_Main1, the start of injection of the second partial injection BOI_Main2 and measured ignition delays as a function of the rotational speed of the internal combustion engine are shown by way of example.
  • the start of injection and the end of injection of the partial injections and the pilot injection are preferably set as a function of the rotational speed of the internal combustion engine and of the outside temperature and / or an engine temperature.
  • the first partial injection Maini should take place at the earliest when the premix reacts in a high-temperature phase, otherwise there is a risk of extinguishing the combustion of the premix by the first partial injection Maini.
  • the premix reacts faster and it is possible, the injection start of the first partial injection BOI_Main1 with increasing speed to move early, that is towards a larger crankshaft angle before the top dead center ZOT.
  • the injection start of the second partial injection BOI_Main2 is shifted with increasing rotational speed late, that is, towards a larger crankshaft angle after the top dead center ZOT, so that a sufficient time for the reaction of the mixture formed with the first partial injection remains.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer selbstzündenden Brennkraftmaschine bei niedrigen Temperaturen mit den folgenden Schritten: a) Einbringung einer ersten Kraftstoffmenge in den Brennraum während eines Kompressionstakts der Brennkraftmaschine durch eine Voreinspritzung und Bildung eines teilhomogenen Vorgemischs in dem Brennraum; b) Einbringung einer Kraftstoffhauptmenge in den Brennraum durch eine Haupteinspritzung und Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs mittels Selbstentzündung. Erfindungsgemäß wird ein Einspritzbeginn der Voreinspritzung so gewählt, dass das teilhomogene Vorgemisch nach einer allenfalls kurzen Zündverzögerung entzündbar ist, und ein Einspritzbeginn der Haupteinspritzung wird so gewählt, dass die Kraftstoffhauptmenge während einer Verbrennungsphase oder unmittelbar im Anschluss an eine Verbrennungsphase des entzündeten Vorgemischs in den Brennraum eingebracht wird.

Description

Verfahren zum Starten einer selbstzündenden Brennkraftmaschine bei niedrigen
Temperaturen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer selbstzündenden Brennkraftmaschine bei niedrigen Temperaturen, bei dem zunächst eine erste Kraftstoffmenge während eines Kompressionstakts der Brennkraftmaschine durch eine erste Voreinspritzung in den Brennraum eingebracht und ein teilhomogenes Vorgemisch gebildet wird. In einem nachfolgenden Schritt wird eine Kraftstoffhauptmenge durch eine Haupteinspritzung in den Brennraum eingebracht und das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird mittels Selbstzündung verbrannt.
Aus der DE 10 2004 053 748 A1 ist ein Verfahren zum Starten einer selbstzündenden Brennkraftmaschine bei niedrigen Temperaturen bekannt, bei dem Kraftstoff in drei Teileinspritzungen in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht wird. In einer Voreinspritzung wird eine erste Kraftstoffmenge eingespritzt, wenn sich der Kolben in einem unteren Totpunkt von einem Kompressionshub befindet. Eine Kraftstoffhauptmenge wird in einer Haupteinspritzung in den Brennraum eingebracht, wobei die Haupteinspritzung im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens vorgenommen wird. An die Haupteinspritzung schließt sich unmittelbar eine Nacheinspritzung an, durch die eine bessere Energieumsetzung erzielt werden soll. Durch das Verfahren sollen Verbrennungsaussetzer während einer Kaltstartphase vermieden werden.
Aus der JP 2000 192 836 A ist ein weiteres Verfahren zum Starten einer selbstzündenden Brennkraftmaschine bei niedrigen Temperaturen bekannt, bei dem eine kleine erste Kraftstoffmenge in einen Brennraum eingebracht wird, so dass ein Vorgemisch gebildet wird. Mit Hilfe einer geeigneten Sensorik wird überwacht, ob sich das Vorgemisch entzündet. Die Schritte werden in den folgenden Arbeitszyklen wiederholt, bis eine Selbstentzündung der ersten Kraftstoffmenge festgestellt wird. Anschließend wird eine Kraftstoffhauptmenge in den Brennraum eingebracht, wobei ein aus der Kraftstoffhauptmenge und Luft gebildetes Gemisch unter den herrschenden Bedingungen sicher entzündet wird. In einer Übergangsphase können dabei eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung während eines Arbeitstakts oder während aufeinander folgender Arbeitstakte der Brennkraftmaschine in den Brennraum vorgenommen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine anzugeben, dass sich durch einen sicheren und schnellen Start bei niedrigen Temperaturen auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird ein Einspritzbeginn der ersten Voreinspritzung so gewählt, dass das teilhomogene Vorgemisch nach einer allenfalls kurzen Zündverzögerung entzündbar ist, und ein Einspritzbeginn der Haupteinspritzung wird so gewählt, dass die Kraftstoffhauptmenge während einer Verbrennungsphase oder unmittelbar im Anschluss an eine Verbrennungsphase des entzündeten Vorgemischs in den Brennraum eingebracht wird. Während des Kompressionstaktes wird ein im Brennraum befindliches Gas verdichtet, wodurch eine Brennraumtemperatur steigt. In dieses verdichtete Gas wird die erste Kraftstoffmenge mittels einer Voreinspritzung eingebracht. Bei niedrigen Außentemperaturen ist die Temperatur im Brennraum für eine konventionelle Diffusionsverbrennung zu niedrig, so dass sich zunächst ein teilhomogenes Vorgemisch im Brennraum bildet. Dem erfindungsgemäßen Verfahren zufolge wird die erste Kraftstoffmenge zu einem Zeitpunkt in den Brennraum eingebracht, an dem die Temperatur im Brennraum infolge der Kompression ausreichend hoch ist, dass das gebildete teilhomogene Vorgemisch in einer typischen teilhomogenen Verbrennung nach einer kurzen Zündverzögerung bei erhöhter Temperatur reagiert. Beispielhafte Werte für eine kurze Zündverzögerung sind Zeitspannen von 1 ms bis 15 ms zwischen dem Einspritzbeginn der ersten Voreinspritzung und dem Erreichen einer deutlich erhöhten Temperatur im Brennraum (zum Beispiel 100 K oder mehr über der Brennraumtemperatur unmittelbar vor Einspritzbeginn). In Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ist die angegebene Zeitspanne in einen entsprechenden Kurbelwellenwinkel umrechenbar. Weiterhin wird der Einspritzbeginn der Haupteinspritzung so gewählt, dass die Kraftstoffhauptmenge während oder unmittelbar nach einer Verbrennungsphase des Vorgemischs in den Brennraum eingespritzt wird. Zu diesem Zeitpunkt ist ein Temperaturniveau im Brennraum aufgrund der Reaktion des Vorgemischs noch deutlich erhöht, so dass eine Entzündung des mit der Kraftstoffhauptmenge gebildeten Kraftstoff-Luft-Gemischs vereinfacht ist. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Voreinspritzung in einem Bereich zwischen 22° und 100°, insbesondere zwischen 25° und 30° Kurbelwellenwinkel vor einem oberen Totpunkt des Kolbens vorgenommen. Durch die späte Einbringung in der Kompressionsphase in die zu diesem Zeitpunkt vergleichsweise warme, komprimierte Luft beziehungsweise in das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum ist eine kurze Zündverzögerung gewährleistet. Darüber hinaus steht eine ausreichende Zeitspanne für die teilhomogene Verbrennung des Vorgemischs bei hoher Temperatur zur Verfügung, so dass eine deutliche Temperatursteigerung im Brennraum erzielbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Haupteinspritzung in einem Bereich zwischen 20° Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt und 20° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt vorgenommen. In diesem Bereich sind durch die maximale Kompression der Brennraumgase und durch die fortgeschrittene Wärmefreisetzung aus der Reaktion des Vorgemischs die höchsten Temperaturen im Brennraum gegeben, so dass eine große Wahrscheinlichkeit einer Entzündung und Verbrennung der Kraftstoffhauptmenge besteht.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist die Haupteinspritzung in mehrere Teileinspritzungen unterteilt, das heißt die Kraftstoffhauptmenge wird in mehreren Teileinspritzungen in den Brennraum eingebracht. Eine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum und eine nachfolgende Verdampfung führt immanent zu einer kurzfristigen Temperaturabsenkung in dem Brennraum, wodurch ein Zündverzug verlängert ist. Die Unterteilung der Haupteinspritzung in mehrere Teileinspritzungen bewirkt eine vergleichsweise geringe Temperaturabsenkung bei jeder Teileinspritzung und damit einen kürzeren Zündverzug sowie einen zuverlässigen Temperaturanstieg.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird zu Beginn des Startvorgangs der Brennkraftmaschine eine erste Teileinspritzung in einem Bereich zwischen 2° Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt und 2° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt vorgenommen, und eine zweite Teileinspritzung wird in einem Bereich zwischen 2° und 5° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt vorgenommen. Unter diesen Bedingungen ist insbesondere bei niedrigen Temperaturen und/oder Drehzahlen eine ausreichende Zeitspanne für eine Reaktion der Kraftstoffmenge, die mit der ersten Teileinspritzung eingebracht wird, gegeben. Insbesondere ist bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens die Einleitung des Startvorgangs beziehungsweise eine erstmalige Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemischs verbessert. In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Einspritzbeginn der ersten Teileinspritzung mit zunehmender Drehzahl in Richtung früh verschoben. Auf diese Weise ist ein Temperaturanstieg infolge der Reaktion des Vorgemischs optimal ausnutzbar.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Einspritzbeginn einer zweiten und/oder einer späteren Teileinspritzung mit zunehmender Drehzahl in Richtung spät verschoben, so dass eine Zeitspanne zwischen dem Ende einer vorangegangenen Teileinspritzung und dem Beginn der zweiten und/oder späteren Teileinspritzung ausreichend groß ist, um eine nachhaltige Temperaturerhöhung zu gewährleisten.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist eine in einer zweiten und/oder späteren Teileinspritzung eingebrachte Kraftstoffmenge größer als eine in einer vorhergehenden Teileinspritzung eingebrachte Kraftstoff menge. Es werden also aufeinander folgend während der Haupteinspritzung immer größere Mengen an Kraftstoff in den Brennraum eingebracht. Auf diese Weise lässt sich die Stabilität des Startvorgangs weiter verbessern.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden weitere Voreinspritzungen vorgenommen. Dadurch lässt sich die Brennraumtemperatur auch in der Voreinspritzungsphase schrittweise erhöhen, so dass ein stabiler Startvorgang möglich ist.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens umfasst die Summe der während einer oder mehrerer Voreinspritzungen eingebrachten Kraftstoffmengen zwischen 5 und 20 Gewichtsprozent der gesamten während eines Arbeitszyklus eingebrachten Kraftstoff menge. Bei diesen Mengenverhältnissen ist eine Erwärmung des Brennraums durch die Reaktion des Vorgemischs ausreichend groß, um eine sichere Verbrennung der Kraftstoffhauptmenge zu ermöglichen.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Einspritzbeginn der Voreinspritzung mit zunehmender Drehzahl in Richtung früh verschoben, das heißt die Voreinspritzung wird bei einem früheren Kurbelwellenwinkel vorgenommen. Dadurch steht eine ausreichende Zeitspanne für die Reaktion des Vorgemischs und zur Erreichung einer nachhaltigen Temperaturerhöhung in dem Brennraum auch bei steigenden Drehzahlen zur Verfügung. In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Einspritzung mittels eines Common-Rail-Einspritzsystems vorgenommen. Dieses Einspritzsystem bietet die erforderliche Variabilität, um die Einspritzzeitpunkte, Einspritzdauern und Einspritzmengen des Kraftstoffs in den einzelnen Einspritzungen bestmöglich zu steuern beziehungsweise zu regeln.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Einspritzdruck während des Startvorgangs in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine eingestellt, um eine optimale Zerstäubung des Kraftstoffs zu ermöglichen und/oder eine Wandbenetzung des Brennraums zu minimieren.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Mengenverhältnis zwischen der Kraftstoffhauptmenge und der Summe der während der Voreinspritzungen eingebrachten Kraftstoffteilmengen in Abhängigkeit von einer Drehzahl und/oder einer Temperatur der Brennkraftmaschine eingestellt, wodurch die Kaltstarteigenschaften der Brennkraftmaschine weiter verbessert werden können.
Im Folgenden wird das Verfahren anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung eines Einspritzverlaufs und eines Heizverlaufs in einem
Brennraum über einem Kurbelwellenwinkel; und Fig. 2 exemplarisch eine Darstellung einer Zündverzögerung und
Einspritzzeitpunkte über einer Drehzahl der Brennkraftmaschine.
Eine in den Figuren nicht dargestellte Brennkraftmaschine ist in diesem Ausführungsbeispiel als Dieselmotor mit sechs Brennräumen ausgeführt. Die Brennkraftmaschine umfasst eine Common-Rail-Einspritzanlage, die eine zeitlich präzise Zumessung einer definierten Kraftstoffmenge in die einzelnen Brennräume ermöglicht. Die Brennkraftmaschine beinhaltet ferner einen Winkelsensor zur Messung eines Kurbelwellenwinkels sowie ein Steuergerät, mit dessen Hilfe die Common-Rail- Einspritzanlage in Abhängigkeit von dem gemessenen Kurbelwellenwinkel sowie gegebenenfalls von weiteren an der Brennkraftmaschine gemessenen Größen wie Temperatur, Drehzahl, Lastanforderung steuerbar ist.
Bei einem Startvorgang der Brennkraftmaschine wird zunächst eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine mittels einer Startvorrichtung in Rotation versetzt. Die Kurbelwelle ist über Pleuel mit Kolben in den einzelnen Brennräumen verbunden, so dass durch die Rotation der Kurbelwelle eine oszillierende Hubbewegung der einzelnen Kolben eingeleitet wird.
Ein Kaltstart im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dann gegeben, wenn eine für den Betrieb der Brennkraftmaschine maßgebliche Temperatur so niedrig liegt, dass ein zuverlässiger Start erschwert ist. Als Richtwert wird eine Außentemperatur und/oder einer Kühlmitteltemperatur von -15 °C oder weniger angesehen.
Im unteren Teil von Fig. 1 ist exemplarisch ein Ansteuersignal eines Kraftstoffinjektors der Brennkraftmaschine während eines Kaltstarts der Brennkraftmaschine dargestellt. Jedem Brennraum der Brennkraftmaschine ist mindestens ein Injektor zugeordnet. Der Injektor umfasst bevorzugt ein Magnetventil, über das eine Düsennadel in einer Mehrlochdüse ansteuerbar ist. Das in Fig. 1 dargestellte Steuersignal ist von dem Steuergerät an das Magnetventil übermittelbar und bewirkt eine Einstellung des Hubs der Düsennadel in der Mehrlochdüse. Auf diese Weise ist eine präzise Dosierung des Kraftstoffs in den Brennraum möglich. Die den verbleibenden fünf Brennräumen zugeordneten Injektoren der Brennkraftmaschine werden entsprechend der Zündfolge des Sechszylinder- Dieselmotors in analoger Weise in einem Kurbelwellenwinkelabstand von 0°, 120° und 240° angesteuert.
Aus der Darstellung des Ansteuersignals in Fig. 1 wird deutlich, dass die gesamte Kraftstoffmenge im Bereich eines oberen Zündtotpunkts ZOT der Brennkraftmaschine in den Brennraum eingebracht wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine erste Kraftstoffmenge in einer Voreinspritzung Pill während eines Kompressionstakts bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. -25°, das heißt vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT, in den Brennraum eingespritzt. Die erste Kraftstoffmenge beträgt bevorzugt zwischen ein und dreißig Milligramm, was circa fünf bis zwanzig Prozent der gesamten während des Arbeitzyklus eingespritzten Kraftstoffmenge entspricht.
Nachfolgend wird eine Kraftstoffhauptmenge in einer Haupteinspritzung in den Brennraum eingebracht. Die Haupteinspritzung ist unterteilt in eine erste Teileinspritzung Maini und eine zweite Teileinspritzung Main2. Die erste Teileinspritzung Maini erfolgt bei einem Kurbelwellenwinkel von rund 0°. Die zweite Teileinspritzung Main2 beginnt in einem Abstand von rund 1 ,5° Kurbelwellenwinkel nach Abschluss der ersten Teileinspritzung Maini und erstreckt sich bis zu einem Kurbelwellenwinkel von rund 3,5° nach dem oberen Totpunkt ZOT.
Im oberen Teil von Fig. 1 oben ist ein Heizverlauf in dem Brennraum im Bereich des oberen Totpunkts ZOT dargestellt. Der vor dem oberen Totpunkt ZOT zu beobachtenden negative Gradient des Heizverlaufs ist vorrangig auf Wärmeverluste durch einen Wärmeübergang zu den Brennraumwänden zurückzuführen. Der Heizverlauf wurde bei einer Umgebungstemperatur von -27 0C gemessen.
Durch die Einspritzung der ersten Kraftstoffmenge Pill bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. -25° wird ein teilhomogenes Gemisch im Brennraum gebildet. Bei der Einspritzung verdampft die eingebrachte erste Kraftstoffmenge, wodurch es zunächst zu einer geringen Absenkung der Brennraumtemperatur kommt (in Fig. 1 aus dem etwas abgeflachten Gradienten des Heizverlaufs nach der Voreinspritzung Pill ersichtlich). Zum Zeitpunkt der Voreinspritzung Pill ist die Temperatur im Brennraum für eine konventionelle Diffusionsverbrennung jedoch zu niedrig, so dass das mit der ersten Kraftstoffmenge gebildete Vorgemisch in einer typischen teilhomogenen Verbrennung reagiert. Während der Homogenisierung wird das Vorgemisch über Wärmeleitung und eine turbulente Strömung in dem Brennraum sowie infolge der fortschreitenden Verdichtung erwärmt. In einer ersten Reaktionsphase 1 , die sich in diesem Ausführungsbeispiel von ca. -25° bis ca. -9° Kurbelwellenwinkel erstreckt und auch als Niedrigtemperaturphase bezeichnet wird, finden Vorreaktionen statt, in denen im Wesentlichen Peroxyde und Aldehyde gebildet werden und zerfallen, wobei lediglich geringe Wärmemengen freigesetzt werden. In einer anschließenden zweiten Reaktionsphase 2, die sich von ca. -9° bis ca. 0° Kurbelwellenwinkel erstreckt und auch als Hochtemperaturphase bezeichnet wird, findet eine thermische Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemischs statt, so dass hier die eigentliche Wärmefreisetzung aus der Reaktion des Vorgemischs erfolgt. Die erste Reaktionsphase 1 und die zweite Reaktionsphase 2 bilden gemeinsam eine Verbrennungsphase des Vorgemischs.
Die Kraftstoffhauptmenge wird in einer Haupteinspritzung Maini , Main2 zu einem Zeitpunkt in den Brennraum eingebracht, an dem ein Teil des Vorgemischs in der zweiten Reaktionsphase 2 verbrannt ist, so dass zu diesem Zeitpunkt bereits eine deutlich erhöhte Temperatur im Brennraum vorliegt. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass das mit der ersten Teileinspritzung Maini gebildete Kraftstoff-Luft-Gemisch in einer dritten Reaktionsphase 3 chemisch reagiert und verbrennt. Eine Zündverzögerung zwischen dem Einspritzbeginn der ersten Teileinspritzung Maini und dem Einsetzen der thermischen Entflammung ist dabei deutlich kürzer als die Zündverzögerung bei der Reaktion des Vorgemischs. Aufgrund der höheren Temperatur im Brennraum verdampft das nach der ersten Teileinspritzung Maini gebildete Kraftstoff-Luft-Gemisch schneller, und es entflammt bereits bei 1° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt ZOT, wodurch die Temperatur im Brennraum weiter ansteigt. Nachfolgend wird in einer zweiten Teileinspritzung Main2 eine vergleichsweise große Kraftstoffmenge in den erwärmten Brennraum eingebracht, die sich aufgrund der hohen Temperatur nahezu unmittelbar nach Einspritzbeginn in einer vierten Reaktionsphase 4 entzündet.
Die in der zweiten Teileinspritzung Main2 eingebrachte Kraftstoffmenge ist bevorzugt größer als die in der ersten Teileinspritzung Maini eingebrachte Kraftstoff menge, wodurch die Auswirkungen der Verdampfung auf die Brennraumtemperatur und somit auf den Zündverzug abgemildert werden. Die in der ersten Teileinspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge ist relativ klein, so dass sich nach der Verdampfung eine lediglich geringfügig verringerte Brennraumtemperatur einstellt. Durch die freigesetzte Energie aus der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs wird die Temperaturabsenkung infolge der Verdampfung kompensiert und die Brennraumtemperatur gesteigert. Die höhere Temperatur bewirkt eine kürzere Zündverzögerung der nachfolgend in der zweiten Teileinspritzung eingebrachten Kraftstoffmenge.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist die Haupteinspritzung in weitere Teileinspritzungen unterteilt, wobei bevorzugt bei jeder Teileinspritzung eine größere Kraftstoffmenge als in einer vorangegangenen Teileinspritzung in den Brennraum eingebracht wird. Auf diese Weise lassen sich insgesamt relativ große Kraftstoffmenge bei niedrigen Temperaturen sicher verbrennen.
In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel sind weitere Voreinspritzungen vorgesehen, wobei sich nach jeder Voreinspritzung durch die geringeren eingebrachten Kraftstoffmengen geringere Temperaturabsenkungen und kürzere Zündverzögerungen einstellen, so dass insgesamt eine schnellere Temperaturerhöhung und eine schnellere Reaktion des Vorgemischs ermöglicht ist.
Die Voreinspritzung und die Haupteinspritzung können bei einem Kaltstart während mehrerer Kompressionstakte vorgenommen werden. Dabei ist zu beachten, dass eine erstmalige Zündung unter Umständen erst nach einigen Kurbelwellenumdrehungen erfolgt.
In Fig. 2 sind exemplarisch Variationen des Einspritzbeginns und des Einspritzendes der ersten Teileinspritzung BOI_Main1 , EOI_Main1 , des Einspritzbeginns der zweiten Teileinspritzung BOI_Main2 sowie gemessene Zündverzögerungen in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine dargestellt. Der Einspritzbeginn und das Einspritzende der Teileinspritzungen sowie der Voreinspritzung werden bevorzugt in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine sowie von der Außentemperatur und/oder einer Motortemperatur eingestellt. Dabei ist zu beachten, dass die erste Teileinspritzung Maini frühestens dann erfolgen sollte, wenn das Vorgemisch in einer Hochtemperaturphase reagiert, da ansonsten die Gefahr einer Auslöschung der Verbrennung des Vorgemischs durch die erste Teileinspritzung Maini besteht. Aufgrund der höheren Brennraumtemperatur bei höheren Drehzahlen reagiert das Vorgemisch schneller und es ist möglich, den Einspritzbeginn der ersten Teileinspritzung BOI_Main1 mit zunehmender Drehzahl nach früh, das heißt hin zu einem größeren Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt ZOT, zu verschieben. Der Einspritzbeginn der zweiten Teileinspritzung BOI_Main2 wird mit zunehmender Drehzahl nach spät, das heißt hin zu einem größeren Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt ZOT verschoben, damit eine ausreichende Zeitspanne zur Reaktion des mit der ersten Teileinspritzung gebildeten Gemischs verbleibt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in einer oder mehreren Voreinspritzungen sowie in den ersten Teileinspritzungen der Haupteinspritzung jeweils nur geringe Kraftstoffmengen in einen Brennraum eingebracht. Dadurch ist die durch die einsetzende Verdampfung verursachte Temperaturabsenkung bei den einzelnen Einspritzungen gering und die mit den jeweils eingespritzten Kraftstoffmengen gebildeten Kraftstoff-Luft-Gemische entzünden sich nach einer vergleichsweisen kurzen Zündverzögerung. Durch die bei der Verbrennung entstehende Wärme wird nicht nur die Temperaturabsenkung kompensiert, sondern darüber hinaus eine Erhöhung der Brennraumtemperatur herbeigeführt. Eine nachfolgend eingespritzte Kraftstoffmenge reagiert dementsprechend schneller und verbrennt nach einer kürzeren Zündverzögerung als eine früher eingespritzte Kraftstoffmenge. Auf diese Weise lassen sich große Kraftstoffmengen so in den Brennraum einbringen, dass die Brennraumtemperatur schrittweise gesteigert wird, bis schließlich eine sichere Entzündung einer größeren Kraftstoffmenge bei niedrigen Außentemperaturen ermöglicht ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Starten einer selbstzündenden Brennkraftmaschine bei niedrigen Temperaturen mit den folgenden Schritten: a) Einbringung einer ersten Kraftstoffmenge in den Brennraum während eines Kompressionstakts der Brennkraftmaschine durch eine Voreinspritzung und Bildung eines teilhomogenen Vorgemischs in dem Brennraum; b) Einbringung einer Kraftstoff hauptmenge in den Brennraum durch eine Haupteinspritzung und Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs mittels Selbstentzündung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einspritzbeginn der Voreinspritzung so gewählt wird, dass das teilhomogene Vorgemisch nach einer allenfalls kurzen Zündverzögerung entzündbar ist, und dass ein Einspritzbeginn der Haupteinspritzung so gewählt wird, dass die Kraftstoffhauptmenge während einer Verbrennungsphase oder unmittelbar im Anschluss an eine Verbrennungsphase des entzündeten Vorgemischs in den Brennraum eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Voreinspritzung in einem Bereich zwischen 22° und 100°, insbesondere zwischen 25° und 30° Kurbelwellenwinkel vor einem oberen Totpunkt des Kolbens vorgenommen wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung in einem Bereich zwischen 20° Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt und 20° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt des Kolbens vorgenommen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung in mehreren Teileinspritzungen unterteilt ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des Startvorgangs der Brennkraftmaschine eine erste Teileinspritzung in einem Bereich zwischen 2° Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt und 2° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt vorgenommen wird und dass eine zweite Teileinspritzung in einem Bereich zwischen 2° und 5° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt vorgenommen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einspritzbeginn der ersten Teileinspritzung mit zunehmender Drehzahl in Richtung früh verschoben wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einspritzbeginn einer zweiten und/oder einer späteren Teileinspritzung mit zunehmender Drehzahl in Richtung spät verschoben wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine in einer zweiten und/oder späteren Teileinspritzung eingebrachte Kraftstoffmenge größer ist als eine in einer vorhergehenden Teileinspritzung eingebrachte Kraftstoffmenge.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Voreinspritzungen vorgenommen werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der während einer oder mehrerer Voreinspritzungen eingebrachten Kraftstoffmengen zwischen 5 und 20 Gewichtsprozent der gesamten während eines Arbeitszyklus eingebrachten Kraftstoffmenge umfasst.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einspritzbeginn der Voreinspritzung mit zunehmender Drehzahl in Richtung früh verschoben wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung mittels eines Common-Rail-Einspritzsystems vorgenommen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einspritzdruck während des Startvorgangs in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine eingestellt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mengenverhältnis zwischen der Kraftstoffhauptmenge und der Summe der während der Voreinspritzungen eingebrachten Kraftstoffteilmengen in Abhängigkeit von einer Drehzahl und/oder einer Temperatur der Brennkraftmaschine eingestellt wird.
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