DE10021086A1 - Verfahren zum Bestimmen des Kraftstoffmassenstroms bei einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Bestimmen des Kraftstoffmassenstroms bei einer Brennkraftmaschine

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Abstract

Der zeitliche Verlauf des Ansteuerstromes (I) für das Einspritzventil wird erfasst und daraus die Haltephase (HP) ermittelt, während der das Einspritzventil geöffnet ist. Die Haltephase (HP) wird gleich der Einspritzzeitdauer gesetzt und aus der Einspitzzeitdauer mittels eines Modellbildung der angegebene Kraftstoffmassenstrom ermittelt. Der so berechnete Kraftstoffmassenstrom wiederum wird innerhalb eines Überwachungsverfahrens auf das Über- bzw. Unterschreiten bestimmter Grenzwerte überprüft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Kraft­ stoffmassenstroms bei einer qualitätsgeregelten Brennkraftma­ schine.
Um den Kraftstoffverbrauch von Kraftfahrzeugen mit ottomoto­ rischem Antrieb weiter zu reduzieren, kommen immer häufiger Brennkraftmaschinen zum Einsatz, die zumindest teilweise mit magerem Gemisch betrieben werden. Dabei wird zwischen zwei grundlegenden Betriebsarten unterschieden.
Im unteren Lastbereich wird die Brennkraftmaschine mit einer stark geschichteten Zylinderladung und hohem Luftüberschuss betrieben (Schichtladebetrieb). Dies wird durch eine späte Einspritzung in den Verdichtungshub, kurz vor dem Zündzeit­ punkt erreicht. Die Brennkraftmaschine wird dabei unter Ver­ meidung von Drosselverlusten weitgehend ungedrosselt betrie­ ben.
Im oberen Lastbereich wird die Brennkraftmaschine mit homoge­ ner Zylinderladung betrieben. Die Einspritzung erfolgt be­ reits während des Ansaugtaktes, um eine gute Durchmischung von Kraftstoff und Luft zu erreichen. Die angesaugte Luftmas­ se wird entsprechend dem Drehmomentwunsch des Fahrers über eine Drosselklappe eingestellt. Die benötigte Einspritzmenge wird abhängig von der Luftmasse und der Drehzahl berechnet und u. a. über die Lambdaregelung korrigiert. Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt dabei entweder in herkömmlicher Wei­ se in das Saugrohr oder direkt in den oder die Zylinder der Brennkraftmaschine (Direkteinspritzung).
Bei Systemen mit einer elektronischen Drosselklappensteuerung wird zur Überwachung des von der Brennkraftmaschine angegebenen Drehmoments u. a. die korrekte Arbeitsweise des Steuerge­ räts auf der sogenannten Funktionsebene überprüft. Dies ge­ schieht im Wesentlichen dadurch, dass in der Überwachungsebe­ ne eine auf mehreren plausibilisierten Messwerten basierende Information über das aktuelle Drehmoment generiert wird. Ana­ log dazu wird aus den einzelnen Drehmomentanforderungen der Funktionsebene ein maximal zulässiges Drehmoment bestimmt. Liegt das in der Überwachungsebene bestimmte aktuelle Moment über dem zulässigen, wird eine entsprechende Fehlerreaktion vom Motorsteuergerät hervorgerufen. Ein solches Vorgehen hat sich in der Praxis bei quantitätsgeregelten Brennkraftmaschi­ nen bewährt.
Die Berechnung des aktuellen Motordrehmoments ist bei Brenn­ kraftmaschinen mit Quantitätsregelung über eine Betrachtung des angesaugten Luftmassenstroms bzw. eine Ermittlung des An­ saugzustands möglich. Die gesamte Berechnung ist daher nur für quantitätsgeregelte Brennkraftmaschinen möglich, weil hier ein fester bekannter Zusammenhang zwischen angesaugter Luftmasse und eingebrachter Energie besteht. Bei qualitätsge­ regelten Brennverfahren, wie sie bei einem Dieselmotor oder bei einer Brennkraftmaschine auftritt, welche mit magerem Ge­ misch betrieben wird (Schichtladebetrieb), versagt ein sol­ ches Verfahren zur Drehmomentenüberwachung, da hier prinzip­ bedingt der Luftmassenstrom bzw. der Ansaugzustand kein Maß für die Leistung der Brennkraftmaschine ist. Die Information über die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmasse muss daher auf anderem Weg ermittelt werden.
Aus der WO 99/18343 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Überwachen einer Brennkraftmaschine mit Direkteinsprit­ zung des Kraftstoffes und/oder weitgehender drosselfreier Laststeuerung bekannt. Dabei wird ein Schätzwert der Kraft­ stoffmasse berechnet, die pro Arbeitsspiel in einen Zylinder zugemessen wird, da die tatsächliche Kraftstoffmasse die ent­ scheidende Einflussgröße für den Wert des tatsächlichen do­ zierten Drehmomentes ist. Der Schätzwert für die Kraftstoffmasse wird abhängig von einer Luftzahl berechnet, die von ei­ nem in den Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Sauerstoffsensor ermittelt wird. Abhängig von diesem Schätz­ wert für die Kraftstoffmasse wird ein Schätzwert für das in­ dizierte Drehmoment der Brennkraftmaschine berechnet. Ein Notlauf der Brennkraftmaschine wird gesteuert, wenn der Schätzwert und ein Sollwert des indizierten Drehmomentes eine vorgegebene Bedingung erfüllen, beispielsweise um ein vorge­ gebenes Maß voneinander abweichen. Nun ist jedoch die Güte dieses Schätzwertes für die Kraftstoffmasse und damit die Be­ rechnung des Solldrehmomentes entscheidend von der Qualität der Lambdasonde im Abgastrakt der Brennkraftmaschine abhän­ gig. Ist die von dieser Lambdasonde gelieferte Luftzahl nicht mit geeigneter Auflösung verfügbar, kann mitunter der Schätz­ wert des Ist-Drehmomentes nur ungenügend genau berechnet wer­ den.
In der EP 0 573 437 B1 ist eine Einrichtung zur Erfassung des Einspritzbeginnzeitpunkts bei einem Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine beschrieben, wobei der Einspritzbeginn­ zeitpunkt aus dem Ansteuersignal für das Einspritzventil er­ kannt wird. Hierzu weist die Einrichtung eine Differenzier­ einrichtung und eine Logikeinrichtung auf. Der Ansteuerstrom für das Einspritzventil wird zweimal differenziert. Der Zeit­ punkt, an dem das zweimal differenzierte Ansteuersignal zum zweitenmal nach einem Ansteuerzeitpunkt auftritt, wird als Einspritzbeginnzeitpunkt erkannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen des Kraftstoffmassenstroms einer qualitätsgeregel­ ten Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art anzugeben, das es ermöglicht, die eingespritzte Kraftstoffmasse mit ho­ her Genauigkeit zu ermitteln.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird der Kraftstoffmassenstrom mit Hilfe ei­ ner Information über den Ansteuerstrom der Einspritzventile im Zusammenwirken mit einer Modellrechnung ermittelt. Der An­ steuerstrom für die Einspritzventile weist eine über der Zeit charakteristische Form auf. Einzelne Charakteristika erlauben den Rückschluss auf die Ansteuerzeitdauer und damit auf die Einspritzzeitdauer. Diese wiederum kann im Zusammenwirken mit anderen Mess- oder Rechengrößen der Brennkraftmaschine inner­ halb eines geeigneten Modells zur näherungsweisen Ermittlung des durchgesetzten Kraftstoffmassenstroms benutzt werden.
Der so berechnete Kraftstoffmassenstrom wiederum kann auf das Über- bzw. Unterschreiten bestimmter Grenzwerte überprüft werden. Der wesentliche Vorteil einer solchen Überwachung des Kraftstoffmassenstromes liegt in der nahezu verzögerungsfrei­ en Ermittlung der bestimmenden Messwerte.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschi­ ne mit Direkteinspritzung, bei der das erfindungsge­ mäße Verfahren angewandt wird und
Fig. 2 ein Diagramm, das den Verlauf des Ansteuerstroms für ein Einspritzventil über der Zeit zeigt.
In Fig. 1 ist in Form eines Blockschaltbildes sehr verein­ facht eine Otto-Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirektein­ spritzung und einer ihr zugeordneten Abgasnachbehandlungsan­ lage gezeigt. Dabei sind nur diejenigen Komponenten darge­ stellt, die für das Verständnis der Erfindung notwendig sind. Insbesondere ist auf die Darstellung der Zündanlage und des Kraftstoffkreislaufes verzichtet worden.
Der Brennkraftmaschine 10 wird über einen Ansaugkanal 11 die zur Verbrennung notwendige Luft zugeführt. Im Ansaugkanal 11 sind in Strömungsrichtung der angesaugten Luft gesehen nach­ einander ein Luftmassenmesser 12 und ein Drosselklappenblock 13 vorgesehen. Die Brennkraftmaschine 10 weist eine Kraft­ stoffzumesseinrichtung 14 auf, die eine der Zylinderanzahl der Brennkraftmaschine entsprechende Anzahl von Einspritzven­ tilen beinhaltet und die über entsprechende Signale von Ein­ spritzendstufen 24 angesteuert werden, die in einer elektro­ nischen Steuerungseinrichtung 15 der Brennkraftmaschine in­ tegriert sind. Über die Einspritzventile wird Kraftstoff di­ rekt in die Zylinder der Brennkraftmaschine 10 eingespritzt. Die Einspritzventile werden dabei in vorteilhafter Weise aus einem Kraftstoffdruckspeicher (Common Rail) mit Kraftstoff versorgt. Der von einem Einspritzventil eingespritzte Kraft­ stoffmassenstrom ist mit MFF bezeichnet. Ein Drucksensor 26 an der Kraftstoffzumesseinrichtung 14 erfasst den Kraftstoff­ druck P_KST, mit dem der Kraftstoff direkt in die Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Der Drosselklappenblock 13 beinhaltet eine Drosselklappe 16 und einen nicht dargestellten Drosselklappensensor, der ein dem Öffnungswinkel der Drosselklappe 16 entsprechendes Signal an die Steuerungseinrichtung 15 abgibt. Bei der Drosselklappe 16 handelt es sich beispielsweise um ein elektromotorisch an­ gesteuertes Drosselorgan (E-Gas), dessen Öffnungsquerschnitt neben der Betätigung durch den Fahrer (Fahrerwunsch) abhängig vom Betriebsbereich der Brennkraftmaschine über entsprechende Signale der Steuerungseinrichtung 15 einstellbar ist.
Der Luftmassenmesser 12 dient bei einer sogenannten luftmas­ sengeführten Steuerung der Brennkraftmaschine als Lastsensor, dessen Ausgangssignal MAF zur weiteren Verarbeitung der Steu­ erungseinrichtung 15 zugeführt wird.
Ausgangsseitig ist die Brennkraftmaschine 10 mit einem Abgas­ kanal 17 verbunden, in dem ein Abgaskatalysator 18 angeordnet ist. Dabei kann ein Dreiwege-Katalysator oder ein NOx- Speicherkatalysator oder eine Kombination der beiden vorgese­ hen sein.
Die Sensorik für die Abgasnachbehandlung beinhaltet u. a. ei­ nen stromaufwärts des Abgaskatalysators 18 angeordneten Ab­ gasmessaufnehmer in Form einer Lambdasonde 19 und einen stromabwärts des Abgaskatalysators 18 angeordneten Abgasmess­ aufnehmer 20. Mit dem Signal der Lambdasonde 19 wird das Ge­ misch entsprechend der Sollwertvorgaben geregelt. Diese Funk­ tion übernimmt eine an sich bekannte Lambdaregelungseinrich­ tung 21, die vorzugsweise in die, den Betrieb der Brennkraft­ maschine steuernde bzw. regelnde Steuerungseinrichtung 15 in­ tegriert ist. Solche elektronischen Steuerungseinrichtungen 15, die in der Regel einen oder mehrere Mikroprozessoren beinhalten und die neben der Kraftstoffeinspritzung und der Zündungsregelung noch eine Vielzahl weiterer Steuer- und Re­ gelaufgaben übernehmen, sind an sich bekannt, so dass im fol­ genden nur auf den im Zusammenhang mit der Erfindung relevan­ ten Aufbau und dessen Funktionsweise eingegangen wird. Insbe­ sondere ist die Steuerungseinrichtung 15 mit einer Spei­ chereinrichtung 22 verbunden, in der u. a. verschiedene Kenn­ felder und Schwellenwerte gespeichert sind.
Der Abgasmessaufnehmer 20 dient als Monitorsonde für die stromaufwärts des Abgaskatalysators 18 angeordnete Lambdason­ de 19 und kann darüber hinaus zur Steuerung und Überprüfung des Abgaskatalysators 18 herangezogen werden.
Zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 10 ist die Steuerungseinrichtung 15 über eine Daten- und Steuerleitung 23 noch mit weiteren, nicht explizit dargestellten Sensoren, wie beispielsweise für die Drehzahl, die Kühlmitteltempera­ tur, Abgastemperatur, Abgaskatalysatortemperatur, Umgebungs­ temperatur, und Aktoren wie Stellglieder für Abgasrückfüh­ rung, Einlass- und Auslassventile usw. verbunden.
Ferner weist die Steuerungseinrichtung 15 eine Einrichtung 25 zur Auswertung des Ansteuerstromes I für die Einspritzventile auf.
Ein solches Einspritzventil stellt einen induktiven elektri­ schen Verbraucher dar, so dass sich ein zeitlicher Verlauf des Ansteuerstromes ergibt, wie er in der Fig. 2 qualitativ dargestellt ist. Der Verlauf des Ansteuerstromes I lässt sich somit in die angegebenen Bereiche Vorlade-, Lade- und Halte­ phase einteilen. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Vorlade- und Ladephase unabhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftma­ schine sind und die Dauer der Haltephase die Dauer der Ein­ spritzung bestimmt. Die Einspritzzeitdauer ist also der Zeit­ raum zwischen Freigeben der Öffnung des Einspritzventils (Zeitpunkt t1) und des Schließens der Öffnung des Einspritz­ ventils (Zeitpunkt t2).
Die Dauer der Haltephase und damit die Einspritzzeitdauer kann beispielsweise in der Einspritzendstufe selber als Zeit­ differenz zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 bestimmt werden.
Der Zeitpunkt t1 kann aber auch in der Ladephase bei Über­ schreiten eines vorgegebenen oberen Schwellenwertes I_SWO des Ansteuerstromes I getriggert werden oder zu Beginn der Halte­ phase bei Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes (in Fig. 2 nicht dargestellt). Der Zeitpunkt t2 kann bei Un­ terschreiten eines vorgegebenen unteren Schwellenwertes I_SWU des Ansteuerstromes I in der Haltephase getriggert werden.
Die beiden Schwellenwerte I_SWO und I_SWU werden für vorgege­ bene Einspritzventile experimentell ermittelt und sind in der Speichereinrichtung 22 abgelegt. Um die Genauigkeit des Über­ wachungsverfahrens noch zu erhöhen, ist es vorteilhaft, diese Schwellenwerte abhängig von Betriebsparametern der Brenn­ kraftmaschine und/oder von Umgebungsbedingungen, insbesondere der Kraftstofftemperatur zu wählen. Mit der Kraftstofftempe­ ratur ändert sich die Dichte des Kraftstoffes und somit die bei sonst gleichbleibenden Bedingungen der durchgesetzte Kraftstoffmassenstrom. Die Temperatur des Kraftstoffes wird mittels eines Temperatursensors 27 erfasst, der in bevorzug­ ter Weise an der Kraftstoffzumesseinrichtung 14 in räumlicher Nähe der Einspritzventile angeordnet ist. Alternativ hierzu kann die Temperatur des Kraftstoffes auch aus anderen Be­ triebsparametern der Brennkraftmaschine, insbesondere aus der Kühlmitteltemperatur abgeleitet werden. Die Schwellenwerte für den Ansteuerstrom sind in diesen Fällen je in einem Kenn­ feld KF1, KF2 der Speichereinrichtung 22 abhängig von der ge­ messenen oder ermittelten Kraftstoff- bzw. Kühlmitteltempera­ tur abgelegt. Die Differenz zwischen den in dieser Weise be­ stimmten Zeiten t1 und t2 entspricht der Einspritzzeitdauer ti.
Aus der Einspritzzeitdauer ti wird der während dieser Zeit ti durchgesetzte Kraftstoffmassenstrom MFF ermittelt. Dies ge­ schieht mittels einer Modellbildung in dem Block 28, der in die Steuerungseinrichtung 15 integriert ist. Eingangsgrößen für den Block 28 sind beispielsweise die Einspritzzeitdauer ti, der Kraftstoffdruck, der Brennraumdruck und die Durch­ flusscharakteristik des Einspritzventiles.
Der Kraftstoffdruck wird vorzugsweise mittels des Drucksen­ sors 26 gemessen. Der Brennraumdruck kann entweder mittels eines Drucksensors direkt gemessen werden oder aus den Para­ metern Einspritzzeitpunkt t1, Einspritzzeitdauer ti und Zy­ linderfüllung (z. B. Signal MAF des Luftmassenmessers 16 oder Signal eines Saugrohrdrucksensors) in bekannter Weise, z. B. über einen funktionalen Zusammenhang der beiden Größen in Form einer Kennlinie ermittelt werden.
Der Kraftstoffmassenstrom MFF kann in dem Block 28 beispiels­ weise nach folgender Beziehung berechnet werden:
MFF = α.A.√2.ρ.Δp.ti
mit α = Durchflusszahl
A = Fläche der Austrittsöffnung am Einspritzventilkörper
ρ = Dichte des Kraftstoffes
Δp = Druckdifferenz zwischen Kraftstoffdruck und Brennraum­ druck
In einem Block 29 wird anschließend überprüft, ob der berech­ nete Wert für den Kraftstoffmassenstrom MFF innerhalb einer zulässigen vorgegebenen Bandbreite liegt. Hierzu wird dieser Wert mit einem oberen Schwellenwert und einem unteren Schwel­ lenwert verglichen. Die beiden Schwellenwerte können be­ triebspunktabhängig in Kennfeldern KF3, KF4 der Speicherein­ richtung 22 abgelegt sein.
Liegt der Wert für den Kraftstoffmassenstrom MFF außerhalb der tolerierbaren Bandbreite, so wird von dem Betrieb mit Schichtladung in den Betrieb mit homogenem Gemisch mit einer Luftzahl λ = 1 umgeschaltet und/oder es erfolgt ein Fehlerein­ trag in einen Fehlerspeicher.
Die Erfindung wurde an dem Beispiel einer Otto-Brennkraft­ maschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung erläutert, sie ist aber auch bei anderen qualitätsgeregelten Brennkraftmaschi­ nen, insbesondere Diesel-Brennkraftmaschinen anwendbar.

Claims (12)

1. Verfahren zum Bestimmen des von einem Einspritzventil ei­ ner Einspritzeinrichtung (14) für eine qualitätsgeregelte Brennkraftmaschine (10) pro Arbeitsspiel abgegebenen Kraft­ stoffmassenstromes (MFF), wobei
der zeitliche Verlauf des Ansteuerstromes (I) für das Ein­ spritzventil erfasst und daraus die Haltephase (HP) ermit­ telt wird, während der das Einspritzventil geöffnet ist,
die Haltephase (HP) gleich der Einspritzzeitdauer (ti) ge­ setzt wird und
aus der Einspritzzeitdauer (ti) mittels einer Modellbil­ dung (Block 28) der abgegebene Kraftstoffmassenstrom (MFF) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffmassenstrom (MFF) auf das Erfüllen vorgegebener Bedingungen überprüft wird und bei Nichterfüllen dieser Be­ dingungen auf eine fehlerhafte Einspritzeinrichtung (14) ge­ schlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nichterfüllen der Bedingungen auf einen quantitätsgere­ gelten Betrieb der Brennkraftmaschine (10) umgeschaltet wird.
4. Verfahren nach Anspruche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nichterfüllen der Bedingungen ein Fehlereintrag in einen Fehlerspeicher einer die Brennkraftmaschine (10) steu­ ernden und regelnden Steuerungseinrichtung (15) erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltephase (HP) bestimmt wird als Zeitdifferenz zwischen einem Zeitpunkt (t1) zu dem der Ansteuerstrom (I) einen Schwellenwert (I_SWO) überschreitet und einem Zeitpunkt (t2) zu dem der Ansteuerstrom (I) einen Schwellenwert (I_SWU) un­ terschreitet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellenwerte (I_SWO, I_SWU) abhängig von Betriebspara­ metern der Brennkraftmaschine (10) und/oder von Umgebungsbe­ dingungen festgelegt sind.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellenwerte (I_SWO, I_SWU) abhängig von der Kraft­ stofftemperatur festgelegt sind.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellenwerte (I_SWO, I_SWU) abhängig von der Kühlmit­ teltemperatur der Brennkraftmaschine (10) festgelegt sind.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Modellbildung für den Kraftstoffmassenstrom (MFF) der Kraftstoffdruck (P_KST), der Brennraumdruck und die Durch­ flusscharakteristik des Einspritzventiles berücksichtigt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Kraftstoffmassenstromes (MFF) nach der Be­ ziehung erfolgt:
MFF = α.A.√2.ρ.Δp.ti
mit α = Durchflusszahl
A = Fläche der Austrittsöffnung am Einspritzventilkörper
ρ = Dichte des Kraftstoffes
Δp = Druckdifferenz zwischen Kraftstoffdruck und Brennraum­ druck
ti = Einspritzzeitdauer
11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass überprüft wird, ob der Kraftstoffmassenstrom (MFF) innerhalb eines von einem oberen Schwellenwert und einem unteren Schwellenwert begrenzten Toleranzbandes liegt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellenwerte abhängig vom Betriebspunkt der Brennkraft­ maschine (10) festgelegt sind.
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