DE10115966A1 - Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoffzumessung im Mehrfacheinspritzungsbetrieb - Google Patents
Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoffzumessung im MehrfacheinspritzungsbetriebInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft zwei Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoffzumessung einer direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine (10) in einem Mehrfacheinspritzbetrieb, bei dem während eines Arbeitsspiels eines Zylinders (12) der Verbrennungskraftmaschine (10) mittels eines Einspritzventils (22) mindestens zwei Kraftstoffeinspritzungen in den Zylinder (12) erfolgen. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass ein Druck (Raildruck, p¶R¶) unter welchem der Kraftstoff dem Einspritzventil (22) vorgelagert wird, derart vorgegeben wird und/oder eingespritzte Kraftstoffanteile der einzelnen Einspritzungen eines Arbeitsspiels und/oder eine während einer Mehrfacheinspritzung eingespritzte Gesamtkraftstoffmenge derart variiert werden, dass eine sich einstellende Ventilöffnungszeit (DELTAt) des Einspritzventils (22) bei wenigstens einer Einspritzung eines Arbeitsspiels eine vorgegebene Ventilöffnungszeit (DELTAt¶K¶) nicht unterschreitet. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen gewährleisten mit einfachen Mitteln eine präzise Kraftstoffzumessung im Mehrfacheinspritzungsbetrieb und ermöglichen somit eine Applikation des Mehrfacheinspritzungsbetriebs über weite Betriebsbereiche, insbesondere auch im Niedriglast- und Leerlaufbetrieb.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoffzumessung einer
direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine in einem Mehrfacheinspritzungsbetrieb mit
den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche 1 und 5.
Es sind verschiedene Verfahren bekannt, um eine Abgastemperatur von
Verbrennungskraftmaschinen nach einem Kaltstart anzuheben und somit einen Warmlauf
eines nachgeschalteten Katalysators zu beschleunigen und diesen in Betriebsbereitschaft zu
versetzen.
Bekannt ist, einen Zündwinkel, also einen Zeitpunkt, an dem eine Zündung eines Luft-
Kraftstoff-Gemisches in einem Zylinder erfolgt, während des Warmlaufs in Richtung spät
bezüglich eines Zündwinkels mit höchstem Wirkungsgrad zu verstellen. Durch diese
Zündwinkelspätverstellung wird der Arbeitswirkungsgrad der Verbrennung vermindert und
gleichzeitig eine Verbrennungs- beziehungsweise Abgastemperatur erhöht. Infolge des
heißeren Abgases wird die Katalysatoraufheizung beschleunigt. Das Verfahren der
Spätzündung findet seine Begrenzung bei Zündwinkeln, bei denen eine Laufunruhe der
Verbrennungskraftmaschine in unzulässiger Weise steigt oder eine zuverlässige Zündung
nicht mehr gewährleistet werden kann.
Ein weiteres Verfahren zur Erhöhung der Abgastemperatur wird durch eine so genannte
Mehrfacheinspritzung eröffnet, welche in jüngster Zeit für direkteinspritzende,
fremdgezündete Verbrennungskraftmaschinen beschrieben wurde, bei denen der Kraftstoff
mittels Einspritzventilen direkt in einen Brennraum eines Zylinders eingespritzt wird
(WO 00/08328, EP 0 982 489 A2, WO 00/57045). Dabei wird eine während eines
Arbeitsspiels eines Zylinders zuzuführende Kraftstoffgesamtmenge aufgeteilt mit zwei
Einspritzvorgängen einem Brennraum des Zylinders zugeführt. Eine erste, frühe
Einspritzung (Homogeneinspritzung) erfolgt während eines Ansaugtaktes des Zylinders
derart, dass die eingespritzte Kraftstoffmenge zum nachfolgenden Zündzeitpunkt eine im
Wesentlichen homogene Verteilung im Brennraum aufweist. Eine zweite, späte Einspritzung
(Schichteinspritzung) wird dagegen während eines anschließenden Verdichtungstaktes,
insbesondere während der zweiten Hälfte des Verdichtungstaktes, durchgeführt und führt zu
einer so genannten Schichtladung, bei der die eingespritzte Kraftstoffwolke sich im
Wesentlichen im Bereich um eine Zündkerze des Zylinders konzentriert. Somit liegt im
Mehrfacheinspritzungsbetrieb der Verbrennungskraftmaschine ein Mischbetrieb aus
Schichtladung und Homogenladung vor. Der Mehrfacheinspritzungsbetrieb führt wegen
seines speziell gearteten Brennverlaufs zu einer erhöhten Abgastemperatur gegenüber
reinem Homogenbetrieb. Daneben besteht ein weiterer Vorteil der Mehrfacheinspritzung in
einer verminderten Rohemission von Stickoxiden NOX und unverbrannten
Kohlenwasserstoffen HC, die zu einer Senkung des Schadstoffdurchbruchs während der
Warmlaufphase führt.
Eine präzise Kraftstoffzumessung während der Mehrfacheinspritzung stellt sich indes
problematisch dar. Durch die Aufteilung der insgesamt in einem Arbeitstakt zuzuführenden
Kraftstoffmenge auf mindestens zwei Einspritzungen entstehen extrem kurze
Ventilöffnungszeiten des unter Hochdruck betriebenen Einspritzventils. Unterschreiten die
Ventilöffnungszeiten einen kritischen Wert, dann arbeitet das Einspritzventil im so genannten
ballistischen Bereich, der durch eine zunehmende Streuung eines Kraftstoffdurchsatzes
gekennzeichnet ist. Das Problem der ungenauen Kraftstoffzumessung verschärft sich im
Bereich niedriger Motorlasten und besonders im Leerlauf, wo aufgrund der geringen
erforderlichen Kraftstoffmenge besonders kurze Ventilöffnungszeiten vorliegen.
Erschwerend kommt hinzu, dass bislang kein Konzept zur rückgekoppelten Regelung des
mit zwei oder mehr Einspritzungen erzeugten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses existiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem eine
präzise Kraftstoffzumessung in einem Mehrfacheinspritzungsbetrieb gewährleistet wird. Das
Verfahren sollte sich ferner mit geringem prozesstechnischen Aufwand in ein bestehendes
Motorsteuerungskonzept integrieren lassen.
Diese Aufgabe wird durch zwei Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche
1 und 5 gelöst, die sich besonders vorteilhaft auch miteinander kombiniert einsetzen lassen.
Gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass ein Druck, unter
welchem der Kraftstoff dem Einspritzventil vorgelagert wird, derart vorgegeben wird, dass
eine sich einstellende Ventilöffnungszeit des Einspritzventils bei wenigstens einer
Einspritzung eines Arbeitspiels eine vorgegebene Ventilöffnungszeit nicht unterschreitet.
Vorzugsweise wird dieser im Folgenden als Raildruck bezeichnete Druck derart vorgegeben,
dass das Einspritzventil bei keinem der in dem Arbeitsspiel durchzuführenden
Einspritzvorgänge im ballistischen Bereich arbeitet. Der Raildruck wird dabei abgesenkt,
wenn die gegenwärtig vorliegenden oder erforderlichen Ventilöffnungszeiten die
vorgegebene kritische Ventilöffnungszeit erreichen beziehungsweise unterschreiten. Der
abgesenkte Raildruck bedingt einen reduzierten Kraftstoffdurchsatz des Einspritzventils und
somit sich in Abhängigkeit des Raildrucks einstellende verlängerte Ventilöffnungszeiten.
Somit kann ein Betrieb der Einspritzventile im so genannten ballistischen Bereich vermieden
und die Kraftstoffzumessung mit hoher Genauigkeit gesteuert werden.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Raildruck auf höchstens 35 bar,
insbesondere auf höchstens 30 bar, vorzugsweise auf höchstens 25 bar, eingestellt.
Dies bedeutet gegenüber üblichen Raildrücken von 40 bis 120 bar eine deutliche
Absenkung.
Die Absenkung des Raildrucks kann pauschal während des gesamten
Mehrfacheinspritzungsbetriebes erfolgen. Es ist jedoch bevorzugt vorgesehen, den
Raildruck in Abhängigkeit von einer Motorlast und/oder von einer Motordrehzahl zu
beeinflussen. Hierbei wird auf in einer Motorsteuerung abgelegte Kennfelder
zurückgegriffen, die betriebspunktabhängig die Ermittlung des optimalen Raildrucks
gestatten. Dabei ist der optimale Raildruck stets derjenige größtmögliche Druck, bei dem die
vorgegebene kritische Ventilöffnungszeit nicht unterschritten wird.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren sieht vor, dass eingespritzte Kraftstoffanteile der
einzelnen Einspritzungen eines Arbeitsspiels und/oder eine während einer
Mehrfacheinspritzung eingespritzte Gesamtkraftstoffmenge derart variiert werden, dass die
sich einstellende Ventilöffnungszeit bei wenigstens einer Einspritzung, vorzugsweise allen
Einspritzungen, des Arbeitspiels eine vorgegebene Ventilöffnungszeit nicht unterschreitet.
Dabei ist insbesondere vorgegeben, dass bei voneinander abweichenden Kraftstoffanteilen
der einzelnen Einspritzungen, das heißt unterschiedlichen Ventilöffnungszeiten, die in einer
kürzeren Einspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge soweit auf Kosten mindestens einer
längeren Einspritzung angehoben wird, bis die kürzere Ventilöffnungszeit zumindest
annähernd der vorgegebenen Ventilöffnungszeit entspricht. Diese Veränderung der
Kraftstoffanteile findet selbstverständlich dort ihre Grenze, wo die sich verkürzende längere
Einspritzung ihrerseits die kritische vorgegebene Ventilöffnungszeit erreicht. Führt diese
Maßnahme allein nicht zu den gewünschten Ventilöffnungszeiten, so kann unterstützend
eine Absenkung des Raildrucks erfolgen.
Für den Fall, dass alle Ventilöffnungszeiten der Einspritzungen eines Arbeitsspiels und/oder
falls trotz Variation der Kraftstoffanteile der einzelnen Einspritzungen zwangsläufig
mindestens eine Ventilöffnungszeit einer Einspritzung unterhalb der vorgegebenen
Ventilöffnungszeit liegt, kann gemäß einer weiteren Ausbildung des Verfahrens dieser
Zustand zunächst toleriert werden. Erst, wenn ein korrigierender Reglereingriff eines
Lambdareglers soweit zunimmt, dass er eine vorgebbare Schwelle überschreitet, wird die
innerhalb eines Arbeitstaktes zugeführte Gesamtkraftstoffmenge angehoben. Dies geschieht
vorzugsweise durch Anhebung aller in den einzelnen Einspritzungen zugeführten
Kraftstoffmengen proportional zu ihren Kraftstoffanteilen. Auch diese Maßnahme kann
besonders vorteilhaft mit der Raildruckabsenkung kombiniert werden. Es empfiehlt sich
ferner, ein durch die angehobene Gesamtkraftstoffmenge erzeugtes zusätzliches
Nutzmoment durch motorwirkungsgradmindernde Maßnahmen, insbesondere durch
Verstellung eines Zündwinkels, vorzugsweise in Richtung eines späteren Zündzeitpunktes,
zumindest teilweise zu kompensieren. Anstelle der Anhebung der zugeführten
Gesamtkraftstoffmenge oder falls diese ein tolerierbares Maß überschreitet, kann ferner
vorgesehen sein, den Mehrfacheinspritzungsbetrieb zu sperren. In diesem Fall kann auf
andere Katalysatorheizmaßnahmen, beispielsweise auf eine Einzeleinspritzung mit
Spätzündung, zurückgegriffen werden.
Wie bereits mehrfach erwähnt, können die Maßnahmen der Raildruckabsenkung mit der
Variation der Kraftstoffanteile der einzelnen Einspritzungen und/oder der
Gesamtkraftstoffmenge besonders vorteilhaft kombiniert werden, um Ventilöffnungszeiten
oberhalb der vorgegebenen Ventilöffnungszeiten zu gewährleisten.
Die Vorgabe der kritischen Ventilöffnungszeit richtet sich im Wesentlichen nach einer
tolerierbaren Streuung eines Kraftstoffdurchsatzes des Einspritzventils. Dabei entspricht die
vorgegebene Ventilöffnungszeit einer Schwelle, oberhalb derer das Einspritzventil mit einer
mittleren Streuung des Kraftstoffdurchsatzes von höchstens ±20%, insbesondere von
höchstens ±15%, vorzugsweise von höchstens ±10%, arbeitet. Da der
Öffnungszeitabhängige Verlauf der mittleren Streuung des Kraftstoffdurchsatzes von der
Bauart eines Einspritzventils abhängt, lassen sich konkrete Ventilöffnungszeit-
Mindestvorgaben nur schwer benennen. Als Anhaltspunkt kann für derzeit übliche
Hochdruckeinspritzventile eine tolerierbare Öffnungszeitschwelle von 550 µs, insbesondere
600 µs, vorzugsweise 700 µs, als Grenze des ballistischen Bereiches genannt werden.
Diese Werte können je nach Ausführung des Hochdruckeinspritzventils erheblich nach oben
und nach unten abweichen. Bekannt sind auch Ventile mit einer tolerierbaren
Öffnungszeitschwelle von 300 µs, insbesondere von 350 µs, vorzugsweise von 450 µs.
Neben dem Problem der kurzen Ventilöffnungszeiten und der damit zusammenhängenden
ungenauen Kraftstoffzumessung mangelt es bislang an einem Konzept, welches eine
rückgekoppelte Regelung der Kraftstoffzumessung der einzelnen Einspritzungen eines
Arbeitstaktes anhand eines einzigen Abgassignals gestattet. Eine weitere Ausführung des
Verfahrens sieht in diesem Zusammenhang vor, eine durch eine einzelne Einspritzung eines
Arbeitsspiels einzuspritzende Kraftstoffmenge zu regeln und die durch die mindestens eine
weitere Einspritzung des Arbeitsspiels einzuspritzende Kraftstoffmenge vorzusteuern. Im
konkreten Fall von zwei Einspritzungen, von denen eine erste in einem Ansaugtakt eines
Zylinders und eine zweite in einem Verdichtungstakt erfolgt, ergeben sich demnach die zwei
Möglichkeiten, die frühe Einspritzung vorzusteuern und die späte Einspritzung zu regeln
oder die frühe Einspritzung zu regeln und die späte Einspritzung vorzusteuern. Dabei erfolgt
die Vorsteuerung in an sich bekannter Weise anhand von abgespeicherten Kennfeldern, die
eine Motorlastanforderung, insbesondere eine Drosselklappenstellung in einem
Luftansaugrohr und/oder ein Pedalwertgebersignal, mit einer erforderlichen Kraftstoffmenge
korrelieren. Ein so ermittelter Vorsteuerwert für die vorgesteuerte Einspritzung wird dann
beibehalten, wohingegen die entsprechend andere Einspritzung in bekannter Weise anhand
einer im Abgas gemessenen Konzentration mindestens einer Abgaskomponente,
insbesondere von Sauerstoff, geregelt wird. Alternativ kann vorgesehen sein, alle
Einspritzungen eines Arbeitsspiels proportional zu ihren einzuspritzenden Kraftstoffanteilen
zu regeln. Es ist ferner vorgesehen, dass bis zu einem Zeitpunkt, zu dem ein Gassensor, der
die Konzentration der Abgaskomponente erfasst, insbesondere eine Lambdasonde, eine
Betriebsbereitschaft nach einem Motorstart erreicht hat, alle Einspritzungen eines
Arbeitsspiels vorgesteuert werden. Dabei bestimmt sich ein zeitlicher Verzug bis zur
Herstellung der Betriebsbereitschaft im Wesentlichen durch eine Mindesttemperatur des
Gassensors und eine Abgaslauflänge zwischen Zylinder und Gassensor.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine
sowie zugeordnete Steuerungselemente und
Fig. 2 einen Verlauf einer mittleren Streuung einer durchgesetzten Kraftstoffmenge
in Abhängigkeit von einer Öffnungszeit eines Einspritzventils.
Von einer fremdgezündeten, magerlauffähigen Viertakt-Verbrennungskraftmaschine 10 ist in
Fig. 1 lediglich ein Zylinder 12 exemplarisch dargestellt. In einem Zylindergehäuse 14 des
Zylinders 12 ist ein Kolben 16 axial beweglich angeordnet. In einem Zylinderkopf 18 des
Zylindergehäuses 14 befindet sich an einer zentralen oberen Position eine Zündkerze 20 mit
Zündspule sowie an einer seitlichen Position ein Hochdruckeinspritzventil 22, mit welchem
eine direkte Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum 24 des Zylinders 12 möglich ist.
Die Versorgung des Einspritzventils 22 mit Kraftstoff erfolgt über eine Kraftstoffleitung 26.
Der Kraftstoff wird aus einem nicht dargestellten Kraftstofftank mittels einer ebenfalls nicht
dargestellten Kraftstoffpumpe gefördert und auf einen geringen Vordruck gebracht. Eine
Hochdruckpumpe 28 dient der Erzeugung eines Kraftstoffdruckes, der im üblichen
Fahrzeugbetrieb zwischen 40 und 120 bar beträgt und in Abhängigkeit von einem
Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 10 vorgegeben wird. Zusammen mit einem
nicht dargestellten Drucksteuerventil sorgt die Hochdruckpumpe 28 ferner für einen
Ausgleich von Druckschwankungen in einer dem Einspritzventil 22 vorgeschalteten
Kraftstoffleiste 30. Entsprechend der englischen Bezeichnung der Leiste 30 (Rail) wird der
Druck, mit dem der Kraftstoff dem Einspritzventil 22 vorgelagert wird, im Folgenden als
Raildruck pR bezeichnet. Die Erfassung des Raildrucks pR erfolgt mittels eines in der Leiste
30 angeordneten Drucksensors 32. In den Zylinderkopf 18 des Zylinders 12 mündet ferner
ein Lufteinlasskanal 34, welcher der Zuführung von Frischluft dient, wobei ein
Luftmassenstrom über die Stellung einer in dem Lufteinlasskanal 34 angeordneten
Drosselklappe 36 gesteuert wird. Darüber hinaus mündet ein Auslassrohr 38 in den
Brennraum 24, um ein von dort kommendes Abgas zusammen mit Abgasen der anderen
Zylinder in einem Abgaskanal 40 zu leiten. Eine im Auslassrohr 38 oder im Abgaskanal 40
angeordnete Lambdasonde 42 erfasst einen Sauerstoffanteil des Abgases und ermöglicht
eine Regelung des der Verbrennungskraftmaschine 10 beziehungsweise den Zylindern 12
zuzuführenden Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Eine Konvertierung von Schadstoffen des
Abgases erfolgt mittels mindestens eines im Abgaskanal 40 angeordneten Katalysators 44.
Eine Steuerung oder Regelung eines Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine 10
erfolgt durch ein Motorsteuergerät 46 unter Berücksichtigung einer Vielzahl verfügbarer
Betriebsdaten.
Insbesondere nach einem Motorkaltstart hat der Katalysator 44 in aller Regel seine, für eine
ausreichende Schadstoffkonvertierung erforderliche Betriebstemperatur noch nicht erreicht.
Dieses wird durch das Motorsteuergerät 46 beispielsweise anhand eines vor, hinter oder im
Katalysator 44 erfassten Temperatursensorsignals erkannt. Um eine Abgastemperatur
anzuheben und den Warmlauf des Katalysators 44 zu beschleunigen, schaltet die
Motorsteuerung 46 die Verbrennungskraftmaschine 10 in einen
Mehrfacheinspritzungsbetrieb um. Dabei wird in einem Ansaugtakt des Zylinders 12 eine
erste frühe Kraftstoffeinspritzung mittels des Einspritzventils 22 vorgenommen und in einem
anschließenden Verdichtungstakt, insbesondere in der zweiten Hälfte des
Verdichtungstaktes, eine zweite späte Kraftstoffeinspritzung. Die entsprechenden
Einspritzwinkel αE und Ventilöffnungszeiten Δt des Einspritzventils 22, ebenso wie ein
Zündwinkel αZ der Zündkerze 20, werden durch die Motorsteuerung 46 vorgegeben. Der in
der frühen Einspritzung zugeführte Kraftstoff liegt zum Zündzeitpunkt αZ in einer im
Wesentlichen homogenen Gemischaufbereitung im Brennraum 24 vor. Hingegen bildet der
in der späten Einspritzung zugeführte Kraftstoff eine Schichtladungswolke aus, die sich zum
Zündzeitpunkt αZ im Bereich der Zündkerze 20 konzentriert. Die Ausbildung dieser so
genannten Schichtladung wird durch eine spezielle muldenförmige Ausgestaltung des
Kolbenbodens des Kolbens 16 unterstützt. Die Aufteilung der insgesamt während eines
Arbeitsspiels des Zylinders 12 zuzuführenden Gesamtkraftstoffmenge auf zwei
Einspritzvorgänge erfordert sehr geringe Ventilöffnungszeiten Δt des Einspritzventils 22 und
wirft das Problem einer ungenauen Kraftstoffzumessung auf.
Zur Verdeutlichung ist eine prozentuale mittlere Streuung der durchgesetzten
Kraftstoffmenge σKS in Abhängigkeit von der Ventilöffnungszeit Δt in Fig. 2 dargestellt.
Oberhalb einer Ventilöffnungszeit von etwa 700 µs erfolgt der Kraftstoffdurchsatz mit einer
annähernd konstanten Streuung σKS auf niedrigem Niveau bei etwa 5%. Unterhalb Δtb
arbeitet das Einspritzventil 22 im so genannten ballistischen Bereich. Dieser ist
gekennzeichnet durch eine mit kleiner werdenden Öffnungszeiten schnell zunehmende
Streuung der durchgesetzten Kraftstoffmenge σKS. Diese stochastische Streuung der
Kraftstoffzumessung zwischen den einzelnen Arbeitsspielen des Zylinders 12 führen zu
einem ständigen und hohen Eingriff der Lambdaregelung sowie einer insgesamt ungenauen
Einstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Bei einem typischen Raildruck pR im Leerlauf
der Verbrennungskraftmaschine 10 von 40 bis 120 bar liegen die Ventilöffnungszeiten der
beiden Einspritzungen des Mehrfacheinspritzungsbetriebes üblicherweise im Bereich von
350 bis 500 µs und damit im unpräzisen ballistischen Bereich. Erfindungsgemäß ist daher
vorgesehen, den Raildruck pR und/oder die insgesamt zuzuführende Kraftstoffmenge
und/oder die Anteile der in den Einspritzungen zuzuführenden Kraftstoffmengen an der
Gesamtkraftstoffmenge derart vorzugeben beziehungsweise zu variieren, dass eine
vorgegebene kritische Ventilöffnungszeit ΔtK nicht unterschritten wird. Gemäß der in Fig. 2
beispielhaft dargestellten Kurve würde bei einer maximal tolerierbaren Streuung der
Kraftstoffzumessung von etwa ±10% eine kritische Ventilöffnungszeit ΔtK von etwa 500 µs
vorzugeben sein. Vorzugsweise erfolgt jedoch eine strengere Vorgabe nahe oder gleich der
ballistischen Grenze Δtb. Es sei jedoch nochmals darauf hingewiesen, dass die dargestellte
Kurve sowie die genannten Werte lediglich beispielhaft zu verstehen sind und stark von der
Bauart des Einspritzventils 22 abhängen.
Erkennt die Motorsteuerung 46, dass die Ventilöffnungszeit Δt der frühen und/oder der
späten Einspritzung unterhalb der vorgegebenen Öffnungszeit ΔtK liegt, so hebt sie zunächst
die in dieser kürzeren Einspritzung zuzuführende Kraftstoffmenge auf Kosten der längeren
Einspritzung an. Diese Variation der Einspritzanteile findet dort ihre Grenze, wo die längere
Einspritzung selbst soweit reduziert wird, dass auch sie in den ballistischen Bereich des
Einspritzventils 22 gerät. Liegen beide Einspritzungen im ballistischen Bereich, so wird dies
so lange toleriert, bis ein korrigierender Reglereingriff der Lambdaregelung eine
vorgegebene Schwelle überschreitet. Erst dann wird die insgesamt zuzuführende
Kraftstoffmenge angehoben, wobei sich die Ventilöffnungszeiten Δt beider Einspritzungen
soweit verlängern, dass möglichst beide Einspritzungen mit Ventilöffnungszeiten Δt oberhalb
der vorgegebenen Grenze ΔtK arbeiten. Ein durch die angehobene Gesamtkraftstoffmenge
erzeugtes Motornutzmoment kann durch Verstellung des Zündwinkels αZ, vorzugsweise in
Richtung eines späteren Zeitpunktes, weitgehend kompensiert werden. Alternativ zu diesen
Maßnahmen oder zusätzlich kann der Raildruck pR im Mehrfacheinspritzungsbetrieb
vorzugsweise auf unterhalb 25 bar abgesenkt werden. Dabei ist besonders vorteilhaft
vorgesehen, die Raildruckabsenkung in Abhängigkeit einer durch ein Pedalwertgebersignal
PWG ausgedrückten Motorlast und/oder einer Motordrehzahl n zu steuern. Dabei wird bei
geringeren Motorlasten, bei denen naturgemäß die erforderliche Kraftstoffmenge und damit
die Ventilöffnungszeiten Δt gering sind, ein niedrigerer Raildruck pR vorgegeben als bei
hohen Motorlasten.
Es ist weiterhin vorgesehen, eine der beiden Einspritzungen des
Mehrfacheinspritzungsbetriebs, beispielsweise die frühe im Ansaugtakt erfolgende
Einspritzung, vorzusteuern und die andere Einspritzung, beispielsweise die späte im
Verdichtungstakt erfolgende Einspritzung, zu regeln. Dafür wird zunächst in Abhängigkeit
von der angeforderten Motorlast, insbesondere von einem Pedalwertgebersignal PWG, ein
erforderlicher Luftmassenstrom von der Motorsteuerung 46 ermittelt und eine entsprechende
Ansteuerung der Drosselklappe 36 vorgenommen. Gleichzeitig beziehungsweise in
Abhängigkeit von der Drosselklappenstellung berechnet die Motorsteuerung 46 die
erforderliche, insgesamt zuzuführende Kraftstoffmenge und teilt diese entsprechend einer
optimalen Vorgabe auf die beiden Kraftstoffeinspritzungen auf. Dabei wird für die gesteuerte,
frühe Einspritzung die Ventilöffnungszeit Δt des Einspritzventils 22 anhand von
abgespeicherten Kennfeldern vorgegeben und konstant gehalten. Demgegenüber wird die
geregelte, späte Einspritzung mittels des durch die Lambdasonde 42 erfassten
Lambdasignals im Abgas geregelt. Dafür erfolgt eine Anpassung der Ventilöffnungszeit Δt
der späten Einspritzung in Abhängigkeit von einer Abweichung des gemessenen
Lambdawertes von einer Sollvorgabe. Alternativ können auch die Ventilöffnungszeiten Δt
beider Einspritzungen proportional zu ihrem Anteil an der Gesamtventilöffnungszeit
beziehungsweise der Gesamteinspritzmenge geregelt werden.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen gewährleisten mit einfachen Mitteln eine präzise
Kraftstoffzumessung im Mehrfacheinspritzungsbetrieb und ermöglichen somit eine
Applikation des Mehrfacheinspritzungsbetriebes über weite Betriebsbereiche, insbesondere
auch im Niedriglast- und Leerlaufbetrieb. Das Verfahren lässt sich ohne konstruktiven
Mehraufwand in einfacher Weise in ein bestehendes Motorsteuerungskonzept integrieren.
10
Verbrennungskraftmaschine
12
Zylinder
14
Zylindergehäuse
16
Kolben
18
Zylinderkopf
20
Zündkerze
22
Einspritzventil
24
Brennraum
26
Kraftstoffleitung
28
Hochdruckpumpe
30
Kraftstoffleiste (Rail)
32
Drucksensor
34
Lufteinlasskanal
36
Drosselklappe
38
Auslassrohr
40
Abgaskanal
42
Gassensor/Lambdasonde
44
Katalysator
46
Motorsteuergerät
αE
αE
Einspritzwinkel
αZ
αZ
Zündwinkel
λ Luftzahl Lambda
Δt Ventilöffnungszeit
Δtb
λ Luftzahl Lambda
Δt Ventilöffnungszeit
Δtb
Grenze der Ventilöffnungszeit zum ballistischen Bereich
ΔtK
ΔtK
kritische Ventilöffnungszeit
n Motordrehzahl
pR
n Motordrehzahl
pR
;Raildruck
PWG Pedalwertgebersignal
σKS
PWG Pedalwertgebersignal
σKS
mittlere Streuung des Kraftstoffdurchsatzes
Claims (17)
1. Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoffzumessung einer direkteinspritzenden
Verbrennungskraftmaschine (10) in einem Mehrfacheinspritzungsbetrieb, bei dem
während eines Arbeitsspiels eines Zylinders (12) der Verbrennungskraftmaschine (10)
mittels eines Einspritzventils (22) mindestens zwei Kraftstoffeinspritzungen in den
Zylinder (12) erfolgen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck (Raildruck, pR), unter
welchem der Kraftstoff dem Einspritzventil (22) vorgelagert wird, derart vorgegeben
wird, dass eine sich einstellende Ventilöffnungszeit (Δt) des Einspritzventils (22) bei
wenigstens einer Einspritzung eines Arbeitspiels eine vorgegebene Ventilöffnungszeit
(ΔtK) nicht unterschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Raildruck (pR) auf
höchstens 35 bar eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Raildruck (pR) auf
höchstens 30 bar, insbesondere auf höchstens 25 bar, eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
Raildruck (pR) in Abhängigkeit von einer Motorlast und/oder einer Motordrehzahl
gesteuert wird.
5. Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoffzumessung einer direkteinspritzenden
Verbrennungskraftmaschine (10) in einem Mehrfacheinspritzungsbetrieb, bei dem
während eines Arbeitsspiels eines Zylinders (12) der Verbrennungskraftmaschine (10)
mittels eines Einspritzventils (22) mindestens zwei Kraftstoffeinspritzungen in den
Zylinder (12) erfolgen, dadurch gekennzeichnet, dass eingespritzte Kraftstoffanteile
der einzelnen Einspritzungen eines Arbeitsspiels und/oder eine während einer
Mehrfacheinspritzung eingespritzte Gesamtkraftstoffmenge derart variiert werden, dass
eine sich einstellende Ventilöffnungszeit (Δt) bei wenigstens einer Einspritzung des
Arbeitspiels eine vorgegebene Ventilöffnungszeit (ΔtK) nicht unterschreitet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei voneinander
abweichenden Kraftstoffanteilen und Ventilöffnungszeiten (Δt) der einzelnen
Einspritzungen des Arbeitspiels die in einer kürzeren Einspritzung eingespritzte
Kraftstoffmenge soweit auf Kosten mindestens einer längeren Einspritzung angehoben
wird, bis die kürzere Ventilöffnungszeit (Δt) zumindest annähernd der vorgegebenen
Ventilöffnungszeit (ΔtK) entspricht.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass, falls alle
Ventilöffnungszeiten (Δt) der Einspritzungen eines Arbeitspiels unterhalb der
vorgegebenen Ventilöffnungszeit (ΔtK) liegen und/oder trotz Variation der
Kraftstoffanteile der einzelnen Einspritzungen mindestens eine Ventilöffnungszeit (Δt)
einer Einspritzung unterhalb der vorgegebenen Ventilöffnungszeit (ΔtK) liegt, die
innerhalb eines Arbeitstaktes zugeführte Gesamtkraftstoffmenge erst angehoben wird,
wenn ein Reglereingriff eines Lambdareglers eine vorgebbare Schwelle überschreitet.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein
durch die angehobene Gesamtkraftstoffmenge erzeugtes Nutzmoment durch
motorwirkungsgradmindernde Maßnahmen, insbesondere durch Verstellung eines
Zündwinkels, zumindest teilweise kompensiert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass, falls alle
Ventilöffnungszeiten (Δt) der Einspritzungen eines Arbeitspiels unterhalb der
vorgegebenen Ventilöffnungszeit (ΔtK) liegen und/oder trotz Variation der
Kraftstoffanteile der einzelnen Einspritzungen mindestens eine Ventilöffnungszeit (Δt)
einer Einspritzung unterhalb der vorgegebenen Ventilöffnungszeit (ΔtK) liegt, der
Mehrfacheinspritzungsbetrieb gesperrt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
oberhalb der vorgegebenen Ventilöffnungszeit (ΔtK) das Einspritzventil (22) mit einer
mittleren Streuung eines Kraftstoffdurchsatzes (σKS) von höchstens ±20%,
insbesondere von höchstens ±15%, insbesondere von höchstens ±10%, arbeitet.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die vorgegebene Ventilöffnungszeit (ΔtK) 550 µs, insbesondere 600 µs, insbesondere
700 µs, entspricht.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene
Ventilöffnungszeit (ΔtK) 300 µs, insbesondere 350 µs, insbesondere 450 µs, entspricht.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
eine durch eine Einspritzung eines Arbeitsspiels einzuspritzende Kraftstoffmenge
abhängig von einer Abweichung einer Ist-Kraftstoffmenge von einer Soll-
Kraftstoffmenge geregelt und eine durch die mindestens eine weitere Einspritzung des
Arbeitsspiels einzuspritzende Kraftstoffmenge vorgesteuert wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
alle Einspritzungen eines Arbeitsspiels abhängig von der Abweichung der Ist-
Kraftstoffmenge von der Soll-Kraftstoffmenge proportional zu ihren einzuspritzenden
Kraftstoffanteilen geregelt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass bis zu einem
Erreichen einer Betriebsbereitschaft eines Gassensors zur Erfassung der Konzentration
der Abgaskomponente, insbesondere einer Lambdasonde, alle Einspritzungen eines
Arbeitsspiels vorgesteuert werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die
Vorsteuerung mittels motorlastabhängiger Kennfelder erfolgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die
Regelung der einzuspritzenden Soll-Kraftstoffmenge anhand einer im Abgas
gemessenen Konzentration mindestens einer Abgaskomponente, insbesondere von
Sauerstoff, erfolgt.
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