DE102004040270B4

DE102004040270B4 - Verfahren zum Vorhersagen der Temperatur an der Spitze einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung

Info

Publication number: DE102004040270B4
Application number: DE102004040270A
Authority: DE
Inventors: Benjamin D. Ann Arbor Ellies; Mark E. Highland Johnston; Guojun Canton Shi; Michael Denny Highland Parr
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-09-15
Filing date: 2004-08-19
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2024-08-20
Also published as: US6877486B2; US20050056260A1; DE102004040270A1

Abstract

Verfahren zum Vorhersagen der Temperatur (FITT) an der Spitze einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (108) in einem Motor (102), das die folgenden Schritte umfasst:
Schätzen einer Anfangstemperatur (624) der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (108);
Berechnen einer Temperatur (404) der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (108) für den stabilen Zustand;
Bestimmen eines Filterkoeffizienten als Funktion der Luftdurchflussmenge in den Motor (102); und
Vorhersagen der FITT als Funktion der Anfangstemperatur (624) und der Temperatur (404) für den stabilen Zustand, wobei die Temperatur (404) für den stabilen Zustand mit einem durch den Filterkoeffizienten bestimmten Verhältnis in die FITT einfließt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anfangstemperatur (624) der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (108) als Funktion der Abkühlzeit (306) des Motors (102) derart abgeschätzt wird, dass sich die Anfangstemperatur (624) mit zunehmender Abkühlzeit (306) der Motorkühlmitteltemperatur (304) bei Neustart des Motors (102) annähert.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Kraftstoffeinspritzeinrichtungen für Brennkraftmaschinen und insbesondere die Vorhersage der Temperatur an der Spitze einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung in einer Brennkraftmaschine.
Brennkraftmaschinen, die typischerweise in Kraftfahrzeugen und anderen Motorantriebsanwendungen verwendet werden, werden im Allgemeinen durch die Verbrennung eines Gemisches aus Kraftstoff und Luft in den Brennkammern der Zylinder eines Motors angetrieben. Für viele Jahre war der Vergaser der bevorzugte Mechanismus für die Steuerung des Luft-/Kraftstoff-Gemisches. In jüngerer Zeit ist jedoch der Vergaser in großem Umfang durch ein Kraftstoffeinspritzsystem ersetzt worden, da der Kraftstoffeinspritzprozess gewöhnlich eine bessere Steuerung der das Motorverhalten beeinflussenden Parameter ergibt.
Im Allgemeinen verwenden alle neuen Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschine irgendeine Form eines Kraftstoffeinspritzsystems, um die Motoreigenschaften wie etwa den Kraftstoffwirkungsgrad, das Ansprechverhalten und die Abgasreinigung zu verbessern. Kraftstoffeinspritzsysteme unterscheiden sich zwar erheblich, sie werden jedoch typischerweise durch ein automatisches elektronisches Steuersystem gesteuert. Beispielsweise befinden sich typischerweise in unterschiedlichen Teilen eines Kraftfahrzeugs Sensoren, um Rückkopplungssignale wie etwa die Motordrehzahl, die Einlasslufttemperatur, die Antriebsbedingungen und andere Parameter, die das Motorverhalten beeinflussen, bereitzustellen. Diese Signale werden im Allgemeinen in einen Steuerprozessor innerhalb des elektronischen Steuersystems eingegeben, das den Betrieb des Kraftstoffeinspritzsystems in Reaktion auf die Sensoreingangssignale steuert.
Ein Schlüsselelement eines typischen Kraftstoffeinspritzsystems ist die Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die gewöhnlich eine Düse, ein Ventil (z. B. ein Nadel- oder Kugelventil), das der Düse zugeordnet ist, und eine Kompressionsfeder umfasst. In einem typischen Betrieb bewirkt das elektronische Steuersystem, dass Kraftstoff in die Einspritzeinrichtung mit ausreichendem Druck gepumpt wird, um die Feder zu komprimieren. Die Feder zwingt das Einspritzventil dazu, die Düse zu öffnen, wodurch ein kontrollierter Kraftstoffnebelstoß in eine entsprechende Brennkammer gesprüht werden kann. Der Kraftstoffnebel wird in der Kammer mit einer für die Zündung geeigneten Luftmenge kombiniert.
Das elektronische Steuersystem schafft im Allgemeinen zeitlich genau gesteuerte Öffnungs- und Schließzyklen des Einspritzventils, die bei Autobahngeschwindigkeiten mehr als 1000 pro Minute betragen können. Zusätzlich zu der zeitlichen Steuerung des Einspritzeinrichtungs-Öffnungs/Schließ-Zyklus kann das elektronische Steuersystem auch die Kraftstoffversorgung und das Luft-/Kraftstoff-Verhältnis in den Brennkammern steuern und die zeitliche Steuerung des Zündungssystems übernehmen. Moderne elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzsysteme können daher an sich einen verhältnismäßig hohen Motorleistungswirkungsgrad bei verringerten Abgasemissionen und verbessertem Kraftstoffverbrauch schaffen.
Damit ein elektronisches Steuersystem das Kraftstoffeinspritzsystem effizient steuert, werden verschiedene Strategien verwendet, um das Luft-/Kraftstoff-Verhältnis in den Brennkammern sowie andere Faktoren zu steuern. Wenigstens einige dieser Steuerungsstrategien hängen von den Temperaturen in Bezug auf verschiedene gemessene Motorparameter wie etwa in Bezug auf die Einlassluft, das Motorkühlmittel, die Öltemperatur und das zurückgeführte Motorabgas (AGR) ab. Die Kosten und die Lebensdauer begrenzen jedoch die Verwendung zusätzlicher Messvorrichtungen in einem in Großserie hergestellten Motor. Daher werden oftmals indirekte Schätztechniken verwendet, um die Einlassluft- oder Abgastemperaturen vorherzusagen, die in anderer Weise nur schwer direkt zu messen sind.
Ein weiterer Motorparameter, der schwer direkt zu messen ist, ist die Betriebstemperatur der Spitze der Kraftstoffeinrichtung, die im Folgenden als Kraftstoffeinspritzeinrichtungsspitzen-Temperatur oder FITT (FITT = fuel injector tip temperature) bezeichnet wird. Die genaue Vorhersage dieser Temperatur (FITT) unter verschiedenen Motorbetriebsbedingungen wie etwa Laufen und Neustart kann ein elektronisches Steuersystem in die Lage versetzen, die Temperatur der Einspritzeinrichtung besser mit der Kraftstoffkompensations-/Kraftstoffanreicherungs-Strategie zu korrelieren, um die Motorleistung zu optimieren.
Beispielsweise kann sich unter der Bedingung eines heißen Neustarts, bei dem ein laufender Motor für eine verhältnismäßig kurze Zeitdauer (z. B. 15 bis 45 Minuten) abgeschaltet und dann erneut gestartet wird, die Kraftstofftemperatur ausreichend stark erhöhen, um bei den Kraftstoffeinspritzeinrichtungen eine Dampfsperrebedingung hervorzurufen. Das heißt, dass der Kraftstoff aufgrund seiner extrem hohen Temperatur verdampfen könnte, bevor er geeignet in die Brennkammer einge spritzt werden kann. Wenn dies auftritt, ist es im Allgemeinen wünschenswert, irgendeine Art von Kraftstoffkompensationsstrategie wie etwa eine Kraftstoffanreicherung (Erniedrigen des Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses) oder eine Dampfabführung, bei der der Kraftstofftank-Dampf eingefangen und in den Einlasskrümmer eingeleitet wird, zu implementieren. Es ist daher wünschenswert, die Kraftstofftemperatur bei der Einspritzeinrichtung unter der Bedingung eines heißen Neustarts so genau wie möglich vorherzusagen, um eine optimal effiziente Kraftstoffkompensationsstrategie zu schaffen.
Frühere Strategien zum Identifizieren einer Bedingung eines heißen Motorneustarts basierten typischerweise auf Motorparametern wie etwa der Abschaltzeit, der Kühlmitteltemperatur beim Abschalten, der Getriebeöltemperatur beim Abschalten oder der Lufttemperatur beim Abschalten. Diese Parameter wurden im Allgemeinen während des heißen Neustarts für die Bezugnahme auf Kraftstoffkompensationstabellen verwendet, um den Bedarf an einem bestimmten Typ einer Kraftstoffkompensationsstrategie zu bestimmen. Diese Technik kann jedoch fälschlicherweise eine Kompensation überschüssigen Kraftstoffs und/oder eine Entleerung bei einem heißen Neustart auslösen, da die Kraftstoffkompensations-Tabelleninformationen unter Umständen die Motorbetriebsdynamik, die eine heiße Kraftstofftemperatur hervorruft, nicht genau darstellen könnten.
In DE 102 00 795 A1 und WO 02/33241 A1 werden Verfahren zum Vorhersagen der Temperatur einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit den Merkmalen der Oberbegriffs des Anspruchs 1 beschrieben.
Es ist daher wünschenswert, ein Verfahren zum genauen Vorhersagen der FITT in einem laufenden Motor, in dem hohe Kraftstoff temperaturen vorhanden sind, zu schaffen. Außerdem ist es wünschenswert, die vorhergesagte FITT als Kalibrierungsbasis für Kraftstoffkompensationsstrategien zu verwenden. Diese Aufgabenstellung kann mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst werden.
Ferner werden andere wünschenswerte Eigenschaften der Erfindung aus der nachfolgenden genauen Beschreibung der Erfindung und der beigefügten Ansprüche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und diesem Hintergrund der Erfindung deutlich.
Es wird ein Verfahren zum genauen Vorhersagen einer Temperatur der Spitze einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (FITT) beschrieben. Eine Technik für die Vorhersage der Temperatur der Spitze einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung in einem Motor umfasst zweckmäßig die Schritte des Schätzens einer Anfangstemperatur der Kraftstoffeinspritzeinrichtungsspitze und des Berechnens der Temperatur der Kraftstoffeinspritzeinrichtungsspitze im stabilen Zustand. Die Anfangstemperatur der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung wird dabei als Funktion der Abkühlzeit des Motors derart abgeschätzt, dass sich die Anfangstemperatur mit zunehmender Abkühlzeit der Motorkühlmitteltemperatur bei Neustart des Motors annähert. Ein Filterkoeffizient wird als Funktion der Luftdurchflussmenge in den Motor bestimmt und die FITT wird als Funktion der Anfangstemperatur, der Temperatur im stabilen Zustand und des Filterkoeffizienten vorhergesagt. In einer weiteren Ausführungsform wird die Temperatur im stabilen Zustand in eine Rückkopplungstemperatur mit einer durch den Filterkoeffizienten bestimmten Rate gefiltert.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigen:
1 einen Blockschaltplan eines beispielhaften automatisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzsystems für einen Motor;
2 einen Ablaufplan für eine beispielhafte Einspritzeinrichtungstemperatur-Vorhersagetechnik;
3 einen Blockschaltplan eines beispielhaften Temperaturvorhersagemoduls;
4 ein Logikdiagramm eines beispielhaften Temperaturvorhersageprozesses;
5 ein Logikdiagramm einer beispielhaften Technik zum Berechnen der Einspritzeinrichtungstemperatur im stabilen Zustand;
6 ein Logikdiagramm einer beispielhaften Technik zum Berechnen einer anfänglichen Einspritzeinrichtungstemperatur;
7 ein Logikdiagramm eines beispielhaften Moduls zum Identifizieren der Bedingung für ein Entleeren bei einem heißen Neustart; und
8 einen Ablaufplan einer beispielhaften Technik zum Entleeren bei einem heißen Neustart.
Die folgende genaue Beschreibung der Erfindung ist lediglich von beispielhafter Natur und soll die Erfindung oder ihre Anwendung oder ihre Verwendung nicht beschränken. Ferner ist nicht beabsichtigt, dass sie durch irgendeine Theorie, die im vorhergehenden Hintergrund der Erfindung oder in der folgenden genauen Beschreibung der Erfindung angegeben wird, beschränkt wird.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung werden die Temperaturen an der Spitze einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (FITT) in einen Motor für verschiedene Betriebsbedingungen vorhergesagt. Die Vorhersageberechnungen basieren im Allgemeinen auf Motorbetriebsparametern wie etwa dem Kühlmittel, der Luft- und Öltemperaturen, die anschließend unter Verwendung empirischer Formeln oder Algorithmen geeignet verarbeitet werden, um einen genau vorhergesagten Wert für die FITT zu erhalten. Im Allgemeinen kann die FITT unter Verwendung einer Verzögerungsfilter-Routine als Funktion der Temperatur des stabilen Zustands und einer Rückkopplungstemperatur aus einer vorhergehenden Iteration der Routine berechnet werden. Da beim Anlassen des Motors typischerweise keine Rückkopplungsdaten verfügbar sind, kann ein Anfangswert für die FITT geeignet geschätzt werden, wie im Folgenden genauer beschrieben wird. Die vorhergesagten Temperaturen der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung können bei der Steuerung des Kraftstoffeinspritzsystems nützlich sein, um den Wirkungsgrad der Motorleistung zu verbessern und um Bedingungen für eine mögliche Dampfsperre und/oder eine "Entleerung bei heißem Neustart" und dergleichen zu identifizieren.
In 1 ist eine beispielhafte Anordnung eines Kraftstoffeinspritzsystems 100 für einen Kraftfahrzeugmotor gezeigt 102. Der Motor 102 liefert typischerweise Sensordaten (auf Leitungen 110, 112, 114, 116) zurück zu einem Prozessor 104, der mit einem Speicher 106 geeignet verbunden ist. Beispielsweise können die Sensordaten Einlasslufttemperaturdaten 110, Abgasdurchflussdaten 112, Motoröltemperaturdaten 114 und Motorkühlmitteldaten 116 sowie andere Parameter, die auf die Motorleistung bezogen sind, umfassen. Der Prozessor 104 ist im Allgemeinen mit einem Kraftstoffeinspritzsystem 108 gekoppelt und stellt Steuersignale bereit, die den Betrieb des Kraftstoffeinspritzsystems 108 geeignet steuern. Der Prozessor 104 führt in Verbindung mit dem Speicher 106 typischerweise auch Berechnungen aus, um vorhergesagte Einspritzeinrichtungstemperaturen zu bestimmen und um geeignete Steuersignale für das Kraftstoffeinspritzsystem 108 zu bestimmen, wie später genauer beschrieben wird. Der Prozessor 104 kann irgendein Typ eines Mikroprozessors, eines Mikrocontrollers oder einer anderen Rechenvorrichtung sein, die Befehle in irgendeiner Computersprache ausführen kann. Der Speicher 106 ist irgendeine digitale Speichervorrichtung wie etwa ein statischer oder ein dynamischer Schreib-Lese-Speicher (RAM), ein Festwertspeicher (ROM), ein EEPROM, ein Flash-Speicher, ein optisches oder ein magnetisches Laufwerk oder dergleichen. In einer beispielhaften Ausführungsform sind der Prozessor 104 und der Speicher 106 geeignete Komponenten in einem Motorsteuermodul (ECM).
Eine beispielhafte Übersicht über ein Verfahren 200 zur Vorhersage der Temperatur (FITT) an der Spitze einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Motoren ist in Form des Ablaufplans von 2 angegeben. Wie in 2 gezeigt ist, umfasst das beispielhafte Verfahren 200 zur Vorhersage der Temperatur der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung die allgemeinen Schritte des Bestimmens eines Anfangstemperaturwerts (IT-Wert) (Schritte 202, 204, 206), des Berechnens eines Temperaturwerts (SS) im stabilen Zustands (Schritt 208) und des Bestimmens einer Vorhersage der FITT im Laufstadium anhand der Anfangstemperatur und der Temperatur des stabilen Zustands (Schritt 210). Die FITT kann als Ausgang bereitgestellt werden (Schritt 212), wobei der Vorhersageprozess 200 geeignet wiederholt werden kann (Schritt 214).
Wenn der Motor gestartet wird, wird eine Bestimmung der Starttemperatur der Kraftstoffeinspritzeinrichtung ausgeführt (Schritt 202). Wenn der Motor kalt ist, wird angenommen, dass die Kraftstoffein spritzeinrichtungstemperatur einen Voreinstellungswert besitzt, etwa einen Wert, der gleich der Motorkühlmitteltemperatur ist (Schritt 204). Falls der Motor warm ist, erfolgt eine Berechnung der vorhergesagten Temperatur der Kraftstoffeinspritzeinrichtung anhand der Abkühlzeit (d. h. der Zeit, während der der Motor abgeschaltet war) und gegebenenfalls anhand anderer Parameter (Schritt 206).
Der Schritt 208 stellt die Berechnung einer vorhergesagten Temperatur der Kraftstoffeinspritzeinrichtung des stabilen Zustands anhand einer empirischen Kombination von Motorparametern wie etwa der Motorkühlmitteltemperatur, der Lufttemperatur, der Öltemperatur und/oder gegebenenfalls anderer Faktoren dar.
Im Schritt 210 werden die berechnete Temperatur des stabilen Zustands und die Anfangstemperatur mit einem Filterkoeffizienten geeignet verarbeitet, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das eine momentane vorhergesagte Temperatur der Kraftstoffeinspritzeinrichtung darstellt (Schritt 212). Die resultierende vorhergesagte Temperatur der Kraftstoffeinspritzeinrichtung kann in nachfolgende Iterationen des Prozesses 200 zurückgeschleift und neu berechnet werden, um die vorhergesagte FITT geeignet zu aktualisieren (Schritt 214).
In 3 ist in vereinfachter Form eine beispielhafte Ausführungsform eines Moduls 300 zur Vorhersage der Temperatur an der Spitze einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung gezeigt. Die Vorhersageeinrichtung 300 repräsentiert irgendeinen Prozess, eine Anwendung, einen Teilprozess, ein Modul, ein Applet oder eine andere Routine, die in einer Verarbeitungsvorrichtung wie etwa einem Prozessor 104 (1) ausgeführt wird. In dieser Ausführungsform empfängt die Vorhersageeinrichtung 300 geeignet verschiedene Eingangssignale 302–320, die verschiedene Motor parameter und Fahrzeugbedingungen angeben, ähnlich wie in dem in 1 gezeigten Fall für den Prozessor 104 und den Speicher 106. Die Vorhersageeinrichtung 300 verwendet diese Eingangssignale, um anhand des dynamischen Zustands des Motors eine vorhergesagte Temperatur der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zu berechnen.
Die Dateneingänge für die Vorhersageeinrichtung 300 umfassen zweckmäßig verschiedene Motorparameter, die in die vorhergesagte FITT eingehen. Die beispielhaften Eingänge, die in 3 gezeigt sind, umfassen mehrere Faktoren, die mit einem laufenden Motor in Beziehung stehen, der für eine bestimmte Zeitdauer abgeschaltet wird und dann wieder gestartet und in einen Laufzustand gebracht wird. Die Abschaltzeitperiode des Motors wird im Folgenden als "Abkühlzeit" 306 bezeichnet, die mit einem Zeitgeber, einem Kristall, einer Uhr oder einem anderen Zeitmessgerät in Verbindung mit dem Prozessor 104 gemessen werden kann. Zum Zeitpunkt des Abschaltens des Motors kann eine Kühlmitteltemperatur 302 des Motors beim Abschalten gemessen und im Speicher (z. B. dem Speicher 106 von 1), der der Vorhersageeinrichtung 300 zweckmäßig zugeordnet ist, gespeichert werden. Zum Zeitpunkt des Neustarts des Motors kann die Motorkühlmitteltemperatur erneut gemessen werden, wobei dieser Wert typischerweise über die Leitung 304 ebenfalls im Speicher 106 des Prozessors 104 gespeichert wird.
Beispiele für Daten, die in den verschiedenen Ausführungsformen gesammelt werden können, umfassen die Motorkühlmitteltemperatur 308, die Einlasslufttemperatur 310, die Motoröltemperatur 312 (die geeignet erfasst und/oder modelliert werden kann), die Luftdurchflussmenge 314 in den Motor, die Durchflussmenge des rückgeführten Abgases 316 und/oder dergleichen. Die verschiedenen Dateneingänge 302–320 können durch Sensoren erfasst werden, die im gesamten Fahrzeug ange ordnet sind, und/oder können durch den Prozessor 104 oder dergleichen berechnet, modelliert oder in anderer Weise verarbeitet werden. In verschiedenen Ausführungsformen werden die Dateneingänge 302–320 im Speicher 106 für eine schnelle Wiedergewinnung durch den Prozessor 104 gespeichert. Außerdem teilt ein Motorlaufmerker 318 der Vorhersageeinrichtung 300 mit, ob der Motor läuft, außerdem kann die Motorlaufzeit 320 bereitgestellt werden. Die Vorhersageeinrichtung 300 manipuliert in geeigneter Weise die verschiedenen Datenfaktoren 302–320 wie im Folgenden beschrieben, um in Echtzeit eine vorhergesagte Temperatur (FITT) 324 an der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zu erzeugen, die für die Steuerung des Kraftstoffeinspritzsystems 108 oder für irgendeinen anderen Zweck verwendet werden kann. In verschiedenen Ausführungsformen berechnet die Vorhersageeinrichtung 300 außerdem einen Statusmerker 322 für "heißen Neustart", um gegebenenfalls den Zustand eines heißen Neustarts anzugeben, wie im Folgenden genauer beschrieben wird.
Ein beispielhaftes Verarbeitungs-Layout 400 für die Vorhersage der Temperatur an der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist in 4 in Form eines Blockschaltplans gezeigt, worin Module 402, 406 und 410 verschiedene Programmfunktionen, Unterroutinen, Software-Module, Objekte oder dergleichen repräsentieren. Im Allgemeinen arbeitet der Vorhersageeinrichtungsalgorithmus 410 als Verzögerungsfilter, das die berechnete Einspritzeinrichtungstemperatur (T_SS) 404 im stabilen Zustand in die momentane Einspritzeinrichtungstemperatur (T_curr) 411 unter Verwendung von Filterkoeffizienten (z. B. K₁, K₂) 408, die auf der Luftdurchflussmenge in den Motor basieren, filtert. Die Filterung kann unter Verwendung jedes beliebigen Schemas erfolgen. In verschiedenen Ausführungsformen können die relativen Beiträge der vorhergesagten und der momentanen Einspritzeinrichtungstemperatur folgendermaßen angegeben werden: K1TSS + K2Tcurr.
Da die Motorluftdurchflussmenge die Kühlungsrate der Spitze der Einspritzeinrichtung beeinflusst, werden die Koeffizienten K₁ und K₂ geeignet gewählt, damit die Filterung mit einer höheren Rate erfolgt, wenn die Luftdurchflussmenge verhältnismäßig hoch ist. Die Koeffizienten K₁ und K₂ werden in beliebiger Weise etwa aus einer Nachschlagtabelle 406 oder aus einem ähnlichen korrelativen Modul oder einer Funktion, die einen geeigneten Koeffizientenwert für eine beobachtete Motorluftdurchflussmenge 314 ergibt, erhalten. Alternativ können einer oder mehrere der Koeffizienten aus den Luftdurchflussmengendaten 314 unter Verwendung einer geeigneten mathematischen Beziehung berechnet werden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann K₁ angenähert gleich 1-K₂ sein, um die Berechnung und die Nachschlaganforderungen weiter zu vereinfachen. K₁ kann für eine durchschnittliche Luftdurchflussmenge beispielsweise etwa 0,99 betragen und für eine besonders hohe Luftdurchflussmenge etwa 0,95 betragen. Umgekehrt kann K₂ für eine durchschnittliche Luftdurchflussmenge etwa 0,01 betragen und für eine hohe Luftdurchflussmenge etwa 0,05 betragen. Diese besonderen Werte, die hier für die Koeffizienten angegeben worden sind, sind lediglich von beispielhafter Natur und können sich von einer Ausführungsform zur nächsten erheblich unterscheiden.
Um die vorhergesagte Temperatur für den stabilen Zustand zu berechnen, werden für die Routine 402 zum Berechnen des stabilen Zustands verschiedene Betriebsparameter wie etwa der Motorlaufmerker 318, die Echtzeit-Kühlmitteltemperatur 308, die Einlasslufttemperatur 310, die Motoröltemperatur 312 und die Durchflussmenge 316 des rückgeführten Abgases vorgesehen. Die Routine 402 berechnet einen gewichte ten Durchschnitt der Kühlmitteltemperatur 308, der Lufttemperatur 310 und der Öltemperatur 312 und kombiniert diesen gewichteten Durchschnitt optional mit einem Versatzwert, der mit der Abgasdurchflussmenge 316 in Beziehung steht, um eine vorhergesagte Temperatur der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 404 für den stabilen Zustand zu erhalten.
In 5 ist eine beispielhafte Ausführungsform für die in 4 gezeigte Berechnung der Temperatur der Kraftstoffeinspritzeinrichtung im stabilen Zustand genauer dargestellt. Wie oben kurz erwähnt worden ist, berechnet die Routine 402 für die Berechnung des stabilen Zustands zweckmäßig einen gewichteten Durchschnitt verschiedener Faktoren. Die Kühlmitteltemperatur 308, die Einlasslufttemperatur 310, die Motoröltemperatur 312 und/oder dergleichen können in verschiedenen Ausführungsformen vorgesehen und geeignet verarbeitet werden. Die besonderen Gewichtungsfaktoren, die für die Berechnung des gewichteten Durchschnitts verwendet werden, können sich von einer Implementierung zur nächsten stark unterscheiden. In bestimmten Motoren kann beispielsweise die Motoröltemperatur 312 modelliert anstatt direkt gemessen werden, wodurch die Genauigkeit der Öltemperaturdaten 312 abnimmt. In derartigen Ausführungsformen können dann die Öltemperaturdaten 312 in der Berechnung des gewichteten Durchschnitts sehr schwach gewichtet oder sogar weggelassen werden. In dem in 5 gezeigten Beispiel wird die Kühlmitteltemperatur 308 mit einem Gewichtungsfaktor 413 (z. B. ungefähr 0,36) kombiniert, während die Einlasslufttemperatur 310 mit einem Gewichtungsfaktor 415 (z. B. ungefähr 0,64) kombiniert wird, die Motoröltemperatur 312 mit einem Gewichtungsfaktor 417 (der typischerweise sehr klein ist, wie oben erwähnt worden ist) kombiniert wird und die Durchflussmenge 316 des rückgeführten Abgases in einen Versatzwert 419 umgesetzt wird. Die resultierenden Werte (413, 415, 417, 419) werden durch die Routine 402 geeignet kombiniert, um eine Temperatur der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 404 für den stabilen Zustand zu erzeugen. Erneut kann sich die besondere Formel, die für die Berechnung des gewichteten Durchschnitts 404 verwendet wird, von einer Ausführungsform zur nächsten erheblich unterscheiden und kann irgendeine Anzahl von Temperaturmessungen umfassen, die mit beliebigen Werten skaliert und/oder gewichtet werden.
In 6 ist eine beispielhafte Ausführungsform der Berechnung 600 der anfänglichen Temperatur der Kraftstoffeinspritzeinrichtung gezeigt. In dieser Ausführungsform wird angenommen, dass ein laufender Motor für eine Zeitdauer (d. h. während der Abkühlzeit) abgeschaltet war und dann erneut gestartet wird. Bei abgeschaltetem Motor wird angenommen, dass die letzte Temperatur 602 an der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemessen und im Prozessorspeicher (z. B. im Speicher 106 in 1) gespeichert wurde und dass die Kühlmitteltemperatur 302 bei abgeschaltetem Motor ebenfalls gemessen und gespeichert wurde. Das Verhältnis dieser Temperaturwerte wird zweckmäßig als ein Anfangsverhältnis 606 berechnet.
Beim erneuten Starten des Motors werden beispielsweise die Abkühlzeit 306 und die Abkühlzeit-Konstante 610 kombiniert, um eine Abkühlzeit-Abfallrate 612 zu erzeugen, wobei die Abkühlzeit-Konstante 610 typischerweise auf den inhärenten Eigenschaften des Motors basiert. Das Anfangsverhältnis 606 wird mit der Abfallrate 612 mathematisch kombiniert, um ein momentanes Abkühlverhältnis 614 zu erzeugen. Beim Starten wird dann die Kühlmitteltemperatur 304 typischerweise mit dem momentanen Abkühlverhältnis 614 in einer mathematischen Vorhersageroutine 618 kombiniert, um eine anfängliche Abkühltemperatur zu erzeugen, die eine Temperatur der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zum Zeitpunkt des Neustarts des Motors repräsentiert.
Im Allgemeinen kann ein vorhergesagter Anfangswert der Einspritzeinrichtungstemperatur anhand der Motorkühlmitteltemperatur 304 beim Starten, des Verhältnisses der Einspritzeinrichtungstemperatur 602 zu der Kühlmitteltemperatur 302 beim Abschalten des Motors und der Abkühlzeit 306 für den Motor berechnet werden. Eine beispielhafte Formel für die Berechnung der anfänglichen Warmhaltetemperatur lautet:
wobei K eine empirisch abgeleitete Konstante 610 ist (z. B. eine Konstante in der Größenordnung von 0,05/Minute), die dazu verwendet wird, das Temperaturverhältnis so zu skalieren, dass die anfängliche Einspritzeinrichtungstemperatur 624 sich mit zunehmender Abkühlzeit an die Motorkühlmitteltemperatur 304 beim Neustart annähert. Alternativ kann der Prozess 600 die anfängliche Einspritzeinrichtungstemperatur 624 einfach gleich der Kühlmitteltemperatur 304 beim Start setzen, wenn sich der Motor länger als eine vorgegebene Zeitdauer (z. B. in der Größenordnung von mehreren Stunden oder mehr) abgekühlt hat. Dieses Merkmal kann mit einer herkömmlichen WENN-DANN-Schaltlogik 622 oder dergleichen implementiert werden. Obwohl 6 eine Technik zur Verarbeitung der anfänglichen Einspritzeinrichtungstemperatur 624 zeigt, können verschiedene äquivalente Techniken in alternativen Ausführungsformen formuliert werden.
Wie in 4 gezeigt ist, kann die Schätzung der anfänglichen Einspritzeinrichtungstemperatur 624 als ein anfänglicher Eingang in den Vorhersageeinrichtungsalgorithmus 410 bereitgestellt werden, um einen geeigneten vorhergesagten Wert 324 für die FITT zu berechnen. Nach der anfänglichen Berechnung von FITT kann der berechnete Wert die An fangstemperatur 624 für nachfolgende Berechnungen ersetzen. Das heißt, dass der Vorhersageeinrichtungsalgorithmus 410 geeignet in einer Rückkopplungskonfiguration arbeitet, um die vorhergesagte FITT 324 unter Verwendung von Skalierungskoeffizienten wie oben beschrieben zu filtern, um sie zunehmend an die Temperatur 404 des stabilen Zustands anzunähern. Eine genaue Schätzung von FITT hat in einem herkömmlichen Fahrzeug zahlreiche nützliche Verwendungen. Die FITT kann als Faktor zur Bestimmung geeigneter Steuersignale vom Prozessor 104 beispielsweise für das Kraftstoffeinspritzsystem 108 (1) verwendet werden oder dazu, Bedingungen einer möglichen Dampfsperre und/oder eines heißen Neustarts zu identifizieren. Da die beispielhaften Techniken, die hier beschrieben werden, die Temperatur der Kraftstoffeinspritzeinrichtung beim Neustart anhand von Berechnungen statt einer Nachschlagtabelle vorhersagen, wird erwartet, dass die hier beschriebenen Berechnungsverfahren genauere Temperaturwerte der Kraftstoffeinspritzeinrichtung unter dynamischen Motorbedingungen ergeben als sie aus einem Nachschlagtabellen-Verfahren erhältlich wären, wodurch das Motorbetriebsverhalten verbessert wird.
Ein erheblicher Nutzen der verbesserten Temperaturvorhersagegenauigkeit umfasst die Implementierung von Kraftstoffkompensationsstrategien wie etwa der Dampfabführung bei heißem Neustart (HRP = hot restart vapor purge). Unter der Bedingung eines heißen Neustarts kann die Temperatur der Kraftstoffeinspritzeinrichtung eine Verdampfungstemperatur erreichen, die den Verbrennungsprozess verschlechtert. Der Steuerprozessor (z. B. 104 in 1) ist gewöhnlich so konfiguriert, dass er in dieser Situation eine Kraftstoffkompensationsstrategie aktiviert, um den Kraftstoffeinspritzprozess anzureichern. Ein Typ einer herkömmlichen Kraftstoffkompensationsstrategie umfasst die Freigabe von Kraftstoffdämpfen, die in einem Tank enthalten sind, in die Motorbrennkammer, um die Abgabe übermäßiger Kraftstoffemissionen in die Atmosphäre zu verhindern. Beispielhafte Kriterien für die Aktivierung einer Kraftstoffkompensationsstrategie umfassen die Kraftstofftemperatur bei der Einspritzeinrichtung und die Motorlaufzeit. Ein Typ einer Steuerstrategie zur Entleerung eines Tanks ist in dem Patent US 6 003 498 A beschrieben, obwohl verschiedene Techniken, die hier beschrieben sind, mit jedem beliebigen Typ einer Kraftstoffkompensationsstrategie wie oben beschrieben verwendet werden könnten.
Eine beispielhafte Technik für die Freigabe einer Entleerungskompensationswirkung bei heißem Neustart (HRP) ist in den 7 und 8 gezeigt. Wie in 7 gezeigt ist, empfängt ein Logikmodul 702 einen Motorlaufmerker 318, eine Anfangstemperatur einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 624, eine momentane Einspritzeinrichtungstemperatur 324 und einen Motorlaufzeit-Messwert 320. Wenn alle Freigabekriterien erfüllt sind, gibt die Logik 702 im Allgemeinen ein Freigabe-HRP-Signal 712 aus, um ein (nicht gezeigtes) Dampfentleerungssystem zu aktivieren, wenn die Bedingungen geeignet sind.
Wie in dem Ablaufplan von 8 gezeigt ist, umfasst ein beispielhafter Prozess 800 zum Identifizieren einer HRP-Bedingung zweckmäßig die allgemeinen Schritte des Vergleichens der Start-FITT 624, der momentanen FITT 324 und der Motorlaufzeit 320 mit verschiedenen Schwellenwerten. Vor den Vergleichsschritten bestimmt der Prozess 800 optional, ob der Motor läuft (Schritt 802). Wenn der Motor nicht läuft, hält der Prozess an. Wenn der Motor läuft, wird der Prozess dadurch fortgesetzt, dass bestimmt wird, ob die Temperatur der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 624 beim Starten über einem ersten vorgegebenen Schwellenwert TH₁ liegt (Schritt 804). Ein beispielhafter Schwellenwert für den Schritt 804 liegt in der Größenordnung von etwa 115°C. Wenn die Start-FITT 624 über der Schwellentemperatur liegt, wird die Verarbeitung fortgesetzt (Schritt 806), bis die momentane Temperatur der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 324 einen zweiten vorgegebenen Sperrschwellenwert TH₂ (der in der Größenordnung von etwa 105°C liegt) nicht mehr übersteigt. Falls die momentane FITT größer als der zweite Schwellenwert bleibt, wird die Verarbeitung weiterhin fortgesetzt (Schritt 808), um festzustellen, ob die Motorlaufzeit kürzer als ein dritter Schwellenwert TH₃ ist, der in der Größenordnung von etwa 300 Sekunden liegen kann, wobei dieser Wert sich von einer Ausführungsform zur nächsten stark unterscheiden kann. Wenn schließlich alle Kriterien erfüllt sind, wird im Schritt 810 ein Freigabe-HRP-Befehl erzeugt, wie in 7 durch das Freigabe-HRP-Signal 712 angegeben ist, um eine Entleerung des Kraftstoffdampfkanisters bei einem heißen Neustart zu beginnen.
Folglich werden die Nachteile des Standes der Technik beseitigt, indem eine verbesserte Technik für die Vorhersage der Kraftstoffeinspritzeinrichtungstemperatur geschaffen wird. Die beispielhafte Technik umfasst das Berechnen einer anfänglichen Einspritzeinrichtungstemperatur beim Neustart des Motors anhand der die hohen Kraftstofftemperaturen beeinflussenden dynamischen physikalischen Parameter statt der statischen Nachschlagtabellendaten. Somit können Kraftstoffkompensationsstrategien auf genauere Informationen zurückgreifen, wodurch der Motorleistungswirkungsgrad verbessert wird.
Zusammengefasst betrifft die Erfindung Verfahren zum genauen Vorhersagen einer Temperatur der Spitze einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (FITT). Eine Technik zum Vorhersagen der Temperatur an der Spitze einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung in einem Motor umfasst zweckmäßig die Schritte des Schätzens einer Anfangstemperatur der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und des Berechnens einer Tem peratur der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung im stabilen Zustand. Die Anfangstemperatur der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung wird als Funktion der Abkühlzeit des Motors derart abgeschätzt, dass sich die Anfangstemperatur mit zunehmender Abkühlzeit der Motorkühlmitteltemperatur bei Neustart des Motors annähert. Ein Filterkoeffizient wird als eine Funktion der Luftdurchflussmenge in den Motor bestimmt. Die Temperatur der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung wird als Funktion der Anfangstemperatur, der Temperatur im stabilen Zustand und des Filterkoeffizienten vorhergesagt. In einer weiteren Ausführungsform wird die Temperatur im stabilen Zustand in eine Rückkopplungstemperatur mit einer Rate gefiltert, die durch den Filterkoeffizienten bestimmt ist.

Claims

Verfahren zum Vorhersagen der Temperatur (FITT) an der Spitze einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (108) in einem Motor (102), das die folgenden Schritte umfasst: Schätzen einer Anfangstemperatur (624) der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (108); Berechnen einer Temperatur (404) der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (108) für den stabilen Zustand; Bestimmen eines Filterkoeffizienten als Funktion der Luftdurchflussmenge in den Motor (102); und Vorhersagen der FITT als Funktion der Anfangstemperatur (624) und der Temperatur (404) für den stabilen Zustand, wobei die Temperatur (404) für den stabilen Zustand mit einem durch den Filterkoeffizienten bestimmten Verhältnis in die FITT einfließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangstemperatur (624) der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (108) als Funktion der Abkühlzeit (306) des Motors (102) derart abgeschätzt wird, dass sich die Anfangstemperatur (624) mit zunehmender Abkühlzeit (306) der Motorkühlmitteltemperatur (304) bei Neustart des Motors (102) annähert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schätzung der Anfangstemperatur (624) als Funktion eines Verhältnisses zwischen einer Einspritzeinrichtungstemperatur (602) beim Abschalten des Motors (102) und einer Motorkühlmitteltemperatur (302) beim Abschalten des Motors (102) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis mit einem mit der Abkühlzeit (306) des Motors (102) abklingenden Faktor modifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis mit einem mit der Abkühlzeit (306) exponentiell abklingenden Faktor modifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangstemperatur (624) gemäß
bestimmt wird, wobei K eine Konstante ist, T_{Einspritz_Neustart} die Anfangstemperatur ist, T_{Kühlmittel_Neustart} die Temperatur des Motorkühlmittels beim Neustart ist, T_{Einspritz_Abschalt} die Einspritzeinrichtungstemperatur beim Abschalten des Motors (102) ist, T_{Kühlmittel_Abschalt} die Motorkühlmitteltemperatur beim Abschalten des Motors (102) ist und Zeit_Abkühl die Abkühlzeit ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (404) der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (108) für den stabilen Zustand als Funktion wenigstens der Motorkühlmitteltemperatur (308) und der Lufttemperatur (310) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (404) der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (108) für den stabilen Zustand als ein gewichteter Durchschnitt berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der gewichtete Durchschnitt um einen Versatzwert versetzt wird, der als Funktion des Abgasdurchflusses bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorhersage der FITT die Temperatur (404) für den stabilen Zustand mit einem durch einen Filterkoeffizienten bestimmten Verhältnis in die FITT einfließt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet dass bei der Vorhersage der FITT ein Rückkopplungswert der FITT für das Verzögerungsfilter bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt des Auslösens einer Dampfabführung (HRP) bei heißem Neustart, falls die vorhergesagte Temperatur einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkoeffizient als Funktion der Luftdurchflussmenge in den Motor (102) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorhersage der FITT die Anfangstemperatur (624) als erster Wert für die FITT verwendet wird.