DE102006027823A1

DE102006027823A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Anpassen der Ventilcharakteristik eines Kraftstoff-Einspritzventils

Info

Publication number: DE102006027823A1
Application number: DE102006027823A
Authority: DE
Inventors: Frank Weiss; Hong Dr. Zhang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2006-06-16
Filing date: 2006-06-16
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2026-06-17
Also published as: US20090248273A1; US7930090B2; CN101473128A; WO2007144254A1; EP2035676A1; DE102006027823B4; CN101473128B

Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zum Anpassen der Ventilcharakteristik eines Kraftstoff-Einspritzventils, das eine piezoelektrisch angetriebene Düsennadel aufweist und durch das Kraftstoff direkt in den Brennraum eines Verbrennungsmotors eingespritzt wird, an herstellungs- oder alterungsbedingte Änderungen des Einspritzverhaltens. Die Ansteuerenergie und der Nadelhub des Kraftstoff-Einspritzventils werden derart gesteuert, dass sich das Motordrehmoment bei einem Kraftstoff-Einspritzventil mit Referenzcharakteristik nicht veränderen würde. Wird dabei eine tatsächlich auftretende Änderung des Motordrehmoments erkannt, so wird durch Verändern der Steigung der Ansteuerenergie-Nadelhub-Kennlinie des Kraftstoff-Einspritzventils das Motordrehmoment an das mit einem Einspritzventil mit Referenzcharakteristik erzeugte Motordrehmoment angepasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren oder eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. 11. Dieses Verfahren oder diese Vorrichtung dient zum Anpassen der Ventilcharakteristik eines Kraftstoff-Einspritzventils, das eine piezoelektrisch angetriebene Düsennadel aufweist und durch das Kraftstoff direkt in den Brennraum eines Verbrennungsmotors eingespritzt wird, indem der Betriebszustand des Verbrennungsmotors mit Sensoren überwacht und die Ventilcharakteristik an herstellungs- oder alterungsbedingte Änderungen seines Einspritzverhaltens angepasst wird.
Bei einem Verfahren zum Anpassen einer Einspritzventilcharakteristik eines angesteuerten Kraftstoff-Einspritzventils einer Brennkraftmaschine an alterungsbedingte Änderungen seines Ist-Einspritzverhaltens ( DE 102 57 686 A1 ) wird während eines keine Kraftstoffeinspritzung erfordernden Betriebszustandes der Brennkraftmaschine das Einspritzventil intermittierend angesteuert, während ansonsten keine Kraftstoffeinspritzung erfolgt. Mindestens ein Arbeitsspiel mit Ansteuerung folgt oder geht einem Arbeitsspiel ohne Ansteuerung des Einspritzventils voran. Jeweils ein Drehzahl-Wert der Brennkraftmaschine für das Arbeitsspiel mit Ansteuerung und für mindestens eines der Arbeitsspiele ohne Ansteuerung wird detektiert, eine Differenz der detektierten Werte wird gebildet und damit eine Korrektur der Einspritzcharakteristik vorgenommen.
Zur exakten Steuerung von Verbrennungsmotoren ist es von entscheidender Bedeutung, die eingespritzte Kraftstoffmange genau zu dosieren. Die eingespritzte Menge hängt bei modernen Piezo-Einspritzventilen mit Direktantrieb von den Parametern Öffnungsdauer und Nadelhub ab. Bei dem vorstehend genannten Verfahren wird nur die Öffnungsdauer des Einspritzventils an alterungsbedingte Änderungen des Einspritzverhaltens angepasst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Anpassen der Ventilcharakteristik oder Ventilkennlinie eines Kraftstoff-Einspritzventils zu schaffen, bei dem der Nadelhub des Einspritzventils an alterungsbedingte Änderungen des Einspritzverhaltens angepasst wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 oder durch eine Vorrichtung nach Anspruch 11 gelöst.
Bei diesem Verfahren werden die Ansteuerenergie und der Nadelhub des Kraftstoff-Einspritzventils derart gesteuert, dass sich das Motordrehmoment bei einem Kraftstoff-Einspritzventil mit Referenzcharakteristik nicht verändern würde; eine tatsächlich auftretende Änderung des Motordrehmoments wird erfasst, und durch Verändern der Steigung der Ansteuerenergie-Nadelhub-Kennlinie des Kraftstoff-Einspritzventils wird das Motordrehmoment an das mit einem Einspritzventil mit Referenzcharakteristik erzeugte Motordrehmoment angepasst.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass durch die Adaption der Ansteuerenergie/Nadelhub-Kennlinie von Piezo-Einspritzventilen mit Direktantrieb an Serienstreuungen und sonstige Toleranzen ein genaueres Steuern der Verbrennung ermöglicht wird. Damit lässt sich auch der Kraftstoffverbrauch reduzieren.
Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine Einspritzanlage für einen Kraftfahrzeugmotor, in der das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird, in schematischer Darstellung;
2 ein Diagramm zum Erläutern des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
3 eine Flussdiagramm-Darstellung dieses Verfahrens.
Eine Einspritzanlage EA für einen Kraftfahrzeugmotor, insbesondere einen Dieselmotor, umfasst einen Kraftstofftank 1, aus dem von einer Vorförderpumpe 3 über ein Filter 2 Kraftstoff angesaugt wird (1). Der von der Vorförderpumpe 3 abgegebene Kraftstoff wird von einer Hochdruckförderpumpe 4 auf einen hohen Druck, von etwa 1.500 bar, verdichtet. Der unter Druck stehende Kraftstoff wird in eine Speicherschiene 7 (häufig auch als „common rail" bezeichnet) eingegeben, an der ein Drucksensor 6 den Druck des Kraftstoffs erfasst. Der Druck in der Speicherschiene 7 wird durch ein Druckregelventil 5 eingestellt, das dabei überschüssigen Kraftstoff über (nur angedeutete) Leitungen in den Kraftstofftank 1 ablässt. An die Speicherschiene 7 sind im vorliegenden Beispiel sechs Einspritzdüsen oder Einspritzventile 8 angeschlossen. Die Einspritzdüsen 8 haben neben der Hochdruckverbindung zur Speicherschiene 7 auch noch einen Leckageablass 11, über den überschüssiger Kraftstoff zum Kraftstofftank 1 zurückgeführt wird. Ein Einspritzventil 8 kann insbesondere einen piezoelektrischen Aktor enthalten, der hier nicht näher dargestellt ist, da er für sich bekannt ist (siehe zum Beispiel DE 10 2004 051 405 A1 ).
Die Einspritzanlage EA wird von einem Steuergerät 10 überwacht und gesteuert, das mit der Hochdruckförderpumpe 4 verbunden ist, um diese zu steuern, und das die Messwerte des Druckaufnehmers 6 auswertet. Das Steuergerät 10 ist außerdem an die Ausgänge weiterer Sensoren 9 angeschlossen. Auch die Einspritzdüsen 8 werden vom Steuergerät 10 gesteuert. Der Aufbau einer derartigen Einspritzanlage ist in der Patentschrift DE 199 57 732 B4 beschrieben.
In dem Diagramm von 2 ist auf der Abszisse die Ansteuerenergie eines Einspritzventils 8 und auf der Ordinate der Nadelhub, das heißt der Hub der Düsennadel des Einspritzventils oder der Einspritzdüse 8 aufgetragen. Als Ansteuerenergie wird hier die Energie zum Betätigen der Düsennadel bezeichnet. Die Referenz- oder Nominalkennlinie eines fehlerfreien Einspritzventils ist mit einer gestrichelten Linie und eine erfindungsgemäß adaptierte Kennlinie mit einer durchgezogenen Linie dargestellt.
Der Nadelhub eines modernen Piezo-Einspritzventils mit Direktantrieb hängt von der Energie der Ansteuerung ab. Der Nadelhub steigt mit steigender Energie. Die Anpassung der Ventilcharakteristik (oder der Ventilkennlinie) an herstellungs- oder alterungsbedingte Änderungen des Ist-Einspritzverhaltens des Ventils – im Folgenden verkürzt als Adaption bezeichnet – und damit die Adaption des Nadelhubs wird durch Überwachen der Motorsensoren (für Drehzahl, Verbrennungsdruck, Klopfsensor), also durch Auswerten der Sensorsignale, und durch Verändern der Ansteuerenergie durchgeführt. Dabei wird die Öffnungsdauer des Ventils durch Messung oder Adaption als bekannt vorausgesetzt.
Der Adaption liegt die Kenntnis zugrunde, dass eine vorgegebene Kraftstoff-Einspritzmenge auf verschiedene Arten realisiert werden kann. Die Einspritzmenge kann mit einer kurzen Dauer der Einspritzung und einem großem Nadelhub oder einer längeren Dauer und einem kleinen Nadelhub realisiert werden. Entsprechend gibt es hier zwei Methoden für die Adaption.
Wird erstens in einem konstanten Betriebspunkt der Nadelhub für eine oder mehrere Einspritzungen bei gleichzeitiger Verringerung der Einspritzzeit, erhöht, und ergibt sich dabei eine Verringerung des Drehmomentes (durch Verringerung der Motordrehzahl oder des Verbrennungsdrucks), so kann mit dieser Information die Ventilkennlinie, die den Zusammenhang zwischen Ansteuerenergie und Nadelhub abbildet, adaptiert werden. Für den Fall eines steigenden Nadelhubes und fallenden Drehmoments wird die Kennlinie in der Weise verändert, dass der Nadelhub vergrößert wird, und zwar durch eine Erhöhung der Steigung der Kennlinie (siehe 2).
Zu beachten ist, dass gleichzeitig mit dem Erhöhen des Ventilhubes die Ansteuerzeit verringert wird. Dabei würde sich bei einem Referenzventil keine Drehmoment- oder Drehzahl-Veränderung ergeben und es würde keine Adaption erfolgen. Nur wenn das Ventil aufgrund von Toleranzen oder von Verschleiß vom Referenzventil abweicht, verändert sich auch das Drehmoment oder die Drehzahl. Im beschriebenen Fall fällt das Drehmoment bzw. die Drehzahl. Damit ist es erforderlich, die Steigung der Kennlinie nach oben zu korrigieren. Die Steigung der Kennlinie wird zweckmäßigerweise dadurch geändert, dass man die Kennlinie um den Schnittpunkt der Referenzkennlinie und der adaptierten Kennlinie in 2 verschwenkt. Dies entspricht in der Ordinatenachse einem Offset der minimalen Ansteuerenergie.
Wird hingegen festgestellt, dass das Drehmoment aufgrund der Ventiltoleranzen ansteigt, so ist die Adaption durchzuführen, indem die Steigung der Kennlinie nach unten zu korrigiert wird. Eine größere Ventiltoleranz bedeutet zum Beispiel, dass die Einspritzöffnung des Ventils größer als vorgesehen ist, wodurch mehr Kraftstoff eingespritzt wird.
Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Ventilhub verringert und die Ansteuerzeit erhöht, so dass auch hier das Drehmoment des Motors bei einem Referenzventil konstant bleiben würde. Als Folge der tatsächlich gegebenen Ventiltoleranzen kann dabei jeweils eines der vorstehend beschrieben Ergebnisse eintreten: Bei positiven Ventiltoleranzen steigt das Drehmoment und bei negativen Ventiltoleranzen sinkt das Drehmoment. Sinkt das Drehmoment, so erfordert dies eine sinkende Steigung der Ventilkennlinie.
Steigt hingegen aufgrund von Ventiltoleranzen das Drehmoment an, führt das zu einer Erhöhung der Steigung der Ventilkennlinie.
Es ist zu berücksichtigen, dass sich der Wirkungsgrad der Verbrennung verändern kann, wenn zwar die gleiche Kraftstoffmenge diese aber in kürzerer Zeit eingespritzt wird. Der Grund dafür ist eine veränderte Kraftstoffaufbereitung. Zusätzlich können sich Änderungen des Raildruckes, das heißt des Druckes in der Speicherschiene 7, auf die Adaptionswerte auswirken, so dass die Adaption bei unterschiedlichen Raildrücken durchzuführen ist. Das Verfahren wird vorzugsweise zylinderselektiv ausgeführt, um jedes Ventil individuell zu adaptieren. Mit einer Adaption kann darüber hinaus die Steigung der Ansteuerenergie/Nadelhub-Kennlinie in jedem Punkt korrigiert werden. Das heißt, es kann auch eine Kennlinie adaptiert werden, die sich aus mehreren Kennlinienstücken zusammensetzt.
Eine zweite Adaptionsmethode besteht darin, den Nulldurchgang der Kennlinie, also die minimale Energie, mit der ein Ventil gerade öffnet, zu bestimmen. Dazu wird im Schubbetrieb (das heißt bei ausgeschalteter Einspritzung), beginnend mit einer sehr kleinen Energie, die das Ventil sicher noch nicht öffnet, die Ansteuerenergie schrittweise erhöht. Die minimale Ansteuerenergie ist erreicht, wenn zum ersten Mal eine Drehmomenterhöhung des Motors erkannt wird. Die Erkennung geschieht mit Hilfe von Drehzahl-, Verbrennungsdruck- oder Klopfsensoren. Die Adaption wird auch hier zweckmäßigerweise zylinderselektiv und bei verschiedenen Raildrücken durchgeführt.
Mit jeder der beiden Methoden wird die adaptierte Ansteuerenergie/Nadelhub-Kennlinie, das heißt die an den tatsächlichen Zustand des Einspritzventils 8 angepasste Ventilkennlinie, vollständig bestimmt.
Das in dem Flussdiagramm von 3 dargestellte Verfahren weist folgende Schritte S_i auf:
S1 Nach dem Start des Verfahrens wird in einem Schritt
S2 abgefragt, ob sich der Motor im Schubbetrieb befindet. Falls ja, wird in einem Schritt
S3 die Ansteuerenergie erhöht. Danach wird in einem Schritt
S4 abgefragt, ob sich die Motordrehzahl erhöht hat. Falls nein, erfolgt ein Rücksprung zu dem Schritt S3. Falls ja, wird in einem Schritt
S5 die minimale Ansteuerenergie adaptiert, das heißt verändert (siehe 2). Danach wird in einem Schritt
S6 die Ansteuerenergie erhöht und diese Änderung ΔE der Energie mit der Änderung ΔN der Drehzahl bewertet. (Die Bewertung wird im Anschluss an dieses Flussdiagramm erläutert.)
Danach wird in einem Schritt
S7 die Steigung der Kennlinie für die Ansteuerenergie adaptiert.

– Ist die Antwort auf die Abfrage in dem Schritt S2 nein, so wird in einem Schritt

S8 abgefragt, ob eine konstante Fahrtgeschwindigkeit vorliegt. Falls ja, wird in einem Schritt
S9 die Ansteuerenergie erhöht und die Ansteuerzeit verringert.

– Ist die Antwort auf die Abfrage in dem Schritt S8 nein, so erfolgt ein Rücksprung zu dem Schritt S2.

Danach wird in einem Schritt
S10 abgefragt, ob die Drehzahländerung größer als eine vorgegebene Schwelle ist. Falls nein, erfolgt ein Rücksprung zu dem Schritt S9. Falls ja, wird in einem Schritt
S11 die Steigung der Kennlinie für die Ansteuerenergie adaptiert. Nach dem Schritt S7 einerseits und dem Schritt S11 andererseits ist ein Programmdurchlauf an seinem Ende angelangt.
Das Programm wird laufend zyklisch abgearbeitet.
Die Bewertung in dem Schritt S6 wird folgendermaßen durchgeführt:
Die Ansteuerenergie wird erhöht und gleichzeitig die Ansteuerzeit verringert. Bei einem Referenzventil würde sich damit keine Veränderung des Drehmoments oder Drehzahl ergeben. Durch die Toleranzen oder den Verschleiß des vorliegenden Ventils verringert sich aber beispielsweise die Drehzahl. Damit hat man die Information, dass zu wenig eingespritzt wurde, und somit die Steigung der Kennlinie nach oben korrigiert werden muss.

Claims

Verfahren zum Anpassen der Ventilcharakteristik eines Kraftstoff-Einspritzventils (8), das eine piezoelektrisch angetriebene Düsennadel aufweist und durch das Kraftstoff direkt in den Brennraum eines Verbrennungsmotors eingespritzt wird, indem der Betriebszustand des Verbrennungsmotors mit Sensoren überwacht und die Ventilcharakteristik an herstellungs- oder alterungsbedingte Änderungen seines Einspritzverhaltens angepasst wird, dadurch gekennzeichnet, – dass die Ansteuerenergie und der Nadelhub des Kraftstoff-Einspritzventils derart gesteuert werden, dass sich das Motordrehmoment bei einem Kraftstoff-Einspritzventil mit Referenzcharakteristik nicht verändern würde, – dass eine tatsächlich auftretende Änderung des Motordrehmoments erfasst wird, und – dass durch Verändern der Steigung der Ansteuerenergie-Nadelhub-Kennlinie des Kraftstoff-Einspritzventils das Motordrehmoment an das mit einem Einspritzventil mit Referenzcharakteristik erzeugte Motordrehmoment angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ventilcharakteristik der Zusammenhang zwischen der Ansteuerenergie für das Einspritzventil und dem Nadelhub abgebildet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass falls bei einem Erhöhen des Nadelhubs und einem gleichzeitigen Verringern der Ansteuerzeit eine Verringerung des von dem Verbrennungsmotor abgegebenen Drehmoments festgestellt wird, der Nadelhub durch Verringern der Steigung der Ventilkennlinie vergrößert wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass falls bei einem Erhöhen des Nadelhubs und einem gleichzeitigen Verringern der Ansteuerzeit ein Ansteigen des von dem Verbrennungsmotor abgegebenen Drehmoments festgestellt wird, der Nadelhub durch Verringern der Steigung der Ventilkennlinie verkleinert wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass falls bei einem Verringern des Nadelhubs und einem gleichzeitigen Erhöhen der Ansteuerzeit eine Verringerung des von dem Verbrennungsmotor abgegebenen Drehmoments festgestellt wird, der Nadelhub der Nadelhub durch Verringern der Steigung der Ventilkennlinie vergrößert wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass falls bei einem Verringern des Nadelhubs und einem gleichzeitigen Erhöhen der Ansteuerzeit eine Erhöhung des von dem Verbrennungsmotor abgegebenen Drehmoments festgestellt wird, der Nadelhub durch Erhöhen der Steigung der Ventilkennlinie verkleinert wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilcharakteristik bei unterschiedlichen Werten des Raildruckes angepasst wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Adaption der Ventilkennlinie durchgeführt wird, indem die minimale Energie, mit der ein Ventil gerade öffnet, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Schubbetrieb des Motors, beginnend mit einer sehr kleinen Energie, die das Ventil sicher noch nicht öffnet, die Ansteuerenergie schrittweise erhöht wird, bis zum ersten Mal eine Drehmomenterhöhung des Motors erkannt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Ventilcharakteristik durch Verändern des Nadelhubs der Düsennadel angepasst wird, und – dass der Nadelhub durch ein von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängiges Ändern der Ansteuerenergie des Einspritzventils (8) gesteuert wird.
Vorrichtung zum Anpassen der Ventilcharakteristik eines Kraftstoff-Einspritzventils (8), das eine piezoelektrisch angetriebene Düsennadel aufweist und durch das Kraftstoff direkt in den Brennraum eines Verbrennungsmotors einspritzbar ist, indem der Betriebszustand des Verbrennungsmotors mit Sensoren überwacht und die Ventilcharakteristik an herstellungs- oder alterungsbedingte Änderungen seines Einspritzverhaltens anpassbar ist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Vorrichtung ein Steuergerät (10) aufweist, wobei die Ansteuerenergie und der Nadelhub des Kraftstoff-Einspritzventils (8) derart durch das Steuergerät (10) ansteuerbar sind, dass sich das Motordrehmoment bei einem Kraftstoff-Einspritzventil mit Referenzcharakteristik nicht verändern würde, – dass mindestens einer der Sensoren eine tatsächlich auftretende Änderung des Motordrehmoments erfasst, und – dass Mittel zum Verändern der Steigung der Ansteuerenergie-Nadelhub-Kennlinie des Kraftstoff-Einspritzventils aufweist, um das Motordrehmoment an das mit einem Einspritzventil mit Referenzcharakteristik erzeugte Motordrehmoment anzupassen.