DE102007008201B3

DE102007008201B3 - Verfahren zur Regelung einer Einspritzmenge eines Injektors einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007008201B3
Application number: DE102007008201A
Authority: DE
Inventors: Gabriel Marzahn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2007-02-19
Filing date: 2007-02-19
Publication date: 2008-08-14
Anticipated expiration: 2027-02-20
Also published as: CN101617113B; US8165783B2; US20100036588A1; CN101617113A; WO2008101769A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Einspritzmenge eines Injektors einer Brennkraftmaschine. Abhängig von einer vorgegebenen Zeitdauer und der Zeitdauer der Haltephase, wird die im Injektor gespeicherte Energie entweder mit einem Korrekturwert, oder zum Ende der Haltephase mit Spannungs- und Ladungswerten berechnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Einspritzmenge eines Injektors einer Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs der Patentansprüche 1 und 7.
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen zum Betrieb einer Brennkraftmaschine sind generell seit vielen Jahren bekannt. Bei einem sogenannten Common-Rail Einspritzsystem erfolgt die Kraftstoffzuführung in den jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine durch Injektoren. Dabei ist ein hoher Einspritzdruck und eine genaue Regelung der Einspritzmenge vorteilhaft, da hierdurch einerseits eine hohe spezifische Leistung der Brennkraftmaschine, und andererseits eine geringe Emission von Schadstoffen erreicht werden kann.
Die Regelung der Einspritzmenge erfolgt dabei mittels einer Regelschleife. Als Regelgröße dient die im Injektor gespeicherte Energie, da diese mit der Einspritzmenge korreliert. Mittels einer Versorgungseinheit werden die einzelnen Injektoren dabei beladen und entladen. Unter bestimmten Bedingungen kann es, wie in den Figurenbeschreibungen detaillierter ausgeführt, dazu kommen, dass die berechnete, im Injektor gespeicherte Energie nicht mit der Einspritzmenge korreliert, und daher die Regelschleife nicht mehr optimal arbeitet.
Die Druckschrift DE 196 52 801 C1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellglieds. Das kapazitive Stellglied wird mit definierter Ladespannung geladen. Aus einem gespeicherten Kennfeld wird die momentane Stellgliedkapazität aus Ladespannung und Stellgliedspannung ermittelt und aus Ladespannung und Stellgliedkapazität wird die dem Stellglied zugeführte Energie bestimmt.
In der Druckschrift DE 103 36 640 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum mengengleichstellenden Betrieb von Piezoaktoren eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine beschrieben. Dabei wird für jeden Aktor die zum Erreichen des vorgegebenen Aktorhubs oder einer vorgegebenen Einspritzmenge erforderliche Ladeenergie oder der bei einer Ansteuerung jedes Aktors zur Erreichung eines vorgegebenen Aktorhubs auftretende Energiefluss gemessen. Die gemessene Ladeenergie oder der gemessene Energieverlust wird mit einem entsprechenden Sollwert verglichen und anhand des Ergebnisses des Vergleichs ein Korrekturwert bezüglich der Ansteuerung des jeweiligen Aktors ermittelt.
In der Druckschrift DE 100 25 579 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern eines kapazitiven Stellglieds offenbart. Dabei wird in Ansteuerpausen des Stellglieds eine Kalibrierung des Ladungsmesszweiges oder des Spannungsmesszweiges zur Ermittlung von Korrekturfaktoren vorgenommen, mit denen die gemessenen Werte von Ladung und Stellgliedspannung bei wenigstens dem nächsten folgenden Ansteuervorgang des Stellglieds korrigiert werden.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht nun darin, ein Verfahren bereitzustellen, das eine genauere Regelung der Einspritzmenge anhand einer genaueren Berechnung der im Injektor gespeicherten Energiemenge ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 oder 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch eine zweite Messung des Spannungswerts und des Ladungswerts sich der im Injektor gespeicherte Energiebetrag genauer berechnen lässt. Dadurch wird vermieden, dass Injektoren mit großem Leerhub weniger stark geladen werden und daher weniger einspritzen. Auf diese Weise können Leerhubeinflüsse, die mit nur einer einzigen Messung zu einer fehlerhaften Regelung der Einspritzmenge führen, vermindert werden. Insbesondere kann somit eine aufwendige Burst-Messung mit Sensordetektionsanalyse vermieden werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein berechneter Korrekturwert in einem Kennfeld gespeichert wird. Der Korrekturwert beschreibt dabei das Ausmaß der Leerhubänderung und/oder den Einfluss des Befüllungszustands im Aktorvorraum auf die im Injektor gespeicherte Energie. Da sich der Leerhub des Injektors während des Betriebs ändern kann, und dieser sich auf die Kapazität des Injektors auswirkt, wird somit die Berechnung der gespeicherten Energie ohne Berücksichtigung des Leerhubs verfälscht. Ein in regelmäßigen Abständen neu berechneter Korrekturwert kann somit sicherstellen, dass der Einfluss der Leerhubveränderung auf die Energieberechnung berücksichtigt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass für die Energieberechnung, bei der die zeitliche Haltephasenlänge über einer vorgebbaren Zeitdauer liegt, nur die Kapazität zum Ende der Haltephase verwendet wird. Dadurch wirkt sich weder ein eventuelles Nachschieben der Ladung aufgrund von Piezokapazitätsänderungen und aufgrund eines eventuell vorhandenen Ausgangsfilters während der Haltephase noch die Entladung des Injektors aufgrund eines eventuell vorhandenen Parallel-Shunts in langen Haltephasen nachteilig auf die Genauigkeit des berechneten Energiewerts aus.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass anhand einer berechneten mittleren Kapazität aller Injektoren über mehrere Arbeitsspiele eine Aktortemperatur eines Injektors ermittelt werden kann. Dadurch lässt sich ein zusätzlicher Temperatursensor zur Messung der Aktortemperatur einsparen.
Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines Piezoinjektors,
2: den zeitlichen gespeicherten Energieverlauf eines Injektors bei einer Ladephase des Injektors,
3: ein Flussdiagramm zur Berechnung der im Injektor gespeicherten Energie.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Piezoinjektors 1, der sich aus einem Aktor 8, einer Injektornadel 3, einem Steuerkolben 9 und einem Steuerventil 2 zusammensetzt. Das Steuerventil 2 trennt dabei einen Zwischensteuerraum 6 von einem Rücklauf 7, wobei das Steuerventil 2 über eine vorgespannte Feder 11 in dieser Position gehalten wird. Ein unter hohem Druck stehender Kraftstoff gelangt über eine Zulaufdrossel 4 in den Injektor 1 und über eine Ablaufdrossel 5 in den Zwischenraum 6. Zwei Leitungen 10' und 10'' trennen weiterhin einen Aktorvorraum 12 von dem Rücklauf 7. Dabei sind der Aktorvorraum 12 und der Rücklauf 7 jederzeit mit Kraftstoff gefüllt.
Bei einem Öffnen des Steuerventils 2 entspannt sich der unter Hochdruck stehende Kraftstoff des Zwischensteuerraums 6 und strömt in den Niederdruckbereich des Rücklaufs 7. Dabei ergibt sich eine kurzzeitige Druckerhöhung innerhalb des Rücklaufs 7 und es strömt daher kurzzeitig Kraftstoff aus dem Rücklauf 7 über die beiden Leitungen 10' und 10'' in den Aktorvorraum 12 und übt somit eine Gegenkraft auf die Bewegung des Aktors 8 aus. Gleichzeitig beginnt sich die Injektornadel 3 in Richtung des Aktors 8 zu bewegen und schiebt somit wei terhin Kraftstoff durch die Ablaufdrossel 5 in den Zwischenraum 6 und damit auch in den Rücklauf 7 nach. Dabei wird die Gegenkraft auf den Aktor 8 solange aufrechterhalten, bis sich der Niederdruck aus dem Rücklauf 7 zu der Ablaufdrossel 5 ausgebreitet hat.
Weiterhin hat der Befüllungszustand des Aktorvorraums 12 einen Einfluss auf den Injektorbetrieb. Im Ausgangszustand ist der Aktorvorraum 12 mit Kraftstoff gefüllt. Dabei kann es aber vorkommen, dass sich im Aktorvorraum 12 eine Luftblase gebildet hat. Aufgrund dieser Luftblase ist die der Aktorbewegung entgegengesetzte Gegenkraft geringer als bei einer alleinigen Füllung des Aktorvorraums 12 mit Kraftstoff. Bei einem Kollabieren der Luftblase steigt die Gegenkraft an mit der Folge, dass dem Aktor 8 tendenziell mehr Ladung zugeführt werden muss.
2 zeigt den zeitlichen gespeicherten Energieverlauf eines Injektors bei einer Ladephase des Injektors. Das obere Diagramm zeigt dabei den dem Injektor zeitlich zugeführten Ladeimpuls I. Das untere Diagramm zeigt die zeitliche Entwicklung der im Injektor gespeicherten Energie E. Dabei wird beim Energieverlauf danach unterschieden, ob eine in 1 beschriebene Krafteinwirkung auf die Bewegung des Aktors erfolgt oder nicht. Die Berechnung der im Injektor gespeicherten Energie erfolgt dadurch, dass ein ermittelter Spannungswert mit einem ermittelten Ladungswert und einem Faktor 0,5 multipliziert werden.
Dem Injektor wird ein Ladeimpuls I0 zugeführt. Der Ladeimpuls I0 beginnt dabei zum Zeitpunkt t0 und endet zum Zeitpunkt t2. Der berechnete, im Injektor gespeicherte Energieverlauf E1 steigt dabei ab dem Beginn des Ladeimpulses I0 zum Zeitpunkt t0 an und verläuft beispielsweise linear. Bei diesem Verlauf ist sichergestellt, dass der Kraftstoff aus dem Rücklauf nicht in den Aktorvorraum strömt und dort eine Gegenkraft auf die Bewegung des Aktors ausübt.
Der Fall, bei dem die Gegenkraft aufgrund einer Luftblase im Aktorvorraum geringer ist als die Gegenkraft bei alleiniger Füllung des Aktorvorraums mit Kraftstoff, ist nicht dargestellt. Der berechnete Energieverlauf würde für diesen Fall dabei ab dem Zeitpunkt t1 abfallen und im folgenden linear verlaufen.
Der Energieverlauf E2 stellt hingegen den Verlauf dar, ab dem eine Gegenkraft auf die Bewegung des Aktors erfolgt. Der Energieverlauf E2 beginnt dabei, ebenfalls wie der Energieverlauf E1 zum Zeitpunkt t0, linear anzusteigen. Ab dem Zeitpunkt t1 drückt der in den Aktorvorraum einströmende Kraftstoff gegen die Bewegung des Aktors. Dadurch kann sich der Aktor nicht soweit dehnen, wie im Vergleich zu einem unbelasteten Aktor, und die am Aktor anliegende Spannung steigt an. Aufgrund des Spannungsanstiegs steigt der Wert der im Injektor gespeicherten Energie ebenfalls steil an und verläuft weiterhin linear bis zum Zeitpunkt t2. Dabei ist es für die Energieberechnung unerheblich, ob die ermittelte Ladung gestiegen oder gefallen ist, da der gestiegene Spannungswert des Aktors den Wert der Ladung dominiert.
Bei einer Regelung anhand der im Injektor gespeicherten Energie E2 ermittelt die Regelschleife ab dem Zeitpunkt t1 einen zu hohen Energiewert. Sie wird daher die dem Injektor zugeführte Ladung reduzieren, um die im Injektor gespeicherte Energie zu senken. Durch die geringere im Injektor gespeicherte Energie wird aber im Folgenden eine zu geringe Menge Kraftstoff eingespritzt. Die im Injektor gespeicherte Energiemenge korreliert daher unter diesen Bedingungen nicht mehr mit der Einspritzmenge.
3 zeigt ein Flussdiagramm zur Berechnung der im Injektor gespeicherten Energie. Dabei wird im Schritt S1 jeweils für jeden Injektor ein erster Spannungswert U1, ein erster Ladungswert Q1 und ein Raildruck p nach einer vorgebbaren Zeitdauer nach Ende der Ladephase des Injektors ermittelt. Im Schritt S10 wird anhand der im Schritt S1 ermittelten Span nungs- und Ladungswerte ein im Injektor gespeicherter erster Energiewert EN1 und ein erster Kapazitätswert C1 ermittelt. Der im Injektor gespeicherte Energiebetrag EN1 wird dadurch ermittelt, dass der im Schritt S1 ermittelte Spannungswert U1 mit dem ermittelten Ladungswert Q1 und dem Faktor 0,5 multipliziert wird. Die Energieberechnung ist dabei nicht auf diesen Fall beschränkt, sondern es sind auch weitere Arten der Energieberechnung denkbar.
Weiterhin wird pro Einspritzung ein erster Kapazitätsmittelwert Cm1 über alle Kapazitäten der jeweiligen Injektoren gebildet und abgespeichert. Sobald eine gewisse Anzahl an Einspritzungen von den Injektoren getätigt wurde, kann ein zweiter Kapazitätsmittelwert Cm2 anhand des jeweils pro Einspritzung gespeicherten ersten Kapazitätsmittelwertes Cm1 über alle Injektoren berechnet werden. Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, den Kapazitätsmittelwert Cm2 nach 100 Einspritzungen zu berechnen. Mittels des berechneten zweiten Kapazitätsmittelwerts Cm2 kann anhand eines hinterlegten Kennfelds eine Aktortemperatur T ermittelt werden.
Im Schritt S20 wird überprüft, ob eine zeitliche Haltephasenlänge tm über einer vorgebbaren Zeitdauer t2 liegt. Sollte dies der Fall sein, so wird im Schritt S40 zum vorgebbaren Zeitpunkt t2 ein zweiter Spannungswert U2 und ein zweiter Ladungswert Q2 ermittelt. Der Zeitpunkt t2 wird aber derart gewählt, dass die Verfälschungen der Energieberechnungen aufgrund einer Kraftausübung des Kraftstoffes auf die Bewegung des Aktors, infolge des Einströmens des Kraftstoffs vom Rücklauf in den Aktorvorraum, nicht mehr auftreten. Diesbezüglich hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Zeitpunkt tm möglichst nahe dem Ende der Haltephase gewählt wird.
Im Schritt S50 wird dann anhand des jeweils im Schritt S40 ermittelten Spannungswerts U2 und Ladungswerts Q2 ein zweiter Kapazitätswert C2 und ein im Injektor gespeicherter zweiter Energiewert EN2 berechnet. Dabei wird für die Berechnung des zweiten Energiewerts EN2 der im Schritt S1 ermittelte La dungswert Q1 quadriert und mit einem Faktor 0,5 multipliziert und durch den im Schritt S50 ermittelten zweiten Kapazitätswert C2 geteilt. Basierend auf dem im Schritt S10 ermittelten ersten Energiewert EN1 und dem im Schritt S50 ermittelten zweiten Energiewert EN2 wird im Schritt S60 ein Korrekturwert f ermittelt, indem der im Schritt S10 ermittelte erste Energiewert EN1 durch den im Schritt S50 ermittelten zweiten Energiewert EN2 dividiert wird.
Weiterhin wird im Schritt S60 der Korrekturwert f in einem Kennfeld, abhängig vom im Schritt S1 ermittelten Raildruck und von der im Schritt S10 ermittelten Aktortemperatur T gespeichert. Dabei werden beim Abspeichern der Korrekturwerte die im Kennfeld bereits vorhandenen Werte überschrieben. Mit einer Aktualisierung des Korrekturwerts f kann somit sichergestellt werden, dass eine Anpassung der Berechnung der im Injektor gespeicherten Energiewerte, die aufgrund einer im Betrieb auftretenden Leerhubänderung erforderlich ist, erfolgt. Ein durch eine Leerhubänderung bedingte Kapazitätsänderung wirkt sich auf die im Schritt S40 ermittelte Spannung aus und damit auf die im Schritt S50 berechnete gespeicherte Energie und daher auch auf den im Schritt S60 berechneten Korrekturwert f.
Sollte die Abfrage im Schritt S20 ergeben, dass die zeitliche Haltephasenlänge tm unter einer vorgebbaren Zeitdauer t2 liegt, so wird im Schritt S30 ein dritter Energiewert EN3 mittels des im Schritt S10 berechneten ersten Energiewerts EN1 und eines für diese Aktortemperatur T und diesen Raildruck p gültigen Korrekturwerts f berechnet. Dabei wird der Energiewert EN1 mit dem Korrekturwert f multipliziert.
Alternativ zu dem in der 3 vorgestellten Verfahren, kann ein über alle Injektoren gemittelter Spannungswert, Ladungswert und Kapazitätswert für die Energiewertberechnung in den Schritten S10 und S50 verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Regelung der Einspritzmenge eines ladbaren und entladbaren Injektors, insbesondere eines Piezoinjektors, einer Brennkraftmaschine, bei der eine Injektorspannung und eine Injektorladung ermittelt wird, mittels deren eine am Injektor gespeicherte Energie, die mit der Einspritzmenge korreliert, sowie eine Injektorkapazität berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass der Ladungswert und der Spannungswert nach einer vorgebbaren Zeit nach dem Ende der Ladephase des Injektors ermittelt werden, und dass daraus ein erster Energiewert berechnet wird, – dass bei einer im Vergleich zu einer vorgebbaren Zeitdauer größeren Zeitdauer für eine sich zwischen der Ladephase und der Entladephase ergebenden Haltephase, der Spannungswert und der Ladungswert des Injektors erneut ermittelt und daraus ein zweiter Energiewert und ein Korrekturwert berechnet werden, wobei der Korrekturwert in einem ersten Kennfeld abgespeichert wird, und – dass bei einer im Vergleich zu einer vorgebbaren Zeitdauer kleineren Zeitdauer für eine sich zwischen der Ladephase und der Entladephase ergebenden Haltephase, der erste berechnete Energiewert mit dem, im ersten Kennfeld abgespeicherten Korrekturwert, multipliziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt der zweiten Spannungsmessung und der zweiten Ladungsmessung am Ende der Haltephase erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des zweiten Energiewerts die zum Ende der Ladephase ermittelte Ladung quadriert und durch die berechnete Kapazität zum Ende der Haltephase dividiert und mit dem Faktor 0,5 multipliziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert in einem ersten Kennfeld, abhängig von einer Aktortemperatur des Injektors und einem Raildruck, abgespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktortemperatur dadurch ermittelt wird, dass ein Kapazitätsmittelwert aller Aktoren über eine vorgebbare Anzahl von Einspritzungen ermittelt wird, und mittels eines hinterlegten zweiten Kennfelds die Aktortemperatur für den jeweils ermittelten Kapazitätsmittelwert identifiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abspeichern der Korrekturwerte in das erste Kennfeld die vor dem Abspeichern im Kennfeld vorhandenen Werte überschrieben werden.
Verfahren zur Regelung der Einspritzmenge eines ladbaren und entladbaren Injektors, insbesondere eines Piezoinjektors, einer Brennkraftmaschine, bei der eine Injektorspannung und eine Injektorladung ermittelt wird, mittels deren eine am Injektor gespeicherte Energie berechnet wird, die mit der Einspritzmenge korreliert, und einer Injektorkapazität, dadurch gekennzeichnet, – dass ein gemittelter Ladungswert und ein gemittelter Spannungswert nach einer vorgebbaren Zeit nach dem Ende der Ladephase aller Injektoren ermittelt wird, und dass daraus ein erster Energiewert berechnet wird, – dass, wenn die Zeitdauer einer Haltephase zwischen der Ladephase und der Entladephase größer ist als eine vorgebbare Zeitdauer, die gemittelte Spannung und die gemittelte Ladung aller Injektoren zu einem vorgebbaren Zeitpunkt ermittelt wird, und ein zweiter Energiewert und ein Korrekturwert berechnet werden, wobei der Korrekturwert in einem ersten Kennfeld abgespeichert wird, und – dass, wenn die Zeitdauer einer Haltephase zwischen der Ladephase und der Entladephase kleiner ist als eine vorgebbare Zeitdauer, der erste berechnete Energiewert mit dem, im ersten Kennfeld abgespeicherten, Korrekturwert multipliziert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt der zweiten Spannungsmessung und Ladungsmessung am Ende der Haltephase liegt.