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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Hochdruck-Einspritzventile
für Brennkraftmaschinen
weisen bei kurzen Einspritzzeiten (< etwa 0,5 bis 0,7 Millisekunden) eine
nicht lineare, unstetige Kennlinie auf. Nach dem Stand der Technik
wird dieser Bereich sowie der gesamte Bereich mit kurzen Einspritzzeiten
als dieser Bereich nicht genutzt, da die großen Streuungen und Nichtlinearitäten in diesem
Bereich zu unerwünschtem
Motorverhalten wie schlechten Emissionswerten oder Verbrennungsaussetzern
führen
kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Dieses
Problem wird gelöst
durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit mindestens
einem Einspritzventil mit einem elektrisch angesteuerten Aktor,
wobei das Einspritzventil zumindest in einem Bereich einer Einspritzzeitdauer zwischen
einer unteren Grenze und einer oberen Grenze einen unstetigen Verlauf
der Beziehung zwischen Einspritzzeitdauer und Einspritzmenge aufweist,
wobei aus einer erforderlichen Kraftstoffmasse eine Einspritzzeitdauer
ermittelt wird und wobei aus der erforderlichen Kraftstoffmasse
zunächst
eine erforderliche Einspritzzeitdauer ermittelt wird und bei einer
erforderliche Einspritzzeitdauer im Bereich zwischen der unteren
Grenze und der oberen Grenze eine Einspritzzeitdauer mit einem Wert
außerhalb des
Bereiches zwischen der unteren Grenze und der oberen Grenze ausgegeben
wird. Auf diese Weise wird der unstetige Bereich des Einspritzventils
aus dem nutzbaren Be triebsbereich ausgeblendet. Die Bereiche außerhalb
des ausgeblendeten Bereiches werden genutzt. Der Zumessbereich des
Injektors kann so deutlich vergrößert werden,
was dessen Einsatzbereich erweitert. So können z. B. für Motoren mit
homogener Selbstzündung,
wie im HCCl oder CAI Modus oder bei einer Doppeleinspritzung im
geschichteten Betrieb kleinste Mengen realisiert werden.
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Bei
einer erforderlichen Einspritzzeitdauer mit einem Wert im Bereich
zwischen der unteren Grenze und der oberen Grenze wird bevorzugt
eine Einspritzzeitdauer mit dem Wert der oberen Grenze oder alternativ
mit dem Wert der unteren Grenze ausgegeben.
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Die
Verschiebung der erforderlichen Einspritzdauer auf einen Wert an
der unteren bzw. oberen Grenze ist besonders einfach ohne großen Rechen-
und Zeitaufwand möglich.
Gegebenenfalls können
Werte folgender Einspritzung, beispielsweise wenn eine Vor- und
eine Haupteinspritzung aufeinander folgen und die Voreinspritzung
aus dem ausgeblendeten Bereich verschoben werden musste, ebenso
korrigiert werden, um die gesamte Einspritzkraftstoffmenge für die aufeinander
folgenden Einspritzungen konstant zu halten.
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Bi
einer erforderlichen Einspritzzeitdauer mit einem Wert im Bereich
zwischen der unteren Grenze und der oberen Grenze wird in einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
derjenige Wert der beiden Grenzen ausgegeben, der näher an der
erforderlichen Einspritzzeitdauer liegt. Der ausgegebene Wert für die Einspritzzeitdauer
liegt durch diese Maßnahme
näher an
der erforderlichen Einspritzdauer, so dass auch die tatsächlich eingespritzte
Kraftstoffmenge näher
an der gewünschten
Kraftstoffmenge liegt.
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Ein
Wechsel der Ausgabe zwischen den beiden Grenzen unterliegt vorzugsweise
einer Hysterese. Eine Hysterese bedeutet in diesem Fall, dass ein Wechsel
beispielsweise von der unteren Grenze auf die obere Grenze erst
bei Überschreiten
eines Werts für
die erforderliche Einspritzmenge erfolgt, der höher liegt als ein Wert, der
unterschritten werden muss, um einen Wechsel in der oberen Grenze
zur unteren Grenze zu bewirken.
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Die
obere und untere Grenze sind vorzugsweise entweder als gemeinsame
Konstanten für
alle Einspritzventile der Brennkraftmaschine identisch festgelegt
oder als eigene Konstante für
jedes Einspritzventil der Brennkraftmaschine festgelegt. Die Ablage
dieser Werte als gemeinsame Konstanten kann erfolgen, indem beispielsweise
eine große
Anzahl von Einspritzventilen einer Serie durchgemessen wird und
so ein statistischer Mittelwert für die obere und untere Grenze
gefunden wird. Die Ablage jeweils einzelner Konstanten pro Einspritzventil
erfordert, dass diese jeweils einzeln durchgemessen werden und die
Werte entsprechend kodiert und abgelegt werden und beispielsweise
bei der Montage in ein Steuergerät übertragen
werden. Die Ablage gemeinsamer Konstanten für alle Einspritzventile ist
besonders einfach zu realisieren, die Ablage jeweils einzelner Konstanten
für die
Einspritzventile erbittet eine größere Genauigkeit in der Zumessung.
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Die
Konstanten werden in einer weiteren bevorzugten Ausführung adaptiv
im Betrieb der Brennkraftmaschine ermittelt. Eine adaptive Ermittlung
der Konstanten, diese kann für
alle Einspritzventile gemeinsam oder besser noch für jedes
Einspritzventil als eigenständige
Konstante erfolgen, erübrigt
eine gesonderte Messung der Konstanten, die dann während des
Einbaus der Einspritzventile in eine Brennkraftmaschine in ein Steuergerät übertragen
werden müssten.
Der Mess- und Montageaufwand wird also in eine Applikation eines
Steuergeräts
verlagert, wobei durch die adaptive Bestimmung der Konstanten ein
Nachführen
der Konstanten über
die Lebensdauer der Einspritzventile möglich ist.
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Das
eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch eine Vorrichtung,
insbesondere Steuergerät
oder Brennkraftmaschine, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
eingerichtet ist. Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch
ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Schritte nach einem
erfindungsgemäßen Verfahren,
wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs
mit einem einen piezoelektrischen Aktor aufweisenden Einspritzventil;
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2 eine
Kennlinie der Einspritzmenge über
der Einspritzzeitdauer;
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3 ein
Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
der 1 ist eine Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs
dargestellt, die ein Steuergerät 10 und
ein Einspritzventil 11 aufweist. Das Einspritzventil 11 ist
entweder wie hier dargestellt mit einem piezoelektrischen Aktor 12 oder
einem induktiven Aktor (gehäusefeste
Spule und Düsennadel
mit Magnetanker) versehen, der von dem Steuergerät 10 angesteuert wird.
Weiterhin weist das Einspritzventil 11 eine Ventilnadel 13 auf,
die auf einem Ventilsitz 14 im Inneren des Gehäuses des
Einspritzventils 11 aufsitzen kann.
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Ist
die Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz abgehoben, so ist
das Einspritzventil 11 geöffnet und es wird Kraftstoff
eingespritzt. Dieser Zustand ist in der 1 dargestellt.
Sitzt die Ventilnadel 13 auf dem Ventilsitz 14 auf,
so ist das Einspritzventil 11 geschlossen. Der Übergang
von dem geschlossenen in den geöffneten
Zustand wird mit Hilfe des piezoelektrischen Aktors 12 bewirkt.
Hierzu wird eine elektrische Spannung an den Aktor 12 angelegt,
die eine Längenänderung
eines Piezostapels hervorruft, die ihrerseits zum Öffnen bzw.
Schließen
des Einspritzventils 11 ausgenutzt wird. Das Einspritzventil 11 weist
einen hydraulischen Koppler 15 auf. Zu diesem Zweck ist
innerhalb des Einspritzventils 11 ein Kopplergehäuse 16 vorhanden,
in dem zwei Kolben 17, 18 geführt sind. Der Kolben 17 ist
mit dem Aktor 12 und der Kolben 18 ist mit der
Ventilnadel 13 verbunden. Zwischen den beiden Kolben 17, 18 ist
eine Kammer 19 angeordnet, die ein Kolben/Zylindersystem
zur Übertragung
der von dem Aktor 12 ausgeübten Kraft auf die Ventilnadel 13 bildet.
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Der
Koppler 15 ist von unter Druck stehendem Kraftstoff umgeben.
Das Volumen der Kammer 19 ist ebenfalls mit Kraftstoff
gefüllt. Über die
Führungsspalte
zwischen den beiden Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 kann
sich das Volumen der Kammer 19 über einen längeren Zeitraum hinweg an die
jeweils vorhandene Länge
des Aktors 12 anpassen. Bei kurzzeitigen Änderungen
der Länge
des Aktors 12 bleibt das Volumen der Kammer 19 und
damit deren Länge
jedoch nahezu unverändert
und die Änderung
der Länge
des Aktors 12 wird auf die Ventilnadel 13 übertragen.
Die Führungsspalte
zwischen den beiden Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 können ein
Ventil bilden, das in unterschiedlichen Strömungsrichtungen oder abhängig von
der Stellung der Kolben 17, 18 zum Kopplergehäuse 16 unterschiedliche
Strömungswiderstände bzw.
Durchflussbeiwerte aufweist. Beispielsweise kann einer oder beide
Kolben Nute mit veränderlicher
Tiefe der Nutböden
oder dergleichen aufweisen, um die wirksame durchströmbare Fläche zwischen
den Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 zu
verändern. Die
Einstellung der Bewegungsgeschwindigkeit der Kolben 17, 18 zueinander
erfolgt z. B. durch die Führungsspiele
zwischen den Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 oder
durch eine Kleine Drossel mit richtungsabhängigem Durchflussbeiwert.
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Das
Einspritzventil 11 befindet sich unabhängig vom Arbeitspunkt des Aktors 12 immer
dann in seinem geschlossenen Zustand, wenn der Aktor 12 über einen
längeren
Zeitraum hinweg unverändert
an einem beliebigen Punkt seiner Hysteresekurve verbleibt. Ein Öffnen des
Einspritzventils 11 erfolgt dann durch eine vergleichsweise
schnelle Verkürzung
des Aktors 12 aus diesem Punkt der Hysteresekurve heraus.
Ein Schließen
des Einspritzventils 11 wird durch die Rückkehr des
Aktors 12 in seinen vor Beginn der Einspritzung vorliegenden
Arbeitspunkt erreicht.
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2 zeigt
eine Kennlinie der Einspritzmenge rk_w über der Einspritzzeitdauer
ti eines Einspritzventils für
einen konstanten Raildruck. Die Kennlinie gilt vom Prinzip her sowohl
für piezoelektrische
als auch magnetische Aktoren. Prinzipiell nimmt die Einspritzmenge
rk_w bei einer Erhöhung
der Einspritzzeitdauer ti zu. Die Einspritzzeitdauer ti ist die
Zeit zwischen dem Beginn des Öffnens
der Ventilnadel 13 bis zum Schließen der Ventilnadel 13.
Oberhalb einer oberen Grenze ti_max der Einspritzzeitdauer ti besteht
ein stetiger Zusammenhang zwischen der Einspritzmenge rk_w und der
Einspritzzeitdauer ti. Bei einer Einspritzzeitdauer ti kleiner dem
Wert ti_max schließt
sich zunächst
ein unstetiger und nichtlinearer Bereich an, woraufhin unterhalb
einer unteren Grenze ti_mm der Einspritzzeitdauer ti wiederum ein stetiger
Bereich der Beziehung zwischen der Einspritzmenge rk_w und der Einspritzzeitdauer
ti beginnt. In den Bereichen 0 ≤ ti ≤ ti_min ist
die Beziehung zwischen Einspritzmenge rk_w und Einspritzzeitdauer
ti also linear, ebenso gilt dies für einen Bereich ti_max ≤ ti_aus. In
einem Bereich ti_min ≤ ti < ti_max besteht
ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Einspritzmenge rk_w
und der Einspritzzeitdauer ti_aus. Der Bereich der Einspritzzeitdauer
ti zwischen ti_min und ti_max wird als ungenutzter Bereich bezeichnet.
Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, den ungenutzten Bereich zwischen den Einspritzzeitdauern
ti_min und ti_max auszublenden und die Bereiche außerhalb
zu nutzen.
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Der
lineare Bereich ti < ti_min
ist in 2 mit R1 bezeichnet, der nicht lineare Bereich
zwischen ti_min ≤ ti ≤ ti_max ist
mit dem Bezugszeichen NL versehen, der lineare Bereich für ti > ti_max ist mit dem
Bezugszeichen L2 bezeichnet.
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Im
Betrieb der Brennkraftmaschine wird die Einspritzzeitdauer ti aus
einer erforderlichen Kraftstoffmasse rk_w ermittelt. Vorgegeben
ist also die erforderliche Kraftstoffmasse rk_w, aus der anhand
bestehender Randbedingungen wie Raildruck, Zylindergegendruck und
so weiter eine erforderliche Einspritzzeitdauer ti_erf bestimmt
wir. Die erforderliche Einspritzzeitdauer wird entweder unverändert oder – im Stand
der Technik beispielsweise wenn diese in dem nichtlinearen Bereich
NL liegt – um
einen Faktor oder Summanden korrigiert als ausgegeben e Einspritzzeitdauer
ti_aus an eine Endstufe zur Ansteuerung des jeweiligen Einspritzventils übergeben.
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3 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Betrieb einer Brennkraftmaschine. In dem Block RKTI wird aus
der angeforderten berechneten relativen Kraftstoffmasse rk_w eine
erforderliche Einspritzzeitdauer ti_erf berechnet. Die erforderliche Einspritzzeitdauer
ti_erf ist die Einspritzzeitdauer ti, die bei einer stetigen Kennlinie
und den jeweiligen Randbedingungen erforderlich ist, um die geforderte Kraftstoffmasse
rk_w einzuspritzen. Zu den Randbedingungen gehören insbesondere der Raildruck
und der Gegendruck im Zylinder. In einem Block RKTI wird in Schritt 101 neben
der relativen Kraftstoffmasse rk_w der Kraftstoffdruck p_k, eine
oder mehrere Konstanten k_x, einer oder mehrere Korrekturfaktoren
kor_x sowie gegebenenfalls weitere Werte zur Bestimmung der erforderlichen Einspritzzeitdauer ti_erf
ausgewertet. Ergebnis der in Schritt 101 berechneten Funktion
RKTI ist die in Schritt 102 ausgegebene erforderliche Einspritzzeitdauer
ti_erf. In Schritt 103 wird nun geprüft, ob die in Schritt 102 ausgegebene
Einspritzzeitdauer ti_erf größer als
eine obere Grenze tiaus_max_zx ist. Die obere Grenze tiaus_max_zx
kann identisch mit der oberen Grenze ti_max in 2 sein,
kann aber auch um einen Sicherheitsabstand größer sein. Ist dies der Fall,
durch die Option J gekennzeichnet, wird in Schritt 104 verzweigt
und es wird der auszugebenden Einspritzzeitdauer ti_out der in Schritt 102 ausgegebene
Wert ti_erf für
die Einspritzzeitdauer zugewiesen. In dem darin anschließenden Schritt 105 liegt
die Einspritzzeitdauer ti = ti_out fest, die in Schritt 106 an
die Endstufen zur Ansteuerung des Einspritzventils übergeben
wird. Ergab die Überprüfung in
Schritt 103, dass die erforderliche Einspritzzeitdauer
ti_erf nicht größer als
die obere Grenze tiaus_max_zx ist, in Schritt 103 durch
die Option N gekennzeichnet, so wird in dem sich anschließenden Schritt 107 geprüft, ob die
erforderliche Einspritzzeitdauer ti_erf größer als die untere Grenze tiaus_min_zx
ist. Die untere Grenze tiaus_min_zx kann identisch mit der unteren
Grenze ti_min in 2 sein, kann aber auch um einen
Sicherheitsabstand kleiner sein. Ist die erforderliche Einspritzzeitdauer
ti_erf kleiner als die untere Grenze tiaus_min_zx und liegt damit
in dem linearen Bereich L1 gemäß 2,
so wird wiederum in Schritt 104 verzweigt. Ist die erforderliche
Einspritzzeitdauer ti_erf bei der Prüfung in Schritt 107 größer als
die untere Grenze tiaus_min_zx, durch die Option J gekennzeichnet,
so wird in Schritt 108 verzweigt und es wird der Wert der
oberen Grenze tiaus_max_zx dem auszugebenden Wert für die Einspritzzeitdauer
ti_out zugewiesen. Darauf wird in Schritt 105 und danach
in Schritt 106 verzweigt. Bei dem in 3 dargestellten Verfahren
wird also dem an die Endstufe zu übergebende Wert ti_out für die Einspritzzeitdauer
ti der erforderliche Wert für
die Einspritzzeitdauer ti_erf zugewiesen, wenn der erforderliche
Wert für
die Einspritzzeitdauer ti_erf in den linearen Bereichen L1 oder
L2 gemäß 2 liegt.
Liegt der erforderliche Wert für die
Einspritzzeitdauer ti_erf in dem nicht linearen Bereich NL gemäß 2,
so wird der Wert der oberen Grenze tiaus_max_zx als Einspritzzeitdauer
ti_out ausgegeben. Nach der Prüfung,
ob die erforderliche Einspritzzeitdauer ti_erf in dem ausgeblendeten
Bereich zwischen tiaus_min_zx und ti_aus_max_zx liegt, wird die
entsprechende Einspritzzeitdauer ti_out an weitere Funktionen sowie
die Endstufe ausgegeben.
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Das
zuvor dargestellte Verfahren kann in weiteren Ausführungsbeispielen
verfeinert werden. In dem Fall, indem die erforderliche Einspritzzeitdauer
ti_erf in dem ausgeblendeten Bereich zwischen tiaus_min_zx und tiaus_max_zx
liegt, kann je nachdem, ob die erforderliche Einspritzzeitdauer
ti_erf näher
an der unteren Grenze tiaus_min_zx oder näher an der oberen Grenze tiaus_max_zx
liegt, entsprechend der Wert der unteren Grenze tiaus_min_zx oder
der Wert der oberen Grenze tiaus_max_zx ausgegeben werden.
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Ebenso
kann eine Hysterese eingebaut werden, so dass ein ständiges Springen
zwischen den Werten der unteren Grenze tiaus_min_zx und dem Wert
der oberen Grenze tiaus_max_zx vermieden wird.
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Voraussetzung
zu einer Ausblendung bestimmter Kennlinienbereich ist die Kenntnis,
an welcher Stelle der Kennlinie sich diese Bereiche befinden. Hier
können
verschiedene Verfahren zur zumindest bereichsweisen Ermittlung der
Kennlinie zum Einsatz kommen.
- 1. Es kann durch
eine Messung einer Vielzahl von Einspritzventilen eine für eine gesamte
Serie gültige
untere Grenze tiaus_min_zx und eine obere Grenze tiaus_max_zx ermittelt
werden. Diese Werte sind damit für
alle Einspritzventile und über deren
gesamte Lebensdauer vorgegeben und können fest in einem Steuergerät abgelegt
werden.
- 2. Jedes produzierte Einspritzventil wird einzeln vermessen
bezüglich
der unteren Grenze tiaus_min_zx und der oberen Grenze tiaus_max_zx.
Die Daten jedes individuellen Einspritzventils werden bei dessen
Einbau in einer Brennkraftmaschine in ein Steuergerät z. B. über eine
Kodierung eingelesen und dort entsprechend abgelegt.
- 3. Es kann eine Adaption der Ausblendung erfolgen, indem der
nicht lineare Bereich NL des Betriebs einer Brennkraftmaschine für jedes
einzelne Einspritzventil vermessen wird. (Gibt es dazu Stand der
Technik, z. B. die R.311915 oder dergleichen?)
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Bei
der Adaption ist ein zusätzliches
Verfahren für
die Adaption notwendig, welches die Grenzen für die Kennlinienausblendung
des Zylinders spezifisch auswertet.