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STAND DER TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens und eine Steuervorrichtung für ein Einspritzventil.
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Im Betrieb von Brennkraftmaschinen, bei denen zyklisch ein oder mehrere Einspritzventile angesteuert werden, um Kraftstoff in einen Brennraum einzuspritzen, ist die genaue Steuerung der Einspritzmenge innerhalb eines Ansteuerzyklus von entscheidender Bedeutung, um hohe Wirtschaftlichkeit, Laufruhe und geringe Schadstoffemissionen zu erreichen. Die tatsächliche Einspritzmenge eines Einspritzventils innerhalb eines Ansteuerzyklus wird üblicherweise im Betrieb der Brennkraftmaschine mittels in einem Steuergerät abgelegter Kennfelder bestimmt, die z. B. auf in Labormessungen ermittelten Eigenschaften fabrikneuer Kraftstoffinjektoren beruhen. Dabei können bestimmte Verschleißerscheinungen wie z. B. das Ausdengeln eines Düsennadelsitzes des Einspritzventils, die sich über die Lebensdauer des Einspritzventils in vorhersagbarer Weise einstellen, mithilfe mathematischer Funktionen kompensiert werden, die das Betriebsalter des Einspritzventils berücksichtigen.
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Die
DE 10 2005 002 242 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, die ein von einem Piezoaktor angetriebenes Ventilelement umfasst. Gemäß dem Verfahren wird aus dem Strom- und Spannungsverlauf am Piezoaktor eine auf den Piezoaktor rückwirkende Kraft abgeleitet. Ein Abfallen der Kraft wird als ein tatsächliches Schließen des Ventilelements interpretiert und bei der Ansteuerung des Piezoaktors berücksichtigt, um die tatsächliche Einspritzdauer auf einen Sollwert einzuregeln.
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Die
DE 10 2004 006 896 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung eines Common-Rail-Systems. Aus einem Soll-Ist-Vergleich des Spritzendes und des Spritzbeginns wird eine Abweichung bestimmt. Anhand dieser Abweichung wird sodann ein Injektor bewertet, wobei die weitere Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine auf Grundlage dieser Bewertung erfolgt.
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Die
DE 10 2006 006 861 A1 zeigt ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung. Das piezoelektrische Element wird derart angesteuert, dass ein Schließvorgang des Einspritzventils ausgelöst wird. Nach der Ansteuerung wird eine elektrische Spannung an dem piezoelektrischen Element und oder ein elektrischer Strom über das piezoelektrische Element ermittelt. Aus dem Verlauf der Spannung und oder des Stroms wird auf den Schließzeitpunkt einer Düsennadel geschlossen.
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Aus der
DE 10 2007 002 028 A1 ist ein Verfahren zur Regelung einer Einspritzmenge an einer Einspritzdüse bekannt. Die Steuerung erfolgt unter Verwendung eines Abgastemperatursensors.
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Eine Verschleißerscheinung, die in nicht aus dem Betriebsalter vorhersagbare Weise auftritt, ist die sogenannte Verkokung, d. h. die allmähliche Zusetzung des Einspritzventils am Sitz des Ventilelements mit Ablagerungen von Kohlenstoffverbindungen, die durch die Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum entstehen. Die Zusetzung verengt den Durchmesser der Kraftstoffausflussöffnung des Einspritzventils. Sie beeinflusst die Mengenrate, mit der Kraftstoff während einer Einspritzung durch die Kraftstoffausflussöffnung gepresst werden kann, und damit die Einspritzmenge während einer Kraftstoffeinspritzung, und zwar auch bei Einregelung der tatsächlichen Einspritzdauer auf einen Sollwert. Die resultierende Veränderung des beeinträchtigt nicht nur das Emissionsverhalten, sondern auch die Leistung der Brennkraftmaschine.
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Es stellt sich die Aufgabe, die aus der Verkokung resultierende Veränderung des Gemischverhältnisses zu beseitigen.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 9 und 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Demgemäß vorgesehen ist ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Gemäß einem Verfahrensschritt wird das Einspritzventil mittels eines Ansteuersignals angesteuert. In weiteren Schritten wird ein Schließzeitpunkt des Einspritzventils detektiert und, basierend auf dem Ansteuersignal und dem Schließzeitpunkt, ein Zusetzungsgrad des Einspritzventils ermittelt. Da der Zusetzungsgrad basierend auf dem Ansteuersignal und dem Schließzeitpunkt ermittelt wird, d. h. ausschließlich auf Daten, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine zur Verfügung stehen oder erhoben werden können, ermöglicht das Verfahren, den Zusetzungs- bzw. Verkokungsgrad im laufenden Betrieb zu überwachen. Insbesondere erfordert das Verfahren keine direkte Beobachtung von Größen, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine nicht praktikabel auf direkte Weise erfassbar sind, wie z. B. der Verengung des Einspritzventils oder der Einspritzmenge einer Kraftstoffeinspritzung. Ist der aktuelle Zusetzungsgrad des Einspritzventils bekannt, so können verschiedene Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um negative Auswirkungen auf Emissions- und Leistungsverhalten zu vermeiden. Beispielsweise wird ermöglicht, eine Fehlermeldung zu generieren, wenn der Zusetzungsgrad einen Schwellwert übersteigt, so dass das Einspritzventil ausgetauscht oder gereinigt werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Detektieren des Schließzeitpunkts durch Erfassen eines Schallsignals, das durch das Schließen des Einspritzventils verursacht ist. Dies ist besonders vorteilhaft, da der Schließzeitpunkt auf einfache Weise und auch bei Einspritzventilen überwacht werden kann, bei denen das Ventilelement, das das Einspritzventil verschließt, nicht direkt an einen Aktor gekoppelt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Detektieren des Schließzeitpunkts mittels eines Piezosensors. Dies ist besonders kostengünstig zu realisieren. Vorzugsweise ist der Piezosensor mechanisch mit einem Aktor gekoppelt, der das Einspritzventil antreibt. Die mechanische Kopplung mit dem Aktor erlaubt eine kostengünstige Ausführung des Kraftstoffinjektors, da der Aktor in gleicher Technologie wie der Piezosensor ausgeführt werden kann, z. B. in Form eines Piezoaktors aus gestapelten Schichten eines piezoelektrischen Materials, in den weitere Schichten des gleichen Materials integriert sind, die den Piezosensor bilden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Ermitteln des Zusetzungsgrads weiterhin basierend auf einem Kraftstoffzuführdruck und/oder einem Betriebsalter des Einspritzventils. Durch Berücksichtigen des jeweils aktuellen Kraftstoffzuführdrucks kann der Einfluss unbeabsichtigter oder durch eine variable Regelung herbeigeführter Schwankungen des Kraftstoffzuführdrucks vom Einfluss der Zusetzung des Einspritzventils getrennt und daher der Zusetzungsgrad mit besonders großer Genauigkeit bestimmt werden. Ebenso ermöglicht die Berücksichtigung des Betriebsalters, vorhersagbare Verschleißeffekte wie z. B. das Ausdengeln des Einspritzventilsitzes vom Einfluss der Zusetzung des Einspritzventils zu trennen und so ebenfalls eine erhöhte Genauigkeit zu erzielen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Ermitteln des Zusetzungsgrads einen Schritt des Berechnens eines erwarteten Schließzeitpunkts des Einspritzventils und einen Schritt des Vergleichens des detektierten Schließzeitpunkts mit dem erwarteten Schließzeitpunkt. Der Vergleich ermöglicht, eine Verzögerung des Schließzeitpunkts z. B. als Differenz zum erwarteten Schließzeitpunkt zu ermitteln, die besonders effizient z. B. mittels eines Kennfelds zur weiteren Berechnung des Zusetzungsgrads verwendbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird in einem weiteren Schritt des Verfahrens eine gewünschte Einspritzmenge für eine nachfolgende Kraftstoffeinspritzung festgelegt. Ein modifiziertes Ansteuersignal und ein modifizierter Kraftstoffzuführdruck werden derart in Abhängigkeit vom Zusetzungsgrad festgelegt, dass das Einspritzventil die gewünschte Einspritzmenge an Kraftstoff einspritzt, wenn der modifizierte Kraftstoffzuführdruck am Einspritzventil anliegt und das Einspritzventil mit dem modifizierten Ansteuersignal angesteuert wird. Dies ermöglicht, den Einfluss der Zusetzung auf die Einspritzmenge im laufenden Betrieb ganz oder teilweise zu kompensieren, ohne dass das Einspritzventil gewartet oder ausgetauscht werden muss.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Festlegens eines gewünschten Einspritzendzeitpunkts für die nachfolgende Kraftstoffeinspritzung. Dabei erfolgt das Ermitteln des modifizierten Ansteuersignals und des modifizierten Kraftstoffzuführdrucks derart, dass das Einspritzventil bei Anliegen des modifizierten Kraftstoffzuführdrucks und Ansteuerung mit dem modifizierten Ansteuersignal zum gewünschten Einspritzendzeitpunkt schließt. Dies ermöglicht weiterhin, auch den Einfluss der Zusetzung auf das Einspritzende im laufenden Betrieb ganz oder teilweise zu kompensieren, ohne dass das Einspritzventil gewartet oder ausgetauscht werden muss. Somit kann der Verbrennungsschwerpunkt präzise geregelt werden.
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Hierbei wird vorzugsweise zum Ermitteln des modifizierten Ansteuersignals und des modifizierten Kraftstoffzuführdrucks ein erstes Kennfeld bestimmt, in Abhängigkeit vom Zusetzungsgrad, das eine Verzögerung des Schließzeitpunkts gegenüber dem Ansteuersignal in Abhängigkeit vom Kraftstoffzuführdruck und einer Dauer des Ansteuersignals beschreibt, und/oder ein zweites Kennfeld bestimmt, in Abhängigkeit vom Zusetzungsgrad, das eine Einspritzmenge des Einspritzventils in Abhängigkeit vom Kraftstoffzuführdruck und der Dauer des Ansteuersignals beschreibt. Die Kennfelder ermöglichen eine präzis auf den Typ des Einspritzventils abgestimmte Berechnung des modifizierten Kraftstoffzuführdrucks und des modifizierten Ansteuersignals.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügten Figuren erläutert. Von den Figuren zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Einspritzventils zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine;
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2 ein Diagramm, das den Einfluss einer Zusetzung eines Einspritzventils auf die Einspritzdauer und Einspritzmenge von Kraftstoffeinspritzungen veranschaulicht;
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3 eine schematische Blockdarstellung einer Steuervorrichtung für ein Einspritzventil, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Einspritzventils, gemäß einer Ausführungsform;
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5 ein beispielhafter Auszug aus einem Kennfeld, das den Endzeitpunkt einer Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit von Zusetzungsgrad und Betriebspunkt eines Einspritzventils beschreibt;
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6 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Schnittlinie zwischen einem Kennfeld und einer Ebene, die einen gewünschtes Endzeitpunkt einer Kraftstoffeinspritzung markiert;
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7 ein Diagramm, das die Berechnung eines interpolierten Kennfelds veranschaulicht; und
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8 ein Diagramm dreier beispielhafter zeitlicher Verläufe von Kraftstoffeinspritzungen.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, soweit nicht explizit anders angegeben.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein Einspritzventil 1 zum Einspritzen von Kraftstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine. Das Einspritzventil 1 weist einen säulenförmigen piezoelektrischen Aktor 2 auf, der eine Anzahl von übereinander gestapelten Piezoelementen 4 umfasst. Der Aktor 2 ist einerseits mit einer Gehäusewand 6, durch die Anschlussklemmen 7 des Aktors 2 hindurchgeführt sind, und andererseits mit einem Steuerkolben 8 kraftschlüssig verbunden, wobei zwischen dem Aktor 2 und dem Steuerkolben 8 weitere gestapelte Piezoelemente 188 eingefügt sind, die einen mechanisch mit dem Aktor 2 gekoppelten Piezosensor 186 bilden, dessen Ausgangssignal 184 z. B. zur Überwachung des Einspritzventils 1 an ebenfalls durch die Gehäusewand 6 nach außen geführten Sensoranschlussklemmen 182 abgegriffen werden kann.
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Der Steuerkolben 8 schließt mit seiner vom Aktor 2 abgewandten Stirnfläche 9 einen hydraulischen Koppler 10 ab. Der hydraulische Koppler 10 wirkt seinerseits auf einen in einem Verbindungskanal 12 geführten Steuerkolben 14, an dessen vom Koppler 10 abgewandtem Ende ein Verschließglied 16 angeordnet ist. Dieses verschließt in einer ersten Schließposition, die einer Ruheposition des Aktors 2 entspricht, einen Schaltventilsitz 18 eines Steuerraumes 20.
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Der Steuerraum 20 ist mit einem Führungskanal 24 verbunden, der eingangsseitig über ein Anschlussstück 26 an einen nicht dargestellten Druckspeicher eines Common-Rail-Kraftstoffversorgungssystems eines Kraftfahrzeugs angeschlossen ist. Alternativ kann das Einspritzventil 1 aber auch Teil eines Kraftstoffversorgungssystems mit individueller Bespeisung der Einspritzdüsen sein. Im Führungskanal 24 ist eine Düsennadel 28 angeordnet, die einen in den Brennraum mündenden Kraftstoffauslauf 30 eines vom Anschlussstück 26 abzweigenden Kraftstoffkanals 32 abhängig von einer über die Anschlussklemmen 7 an den Aktor 2 angelegten Ansteuerspannung 180 freigibt oder verschließt. Zur Einstellung funktionsgerechter Druckverhältnisse beim Betrieb des Einspritzventils 1 sind das Anschlussstück 26 mit einer Zulaufdrossel 34 und der Führungskanal 24 mit einer Ablaufdrossel 36 versehen.
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Im Betrieb des Einspritzventils 1 herrscht im Anschlussstück 26 ein hoher Druck, der bei einem Common-Rail-System beispielsweise zwischen 200 und 1800 bar betragen kann. Dieser Druck wirkt gegen die Düsennadel 28 und hält sie geschlossen, so dass durch den Kraftstoffauslauf 30 kein Kraftstoff austreten kann. Zu Beginn eines Einspritzzyklus legt eine nicht dargestellte Steuereinheit eine Ansteuerspannung 180 an die Anschlussklemmen 7 an. In Abhängigkeit von dieser Ansteuerspannung 180 dehnt sich der Aktor 2 in seiner Längsrichtung aus, so dass sich der Steuerkolben 8 in Richtung des hydraulischen Kopplers 10 bewegt. Infolge der dadurch bewirkten Druckerhöhung im Koppler 10 bewegt sich auch der Steuerkolben 14 mit dem daran angeordneten Verschließglied 16 in der in 1 abwärts weisenden Richtung. Das Verschließglied 16 gibt den Schaltventilsitz 18 frei und erlaubt den Abfluss des Kraftstoffes aus dem Steuerraum 20 am Steuerkolben 14 vorbei. Hierdurch baut sich der Druck im Führungskanal 24 ab, so dass die Düsennadel 28 in Richtung auf den Ventilraum 20 zurückweicht und den Kraftstoffauslauf 30 freigibt. Dieser Zeitpunkt markiert den Beginn einer Kraftstoffeinspritzung, während derer Kraftstoff aus dem Kraftstoffauslauf 30 in den Brennraum austritt.
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Die Steuereinheit hält die an den Anschlussklemmen 7 anliegende Ansteuerspannung 180 über eine vorbestimmte Ansteuerdauer hinweg aufrecht, während derer die Düsennadel 28 ihre zurückweichende, in 1 nach oben gerichtete Bewegung fortsetzt. Sobald nach Ablauf der Ansteuerdauer die Ansteuerspannung 180 nicht mehr anliegt, verkürzt sich der Aktor 2 wieder, sodass der Steuerkolben 14 sich wieder in der in 1 aufwärts weisenden Richtung bewegt und das Verschließglied 16 den Schaltventilsitz 18 verschließt. Dies unterbindet den Abfluss des Kraftstoffes aus dem Steuerraum 20, sodass der Druck im Steuerraum 20 und im Führungskanal 24 wieder ansteigt. Der Druckanstieg beschleunigt die Düsennadel 28 in der in 1 abwärts weisenden Richtung, so dass sich die Düsennadel wieder in Richtung auf den Kraftstoffauslauf 30 zu bewegt, bis sie, gegenüber dem Ende der Ansteuerdauer um eine Laufzeit verzögert, mit ihrer Spitze den Kraftstoffauslauf 30 wieder verschließt und die Kraftstoffeinspritzung beendet.
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Durch die Verbrennung des in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffs bei hohen Temperaturen und hohem Druck kommt es über die Lebensdauer des Einspritzventils 1 zu einer sogenannten Verkokung oder Zusetzung des Kraftstoffauslaufs 30. Das bedeutet, dass sich Kohlenstoffverbindungen im und um den Kraftstoffauslauf 30 ansetzen, die eine Verringerung seines Durchmessers zur Folge haben. Die Zusetzung des Einspritzventils 1 bewirkt aufgrund zweier konkurrierender Effekte eine deutliche Veränderung des zeitlichen Einspritzverlaufs. Zum einen bewirkt die Zusetzung eine Verringerung des Kraftstoffdurchflusses bei einer Einspritzung, was für sich betrachtet die Einspritzmenge verringert. Zum anderen baut sich durch den geringeren Durchfluss durch den Kraftstoffauslauf 30 zu Beginn der Einspritzung schneller ein höherer Druck unterhalb der Düsennadel 28 auf. Die Düsennadel 28 hebt sich schneller an, entfernt sich während der Ansteuerdauer um eine größere Wegstrecke ihrem Sitz am Kraftstoffauslauf und benötigt dementsprechend auch mehr Zeit, um nach Einspritzende wieder in ihren Sitz zurückzukehren. Die Einspritzdauer verlängert sich.
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2 veranschaulicht anhand von Messdaten, die bei einem konstanten Kraftstoffzuführdruck von 1600 bar mit in unterschiedlichem Maße durch Verkokung zugesetzten Einspritzventilen gewonnen wurden, beispielhaft den Einfluss beider Effekte auf die Einspritzdauer und Einspritzmenge von Kraftstoffeinspritzungen. Über einer Zeitachse 200, die die Ansteuerdauer der Aktoren der vermessenen Einspritzventile bei den vorgenommenen Kraftstoffeinspritzungen in μs angibt, ist entlang der linken Vertikalachse 202, die gemessene Einspritzdauer 210 in ms aufgetragen, und zwar jeweils für ein erstes 204, zweites 205, drittes 206 und viertes 207 Einspritzventil, die einen vom ersten 204 bis zum vierten 207 Einspritzventil aufsteigenden Zusetzungsgrad aufweisen. Entlang der rechten Vertikalachse 214 ist für dieselben Einspritzventile 204, 205, 206 und 207 die jeweilige Einspritzmenge 212 während einer Kraftstoffeinspritzung aufgetragen.
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Je länger ein Einspritzventil 204, 205, 206, 207 angesteuert wird, desto stärker wirkt sich eine durch einen höheren Zusetzungsgrad verringerte Durchflussmenge des Einspritzventils aus. Das erste Einspritzventil 204 weist bei einer Ansteuerdauer von 310 μs die geringste Einspritzmenge 212 auf, erzielt aber bei 600 μs die höchste Einspritzmenge 212. Für Ansteuerdauern unter etwa 500 μs überwiegt die Auswirkung der verlängerten Einspritzdauer gegenüber der des geringeren Durchflusses.
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3 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung eine Steuervorrichtung 300 für ein Einspritzventil 1, wie z. B. das in 1 dargestellte Einspritzventil 1. Die Steuervorrichtung 300 umfasst eine Ansteuereinheit 302 zum Ansteuern des Einspritzventils 1 über eine Aktorzuleitung 310, die z. B. mit den Anschlussklemmen 7 des Aktors 2 in 1 verbunden ist. Die Steuervorrichtung 300 umfasst ferner eine Detektiereinheit 304 zum Detektieren eines tatsächlichen Schließzeitpunkts des Einspritzventils 1, die über eine Sensorzuleitung 312 z. B. mit den Anschlussklemmen 182 des Piezosensors 186 in 1 verbunden ist, sowie einen Kraftstoffdrucksteller 316, der über eine Druckstellerzuleitung 308 mit einem das Einspritzventil 1 speisenden Kraftstoffdruckspeicher 314 verbunden ist.
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Weiterhin umfasst die Steuervorrichtung 300 eine Zusetzungsgradermittler 306 zum Ermitteln eines Zusetzungsgrads des Einspritzventils 1, der zum Empfang von Informationen mit der Ansteuereinheit 302, der Detektiereinheit 304 und dem Kraftstoffdrucksteller 316 verbunden ist. Der Zusetzungsgradermittler 306 hat ferner Zugriff auf einen Speicher 322 der Steuervorrichtung 300, in dem Kennfelder 324 abgespeichert sind, die jeweils für einen bestimmten Zusetzungsgrad des Einspritzventils 1 Beziehungen beschreiben zwischen dem Druck im Kraftstoffdruckspeicher 314, der Ansteuerdauer eines im Betrieb zur Durchführung einer Kraftstoffeinspritzung von der Ansteuereinheit 302 an das Einspritzventil 1 gesandten Ansteuersignals, dem Schließzeitpunkt des Einspritzventils 1 und der Einspritzmenge der Kraftstoffeinspritzung. Eine Warneinrichtung 326 ist in der Steuervorrichtung 300 vorgesehen, um ein Warnsignal auszugeben, wenn der Zusetzungsgrad des Einspritzventils 1 einen maximal zulässigen Wert übersteigt.
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Die Steuervorrichtung umfasst weiterhin einen Kennfeldermittler 320 zum Ermitteln von Kennfeldern, die für einen vom Zusetzungsgradermittler 306 bereitgestellten Zusetzungsgrad gültig sind, sowie einen Betriebspunktmodifizierer 318, der auf Grundlage der vom Kennfeldermittler 320 bereitgestellten Kennfelder einen Kraftstoffzuführdruck und eine Ansteuerdauer ermittelt, mit denen der Betriebspunkt des Einspritzventils 1 für eine nachfolgende Kraftstoffeinspritzung modifizibar ist, um die nachfolgende Kraftstoffeinspritzung mit einer gewünschten Einspritzmenge und einem gewünschten Einspritzende auszuführen.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Einspritzventils, z. B. des in 1 gezeigten Einspritzventils 1, bei dem z. B. eine Steuervorrichtung wie die in 3 gezeigte Steuervorrichtung 300 verwendet werden kann.
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In Schritt 400 wird ein am Einspritzventil anliegender Kraftstoffzuführdruck auf einen vorbestimmten Wert eingestellt, z. B. durch Regeln eines in einem Kraftstoffdruckspeicher herrschenden Drucks. In Schritt 402 wird das Einspritzventil mit einem Ansteuersignal angesteuert, das eine vorbestimmte Ansteuerdauer aufweist, um das Einspritzventil für eine Kraftstoffeinspritzung zu öffnen.
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In Schritt 404 wird ein erwarteter Endzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung berechnet, zu dem sich das Einspritzventil wieder schließt und die Kraftstoffeinspritzung endet. Dabei kann der Endzeitpunkt z. B. als zeitlicher Abstand zwischen dem Beginn des Ansteuersignals und dem Schließzeitpunkt des Einspritzventils definiert sein. Der Berechnung werden z. B. der eingestellte Kraftstoffzuführdruck, die Ansteuerdauer und im Voraus bestimmte Eigenschaften eines fabrikneuen Einspritzventils zugrunde gelegt. In alternativen Ausführungsformen kann auch eine aus dem Betriebsalter des Einspritzventils berechenbare Veränderung der Eigenschaften, z. B. bedingt durch allmähliches Ausdengeln des Ventilsitzes, berücksichtigt werden.
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In einem weiteren Schritt 406, der parallel zu Schritt 404 ausgeführt werden kann, wird der tatsächliche Schließzeitpunkt des Einspritzventils detektiert. Dies kann z. B. mit Hilfe eines auf den Schließvorgang zurückgehenden Schallsignals erfolgen, das z. B. mit einem Piezosensor wie dem in 1 gezeigten Piezosensor 186 oder einem an geeigneter Stelle angebrachten Klopfsensor aufgenommen und zur Bestimmung des Schließzeitpunkts durch Bandpassfiltern, Quadrieren, Integrieren usw. geeignet aufbereitet wird. Alternativ kann der Schließzeitpunkt auch auf andere Weise, z. B. mittels optischer Signale ermittelt werden.
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In Schritt 408 wird der tatsächlich ermittelte mit dem erwarteten Schließzeitpunkt verglichen. Wird festgestellt, dass der tatsächlich ermittelte Schließzeitpunkt gegenüber dem erwarteten Schließzeitpunkt verzögert ist, so liegt eine Verkokung des Einspritzventils vor. Ein numerischer Zusetzungsgrad, der das genaue Ausmaß der Verkokung numerisch beschreibt, wird in Schritt 410 ermittelt. Der Zusetzungsgrad kann z. B. als prozentuale Minderung der Durchflussmenge oder des Öffnungsquerschnitt des Kraftstoffausflusses des Einspritzventils definiert sein. Die Berechnung des Zusetzungs- bzw. Verkokungsgrads kann mit einem vierdimensionalen Kennfeld erfolgen, das den Endzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit vom Zusetzungsgrad und dem die Ansteuerdauer und den Kraftstoffzuführdruck umfassenden Betriebspunkt des Einspritzventils beschreibt.
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In Schritt 411 wird ein erstes Kennfeld bestimmt, das für den in Schritt 410 ermittelten Zusetzungsgrad des Einspritzventils gültig ist und den Endzeitpunkt von Kraftstoffeinspritzungen in Abhängigkeit vom Betriebspunkt, d. h. der Ansteuerdauer und dem Kraftstoffzuführdruck beschreibt. In Schritt 412 wird ein gewünschter Endzeitpunkt für eine nachfolgende Kraftstoffeinspritzung festgelegt. Parallel zu Schritt 411 und 412 wird in Schritt 413 wird ein zweites Kennfeld bestimmt, das ebenfalls für den in Schritt 410 ermittelten Zusetzungsgrad des Einspritzventils gültig ist und die Einspritzmenge von Kraftstoffeinspritzungen in Abhängigkeit vom Betriebspunkt, d. h. der Ansteuerdauer und dem Kraftstoffzuführdruck beschreibt. Das erste und zweite Kennfeld können z. B. aus vorhandenen Kennfeldern ausgewählt oder durch Interpolation aus solchen abgeleitet werden. In Schritt 414 wird eine gewünschter Einspritzmenge für eine nachfolgende Kraftstoffeinspritzung festgelegt. Bei den gewünschten Werten für die Einspritzmenge und den Endzeitpunkt der Einspritzung kann es sich z. B. um dieselben Werte handeln, die schon bei der in Schritt 402 durchgeführten Kraftstoffeinspritzung der Ansteuerung zugrunde gelegt wurde. Es können aber auch abweichende Werte festgelegt werden, z. B. aufgrund von übergeordneten Informationen wie einer veränderten Leistungsanforderung der Brennkraftmaschine, in der das Einspritzventil eingebaut ist.
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In Schritt 416 werden unter Verwendung des in Schritt 411 und 413 bestimmten ersten und zweiten Kennfelds eine modifizierte Ansteuerdauer und ein modifizierten Kraftstoffzuführdruck derart ermittelt, dass das erste Kennfeld für die ermittelten Werte den gewünschten Endzeitpunkt der Einspritzung und das zweite Kennfeld für die ermittelten Werte die gewünschte Einspritzmenge angibt. Das Verfahren springt nun auf Schritt 400 zurück, wo der modifizierte Kraftstoffzuführdruck eingestellt wird. In Schritt 402 wird das Einspritzventil mit der modifizierten Ansteuerdauer angesteuert, so dass unter Berücksichtigung des in Schritt 410 ermittelten Zusetzungsgrads nunmehr zu erwarten ist, dass die gewünschte Einspritzmenge einspritzt wird und die Einspritzung zum gewünschten Endzeitpunkt endet.
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5 zeigt beispielhaft in einem dreidimensionalen Diagramm einen Auszug aus einem Kennfeld 502, wie es z. B. im Speicher 322 der in 3 dargestellten Steuervorrichtung 300 abgelegt ist oder aus den dort abgelegten Kennfeldern 324 ableitbar ist. Der gezeigte Auszug beschreibt den in ms angegebenen Endzeitpunkt 202 einer Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit vom Zusetzungsgrad 500 des Einspritzventils, angegeben in Prozent, und der Ansteuerdauer 200 in μs, mit der das Einspritzventil angesteuert wird. Das vollständige Kennfeld 502 gibt den Endzeitpunkt 202 weiterhin in Abhängigkeit vom Kraftstoffzuführdruck an. Ein derartiges Kennfeld wird z. B. in Schritt 410 des in 4 beschriebenen Verfahrens verwendet, um aus dem in Schritt 406 detektierten tatsächlichen Schließzeitpunkt und damit dem tatsächlich beobachteten Endzeitpunkt 202 der Einspritzung, der Ansteuerdauer 200 und dem Kraftstoffzuführdruck den aktuellen Zusetzungsgrad 500 des Einspritzventils zu ermitteln.
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6 zeigt ebenfalls in einem dreidimensionalen Diagramm ein Kennfeld 606, wie es z. B. in Schritt 411 des Verfahrens aus 4 als erstes Kennfeld 606 bestimmt wird, z. B. durch Auswählen oder interpolieren gemäß dem in Schritt 410 ermittelten Zusetzungsgrad. Das gezeigte erste Kennfeld 606 beschreibt den Endzeitpunkt 202 (Einheit ms) der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit vom Kraftstoffzuführdruck 600 (Einheit bar) und der Ansteuerdauer 200 (Einheit μs). Eine ebenfalls dargestellte erste Ebene 602 markiert den gewünschten Endzeitpunkt 608 einer nachfolgenden Kraftstoffeinspritzung als konstanten Wert, hier beispielhaft 1,2 ms. Die erste Ebene 602 schneidet das erste Kennfeld 606 entlang einer ersten Kurve 604, die alle Betriebspunkte umfasst, für die eine Kraftstoffeinspritzung beim gegebenen Zusetzungsgrad zum gewünschten Endzeitpunkt 608 endet.
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In analoger Weise zum gezeigten ersten Kennfeld 606 wird auch ein nicht gezeigtes zweites Kennfeld bestimmt, z. B. in Schritt 413 des Verfahrens aus 4 durch Auswählen oder Interpolieren gemäß dem in Schritt 410 ermittelten Zusetzungsgrad, wobei das zweite Kennfeld die Einspritzmenge der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit vom Kraftstoffzuführdruck 600 und der Ansteuerdauer 200 beschreibt. Durch Definieren einer zweiten Ebene, die die gewünschte Einspritzmenge der nachfolgenden Kraftstoffeinspritzung als konstanten Wert markiert, wird eine zweite Kurve bestimmt, entlang derer die zweite Ebene das zweite Kennfeld schneidet. In Analogie zur ersten Kurve 604 umfasst die zweite Kurve alle Betriebspunkte, für die eine Kraftstoffeinspritzung beim gegebenen Zusetzungsgrad die gewünschte Einspritzmenge aufweist. Bildet man, z. B. in Schritt 416 des Verfahrens aus 4, Projektionen der ersten 604 und zweiten Kurve auf die durch die Achsen der Ansteuerdauer 200 und des Kraftstoffzuführdrucks 600 aufgespannten Ebene, so schneiden sich die Kurven in einem Betriebspunkt, bei dem trotz des gegebenen Zusetzungsgrads der gewünschte Endzeitpunkt und die gewünschte Einspritzmenge erzielt werden.
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7 veranschaulicht anhand eines dreidimensionalen Diagramms eine Ausführungsform, die insbesondere dazu geeignet ist, in einer Steuervorrichtung mit begrenzten Rechen- und Speicherkapazitäten implementiert zu werden. Gemäß dieser Ausführungsform werden zur Bestimmung des ersten 606 und zweiten Kennfelds nicht die vollständigen, im Speicher der Steuervorrichtung abgelegten Kennfelder für Einspritzende 202 und -menge entsprechend dem ermittelten Zusetzungsgrad interpoliert, sondern nur drei Punkte 702, 703, 704, die ausreichen, um das gesamte erste Kennfeld 606 (bzw. analog das gesamte zweite Kennfeld) durch eine Ebene darzustellen. Hierfür werden jeweils aus im Speicher der Steuervorrichtung abgelegten vollständigen Kennfeldern, die einem zum ermittelten Zusetzungsgrad nächst höheren und nächst niedrigeren Wert entsprechen, folgende Stützstellen isoliert:
- 1. Die jeweils nächstliegenden Stützstellen 712, 722 mit höherem Kraftstoffzuführdruck 600 und kürzerer Ansteuerdauer 200 als der des aktuellen Betriebspunkts,
- 2. die jeweils nächstliegenden Stützstellen 713, 723 mit niedrigerem Kraftstoffzuführdruck 600 und kürzerer Ansteuerdauer 200, und
- 3. die jeweils nächstliegenden Stützstellen 714, 724 mit höherem Kraftstoffzuführdruck 600 und längerer Ansteuerdauer 200.
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Eine vierte umgebende Stützstelle mit niedrigerem Kraftstoffzuführdruck 600 und längerer Ansteuerdauer 200 wird für die Bildung des zur Ebene vereinfachten ersten Kennfelds 606 bewusst nicht verwendet, da diese bei angenommener fortschreitender Zusetzung des Einspritzventils am weitesten vom korrigierten Betriebspunkt entfernt liegen würde. Da im Allgemeinen keines der im Speicher vorhandenen Kennfelder exakt auf den ermittelten Zusetzungsgrad zutrifft, wird zwischen den jeweiligen Punkten der höheren 712, 713, 714 und niedrigeren 722, 723, 724 Zusetzungsgrade linear interpoliert, um die Punkte 702, 703, 704 für den ermittelten Zusetzungsgrad zu gewinnen. Das Ergebnis dieses Arbeitsschritts, ausgeführt für das erste 606 und zweite Kennfeld, sind insgesamt sechs Punkte: Drei Punkte 702, 703, 704 stellen den Endzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung über dem Betriebspunkt 200, 600 dar, und drei weitere die Einspritzmenge über dem Betriebspunkt 200, 600. Sind diese Punkte berechnet, so kann jeweils aus drei Punkten eine Ebene der Form a·x + b·y + c = z gebildet werden.
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Die Gleichungen der sich aus dieser Vorgehensweise ergebenden beiden Ebenengleichungen lauten wie folgt: EM = a·RD + b·AD + c EOI = d·RD + e·AD + f.
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Wird nun für EM die gewünschte Einspritzmenge eingesetzt und für EOI das gewünschte Einspritzende (der Einschlagzeitpunkt der Düsennadel, mit dem das Einspritzventil schließt), so können die modifizierte Ansteuerdauer AD und der modifizierte Kraftstoffzuführdruck RD errechnet werden, mit denen die gewünschte Einspritzdauer und das gewünschte Einspritzende erzielbar sind. Hierfür werden zuerst beide Gleichungen nach RD aufgelöst und anschließend gleichgesetzt. Es ergibt sich eine Gleichung mit nur noch einer Unbekannten, die wie folgt umgeformt werden kann: AD = a·EOI – d·EM + c·d – f·a / a·e – b·d
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Ist die modifizierte Ansteuerdauer AD berechnet, so kann diese in eine der Ebenengleichungen eingesetzt werden, um auch den modifizierte Kraftstoffzuführdruck RD zu berechnen.
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Zur Erhöhung der Präzision, mit der die modifizierte Ansteuerdauer und der modifizierte Kraftstoffzuführdruck ermittelt werden, kann der anhand von 7 beschriebene Rechenvorgang iterativ ausgeführt werden, indem für die modifizierten Werte AD, RD erneut die jeweiligen Stützstellen des ersten 606 und zweiten Kennfelds gebildet und ein neuer modifizierter Betriebspunkt mit einer neuen modifizierten Ansteuerdauer AD' und einem neuen modifizierten Kraftstoffzuführdruck RD' berechnet wird. Da die Korrekturwerte aus dem ersten Vorgang bereits deutlich näher an den gesuchten Betriebspunkten liegen, wirken sich Messungenauigkeiten bereits in der zweiten Iteration deutlich schwächer aus. Erfahrungsgemäß verändern sich die Korrekturwerte AD', RD' ab der vierten Iteration nicht weiter und erzielen mit hoher Genauigkeit die gewünschten Einspritzmenge und das gewünschten Einspritzende.
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8 zeigt ein Diagramm dreier beispielhafter zeitlicher Verläufe 804, 806, 808 von Kraftstoffeinspritzungen, aufgetragen als Einspritzrate 802 in Einheiten von mm3/s über der Zeit 800 in Einheiten von ms. Eine erste 804 und zweite 806 Kurve stellen Messungen an zwei Einspritzventilen gleichen Typs bei gleichem Kraftstoffzuführdruck und gleicher Ansteuerdauer dar, wobei das zur ersten Kurve 804 gehörende Einspritzventil fabrikneu ist, das zur zweiten Kurve 806 gehörende Einspritzventil jedoch aufgrund von Verkokung eine um 21% reduzierte Durchflussmenge aufweist. Die zweite Kurve 806 zeigt gegenüber der ersten Kurve 804 eine Verzögerung 810 des Einspritzendes 814 und eine Verringerung 812 der maximalen Einspritzrate während der Einspritzung.
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Eine dritte Kurve 808 stellt eine Messung an demselben, zugesetzten Einspritzventil dar, mit dem auch die zweite Kurve 806 aufgenommen wurde. Bei dieser Messung 808 wurden jedoch für Kraftstoffzuführdruck und Ansteuerdauer entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren modifizierte Werte verwendet. Sowohl das Einspritzende 814 als auch die Einspritzmenge, die der Fläche unter der Kurve 808 entspricht, wurde sichtbar erfolgreich korrigiert. Auch findet der Einspritzbeginn 816 durch die Korrektur nicht früher statt.
