DE102008002216A1

DE102008002216A1 - Verfahren zum Betreiben eines Einspritzsystems mit mindestens zwei Rails für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008002216A1
Application number: DE102008002216A
Authority: DE
Inventors: Anette Siebke; Rene Zieher; Paulo Jorge Ferreira Goncalves; Lars Reichelt; Hans Georg Bossemeyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-06-04
Publication date: 2009-10-15

Abstract

Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, wie bei Kraftstoffeinspritzsystemen mit zwei Rails (1, 2) und nur einem Raildrucksensor (4) der Druck im zweiten Rail (2) mit ausreichender Genauigkeit ermittelt werden kann.

Description

Stand der Technik
Aus der EP 1 369 573 B1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem die Vergleichmäßigung der Einspritzmengen dadurch erreicht wird, dass die Förderhübe der Kraftstoffhochdruckpumpe und die Einspritzungen ”symmetrisch” zueinander angeordnet sind. Dieses Verfahren ist bei Kraftstoffeinspritzsystemen mit einem gemeinsamen Hochdruckspeicher (Rail) sehr wirksam.
Auf Grund der großen Druckänderungsraten, die durch die Förderhübe der Hochdruckpumpe sowie die Einspritzungen von Kraftstoff mit Hilfe der Injektoren ausgelöst werden, können im Rail Druckschwankungen von über 200 bar auftreten. Da die eingespritzte Kraftstoffmenge neben der Öffnungsdauer der Injektoren stark vom an den Injektoren anliegenden Druck abhängt, würden diese Druckdifferenzen zu inakzeptabel großen Streuungen der eingespritzten Kraftstoffmenge führen. Um diese Mengenschwankungen zu minimieren ist es bekannt, unmittelbar vor der Einspritzung den momentanen Raildruck zu ermitteln und auf der Basis dieses Drucks die erforderliche Ansteuerdauer des Injektors unter Berücksichtigung des Kennfelds des Injektors zu berechnen.
Aus dem Stand der Technik sind weiter Einspritzsysteme mit zwei Rails bekannt. Diese Einspritzsysteme werden häufig bei Brennkraftmaschinen eingesetzt, bei denen nicht alle Zylinder in einer Reihe angeordnet sind. Ein typischer Vertreter dieser Bauart ist eine V8-Brennkraftmaschine, wobei jeweils vier Zylinder zu einer Zylinderbank zusammengefasst sind. Die Erfindung ist nicht auf V8-Motoren beschränkt, allerdings wird das erfindungsgemäße Verfahren nachfolgend anhand einer Brennkraftmaschine mit 8 Zylindern in V-Anordnung erläutert. Eine Adaption auf beispielsweise Brennkraftmaschinen in V6 oder V10 beziehungsweise V12-Anordnung ist ohne Weiteres möglich.
Bei Kraftstoffeinspritzsystemen mit zwei Rails wird aus Kostengründen immer nur ein Raildrucksensor eingesetzt. Die Hauptfunktionen des Raildrucksensors sind die Überwachung des Hochdruckbereichs des Kraftstoffeinspritzsystems. So können sicherheitsrelevante Funktionen, wie das Auslösen des Druckregelventils, die Regelung der Hochdruckpumpe mit Hilfe des Raildrucksensors vom Motorsteuergerät vorgenommen werden. Entsprechendes gilt auch für die Berechnung der Ansteuerdauer der Injektoren.
Es gibt eine Vielzahl von Varianten von Hochdrucksystemen. Den allermeisten Systemvarianten ist gemeinsam, dass der eine Raildrucksensor in dem ersten Rail angeordnet ist und das zweite Rail über keinen gesonderten Raildrucksensor verfügt.
Da die Drücke im ersten Rail und im zweiten Rail, wie bereits erwähnt, erhebliche Schwankungen um einen Mittelwert aufweisen und um mehr als 200 bar voneinander abweichen können, ist es erforderlich, diese Druckunterschiede zu ermitteln beziehungsweise in geeigneter Weise zu kompensieren.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Einspritzsystem mit zwei Rails und einem Raildrucksensor bereitzustellen, bei dem die Ermittlung des Drucks in dem zweiten Rail mit vergleichbarer Genauigkeit wie in dem ersten Rail, in dem ein Raildrucksensor vorhanden ist, erfolgt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine mit einer Hochdruckpumpe, mit mindestens zwei Rails, mit einem Raildrucksensor und mit mehreren Injektoren, wobei die Hochdruckpumpe, die mindestens zwei Rails und die Injektoren über Hochdruckleitungen miteinander hydraulisch verbunden sind, und mit einem Steuergerät zur Steuerung der Fördermenge der Hochdruckpumpe und der Einspritzdauern der Injektoren, dadurch gelöst, dass der Druck p₁ in einem ersten Rail erfasst wird und daraus der einspritzmengenrelevante Druck in mindestens einem Rail in Abhängigkeit der von der Hochdruckpumpe geförderten Kraftstoffmengen und der von den Injektoren eingespritzten Kraftstoffmengen ermittelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren verringert die Hardware-Kosten des Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere weil der bisher übliche Diverter entfallen kann. Der Diverter übernimmt bei Kraftstoffeinspritzsystemen nach dem Stand der Technik die Verteilung des Kraftstoffs auf die verschiedenen Rails. Des Weiteren verliert der sogenannte orientierte Einbau der Pumpe, der die Phasenlage zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle festlegt, durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens an Bedeutung oder wird sogar überflüssig.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, ausgehend von dem Erfassen des momentanen Drucks in beispielsweise einem ersten Rail, durch eine physikalische Modellbildung des Hochdruckbereichs des Kraftstoffeinspritzsystems, die in einem Rail oder in beiden Rails herrschenden Drücke mit der erforderlichen Genauigkeit und zeitlichen Auflösung zu simulieren beziehungsweise zu ermitteln. Dabei ist es erforderlich, als Eingangsgröße den gemessenen Raildruckverlauf zu verwenden und die durch die Förderhübe der Hochdruckpumpe und der Kraftstoffeinspritzungen durch die Injektoren verursachten Druckschwankungen vorauszuberechnen.
In erster Nahrung kann die globale Druckänderung Δp, die auf Grund eines Förderhubs der Hochdruckpumpe beziehungsweise durch die Einspritzung einer bestimmten Kraftstoffmenge durch einen oder mehrere der Injektoren erfolgt, gemäß folgender Gleichung berechnet werden.
mit:

c:: Wellenlaufgeschwindigkeit im Kraftstoff,
V:: Volumen des gesamten Rail-Hochdrucksystems
Δm:: zugeführte beziehungsweise entnommene Kraftstoffmassen.

Dieser globalen Druckänderung überlagert sind Druckschwingungen des gesamten Hochdruckbereichs des Kraftstoffeinspritzsystems, bestehend aus beiden Rails, der Hochdruckpumpe, den Injektoren und den zugehörigen Hochdruckleitungen. Die detaillierte Berechnung der Schwingungen mit der erforderlichen örtlichen und zeitlichen Auflösung kann mit Hilfe von bekannten Verfahren, wie beispielsweise dem Charakteristikenverfahren oder einer zeitlich und örtlich hochaufgelösten fluiddynamischen Simulationsrechnung, durchgeführt werden. Anschließend können die solcherart berechneten Druckschwingungen dem global über dem Hochdruckbereich gemittelten Druck überlagert werden. Selbstverständlich ist dazu auch die Elastizität der beteiligten Baugruppen, Länge und Durchmesser der Rohrleitungen und auch die Kompressibilität des Kraftstoffs als Eingangsgröße der Berechnung erforderlich.
Von besonderem Interesse für die Steuerung der Brennkraftmaschine ist es naturgemäß, den örtlichen Druck an einem Injektor kurz vor dessen Einspritzung zu berechnen oder sogar für den Zeitmittelpunkt der Einspritzung vorher zu bestimmen, da dieser örtliche Druck zu dem genannten Zeitpunkt erheblichen Einfluss auf die eingespritzte Kraftstoffmenge je Zeiteinheit und damit auf die zu wählende Ansteuerdauer des Injektors hat.
Dies ist für jeden Injektor des Einspritzsystems möglich, so dass mit Hilfe dieses physikalischen Modells für alle Injektoren mit gleicher Genauigkeit der aktuelle Druck unmittelbar vor Beginn der Einspritzung ermittelt und der Berechnung der Ansteuerdauer der Injektoren zu Grunde gelegt werden kann.
Da die Druckschwingungen gedämpft werden vom Hochdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems, ist es ausreichend, wenn nur eine endliche Zahl von Anregungen bei der Berechnung des momentanen Drucks berücksichtigt wird. Dadurch wird die erforderliche Rechenleistung verringert und das Verfahren wird robust hinsichtlich der Genauigkeit der Berechnungsergebnisse, da ”Ungenauigkeiten”, die in der Vergangenheit liegen, zunehmend weniger Einfluss auf das aktuelle Berechnungsergebnis haben. Durch die Rückkopplung mit dem gemessenen Raildruck, kann eine kontinuierliche Adaption des Berechnungsergebnisses vorgenommen werden.
Ein weiterer Vorteil dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass der Raildruck nicht zeitlich hoch aufgelöst gemessen werden muss, sondern einfache und vergleichsweise träge Raildrucksensoren zum Einsatz kommen können.
Allerdings ist es selbstverständlich erforderlich, die Phasenlage von Pumpenhüben und Einspritzungen bei der Berechnung der lokalen Druckschwingungen zu berücksichtigen.
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich das Hochdrucksystem so symmetrisch auslegen, dass in beiden Rails zeitlich versetzt die gleichen Druckschwankungen auftreten. Der Raildruck im ersten Rail wird mit Hilfe des Raildrucksensors zeitlich hoch aufgelöst erfasst und bezüglich auftretender Druckschwankungen ausgewertet. Anschließend wird der Druck im zweiten Rail unter Berücksichtigung des Zeitversatzes und der zwischenzeitlich erfolgten globalen Druckänderung berechnet.
Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass der Raildruck im zeitlichen Mittel in beiden Rails näherungsweise gleich ist und diesem mittleren Raildruck Schwankungen überlagert sind, die, wie bereits erwähnt, einer seits von der Hochdruckpumpe und zum anderen durch die Einspritzungen hervorgerufen werden.
Diese beiden Anregungen führen zeitversetzt zu Druckschwankungen im ersten Rail und in zweiten Rail, so dass es erfindungsgemäß möglich ist, aus den für das erste Rail gemessenen Druckwerten unter Berücksichtigung des Zeitversatzes die Druckschwankungen im zweiten Rail zu ermitteln. Der Winkelversatz in Grad Kurbelwellenwinkel, der diesem Zeitversatz zugeordnet werden kann, ist für jedes Einspritzsystem eine konstante Größe.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Ausgangssignale des Raildrucksensors in zwei Gruppen von Druckschwingungen mit Hilfe von Filtern zerlegt. Dabei werden die von der Hochdruckpumpe verursachten periodischen Druckschwankungen einer ersten Gruppe zugeordnet, während der zweiten Gruppe die von den Injektoren mit anderer Periodizität verursachten Druckschwankungen zugeordnet werden. Diese Trennung beziehungsweise Filterung der Druckschwankungen und anschließende Aufteilung in eine erste und eine zweite Gruppe, ist ohne Weiteres möglich, da die Frequenzen, mit der die Druckschwingungen der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe auftreten, verschieden wird. So kann beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine mit 8 Zylindern und einer Hochdruckpumpe mit drei Pumpenelementen die Zahl der Förderhübe je Arbeitsspiel ein ganzes Vielfaches von 3 sein, während die Zahl der Einspritzungen je Arbeitspiel gleich 8 ist.
Da der zeitliche Versatz zwischen erstem und zweitem Rail für die erste Gruppe von Druckschwingungen und die zweite Gruppe von Druckschwingungen nicht identisch ist, ist erfindungsgemäß weiter vorgesehen, beiden Gruppen von Druckschwingungen jeweils einen individuellen Zeit-Versatz Δt₁, Δt₂ beziehungsweise Kurbelwellenwinkelversatz Δφ₁ oder Δφ₂, zuzuordnen. Dadurch kann die Ermittlung des Drucks im zweiten Rail mit weiter verbesserter Genauigkeit erfolgen, da der Versatz konstant ist und die unterschiedliche Behandlung von Gruppen von Druckschwingungen keine nennenswerte zusätzliche Rechenkapazität im Steuergerät beansprucht.
Alternativ ist es auch möglich, den Druck im zweiten Rail dadurch zu ermitteln, dass das Übersetzungsverhältnis der Hochdruckpumpe so gewählt wird, dass für jede Zylinderbank die gleiche Abfolge von Förderhüben und Injektionen auftritt und diese beiden Abfolgen um einen Rapportwinkel (φ_Rapport) versetzt zueinander sind. Dadurch ist es möglich, durch zeitlich hoch aufgelöstes Erfassen der Druckschwankungen im ersten Rail und die Übertragung dieser Druckschwankungen auf den zu einem späteren Zeitpunkt, entsprechend dem Rap portwinkel φ_Rapport, herrschenden mittleren Druck im Hochdruckbereich den aktuellen Druck im zweiten Rail mit geringem Rechenaufwand und trotzdem großer Genauigkeit zu ermitteln.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, der Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:
1 stark vereinfachte Darstellungen verschieden konfigurierter Hochdruckbereiche erfindungsgemäßer Kraftstoffeinspritzsysteme,
2 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Raildrucks im zweiten Rail,
3 eine detaillierte Darstellung eines Funktionsblocks aus 2,
4 ein Diagramm, in dem die Förderhübe und Einspritzungen über die Stellung der Kurbelwelle aufgetragen sind und
5 eine Darstellung einer weiteren Variante zur Modellierung der Einspritzdrücke in beiden Rails.
Exemplarisch sind in den 1a, 1b und 1c Blockschaltbilder der Hochdruckbereiche verschieden konfigurierter Kraftstoffeinspritzsysteme, die zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind, stark vereinfacht dargestellt.
Alle Systeme weisen große Ähnlichkeiten auf, die zunächst exemplarisch anhand der 1a erläutert werden. Anschließend werden die Besonderheiten der 1a bis 1c erläutert.
Eine Hochdruckpumpe 0 fördert über Hochdruckleitungen 3.1 Kraftstoff in ein erstes Rail 1. Über eine weitere Hochdruckleitung 3.2 ist ein zweites Rail 2 hydraulisch mit dem ersten Rail 1 verbunden. An dem ersten Rail 1 sind insgesamt vier Injektoren 9.1 bis 9.4 mit weiteren Hochdruckleitungen 3.3 hydraulisch verbunden. Entsprechend sind an dem zweiten Rail 2 vier Injektoren 9.5 bis 9.8 mit Hochdruckleitungen 3.3 hydraulisch angeschlossen. Des weiteren ist an jeder Hochdruckleitung 3.3 jeweils eine Drossel (ohne Bezugszeichen) dargestellt.
An dem ersten Rail 1 ist ein Raildrucksensor 4 angebracht, der den Druck im ersten Rail 1 erfasst. Aus Kostengründen ist im zweiten Rail 2 kein zweiter Raildrucksensor vorgesehen. Am zweiten Rail 2 ist ein Druckregelventil DRV (nicht dargestellt) oder ein Druckbegrenzungsventil 6 vorhanden, welches öffnet, sobald der zulässige Höchstdruck im Hochdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems überschritten wird.
Ein Steuergerät 11 erhält über gestrichelt dargestellte Signalleitungen die Ausgangssignale des Raildrucksensors 4 und steuert über weitere Signalleitungen die Hochdruckpumpe 0 und die Injektoren 9 an. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 1 nur eine Signalleitung vom Steuergerät 11 zu dem Injektor 9.1 dargestellt. Es versteht sich von selbst, dass auch die anderen Injektoren 9.2 bis 9.8 über Signalleitungen mit dem Steuergerät in Verbindung stehen und von diesem angesteuert werden, wenn Kraftstoff in die nicht dargestellten Brennräume eingespritzt werden soll.
Zwischen der Hochdruckpumpe 0 einerseits sowie dem ersten Rail 1 und dem zweiten Rail 2 andererseits ist ein Diverter 12 vorgesehen, der dazu dient, den von der Hochdruckpumpe 0 geförderten Kraftstoff auf die Rails 1 und 2 zu verteilen.
Bei dem in 1a dargestellten System ist der Diverter 12 in Rail 1 integriert, während er bei dem in 1b dargestellten System als separates Bauteil ausgebildet ist.
Bei dem in 1c dargestellten System ist kein Diverter vorhanden, sondern die Hochdruckpumpe 0 fördert über die Hochdruckleitungen 3.1 direkt in die Rails 1 und 2. Über die Hochdruckleitung 3.2 findet ein Druckausgleich zwischen den Rails 1 und 2 statt.
Die in 1 dargestellten Konfigurationen von Kraftstoffeinspritzsystemen mit zwei Rails 1, 2 sind lediglich exemplarisch und das erfindungsgemäße Verfahren ist auch nicht auf die Anwendung bei diesen Konfigurationen beschränkt. Es sind eine Vielzahl von Varianten möglich, denen jedoch allen gemeinsam ist, dass nur ein Raildrucksensor 4 vorhanden ist, so dass der Raildruck am zweiten Rail 2 nicht direkt gemessen werden kann.
Wie sich aus der Betrachtung dieser schematischen Darstellung ergibt, haben die Hochdruckleitungen 3.1 zwischen Hochdruckpumpe 0 und erstem Rail 1 eine andere Länge als die Hochdruckleitungen 3.3 zwischen den Injektoren 9.1 bis 9.4 und dem ersten Rail 1 beziehungsweise zwischen den Injektoren 9.5 bis 9.8 und Rail 2.
Wenn Hochdruckpumpe 0 einen Förderhub F ausführt, erhöht sich der Druck im Hochdruckbereich, da zusätzlicher Kraftstoff in den Hochdruckbereich gefördert wird. Wegen der Länge der Hochdruckleitungen 3.1 vergeht bei einem Förderhub der Hochdruckpumpe 0 eine gewisse Zeit, bis die Druckpulsation am ersten Rail 1 eintrifft und den darin befindlichen Kraftstoff zu Druckschwingungen anregt. Dieser Versatz, der entweder als zeitlicher Versatz Δtp oder als Kurbelwinkelversatz Δφp in Grad angegeben werden kann, hängt naturgemäß von der Wellenlaufgeschwindigkeit des Kraftstoffs und der Länge der Hochdruckleitungen 3.1 zwischen Hochdruckpumpe 0 und erstem Rail 1 ab.
Wenn einer der Injektoren 9.1 bis 9.8 Kraftstoff in den Brennraum einspritzt, wird die Kraftstoffmenge im Hochdruckbereich des Einspritzsystems verringert, was zu einer Druckabsenkung führt. Dies ist ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal zwischen den durch die Förderhübe F und die Injektionen I verursachten Druckpulsationen beziehungsweise Druckschwingungen im ersten Rail 1 und infolgedessen auch im zweiten Rail 2.
Ein weiteres Charakteristikum der Förderhübe ist, dass ihre Zahl pro Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine abhängt von der Zahl der Pumpenelemente, der gewählten Übersetzung zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle, die die Hochdruckpumpe 0 antreibt, sowie von der Anzahl der Nocken auf der Nockenwelle der Pumpenelemente. Unter Arbeitsspiel einer Brennkraftmaschine werden bei einer Viertaktbrennkraftmaschine zwei Umdrehungen der Kurbelwelle, entsprechend einem Kurbelwellenwinkel φ von 720°, verstanden.
Naturgemäß hat bei einem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine jeder der Injektoren 9.1 bis 9.8 eine Einspritzung ausgeführt, umfassend eine oder mehrere Voreinspritzungen, eine Haupteinspritzung sowie Nacheinspritzungen, so dass die Zahl der Einspritzungen innerhalb eines Arbeitsspiels gleich der Zahl der Injektoren ist.
Da bei vielen 8-Zylinderbrennkraftmaschinen, nicht acht Förderhübe der Hochdruckpumpe pro Arbeitsspiel vorgesehen sind, können auch über die Frequenzanalyse der vom Raildrucksensor 4 ermittelten Druckschwingungen im ersten Rail 1 die Druckschwingungen dem Verursacher, nämlich der Hochdruckpumpe 0 oder den Injektoren 9 zugeordnet werden.
Durch die Hochdruckleitung 3.2, welche das erste Rail 1 mit dem zweiten Rail 2 verbindet, ist der Druck p₂ im zweiten Rail 2 nicht derselbe wie der vom Raildrucksensor 4 gemessene Druck p₁ im ersten Rail 1. Es ist vielmehr so, dass die Druckschwingungen zeitlich versetzt im zweiten Rail 2 und im ersten Rail 1 auftreten. Diesen Effekt macht sich, wie bereits oben erläutert, das erfindungsgemäße Verfahren zu Nutze, so dass auf Basis des Ausgangssignals des Raildrucksensors 4 und unter Berücksichtigung des Versatzes der Druckschwingungen mit ausreichender Genauigkeit der Druck im zweiten Rail 2 bestimmt werden kann.
In 2 ist ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In einem ersten Funktionsblock 15 wird der Druck p₁ im ersten Rail 1 mit einer ausreichend großen zeitlichen Auflösung vom Raildrucksensor 4 erfasst und über eine Signalleitung an das Steuergerät 11 übermittelt. In einem zweiten Funktionsblock 17 wird der Druck p₂ im zweiten Rail 2 ermittelt. Weitere wesentliche Eingangsgrößen der Druckermittlung sind die von der Hochdruckpumpe 0 geförderten Kraftstoffmengen m_Förder und die von den Injektoren 9.1 bis 9.8 eingespritzten Kraftstoffmengen. Über ein physikalisches Modell, welches die Elastizität der Hochdruckleitungen 3.1, 3.2, 3.3 sowie deren Längen und Durchmesser, das Volumen und die Elastizität der Rails 1 und 2 sowie die Wellenlaufgeschwindigkeit c des im Hochdruckbereich befindlichen Kraftstoffs berücksichtigt, kann der Druck p₂ im Rail 2 ausreichend genau ermittelt werden.
Wenn der Raildrucksensor 4 vergleichsweise träge ist, so dass seine Ausgangssignale die hochfrequenten Druckpulsationen im ersten Rail 1 nicht mit ausreichend großer zeitlicher Auflösung erfassen können, kann es erforderlich sein, sowohl für das erste Rail 1 als auch für das zweite Rail 2 ein physikalisches Modell des Hochdruckbereichs des Kraftstoffeinspritzsystems und unter Berücksichtigung der im Steuergerät 11 vorhandenen Daten über die Drehwinkel der Kurbelwelle (nicht dargestellt), der Fördermengen der Hochdruckpumpe 0 und der durch die Injektoren 9.1 bis 9.8 eingespritzten Kraftstoffmengen die hochfrequenten Druckschwingungen sowohl im ersten Rail 1 als auch im zweiten Rail 2 zu berechnen.
Wenn der Druck p₁ im ersten Rail 1 und/oder der Druck p₂ im zweiten Rail 2 zu einem bestimmten Zeitpunkt durch das oben beschriebene physikalische Modell bestimmt werden, müssen die Auswirkungen der in der Vergangenheit liegenden Förderhübe und der in der Vergangenheit liegenden Einspritzungen entsprechend berücksichtigt werden. Allerdings sind die Druckpulsationen gedämpft durch die in 1 dargestellten Drosseln, so dass nur eine endliche Zahl von in der Vergangenheit liegenden Anregungen beziehungsweise Förderhüben und Einspritzungen bei der physikalischen Modellbildung berücksichtigt werden müssen.
Wegen der Dämpfung können erstens die weit in der Vergangenheit liegenden Anregungen vollständig vernachlässigt werden und es kann die Amplitude der Druckschwingungen in Abhängigkeit von deren zeitlichem Abstand zum Berechnungszeitpunkt abnehmen.
Wenn sowohl die Druckschwingungen im ersten Rail 1 als auch im zweiten Rail 2 vom Steuergerät 11 berechnet werden, ist es lediglich erforderlich, einen zeitlichen Mittelwert der Druckschwingungen als Ausgangssignal des Raildrucksensors 4 zu haben. Dies bedeutet, dass der Railsdrucksensor 4 relativ träge sein kann.
In einem dritten Funktionsblock 19 werden die aktuellen Druckwerte p₁(t) und p₂(t) für die Berechnung der Ansteuerdauern der Injektoren 9.1 bis 9.8 herangezogen. Dadurch, dass im dritten Funktionsblock 19 jeweils der tatsächlich in den Rails 1 und 2 herrschende Druck bekannt ist, kann die Berechnung der Ansteuerdauer für die Injektoren mit größerer Genauigkeit erfolgen. Infolgedessen wird auch mit sehr großer Genauigkeit die gewünschte Kraftstoffmenge in den Brennraum eingespritzt, was sich positiv auf Leistung, Wirkungsgrad und Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine auswirkt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, obwohl nur ein Raildrucksensor 4 vorhanden ist, für alle acht Injektoren 9.1 bis 9.8 der aktuelle Druck unmittelbar vor Beginn der Einspritzung mit gleicher Genauigkeit bekannt, so dass die Zumessgenauigkeit der eingespritzten Kraftstoffmengen bei allen Injektoren gleich gut ist.
Danach verzweigt das Programm wieder vor den ersten Funktionsblock 15.
In 3 ist eine Variante des zweiten Funktionsblocks 17 etwas detaillierter dargestellt. In einem ersten Block 21 ist der vom Raildrucksensor 4 gemessene Druckverlauf über dem Kurbelwinkel φ aufgetragen. Dieser Druckverlauf ist das Ausgangssignal des Raildrucksensors 4. Falls erforderlich wird dieses Ausgangssignal im Steuergerät 11 aufbereitet. In einem ersten Schritt, werden die vom Raildrucksensor 4 mit hoher zeitlicher Auflösung gemessenen Druckschwingungen unterteilt in pumpeninduzierte Druckschwingungen und einspritzinduzierte Druckschwingungen.
Diese Aufteilung kann vergleichsweise einfach durch eine Frequenzanalyse gemacht werden. Werden die Frequenzen mit der Drehzahl normiert, entfällt der Drehzahleinfluss. Die Frequenzanalyse kann beispielsweise durch eine digitale Filterung realisiert werden. In dem Block 23 sind die pumpeninduzierten Druckschwankungen dargestellt, während in einem Block 25 die einspritzinduzierten Druckschwankungen aufgetragen sind. Dabei sind in den Blöcken 23 und 25 die Abweichungen des Drucks vom zeitlichen Mittelwert aufgetragen. Das heißt, wenn die Druckschwankungen den Wert 0 hat, entspricht der momentane Druck dem Mittelwert des Drucks im ersten Rail 1.
Anhand des Blocks 23 wird deutlich, dass die Frequenz der Anregung durch die Hochdruckpumpe 0 und durch die Injektoren 9.1 bis 9.8 verschieden ist.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die pumpeninduzierten Druckschwankungen aus dem Block 23 um einen ersten Versatzwinkel Δφ₁, hier gleich 60° Kurbelwinkel, verschoben werden (siehe Block 27). Dies ist der Versatz der pumpeninduzierten Druckschwankungen zwischen erstem Rail 1 und zweitem Rail 2. Dieser erste Versatzwinkel Δφ₁ hängt allgemein von der Bauart und den Abmessungen des Hochdruckeinspritzsystems sowie der Drehzahl der Brennkraftmaschine und der Zahl der Pumpenhübe pro Kurbelwellenumdrehung ab und muss daher für jede in Serie gefertigte Einspritzanlage gesondert bestimmt werden.
Entsprechend wird in einem weiteren Block 29 eine Verschiebung der einspritzinduzierten Druckschwankungen vorgenommen. Im vorliegenden Fall verschieben sich die einspritzinduzierten Druckschwankungen um 360° Kurbelwellenwinkel.
In einem weiteren Schritt (siehe Block 31) wird der zeitlich hoch aufgelöste Druck p₂(t) des zweiten Rails 2 dadurch modelliert, dass dem zeitlich gemittelten bzw. geglätteten Druck p_1m(t) des Raildrucks p₁(t) die verschobenen pumpeninduzierten Druckschwankungen (siehe Block 27) und die verschobenen einspritzinduzierten Druckschwankungen (siehe Block 29) überlagert werden. Das Ergebnis dieser erfindungsgemäßen Superposition der pumpeninduzierten Druckschwankungen und der einspritzinduzierten Druckschwankungen mit jeweils individuellem Versatz Δφ₁ und Δφ₂ ist in dem Block 31 dargestellt.
Alternativ werden die pumpeninduzierten Druckschwankungen aus der Förderrate der Pumpe, der Geometrie des Hochdrucksystems und der Kraftstoffkompressibilität modelliert. Werden die so modellierten Druckschwankungen vom gemessenen Raildrucksignal abgezogen, ergeben sich die einspritzinduzierten Druckschwankungen. Die Berechnung des Raildrucks im zweiten Rail (2) erfolgt wie oben beschrieben durch Superposition der zeit- bzw. winkelverschobenen Signale.
Durch den Vergleich der Blöcke 21 und 31 in 3 wird auch deutlich, dass der Druckverlauf (siehe Block 31) im zweiten Rail 2 durchaus signifikante Unterschiede zu dem Druck verlauf im ersten Rail 1, der im Block 21 dargestellt ist, aufweist. Es hat sich bei praktischen Versuchen herausgestellt, dass diese Art der Simulation beziehungsweise Modellierung des zweiten Raildrucks eine sehr weitgehende Übereinstimmung mit den tatsächlich am zweiten Rail 2 gemessenen Druckwerten hat. Insofern ist diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens als sehr vorteilhaft anzusehen, da der Rechenzeitbedarf relativ gering ist und trotzdem sehr gute Ergebnisse erreicht werden. Ein weitere Variante des Funktionsblocks 17 ist anhand der 4 und 5 nachfolgend erläutert.
In 4 sind die Einspritzungen I und die Förderhübe F einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine über dem Kurbelwinkel φ aufgetragen.
Beispielhaft ist die in 1c dargestellte Brennkraftmaschine aus Ausgangsbasis gewählt worden. Bei dieser Brennkraftmaschine sind insgesamt acht Injektoren 9.1 bis 9.8 vorhanden, so dass innerhalb eines Arbeitsspiels, entsprechend 720° Kurbelwinkel, acht Injektionen I auftreten. Diese Injektionen I sind auf der untersten Abszisse der 4 durch senkrechte Striche bei Kurbelwinkel φ bei φ = 0°, 90°, 180°, ... angedeutet. Charakteristisch bei einer Brennkraftmaschine mit acht Zylindern ist, dass alle 90° Kurbelwinkel eine Injektion, entsprechend einem Arbeitstakt der Brennkraftmaschine erfolgt.
Dem gegenüber sind, wie sich aus der zweituntersten Abszisse der 4 ergibt, in einem Arbeitsspiel nur sechs Förderhübe F der Hochdruckpumpe 1 vorhanden. Entsprechend ist der Abstand von einem Förderhub zum nächsten gleich 120° Kurbelwinkel.
Da, wie sich aus 1 ergibt, vier Injektoren 9.1 bis 9.4 dem ersten Rail 1 zuzuordnen sind und weitere vier Injektoren 9.5 bis 9.8 dem zweiten Rail 2 zuzuordnen sind, wurden die Förderhübe F und die Injektionen I in den beiden oberen Abszissen der 4 den Rails 1 und 2 zugeordnet. Es wurden also die Injektionen I und F gemäß der beiden unteren Abszissen in 4 aufgeteilt auf das erste Rail 1 (siehe die oberste Abszisse in 4) und das zweite Rail 2 (siehe die zweitoberste Abszisse in 4).
Bei der obersten Abszisse in 4 sind die Förderhübe F durch senkrechte Striche oberhalb der Abszisse aufgetragen, während die Injektionen I, welche von einem der Injektoren 9.1 bis 9.4 erfolgen, durch senkrechte Striche unterhalb der Abszisse aufgetragen sind.
Beim Betrachten der ersten Abszisse, entsprechend den Druckanregungen, denen das erste Rail 1 ausgesetzt ist, ergibt sich eine charakteristische erste Abfolge, die hier bei einem Kurbelwinkel φ von –180° beginnt und bei einem Kurbelwinkel φ = 540° endet. Charakteris tisch an dieser Abfolge ist die Relation von Einspritzungen I und Förderhüben F. So ist beispielsweise die erste Einspritzung I bei einem Kurbelwellenwinkel von –180° dadurch gekennzeichnet, dass zeitgleich kein Förderhub stattfindet. Beim Kurbelwellenwinkel φ = 0° finden gleichzeitig ein Förderhub F und eine Injektion I statt. Bei einem Kurbelwinkel von 90° findet wiederum lediglich eine Injektion I statt, während bei einem Kurbelwinkel von 240° ein zweiter Förderhub stattfindet. Kurz darauf, nämlich bei φ = 270° findet eine vierte Injektion statt, während dann eine dritte Förderung F bei einem Winkel von φ = 480° stattfindet.
Diese charakteristische erste Abfolge aus Injektionen I und Förderhüben F kann man auch am zweiten Rail 2, das heißt an der zweiten Abszisse der 4 wiedererkennen. Dort beginnt die Abfolge bei einem Kurbelwinkel φ +180°. Die Relation bezogen auf den Kurbelwinkel von Einspritzungen und Förderhüben ist bei der zweiten Abfolge genau gleich wie bei der ersten Abfolge. Allerdings sind die erste Abfolge, die ja bei einem Kurbelwinkel von –180° beginnt, und die zweite Abfolge, die bei einem Kurbelwinkel φ = 180° beginnt, um 360° verschoben. Diesen Effekt macht sich eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung des Druckes im zweiten Rail 2 zu Nutze, indem der für die erste Abfolge gemessene Druckverlauf unter Berücksichtigung des Versatzes zur Ermittlung des Druckverlaufs im zweiten Rail 2 herangezogen wird.
Diese Variante kann auch auf V6-Systeme, die einen Förderhub pro Einspritzung aufweisen, angewendet werden.

Die erste und die zweite Abfolge ist in der nachfolgenden Tabelle nochmals dargestellt.

Kw [1°]	0	90	120	180	240	270	360	450	480	540	600	630	720	90	120	180
Hub	F1		F2		F3		F4		F5		F6		F1		F2
Inj.	1	2		3		4	5	6		7		8	1	2		3
Bk 1	X	X				X				X			X	X
Bk 2				X			X	X				X				X

Tabelle: Aufteilung der Förderhübe der Hochdruckpumpe und der Einspritzungen der Injektoren einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit acht Zylindern in V-Anordnung

In 5 sind zwei Druckdiagramme übereinander dargestellt. Beide Diagramme benutzen die gleiche Zeitachse. Im oberen Diagramm ist der Druck p₁ des ersten Rails 1 aufgetragen, während im unteren Diagramm des Drucks p₂ des zweiten Rails 2 aufgetragen ist, dessen Muster um n Einspritzungen gegenüber dem Druckverlaufsmuster von Rail 1 verschoben ist. Zwischen Einspritzung j + n – N und Einspritzung j + n steigt der mittlere Druck in beiden Rails um Δp_ramp,j+n an. Das Druckverlaufsmuster an Rail 1 wiederholt sich alle N Einspritzungen periodisch, das Druckverlaufsmuster an Rail 2 ebenso. Typische Werte sind n = 4 und N = 8 für V-8-Systeme sowie n = 1 und N = 2 für V6-Systeme.
Für Einspritzung j am Rail 1 zeigt 5 den vor der Einspritzung an Rail 1 gemessenen Druck p₁(t_j,b) den während der Einspritzung gemessenen Druck p₁(t_j,d), die Druckänderung Δp_drop,j zwischen diesen beiden und die Zeitverzögerung t_j,d – t_j,b zwischen Druckerfassung vor der Einspritzung und der Einspritzmitte oder alternativ dem Ansteuerdauerende, das etwa mit der Mitte der Einspritzung zusammen fällt.
Für Einspritzung j + n am Rail 2 zeigt 5 den berechneten Einspritzdruck p_2c(t_,j+n,d), der im Wesentlichen dem Einspritzdruck p₁(t_j,d) der alten Einspritzung j entspricht, der jedoch um die globale Druckänderung Δp_ramp,j+r·n/N korrigiert wird, denn Einspritzung j liegt um n von N Einspritzungen zurück.
Für Einspritzung j + N am Rail 1 zeigt 5 den vor der Einspritzung an Rail 1 gemessenen Druck p₁(t_j+N,b) und den um Druckdifferenz Δp_drop,j geänderten berechneten Einspritzdruck p_1c(t_j+N,d) an Rail 1, der sich aus der Periodizität des Raildrucksignals p₁(t) ergibt. Auch diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigt wenig Rechenzeitbedarf und ergibt trotzdem sehr hohe beziehungsweise ausreichend hohe Genauigkeiten und führt damit zu der gewünschten Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1369573 B1 [0001]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine mit einer Hochdruckpumpe (0), mit mindestens zwei Rails (1, 2), mit einem Raildrucksensor (4), mit mehreren Injektoren (9), wobei die Hochdruckpumpe (0), die mindestens zwei Rails (1, 2) und die Injektoren (9) über Hochdruckleitungen (3) miteinander hydraulisch verbunden sind, und mit einem Steuergerät (11) zur Steuerung der Hochdruckpumpe (0) und der Injektoren (9), gekennzeichnet durch folgende Verfahrenschritte: Erfassen des Drucks (p₁(t)) in einem ersten Rail (1), Ermitteln des Drucks (p₁(t), p₂(t)) in mindestens einem Rail (1, 2) in Abhängigkeit der von der Hochdruckpumpe (0) geförderten Kraftstoffmengen (m_Förder) bzw. Förderraten und der von den Injektoren (9) eingespritzten Kraftstoffmengen (m_inj) bzw. Einspritzraten, wobei Injektorsteuermengen den Einspritzmengen zugerechnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem zeitlich geglätteten Wert (p_1m(t)) des von dem Raildrucksensor (4) ermittelten Drucks (p₁(t)) und unter Berücksichtigung der Längen der Hochdruckleitungen (3), der Elastizität der Hochdruckleitungen (3) und der Rails (1, 2) sowie der Kompressibilität des Kraftstoffs der Druck (p₁(t), p₂(t)) in mindestens einem Rail (1, 2) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckschwankungen aus der Förderrate der Hochdruckpumpe (0), der Geometrie des Hochdrucksystems, insbesondere der Hochdruckleitungen (3) und der Rails (1, 2), und der Kompressibilität des Kraftstoffs modelliert werden und die einspritzinduzierten Druckschwankungen durch Subtraktion der Druckschwankungen aus der Förderrate der Hochdruckpumpe (0) vom gemessenen Raildrucksignal ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckschwankungen in eine erste Gruppe (23, 27) und eine zweite Gruppe (25, 29) unterteilt werden, dass der ersten Gruppe (23, 27) die von der Hochdruckpumpe (0) verursachten Druckschwankungen zugeordnet werden, dass der zweiten Gruppe (25, 29) die von den Injektoren (9) verursachten Druckschwankungen zugeordnet werden, dass die Druckschwingungen der ersten Gruppe mit einem ersten Versatz (Δt₁, Δφ₁) dem zeitlich geglätteten Wert (p_1m) des im ersten Rail (1) herrschenden Drucks (p₁) überlagert werden, und dass die Druckschwingungen der zweiten Gruppe mit einem zweiten Versatz (Δt₂, Δφ₂) dem zeitlich geglätteten Wert (p_1m) des im ersten Rail (1) herrschenden Drucks (p₁) überlagert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raildrucksensor (4) im ersten Rail (1) angeordnet ist, dass der Raildruck (p₁(t)) des ersten Rails (1) mit Hilfe des Raildrucksensors (4) zeitlich hoch aufgelöst erfasst und bezüglich auftretender Druckschwankungen ausgewertet wird, und dass der Druck (p₂(t)) im zweiten Rail (2) durch die Superposition des zeitlich geglätteten Werts (p_1m(t + Δt)) zu einem späteren Zeitpunkt (t + Δt, φ + Δφ) des im ersten Rail (1) herrschenden Drucks (p₁) und der zu einem früheren Zeitpunkt (t) im ersten Rail (1) vorhandenen Druckschwankungen modelliert wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge von Förderhüben (F) und Injektionen (I) der an dem ersten Rail (1) angeschlossenen Injektoren (9.1...9.4) und die Abfolge von Förderhüben (F) und Injektionen (I) der an dem zweiten Rail (2) angeschlossenen Injektoren (9.5...9.8) das gleiche Muster aufweisen und um einen Rapport (φ_Rapport) versetzt zueinander sind, und dass der Druck im zweiten Rail durch die Übertragung der vom Raildrucksensor (4) erfassten Druckabweichungen von einem geglätteten Wert des Drucks (p_1m(φ)) auf den geglätteten Wert des Drucks (p_1m(φ + φ_Rapport)) modelliert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rapport (φ_Rapport) nach folgender Gleichung ermittelt wird: φRapport = 720° × n/NZyl Mit: N_Zyl = Zahl der Zylinder n: Zahl der Einspritzungen bis zur Wiederholung des Einspritz- und Fördermusters von Rail 1 an Rail 2. N: Zahl der Einspritzungen bis zur Wiederholung des Einspritz- und Fördermusters am selben Rail.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Modellierung des im zweiten Rail (2) herrschenden Drucks (p₂(t)) eine begrenzte Zahl von zeitlich zurückliegenden Druckschwingungen berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckschwingungen zur Modellierung der im zweiten Rail (2) herrschenden Drucks (p₂(t)) gedämpft werden.
Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführt.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführt, wenn es auf einem Steuergerät gemäß Anspruch 10 abläuft.