-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung
eines Kraftstoffzumesssystems einer Brennkraftmaschine insbesondere
eines Kraftfahrzeugs gemäß den Oberbegriffen der
jeweiligen unabhängigen Ansprüche.
-
In
modernen Kraftstoffeinspritzsystemen der hier betroffenen Art, bspw.
in Common-Rail-Dieselsystemen, werden zur Verbesserung der Gemischaufbereitung
zeitlich vor oder nach den eigentlichen Haupteinspritzungen liegende
Teileinspritzungen mit relativ kleinen Kraftstoffmengen realisiert.
Die genannten Haupteinspritzungen werden dabei gewöhnlich
auf der Basis einer Momentenanforderung des Fahrers berechnet. Die
Einspritzmengen der genannten Teileinspritzungen haben möglichst
gering zu sein, um Emissionsnachteile zu vermeiden. Andererseits
müssen die Einspritzmengen groß genug sein, damit
auch unter Berücksichtigung aller Toleranzquellen stets
die für den Verbrennungsprozess notwendige Mindestmenge
abgesetzt wird. Eine derart verbesserte Gemischaufbereitung ermöglicht
reduzierte Abgasemissionen sowie verringerte Verbrennungsgeräusche.
-
Die
geringen Kraftstoffmengen bei diesen Teileinspritzungen erfordern
eine präzise Zumessung der jeweiligen Einspritzmenge. Fällt
eine Teileinspritzung sogar gänzlich weg, bspw. weil eine
vorliegende Einspritzkomponente, bei Common-Rail-Einspritzsystemen
ein Injektor, aufgrund von üblichen Toleranzen bei einem
zugrundeliegenden Ansteuersignal noch nicht einspritzt, hat dies
erhebliche Auswirkungen auf den Betrieb der Brennkraftmaschine,
was sich bspw. durch erhöhte Geräuschentwicklung
bei der Verbrennung äußert.
-
Bei
den genannten Common-Rail-Einspritzsystemen werden mittels eines
Hochdruckspeichers („Rail”) die Druckerzeugung
und die Einspritzung voneinander entkoppelt, wobei der Einspritzdruck
unabhängig von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge
erzeugt wird und in dem Hochdruckspeicher für die Einspritzung
zur Verfügung steht. Der Einspritzzeitpunkt und die Einspritzmenge
werden in einem elektronischen Motorsteuergerät berechnet
und von den Injektoren jedes Zylinders der Brennkraftmaschine über
ferngesteuerte Ventile umgesetzt. Es ist dabei sicherzustellen,
dass die genannten Teileinspritzungen über die Lebensdauer
der Komponenten des Kraftstoffzumesssystems und unter sämtlichen im
Betrieb der Brennkraftmaschine eintretenden Betriebsbedingungen,
wie dem in der Hochdruckleitung (Rail) des Common-Rail-Einspritzsystems
herrschenden Raildruck oder der Injektortemperatur, mit möglichst
hoher Präzision verwirklicht werden.
-
Die
Zumessung der genannten Kleinstmengen erfolgt auf der Grundlage
einer Nullmengenkalibrierung, welche bspw. in der
DE 199 45 618 A1 beschrieben
ist. Dabei wird im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine ein einzelnes
Einspritzventil (Injektor) angesteuert und die Ansteuerdauer so
lange schrittweise erhöht, bis sich bei einer „Mindestansteuerdauer” eine Änderung
eines Signals einstellt, bspw. eine an der Brennkraftmaschine messbare
Drehmomenterhöhung. Die dann vorliegende Ansteuerdauer entspricht
einem Betriebszustand, bei dem die Einspritzung für den
betreffenden Brennraum (Zylinder) der Brennkraftmaschine gerade
einsetzt. Diese Prozedur wird zyklisch an allen Einspritzventilen
und Zylindern der Brennkraftmaschine entsprechend durchgeführt.
Die dabei gewonnenen Ansteuerdaten werden bevorzugt in einem Kennfeld
gespeichert, welches bei einer nachfolgenden Ansteuerung der Injektoren
im Rahmen einer Nullmengenkalibrierung angewendet wird, wobei der
aktuelle Wert der Ansteuerdauer jeweils in einen Korrekturwert für
die Kraftstoffmenge umgesetzt wird.
-
Aus
der
EP 1 388 661 A2 ist
ferner ein Verfahren zur Nullmengenkalibrierung vorbekannt, bei dem
anhand von Testeinspritzungen eine Lernwertberechnung erfolgt. Bei
diesem Lernverfahren werden jedoch nicht alle Mengensignale der
Testeinspritzungen berücksichtigt, wobei mindestens 2 Ansteuerdauern
getestet werden, um eine Signalschwelle zu durchqueren und so ein
Lernergebnis zu erzielen. Allerdings sind selbst im eingeschwungenen
Zustand ca. 3–4 Iterationen pro Lernergebnis notwendig,
um ein verwertbares Lernen zu erzielen, wobei der sich ergebende
Lernwert zusätzlich noch gefiltert werden muss, um brauchbare
Ergebnisse zu erzielen. Das Einlernen erfordert dabei einen Fahrbetrieb
von bis zu ca. 3000 km und daher ist zu Beginn des Fahrzeuglebens
noch keine Nullmengenkompensation verfügbar.
-
Das
genannte Lernen des Einspritzmengenfehlers bzw. der Nullmengenkorrektur
erfolgt im Stand der Technik bei einer definierten Einspritzmenge,
typischerweise bei einem Mengenwert von ca. 1,2 mm3/H.
Da die angeforderten Voreinspritzmengen im Fahrbetrieb jedoch variabel
sind, und zwar typischerweise in einem Bereich von ca. 0,5 mm3/H–5,0 mm3/H,
wird der bei der kalibrierten Einspritzmenge ermittelte Lernwert
gesteuert durch Extrapolation übertragen. Diese Extrapolation
verringert jedoch die Genauigkeit der Korrektur.
-
Bei
der Herstellung der genannten Injektoren oder anderer Komponenten
des jeweiligen Kraftstoffzumesssystems auftretende Fertigungstoleranzen bedingen
Unterschiede in den Betriebskenngrößen der einzelnen
Injektoren eines Kraftstoffzumesssystems. Diese Unterschiede treten
insbesondere erst über die Lebensdauer der Injektoren bzw.
des Kraftstoffzumesssystems auf oder werden während der Lebensdauer
sogar noch verstärkt, wobei eine wesentliche Toleranzquelle
für die Mengengenauigkeit der Teileinspritzungen das Driftverhalten eines
Injektors darstellt. Hinzu kommt, dass die Injektoren eines Kraftstoffzumesssystems üblicherweise
unterschiedliche Mengenkennfelder aufweisen, d. h. unterschiedliche
Abhängigkeiten zwischen der Einspritzmenge, dem Raildruck
und der Ansteuerdauer. Dies führt dazu, dass die verschiedenen
Injektoren den Verbrennungsraum – trotz präziser
Ansteuerung – mit unterschiedlichen Mengen an Kraftstoff
füllen.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das eingangs
beschriebene Lernverfahren bei der Nullmengenkalibrierung zu verbessern,
damit die für das Lernen eines Kalibrierwertes benötigte
Zeit verringert wird.
-
Gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren wird die Ansteuerdauer
eines Injektors nicht fest gewählt, sondern so variiert,
dass der eingangs genannte typische Mengenbereich für Testeinspritzungen
möglichst durchfahren wird. Zu jedem Wert der Ansteuerdauer
wird die sich ergebende Einspritzmenge, die nach dem Prinzip der
eingangs genannten Nullmengenkalibrierung ermittelt wird, in einem Ansteuerdauerkennfeld
gespeichert. Der Zusammenhang zwischen den bei der Nullmengenkalibrierung
sich ergebenden Werten der Mindestansteuerdauer und der jeweiligen
Einspritzmenge wird mittels Regressionsberechnung ausgewertet, und
zwar bevorzugt mittels linearer Regression, jedoch alternativ auch
mittels eines nicht-linearen Regressionsansatzes.
-
Es
ist hervorzuheben, das der Begriff „Injektor” vorliegend
so verstanden wird, dass er sämtliche Arten von Einspritzventilen
oder Einspritzdüsen umfasst, wie beispielsweise bei direkteinspritzenden Benzinmotoren
verwendete Einspritzdüsen, und nicht auf die bei Dieselmotoren
bekannten Injektoren beschränkt ist.
-
Mit
dem vorgeschlagenen Kalibrierverfahren ist es möglich,
das genannte Ansteuerdauerkennfeld für den Kleinmengenbereich über
die Lebenszeit von Injektoren bzw. eines zugrunde liegenden Kraftstoffzumesssystems,
anzupassen. Hierbei spielt das genannte Ansteuerdauerkennfeld für
die Zumessgenauigkeit eine zentrale Rolle.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Mengensignale
sämtlicher Kalibriersequenzen berücksichtigt,
wobei sich durch den genannten Regressionsansatz bereits eine sehr
hohe Präzision bzw. gute Rauschunterdrückung einstellt.
Die eingangs beschriebene Filterung des Lernwertes kann daher vollständig
entfallen.
-
Aufgrund
der erfindungsgemäßen Signalauswertung ergibt
sich eine erhebliche Beschleunigung der Nullmengenkalibrierung bzw.
des dort zugrundeliegenden Lernverfahrens. Darüber hinaus
ermöglichen das erfindungsgemäße Verfahren
und die Vorrichtung das Erlernen eines größeren
Mengenbereichs als nur einer einzelnen Kalibriermenge. Dies verringert
mögliche Extrapolationsfehler und erhöht damit
die Korrekturgenauigkeit der Nullmengenkalibrierung.
-
Im
Ergebnis wird das Lernverhalten bei der Nullmengenkalibrierung erheblich
verbessert und die Lernzyklen entsprechend verkürzt. Bereits
mit wenigen Kalibriersequenzen mit variablen Ansteuerdauern kann
bspw. eine Gerade an die Messpunkte angepasst werden, was die Lerndauer
dadurch zusätzlich verkürzt, dass dabei der Korrelationskoeffizient als
Gütemaß für die Festlegung des Freischaltzeitpunkts
für die Korrekturdaten verwendet werden kann.
-
Eine
verkürzte Lernphase bei der Nullmengenkalibrierung hat
zusätzlich die folgenden Vorteile:
- a)
Bisherige Injektor-/Düsengenerationen zeichneten sich dadurch
aus, dass die Drift ein langsames Phänomen darstellte,
dem die Nullmengenkalibrierung problemlos folgen konnte, trotz der erheblichen
Lerndauer. In Fällen, in den erheblichen Kurzzeitdrift
auftritt, wird durch Verkürzung der Zeit bis zur Aktivierung
der Korrektur bzw. durch Beschleunigung des Lernens auch eine genaue
Kalibrierung in diesem frühen Lebensalter der Injektoren
ermöglicht wird.
- b) Die Nullmengenkalibrierung wird zylinderindividuell durchgeführt,
wobei eine Verdoppelung der Zylinderzahl bspw. von 4 auf 8 Zylinder
die Lerndauer der Nullmengenkalibrierung verdoppelt, was durch die
vorliegende Erfindung erheblich reduziert werden kann.
- c) Insbesondere für den US-Markt vorgesehene Getriebeapplikationen
weisen relativ wenig Schubphasen auf. Aufgrund der in den US üblichen
großen Zylinderzahlen lernt die Nullmengenkalibrierung
bei US-Anwendungen tendenziell noch langsamer, wodurch sich in diesem
Anwendungsbereich die Verkürzung des erfindungsgemäßen
Lernverfahrens besonders vorteilhaft auswirkt.
- d) Durch das Überstreichen eines Ansteuerdauerbereichs
bzw. Einspritzmengebereichs entfällt die Notwendigkeit
einer Extrapolation vollständig, was den Applikationsaufwand
reduziert. Zudem bietet das Wegfallen der zusätzlichen
Extrapolationstoleranz die Möglichkeit, den Toleranzvorhalt bei
der Sollwertvorgabe für die Voreinspritzmenge zu reduzieren,
was sich vorteilhaft auf die Emissionen auswirkt, bei gleichzeitig
sehr geringem Verbrennungsgeräusch.
- e) Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann eine verbesserte Rauschunterdrückung
erzielt werden. Gemäß Stand der Technik werden
die Lernwerte mit einem Filter geglättet, wobei ein Anzahl von
Lernergeb nissen erforderlich ist. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene
Verfahren konvergiert schon mit wenigen Punkten auf einen Endwert
und ändert sich nur noch gering mit der zunehmenden Anzahl
der Messwerte bei verbesserter Rauschunterdrückung.
-
Zeichnung
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
eingehender beschrieben, aus denen sich weitere Merkmale und Vorteile
ergeben.
-
Im
Einzelnen zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines im Stand der Technik bekannten Kraftstoffzumesssystems
einer Brennkraftmaschine;
-
2 eine
detaillierte Darstellung der Berechnung der Ansteuerdauern eines
elektrisch betätigten Ventils gemäß dem
Stand der Technik;
-
3a ein
typisches Ansteuerdauerkennfeld mit zugehörigen Arbeitsbereichen
gemäß dem Stand der Technik und der vorliegenden
Erfindung im Vergleich;
-
3b zwei
Varianten des erfindungsgemäßen Regressionsansatzes;
-
4 ein Übersichtsblockdiagramm
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
-
5 ein
Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Kalibrierverfahrens.
-
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
-
Die 1 zeigt
ein Blockdiagramm der wesentlichen Elemente eines Kraftstoffzumesssystems einer
Brennkraftmaschine, bevorzugt eines selbstzündenden oder
direkt einspritzenden Kraftfahrzeugmotors. Die Brennkraftmaschine 10 erhält
von einer Kraftstoffzumesseinheit 30 eine bestimmte Kraftstoffmenge
zu einem bestimmten Zeitpunkt zugemessen. Verschiedene Sensoren 40 erfassen
Messwerte 15, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine charakterisieren,
und leiten diese zu einem Steuergerät 20. Dem
Steuergerät 20 werden ferner verschiedene Ausgangssignale 25 weiterer
Sensoren 45 zugeleitet. Diese Sensoren erfassen Betriebsgrößen,
die den Zustand der Kraftstoffzumesseinheit und/oder Umweltbedingungen
charakterisieren. Eine solche Größe ist beispielsweise
der Fahrerwunsch. Das Steuergerät 20 berechnet – ausgehend
von den Messwerten 15 und den weiteren Größen 25 – Ansteuerimpulse 35,
mit denen die Kraftstoffzumesseinheit 30 beaufschlagt wird.
Die Kraftstoffzumesseinheit 30 kann verschieden ausgestaltet
sein. So kann beispielsweise als Kraftstoffzumesseinheit eine Verteilerpumpe
eingesetzt werden, bei der ein Magnetventil den Zeitpunkt und/oder
die Dauer der Kraftstoffeinspritzung bestimmt.
-
Des
Weiteren kann die Kraftstoffzumesseinheit als Common-Rail-System
ausgebildet sein. Bei diesem verdichtet eine Hochdruckpumpe Kraftstoff
in einem Speicher. Von diesem Speicher gelangt dann der Kraftstoff über
Injektoren in die Brennräume der Brennkraftmaschine. Die
Dauer und/oder der Beginn der Kraftstoffeinspritzung wird mittels
der Injektoren gesteuert. Dabei beinhalten die Injektoren vorzugsweise
ein Magnetventil bzw. einen piezoelektrischen Aktor.
-
Das
Steuergerät 20 berechnet in bekannter Weise die
in die Brennkraftmaschine einzuspritzende Kraftstoffmenge. Diese
Berechnung erfolgt abhängig von verschiedenen Messwerten 15,
wie beispielsweise der Drehzahl n der Motortemperatur, dem tatsächlichen
Einspritzbeginn und evtl. noch weiteren Größen 25,
die den Betriebszustand des Fahrzeugs kennzeichnen. Diese weiteren
Größen sind beispielsweise die Stellung des Fahrpedals
oder der Druck und die Temperatur der Umgebungsluft. Weiterhin kann
vorgesehen sein, dass von anderen Steuereinheiten, wie beispielsweise
der Getriebesteuerung, ein Momentenwunsch vorgegeben wird.
-
Das
Steuergerät 20 setzt dann die gewünschte
Kraftstoffmenge in Ansteuerimpulse um. Mit diesen Ansteuerimpulsen
wird dann das mengenbestimmende Glied der Kraftstoffzumesseinheit
beaufschlagt. Als mengenbestimmendes Glied dient das elektrisch
betätigte Ventil. Dieses elektrisch betätigte
Ventil ist so angeordnet, dass durch die Öffnungsdauer
bzw. durch die Schließdauer des Ventils die einzuspritzende
Kraftstoffmenge festgelegt wird.
-
Häufig
wird eine kleine Kraftstoffmenge kurz vor der eigentlichen Einspritzung
in den Zylinder zugemessen. Dadurch kann das Geräuschverhalten der
Brennkraftmaschine wesentlich verbessert werden. Diese Einspritzung
wird als Voreinspritzung und die eigentliche Einspritzung als Haupteinspritzung bezeichnet.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass eine kleine Kraftstoffmenge
nach der Haupteinspritzung zugemessen wird. Diese wird dann als Nacheinspritzung
bezeichnet. Ferner kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Einspritzungen
in weitere Teileinspritzungen aufgeteilt sind.
-
Problematisch
bei solchen Kraftstoffzumesssystemen ist, dass die elektrisch betätigten
Ventile bei gleichem Ansteuersignal unterschiedliche Kraftstoffmengen
zumessen können. Insbesondere die Ansteuerdauer, bei der
gerade Kraftstoff zugemessen wird, hängt von verschiedenen
Faktoren ab. Diese minimale Ansteuerdauer wird auch als Mindestansteuerdauer
AD0 bezeichnet. Diese Mindestansteuerdauer führt zu einer
Einspritzung, Ansteuerdauern kleiner als die Mindestansteuerdauer
führen nicht zu einer Einspritzung. Diese Mindestansteuerdauer hängt
von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise der Temperatur, der
Kraftstoffsorte, der Lebensdauer, dem Raildruck, Fertigungstoleranzen
der Injektoren und weiterer Einflüsse ab. Um eine genaue Kraftstoffzumessung
erzielen zu können, muss diese Mindestansteuerdauer bekannt
sein.
-
Eine
Vorrichtung zur Steuerung der Kraftstoffzumessung in eine Brennkraftmaschine
ist in der 2 dargestellt. Bereits in 1 beschriebene
Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Die Signale 25 der
Sensoren 45 sowie weiterer Sensoren, die nicht dargestellt
sind, gelangen zu einer Mengenvorgabe 110. Diese Mengenvorgabe 110 berechnet
eine Kraftstoffmenge QKW, die dem Fahrerwunsch entspricht. Dieses
Mengensignal QKW gelangt zu einem Verknüpfungspunkt 115,
an dessen zweiten Eingang das Ausgangssignal QKM einer zweiten Synchronisierung 155 anliegt.
Das Ausgangssignal des ersten Verknüpfungspunktes 115 gelangt
zu einem zweiten Verknüpfungspunkt 130 der wiederum
eine Ansteuerdauerberechnung 140 beaufschlagt. Am zweiten
Eingang des zweiten Verknüpfungspunktes liegt das Signal
QKO der Nullmengenkorrektur 145 an. In den beiden Verknüpfungspunkten 115 und 130 werden
die Mengensignale vorzugsweise additiv verknüpft. Die Ansteuerdauerberechnung 140 berechnet
ausgehend von dem Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 130 das Ansteuersignal
zur Beaufschlagung der Kraftstoffzumesseinheit 30. Die
Ansteuerdauerberechnung berechnet die Ansteuerdauer, mit denen die
elektrisch betätigten Ventile beaufschlagt werden.
-
Auf
einem Geberrad 120 sind verschiedene Markierungen angeordnet,
die von einem Sensor 125 abgetastet werden. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Geberrad um ein
sogenanntes Segmentrad, das eine der Zylinderzahl entsprechende
Anzahl Markierungen, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind dies vier, aufweist. Dieses Geberrad ist vorzugsweise auf der
Kurbelwelle angeordnet. Dies bedeutet, pro Motorumdrehung wird eine
Anzahl an den Impulsen erzeugt, die der doppelten Zylinderzahl entspricht.
Der Sensor 125 liefert eine entsprechende Anzahl von Impulsen an
eine erste Synchronisation 150.
-
Die
erste Synchronisation 150 beaufschlagt einen ersten Regler 171,
einen zweiten Regler 172, einen dritten Regler 173 sowie
einen vierten Regler 174. Die Anzahl der Regler entspricht
der Zylinderzahl. Die Ausgangssignale der vier Reg ler gelangen dann
zu der zweiten Synchronisation 155. Des Weiteren gelangen
die Ausgangssignale der Regler zur Nullmengenkorrektur 142.
Alternativ kann auch das Ausgangssignal der zweiten Synchronisation
der Nullmengenkorrektur 142 zugeleitet werden. Diese Alternative
ist mit einer gestrichelten Linie dargestellt.
-
Die
in der 2 gezeigte Einrichtung arbeitet wie folgt. Ausgehend
von verschiedenen Signalen, wie beispielsweise einem Signal, das
den Fahrerwunsch kennzeichnet, bestimmt die Mengenvorgabe 110 das
Kraftstoffmengenwunschsignal QKW, das erforderlich ist um das vom
Fahrer gewünschte Moment bereitzustellen. Aufgrund von
Toleranzen, insbesondere der Kraftstoffzumesseinheit 30,
entstehen Abweichungen zwischen der gewünschten Einspritzmenge
und der tatsächlich eingespritzten Kraftstoffmenge. Dabei
messen die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine in der Regel
bei gleichem Ansteuersignal unterschiedliche Kraftstoffmengen zu.
-
Diese
Streuungen zwischen den einzelnen Zylindern werden üblicherweise
mit einer Mengenausgleichsregelung (MAR) ausgeregelt. Eine solche Mengenausgleichsregelung
ist schematisch im oberen Teil der 2 dargestellt.
Zur Mengenausgleichsregelung ist jedem Zylinder der Brennkraftmaschine
ein Regler zugeordnet. So ist dem ersten Zylinder der erste Regler 171,
dem zweiten Zylinder der zweite Regler 172, dem dritten
Zylinder der dritte Regler 173 und dem vierten Zylinder
der vierte Regler 174 zugeordnet. Dabei kann auch vorgesehen sein,
dass lediglich ein Regler vorgesehen ist, der abwechselnd den einzelnen
Zylindern zugeordnet ist. Mittels des Sensors 125 und des
Geberrades 120 bestimmt die erste Synchronisation 150 einen
Sollwert und einen Istwert für jeden einzelnen Regler.
Dabei ist vorgesehen, dass zum Ausgleich von Toleranzen des Geberrades
und zur Kompensation von Torsionsschwingungen eine spezielle Filterung
des Signals des Sensors 125 erfolgt. Die Ausgangssignale der
Regler 171 bis 174 werden einer zweiten Synchronisation 155 zugeführt,
die eine Korrekturmenge QKM bereitstellt, mit dem der Mengenwunsch
QKW korrigiert wird.
-
Diese
Mengenausgleichsregelung ist so ausgebildet, dass die Regler, die
den einzelnen Zylindern zugemessene Menge auf einen gemeinsamen
Mittelwert regeln. Misst ein Zylinder aufgrund von Toleranzen eine
erhöhte Kraftstoffmenge zu, so wird für diesen
Zylinder eine negative Kraftstoffmenge QKM zur Fahrerwunschmenge
QKW hinzuaddidiert. Misst ein Zylinder zuwenig Kraftstoffmenge zu,
so wird eine positive Kraftstoffmenge QKM zur Fahrerwunschmenge
QKW hinzuaddiert. Bei solchen Mengenfehlern tritt eine Drehungleichförmigkeit
auf. Diese wirkt sich dahingehend aus, dass dem Drehzahlsignal Schwingungen überlagert
sind deren Frequenz der Nockenwellenfrequenz und/oder Vielfachen
der Nockenwellenfrequenz entsprechen. Diese Anteile im Drehzahlsignal
mit Nockenwellenfrequenz charakterisieren die Drehungleichförmigkeit
und werden durch die Mengenausgleichsregelung auf Null ausgeregelt.
Mengenmittelwertfehler können mit dieser Mengenausgleichsregelung
nicht korrigiert werden. Insbesondere können Fehler, die
darauf beruhen, dass unterhalb einer Mindestansteuerdauer kein Kraftstoff
zugemessen wird, mit einer solchen Mengenausgleichsregelung nicht
korrigiert werden.
-
Befindet
sich das Fahrzeug im Schubbetrieb, d. h. es findet keine Einspritzung
statt, so ist die Brennkraftmaschine per Definition bezüglich
den den einzelnen Zylindern eingespritzten Kraftstoffmengen gleichgestellt.
Daher sind in der Drehzahl keine oder nur geringe Anteile mit Nockenwellenfrequenz
vorhanden. Wird bei einem Zylinder N die Ansteuerdauer des Injektors
langsam erhöht, so findet oberhalb einer Mindestansteuerdauer
AD0(N) eine Einspritzung in den Zylinder N statt. Dies führt
zu einer Verbrennungsungleichförmigkeit, die wiederum eine Drehzahlungleichförmigkeit
zur Folge hat. Insbesondere treten im Drehzahlsignal Schwingungen
mit Vielfachen der Nockenwellenfrequenz auf. Diese Nockenwellenfrequenzanteile
werden von der Mengenausgleichsregelung erkannt.
-
Der
dem Zylinder N entsprechende Regler bestimmt einen Korrekturwert.
Bei Vorliegen des Korrekturwerts der Mengenausgleichsregelung erkennt die
Nullmengenkorrektur 142 diejenige Ansteuerdauer AD0(N)
bei der eine von der Nullmenge gerade noch zu unterscheidende Einspritzmenge
eingespritzt wird. Der entsprechende Wert AD0(N) wird abgespeichert
und bei späteren Zumessungen zur Korrektur der Ansteuerdauer
des Zylinders N verwendet. In 2 ist dies
dadurch dargestellt, dass der Wert AD0(N) zur Bildung des Korrekturwertes
QK0 verwendet wird.
-
In
der 3a werden die heute und zukünftig verfügbaren
Anwendungs- und Arbeitsbereiche für die Ansteuerdauer und
die Einspritzmenge in einem Diagramm Einspritzmenge in der Einheit [mm3/H] über
Ansteuerdauer in der Einheit [μs] gegenübergestellt.
Der heutige Anwendungsbereich 200 bei Voreinspritzungen
ist wesentlich größer als der heutige Arbeitsbereich 205,
wobei der mögliche Arbeitsbereich 210 den heutigen
Arbeitsbereich 205 deutlich übertrifft. Die in
der 3a ebenfalls eingezeichnete (gemessene) Kalibrier-
bzw. Kennkurve zeigt nur in einem begrenzten Wertebereich der beiden
Größen ein lineares Verhalten und verhält
sich in dem gesamten hier umfassten Wertebereich eher parabelförmig.
Zusätzlich ist die typische Signalschwelle 215 eines
Injektors von 1,00 mm3/H eingezeichnet. Bei einer Vergrößerung
des Arbeitsbereiches bspw. auf den möglichen Arbeitsbereich 210 kommt dieses
nicht-lineare Verhalten bei der Nullmengenkalibrierung verstärkt
zum Tragen.
-
In
der 3b werden zwei unterschiedliche Regressionsansätze
gezeigt, und zwar anhand von gemessenen Kenndaten (wie in 3a)
in dem Zeitfenster zwischen 250 und 520 μs Ansteuerdauer.
Bei dem ersten Ansatz handelt es sich um eine an die Messdaten angepasst
Regressionsgerade 300, wohingegen der zweite Ansatz einer
Anpassung einer Parabel (bspw. einer quadratischen Kurve) entspricht.
Wie aus der 3b zu ersehen, liefert der Parabelansatz
in diesem Wertebereich eine deutlich höhere Anpassungsgüte.
-
Die 4 zeigt
eine vereinfachte Blockdarstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Steuerung eines Kraftstoffzumesssystems. In der durch
die gepunktete Linie abgetrennten oberen Hälfte des Diagramms
ist eine Ansteuerdauerberechnungseinheit 400 dargestellt,
welche mittels Interpolation anhand der Gleichung AD = f(Sollmenge, pRail)
aus einer Sollmenge für die Voreinspritzung und dem aktuell
vorliegenden Raildruck pRail einen Wert AD für die Ansteuerdauer
des jeweiligen Injektors bestimmt bzw. festlegt. Die Eingangsgrößen
dieser Funktionseinheit 400 stellen somit die Sollmenge der
Voreinspritzung 405, der aktuelle Raildruck 410 und
die Anforderung einer Voreinspritzung 415 an sich dar.
Als Ausgangsgröße liefert die Funktionseinheit 400 den
Wert der Ansteuerdauer unter Last 420 für die
angeforderte Voreinspritzung.
-
Im
unteren Teil der 4 sind nun gemäß der
vorliegenden Erfindung zusätzlich vorzusehende Funktionseinheiten
dargestellt, welche insbesondere während der nachfolgend
noch im Detail beschriebenen Lernphase zum Einsatz kommen. Dies
sind zum Einen eine Funktionseinheit 425, mittels der das
hierin beschriebene Schnell-Lernen der Injektor-Kennlinie erfolgt
sowie ein Speicherelement 430, bevorzugt ein EEPROM, in
den die jeweils gelernte Injektor-Kennlinie nichtflüchtig
abgespeichert wird. Als Eingangsgrößen für
die Schnell-Lerneinheit 425 dienen die bei der Nullmengenkalibrierung
sich ergebende Einspritzmenge (ZFC) 435, der aktuelle Raildruck 440 sowie
die Ansteuerdauer ZFC 445, welche erfindungsgemäß variabel
vorgegeben wird. Die sogenannte ,Zero Fuel Quantity Calibration'
(ZFC) ist ein anderer Begriff für die hierin beschriebene
Nullmengenkalibrierung bei Voreinspritzungen. Als zusätzliche
Eingangsgröße für die Schnell-Lerneinheit 425 dient
ein Statussignal oder Statusbit 450, welches eine Schubphase
signalisiert und mittels dessen die Schnell-Lerneinheit gestartet
wird.
-
Es
ist anzumerken, dass das hierin beschriebene Verfahren bzw. die
Vorrichtung nicht nur bei genannten Voreinspritzungen Anwendung
finden kann, sondern bei jeglicher Form von Teileinspritzungen wie
bspw. Haupteinspritzungen oder Nacheinspritzungen, da das beschriebene
Lernverfahren vom Einspritztyp unabhängig ist, solange
diese Einspritzungen mengenmäßig von derselben
Größenordnung sind.
-
Anhand
der 5 wird ein Ausführungsbeispiel einer
Routine zur Realisierung des erfindungsgemäßen
Lernverfahrens bei der Nullmengenkalibrierung in einem Kraftstoffzumesssystem
einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs be schrieben. Es ist
hervorzuheben, dass die Erfindung prinzipiell auch bei anderen Brennkraftmaschinen
mit den hierin beschriebenen Vorteilen Anwendung finden kann.
-
Nach
dem Start 500 der Routine wird zunächst in einer
Schleife geprüft 505, ob ein Schubbetrieb der
Brennkraftmaschine vorliegt, denn wie bereits erwähnt,
erfolgt die erfindungsgemäße Ermittlung der Lernwerte
für die Nullmengenkalibrierung ausschließlich
im Schub.
-
Es
werden daraufhin an jeweils einem Zylinder Testeinspritzungen angesteuert,
deren Ansteuerdauer bzw. resultierende Einspritzmenge dabei nicht fest
gewählt wird sondern so variiert wird, dass ein typischer
Mengenbereich von bspw. 0,5 mm3/H–5,0 mm3/H abgedeckt wird.
-
Wird
in Schritt 505 ein Schubbetrieb der Brennkraftmaschine
erfasst, wird der Wert der Testeinspritzmenge METE zunächst
auf einen Startwert, im vorliegenden Ausführungsbeispiel
auf einen minimalen Wert METE_min, festgelegt
(Schritt 510). Die nun folgenden Schritte 520–550 werden
für jeden Zylinder und jeden an einem Zylinder angeordneten
Injektor vollzogen.
-
In
Schritt 520 wird zunächst der Wert der Ansteuerdauer
für die Testeinspritzung AD(METE)
auf einen entsprechenden Startwert AD(METE_min)
gesetzt. In Schritt 525 wird eine Testeinspritzung mit
der genannten Ansteuerdauer AD(METE) durchgeführt. Für
jede der nachfolgenden Testeinspritzungen wird ein Mengensignal
ME berechnet (Schritt 530) und die Ansteuerdauer AD, ausgehend
vom genannten Startwert AD(METE_min), ggf.
sogar in beiden zeitlichen Richtungen, solange variiert bzw. iteriert,
bis ein vorgegebener Mengensignalbereich abgefahren ist.
-
Das
Abbruchkriterium für die genannte Variation bzw. Iteration
ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Unterschreiten/Überschreiten
einer empirisch vorgegebenen Min/Max-Schwelle des resultierenden
Mengensignals, in dem vor liegenden Ausführungsbeispiel
das Überschreiten der Max-Schwelle METE_max..
Alternativ kann in einem entsprechenden Mengenkennfeld zwischen
den äußeren Rändern des Kennfeldes variiert
werden. Auch kann vorgesehen sein, dass der abzufahrende Mengenbereich über
die zugelassenen Werte der Ansteuerdauer festgelegt wird.
-
Hat
nun das in Schritt 530 berechnete Mengensignal ME gemäß Prüfschritt 535 die
genannte Max-Schwelle METE_max noch nicht
erreicht, wird in Schritt 540 die Ansteuerdauer des dann
vorliegenden Wertepaares (METE/ADTE) gespeichert und in Schritt 545 der
aktuelle Wert der Ansteuerdauer AD auf den Wert ADneu =
ADTE + ΔAD erhöht, wobei
die Größe des Änderungswertes ΔAD
empirisch vorgebbar ist. Danach wird zu Schritt 525 zurückgesprungen
und erneut eine Testeinspritzung durchgeführt, jedoch mit dem
genannten erhöhten Wert der Ansteuerdauer ADneu.
-
Zu
jeder getesteten Ansteuerdauer AD wird das resultierende Mengensignal
ME in der beschriebenen Weise erfasst und anhand der dann vorliegenden
gespeicherten Wertepaare (ME/AD) in Schritt 550 eine Regressionsberechnung
durchgeführt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei der Regressionsberechnung um einen linearen
Regressionsansatz, mittels dessen in an sich bekannter Weise ein
Korrelationskoeffizient für alle Wertepaare (ME/AD) berechnet
wird.
-
Wie
bereits erwähnt, wird erfindungsgemäß zu
jeder Ansteuerdauer das zugehörige Mengensignal nach dem
eingangs beschriebenen Prinzip der Nullmengenkalibrierung ermittelt
und gespeichert. Die Einspritzmenge nach dem Prinzip der Nullmengenkalibrierung
kann dabei bekanntermaßen aus der Drehzahl der Brennkraftmaschine
oder einem Sauerstoff- oder Ionenstromsignal ermittelt werden.
-
Im
Fahrbetrieb kann die adaptierte Gerade (Menge = f(Ansteuerdauer)
invers (d. h. Ansteuerdauer = f(Sollmenge) ausgewertet werden, wodurch für
jede belie bige Menge im adaptierten Bereich die passende Ansteuerdauer
für jeden einzelnen Injektor bestimmt werden kann. Die
Notwendigkeit der Extrapolation entfällt damit vollständig,
ist jedoch ggf. über den Ansatz der Geradengleichung einfach
und ohne zusätzlichen Rechen- oder Applikationsaufwand möglich.
-
Wie
aus den 3a und 3b ersichtlich, besitzen
heutzutage verfügbare Injektoren in erster Näherung
ein lineares Verhalten im Bereich der genannten Einspritzmengen
von Voreinspritzungen. Daher kann mit den aus der statistischen
Mathematik bekannten Verfahren eine Regressionsgerade durch die
gemessenen Punkte Mengensignal = f(Ansteuerdauer) berechnet werden.
Die jeweiligen Messpunkte ,Mengensignal als Funktion der Ansteuerdauer'
können während einer oder mehrerer Schubphasen
der Brennkraftmaschine gemessen sein. Eine große Anzahl
an Messpunkten ist vorteilhaft, um eine hohe Genauigkeit/Rauschunterdrückung
zu erzielen. Der Korrelationskoeffizient bietet die Möglichkeit,
das Verfahren auf Lerngüte zu überwachen und mögliche Fehler
im Kalibrierverfahren zu erkennen.
-
Die
folgenden weiteren Varianten sind möglich. Wenn die Form
der Injektorkennlinie erheblich vom linearen Zusammenhang abweicht,
kann anstatt eines Geradenansatzes ein nicht-linearer Ansatz gewählt
werden. In der 3b ist der Geraden- und Parabelansatz
dargestellt. Besonders vorteilhaft sind dabei solche Ansätze,
die sich leicht linearisieren lassen. Anstatt pro Raildruckstufe
eine Kennlinie zu lernen, können die Raildruckstufen so
dicht gewählt werden, dass das Lernen eines Kennfeldbereiches möglich
wird. Bei Kennfeldlernen wäre auch ein Lernen von Injektoren
mit Plateaubildung möglich.
-
In
Schritt 555 wird nun geprüft, ob der aktuell vorliegende
Korrelationskoeffizient einen unteren Schwellwert Korrelationskoeff
min überschreitet, was ein Indiz dafür ist, ob
genügend Messpunkte anhand unterschiedlicher Ansteuerdauern
vorliegen oder nicht. Es ist anzumerken, dass eine hinreichend hohe Korrelationsgüte
aufgrund des großen Wertebereichs für die Eingangsgrößen
erreichbar ist, da insbesondere die Ansteuerdauer über
einen ausreichend großen Bereich variiert wird. Ist dieses
Kriterium 555 nicht erfüllt, wird der Speicher
initialisiert (Schritt 560) und ein Rücksprung
auf Anfangsschritt 500 durchgeführt.
-
Erst
wenn die Bedingung 555 erfüllt ist, wird die vorliegende
Routine abgebrochen und in Schritt 565 die dann vorliegende
Regressionsgerade für den weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine
freigegeben bzw. freigeschaltet.
-
Mittels
des beschriebenen Verfahrens ist es möglich, das genannte
Ansteuerdauerkennfeld für den Kleinmengenbereich über
die Lebenszeit eines Injektors zu adaptieren.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19945618
A1 [0005]
- - EP 1388661 A2 [0006]