DE102008043594A1 - Verfahren und Vorichtung zur Ermittlung einer Injektortemperatur - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Ermittlung einer Injektortemperatur eines Kraftstoffinjektors für eine Brennkraftmaschine. Zunächst werden ein Maschinentemperaturwert der Brennkraftmaschine und ferner, basierend auf einer dem Kraftstoffinjektor zugeführten Verlustleistung und einem Wärmeübergangsfaktor, eine Temperaturkorrekturgröße ermittelt. Die Temperaturkorrekturgröße wird tiefpassgefiltert und auf den Maschinentemperaturwert angewandt. Unter weiteren Gesichtspunkten schafft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt zur Ausrüstung des Verfahrens und eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Injektortemperatur eines Kraftstoffinjektors für eine Brennkraftmaschine, Die Vorrichtung umfasst einen Maschinentemperaturermittler, der eine Maschinentemperatur der Brennkraftmaschine ermittelt, einen Temperaturkorrekturgrößenermittler, der, basierend auf einer dem Injektor zugeführten elektrischen Leistung und einem Wärmeübergangsfaktor, eine Temperaturkorrekturgröße ermittelt, einen Tiefpassfilter, der die Temperaturkorrekturgröße tiefpassfiltert, und einen Korrekturgrößenanwender, der die Temperaturkorrekturgröße auf den Maschinentemperaturwert anwendet.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Injektortemperatur eines Kraftstoffinjektors für eine Brennkraftmaschine. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung des Verfahrens.
  • Moderne Brennkraftmaschinen weisen oft Kraftstoffinjektoren auf, die durch geeignete Steuervorrichtungen mit elektrischen Ansteuersignalen beaufschlagt werden, um Kraftstoff in gewünschter Menge in den Verbrennungsraum oder den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine einzuspritzen. Die Umwandlung der elektrischen Energie der Ansteuersignale in mechanische Arbeit erfolgt z. B. durch piezoelektrische oder elektromagnetische Aktoren innerhalb der Kraftstoffinjektoren. Da das Verhalten der Aktoren je nach Typ Temperaturabhängigkeiten aufweist, ist die Temperatur der Aktoren bei der Ansteuerung zu berücksichtigen. Problematisch ist die Ermittlung der Temperatur, da diese in der Regel nicht oder nur mit erheblichem Aufwand unmittelbar am Aktor messbar ist.
  • Die DE 600 18 385 T2 offenbart ein Verfahren zur Steuerung eines Injektors, bei dem die Temperatur berücksichtigt wird. Dabei wird die Temperatur des Aktors unter Verwendung eines Energiebilanzmodells ermittelt. Der hierbei erforderliche Rechenaufwand ist sehr aufwändig und kostspielig.
  • Die DE 102 41 506 A1 offenbart ebenfalls ein Verfahren, bei dem eine Temperaturgröße, die die Temperatur des Injektors charakterisiert, bei der Steuerung berücksichtigt wird. Die Temperaturgröße wird ermittelt ausgehend von einer ersten Größe, die die dem Injektor zugeführte elektrische Energie charakterisiert, einem Wärmeübergangsfaktor und einer zweiten Größe, die die Kraftstofftemperatur charakterisiert. Bei der ersten Größe handelt es sich im Wesentlichen um das Produkt der Verlustenergie für eine Ansteuerung des Injektors und der Anzahl der Ansteuerungen pro Zeit.
  • Bei modernen Brennkraftmaschinen werden Kraftstoffinjektoren jedoch innerhalb eines Arbeitsspiels üblicherweise mit einer Vielzahl unterschiedlicher Ansteuersignale angesteuert, um eine entsprechende Vielzahl von Einspritzungen unterschiedlicher Typen wie Nach-, Vor- und Haupteinspritzungen auszuführen. Typischerweise wird die Anzahl der Einspritzungen pro Arbeitsspiel im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine dynamisch verändert, entsprechend z. B. dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine, Umweltbedingungen wie der Temperatur der Umgebungsluft, und/oder der aktuellen Leistungsanforderung durch z. B. den Führer eines Kraftfahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine installiert ist.
  • Da bei einer derartigen dynamischen Zu- oder Abschaltung von Kraftstoffeinspritzungen sich die dem Injektor pro Zeiteinheit zugeführte elektrische Energie jeweils sprunghaft ändert, kommt es bei Verfahren wie dem der DE 102 41 506 A1 , die von der Annahme einer stationären Temperaturdifferenz zwischen Injektor- und Kraftstofftemperatur ausgehen, zu erheblichen Abweichungen der ermittelten Temperaturgröße von der tatsächlichen Injektortemperatur. Es besteht daher ein Bedürfnis, eine die Temperatur des Injektors charakterisierende Temperaturgröße mit hoher Genauigkeit und geringem Aufwand auch in dem allgemeinen Fall zu ermitteln, das der Kraftstoffinjektor sich nicht in einem thermischen Fließgleichgewicht mit seiner Umgebung befindet.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Demgemäß wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Injektortemperatur eines Kraftstoffinjektors für eine Brennkraftmaschine bereitgestellt. Zunächst werden ein Maschinentemperaturwert der Brennkraftmaschine, und ferner basierend auf einer dem Kraftstoffinjektor zugeführten Verlustleistung und einem Wärmeübergangsfaktor eine Temperaturkorrekturgröße ermittelt. Die Temperaturkorrekturgröße wird tiefpassgefiltert und auf den Maschinentemperaturwert angewandt.
  • Dadurch, dass die Temperatur des Injektors ausgehend von einer Maschinentemperatur, die bei modernen Brennkraftmaschinen üblicherweise ohnehin ermittelt wird, der dem Kraftstoffinjektor zugeführten Verlustleistung, die im Wesentlichen aus den dem Kraftstoffinjektor zugeleiteten und daher bekannten Ansteuersignalen ermittelbar ist, und dem im wesentlichen geometrisch bestimmten und daher näherungsweise konstant anzunehmenden Wärmeübergangsfaktor ermittelt wird, ist eine einfache und zuverlässige Ermittlung der Injektortemperatur ermöglicht. Insbesondere ist es nicht erforderlich, während des Betriebs der Brennkraftmaschine in Echtzeit Differenzialgleichungen eines Energiebilanzmodells numerisch zu lösen, was den Rechenaufwand gering hält und Ungenauigkeiten aufgrund einer Akkumulation von Rechenfehlern vermeidet.
  • Gleichzeitig ermöglicht das Tiefpassfiltern der Temperaturkorrekturgröße, die Temperatur des Injektors auch für solche Fälle mit hoher Genauigkeit zu ermitteln, in denen eine rasche Veränderung der dem Kraftstoffinjektor zugeführten Verlustleistung aufgetreten ist und der Kraftstoffinjektor sich zeitweilig nicht in einem thermischen Fließgleichgewicht mit seiner durch die Maschinentemperatur charakterisierte Umgebung befindet. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass bei einer sprunghaften Veränderung der dem Kraftstoffinjektor zugeführten Verlustleistung, wie sie typischerweise bei der Zu- oder Abschaltung von Kraftstoffeinspritzungen auftritt, die Temperatur des Injektors sich ab dem Zeitpunkt der sprunghaften Veränderung im Wesentlichen exponentiell einem stationären Temperaturwert nähert, der einem für die sprunghaft veränderte Verlustleistung gültigen thermischen Fließgleichgewicht entspricht. Der Schritt des Tiefpassfilterns ermöglicht, diese exponentielle Nachführung der tatsächlichen Injektortemperatur auf einfache Weise modellhaft nachzubilden, um so ohne aufwändige Rechenschritte einen die tatsächlichen Verhältnisse genau wiedergebende Injektortemperatur zu erhalten.
  • Unter weiteren Gesichtspunkten sind ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung des Verfahrens und eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Injektortemperatur eines Kraftstoffinjektors für eine Brennkraftmaschine vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst einen Maschinentemperaturermittler, der eine Maschinentemperatur der Brennkraftmaschine ermittelt, einen Temperaturkorrekturgrößenermittler, der basierend auf einer dem Injektor zugeführten elektrischen Leistung und einem Wärmeübergangsfaktor eine Temperaturkorrekturgröße ermittelt, einen Tiefpassfilter, der die Temperaturkorrekturgröße tiefpassfiltert, und einen Korrekturgrößenanwender, der die Temperaturkorrekturgröße auf den Maschinentemperaturwert anwendet.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Ermitteln des Maschinentemperaturwerts basierend auf einer Kühlwassertemperatur, einer Schmiermitteltemperatur oder/und einer Kraftstofftemperatur der Brennkraftmaschine. Derartige Temperaturwerte stehen üblicherweise in Steuervorrichtungen moderner Brennkraftmaschinen ohnehin zur Verfügung, sodass die Ermittlung der Maschinentemperatur mit geringem Aufwand ermöglicht ist. Beispielsweise kann der ermittelte Maschinentemperaturwert unmittelbar gleich einer Kraftstofftemperatur im Zulauf oder Rücklauf sein, gleich der Kühlwassertemperatur sein, oder z. B. durch Linearkombination mehrerer der genannten Temperaturwerte berechnet werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist ferner ein Schritt des Ermittelns der dem Kraftstoffinjektor zugeführten Verlustleistung vorgesehen, basierend auf einer Drehzahl der Brennkraftmaschine, einer Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen des Kraftstoffinjektors pro Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine und einer dem Kraftstoffinjektor zugeführten elektrischen Energie pro Kraftstoffeinspritzung. Da insbesondere bei piezobetriebenen Kraftstoffinjektoren die pro Kraftstoffeinspritzung in den Kraftstoffinjektor eingebrachte, in Wärme umgesetzte Verlustenergie näherungsweise konstant ist und die Drehzahl der Brennkraftmaschine wie auch die Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen des Kraftstoffinjektors pro Arbeitsspiel üblicherweise in einer Steuervorrichtung der Brennkraftmaschine zur Verfügung stehen, ist die dem Kraftstoffinjektor zugeführten Verlustleistung so auf einfache Weise mit guter Genauigkeit bestimmbar.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiterhin einen Schritt des Ermittelns der dem Kraftstoffinjektor zugeführten elektrischen Energie pro Kraftstoffeinspritzung, basierend auf einer Ansteuerspannung des Kraftstoffinjektors und/oder einem Kraftstoffzuführdruck. Auf diese Weise wird ermöglicht, die dem Kraftstoffinjektor zugeführte Verlustleistung und damit die Injektortemperatur noch genauer zu ermitteln, da über die aktuell zur Ansteuerung verwendete Ansteuerspannung die beim Öffnen des Kraftstoffinjektors zugeführte und die beim Schließen des Kraftstoffinjektors abgeführte Energie, und über den Kraftstoffzuführdruck, z. B. den Raildruck eines Common-Rail-Systems die mechanische Energie, die der Kraftstoffinjektor für die jeweilige Kraftstoffeinspritzung benötigt, besonders genau berechenbar sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Tiefpassfiltern gemäß einem proportionalen Übertragungsverhalten mit Verzögerung 1. Ordnung, d. h. mit sogenanntem PT1-Verhalten. Dies ermöglicht eine präzise Nachbildung des tatsächlichen Temperaturverlaufs am Kraftstoffinjektor, da dieser, wie in einer theoretischen Modellierung gezeigt werden kann, ebenfalls PT1-Verhalten aufweist. Vorzugsweise erfolgt die Verzögerung mit einer empirisch ermittelten Zeitkonstante, da so die besonderen Gegebenheiten des Systems der Brennkraftmaschine und des Kraftstoffinjektors mit berücksichtigt werden und die Genauigkeit verbessert wird. Vorzugsweise ist die Zeitkonstante wesentlich gleich dem Quotienten aus einer Wärmekapazität des Kraftstoffinjektors und dem Wärmeübergangsfaktor, entsprechend der theoretischen Modellierung.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist ferner einen Schritt des Korrigierens der Zeitkonstanten vorgesehen, basierend auf einer Gesamtinjektionsmenge der Kraftstoffinjektionen des Kraftstoffinjektors pro Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine. Auf diese Weise kann berücksichtigt werden, dass je nach Öffnungsdauer des Kraftstoffinjektors mehr oder weniger Kraftstoff durch den Kraftstoffinjektor fließt und dementsprechend mehr oder weniger Wärme aus dem Kraftstoffinjektor transportiert wird, sodass sich die Injektortemperatur des thermischen Fließgleichgewichts sich mehr oder weniger schnell einstellt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügten Figuren erläutert. Von den Figuren zeigen:
  • 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Ermittlung einer Injektortemperatur eines Kraftstoffinjektors, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 2A ein Diagramm eines zeitlichen Verlaufs einer Anzahl von Teileinspritzungen, die von einem Kraftstoffinjektor pro Arbeitsspiel einer Brennkraftmaschine ausgeführt werden,
  • 2B ein Diagramm eines zeitlichen Verlaufs einer Injektortemperatur des Kraftstoffinjektors aus 2A, und
  • 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung einer Injektortemperatur, gemäß einer Ausführungsform.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, soweit nicht explizit anders angegeben.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt in schematischer Blockdarstellung eine Steuervorrichtung 102 für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 160 zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 160 ist beispielhaft durch einen einzelnen Kraftstoffinjektor 100 wiedergegeben, der über eine Kraftstoffzuleitung 154 mit einem Kraftstoffdruckspeicher 155 und über eine Kraftstoffrückleitung 156 mit einem nicht gezeigten Kraftstofftank verbunden ist. Ein im Kraftstoffinjektor 100 enthaltener und vom über die Kraftstoffzuleitung 154 zugeleiteten Kraftstoff umgebener piezoelektrischer Aktor 157 ist über eine elektrische Ansteuerleitung 158 an eine Ansteuereinheit 159 der Steuervorrichtung 102 angeschlossen. Am Kraftstoffdruckspeicher 155, der z. B. als Common Rail ausgebildet sein kann, sind ein Temperatursensor 181 und ein Drucksensor 182 zur Überwachung von Kraftstofftemperatur und -druck im Kraftstoffdruckspeicher 155 durch die Steuervorrichtung 102 angebracht.
  • Die Ansteuereinheit 159 ist dazu ausgebildet, im Betrieb der Steuervorrichtung 102 die Zeitpunkte und jeweilige Dauer der vom Kraftstoffinjektor 100 auszuführenden Kraftstoffeinspritzungen festzulegen und jeweils den Aktor 157 mittels eines über die Ansteuerleitung 158 geleiteten Ansteuerstromsignals derart anzusteuern, dass der Kraftstoffinjektor 100 öffnet und die gewünschte Kraftstoffeinspritzung ausführt. Insbesondere legt die Ansteuereinheit 159 die Anzahl nAS der vom Kraftstoffinjektor 100 während eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine auszuführenden Kraftstoffeinspritzungen und die elektrische Spannung der über die Ansteuerleitung 158 geleiteten Ansteuersignale fest.
  • Bei jeder Kraftstoffeinspritzung nimmt der Kraftstoffinjektor 100 einen Energieeintrag W0 auf, der wesentlich der Differenz zwischen der beim Laden des Aktors 157 zugeführten und beim Entladen des Aktors 157 abgeführten Energie entspricht, wobei bei genauer Betrachtung diese Differenz um die mechanische Energie vermindert wird, die der Injektor 100 zur Ausführung der Kraftstoffeinspritzung benötigt. Geht man davon aus, dass ein Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine zwei Umdrehungen der Kurbelwelle umfasst, ergibt sich mit einer Drehzahl N, die wie allgemein üblich die Anzahl der Kurbelwellenumdrehungen pro Minute angibt, und dem Energieeintrag W0 in der Einheit Joule ein Wert
    Figure 00070001
    für die vom Aktor 157 aufgenommene elektrische Verlustleistung Pel in der Einheit Watt.
  • Die zugeführte Leistung Pel erhöht die Temperatur TA des Aktors 157 relativ zu der die Umgebung des Aktors charakterisierenden Maschinentemperatur TD. Abhängig vom Aufbau der Brennkraftmaschine und der Einspritzvorrichtung 160 kann die Maschinentemperatur TD der Umgebung des Aktors 157 auch durch andere Temperaturen der Brennkraftmaschine, wie z. B. eine Kühlwassertemperatur oder Schmiermitteltemperatur beeinflusst sein.
  • Aufgrund der Temperaturdifferenz TA – TD zwischen Aktor 157 und Kraftstoff entsteht ein Wärmefluss Q .AD aus dem Aktor 157 in den Kraftstoff, dessen Stärke durch einen Wärmeübergangsfaktor kAD·AAD bestimmt ist, ausgedrückt als das Produkt des Flächeninhalts der Grenzfläche AAD von Aktor 157 und Kraftstoff in der Einheit m2 mit einem Wärmeübergangskoeffizienten kAD in der Einheit W/K·m2: Q .AD = –kAD·AAD·(TA – TD) in der Einheit W. Heben sich Wärmefluss Q .AD und elektrische Verlustleistung Pel nicht gegenseitig auf, ändert sich die Wärmeenergie QA des Aktors 157, und damit die Temperatur TA des Aktors 157 entsprechend seiner Wärmekapazität cA·mA, ausgedrückt hier als Produkt der Aktormasse mA mit der spezifischen Wärmekapazität cA des Aktormaterials.
  • Insgesamt führt die Wärmebilanz Q .A = Q .AD + Pel des Aktors 157 auf die Differenzialgleichung
    Figure 00080001
    mit der Temperatur TA des Aktors 157 als unabhängiger Variable. Die Differenzialgleichung lässt sich in die allgemeine Form T·ẏ(t) + y(t) = K·u(t) einer Funktionalbeziehung im Zeitbereich eines PT1-Gliedes bringen, in welcher K, K > 0, die Übertragungskonstante und T, T > 0 die Zeitkonstante des PT1-Gliedes bezeichnen:
    Figure 00080002
  • Hier gibt der rechts vom Gleichheitszeichen stehende Ausdruck die stationäre Lösung für T .A = 0 an, bei der sich eine konstante Aktortemperatur TA einstellt. Weiterhin folgt aus den bekannten Eigenschaften von PT1-Gliedern, dass bei einer sprunghaften Veränderung des rechts vom Gleichheitszeichen stehenden Ausdrucks, wie z. B. bei einer plötzlichen Umschaltung der Anzahl nAS der Kraftstoffeinspritzungen pro Arbeitsspiel, die Aktortemperatur TA sich entsprechend der Sprungantwort
    Figure 00080003
    eines PT1-Gliedes exponentiell der obigen stationären Lösung annähert, wobei die Zeitkonstante T im Exponenten durch
    Figure 00080004
    gegeben ist.
  • Um das beschriebene zeitliche Verhalten der die Temperatur des Aktors 157 beschreibenden Injektortemperatur in der Steuervorrichtung 102 nachbilden zu können, weist die Steuervorrichtung 102 einen Verlustenergieermittler 104 auf, der einen aktuellen Wert des mittleren Energieeintrags WO pro Kraftstoffeinspritzung anhand eines Kennfeldes bestimmt, basierend auf einem von der Ansteuereinheit 159 erhaltenen Signal, das die aktuell von der Ansteuereinheit 159 abgegebene Ansteuerspannung angibt. Optional berücksichtigt der Verlustenergieermittler 104 weitere Optionen, z. B. den vom Drucksensor 182 bereitgestellten aktuellen Druck im Kraftstoffdruckspeicher 155.
  • Die Steuervorrichtung 102 weist ferner einen Multiplizierer 106 auf, dessen einer Eingang mit der Ansteuereinheit 159 derart verbunden ist, dass der Multiplizierer 106 im Betrieb der Steuervorrichtung 102 von der Ansteuereinheit 159 ein Signal erhält, das die Anzahl nAS der vom Kraftstoffinjektor 100 während eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine ausgeführten Kraftstoffeinspritzungen anzeigt. Ein weiterer Eingang des Multiplizierers 106 ist mit einer nicht gezeigten Drehzahlermittlungsvorrichtung verbunden, die ein die Anzahl der Kurbelwellenumdrehungen der Brennkraftmaschine pro Minute anzeigendes Drehzahlsignal N bereitstellt. Ausgangsseitig stellt der Multiplizierer 106 das Produkt beider Eingangsgrößen nAS, N bereit, das gleich dem Doppelten der aktuellen Anzahl der pro Minute durch den Kraftstoffinjektor 100 ausgeführten Kraftstoffeinspritzungen ist.
  • Die Steuervorrichtung 102 weist ferner einen Dividierer 108 auf, dessen mit „×” bezeichneter Dividendeneingang mit dem Ausgang des Multiplizierers 106 verbunden ist. Der Divisoreingang des Dividierers 108 ist mit einem ersten Konstantenspeicher 190 verbunden, der eine Konstante 120·kAD·AAD enthält, sodass der Dividierer 108 im Betrieb der Vorrichtung 102 die am Dividendeneingang anliegende doppelte Anzahl der pro Minute durch den Kraftstoffinjektor 100 ausgeführten Kraftstoffeinspritzungen durch den im ersten Konstantenspeicher 190 abgelegten Wert dividiert und den Quotienten ausgangsseitig bereitstellt.
  • Die Steuervorrichtung 102 weist ferner einen Temperaturkorrekturgrößenermittler 188 auf, der eingangsseitig den vom Dividierer 108 bereitgestellten Quotienten und den vom Verlustenergieermittler 104 bereitgestellten Energieeintrag pro Kraftstoffeinspritzung erhält und ausgangsseitig das Produkt beider Größen bereitstellt. Die im ersten Konstantenspeicher 190 abgelegte Konstante 120·kAD·AAD ist dabei gerade so gewählt, dass der Temperaturkorrekturgrö ßenermittler 188 den Wert
    Figure 00100001
    als Temperaturkorrekturwert liefert, der bei der vorstehend beschriebenen stationären Lösung die Differenz der Injektortemperatur TA zur Maschinentemperatur TD angibt. Die im ersten konstanten Speicher 190 gespeicherte Konstante kann z. B. durch Prüfstandmessungen empirisch ermittelt sein, bei denen die Brennkraftmaschine mit stationären Betriebsbedingungen betrieben und die Injektortemperatur TA über einen zusätzlichen Sensor direkt bestimmt wird.
  • Die Steuervorrichtung 102 weist ferner ein Tiefpassfilter 184 auf, das die im Betrieb der Steuervorrichtung 102 vom Temperaturkorrekturgrößenermittler 188 laufend abgegebene Temperaturkorrekturgröße tiefpassfiltert. Der Tiefpassfilter weist ein PT1-Verhalten auf, d. h. ein proportionales Übertragungsverhalten mit Verzögerung erster Ordnung, entsprechend einer Zeitkonstante, die in einem zweiten konstanten Speicher 192 abgelegt ist. Die Zeitkonstante ist dabei gerade so gewählt, dass sie der Zeitkonstante
    Figure 00100002
    der Sprungantwort des Systems der oben beschriebenen Differentialgleichung gleicht.
  • Die im zweiten Konstantenspeicher 192 abgelegte Zeitkonstante kann zweckmäßig ebenfalls im Rahmen einer Prüfstandmessung empirisch bestimmt werden, bei der die Brennkraftmaschine zunächst unter stationären Betriebsbedingungen betrieben und dann die Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen pro Arbeitsspiel sprunghaft verändert wird.
  • 2A veranschaulicht einen zeitlichen Verlauf 304 der Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen nAS während einer solchen Prüfstandmessung, aufgetragen entlang einer senkrechten Anzahlachse 302 über einer waagerechten Zeitachse 300. Zu Beginn der Messung wird die Brennkraftmaschine mit einer ersten Anzahl 306 der Kraftstoffeinspritzungen pro Arbeitsspiel betrieben, bis sich ein stationärer Zustand eingestellt hat. Zu einem ersten Zeitpunkt 310 werden weitere Kraftstoffeinspritzungen zugeschaltet, so dass sich die Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen sprunghaft auf einen zweiten Wert 308 erhöht. Zu einem zweiten Zeitpunkt 312 werden die zusätzlichen Kraftstoffeinspritzungen wieder abgeschaltet.
  • 2B zeigt entlang einer senkrechten Achse 320 einen Temperaturverlauf 322 der Injektortemperatur TA, der im gleichen Zeitraum direkt am Aktor 157 erhoben wurde. Zu Beginn der Prüfstandmessung befindet sich die Injektortemperatur TA näherungsweise auf einem ersten konstanten Wert 330, steigt nach der Zuschaltung 310 der Kraftstoffeinspritzungen an, um sich exponentiell einem zweiten konstanten Temperaturwert 332 anzunähern. Nach der Abschaltung 312 der Kraftstoffeinspritzungen sinkt die Injektortemperatur TA wieder, um sich exponentiell dem ursprünglichen Wert 330 wieder anzunähern.
  • Im Intervall zwischen dem Zuschalt- 310 und Abschaltzeitpunkt 312, sowie im Zeitraum nach dem Abschaltzeitpunkt 312 wird jeweils eine Exponentialfunktion 324, 325 der Form
    Figure 00110001
    dem gemessenen Temperaturverlauf 322 angepasst, die der allgemeinen Form der Sprungantwort eines PT1-Gliedes entspricht. Hierbei bezeichnet ti mit i = 1, 2 den ersten 310 bzw. zweiten 312 Zeitpunkt und ΔTi mit i = 1, 2 eine erste 326 bzw. 327 Temperaturdifferenz zwischen dem jeweiligen Ausgangswert der Injektortemperatur TA zum ersten 310 bzw. zweiten 312 Zeitpunkt und dem am Ende des betrachteten Intervalls asymptotisch erreichten jeweiligen Endwert der der Injektortemperatur TA. Aus den durch die Anpassung der Exponentialfunktionen 324, 325 erhaltenen Werten der Zeitkonstante T wird zweckmäßig ein Mittel gebildet, das anschließend im zweiten Konstantenspeicher 192 der Steuervorrichtung 102 abgespeichert wird. Ebenso wird aus den erhaltenen Werten für ΔTi der im ersten Konstantenspeicher 190 abzulegende Wert 120·kAD·AAD ermittelt.
  • Die Steuervorrichtung 102 umfasst ferner einen Zeitkonstantenkorrigierer 198, der die im zweiten Konstantenspeicher 192 abgelegte Zeitkonstante durch Multiplikation mit einem von einem Zeitkonstantenkorrekturfaktorermittler 196 der Steuervorrichtung 102 bereitgestellten Zeitkonstantenkorrekturfaktor korrigiert, basierend auf dem Rückflussvolumen des Kraftstoffs, das während eines Arbeitsspiels durch den Kraftstoffinjektor 100 in den Kraftstoffrückfluss 156 fließt. Das Rückflussvolumen wird dem Zeitkonstantenkorrekturfaktorermittler 196 durch einen Rückflussvolumenermittler 194 bereitgestellt, der mittels eines Kennfelds das Rückflussvolumen aus einer von der Ansteuereinheit 159 bereitgestellten aktuellen Gesamteinspritzdauer der Kraftstoffeinspritzungen pro Arbeitsspiel und aus dem vom Drucksensor 182 bereitgestellten Kraftstoffdruck im Kraftstoffdruckspeicher 155 berechnet.
  • Die Steuervorrichtung 102 umfasst ferner einen Korrekturgrößenanwender 162, der die vom Temperaturkorrekturgrößenermittler 188 ermittelte und vom Tiefpassfilter 184 gefilterte Temperaturkorrekturgröße zu einer durch einen Maschinentemperaturermittler 110 der Steuervorrichtung 102 mittels des Temperatursensors 181 ermittelten Maschinentemperatur TD addiert. Die Ansteuereinheit 159 ist mit dem Korrekturgrößenanwender 162 verbunden und berücksichtigt die ermittelte Injektortemperatur TA bei der Ansteuerung des Kraftstoffinjektors 100.
  • Dabei ist zwischen den Tiefpassfilter 184 und den Korrekturgrößenanwender 162 ein Korrekturbegrenzer 186 eingefügt, der optional die Anwendung der Korrekturgröße 162 modifiziert oder unterbindet, z. B. wenn die Brennkraftmaschine eine kalte Maschinentemperatur aufweist, bei der eine Korrektur der Ansteuersignale für den Kraftstoffinjektor nicht erwünscht ist.
  • 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung einer Injektortemperatur eines Kraftstoffinjektors, das z. B. mittels einer Vorrichtung wie der in 1 gezeigten Vorrichtung 102 ausführbar ist. In Schritt 200 des Verfahrens wird ein Maschinentemperaturwert der Brennkraftmaschine ermittelt, der die Temperatur des Kraftstoffinjektors langfristig beeinflusst. Beispielsweise wird auf einen ohnehin in der Steuervorrichtung vorliegenden Wert der Kühlwassertemperatur oder der Kraftstofftemperatur im Kraftstoffrücklauf des Kraftstoffinjektors zurückgegriffen. Der ermittelte Maschinentemperaturwert kann optional tiefpassgefiltert werden.
  • In Schritt 210 wird ein Energieeintrag berechnet, der pro Kraftstoffeinspritzung im Mittel als Verlustwärme im Kraftstoffinjektor verbleibt, basierend auf der Ansteuerspannung der Ansteuersignale, mit denen gegenwärtig der Kraftstoffinjektor zur Ausführung der Kraftstoffeinspritzungen angesteuert wird. Der Energieeintrag kann z. B. für verschiedene Typen von Kraftstoffeinspritzungen wie Vor-, Haupt- und Nacheinspritzungen unterschiedlicher Einspritzdauer gemittelt sein. Der Energieeintrag kann für den betrachteten Kraftstoffinjektor einzeln oder auch als Mittel über mehrere Kraftstoffinjektoren unterschiedlicher Zylinder der Brennkraftmaschine ermittelt werden.
  • In Schritt 208 wird eine Verlustleistung ermittelt, die infolge der Energieeinträge der Kraftstoffeinspritzungen im gleitenden zeitlichen Mittel dem Kraftstoffinjektor zufließt, wobei z. B. über den Zeitraum eines oder einiger weniger Arbeitsspiele gemittelt wird. In die Berechnung gehen der in Schritt 210 ermittelte Energieeintrag und die Frequenz der Kraftstoffeinspritzungen ein, ermittelt z. B. aus der Drehzahl der Brennkraftmaschine und der gegenwärtigen Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen pro Arbeitsspiel.
  • In Schritt 202 wird eine Temperaturkorrekturgröße ermittelt, basierend auf der in Schritt 208 ermittelten Verlustleistung und einem Wärmeübergangsfaktor, der den Wärmeabfluss aus dem Injektor in das durch den Maschinentemperaturwert charakterisierte Wärmereservoir der Umgebung des Injektors beschreibt. Dieser Wärmeübergangsfaktor kann z. B. theoretisch abgeschätzt oder empirisch ermittelt sein.
  • In Schritt 212 wird eine Zeitkonstante zur Tiefpassfilterung der Temperaturkorrekturgröße ermittelt, basierend auf einem konstanten Basiswert, der z. B. theoretisch abgeschätzt oder empirisch ermittelt sein kann, und einer Gesamtinjektionsmenge der Kraftstoffeinspritzungen des Kraftstoffinjektors pro Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine, sodass zeitliche Schwankungen des Kraftstoffstroms berücksichtigt werden, der während der Kraftstoffeinspritzungen den Kraftstoffinjektor passiert und dabei Wärme aus dem Kraftstoffinjektor abführt oder Wärme dem Kraftstoffinjektor zuführt. Der Basiswert der Zeitkonstante wird z. B. gleich dem Quotienten der Wärmekapazität des Aktors des Kraftstoffinjektors und dem Wärmeübergangsfaktor gesetzt.
  • In Schritt 204 wird die Temperaturkorrekturgröße mittels eines Tiefpassfilters mit proportionalem Übertragungsverhalten mit Verzögerung 1. Ordnung tiefpassgefiltert, unter Verwendung der in Schritt 212 ermittelten Zeitkonstante.
  • In Schritt 206 wird die Temperaturkorrekturgröße auf den Maschinentemperaturwert angewandt, z. B. durch Multiplikation oder Addition, um auf diese Weise die zu ermittelnde Injektortemperatur zu erhalten. Das Verfahren wird in Schritt 200 fortgesetzt, wo nun ein neuer aktueller Maschinentemperaturwert ermittelt wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 60018385 T2 [0003]
    • - DE 10241506 A1 [0004, 0006]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Ermittlung einer Injektortemperatur (180) eines Kraftstoffinjektors (100) für eine Brennkraftmaschine, mit folgenden Schritten: – Ermitteln (200) eines Maschinentemperaturwerts (TD) der Brennkraftmaschine; – Ermitteln (202) einer Temperaturkorrekturgröße (ΔTA) basierend auf einer dem Kraftstoffinjektor zugeführten Verlustleistung und einem Wärmeübergangsfaktor (kAD·AAD); – Tiefpassfiltern (204) der Temperaturkorrekturgröße (ΔTA); und – Anwenden (206) der Temperaturkorrekturgröße auf den Maschinentemperaturwert (TD).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln (200) des Maschinentemperaturwerts (TD) basierend auf einer Kühlwassertemperatur, einer Schmiermitteltemperatur oder/und einer Kraftstofftemperatur der Brennkraftmaschine erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin einen umfassend einen Schritt des Ermittelns (208) der dem Kraftstoffinjektor (100) zugeführten Verlustleistung basierend auf einer Drehzahl (N) der Brennkraftmaschine, einer Anzahl (nAS) der Kraftstoffeinspritzungen des Kraftstoffinjektors (100) pro Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine und einer dem Kraftstoffinjektor (100) zugeführten elektrischen Energie (W0) pro Kraftstoffeinspritzung.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, weiterhin umfassend einen Schritt des Ermittelns (210) der dem Kraftstoffinjektor (100) zugeführten elektrischen Energie pro Kraftstoffeinspritzung (W0), basierend auf einer Ansteuerspannung des Kraftstoffinjektors (100) und/oder einem Kraftstoffzuführdruck.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Tiefpassfiltern (204) entsprechend einem proportionalen Übertragungsverhalten mit Verzögerung 1. Ordnung mit einer insbesondere empirisch ermittelten Zeitkonstante (T) erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Zeitkonstante (T) wesentlich gleich dem Quotienten aus einer Wärmekapazität (CA·mA) des Kraftstoffinjektors (100) und dem Wärmeübergangsfaktor (kAD·AAD) ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, weiterhin aufweisend einen Schritt des Korrigierens (212) der Zeitkonstanten (T) basierend auf einer Gesamteinspritzmenge der Kraftstoffeinspritzungen des Kraftstoffinjektors (100) pro Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine.
  8. Computerprogrammprodukt mit Programmanweisungen, die auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sind, zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wenn die Programmanweisungen auf einem Computer oder einer Steuervorrichtung (102) ausgeführt werden.
  9. Vorrichtung (102) zur Ermittlung einer Injektortemperatur (180) eines Kraftstoffinjektors (100) für eine Brennkraftmaschine, aufweisend: – einen Maschinentemperaturermittler (110), welcher einen Maschinentemperaturwert (TD) der Brennkraftmaschine ermittelt; – einen Temperaturkorrekturgrößenermittler (188), welcher basierend auf einer dem Injektor zugeführten elektrischen Leistung und einem Wärmeübergangsfaktor (kAD·AAD) eine Temperaturkorrekturgröße (ΔTA) ermittelt; – einem Tiefpassfilter (184), welcher die Temperaturkorrekturgröße (ΔTA) tiefpassfiltert; und – einem Korrekturgrößenanwender (162), welcher die Temperaturkorrekturgröße auf den Maschinentemperaturwert anwendet.
  10. Vorrichtung (102) nach Anspruch 9, wobei der Tiefpassfilter (184) ein proportionales Übertragungsverhalten mit Verzögerung 1. Ordnung entsprechend einer Zeitkonstanten (T) aufweist, welche insbesondere wesentlich gleich dem Quotienten aus einer Wärmekapazität (CA·mA) des Kraftstoffinjektors (100) und dem Wärmeübergangsfaktor (kAD·AAD) ist.
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