DE102008055008B4

DE102008055008B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008055008B4
Application number: DE102008055008.6A
Authority: DE
Inventors: Klaus Joos; Helerson Kemmer; Holger Rapp; Anh-Tuan Hoang
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2018-08-09
Anticipated expiration: 2028-12-20
Also published as: WO2010069779A1; DE102008055008A1; CN102257262B; CN102257262A

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), bei dem der Kraftstoff mittels eines eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung umfassenden Einspritzventils (18) in einen Brennraum (20) gelangt, dadurch gekennzeichnet, dassa. eine erfasste erste elektrische Größe eines Magnetkreises der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung einem Beobachterglied (56), das den Magnetkreis ohne Berücksichtigung der Rückwirkung einer Ankerbewegung auf elektrische Größen des Magnetkreises nachbildet, zugeführt wird, wobei das Beobachterglied (56) eine beobachtete zweite elektrische Größe des Magnetkreises ermittelt,b. dass die Differenz zwischen der beobachteten zweiten elektrischen Größe und einer erfassten zweiten elektrischen Größe gebildet wird, undc. dass die Differenz einem Rückkoppelglied (60) zugeführt wird, welches eine erste elektrische Korrekturgröße ermittelt, die zu der erfassten ersten elektrischen Größe addiert wird, derart, dass die Differenz zwischen der beobachteten zweiten elektrischen Größe und der erfassten zweiten elektrischen Größe betragsmäßig minimal wird, der Verlauf der ersten elektrischen Korrekturgröße aufsummiert wird, und als eine die Ankerbewegung charakterisierende Größe ein Hubverlauf aus der aufsummierten ersten elektrischen Korrekturgröße ermittelt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand der Erfindung sind ferner ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung.
Vom Markt her sind Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen Benzin von Einspritzventilen direkt in jeweilige Brennräume eingespritzt wird. Solche Einspritzventile verfügen über eine Ventilnadel, die von einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung betätigt wird.
Die DE 60 2004 003 815 T2 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen des Beginns der Bewegung eines Kerns eines Elektromagneten. Dabei wird eine Differenz zwischen einer Modellrechnung und einem gemessenen Wert für den Spulenstrom gebildet.
Aus der DE 102 20 388 A1 ist eine Nadelhub-Abschätzungsvorrichtung bekannt. Die Abschätzung erfolgt auf Basis des Stroms.
Aus der DE 198 34 405 A1 ist ein Verfahren zur Schätzung eines Nadelhubs eines Magnetventils bekannt. Das Verfahren erfasst die in der Spule induzierte Spannung. Mittels eines Rechenmodells wird hieraus der Hub der Ventilnadel berechnet.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine Optimierung der Kraftstoffeinspritzung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Lösungen sind in den nebengeordneten Patentansprüchen angegeben, die ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung betreffen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben. Darüber hinaus finden sich für die Erfindung wichtige Merkmale in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen. Diese Merkmale können dabei sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine die Ankerbewegung charakterisierende Größe ermittelt werden.
Dies gestattet es wiederum, Einfluss auf die Ventilnadelbewegung zu nehmen, um hierdurch die Einspritzung des Kraftstoffs zu optimieren. Letztlich trägt die Erfindung dazu bei, die Emissionen einer Brennkraftmaschine zu reduzieren, den Kraftstoffverbrauch zu senken und das Verbrennungsgeräusch zu vermindern.
Grundlage hierfür ist der Gedanke, dass eine elektrische Größe des Magnetkreises der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung durch ein Beobachterglied, also ein Schätzverfahren, ermittelt wird und zwar ganz bewusst unter Außerachtlassung des Einflusses der Bewegung des Magnetankers auf die elektrischen Größen des Magnetkreises. Zwangsläufig enthält daher die vom Beobachterglied ermittelte elektrische Größe einen Fehler, der durch einen Vergleich mit der entsprechenden erfassten Größe festgestellt werden kann. Dieser, auf der Nichtberücksichtigung der Rückwirkung der Ankerbewegung auf die elektrischen Größen des Magnetkreises provozierte Fehler kann nun zur Quantifizierung dieser Rückwirkung benutzt werden und gestattet so die Ermittlung einer die Ankerbewegung charakterisierenden Größe.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet somit ohne jede zusätzliche Komponente und kann allein softwaremäßig realisiert werden. Sie ist daher äußerst preiswert und gegebenenfalls sogar bei bereits bestehenden Systemen anwendbar.
Eine Konkretisierung der allgemeinen erfinderischen Idee besteht darin, dass im Schritt b die Differenz zwischen der beobachteten zweiten elektrischen Größe und der erfassten zweiten elektrischen Größe gebildet wird, und dass im Schritt c die Differenz einem Rückkoppelglied zugeführt wird, welches eine erste elektrische Korrekturgröße ermittelt, die zu der erfassten ersten elektrischen Größe addiert wird, derart, dass die Differenz zwischen der beobachteten zweiten elektrischen Größe und der erfassten zweiten elektrischen Größe betragsmäßig minimal wird, der Verlauf der ersten elektrischen Korrekturgröße aufsummiert wird, und als eine die Ankerbewegung charakterisierende Größe ein Hubverlauf aus der aufsummierten ersten elektrischen Korrekturgröße ermittelt wird.
Der bewusst provozierte Fehler am Ausgang des Beobachterglieds wird also über das Rückkoppelglied auf den Eingang des Beobachterglieds so zurückgeführt, dass er minimal, im besten Falle zu Null wird. Die hierzu vom Rückkoppelglied ausgegebene Korrekturgröße kann unmittelbar für die Ermittlung des Hubverlaufs des Ankers verwendet werden. Damit gestattet es das erfindungsgemäße Verfahren, den Verlauf des Hubs des Magnetankers und somit auch des Hubs des Ventilelements mindestens während der Öffnungsphase des Ventilelements genau nachzubilden, wodurch die Optimierung der Einspritzung besonders einfach wird.
Vorzugsweise handelt es sich bei der ersten elektrischen Größe um eine Spannung und bei der zweiten elektrischen Größe um einen Strom. Diese elektrischen Größen des Magnetkreises stehen ohnehin zur Verfügung und gestatten daher eine preiswerte und einfache Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beim Rückkoppelglied kann es sich um ein Proportionalglied, ein PI-Glied oder ein Rückkoppelglied höherer Ordnung handeln. Letztlich wird durch das Rückkoppelglied das Übertragungsverhalten zwischen der Geschwindigkeit des Magnetankers und der Korrekturgröße zum Ausdruck gebracht. Durch die Wahl einer entsprechenden Ausgestaltung des Rückkoppelglieds kann auf systematische und konstruktive Unterschiede eines Einspritzventils zum anderen Rücksicht genommen und damit die Präzision des Verfahrens erhöht werden. Durch eine entsprechende Parametrierung des Rückkoppelglieds kann darüber hinaus beispielsweise eine Filterung von Störsignalen auf den erfassten Signalen von Strom und/oder Spannung implizit realisiert werden.
Zur Erhöhung der Präzision des erfindungsgemäßen Verfahrens trägt bei, wenn in dem Beobachterglied ein Wirbelstrompfad des Magnetkreises nachgebildet ist. Gleichwohl ist es im einfachsten Fall möglich, lediglich den Hauptstrompfad des Magnetkreises im Beobachterglied nachzubilden, bei entsprechend reduzierter, aber in vielen Einsatzfällen noch ausreichender Präzision.
Bei Brennkraftmaschinen mit mehreren Einspritzventilen kann das erfindungsgemäße Verfahren auch für eine Gleichstellung der einzelnen Kraftstoff-Einspritzventile verwendet werden. Hierdurch wird der Betrieb der Brennkraftmaschine vergleichmäßigt und es werden Vibrationen reduziert.
Ein Beispiel hierfür besteht darin, dass mittels der ermittelten, die Ankerbewegung charakterisierenden Größen der einzelnen Einspritzventile die Zeitpunkte eines Hubmaximums der Einspritzventile gleichgestellt werden. Gleichstellung bedeutet, dass diese jeweiligen Ereignisse beim gleichen Kurbelwinkel bezogen beispielsweise auf einen oberen Totpunkt des jeweiligen Zylinders stattfinden. Alternativ hierzu können auch die Zeiträume vom Beginn einer Ansteuerung bis zum Schließen der Einspritzventile gleichgestellt werden, oder es können die Zeiträume vom Hubmaximum bis zum Schließen der Einspritzventile gleichgestellt werden. Aufgrund der Kenntnis von der Ventilnadelbewegung können bei Kenntnis zusätzlicher Parameter, beispielsweise des Kraftstoffdrucks, mittels der ermittelten, die Ankerbewegungen charakterisierenden Größen auch die Einspritzmengen der Einspritzventile gleichgestellt werden.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit mehreren elektromagnetisch betätigten Einspritzventilen;
2 ein Ersatzschaltbild eines Magnetkreises eines Einspritzventils von 1;
3 ein Blockschaltbild des Magnetkreises von 2;
4 ein Blockschaltbild eines Verfahrens zum Ermitteln einer Korrekturgröße unter Verwendung eines Beobachterglieds entsprechend dem Magnetkreis von 3;
5 zwei Diagramme, in denen der Verlauf eines Ansteuerstroms und die Hubverläufe von drei unterschiedlichen Einspritzventilen über der Zeit dargestellt sind, ohne Gleichstellung;
6 zwei Diagramme, ähnlich 5, mit Gleichstellung des Zeitraums vom Beginn einer Ansteuerung bis zum Schließen der Einspritzventile;
7 zwei Diagramme ähnlich 5 mit einer Gleichstellung der Zeitpunkte der Hubmaxima; und
8 zwei Diagramme ähnlich 5 mit einer Gleichstellung der Zeiträume vom Hubmaximum bis zum Schließen der Einspritzventile.

Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst einen Tank 12, aus dem ein Fördersystem 14 Kraftstoff in ein Common-Rail 16 fördert. An dieses sind mehrere elektromagnetisch betätigte Einspritzventile 18a bis 18d angeschlossen, die den Kraftstoff direkt in ihnen zugeordnete Brennräume 20a bis 20d einspritzen. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 22 gesteuert beziehungsweise geregelt, die unter anderem auch die Einspritzventile 18a bis 18d ansteuert.
Ein Ersatzschaltbild eines vereinfachten Magnetkreises 44 der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung der Ventile 18a-18d ist in 2 dargestellt. Mit 46 ist der Hauptstrompfad und mit 48 der Wirbelstrompfad bezeichnet. In einer nicht dargestellten vereinfachten Ausführungsform kann auch ein Ersatzschaltbild angenommen werden, welches den Wirbelstrompfad nicht nachbildet. Ein entsprechendes Blockschaltbild des Magnetkreises 44 ist in 3 gezeigt. Die Parameter des Blockschaltbilds ergeben sich dabei aus jenen des Ersatzschaltbilds von 2 durch Normierung von Strom und Spannung. Der Wirbelstrompfad wird im Ersatzschaltbild von 2 durch die Bauelemente R_w* und L_S* nachgebildet, im Blockschaltbild von 3 durch den Integrierer 50 mit der Zeitkonstante T_S und das Proportionalglied 52 mit der Verstärkung K_RW im Rückkoppelpfad.
Durch die in den 2 und 3 dargestellten Ersatz- beziehungsweise Blockschaltbilder wird das Verhalten des Magnetkreises 44 bei unbewegtem Magnetanker der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung mit guter Genauigkeit nachgebildet. Bewusst nicht berücksichtigt ist in der Streckennachbildung der 2 und 3 die Rückwirkung der Bewegung des Magnetankers auf Strom und/oder Spannung. Das Vorhandensein dieser Rückwirkung im realen Betrieb der Einspritzventile 18a bis 18d stellt den wesentlichen Unterschied zwischen den in den 2 und 3 dargestellten Streckennachbildungen und dem realen Magnetkreis der Einspritzventile 18a bis 18d dar. Dieser Unterschied wird, wie weiter unten ausgeführt werden wird, zur Ermittlung einer die Bewegung des Magnetankers charakterisierenden Größe genutzt.
Hierzu wird gemäß einem Verfahren vorgegangen, welches als Blockschaltbild in 4 dargestellt ist: Mit 54 ist in 4 der reale Magnetkreis eines Einspritzventils 18 bezeichnet. Durch Anlegen einer Spannung u, die auch als erfasste erste elektrische Größe des realen Magnetkreises 54 bezeichnet werden kann, ergibt sich ein Ansteuerstrom i, der als erfasste zweite elektrische Größe des realen Magnetkreises 54 bezeichnet werden kann. Die Ansteuerspannung u wird einem Beobachterglied 56 zugeführt, welches dem vereinfachten Magnetkreis 44 gemäß dem Blockschaltbild von 3 entspricht. Ausgangsgröße des Beobachterglieds 56 ist ein beobachteter Spulenstrom i_b, die insoweit als beobachtete zweite elektrische Größe des theoretischen Magnetkreises 44 bezeichnet werden kann. In 58 wird die Differenz di_b zwischen dem beobachteten Spulenstrom i_b und dem erfassten Spulenstrom i gebildet und einem Rückkoppelglied 60 als Eingangsgröße zugeführt. Bei diesem Rückkoppelglied 60 kann es sich beispielsweise um ein Proportionalglied, ein PI-Glied oder auch um ein Rückkoppelglied höherer Ordnung und/oder komplexerer Struktur handeln. Dabei wird durch die Parametrierung des Rückkoppelglieds 60 das Übertragungsverhalten zwischen der Geschwindigkeit des Magnetankers 30 und einer Ausgangsgröße u_korr des Rückkoppelglieds 60 zum Ausdruck gebracht und insoweit auch beeinflusst. Durch eine entsprechende Parametrierung kann so eine Filterung von Störsignalen auf den erfassten Signalen des Spulenstroms i und/oder der Spannung u implizit realisiert werden.
Die Ausgangsgröße u_korr, die auch als erste elektrische Korrekturgröße bezeichnet werden kann, wird nun dem Eingang des Beobachterglieds 56 in 62 additiv aufgeschaltet. Auf diese Weise wird der beobachtete Spulenstrom i_b zu dem gemessenen Spulenstrom i hin nachgeführt, die Differenz di_b also minimiert beziehungsweise zu Null gemacht.
Da der Unterschied zwischen dem realen Magnetkreis 54 und dem vereinfachten Magnetkreis 44 im Beobachterglied 56 in der fehlenden Rückwirkung der Bewegung des Magnetankers besteht, bildet nun die erste elektrische Korrekturgröße u_korr genau diese Rückwirkung nach, wobei diese Rückwirkung eine Proportionalität zur Geschwindigkeit des Magnetankers aufweist. Daher kann durch eine Integration der ersten elektrischen Korrekturgröße u_korr der Verlauf der Bewegung des Magnetankers rekonstruiert werden. Da der Hub einer Ventilnadel der Einspritzventile 18a-d im geöffneten Zustand, mindestens jedoch während des Schließvorgangs der Ventilnadel, bis zum Auftreffen auf einem Ventilsitz gleich dem des Magnetankers ist, kann mit dem oben vorgestellten Verfahren der Verlauf des Hubs der Ventilnadel ermittelt werden. Sind jedoch die Hubverläufe der Ventilnadeln der einzelnen Einspritzventile 18a bis 18d bekannt, ist eine Gleichstellung bestimmter Parameter der Einspritzventile 18a bis 18d durch Anpassung der entsprechenden Ansteuerzeiten möglich. Dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 5 bis 8 erläutert:
In 5 ist im oberen Diagramm ein Ansteuerstrom i für die Einspritzventile 18a bis 18c über der Zeit aufgetragen. Dieser Ansteuerstrom i ist für alle drei Einspritzventile 18a bis 18c identisch, die entsprechende Kurve ist in 6 mit 64 bezeichnet. Im unteren Diagramm von 6 sind die sich aus dem Ansteuerstrom ergebenden Hubverläufe der drei Einspritzventile 18a bis 18c aufgetragen, was zu entsprechenden Kurven 66a bis 66c führt. Die Kurve 66a des Einspritzventils 18a kann als Basiskurve bezeichnet werden für ein normales Verhalten. Die Kurve 66b des Einspritzventils 18b zeigt, dass dieses Einspritzventil 18b eine sogenannte reduzierte Öffnungstotzeit aufweist. Die Kurve 66c des Einspritzventils 18c zeigt, dass dieses Einspritzventil 18c eine reduzierte Öffnungstotzeit und zusätzlich eine erhöhte Öffnungsgeschwindigkeit aufweist. Man erkennt sofort, dass ohne Gleichstellungsmaßnahmen sich unterschiedliche Endzeitpunkte der Kraftstoffeinspritzung und unterschiedliche Einspritzmengen ergeben.
Dadurch, dass durch das oben im Zusammenhang mit 4 erläuterte Verfahren die tatsächlichen Hubverläufe der Ventilnadeln der Einspritzventile 18a bis 18d bekannt sind, kann nun eine Gleichstellung bestimmter Parameter erfolgen. Wie aus 6 hervorgeht, können beispielsweise durch Ändern des Ansteuerstroms (Kurven 64a bis 64c) im oberen Diagramm von 6 die Zeiträume vom Beginn der Ansteuerung bis zum Schließen aller Einspritzventile gleichgestellt werden. Diese Zeiträume sind in 6 mit 68 bezeichnet.
Alternativ hierzu können, wie aus 7 hervorgeht, die Zeitpunkte eines Hubmaximums gleichgestellt werden, welche in 7 im unteren Diagramm mit 70 bezeichnet sind. Nochmals alternativ hierzu können, wie aus 8 hervorgeht, die Schließzeiten, also die Zeiträume vom Hubmaximum bis zum Schließen der Einspritzventile 18a bis 18c gleichgestellt werden. Diese sind in 8 mit 72 bezeichnet.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), bei dem der Kraftstoff mittels eines eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung umfassenden Einspritzventils (18) in einen Brennraum (20) gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass a. eine erfasste erste elektrische Größe eines Magnetkreises der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung einem Beobachterglied (56), das den Magnetkreis ohne Berücksichtigung der Rückwirkung einer Ankerbewegung auf elektrische Größen des Magnetkreises nachbildet, zugeführt wird, wobei das Beobachterglied (56) eine beobachtete zweite elektrische Größe des Magnetkreises ermittelt, b. dass die Differenz zwischen der beobachteten zweiten elektrischen Größe und einer erfassten zweiten elektrischen Größe gebildet wird, und c. dass die Differenz einem Rückkoppelglied (60) zugeführt wird, welches eine erste elektrische Korrekturgröße ermittelt, die zu der erfassten ersten elektrischen Größe addiert wird, derart, dass die Differenz zwischen der beobachteten zweiten elektrischen Größe und der erfassten zweiten elektrischen Größe betragsmäßig minimal wird, der Verlauf der ersten elektrischen Korrekturgröße aufsummiert wird, und als eine die Ankerbewegung charakterisierende Größe ein Hubverlauf aus der aufsummierten ersten elektrischen Korrekturgröße ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Größe eine Spannung und die zweite elektrische Größe ein Strom ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückkoppelglied (60) ein Proportionalglied, ein PI-Glied oder ein Rückkoppelglied höherer Ordnung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Beobachterglied (56) ein Wirbelstrompfad des Magnetkreises nachgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Brennkraftmaschine (10) mit mehreren Einspritzventilen (18a bis 18d) mittels der ermittelten die Ankerbewegung charakterisierenden Größen die Zeitpunkte eines Hubmaximums gleichgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Brennkraftmaschine (10) mit mehreren Einspritzventilen (18a bis 18d) mittels der ermittelten die Ankerbewegungen charakterisierenden Größen die Zeiträume vom Beginn einer Ansteuerung bis zum Schließen der Einspritzventile gleichgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Brennkraftmaschine (10) mit mehreren Einspritzventilen (18a bis 18d) mittels der ermittelten die Ankerbewegungen charakterisierenden Größen die Zeiträume vom Hubmaximum bis zum Schließen der Einspritzventile gleichgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Brennkraftmaschine (10) mit mehreren Einspritzventilen (18a bis 18d) mittels der ermittelten die Ankerbewegungen charakterisierenden Größen die Einspritzmengen der Einspritzventile gleichgestellt werden.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
Elektrisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (22) einer Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 8 abgespeichert ist.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (22) für eine Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 programmiert ist.