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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Injektors
in einer Kraftstoffeinspritzanlage in einer Brennkraftmaschine,
wobei die Kraftstoffeinspritzanlage eine Mehrzahl von Injektoren umfasst
und wobei eine mittels eines Injektors eingespritzte Kraftstoffmenge
von der Ansteuerdauer des Injektors abhängt.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Steuerung/Regelung einer
Kraftstoffeinspritzung in einer Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine
eine Kraftstoffeinspritzanlage und die Kraftstoffeinspritzanlage
eine Mehrzahl von Injektoren umfasst und wobei eine mittels eines
Injektors eingespritzte Kraftstoffmenge von der Ansteuerdauer des
Injektors abhängt.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm, das auf einem Rechengerät, insbesondere
auf einem Steuergerät
zur Steuerung/Regelung der Kraftstoffeinspritzung in einer Brennkraftmaschine
ablauffähig
ist.
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Kraftstoffeinspritzeinlagen
ermöglichen
die Zumessung des für
eine Verbrennung in einer Brennkraftmaschine benötigten Kraftstoffs mittels
einer oder mehrerer Injektoren. Bei der Benzin-Direkteinspritzung
und der Common-Rail-Einspritzung wird der Kraftstoff direkt in den
Brennraum eingespritzt. Für
die Verbrennungsqualität
und damit den Verbrauch sowie das Abgasverhalten der Brennkraftmaschine
ist die zugemessene Kraftstoffmenge von entscheidender Bedeutung.
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Die
zugemessene Kraftstoffmenge wird jedoch durch Eigenschaften des
Injektors selbst beeinflusst. Aufgrund von Exemplarstreuungen, die
bei den innerhalb einer Brennkraftmaschine verwendeten Injektoren
auftreten, ist die von diesen Injektoren zugemessen Kraftstoffmenge
meist unterschiedlich, was eine verminderte Verbrennungsqualität mit sich bringen.
Insbesondere im sogenannten Kleinmengenbereich wirkt sich eine relative
Exemplarstreuung der Injektoren besonders aus, da der Injektor im
Teilhub, d. h. ohne Erreichen des oberen Anschlags betrieben wird.
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Bisherige
Maßnahmen,
die eine Kompensation der durch die Exemplarstreuung beeinflussten Kraftstoffmenge
zum Ziel haben, basieren auf dem Vorsteuerungsprinzip, das auf alle
in der Brennkraftmaschine vorhandenen Injektoren einheitlich angewendet
wird. Hierzu wird die Ansteuerdauer aus der vom Motormanagement
angeforderten Kraftstoffmenge berechnet und – unter Berücksichtigung der Vorsteuerung – innerhalb
der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit
von der zuzumessenden Kraftstoffmenge angesteuert.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Verbrennungsqualität in einer Brennkraftmaschine
zu verbessern und insbesondere die Genauigkeit der zugemessenen
Kraftstoffmenge zu erhöhen.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1, 7
und 9 gelöst.
Weitere Vorteile sind in den abhängigen
Patentansprüchen
genannt.
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Erfindungsgemäß wird für mindestens
einen Injektor eine individuelle Ansteuerdauer in Abhängigkeit
von einer Schließdauer
dieses Injektors, vorzugsweise im Vollhub ermittelt. Die Ansteuerung
für diesen
Injektor erfolgt in Abhängigkeit
von der ermittelten individuellen Ansteuerdauer. Es wird also eine injektorindividuelle
Ansteuerung bereitgestellt, die es ermöglicht, Unterschiede in der
Kraftstoffmenge, die von verschiedenen Injektoren zugemessen wird,
zu reduzieren, auch wenn die Injektoren im Teilhub betrieben werden.
Damit wird erreicht, dass negative Einflüsse von Exemplarstreuungen
der Injektoren reduziert werden und somit eine optimierte Verbrennung
erzielt wird.
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Erfindungsgemäß werden
sowohl injektorindividuell langfristige Driften der Kraftstoffeinspritzmenge
kompensiert als auch toleranzbedingte Unterschiede.
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Der
Erfindung liegt die Beobachtung zugrunde, dass die Nadelhubverläufe und
somit die eingespritzten Kraftstoffmengen im Teilhubbetrieb in einem Zusammenhang
mit der Schließdauer
der Injektoren im Vollhubbetrieb stehen. Eine Betrachtung der sogenannten
Durchfluss-Ansteuerdauer-Kennlinie einzelner Injektoren zeigt ein
individuelles Verhalten bezüglich
der Steigungen der Kennlinien. Grund hierfür sind unterschiedliche Kräftebilanzen
innerhalb der einzelnen Injektoren, die beispielsweise von unterschiedlicher
Schließfederkraft,
Reibung, hydraulischer Schließkräfte oder
Magnetkräfte
herrühren.
Es wurde beobachtet, dass die Steigung der Kennlinien proportional
ist zur Schließdauer
der Injektoren.
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Erfindungsgemäß wird folglich
die Ansteuerdauer in Abhängigkeit
von der Schließdauer
individuell für
jeden Injektor ermittelt, wobei die Schließdauer bevorzugt während des
Betriebs der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Damit ist eine besonders
rasche und kontinuierliche Anpassung möglich. Die Schließdauer kann
durch verschiedene Verfahren ermittelt werden.
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Vorzugsweise
wird zunächst
eine mittlere Ansteuerdauer aus einem Kennfeld in einem Steuergerät, das für die Steuerung
und/oder Regelung der Kraftstoffeinspritzanlage vorgesehen ist,
in Abhängigkeit
von einer vorgegebenen Kraftstoffmenge und gegebenenfalls von einem
in einem so genannten Rail herrschenden Druck bestimmt. Die so ermittelte mittlere
Ansteuerdauer wird mittels eines injektorindividuellen Faktors korrigiert,
wobei der injektorindividuelle Faktor aus dem Quotient der injektorindividuellen
Schließdauer
und einem in dem Steuergerät hinterlegten
Mittelwert der Schließdauer
gebildet wird. Der Mittelwert selbst wird von den Schließdauern
einer statistisch relevanten Anzahl von Injektoren gebildet. Diese
können
beispielsweise die in der Brennkraftmaschine vorhandene Injektoren
sein. Der Einfluss des Quotienten auf die Ansteuerdauer wird dann
mittels eines Verstärkungsfaktors
berücksichtigt.
Der Einsatz des Verstärkungsfaktors
ist vorteilhaft, da die Zumessung der Kraftstoffmenge durch den
Injektor nicht konstant bezüglich
der Ansteuerzeit ist.
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Von
besonderer Bedeutung ist die Realisierung der Erfindung in Form
eines Computerprogramms, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Steuergerät zur Steuerung
und/oder Regelung der Kraftstoffeinspritzung in einer Brennkraftmaschine,
ablauffähig
ist, wobei das Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
programmiert ist. Das Computerprogramm ist vorzugsweise auf einem
elektronischen oder optischen Speichermedium abgespeichert.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
verschiedene Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und
die in der Beschreibung genannten Merkmale einzeln für sich oder
in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es
zeigen:
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1 eine
stark schematisierte Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer
Kraftstoffeinspritzanlage und einer Mehrzahl erfindungsgemäß betriebener
Injektoren,
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2a eine
schematische Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform
eines Injektors in einem geschlossenen Betriebzustand,
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2b eine
schematische Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform
eines Injektors in einem geöffneten
Betriebzustand,
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3 eine
schematisierte Darstellung des Takt- und Nadelhubverlaufs eines
Injektors im Teilhubbetrieb,
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4 ein
Beispiel für
Ansteuerkennlinien unterschiedlicher Injektoren im Teilhubbereich,
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5 ein
Blockschaltbild einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
und
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6 ein
schematisiertes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist
eine Brennkraftmaschine 10 dargestellt, die einen Kraftstoffvorratsbehälter 12 umfasst,
aus dem mittels eines Fördersystems 14 Kraftstoff
in eine Kraftstoffhochdruckleitung 16 gefördert wird.
Die Hochdruckleitung 16 ist beispielsweise als Common-Rail
ausgebildet. Die Hochdruckleitung 16 ist mit Injektoren 18 verbunden,
die es ermöglichen, Kraftstoff
direkt in den Injektoren 18 jeweils zugeordneten Brennräumen 20 einzuspritzen.
Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 und insbesondere
der Kraftstoffeinspritzanlage, die beispielsweise durch das Fördersystem 14,
die Hochdruckleitung 16 und die Injektoren 18 gebildet
ist, wird von einer Steuer- und
Regeleinrichtung, beispielsweise einem Steuergerät 22, gesteuert bzw.
geregelt. Das Steuergerät 22 ermöglicht die
Erfassung von Eingabewerten und die Bereitstellung von Ausgabewerten
bzw. die Ansteuerung von Aktoren, insbesondere die Ansteuerung der
Injektoren 18.
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In 2 ist schematisch ein in 1 gezeigter
Injektor 18 vergrößert dargestellt.
Der Injektor 18 weist einen elektromagnetischen Aktor auf,
der eine Magnetspule 26 und einen mit der Magnetspule 26 zusammenwirkenden
Magnetanker 30 besitzt. Der Magnetanker 30 ist
so mit einer Ventilnadel 28 verbunden, dass er bezogen
auf eine in 2 vertikale Bewegungsrichtung
der Ventilnadel 28 bewegbar ist. Eine Ventilfeder 36 übt eine
Federkraft auf die Ventilnadel 28 aus, so dass diese in
einem Ventilsitz 38 gehalten wird.
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Eine
Ansteuerung des Injektors 18 durch das Steuergerät 22 bewirkt
eine Bestromung der Magnetspule 26, wodurch sich der Magnetanker 30 nach oben
bewegt, so dass er unter Eingreifen in einen Anschlag 32 die
Ventilnadel 28 gegen die Federkraft aus ihrem Ventilsitz 38 herausbewegt.
Diese Situation ist in 2b gezeigt. Dort kann nun Kraftstoff 42 von
dem Injektor 18 in den Brennraum 20 eingespritzt werden.
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In 3 ist
beispielhaft ein vereinfachter Takt- und Nadelhubverlauf 44 eines
Injektors 18 im Teilhubbetrieb dargestellt. In einem Zeitpunkt
T0 erfolgt eine Ansteuerung des Injektors 18 mittels eines sogenannten
Taktsignals 46 durch das Steuergerät 22. Mit einer als
Abhebeverzögerung 48 bezeichneten
zeitlichen Verzögerung
erfolgt erst in dem Zeitpunkt T1 das Öffnen des Injektors 18.
In einem Zeitpunkt T2 wird die Ansteuerung des Injektors 18 mittels
des Taktsignals 46 beendet und in einem Zeitpunkt T3 ist
der Injektor 18 wieder geschlossen. Der Zeitraum zwischen
den Zeitpunkten T0 und T2 wird als Ansteuerdauer 50 und
der Zeitraum zwischen den Zeitpunkten T2 und T3 als Schließdauer 52 bezeichnet.
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In 4 sind
beispielhaft drei Durchfluss-Ansteuer-Kennlinien 60, 61 und 62 unterschiedlicher
Injektoren 18 dargestellt. Die horizontale Achse zeigt
eine beispielhafte Ansteuerdauer in Millisekunden. Die Kennlinien 60, 61 und 62 weisen
voneinander abweichende Steigungen auf. Die jeweilige Abweichung
hat ihre Ursache in unterschiedlichen Kräftebilanzen innerhalb der einzelnen
Injektoren 18. Diese Unterschiede oder Exemplarstreuungen
beruhen beispielsweise auf unterschiedlichen Federkräften, unterschiedlichen
Reibungen, unterschiedlichen hydraulischen Schließkräften oder
unterschiedlichen Magnetkräften.
Grundsätzlich
werden die Schließdauer 52 eines
Injektors 18 und die Steigung der Kennlinie 60, 61, 62 eines
Injektors 18 vorwiegend durch die Härte der Ventilfeder 36 des
Injektors 18 beeinflusst. Weist ein Injektor 18 eine
härtere
Ventilfeder 36 auf, so ist die Steigung der Kennlinie flacher, da
dieser Injektor 18 einen höheren Widerstand beim Abheben
der Nadel 28 überwinden
muss. In diesem Fall ist auch die Schließdauer 52 kürzer, da
die durch die härtere
Ventilfeder 36 bereitgestellte Schließkraft höher ist.
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Aus
der Ermittlung der injektorindividuellen Schließdauer 52 kann folglich
eine injektorindividuelle Ansteuerdauer 74 ermittelt werden.
Hierzu wird zunächst
die Schließdauer 52 eines
Injektors 18 bestimmt. Vorzugsweise wird jedoch die Abweichung der
Schließdauer 52 von
dem Mittelwert einer statistisch relevanten Anzahl von Injektoren 18 bestimmt, wobei
der Mittelwert aus den Schließdauern 52 einer Mehrzahl
von Injektoren 18 gebildet ist. Die Injektoren 18 können beispielsweise
die in der Brennkraftmaschine 10 vorhandenen Injektoren 18 sein.
Es ist auch möglich,
einen Mittelwert aus einer bestimmten Charge von Injektoren 18 zu
ermitteln und die Schließdauern 52 bezüglich dieses
Mittelwerts anzugeben. Auch andere Bezugsgrößen sind vorstellbar. Relevant
ist vorliegend zunächst,
dass für
jeden Injektor 18 eine Größe ermittelt wird, die eine
Aussage über
dessen individuelle Schließdauer 52 zulässt.
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Die
Ermittlung der injektorindividuellen Ansteuerdauer erfolgt vorzugsweise
durch eine Berechnung in dem Steuergerät 22. Ist dort die
Schließdauer 52 eines
Injektors 18 bzw. deren Abweichung von dem Mittelwert einer
statistisch relevanten Anzahl von Injektoren 18 bekannt,
so kann daraus die Menge bzw. Mengenabweichung des durch diesen
Injektor 18 zugemessenen Kraftstoffs 42 vom Mittelwert des
Kraftstoffs bestimmt werden, der als Mittelwert über die statistisch relevante
Anzahl von Injektoren 18 bestimmt ist. Durch eine Anpassung
der Ansteuerdauer 48 kann die Kraftstoffmenge, die mit
diesem Injektor 18 zugemessen werden soll, auf den gemeinsamen
Mittelwert eingestellt werden. Dies bedeutet, dass die Kraftstoffmengenabweichung
dieses Injektors 18 auf Null geregelt werden kann. Die
Abweichung der Schließdauer 52 bzw.
die Abweichung der Steigungen der Kennlinien einzelner Injektoren 18 wird
somit erfindungsgemäß ausgewertet,
um gleichsam eine injektorindividuelle Steigungskorrektur der jeweiligen
Kennlinie herbeizuführen.
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In
dem in 5 dargestellten Blockschaltbild ist ein Beispiel
eines erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens
dargestellt, das es ermöglicht,
die Kraftstoffeinspritzmengenabweichung der Injektoren 18 zu
reduzieren. Hierbei wird die Ansteuerdauer 50 in bekannter
Weise aus einem Kennfeld 64 in Abhängigkeit von einer Kraftstoffmengenvorgabe 66 und
einem Druck in der Hochdruckleitung 16, dem sogenannten
Raildruck 68, bestimmt.
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Die
injektorindividuelle Schließdauer
kann durch verschiedene Verfahren ermittelt werden. Es wird dann
der Quotient 72 aus der Schließdauer 52 und einem
Mittelwert 70 bestimmt, wobei der Mittelwert 70 einen
Mittelwert der Schließdauern
einer statistisch relevanten Anzahl von Injektoren 18 beschreibt.
Der injektorindividuelle Quotient 72 wird mit einem Verstärkungsfaktor
k beaufschlagt und ermöglicht
so die Ermittlung eines Korrekturwerts durch Multiplikation der
Ansteuerdauer 50 und der mittels des Verstärkungsfaktors
k korrigierten injektorindividuellen Quotienten 72. Somit
wird eine injektorindividuelle Ansteuerdauer 74 bestimmt,
mittels der eine injektorindividuelle Ansteuerung möglich ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
bzw. mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtungen
wird erreicht, dass die Streuung bezüglich der Kraftstoffmenge,
die durch verschiedene Injektoren 18 in die Brennräume 20 eingespritzt
werden, deutlich reduziert wird, was wiederum eine signifikante
Verbesserung der Verbrennungsqualität ermöglicht.
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In 6 ist
ein stark schematisiertes Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens
gezeigt. Die einzelnen Schritte des Verfahrens orientieren sich
beispielsweise an dem in 5 dargestellten Blockschaltbild.
In einem Schritt 100 wird aus dem Kennfeld 64 in
Abhängigkeit
von einer Mengenvorgabe 66 und einem Raildruck 68 die
Ansteuerdauer 50 ermittelt.
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In
einem Schritt 110 wird aus einer bereitgestellten injektorindividuellen
Schließdauer 52 und
einem beispielsweise in einem Speicherbereich des Steuergeräts 22 abgelegten
Mittelwert 70 einer statistisch relevanten Anzahl von Injektoren
der Quotient 72 gebildet. Gemäß einer Ausführungsform
wird der Quotient 72 mittels des Verstärkungsfaktors k zu einem Faktor
multipliziert, der dann in einem Schritt 120 für eine Korrektur
der Ansteuerdauer 50 herangezogen wird, in dem der Faktor
mit der Ansteuerdauer 50 multipliziert wird, woraus die
injektorindividuelle Ansteuerdauer 74 resultiert.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
wird der Verstärkungsfaktor
k erst in dem Schritt 120 berücksichtigt, in welchem die
Bestimmung der injektorindividuellen Ansteuerdauer 74 dadurch
erfolgt, dass die in dem Schritt 110 ermittelte Ansteuerdauer 50 mit
dem Quotienten 72 unter Berücksichtigung des Verstärkungsfaktors
k beispielsweise durch Multiplikation verknüpft wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird vorzugsweise fortlaufend während
des Betriebs der Brennkraftmaschine durchgeführt. Dadurch ist eine besonders
sensible Korrektur der Ansteuerzeit bzw. Ermittlung der injektorindividuellen
Ansteuerzeiten möglich,
wodurch auch Alterungseffekte der Injektoren 18 berücksichtigt
werden können.