DE102009047830B4 - Verfahren zum Steuern der Impulsbreite eines Kraftstoffeinspritzventils in einem Motor mit Kompressionszündung - Google Patents

Verfahren zum Steuern der Impulsbreite eines Kraftstoffeinspritzventils in einem Motor mit Kompressionszündung Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung, Kompressionszündung und mehreren Zylindern, das umfasst, dass: der Motor unter einer vorbestimmten Bedingung betrieben wird, die einen Kraftstoffabsperrmodus umfasst; ein Kraftstoffdruck auf ein vorbestimmtes Druckniveau geregelt wird; ein Kraftstoffeinspritzventil für einen ersten Zylinder bei jedem Einspritzereignis mit Impulsbreiten betätigt wird, die von einer minimalen Nennimpulsbreite aus monoton inkrementiert werden, und ein Verbrennungsparameter in dem ersten Zylinder überwacht wird; ein Grundlinienzustand des Verbrennungsparameters durch Beseitigung von Gemeinsamkeiten auf der Grundlage eines Vergleichs eines Zustands des Verbrennungsparameters in dem ersten Zylinder während eines Zyklus mit Einspritzung und eines Zustands des Verbrennungsparameters in einem zweiten Zylinder während eines Zyklus ohne Einspritzung bestimmt wird; eine wahrnehmbare Veränderung beim Grundlinienzustand des Verbrennungsparameters in dem ersten Zylinder detektiert wird und eine zugehörige Impulsbreite bestimmt wird; und die minimale Nennimpulsbreite auf die Impulsbreite eingestellt wird, die der wahrnehmbaren Veränderung beim Grundlinienzustand des Verbrennungsparameters in dem ersten Zylinder entspricht.

Description

  • Diese Anmeldung betrifft eine Prozedur, welche ein Steuern und Ausgleichen von Kraftstoffeinspritzventilen in Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung und Kompressionszündung, die Hochdruckkraftstoffeinspritzsysteme mit gemeinsamer Kraftstoffleitung verwenden, einbezieht.
  • Die elektronische Kraftstoffeinspritzung ist das primäre Kraftstoffverteilungsverfahren bei Verbrennungsmotoren mit Kompressionszündung und Funkenzündung. Ein Kraftstoffeinspritzventil ist eine durch ein Solenoid betätigte oder piezoelektrische Ventileinrichtung, die an einem Motor montiert ist und so positioniert ist, dass sie druckbeaufschlagten Kraftstoff an einen Brennraum eines Motorzylinders liefert. Jedes Einspritzventil wird vorzugsweise bei jedem Verbrennungszyklus eine Zeitspanne oder eine Impulsbreite lang erregt, die auf der Grundlage von vorkalibrierten Parametern für Motorbetriebsbedingungen bestimmt wird. Bei jedem Verbrennungszyklus können für jeden Zylinder mehrere Kraftstoffeinspritzereignisse auftreten, welche ein Hauptkraftstoffeinspritzereignis, dem ein Piloteinspritzereignis vorausgeht, umfassen, um die Verbrennung zu stabilisieren, Verbrennungsgeräusche zu minimieren und die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen.
  • Eine Kraftstoffmasse der Piloteinspritzung ist klein im Verhältnis zu der Masse des Kraftstoffs, die für das Hauptkraftstoffeinspritzereignis dosiert ist. Für das Kraftstoffeinspritzsystem kann es schwierig sein, die Kraftstoffmasse der Piloteinspritzung präzise und konsistent zu liefern. Ein Einspritzen einer Kraftstoffmasse, die zu klein ist, scheitert beim Einleiten eines Piloteinspritzereignisses, was zu einem fehlenden Pilotverbrennungsereignis führt. Ein fehlendes Piloteinspritzereignis kann zu einem erhöhten Verbrennungsgeräusch und zu einer Verschlechterung des Emissionsverhaltens führen. Um ein fehlendes Piloteinspritzereignis zu verhindern, können Motorsteuerungssysteme offline kalibriert werden. Dieser Ansatz kann zu einer Kraftstoffmasse bei einer Piloteinspritzung führen, die größer als eine minimal erforderliche Pilotmasse zum Hervorrufen einer Pilotverbrennung ist.
  • Die DE 2006 021 301 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung, Kompressionszündung und mehreren Zylindern in einem HCCI-Betrieb ohne Kraftstoffabsperrung, bei dem eine Piloteinspritzung zur Kalibrierung eines Einspritzventils verwendet wird. Die Impulsbreite der Piloteinspritzung wird so lange verändert, bis eine minimale Impulsbreite ermittelt ist, die erforderlich ist, um eine Veränderung bei wenigstens einer Betriebskenngröße des Verbrennungsmotors zu bewirken.
  • In der DE 10 2005 001 580 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors offenbart, bei dem eine minimale Piloteinspritzmenge bzw. Impulsbreite bestimmt wird, unterhalb derer sich das Verbrennungsverhalten des bei der Haupteinspritzung eingespritzten Kraftstoffs signifikant verändert.
  • Die DE 698 07 532 T2 offenbart ein Verfahren zur Regelung der Kraftstoffeinspritzung bei Verbrennungsmotoren, das anhand einer Ionisierungsstromdetektion feststellt, ob eine Piloteinspritzung zu einer zuverlässigen Vorverbrennung führt. Wenn dies nicht der Fall ist, wird die Impulsbreite bzw. die Pilotkraftstoffmenge inkrementiert.
  • In der DE 101 59 016 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors offenbart, das eine Impulsbreite einer Piloteinspritzung beginnend bei einem Nullwert solange steigert, bis ein Zündverzug bei dem Brennbeginn einer Haupteinspritzung eine Sättigung erreicht, d. h. sich nicht mehr verändert. Dieser Impulsbreitenwert wird als optimale Impulsdauer verwendet.
  • Die DE 10 2007 013 119 A1 offenbart ein Einspritzverfahren für einen Verbrennungsmotor, bei dem ein während eines Verbrennungsverlaufs erfasster erster Parameter mit einem vorgebbaren zweiten Parameter verglichen wird und anhand einer Abweichung zwischen diesen Parametern eine Anpassung der Einspritzung erfolgt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Kraftstoffmasse einer Piloteinspritzung in einen Verbrennungsmotor schnell und einfach so zu kalibrieren, dass nur eine zum Hervorrufen einer Pilotverbrennung minimal erforderliche Pilotkraftstoffmasse in jeden Zylinder des Verbrennungsmotors eingespritzt wird.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, Kompressionszündung und mehreren Zylindern wird unter einer vorbestimmten Bedingung betrieben. Ein Kraftstoffdruck wird auf ein vorbestimmtes Druckniveau geregelt. Ein Kraftstoffeinspritzventil für einen ersten Zylinder wird während jedes Zylinderereignisses mit Impulsbreiten betätigt, die von einer minimalen Nennimpulsbreite aus eingestellt werden. Ein Verbrennungsparameter für den ersten Zylinder wird überwacht und eine wahrnehmbare Veränderung beim Zustand des Verbrennungsparameters und die zugehörige Impulsbreite werden detektiert. Die minimale Nennimpulsbreite wird auf diejenige Impulsbreite eingestellt, die der wahrnehmbaren Veränderung beim Zustand des Verbrennungsparameters entspricht.
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 1 eine schematische Zeichnung eines beispielhaften Kompressionszündungsmotors mit einem Hochdruckkraftstoffeinspritzsystem mit gemeinsamer Kraftstoffleitung und einer Motorsteuerungsarchitektur gemäß der vorliegenden Anmeldung ist;
  • 2 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zum Anpassen einer minimalen Einspritzventilimpulsbreite zur Zylinderkraftstoffversorgung während eines Kraftstoffabsperrmodus des Motors gemäß der vorliegenden Anmeldung darstellt;
  • 3 und 4 Ergebnisse als Datenkurven zeigen, die den Motor von 1, der gemäß dem Verfahren von 2 gesteuert wird, gemäß der vorliegenden Anmeldung veranschaulichen;
  • 5 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zur Steuerung und zum Ausgleich von Einspritzventilen durch eine Pilotdetektion während eines normalen Motorlaufmodus gemäß der vorliegenden Anmeldung darstellt;
  • 6 und 7 Ergebnisse als Datenkurven zeigen, die den Motor von 1, der gemäß dem Verfahren von 5 gesteuert wird, gemäß der vorliegenden Anmeldung veranschaulichen; und
  • 8 Ergebnisse als Datenkurven zeigt, die den Motor von 1, der gemäß dem Verfahren von 5 gesteuert wird, gemäß der vorliegenden Anmeldung veranschaulichen.
  • Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, in denen das Gezeigte nur zum Zweck der Veranschaulichung einiger beispielhafter Ausführungsformen gedacht ist, stellt 1 einen Verbrennungsmotor 10, ein Hochdruckeinspritzsystem mit gemeinsamer Kraftstoffleitung, und ein Motorsteuerungssystem auf schematische Weise dar, die mit einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung übereinstimmen.
  • Der beispielhafte Motor 10 umfasst einen Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung und Kompressionszündung, der einen Viertaktbetrieb verwendet, wobei jeder Verbrennungszyklus 720 Grad an Winkelrotation einer Kurbelwelle 24 umfasst, die in vier 180-Grad-Stufen des Ansaugens, Komprimierens, Expandierens und Ausstoßens unterteilt sind, welche eine Hin- und Herbewegung eines Kolbens 22 in jedem Motorzylinder 20 beschreiben, die mit einem Motorkopf 14 einen Brennraum 34 mit veränderlichem Volumen bilden. Der Verbrennungszyklus des Motors wird durch ein Hochdruckkraftstoffeinspritzsystem mit gemeinsamer Kraftstoffleitung mit Kraftstoff versorgt. Das Hochdruckkraftstoffeinspritzsystem mit gemeinsamer Kraftstoffleitung umfasst eine Kraftstoffzufuhrpumpe 48, welche Kraftstoff aus einem (nicht gezeigten) Kraftstofftank in eine gemeinsame Kraftstoffleitung 42 einspeist. Ein (nicht gezeigtes) Druckregelventil kann die gemeinsame Kraftstoffleitung 42 eingebaut sein. Ein Steuerungsmodul 5 regelt den Kraftstoffleitungsdruck durch Betätigen der Kraftstoffzufuhrpumpe 48 mit Befehlssignalen („PUMPENSTEUERUNG”) in Ansprechen auf eine Rückmeldung eines Drucksensors 36 innerhalb der Kraftstoffleitung. Von der gemeinsamen Kraftstoffleitung 42 zweigen Kraftstoffleitungen ab und stellen eine Verbindung zu mehreren einzelnen Zylinderkraftstoffeinspritzventilen her, von denen eines als Einspritzventil 12 gezeigt ist.
  • Das Einspritzventil 12 umfasst vorzugsweise ein durch einen Solenoid betätigtes Ventil, das Kraftstoff durch eine Hochdruckdüse in den Zylinder 20 liefert. Die eingespritzte Kraftstoffmenge ist zu der Zeitspanne, während der der Solenoid erregt wird, innerhalb eines linearen Bereichs des Einspritzventils direkt proportional. Die Erregungszeit des Einspritzventils wird häufig als eine Einspritzventilimpulsbreite bezeichnet, die in Millisekunden gemessen werden kann. Ein Piloteinspritzereignis kann auftreten, wenn das Steuerungsmodul 5 das Einspritzventil 12 betätigt, um Kraftstoff vor einem Haupteinspritzereignis an den Brennraum 34 zu liefern. Ein bevorzugtes Piloteinspritzereignis umfasst, dass das Einspritzventil 12 eine minimale effektive Impulsbreite lang betätigt wird, um eine minimale Kraftstoffmasse an den Brennraum 34 zu liefern, die zum Einleiten eines vorbereitenden Verbrennungsereignisses ausreicht. Die minimale effektive Impulsbreite wird als eine minimale Nennimpulsbreite bezeichnet. Minimale Nennimpulsbreiten können in Offline-Berechnungen für Motorbetriebsbedingungsbereiche bestimmt und in Nachschlagetabellen in (nicht separat gezeigten) Speichereinrichtungen innerhalb des Steuerungsmoduls 5 gespeichert werden. Die Nachschlagetabellen werden hier alle zusammen als ein Einspritzventilkennfeld bezeichnet. Während eines Motorbetriebs wählt das Steuerungsmodul 5 die minimale Nennimpulsbreite aus dem Einspritzventilkennfeld auf der Grundlage der Motorbetriebsbedingungen, um das Einspritzventil 12 zu erregen. Berechnungen der minimalen Nennimpulsbreite berücksichtigen ein Feld von Faktoren, sodass das Steuerungsmodul 5 auf Motorbetriebsbedingungen auf effektive Weise reagieren kann. Die bei der Bestimmung der minimalen Nennimpulsbreite in Betracht gezogenen Motorbetriebsbedingungen umfassen vorzugsweise eine Luftmasse, die in den Motor 10 eintritt, eine Sauerstoffmenge im Abgas, die Drehmomentanforderung eines Bedieners, eine Kühlmitteltemperatur, eine Umgebungstemperatur, eine Steuerungssystemspannung, einen Krümmerdruck, und eine Motordrehzahl.
  • Die sich hin- und herbewegenden Kolben 22 sind an der Kurbelwelle 24 angebracht, welche an einem Fahrzeuggetriebe und einem Antriebsstrang (nicht gezeigt) angebracht sein kann, um Antriebsdrehmoment dorthin zu übertragen. Während eines fortlaufenden Betriebs des Motors 10 tritt ein Verbrennungsereignis während jedes Motorzyklus auf, wenn während des Verdichtungshubs Kraftstoff in den Brennraum 34 eingespritzt wird, was zu einer Zündung des eingespritzten Kraftstoffs führt.
  • In Zylindern verbrannte Gase werden aufgrund einer Verbrennung des Kraftstoff- und Luftgemisches erzeugt, welche zu Abgasen werden, wenn sie mit einem Öffnen von Motorauslassventilen (nicht separat bezeichnet) aus dem Brennraum 34 herausgeleitet werden. Der Motor 10 umfasst Erfassungseinrichtungen, um den Motorbetrieb zu überwachen, und Stellglieder, welche den Motorbetrieb steuern. Die Erfassungseinrichtungen und Stellglieder sind mit dem Steuerungsmodul 5 signaltechnisch und funktional verbunden. Die Erfassungseinrichtungen sind an oder in der Nähe des Motors 10 installiert, um physikalische Kennlinien zu überwachen und Signale zu erzeugen, die mit Motor- und Umgebungsparametern korrelierbar sind. Die Erfassungseinrichtungen umfassen vorzugsweise einen Kurbelsensor 44 zum Überwachen einer Kurbelwellendrehzahl, einen Krümmerdrucksensor 28 zum Überwachen eines Krümmerdrucks und eines Umgebungsdrucks, einen Luftmassenstromsensor 26 zum Überwachen einer Strömung einer Ansaugluftmasse und einer Ansauglufttemperatur, einen Abgassensor 16 und einen Zylindersensor 30 zum Überwachen des Zustands eines Verbrennungsparameters für jeden Zylinder 20. In der Praxis kann der Zylindersensor 30 einen Druck, eine Temperatur oder eine Ionisation in jedem Zylinder 20 während der Verbrennung überwachen. Jede der Erfassungseinrichtungen ist mit dem Steuerungsmodul 5 signaltechnisch verbunden, um Signalinformationen bereitzustellen, welche von dem Steuerungsmodul 5 in Informationen umgeformt werden, die den jeweiligen überwachten Verbrennungsparameter darstellen. Motorstellglieder können eine elektronisch gesteuerte Drosselklappeneinrichtung 25 umfassen, die zum Steuern eines Ansaugluftstroms an den Motor 10 dient. Es versteht sich, dass diese Konfiguration zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung dient, was umfasst, dass die verschiedenen Erfassungseinrichtungen durch funktional äquivalente Einrichtungen und Algorithmen ersetzt werden können.
  • Verschiedene Verbrennungsparameter können von Motorerfassungseinrichtungen überwacht werden, um den Beginn einer Verbrennung zu detektieren, der zum Detektieren eines vorbereitenden Verbrennungsereignisses oder einer Pilotverbrennung verwendet werden kann, das bzw. die einem Piloteinspritzereignis zugeordnet sein kann. Verbrennungsparameter können einen Druck im Zylinder, während einer Verbrennung freigesetzte Wärme, eine Flammenionisierung und eine Kurbelwellendrehzahl umfassen. Wenn zu wenig Kraftstoff eingespritzt wird, tritt keine Pilotverbrennung auf und der Verbrennungsparameter reagiert auf eine unterdrückte, nichtlineare und inkonsistente Weise. Dieser Zylinderbetriebszustand wird als eine ”Totzone” betrachtet, bei der, wenn überhaupt, nur wenig Arbeit verrichtet wird und die Kraftstoffeffizienz niedrig ist. Wenn eine für die Motorbetriebsbedingungen, d. h. für den Kraftstoffleitungsdruck, die Bedienerdrehmomentanforderung, die Umgebungstemperatur und die Motordrehzahl ausreichende Kraftstoffmasse eingespritzt wird, wird eine wahrnehmbare Veränderung beim Zustand des Verbrennungsparameters auftreten. Der überwachte Verbrennungsparameter reagiert unmittelbar auf eine Weise, die für den Beginn einer Verbrennung charakteristisch ist. Eine charakteristisch reagierende Verbrennung, die einer wahrnehmbaren Veränderung beim Zustand des Verbrennungsparameters entspricht, umfasst eine erhöhte Arbeitsausgabe aus dem Motor 10, eine definierte lineare Beziehung zwischen dem Verbrennungsparameter und der Zeit und eine vorhersagbare wiederholbare Verbrennungsantwort. 3 zeigt einen gemessenen angezeigten mittleren Effektivdruck (nachstehend ”IMEP”) mit zunehmender Pilotkraftstoffmenge in mm3 über die Zeit in Sekunden. Diese graphische Darstellung zeigt, wie der IMEP als ein überwachter Verbrennungsparameter verwendet werden kann. Es gibt eine nichtlineare ”Totzone” in einem Zylinder, wenn eine erfolgreiche Verbrennung fehlt. Wenn die Pilotkraftstoffmenge zunimmt, kann ein Verbrennungsbeginn wahrgenommen werden, wenn eine ausreichende Kraftstoffmasse in den Zylinder 20 eingespritzt wird, was in diesem Fall bei der Marke 27 Sekunden auftrat. 4 zeigt andere Druckparameter, die sich ähnlich verhalten. Es ist ein Verbrennungsparameter gezeigt, der eine maximale Druckanstiegsrate (”DPDTmax”) umfasst, wobei die Pilotkraftstoffmenge in Volumen (mm3) über die Zeit zunimmt, einschließlich eines Identifizierens der Totzone und des linearen Bereichs für den Verbrennungsbeginn. Andere Verbrennungsparameter, die verwendet werden können, umfassen beispielsweise eine Stelle der maximalen Druckanstiegsrate, den Druckverhältnisdifferenzmittelwert und andere auf den Druck im Zylinder bezogene Verbrennungsparameter, die bestimmt werden können, indem Signale analysiert werden, die von dem Verbrennungssensor 30 ausgegeben werden.
  • Vor der Hauptkraftstoffeinspritzung und der anschließenden Verbrennung kann das Einspritzventil 12 das Piloteinspritzereignis ausführen, um den Pilotkraftstoff in den Zylinder 20 hinein zu liefern, um das vorbereitende Verbrennungsereignis oder die Pilotverbrennung während jedes Verbrennungszyklus einzuleiten. Das vorbereitende Verbrennungsereignis verhindert, dass ein Zylinderdruck schnell ansteigt, wenn das Hauptkraftstoffeinspritzereignis auftritt. Die resultierende Reduktion des Druckgradienten sorgt für einen weniger geräuschvollen Verbrennungsprozess. Der Fachmann wird auch erkennen, dass eine zusammenwirkende Kalibrierung der Pilot- und Haupteinspritzereignisse den Zeitpunkt des Haupteinspritzereignisses nach spät verstellen kann, was einen Zylinderdruck und eine Gastemperatur in der Region verringert, in der eine Ausbildungsrate von NOx am höchsten ist, wodurch die Ausbildung von NOx verringert wird.
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm 200 einer ersten Ausführungsform zum Steuern der Impulsbreite eines Einspritzventils und somit der eingespritzten Kraftstoffmenge für jedes Einspritzventil 12 durch Überwachen der Verbrennung, fahrzeugeigene lernende und adaptive Algorithmen und Aktualisieren minimaler Nennimpulsbreitenparameter während eines fortlaufenden Motorbetriebs. Eine Betriebskennlinienkurve wird für jedes Einspritzventil 12 an dem Motor 10 berechnet, welche minimale Nennimpulsbreitenwerte für eine Vielzahl von Motorbetriebsbedingungen umfasst (202). Die berechneten Kennlinienparameter werden in dem Einspritzventilkennfeld gespeichert (204). Dies ist eine intrusive Operation, die ausgeführt wird, während der Motor 10 in einem Schubmodus (overrun mode) arbeitet (206). Ein Schubmodus tritt auf, wenn die Zylinder nicht mit Kraftstoff versorgt werden, um das Fahrzeug anzutreiben, sondern sich in einem Ausrollmodus befinden, wie etwa, wenn man zum Halten verzögert oder wenn man eine Steigung in der Straße hinterrollt. Der Schubmodus wird auch als ein Kraftstoffabsperrmodus oder als DFCO-Modus (für ”Decel Fuel Cut Off” – Kraftstoffabsperren bei Verzögern) bezeichnet. Während dieses Betriebsmodus steuert das Steuerungsmodul 5 die Kraftstoffpumpe 48, um ein vorbestimmtes Druckniveau in der gemeinsamen Kraftstoffleitung 42 einzustellen und beizubehalten. Sobald ein konsistentes Druckniveau erreicht ist (208), wird der minimale Nennimpulsbreitenparameter für den gewählten Kraftstoffleitungsdruck aus dem Einspritzventilkennfeld extrahiert und es wird eine Befehlsimpulsbreite erzeugt, indem die minimale Nennimpulsbreite von ihrem gespeicherten Wert iterativ variiert wird, indem sie entweder leicht über den Nennwert inkrementiert wird oder sie leicht darunter dekrementiert wird (210). Die Befehlsimpulsbreite betätigt jedes Einspritzventil 12 während des Kraftstoffabsperrmodus. Nach der Betätigung jedes Einspritzventils 12 wird der Zustand eines Verbrennungsparameters in dem eingespritzten Zylinder 20 über den Verbrennungssensor 30 überwacht (212), um zu ermitteln, ob die Erregungszeit der Befehlsimpulsbreite eine angemessene Kraftstoffmenge zur Einleitung eines vorbereitenden Verbrennungsereignisses geliefert hat. Wenn eine wahrnehmbare Veränderung bei dem Verbrennungsparameter identifiziert wird, ist ein vorbereitendes Verbrennungsereignis aufgetreten.
  • Wenn keine charakteristische Reaktionsveränderung bei dem Verbrennungsparameter detektiert wird, nachdem das Einspritzventil 12 mit der Befehlsimpulsbreite betätigt wurde (218), dann wird bestimmt, dass kein vorbereitendes Verbrennungsereignis aufgetreten ist. Die minimale Nennimpulsbreite für den eingestellten Kraftstoffleitungsdruck wird wieder Variiert (210) und das Einspritzventil 12 wird mit der neuen Befehlsimpulsbreite auf der Grundlage des variierten Nennwerts betätigt. Der Zustand des Verbrennungsparameters wird wieder überwacht (212), um zu bestimmen, ob ein vorbereitendes Verbrennungsereignis aufgetreten ist. Dieser Prozess des Variierens der minimalen Nennimpulsbreite und der Betätigung des Einspritzventils 12 mit einer Befehlsimpulsbreite während des Kraftstoffabsperrmodus wird als ein Einspritzbefehlsdurchlauf bezeichnet, und er wird wiederholt, bis ein vorbereitendes Verbrennungsereignis durch eine wahrnehmbare Veränderung bei dem überwachten Verbrennungsparameter detektiert wird, d. h. eine charakteristisch reagierende Veränderung bei dem Verbrennungsparameter, die einen Beginn der Verbrennung anzeigt (216). Der Einspritzbefehlsdurchlauf kann umfassen, dass die Befehlsimpulsbreite auf eine anfängliche Impulsbreite eingestellt wird, die kleiner als die minimale Nennimpulsbreite ist, und dass die Befehlsimpulsbreite monoton erhöht wird, während die Verbrennung überwacht wird, um das vorbereitende Verbrennungsereignis zu detektieren, wie in 3, die nachstehend beschrieben ist, gezeigt ist. Die dem vorbereitenden Verbrennungsereignis zugeordnete Befehlsimpulsbreite wird als eine korrigierte minimale Nennimpulsbreite für den eingestellten Kraftstoffleitungsdruck angesehen und die minimale Nennimpulsbreite, die in dem Einspritzventilkennfeld gespeichert ist, wird unter Verwendung der korrigierten minimalen Nennimpulsbreite aktualisiert (220).
  • 3 zeigt die Aufzeichnung einer Pilotkraftstoffmenge in Volumen (mm3) über die Zeit in Sekunden, die mit einer Kurve des angezeigten mittleren Effektivdrucks (IMEP) über die Zeit in Sekunden ausgerichtet ist, und veranschaulicht die Detektion des Beginns einer Verbrennung mit IMEP, welcher zur Detektion des vorbereitenden Verbrennungsereignisses verwendet werden kann. Wie zuvor erörtert entspricht eine charakteristisch reagierende Veränderung beim IMEP einer eingespritzten Kraftstoffmenge von etwa 2,8 mm3 für die gezeigte Ausführungsform, welche in direktem Bezug zu der Einspritzventilerregungszeit, d. h. der Impulsbreite steht. Nach dem Aktualisieren der minimalen Nennimpulsbreite in dem Einspritzventilkennfeld für den eingestellten Kraftstoffleitungsdruck wird die Zufuhrpumpe 48 so gesteuert, dass der Kraftstoffleitungsdruck auf ein anderes vorbestimmtes Niveau eingestellt und aufrecht erhalten wird (208), und der Einspritzventilbefehlsdurchlaufprozess wird wiederholt. Einspritzventilkennfeldparameter werden durch Einspritzventilbefehlsdurchläufe während des Kraftstoffabsperrmodus kontinuierlich aktualisiert. Dieser iterative Adaptionsprozess ist in Gleichung 1 dargestellt: Qk = aQk-1 + (1 – a)uk (1) wobei u der detektierte Parameter ist, z. B. IMEP, Q der gespeicherte Wert ist (Zustand), z. B. die Einspritzventilimpulsbreite, und a die Lernrate ist.
  • Alternativ kann der Beginn der Verbrennung detektiert werden, indem eine Analyse durch Beseitigung von Gemeinsamkeiten (Common Mode Rejection Analysis) zwischen einem Zylinder mit eingespritztem Kraftstoff und einem Zylinder ohne eingespritztem Kraftstoff verwendet wird, wobei der Zylinder ohne eingespritzten Kraftstoff einen Zylinder umfasst, der in einem Kraftstoffabsperrmodus arbeitet, der nicht mit Kraftstoff beaufschlagt wird. Gemeinsame Verbrennungseigenschaften können zwischen eingespritzten und nicht eingespritzten Zylindern identifiziert werden und diese Eigenschaften können aus der Kraftstoffeinspritzanalyse gelöscht werden, um einen Verbrennungszustand im Zylinder auf die Verbrennungseigenschaften der Zylinder zu fokussieren, die über eingespritzten Kraftstoff verfügen. Während des Kraftstoffabsperrmodus wird der Verbrennungsparameter in einem eingespritzten Zylinder und einem nicht eingespritzten Zylinder überwacht. Verbrennungseigenschaften der zwei Zylinder werden verglichen und ein Grundlinienzustand des Verbrennungsparameters wird ermittelt, indem Eigenschaften beseitigt werden, die beiden Zylindern gemeinsam sind (214). Der in dem eingespritzten Zylinder überwachte Verbrennungsparameter wird gegenüber der Verbrennungsparametergrundlinie gemessen. Ein Grundlinienzustand des Verbrennungsparameters kann auch ermittelt werden, indem das Zünden des eingespritzten Zylinders ausgesetzt wird. Das Aussetzen des Zündens umfasst, dass ein Einspritzventil für den eingespritzten Zylinder während sequentieller Zylinderereignisse sequentiell ausgelöst und nicht ausgelöst wird und der Verbrennungsparameter im Zylinder überwacht wird. Ein Delta-Messwert des Verbrennungsparameters kann abgeleitet und ein Grundlinienparameter kann ermittelt werden. Die in 3 gezeigten Ergebnisse zeigen IMEP-Daten für mit Kraftstoff versorgte und nicht mit Kraftstoff versorgte Zylinder, welche die Unterschiede und Gemeinsamkeiten der IMEP-Kennlinien von beiden veranschaulichen.
  • 5 zeigt ein Flussdiagramm 500 einer zweiten Ausführungsform, die eine nicht intrusive Operation zum Detektieren und Steuern von Piloteinspritzereignissen umfasst, während der Motor 10 während eines fortlaufenden Motorbetriebs läuft, wobei die Kraftstoffeinspritzventile 12 zum Zünden der Zylinder 20 verwendet werden. Für viele Motorbetriebsbedingungen werden Motorbetriebskennlinien vorgewählt und Einspritzventilparameter vorkalibriert, die eine minimale Nennimpulsbreite für jedes Einspritzventil 12 und einen Energieschwellenwert (”E-Schwellenwert”) umfassen, von dem erwartet wird, dass er in jedem Zylinder für jede Bedingung auftritt (502). Die Betriebskennlinien des Motors 10 werden in dem Einspritzventilkennfeld gespeichert (504). Der Motor 10 befindet sich in einem fortlaufenden Betriebsmodus (506). Eine erste vorbestimmte Motorbetriebsbedingung für eine Piloteinspritzung wird für einen ersten Zylinder eingeleitet. Das zugehörige Einspritzventil 12 wird mit der vorkalibrierten minimalen Nennimpulsbreite betätigt (508). Ein Verbrennungsparameter wird in dem eingespritzten Zylinder überwacht (510) und wird mit dem zugehörigen vorspezifizierten Energieschwellenwert für diesen Verbrennungsparameter verglichen, der in dem Einspritzventilkennfeld gespeichert ist (512). Wenn die Energiefreisetzung des überwachten Verbrennungsparameters kleiner als die erwartete vorspezifizierte Energiefreisetzung des Verbrennungsparameters ist, dann wird in dem Zylinder eine fehlende Pilotverbrennung detektiert (514). Wenn die Energiefreisetzung des überwachten Verbrennungsparameters größer als die erwartete vorspezifizierte Energiefreisetzung des Verbrennungsparameters ist, dann wird eine Gelegenheit zur Optimierung der minimalen Nennimpulsbreite identifiziert (518). Ein Verfahren, um diesen Vergleich durchzuführen, besteht durch die Analyse des Anteils an verbrannter Masse (nachstehend ”MBF”). Der MBF ist ein Verhältnis von verbranntem zu nicht verbranntem Kraftstoff auf der Grundlage der Kraftstoffmasse. Der MBF wird zeitdiskret über ein Zeitfenster integriert, wobei ein Start und ein Ende des Zeitfensters in Übereinstimmung mit dem Piloteinspritzzeitpunkt und der Piloteinspritzmenge kalibriert werden kann. Die Formel zur Berechnung der Energie (Verbrennungswärme), die von dem vorbereitenden Verbrennungsereignis freigesetzt wird, wird aus dem Zylinderdruck wie in Gleichung (2) berechnet:
    Figure DE102009047830B4_0002
    wobei θ ein Kurbelwinkel ist („CAD”), k ein Kurbelwinkelindex ist, vorzugsweise in Inkrementen von einem Grad, θ1 der Startkurbelwinkel und θ2 der Endkurbelwinkel für das Verbrennungsereignis ist, MBF(θk) der gemessene MBF für den Kurbelwinkel ist und E der durchschnittliche MBF für das vorbereitende Verbrennungsereignis ist. Ein fehlendes Piloteinspritzereignis kann detektiert werden, wenn herausgefunden wird, dass der Beitrag an Wärmefreisetzung des Piloteinspritzereignisses, d. h. E oder Energie, kleiner als der vorspezifizierte Energieschwellenwert ist, d. h. E < E-Schwellenwert. Eine Datenkurve des MBF und des Einspritzventilstroms (A) über den Kurbelwinkel ist in 6 gezeigt und stellt die Auswirkung der Piloteinspritzung auf die Verbrennungswärmefreisetzung dar. Es ist zu beachten, dass nach jedem Piloteinspritzereignis bei etwa 10 Grad vor dem oberen Totpunkt die MBF-Kurve vor dem Hauptverbrennungsereignis reagiert.
  • Ein fehlendes Piloteinspritzereignis kann auch detektiert werden, indem ein Druck in jedem Zylinder 20 überwacht wird (nachstehend ”Delta PR”). Der Ausdruck Druckverhältnis (”PR”) ist ein Verhältnis eines Drucks im Zylinder und eines idealen Drucks im Zylinder beim Fahren. Der Ausdruck Delta PR ist eine Ableitung des PR-Ausdrucks auf der Grundlage des Kurbelwinkels, d. h. eine Änderungsrate des Druckverhältnisausdrucks. 7 zeigt eine Kurve eines Einspritzventilimpulses über Motorkurbelwinkelgrad (nachstehend ”CAD”), die mit einer Kurve von Delta PR über CAD für einen Motor, der mit 1400 U/min, 4 bar BMEP, und einer Pilotkraftstoffmenge Q = 1,5 mm3/Zyklus arbeitet, ausgerichtet ist. Dies veranschaulicht, wie die Piloteinspritzung durch das Auftreten zweier Delta PR Spitzenkomponenten identifiziert werden kann, während ein Zylinder ohne Piloteinspritzung in der Kurve mit einer einzigen Delta PR-Spitzenkomponente erscheint. Ähnliche graphische Ergebnisse zur Detektion einer Pilotverbrennung werden erreicht, indem ein Nettoverbrennungsdruck als der überwachte Verbrennungsparameter gewählt wird. 8 zeigt eine Kurve eines Einspritzventilimpulses, die mit einer Kurve des Nettoverbrennungsdrucks ausgerichtet ist, wobei beide eine Funktion des Motorkurbelwinkels für einen Motor sind, der bei 1400 U/min, 4 bar BMEP, und einer Pilotkraftstoffmenge Q = 1,5 mm3/Zyklus arbeitet. Dies veranschaulicht das Identifizieren der Piloteinspritzung durch das Auftreten von zwei Nettoverbrennungsdruck-Spitzenkomponenten. Ein Zylinder ohne Piloteinspritzung erscheint in der Kurve mit einer einzigen Nettoverbrennungsdruck-Spitzenkomponente. Der Fachmann wird erkennen, dass andere druckbezogene Energiemesswerte, wie etwa eine Wärmefreisetzungsrate (”HRR”) bei der Piloteinspritzungsdetektionsfunktion verwendet werden können.
  • Wenn ein fehlendes Piloteinspritzereignis detektiert wird (516), dann wird die minimale Nennimpulsbreite, die zum Betätigen des Einspritzventils 12 verwendet wurde, inkrementiert und das Einspritzventilkennfeld wird mit dem neuen Impulsbreitenwert aktualisiert (522). Wenn ein Verbrennungsbeginn detektiert wird, der ein Piloteinspritzereignis anzeigt, und der überwachte Verbrennungsparameter anzeigt, dass die Verbrennungswärmefreisetzungsenergie in dem Zylinder 20 größer als der erwartete vorspezifizierte Energieschwellenwert ist (520), dann wird die minimale Nennimpulsbreite dekrementiert und das Einspritzventilkennfeld wird mit dem neuen Impulsbreitenwert aktualisiert (524). Für den Zylinder 20 werden während eines normalen Betriebsmodus kontinuierlich Konsistenzprüfungen ausgeführt, um die minimale Nennimpulsbreite für eine Piloteinspritzung auf einem minimalen Wert zu halten. Eine identische Zylinderüberwachung wird für jedes Einspritzventil 12 an dem Motor 10 ausgeführt. Das Vorherbestimmen eines gemeinsamen vorspezifizierten Energieschwellenwerts für jeden Zylinder und das Einstellen von Einspritzventilimpulsbreitenwerten nach oben oder nach unten, bis die überwachte Verbrennungsenergiefreisetzung im Wesentlichen mit dem festgelegten Energieschwellenwert übereinstimmt, führt zu einem insgesamten Einspritzventilausgleich und einem verbesserten Motorverhalten.
  • Optional kann ein Hin- und Her-Schwankenlassen des minimalen Nennimpulsbreitenbefehls während eines normalen Betriebsmodus oder wenn eine Betriebsbedingung erneut aufgesucht wird, als eine sekundäre Maßnahme verwendet werden, um Ereignisse und Verhalten der Piloteinspritzung zu detektieren. Der minimale Nennimpulsbreitenbefehl für das Einspritzventil 12 kann modifiziert werden, indem ein kleines Schwankungssignal hinzugefügt wird, vorzugsweise, um die Einspritzventilimpulsbreite zu verringern. Der Verbrennungsparameter für den zugehörigen Zylinder wird überwacht, um das Vorhandensein und das Verhalten des Piloteinspritzereignisses wie vorstehend beschrieben zu detektieren. Der minimale Nennimpulsbreitenbefehl wird wiederholt schwanken gelassen, um zu detektieren, wann sich der charakteristisch reagierende Zustand des Verbrennungsparameters in einen nicht reagierenden Zustand verändert, der ein fehlendes Pilotverbrennungsereignis anzeigt. Wenn ein fehlendes Pilotverbrennungsereignis detektiert wird, wird eine augenblickliche Erhöhung der Pilotkraftstoffmenge angewandt, um ein vollständig fehlendes Pilotverbrennungsereignis zu verhindern. Das minimale Nennimpulsbreitensignal wird auf diesen korrigierten Wert rekalibriert und eine Erregungszeitsicherheitsgrenze wird an den korrigierten Wert angehängt, um die Pilotverbrennung sicherzustellen. Der zugehörige minimale Nennimpulsbreitenparameter in dem Einspritzventilkennfeld wird aktualisiert.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung, Kompressionszündung und mehreren Zylindern, das umfasst, dass: der Motor unter einer vorbestimmten Bedingung betrieben wird, die einen Kraftstoffabsperrmodus umfasst; ein Kraftstoffdruck auf ein vorbestimmtes Druckniveau geregelt wird; ein Kraftstoffeinspritzventil für einen ersten Zylinder bei jedem Einspritzereignis mit Impulsbreiten betätigt wird, die von einer minimalen Nennimpulsbreite aus monoton inkrementiert werden, und ein Verbrennungsparameter in dem ersten Zylinder überwacht wird; ein Grundlinienzustand des Verbrennungsparameters durch Beseitigung von Gemeinsamkeiten auf der Grundlage eines Vergleichs eines Zustands des Verbrennungsparameters in dem ersten Zylinder während eines Zyklus mit Einspritzung und eines Zustands des Verbrennungsparameters in einem zweiten Zylinder während eines Zyklus ohne Einspritzung bestimmt wird; eine wahrnehmbare Veränderung beim Grundlinienzustand des Verbrennungsparameters in dem ersten Zylinder detektiert wird und eine zugehörige Impulsbreite bestimmt wird; und die minimale Nennimpulsbreite auf die Impulsbreite eingestellt wird, die der wahrnehmbaren Veränderung beim Grundlinienzustand des Verbrennungsparameters in dem ersten Zylinder entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass ein Grundlinienzustand des Verbrennungsparameters durch Beseitigung von Gemeinsamkeiten auf der Grundlage eines Aussetzens des Zündens des ersten Zylinders und eines Vergleichens des Zustands des Verbrennungsparameters während eines Zyklus mit Einspritzung und eines Zyklus ohne Einspritzung bestimmt wird, wenn der Motor in dem Kraftstoffabsperrmodus betrieben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Überwachen des Verbrennungsparameters ferner umfasst, dass ein Verbrennungsdruck im Zylinder überwacht wird und ein angezeigter mittlerer Effektivdruck für jeden Verbrennungszyklus bestimmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Überwachen des Verbrennungsparameters ferner umfasst, dass ein Verbrennungsdruck im Zylinder überwacht wird und eine maximale Druckanstiegsrate für jeden Zylinder für jeden Verbrennungszyklus bestimmt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einstellen der minimalen Nennimpulsbreite umfasst, dass ein minimaler Nennimpulsbreitenparameter in einem fahrzeugeigenen Einspritzventilkennfeld mit der Impulsbreite überschrieben wird, die der wahrnehmbaren Veränderung des Zustands des Verbrennungsparameters in dem ersten Zylinder entspricht.
  6. Verfahren zum Bestimmen einer bevorzugten Piloteinspritzimpulsbreite für einen Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung und mehreren Zylindern, das umfasst, dass: der Motor unter einer vorbestimmten Bedingung betrieben wird; ein Kraftstoffdruck auf ein vorbestimmtes Druckniveau geregelt wird; ein Kraftstoffeinspritzventil für einen ersten Zylinder iterativ mit Impulsbreiten betätigt wird, die von einer minimalen Nennimpulsbreite aus verstellt werden; eine Verbrennung für den ersten Zylinder anhand eines Verbrennungsparameters überwacht wird; ein Grundlinienzustand des Verbrennungsparameters durch Beseitigung von Gemeinsamkeiten auf der Grundlage eines Vergleichs eines Zustands des Verbrennungsparameters in dem ersten Zylinder während eines Zyklus mit Einspritzung und eines Zustands des Verbrennungsparameters in einem zweiten Zylinder während eines Zyklus ohne Einspritzung bestimmt wird; ein Beginn der Verbrennung in dem ersten Zylinder anhand des Verbrennungsparameters detektiert wird; eine Impulsbreite identifiziert wird, die dem Beginn der Verbrennung in dem ersten Zylinder entspricht; und die minimale Nennimpulsbreite auf die Impulsbreite eingestellt wird, die dem Beginn der Verbrennung in dem ersten Zylinder entspricht.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, das ferner umfasst, dass eine minimale Impulsbreite detektiert wird, um eine ausreichende Kraftstoffmasse an den Brennraum zu liefern, um ein vorbereitendes Verbrennungsereignis, das dem Beginn der Verbrennung in dem ersten Zylinder entspricht, einzuleiten.
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