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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Benzindirekteinspritzung, insbesondere eines Verbrennungsmotors mit Speichereinspritzung bzw. Common-Rail-Einspritzung.
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Stand der Technik
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Die Realisierung mehrerer Einspritzungen von Kraftstoff in kurzen zeitlichen Abständen mit hoher Mengenzumessgenauigkeit bei einer Benzindirekteinspritzung ist von großem Interesse.
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Die Druckschrift
EP 1 303 693 B1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, mit denen der Einfluss von Druckschwankungen auf die einzuspritzende Kraftstoffmenge verringert werden soll. Hierzu wird die Kraftstoffmenge in eine erste und eine zweite Teileinspritzung aufgeteilt, wobei eine Kraftstoffmengengröße, die die bei der zweiten Teileinspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge charakterisiert, abhängig von wenigstens einer Druckgröße, die den Kraftstoff kennzeichnet, und wenigstens einer weiteren Größe korrigiert wird.
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Derzeit sind mehrere, in kurzen zeitlichen Abständen aufeinanderfolgende Einspritzungen jedoch nur mit Piezo-Injektoren darstellbar. Mit wesentlich kostengünstigeren Magnet-Injektoren lassen sich Mehrfacheinspritzungen mit derart kurzen Abständen nicht in der benötigten Genauigkeit realisieren. Daher ist zu beachten, dass zwischen den einzelnen Einspritzungen ein Mindestabstand, eine sogenannte Pausenzeit, eingehalten werden muss. Wird dieser nicht eingehalten, so ist der Zustand des Magnetkreises aufgrund der abklingenden elektromagnetischen Effekte von der letzten durchgeführten Einspritzung beeinflusst, was zu unannehmbaren Nachteilen hinsichtlich der Zumessgenauigkeit führt.
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Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass sich bei sehr kurzen Pausenzeiten der Anker des Magnetventils noch im Bereich des Nachprellens der vorhergehenden Einspritzung befinden kann. Ein Verfahren zur Realisierung von kurzen Pausenzeiten unter Einhaltung der erforderlichen Mengengenauigkeit mit Magnetventilen ist daher von großem Interesse. Insbesondere sollte dieses Verfahren Injektortoleranzen mit abdecken.
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Im Dokument
DE 10 2006 038 547 A1 wird ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors offenbart, bei dem Einspritzungen in einem kurzen zeitlichen Abstand aufeinander erfolgen. Die
DE 10 2008 001 180 A1 beschreibt ein Verfahren zur Berechnung von Korrekturmengen bei zeitlich eng aufeinanderfolgenden Einspritzungen. Aus der
DE 10 2007 000 394 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Veränderung der Mindestdauer einer Einspritzung aufgrund einer Alterung eines Ventils gelernt wird. Aus der
DE 10 2007 043879 A1 und der
DE 10 2008 043166 A1 sind bereits Verfahren zur Steuerung einer Einspritzung bekannt, bei dem Korrekturwerte für nachfolgende Einspritzungen einem Kennfeld entnommen werden. Das Dokument
DE 10 2008 031 477 A1 offenbart ein Verfahren zur Ansteuerung von Einspritzventilen unter Berücksichtigung des jeweiligen mechanischen Verhaltens, bei aufeinanderfolgenden Einspritzungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Anordnung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
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Mit dem vorgestellten Verfahren ist die Realisierung von Mehrfacheinspritzungen mit kurzen Pausenzeiten, d.h. deutlich kleiner als 1,2 ms, möglich, wobei bei derart kurzen Pausenzeiten die Kopplungseffekte zwischen den einzelnen Einspritzungen in Abhängigkeit des Zustands des Magnetkreises berücksichtigt werden müssen. Es wird somit eine Kalibrier- bzw. Kompensationsfunktion vorgestellt, mit der auch bei kurzen Pausenzeiten eine hohe Genauigkeit der Einspritzmengen erreicht wird.
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Bei dem vorgestellten Verfahren werden somit Kopplungseffekte zwischen den einzelnen Einspritzungen berücksichtigt. Bei Verfahren nach dem Stand der Technik muss hingegen nach einer Einspritzung eine sogenannte Mindestpausenzeit eingehalten werden, bevor wieder eingespritzt werden kann. Ansonsten wird die Genauigkeit erheblich beeinflusst. Die durch die kurzen Pausenzeiten verursachte Einspritzmengenänderung bildet sich unter bestimmten Randbedingungen sowohl im pmi (indicated mean effective pressure, indizierter Mitteldruck) als auch in einem auf einer Auswertung des Drehzahlsignals basierenden Merkmal MWF (mechanical work feature, Merkmal für mechanische Arbeit) ab.
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Somit kann eine Ansteuerdauer-Korrektur aus diesen Merkmalen abgeleitet werden. Vorteil hierbei ist, dass durch die Berücksichtigung und Kompensation der durch den Zustand des elektromagnetischen Kreises des Injektors verursachten Effekte die Mindestpausenzeit bei guter Mengengenauigkeit erheblich reduziert werden kann. Weiterhin ist zu beachten, dass das vorgeschlagene Verfahren in Ausgestaltung ohne zusätzliche Hardware auskommt, da eine reine Softwarelösung denkbar ist.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in einem Graphen die Korrelation zwischen der Einspritzmenge und den Größen MWF und pmi.
- 2 zeigt in einem Graphen die Injektorbestromung für verschiedene Pausenzeiten bei Zweifacheinspritzung.
- 3 zeigt in drei Graphen die Veränderung von MWF und pmi bei Verkürzung der Ansteuerpause.
- 4 zeigt in einem Flussdiagramm den Ablauf einer Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens.
- 5 zeigt eine Ausführungsform der beschriebenen Anordnung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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In 1 ist in einem Graphen die Korrelation der Einspritzmenge zu den Größen MWF und pmi dargestellt. Dabei sind an einer Ordinate 10 Werte für MWF 12 und pmi 14 über einer Menge kmaz [mg/WC] an einer Abszisse 16 aufgetragen.
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Diesem Graphen ist zu entnehmen, dass die in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors eingespritzte Kraftstoffmenge, insbesondere unter bestimmten Betriebsbedingungen, wie magere Verbrennung, damit die Menge sicher vollständig umgesetzt wird, direkt mit dem pmi (indicated mean effective pressure, indizierter Mitteldruck) bzw. dem MWF (mechanical work feature, drehzahl-basiertes Merkmal für mechanische Arbeit) des jeweiligen Zylinders korreliert.
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Dabei ist pmi der allgemein bekannte indizierte Mitteldruck, der ein Maß für die von dem jeweiligen Zylinder geleistete Arbeit bezogen auf das Hubvolumen darstellt. Dieser ist wie folgt definiert:
wobei V
h für das Hubvolumen eines Zylinders steht. Es muss zusätzlich angegeben werden, ob der pmi über ein gesamtes Arbeitsspiel oder nur über die Hochdruck- bzw. Niederdruckschleife berechnet wird. Für die pmi-Berechnung ist ein Brennraumdrucksensor pro Zylinder notwendig. Falls kein Brennraumdrucksensor verbaut ist, kann gemäß dem vorgestellten Verfahren ein drehzahlbasiertes Merkmal verwendet werden.
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Hierfür sind verschiedene Ansätze denkbar, z. B. könnten verschiedene Zahnzeiten oder Segmentzeiten verwendet werden. In dem dargestellten Verfahren kommt das MWF (mechanical work feature) zum Einsatz. Dieses berechnet sich folgendermaßen:
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Dabei ist Θ das Trägheitsmoment des Motors, das aus der Motorgeometrie berechnet werden kann und φ. die aus den Zahnzeiten berechnete Winkelgeschwindigkeit. Verglichen wird der Energieunterschied insbesondere vor und nach der Verbrennung, daher wird y°KW nach ZOT (um Zünd-OT) und x°KWnZOT betrachtet. Folglich ist MWF ein mit geringem Rechenaufwand bestimmbares Merkmal für die abgegebene Arbeit aufgrund der Verbrennung. Wie 1 zu entnehmen ist, korreliert MWF sehr gut mit pmi, so dass es als Ersatzmerkmal verwendet werden kann. Somit wird die Änderung mindestens einer der Einspritzungen aus einem Merkmal hergeleitet, das auf einer Auswertung einer Drehzahl des Verbrennungsmotors basiert.
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In 2 ist die Injektorbestromung für verschiedene Pausenzeiten bei Zweifacheinspritzung wiedergegeben. Bei dem dargestellten Graphen ist an einer Ordinate 20 der Injektorstrom über °CA an einer Abszisse 22 aufgetragen.
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Die lange Einspritzung bleibt in allen drei in 2 gezeigten Fällen gleich. Lediglich der Zeitpunkt der kurzen Einspritzung ändert sich. Im Falle einer Mehrfacheinspitzung mit hinreichend langen Pausenzeiten, wie z. B. für die durchgezogene Linie in 2, ist die Magnetisierung im Einspritzventil und die Bewegung des Ankers zum Zeitpunkt der zweiten Einspritzung soweit abgeklungen, dass von einer korrekten Einspritzmenge ausgegangen werden kann. Wird nun die Pausenzeit verkürzt, so ändert sich bei gleichen Ansteuerdauern die eingespritzte Menge der zweiten Einspritzung. Diese Änderung ist stark abhängig von der Pausendauer, der Zusammenhang ist jedoch nichtlinear. Das bedeutet, dass bei einer weiteren Verkürzung der Pausenzeit die Menge sowohl steigen als auch fallen kann. Beispielsweise kann bei einer kürzeren Pausenzeit 1 (punktierte Linie in 2) die eingespritzte Menge größer sein als die bei hinreichend langen Pausenzeiten (durchgezogene Linie), bei einer noch kürzeren Pausenzeit 2 (strich-punktierte Linie) jedoch wieder kleiner oder umgekehrt. Der Grund hierfür liegt in den magnetischen und mechanischen Eigenschaften der Injektorelemente, wie bspw. Restmagnetisierung, Flugbewegung der Nadel, Prellen usw. Ein exemplarischer Verlauf ist in 3 gezeigt.
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In 3 wird in drei Graphen die Veränderung von MWF und pmi bei Verkürzung der Ansteuerpause dargestellt. Dabei ist in allen drei Graphen an einer Abszisse 32 die Pausenzeit zwischen erster und zweiter Einspritzung in ms aufgetragen. Der obere Graph zeigt die Änderung von MWF, nämlich Δ MWF, an einer Ordinate 30. In dem mittleren Graphen ist an einer Ordinate 34 die Änderung von pmi, nämlich Δ pmi, aufgetragen. In dem unteren Graphen ist an einer Ordinate 36 die Mengenänderung, nämlich Δ kmaz [mg in rel. Zyl] aufgetragen.
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Bei der vorgeschlagenen Realisierung wird nun zunächst der pmi, insbesondere wenn Brennraumdrucksensoren verbaut sind, bzw. der MWF für den Fall einer hinreichend langen Pausenzeit - und somit einer genauen Menge - ermittelt und als Referenzwert abgespeichert. Anschließend wird der Einspritzwinkel (SOI, start of injection) der zweiten Einspritzung so verändert, dass die gewünschte kurze Pausenzeit erreicht wird. Durch die geänderte Menge ändern sich auch pmi und MWF. Beispielsweise mit einem PI-Regler wird nun die Ansteuerdauer der zweiten Einspritzung so angepasst, dass der zuvor abgespeicherte Referenzwert erreicht wird.
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Es ist davon auszugehen, dass die von dem Regler erzeugte Ansteuerdauer für diese Ansteuerpause die gewünschte Menge erzielt. Hierzu wird angemerkt, dass Drehzahl-, Last- bzw. Zündwinkel-Änderungen die verwendeten Merkmale beeinflussen. Für das vorgeschlagene Verfahren bedeutet dies, dass sich bei zwischenzeitlichen Änderungen der Drehzahl, der Last bzw. des Zündwinkels der gespeicherte Referenzwert ändern würde. Dieser muss nun entweder neu angefahren werden (erneute Messung), kann aber in bestimmten Fällen auch mittels einer rechnerischen Anpassung aktualisiert werden. Die so ermittelte Ansteuerdauer-Korrektur wird gespeichert. Je nach Anforderung bzw. Anwendungsfall sind evtl. Korrekturen für unterschiedliche Mengen, verschiedene Pausendauern, gegebenenfalls auch für verschiedene Raildrücke oder Motortemperaturen, zu ermitteln und in Korrekturkennfeldern abzulegen. Erfordert die Anwendung nur eine bestimmte Pausenzeit, so genügt die Bestimmung der dazugehörigen Korrekturwerte.
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Für den Fall, dass die kurze Einspritzung vor der langen Einspritzung liegt, ist zu beachten, dass bei Änderung der Ansteuerdauer der kurzen Einspritzung auch die Ansteuerpause geändert wird. Zudem wird sich bei einer anderen Ansteuerdauer auch die Restmagnetisierung in dem Injektor ändern. Dies kann berücksichtigt werden, indem bei einer Änderung der Ansteuerdauer der ersten, kurzen Einspritzung diese entsprechend nach früh, bei Verlängerung der Ansteuerdauer, oder nach spät, bei Verkürzung der Ansteuerdauer, verschoben wird, so dass die Ansteuerpause konstant bleibt. Die notwendige Verschiebung im SOI ist einfach zu berechnen. Sie ergibt sich direkt aus der Änderung der Ansteuerdauer Δ t
i und der Drehzahl n:
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Auf ähnliche Weise lassen sich auch Korrekturwerte für eine dritte und weitere folgende Einspritzungen ermitteln. Ausgehend von mehreren Einspritzungen mit genügend langen Pausenzeiten werden die Einspritzungen nacheinander auf die kurzen Pausenzeiten geführt und die Ansteuerdauer jeweils angepasst, so dass der Referenzwert für pmi bzw. MWF erhalten bleibt. Begonnen wird dabei mit derjenigen kurzen Einspritzung, die der langen Einspritzung am nächsten liegt.
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4 zeigt in einem Flussdiagramm den Ablauf einer Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens, insbesondere den Ablauf zur Bestimmung von Korrekturwerten bei zwei Einspritzungen.
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Mit einem ersten Schritt 50 wird das Verfahren gestartet, bei dem eine Mehrfacheinspritzung mit genügend langer Ansteuerphase angestrebt wird (Block 51). In einem zweiten Schritt 52 wird überprüft, ob ein geeigneter Betriebspunkt gegeben ist. Ist dies nicht der Fall, erfolgt in einem dritten Schritt 54 eine Anpassung des Betriebspunkts, so dass eine magere Verbrennung in dem betrachteten Zylinder erreicht ist. Ist dieser geeignete Betriebspunkt gegeben, so erfolgt in einem vierten Schritt 56 die Berechnung von pmi bzw. MWF, wobei die berechneten Werte als Referenzwerte abgelegt werden.
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In einem fünften Schritt 58 erfolgt die Änderung der Ansteuerwinkels auf die gewünschte kurze Ansteuerpause. In einem sechsten Schritt 60 wird die Ansteuerdauer über einen Regler geändert, bis pmi bzw. MWF auf dem Referenzwert ist. In einem siebten Schritt 62 wird überprüft, ob ti1 < ti2. Dabei ist ti1 die Ansteuerdauer der ersten Einspritzung und ti2 die Ansteuerdauer der darauffolgenden, zweiten Einspritzung. Ist dies der Fall, wird in einem achten Schritt 64 SOI1 geändert, so dass die Pausenzeit konstant ist. Ist dies nicht der Fall, werden in einem neunten Schritt 66 die Korrekturwerte abgelegt. In einem abschließenden Schritt 68 wird der Kalibriervorgang beendet.
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Der in 4 gezeigte Ablauf ist also für jede kurze Einspritzung zu wiederholen. Falls viele verschiedene Pausenzeiten notwendig sind, kann es sinnvoll sein, eine charakteristische Form der Mengenänderungen und damit der Korrekturwerte zu bestimmen und zu bedaten. Es reicht dann, gewisse Formfaktoren zu ermitteln, um auf die anderen Werte zu schließen. Beispielsweise können der Mengeneinbruch bei tp1 in 3 oder der starke Mengenanstieg bei t_Pause < tp2 als Stützpunkte dienen. Falls sich keine für alle Injektoren einer Serie allgemeingültige Form finden lässt, kann dieses Vorgehen dennoch für einzelne Injektoren angewandt werden. Pro Injektor ist dann zunächst einmal die Form zu ermitteln. Alterungseffekte bzw. Driften lassen sich über eine Anpassung der Formfaktoren dann genauso wie Temperaturschwankungen oder unterschiedliche Raildrücke berücksichtigen.
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Um Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen der Verbrennungen zu berücksichtigen, ist es vorteilhaft, sowohl für die Ermittlung der Referenzwerte als auch für die entsprechenden Korrektureinstellungen mehrere Arbeitsspiele zu mitteln.
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Das vorgeschlagene Verfahren kommt ohne zusätzliche Hardware aus, eine reine Software-Lösung ist realisierbar. Der pmi wird nur verwendet, wenn die Brennraumdrucksensoren ohnehin verbaut sind. Ist dies nicht der Fall, kann gleichwertig der MWF verwendet werden, der bspw. aus Zahnzeiten berechnet wird. Die Referenz- bzw. Korrekturwerte werden vorteilhafterweise einmal nach dem Einbau der Injektoren ins Fahrzeug bestimmt. Anschließend genügt eine Wiederholung in gewissen zeitlichen Abständen, um Alterungseffekte zu berücksichtigen. Eine ständig laufende Anpassung im Fahrzeug ist nicht notwendig.
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Anwendung kann das Verfahren bspw. in Common-Rail-Systemen (CRI) und Benzin- (Direkt-) Einspritzsystemen mit Magnetventil (EV, HDEVx) finden. Darüber hinaus kann das Verfahren bei allen anderen Magnetventilsystemen angewendet werden, bei denen eine Menge über eine Ansteuerdauer erzeugt werden soll und kurze Pausenzeiten relevant sind.
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In 5 ist in einer schematischen Darstellung eine Anordnung zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens, insgesamt mit der Bezugsziffer 80 bezeichnet, dargestellt. Diese Anordnung 80 dient zur Ansteuerung eines Injektors 82, in diesem Fall eines Magnet-Injektors, der Kraftstoff aus einem Kraftstoffspeicher 84 in einen Brennraum (nicht dargestellt) eines Verbrennungsmotors einspritzt.
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Die Anordnung 80 umfasst eine Recheneinheit 86, einen Speicher 88 und einen Regler 90, bspw. einen PI-Regler. Mit der Recheneinheit 86 wird auf Grundlage eines Signals eines Drehzahlgebers 92 ein Merkmal, das auf der ermittelten Drehzahl basiert, berechnet. Auf Grundlage der Berechnung wird dieser Wert mittels des Reglers 90 auf einen Wert geregelt, der einem Referenzwert entspricht, der in dem Speicher 88 abgelegt ist. Als Stellgröße dient dabei die Ansteuerdauer des Injektors 82. In dem Speicher 88 ist dabei mindestens ein Referenzwert abgelegt.
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Die Regelung kann grundsätzlich von mindestens einem Referenzwert durchgeführt werden, der in diesem Fall in dem Speicher 88 abgelegt ist. Dieser mindestens eine Referenzwert kann in einem Betriebspunkt ermittelt werden, in dem keine Kopplungseffekte zwischen den Einspritzungen vorliegen.
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Der mindestens eine Referenzwert kann in zeitlichen Abständen aktualisiert werden. Außerdem kann der mindestens eine Referenzwert rechnerisch angepasst werden.
