DE102011005773A1

DE102011005773A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Einspritzventils zum Zumessen von Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102011005773A1
Application number: DE201110005773
Authority: DE
Inventors: Harry Schüle; Markus Stutika
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-01-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Einspritzventils (9) zum Zumessen von Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine (1) mit Kraftstoffdirekteinspritzung, welche einen Körperschallsensor (14) aufweist. Gemäß dem Verfahren werden ein Signal des Körperschallsensors (14) erfasst und zumindest eine Betriebsgröße des Einspritzventils (9) basierend auf dem Signal des Körperschallsensors (14) ermittelt. Das Einspritzventil (9) wird unter Berücksichtigung der zumindest einen Betriebsgröße gesteuert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern zumindest einer Zustandsgröße eines Einspritzventils für eine Brennkraftmaschine mit einem Körperschallsensor.
Im Bestreben den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen bei Kraftfahrzeugen weiter zu reduzieren, gewinnt die Kraftstoffdirekteinspritzung zunehmend an Bedeutung. Im Vergleich zur Saugrohreinspritzung erlaubt die Einspritzung des Kraftstoffs unmittelbar in den Brennraum eine deutlich bessere Beeinflussung des Verbrennungsverlaufs sowie den Einsatz moderner Brennverfahren. Die Kraftstoffdirekteinspritzung stellt jedoch hohe Anforderung an die Einspritzventile. Abgesehen von einer großen mechanischen und chemischen Widerstandsfähigkeit müssen die Einspritzventile in der Lage sein, auch sehr geringe Kraftstoffmengen mit hoher Präzision zu dosieren. Dadurch sind die Anforderungen an den Aktuator des Einspritzventils entsprechend sehr hoch. In Serienfahrzeugen sind aktuell zwei Typen von Einspritzventilen im Einsatz. Dies sind Einspritzventile mit elektromagnetischem Aktuator und solche mit piezoelektrischem Aktuator. Elektromagnetische Einspritzventile sind aufgrund ihrer Robustheit und des geringen Preises attraktiv, jedoch treten bei der Zuführung sehr kleiner Kraftstoffmengen Probleme hinsichtlich der Dosiergenauigkeit auf. Diese Ungenauigkeiten sind meist auf fertigungstechnische Toleranz zurückzuführen. Bei Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern kann dies zu Ungleichmäßigkeiten hinsichtlich der in den jeweiligen Brennraum zugeführten Kraftstoffmengen führen, was sich auf das produzierte Drehmoment und die Abgaszusammensetzung negativ auswirkt.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Einspritzventils zum Zumessen von Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine mit einem Körperschallsensor, insbesondere eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung, bereitzustellen, mittels denen die Dosiergenauigkeit verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Das Verfahren zum Steuern eines Einspritzventils zum Zumessen von Kraftstoff gemäß dem Anspruch 1 bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit einem Körperschallsensor, insbesondere auf eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung. Gemäß dem Verfahren wird ein Signal des Körperschallsensors erfasst. Basierend auf dem Signal des Körperschallsensors wird zumindest eine Betriebsgröße des Einspritzventils ermittelt. Das Einspritzventil wird dann unter Berücksichtigung der zumindest einen Betriebsgröße gesteuert oder geregelt.
Körperschallsensoren reagieren sehr empfindlich auf Festkörperschwingungen. In Sinne der Erfindung ist unter einem Körperschallsensor jede Art von Sensor zu verstehen, der geeignet ist, Körperschall zu erfassen und in seinem Ausgangssignal (meist in Form eines Spannungssignals) sichtbar zu machen. Vorzugsweise handelt es sich um piezoelektrische Sensoren. Die Sensibilität moderner Körperschallsensoren geht soweit, dass selbst sehr schwache Vibrationen, welche beispielsweise durch die Bewegungen der Ventilnadel von Einspritzventilen verursacht sind, im Ausgangssignal des Körperschallsensors erkennbar sind. Der Aufprall der Ventilnadel am Anschlag beim vollständigen Öffnen des Einspritzventils erzeugt eine Erschütterung, welche sich als Festkörperschwingung im Motorblock oder Zylinderkopf ausbreitet. Diese Festkörperschwingung ist im Ausgangssignal des Körperschallsensors erkennbar. Gleiches gilt für Vibrationen, die durch den Aufprall der Ventilnadel am Ventilsitz beim vollständigen Schließen des Einspritzventils erzeugt werden. Dem Ausgangssignal des Körperschallsensors können daher Informationen entnommen werden, welche Rückschlüsse auf Betriebsgrößen des Einspritzventils ermöglichen. Toleranzen im Betriebsverhalten verschiedener Einspritzventile können dadurch erkannt und ausgeglichen werden. Insbesondere bei sehr kleinen zuzuführenden Kraftstoffmengen führt dies zu einer deutlichen Verminderung der Streuung der zugeführten Kraftstoffmengen bei unterschiedlichen Einspritzventilen. Auf diese Weise kann auch die tatsächlich zugeführte Kraftstoffmenge wesentlich genauer dosiert werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 2 wird für die zumindest eine Betriebsgröße ein Auswertungszeitfenster für das Signal des Körperschallsensors vorgegeben. Zur Ermittlung der zumindest einen Betriebsgröße wird das Signal des Körperschallsensors innerhalb des eines vorgegebenen Auswertungsfensters herangezogen.
Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens wird das Signal des Körperschallsensors nur innerhalb der Auswertungsfenster herangezogen. Vorzugsweise ist das Auswertungsfenster zeitlich so vorgegeben, dass Ereignisse, wie das Öffnen und/oder Schließen des Einspritzventils, in das Auswertungsfester fallen. Für die Bestimmung der Betriebsgröße des Einspritzventils werden nur die Signale des Körperschallsensors innerhalb des Auswertungsfensters herangezogen. Auf diese Weise werden andere Störgrößen, welche außerhalb des Auswertungsfensters auf den Körperschallsensor einwirken, nicht berücksichtig. Dadurch werden die Genauigkeit des Verfahrens verbessert, Rechenzeit und Speicherbedarf gespart.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 3 werden mehrere Betriebsgrößen des Einspritzventils ermittelt und für jede Betriebsgröße ein Auswertungsfenster für das Ausgangssignal des Körperschallsensors vorgegeben und fest zugeordnet. Zur Ermittlung der jeweiligen Betriebsgröße wird das Signal des Körperschallsensors innerhalb des jeweils zugeordneten Auswertungsfensters herangezogen.
Durch die Vorgabe und eindeutige Zuordnung von Auswertungsfenstern des Signals des Körperschallsensors für jede zu ermittelnde Betriebsgröße kann die Genauigkeit der Bestimmung einer jeden Betriebsgröße verbessert werden. Störungen und Fremdeinflüsse auf das Signal des Körperschallsensors außerhalb dieser Auswertungsfenster werden jeweils nicht berücksichtigt.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 4 wird eine Abtastrate des Körperschallsensors innerhalb des zumindest einen Auswertungsfensters höher eingestellt als außerhalb des zumindest einen Auswertungsfensters.
Auf diese Weise wird die Genauigkeit bei der Bestimmung der mindestens einen Betriebsgröße weiter verbessert.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 5 wird ein Steuersignal zum Öffnen des Einspritzventils erfasst. Ein vollständiges Öffnen des Einspritzventils wird erkannt, falls das Ausgangssignal des Körperschallsensors nach Erfassen des Steuersignals einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 6 wird basierend auf dem Steuersignal zum Öffnen des Einspritzventils und dem Moment des vollständigen Öffnens des Einspritzventils die Öffnungsdauer des Einspritzventils bestimmt.
Unter der Öffnungsdauer des Einspritzventils ist vorteilhafterweise die Dauer zu verstehen, welche von der Generierung oder Übermittlung des Steuersignals zum Öffnen des Einspritzventils bis zum vollständigen Öffnen des Einspritzventils vergeht.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 7 wird ein Steuersignal zum Schließen des Einspritzventils erfasst. Ein vollständiges Schließen des Einspritzventils wird erkannt, falls das Signal des Körperschallsensors nach Erfassen des Steuersignals zum Schließen einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 8 wird basierend auf dem Steuersignal zum Schließen des Einspritzventils und dem Moment des vollständigen Schließens des Einspritzventils eine Schließdauer des Einspritzventils bestimmt.
Unter der Schließdauer des Einspritzventils ist vorteilhafterweise die Dauer zu verstehen, welche von der Generierung bzw. Übermittlung des Steuersignals zum Schließen des Einspritzventils bis zum vollständigen Schließen des Einspritzventils vergeht.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 9 wird ein Steuersignal zum Öffnen des Einspritzventils erfasst. Basierend auf dem Steuersignal und dem Moment des vollständigen Schließens des Einspritzventils wird eine Einspritzdauer ermittelt.
Unter der Einspritzdauer ist vorteilhafterweise die Dauer zu verstehen, welche zwischen der Generierung bzw. Übermittlung des Steuersignals zum Öffnen des Einspritzventils und dem vollständigen Schließen des Einspritzventils zu verstehen. Während dieser Dauer wird Kraftstoff in den Brennraum zugeführt.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 10 wird ein Steuersignal zum Schließen des Einspritzventils erfasst. Basierend auf diesem Steuersignal und dem Moment des vollständigen Öffnens des Einspritzventils wird eine Zeitdauer des vollständig geöffneten Einspritzventils ermittelt.
Diese Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 5 bis 10 machen deutlich, wie basierend auf dem Ausgangssignal des Körperschallsensors und Steuersignalen für das Einspritzventil wichtige Betriebsgrößen des Einspritzventils ermittelt werden können, welche einen wesentlichen Einfluss auf die in den Brennraum zugeführte Kraftstoffmenge haben. Dadurch kann die Steuerung des jeweiligen Einspritzventils und damit die Dosierung der zugeführten Kraftstoffmenge exakter erfolgen.
Eine Steuervorrichtung gemäß dem Anspruch 11 für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, welche einen Körperschallsensor aufweist, ist mit dem Körperschallsensor elektrisch verbunden, um dessen Ausgangssignal zu empfangen. Die Steuervorrichtung ist derart ausgebildet und mit Mitteln versehen, dass sie das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausführen kann.
Die Steuervorrichtung kann einen Speicher aufweisen, in dem Programmabläufe (Steuerfunktionen) zur Steuerung des Einspritzventils und anderer Komponenten der Brennkraftmaschine in Form von Software implementiert sind. Die Steuervorrichtung kann ferner einen Mikroprozessor aufweisen, welcher ausgebildet ist, diese Steuerungsprogramme auszuführen, Steuersignale zu generieren und zu übermitteln. Die Steuerprogramme sind entsprechend dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 ausgestaltet. Bezüglich der sich durch diese Steuervorrichtung ergebenen Vorteile wird auf die Ausführungen zu den Ansprüchen 1 bis 10 verwiesen, welche hier analog gelten.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine;
2 eine schematische Darstellung des Signals eines Brennraumdrucksensors über dem Kurbelwellenwinkel;
3 ein Ausführungsbeispiel eines Steuerverfahrens in Form eines Ablaufdiagramms.
In 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 schematisch dargestellt. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit ist die Darstellung stark vereinfacht ausgeführt.
Die Brennkraftmaschine 1 umfasst mindestens einen Zylinder 2 und einen in dem Zylinder 2 auf und ab bewegbaren Kolben 3. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst ferner einen Ansaugtrakt 40, in dem stromabwärts einer Ansaugöffnung 4 zum Ansaugen von Frischluft ein Luftmassensensor 5, eine Drosselklappe 6, sowie ein Saugrohr 7 angeordnet sind. Der Ansaugtrakt 40 mündet in einem durch den Zylinder 2 und den Kolben 3 begrenzten Brennraum 30. Die zur Verbrennung nötige Frischluft wird über den Ansaugtrakt 40 in den Brennraum 30 eingeleitet, wobei die Frischluftzufuhr durch Öffnen und Schließen eines Einlassventils 8 gesteuert wird.
Bei der hier dargestellten Brennkraftmaschine 1 handelt es sich um eine Brennkraftmaschine 1 mit Kraftstoffdirekteinspritzung, wobei der für die Verbrennung nötige Kraftstoff über ein Einspritzventil 9 (elektromagnetisch oder piezoelektrisch) unmittelbar in den Brennraum 30 eingespritzt wird. Das Einspritzventil 9 ist beispielsweise am Zylinderkopf (nichtdargestellt) der Brennkraftmaschine 1 befestigt. Zur Auslösung der Verbrennung dient eine ebenfalls in dem Brennraum 30 ragende Zündkerze 10. Die Verbrennungsabgase werden über ein Auslassventil 11 in einen Abgastrakt 16 der Brennkraftmaschine 1 abgeführt und mittels eines Abgaskatalysators 12 gereinigt. Im Abgastrakt ist ferner ein Lambda-Sensor 41 zur Erfassung des Sauerstoffanteils des Abgases angeordnet.
Die Kraftübertragung an einen Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) geschieht über eine mit dem Kolben 3 gekoppelte Kurbelwelle 13. Die Brennkraftmaschine 1 verfügt ferner über einen integrierten Kurbelwellensensor 15 zur Erfassung der Position und Drehzahl der Kurbelwelle 13 und zumindest einen Körperschallsensor 14, vorteilhafterweise einen Körperschallsensor 14 für jeden Zylinder 2. Im Ausführungsbeispiels ist der Körperschallsensor 14 als piezo-elektrischer Brennraumdrucksensor 14, welcher vorteilhafterweise in unmittelbarer Nähe zum jeweiligen Einspritzventil 9 am Zylinderkopf (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Vibrationen, Erschütterungen oder Schwingungen, welche durch das Einspritzventil 9 verursacht werden (z. B. Aufschlagen der Ventilnadel am Ventilsitz oder an einem anderen Anschlag) werden als Festkörperschwingung von dem Einspritzventil 9 über den Zylinderkopf zum Brennraumdrucksensor 14 übertragen, von diesem erfasst und im Ausgangssignal angezeigt. Es kann sich jedoch auch um einen sonstigen Körperschallsensor handeln, welcher derart ausgebildet und angeordnet ist, dass er die durch das Einspritzventil 9 verursachte Festkörperschwingungen in der Brennkraftmaschine 1 (beispielsweise im Motorblock oder im Zylinderkopf) erfassen um im Ausgangssignal darstellen kann.
Die Brennkraftmaschine 1 verfügt über ein Kraftstoffversorgungssystem, welches einen Kraftstofftank 17 sowie eine darin angeordnete Kraftstoffpumpe 18 aufweist. Der Kraftstoff wird mittels der Kraftstoffpumpe 18 über eine Versorgungsleitung 19 einem Druckspeicher 20 zugeführt. Dabei handelt es sich um einen gemeinsamen Druckspeicher 20, von dem aus die Einspritzventile 9 für mehrere Zylinder 2 mit druckbeaufschlagtem Kraftstoff versorgt werden. In der Versorgungsleitung 19 sind ferner ein Kraftstofffilter 21 und eine Hochdruckpumpe 22 angeordnet. Die Hochdruckpumpe 22 dient dazu, den durch die Kraftstoffpumpe 18 mit relativ niedrigem Druck (ca. 3–5 bar) geförderten Kraftstoff dem Druckspeicher 20 mit hohem Druck zuzuführen (ca. 150–200 bar).
Der Brennkraftmaschine 1 ist eine Steuervorrichtung 26 zugeordnet, welche über Signal- und Datenleitungen (in 1 durch Pfeile dargestellt) mit allen Aktuatoren und Sensoren der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. In der Steuervorrichtung 26 sind kennfeldbasierte Motorsteuerungsfunktionen (KF1 bis KF5) softwaremäßig implementiert. Beispielsweise ist in der Steuervorrichtung 26 ein Drehmomentenmodell softwaremäßig implementiert, mittels dem das von der Brennkraftmaschine produzierte Drehmoment oder der Drehmomentwunsch des Kraftfahrzeugführers modellbasiert berechnet werden. Basierend auf den Messwerten der Sensoren und den kennfeldbasierten Motorsteuerungsfunktionen werden Steuersignale an die Aktuatoren der Brennkraftmaschine 1 und des Kraftstoffversorgungssystems ausgesandt. Konkret ist die Steuervorrichtung 26 über Daten- und Signalleitungen mit der Kraftstoffpumpe 18, dem Luftmassensensor 5, der Drosselklappe 6, der Zündkerze 10, den Einspritzventilen 9, dem Körperschallsensor 14, dem Kurbelwellensensor 15 und dem Lambda-Sensor 41 gekoppelt.
Die Steuervorrichtung 26 ist ausgebildet, Steuersignale zum Öffnen und Schließen des Einspritzventils 9 zu generieren. Die Steuersignale werden an die elektromagnetischen oder piezoelektrischen Aktuatoren der Einspritzventile 9 über die entsprechenden Signalleitungen (in 1 durch Pfeile gekennzeichnet) übermittelt. Die Steuervorrichtung 26 ist ferner dazu ausgebildet, die Ausgangssignale der Brennraumdrucksensoren 14 aller Zylinder 2 zu erfassen, auszuwerten und daraus Betriebsgrößen des Einspritzventils 9 zu ermitteln.
In 2 ist der Verlauf des Ausgangssignals des Brennraumdrucksensors 14 schematisch dargestellt. Dabei ist auf der Ordinate des Diagramms das Ausgangssignal des Brennraumdrucksensors 14 als Spannung (Einheit Volt) und auf der Abszisse der Kurbelwellenwinkel (Einheit Grad Kurbelwellenwinkel °KW) dargestellt. Der überstrichene Kurbelwellenwinkel kann bei Kenntnis der aktuellen Drehzahl der Kurbelwelle 13 auch in eine Zeit umgerechnet werden. Der von dem Brennraumdrucksensor 14 ausgegebene Spannungswert ist grundsätzlich ein Maß für die Druckänderung im Brennraum 30. Wie weiter oben bereits erläutert, ist jedoch auch der vom Einspritzventil 9 verursachte Körperschall im Ausgangssignal des Brennraumdrucksensors 14 als Störsignal erkennbar.
Auf der Abszisse sind vier Ereignisse t1, t2, t3, t4 hervorgehoben.
Das Ereignis bei dem Kurbelwellenwinkel t1 kennzeichnet den Beginn der Steuerung des Einspritzventils 9 zum Öffnen. Dieses elektrische Steuersignal wird durch die in der Steuervorrichtung 26 implementierten Steuerfunktionen generiert und von der Steuervorrichtung 26 über die entsprechende Signalleitung an den elektromagnetischen Aktuator (nicht dargestellt) des Einspritzventils 9 übermittelt. Das Steuersignal zum Öffnen des Einspritzventils 9 hat eine Beaufschlagung des Aktuators des Einspritzventils 9 mit Strom zu Folge, sodass sich die Ventilnadel (nicht dargestellt) aus dem Ventilsitz hebt uns sich in Richtung des Anschlags bewegt.
Falls das Einspritzventil vollständig geöffnet wird, ist zum Kurbelwellenwinkel t2 eine deutliche Zunahme der Amplitude des Ausgangssignals des Brennraumdrucksensors 14 erkennbar. Es folgen weitere stärkere Ausschläge des Ausgangssignals, welche nach einer gewissen Zeit jedoch wieder abklingen. Die Ausschläge im Ausgangssignal weisen auf Festkörperschwingungen in der Brennkraftmaschine 1 hin, welche durch den Aufprall der Ventilnadel (nicht dargestellt) des Einspritzventils 9 am Anschlag (nicht dargestellt) verursacht werden. Der Beginn dieser Festkörperschwingungen kann daher als der Moment des vollständigen Öffnens des Einspritzventils 9 gewertet werden. Falls das Einspritzventil 9 nicht vollständig geöffnet wird, ist der Ausschlag des Ausgangssignals zum Kurbelwellenwinkel t2 nicht vorhanden.
Das Ereignis bei dem Kurbelwellenwinkel t3 kennzeichnet den Beginn der Steuerung des Einspritzventils 9 zum Schließen. Dieses elektrische Steuersignal wird durch die in der Steuervorrichtung 26 implementierten Steuerfunktionen generiert und von der Steuervorrichtung 26 über die entsprechende Signalleitung an den elektromagnetischen Aktuator (nicht dargestellt) des Einspritzventils 9 übermittelt. Das Steuersignal zum Schließen des Einspritzventils 9 bewirkt das Ende der Bestromung des elektromagnetischen Aktuators des Einspritzventils 9, sodass sich die Ventilnadel (nicht dargestellt) wieder in Richtung des Ventilsitzes bewegt.
Zum Kurbelwellenwinkel t4 ist eine weitere deutliche Zunahme der Amplitude des Ausgangssignals des Brennraumdrucksensors 14 erkennbar. Es folgen weitere stärkere Ausschläge des Ausgangssignals, welche nach einer gewissen Zeit wieder abklingen. Auch diese Ausschläge im Ausgangssignal weisen auf Festkörperschwingungen in der Brennkraftmaschine 1 hin, welche durch den Aufprall der Ventilnadel (nicht dargestellt) des Einspritzventils 9 am Ventilsitz (nicht dargestellt) verursacht werden.
Der Beginn dieser Festkörperschwingungen kann daher als Moment des vollständigen Schließens des Einspritzventils 9 gewertet werden.
Alle weiteren in 2 dargestellten Größen Dt0, DtVO, DtS, DtE, fO und fS werden im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel des Steuerverfahrens in Verbindung mit 3 näher erläutert.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines Steuerverfahrens für das Einspritzventil anhand des Ablaufdiagramms in 3 näher erläutert.
Das Verfahren startet beispielsweise beim Anlassen der Brennkraftmaschine 1. Ab dem Start werden das Ausgangssignal des Brennraumdrucksensors 14 und das Ausgangssignal des Kurbelwellensensors 15 durch die Steuervorrichtung 26 kontinuierlich erfasst. Dies ist in 3 durch die beiden seitlich verlaufenden Pfeile dargestellt.
In Schritt 300 werden für den Start und das Ende der Kraftstoffeinspritzung Zeitpunkte relativ zum Kurbelwellenwinkel berechnet. Der berechnete Beginn der Einspritzung stellt dabei den zeitlichen Sollwert für den Beginn des Öffnungsvorgangs des Einspritzventils, d. h. den Beginn der Beaufschlagung des elektromagnetischen Aktuators des Einspritzventils 9 mit Strom, dar. Das berechnete Ende der Einspritzung stellt dabei den zeitlichen Sollwert für das Ende der Strombeaufschlagung des Einspritzventils 9 dar. Der Moment der Übermittlung des Steuersignals zum Öffnen des Einspritzventils 9 und der Moment des vollständigen Schleißens des Einspritzventils begrenzen die Kraftstoffzumessung und definieren somit deren Dauer. Im Zusammenhang mit dem in dem Druckspeicher 20 herrschendem Druck ergibt sich die zugemessene Kraftstoffmenge in den Brennraum 30. Diesen berechneten Werten für die Einspritzung sind charakteristische Kenngrößen der Einspritzventile 9 zugrunde gelegt, welche auf den geometrischen bzw. konstruktiven Kenndaten und dem dynamischen Verhalten der verwendeten Einspritzventile beruhen, z. B. Ansprechverhalten des Aktuators, Dauer der Bewegung der Ventilnadel vom vollständig geschlossenen bis zum vollständig geöffneten Zustand, usw.. Die Kenngrößen sind jedoch für alle Einspritzventile 9 einheitlich festgelegt. Fertigungsbedingte Toleranzen, welche zu Unterschieden im dynamischen Verhalten der Einspritzventile 9 führen, bleiben daher unberücksichtigt.
Im Schritt 310 werden für das Ausgangssignal des Brennraumdrucksensors 14 ein Auswertungsfenster fO (siehe 2) für die Ermittlung des Öffnens des Einspritzventils 9 und ein Auswertungsfenster fS für die Ermittlung des Schließens des Einspritzventils 9 festgelegt und zugeordnet. Alternativ kann auch nur ein Auswertungsfester für die Ermittlung des Öffnens und des Schließens des Einspritzventils 9 festgelegt werden. Unter einem Auswertungsfenster ist dabei ein bestimmter Bereich des Ausgangssignals des Brennraumdrucksensors 14 bezogen auf den Kurbelwellenwinkel t zu verstehen. Für die Ermittlung des Öffnens bzw. Schließens des Einspritzventils wird das Ausgangssignal des Brennraumdrucksensors 14 nur in jeweils diesen zugeordneten Auswertungsfenstern ausgewertet. Die Auswertungsfenster fS, fO sind dabei so gelegt, dass in diesem Bereich des Kurbelwellenwinkels auch mit einem Öffnen bzw. Einem Schließen des Einspritzventils gerechnet werden kann. Beispielsweise können die Auswertungsfenster fS, fO basierend auf den Steuersignalen zum Öffnen und Schließen des Einspritzventils ermittelt werden.
In Schritt 320 wird die Abtastrate des Brennraumdrucksensors 14 für diese Auswertungsfenster fS, fO erhöht, um aufgrund der höheren zeitliche Auflösung des Ausgangssignals eine genauere Auswertung zu ermöglichen.
In Schritt 330 wird überprüft, ob die Steuervorrichtung 26 ein Steuersignal zum Öffnen des Einspritzventils 9 über die elektrische Signalleitung zum Aktuator des Einspritzventils 9 übermittelt. Aufgrund dieses Steuersignals wird der Aktuator durch eine entsprechende Endstufe mit Strom beaufschlagt, so dass der Öffnungsvorgang des Einspritzventils (d. h. das Bewegen der Ventilnadel aus dem Ventilsitz und damit die zunehmende Öffnung der Austrittsöffnung für den Kraftstoff) eingeleitet wird. Mit dem Erfassen des Steuersignals zum Öffnen des Einspritzventils 9 wird demnach der Moment (relativ zum Kurbelwellenwinkel) des Öffnens des Einspritzventils 9 festgelegt. In 2 ist dieser Moment mit t1 gekennzeichnet.
Die Abfrage in Schritt 330 wird solange wiederholt, bis ein positives Ergebnis vorliegt.
Daran anschließend fährt das Verfahren mit Schritt 340 fort, in dem das vollständige Öffnen des Einspritzventils 9 erkannt wird, falls die Amplitude des Ausgangssignals des Brennraumdrucksensors 14 größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert. Diese Überprüfung kann durch eine Filterung des Ausgangssignals des Brennraumdrucksensors 14 mittels eines Hochpassfilters und der Vergleich der Amplitude des gefilterten Signals mit dem vorgegebenen Schwellenwert erfolgen. Alternativ kann das vollständige Öffnen des Einspritzventils auch erkannt werden, wenn ein Gradient des Ausgangssignals des Brennraumdrucksensors 14 größer ist als ein vorgegebener weiterer Schwellenwert. Ist die Bedingung erfüllt, so wird das vollständige Öffnen des Einspritzventils 9 erkannt und der Zeitpunkt relativ zum Kurbelwellenwinkel in der Steuervorrichtung abgespeichert. In 2 ist dieser Moment mit t2 gekennzeichnet.
Bei sehr kleinen Einspritzmengen sind die Öffnungszeiten des Einspritzventils 9, d. h. die Bestromung des Aktuators so kurz, dass die Ventilnadel sich zwar aus dem Ventilsitz bewegt, jedoch nicht an den Anschlag aufprallt, sondern nach einem kurzen Öffnungsweg wieder in den Ventilsitz sich zurückbewegt. In diesem Fall wird die Amplitude des Ausgangssignals des Brennraumdrucksensors den vorgegebenen Schwellenwert nicht übersteigen und ein vollständiges Öffnen des Einspritzventils 9 nicht erkannt.
Das Verfahren fährt mit Schritt 350 fort, in dem überprüft wird, ob von der Steuervorrichtung 26 ein Steuersignal zum Schließen des Einspritzventils 9 an das Einspritzventil 9 übermittelt wird. Dieses Steuersignal führt beim Aktuator des Einspritzventils zu einem Ende der Beaufschlagung mit Strom und leitet somit den Schließvorgang, d. h. die Rückbewegung der Ventilnadel in den Ventilsitz, ein. Das Übermitteln des Steuersignals zum Schließen beendet somit das vollständige Öffnen des Einspritzventils. In 2 ist dieser Moment mit t3 gekennzeichnet. Die Abfrage in Schritt 350 wird solange wiederholt, bis ein positives Ergebnis vorliegt.
Das Verfahren fährt mit Schritt 360 fort, in dem überprüft wird, ob die Amplitude des Ausgangssignals des Brennraumdrucksensors 14 größer ist als ein vorgegebener Schwellwert. Bei dieser Überprüfung kann wie in Schritt 340 vorgegangen werden. Alternativ zur Amplitude kann dazu auch der Gradient einer Änderung des Ausgangssignals des Brennraumdrucksensors 14 herangezogen werden. Die Abfrage in Schritt 360 wird solange wiederholt, bis ein positives Ergebnis vorliegt.
Das Verfahren fährt anschließend mit Schritt 370 fort, in dem das vollständige Schließen des Einspritzventils 9 erkannt wird. Wird nämlich nach der Erfassen der Übermittlung des Steuersignals zum Schließen des Einspritzventils 9 an den Aktuator erkannt und wird im Anschluss daran eine erhöhte Amplitude des Ausgangssignals des Brennraumdrucksensors (verursacht durch das Aufschlagen der Ventilnadel des Einspritzventils auf den Ventilsitz) erkannt, so ist von einem vollständigen Schließen des Einspritzventils auszugehen. In 2 ist dieser Moment mit t4 gekennzeichnet.
Das Verfahren fährt mit Schritt 380 fort, in dem verschiedene Betriebsgrößen des Einspritzventils 9 und Steuerparameter bezüglich der Kraftstoffeinspritzung von der Steuervorrichtung 26 ermittelt werden. Bisher wurden bereits folgende Betriebsgrößen des Einspritzventils 9 bezogen auf den Kurbelwellenwinkel ermittelt:
Moment der Generierung bzw. der Übermittlung des Steuersignals zum Öffnen des Einspritzventils 9 relativ zum Kurbelwellenwinkel (in 2 als t₁ bezeichnet)
Gegebenenfalls der Moment des vollständigen Öffnens des Einspritzventils relativ zum Kurbelwellenwinkel (in 2 als t₂ bezeichnet)
Moment der Generierung bzw. der Übermittlung des Steuersignals zum Schließen des Einspritzventils 9 relativ zum Kurbelwellenwinkel (in 2 als t₃ bezeichnet)
Moment des vollständigen Schließens des Einspritzventils 9 relativ zum Kurbelwellenwinkel (in 2 als t₄ bezeichnet)
Aus diesen Betriebsgrößen können nun weitere Betriebsgrößen des Einspritzventils bestimmt werden. So kann beispielsweise basierend auf der Drehzahl der Brennkraftmaschine und einer Differenz Δt₀ (siehe 2) zwischen den Kurbelwellenwinkeln t₁ und t₂ auf die Öffnungsdauer des Einspritzventils 9 bestimmt werden. Die Öffnungsdauer des Einspritzventils 9 ist die Zeitspanne zwischen der Generierung bzw. Übermittlung des Steuersignals zum Öffnen des Einspritzventils 9 durch die Steuervorrichtung 26 und dem Moment des vollständigen Öffnens des Einspritzventils 9, also die Dauer, die das Einspritzventil 9 benötigt, um vom voll geschlossenen Zustand in voll geöffneten Zustand zu kommen. Die Ermittlung der Öffnungsdauer ist jedoch nur möglich, wenn das Einspritzventil 9 tatsächlich vollständig öffnet. Bei sehr geringen Einspritzmengen und sehr kurzen Einspritzimpulsen kann es vorkommen, dass das Einspritzventil 9 nur teilweise öffnet und dann wieder schließt. In diesem Fall ist die Öffnungsdauer nicht berechenbar.
Als weitere Betriebsgröße des Einspritzventils kann aus aktuelle Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 und einer Differenz Δt_S (siehe 2) zwischen den Kurbelwellenwinkeln t₄ und t₃ eine Schließdauer des Einspritzventils 9 bestimmt werden. Die Schließdauer des Einspritzventils 9 ist die Zeitdauer zwischen der Generierung bzw. Übermittlung des Steuersignals zum Schließen des Einspritzventils 9 durch die Steuervorrichtung 26 und dem vollständigen Schließen des Einspritzventils 9.
Als eine weitere Betriebsgröße des Einspritzventils 9 kann basierend auf der Drehzahl der Brennkraftmaschine und der Differenz Δt_VO (siehe 2) zwischen den Kurbelwellenwinkeln t₂ und t₃ eine Dauer des vollständig geöffneten Einspritzventils ermittelt werden. Dies setzt voraus, dass das Einspritzventil 9 tatsächlich voll geöffnet hat.
Ein wichtiger Parameter für die Kraftstoffeinspritzung ist die Einspritzdauer, d. h. der Zeitraum in dem das Einspritzventil 9 geöffnet ist und Kraftstoff in den Brennraum zugemessen wird. Diese Einspritzdauer kann basierend auf der aktuellen Drehzahl der Kurbelwelle 13 und der Differenz Δt_E (siehe 2) zwischen den Kurbelwellenwinkeln t₁ und t₄ ermittelt werden. Die Einspritzdauer ergibt sich somit aus der Zeitspanne zwischen der Generierung bzw. Übermittlung des Steuersignals zum Öffnen des Einspritzventils 9 durch die Steuervorrichtung 26 und dem Moment des vollständigen Schließens des Einspritzventils 9. Aus der Einspritzdauer und dem im Druckspeicher 20 vorhandenen Druck kann die in den Brennraum 30 tatsächlich zugeführte Kraftstoffmenge ermittelt werden, was sowohl für das in dem Brennraum 30 durch die Verbrennung des Kraftstoffs produzierte Drehmoment sowie die Abgaszusammensetzung und dadurch auf die weitere Regelung wichtiger Betriebsparameter (Frischluftmenge, Kraftstoffeinspritzung) Einfluss hat.
Das Verfahren fährt mit Schritt 390 fort, in dem die weitere Steuerung des Einspritzventils 9 unter Berücksichtigung der ermittelten Betriebsgrößen und der Parameter bezüglich der Kraftstoffeinspritzung gesteuert wird. Insbesondere können die in der Steuervorrichtung standardmäßig abgespeicherten Betriebsgrößen, welche ohne Berücksichtigung fertigungsbedingter Toleranzen für alle Einspritzventile gleichermaßen gelten, individuell adaptiert und für die weitere Ansteuerung berücksichtigt werden. So kann es beispielsweise sein, dass aufgrund fertigungsbedingter Toleranzen die Einspritzventile 9 unterschiedliche Öffnungsdauern (Differenz Δt₀ in 2) oder unterschiedliche Schließdauern (Differenz Δt_S in 2) und dadurch trotz zeitgleicher Steuersignale zum Öffnen und Schließen unterschiedliche Einspritzdauern aufweisen. Unter Kenntnis der individuellen Betriebsparameter für jedes Einspritzventil können daher zur Vereinheitlichung der zugeführten Kraftstoffmenge die Steuersignale für jedes Einspritzventil 9 individuell angepasst werden. Auf diese Weise können die Verbrennungsvorgänge, das in den einzelnen Brennräumen 30 durch die Verbrennung produzierte Drehmoment und auch die Abgaszusammensetzung der Brennkraftmaschine deutlich besser gesteuert werden.
Das Verfahren wird nach Schritt 390 beendet, kann jedoch beliebig wiederholt werden.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Einspritzventils (9) zum Zumessen von Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine (1) mit einem Körperschallsensor (14), wobei gemäß dem Verfahren – ein Signal des Körperschallsensors (14) erfasst wird, – zumindest eine Betriebsgröße des Einspritzventils (9) basierend auf dem Signal des Körperschallsensors (14) ermittelt wird, – das Einspritzventil (9) unter Berücksichtigung der zumindest einen Betriebsgröße gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei für die zumindest eine Betriebsgröße ein Auswertungsfenster für das Signal des Körperschallsensors (14) vorgegeben wird und zur Ermittlung der zumindest einen Betriebsgröße das Signal des Körperschallsensors (14) innerhalb des vorgegebenen Auswertungsfensters herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei mehrere Betriebsgrößen des Einspritzventils (9) ermittelt werden und für jede Betriebsgröße ein Auswertungsfenster des Signals des Körperschallsensors (14) vorgegeben und fest zugeordnet wird und zur Ermittlung der jeweiligen Betriebsgröße das Signal des Körperschallsensors (14) innerhalb des jeweils fest zugeordneten Auswertungsfensters herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei eine Abtastrate des Körperschallsensors (14) innerhalb des zumindest einen Auswertungsfensters höher eingestellt wird als außerhalb des zumindest einen Auswertungsfensters.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Steuersignal zum Öffnen des Einspritzventils (9) erfasst wird und ein vollständiges Öffnen des Einspritzventils (9) erkannt wird, falls das Signal des Körperschallsensors (14) nach Erfassen des Steuersignals zum Öffnen einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei basierend auf dem Steuersignal zum Öffnen des Einspritzventils (9) und dem vollständigen Öffnen des Einspritzventils (9) die Öffnungsdauer des Einspritzventils (9) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Steuersignal zum Schließen des Einspritzventils (9) erfasst wird und ein vollständiges Schließen des Einspritzventils (9) erkannt wird, falls das Signal des Körperschallsensors (14) nach Erfassen des Steuersignals zum Schließen einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei basierend auf dem Steuersignal zum Schließen des Einspritzventils (9) und dem vollständigen Schließen des Einspritzventils (9) die Schließdauer des Einspritzventils (9) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein Steuersignal zum Öffnen des Einspritzventils (9) erfasst wird und basierend auf dem Steuersignal zum Öffnen des Einspritzventils (9) und dem vollständigen Schließen des Einspritzventils (9) eine Einspritzdauer ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein Steuersignal zum Schließen des Einspritzventils (9) erfasst wird und basierend auf dem Steuersignal zum Schließen des Einspritzventils (9) und dem vollständigen Öffnen des Einspritzventils (9) eine Dauer des vollständig geöffneten Einspritzventils (9) ermittelt wird.
Steuervorrichtung (26) für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine (1), welche mindestens einen Körperschallsensor (14) aufweist, wobei die Steuervorrichtung (26) mit dem Körperschallsensor (14) elektrisch verbunden ist, um dessen elektrische Signale zu empfangen, und wobei die Steuervorrichtung (26) derart ausgebildet und mit Mitteln versehen ist, dass sie das Verfahren gemäß einen der Ansprüche 1 bis 10 ausführen kann.