DE102016211551A1

DE102016211551A1 - Verfahren zum Ermitteln eines Korrekturwertes für eine Kraftstoffzumessung eines Kraftstoffinjektors

Info

Publication number: DE102016211551A1
Application number: DE102016211551.0A
Authority: DE
Inventors: Klaus Joos; Alexander Schenck Zu Schweinsberg; Timm Hollmann; Eugenia Schwarz; Achim Hirchenhein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2017-12-28
Also published as: KR20190020797A; WO2018001675A1; US10598116B2; US20190331050A1; CN109312685B; KR102257648B1; CN109312685A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Korrekturwertes für eine Kraftstoffzumessung eines Kraftstoffinjektors einer Brennkraftmaschine, bei der mittels des Kraftstoffinjektors Kraftstoff aus einem Hochdruckspeicher in einen Brennraum eingespritzt wird, wobei der Kraftstoff während eines Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine in mehreren getrennten Einspritzvorgängen (E₁, E₂, E₃) in den Brennraum eingespritzt wird, wobei ein für eine statische Durchflussrate durch den Kraftstoffinjektor repräsentativer Wert ermittelt wird, indem für wenigstens einen der mehreren getrennten Einspritzvorgänge (E₁, E₂, E₃) ein Verhältnis einer im Hochdruckspeicher durch den wenigstens einen der mehreren getrennten Einspritzvorgänge verursachten Druckänderung und einer zugehörigen, für den wenigstens einen der mehreren getrennten Einspritzvorgänge (E₁, E₂, E₃) charakteristischen Dauer ermittelt wird, und wobei anhand eines Vergleichs des repräsentativen Wertes mit einem Vergleichswert der Korrekturwert ermittelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Korrekturwertes für eine Kraftstoffzumessung eines Kraftstoffinjektors einer Brennkraftmaschine, bei der mittels des Kraftstoffinjektors Kraftstoff aus einem Hochdruckspeicher mittels Mehrfacheinspritzung in einen Brennraum eingespritzt wird, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Bei Kraftfahrzeugen gelten hinsichtlich einzuhaltender Emissionen von Schadstoffen teilweise sehr strenge Grenzwerte. Um aktuelle und insbesondere auch zukünftige Emissions- bzw. Abgasgrenzwerte einzuhalten, ist u.a. eine genaue Kraftstoffzumessung bei der Einspritzung entscheidend.
Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass bei der Zumessung verschiedene Toleranzen auftreten. Solche Zumesstoleranzen resultieren im Allgemeinen aus exemplarabhängiger Nadeldynamik und exemplarabhängiger statischer Durchflussrate der Kraftstoffinjektoren. Ein Einfluss der Nadeldynamik kann bspw. durch einen mechatronischen Ansatz, wie bspw. einer sog. 'Controlled Valve Operation' (CVO) reduziert werden. Bei 'Controlled Valve Operation' werden Ansteuerzeiten der Kraftstoffinjektoren im Sinne einer Regelung bspw. über die Lebensdauer eines Kraftfahrzeugs hinweg angepasst. Dabei werden während der Einspritzung das Ansteuersignal erfasst und parallel aus Öffnungs- und Schließzeitpunkt die Offendauer der Ventilnadel ermittelt. Somit kann die tatsächliche Offendauer jedes Injektors errechnet und gegebenenfalls nachgeregelt werden.
In der DE 10 2009 002 593 A1 wird ein solches Verfahren zum Regeln einer Ist-Offendauer eines Ventils auf eine Soll-Offendauer beschrieben.
Mögliche Fehler bei der statischen Durchflussrate resultieren aus Toleranzen der Einspritzlochgeometrie und des Nadelhubs. Solche Fehler können bisher meist nur global, d.h. hinsichtlich aller Kraftstoffinjektoren der Brennkraftmaschine gemeinsam, bspw. auf Basis einer Lambdaregelung bzw. Gemischadaption korrigiert werden. Damit kann jedoch nicht erkannt werden, ob einzelne Kraftstoffinjektoren der Brennkraftmaschine eine Abweichung hinsichtlich ihrer statischen Durchflussrate aufweisen (d.h. bei gleicher Offendauer unterschiedliche Mengen abgeben), die abgas- oder laufruherelevant sein können.
Aus der DE 10 2007 050 813 A1 ist bspw. ein Verfahren zur Abgabemengenüberwachung einer Injektorsteuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem anhand eines Druckabfalls im Hochdruckspeicher eine vom Injektor abgegebene Kraftstoffmenge überwacht wird. Eine detaillierte Ermittlung von Ursachen etwaiger Abweichungen und deren Korrektur ist hiermit jedoch nicht möglich.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Ermitteln eines Korrekturwertes für eine Kraftstoffzumessung sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Ermitteln eines Korrekturwertes für eine Kraftstoffzumessung eines Kraftstoffinjektors einer Brennkraftmaschine, bei der mittels des Kraftstoffinjektors Kraftstoff aus einem Hochdruckspeicher in einen Brennraum eingespritzt wird, wobei der Kraftstoff während eines Arbeitszyklus (d.h. Arbeitsspiels) der Brennkraftmaschine in mehreren getrennten Einspritzvorgängen in den Brennraum eingespritzt wird. Hierbei handelt es sich um eine sog. Mehrfacheinspritzung, bei der Kraftstoff für die Verbrennung im Brennraum während eines Arbeitszyklus nicht nur in einer einzelnen Einspritzung, sondern in mehreren getrennten Einspritzungen eingebracht wird. Die Anzahl der Einspritzung in einem Arbeitszyklus kann dabei bspw. zwei oder drei betragen. Denkbar sind jedoch auch vier oder mehr Einspritzungen. Der Grund für eine solche Mehrfacheinspritzung, bei der die insgesamt einzubringende Kraftstoffmenge, die sonst in einer einzelnen Einspritzung eingebracht wird, in mehrere Einspritzungen aufgeteilt wird, liegt dabei bspw. in einer besseren Gemischbildung im Brennraum.
Dabei wird nun ein für eine statische Durchflussrate durch den Kraftstoffinjektor repräsentativer Wert ermittelt, indem für wenigstens einen der mehreren getrennten Einspritzvorgänge, d.h. bei wenigstens einem Einspritzvorgang der Mehrfacheinspritzung, ein Verhältnis einer im Hochdruckspeicher durch den wenigstens einen Einspritzvorgang verursachte Druckänderung und einer zugehörigen, für den wenigstens einen Einspritzvorgang charakteristischen Dauer ermittelt. Der für die statische Durchflussrate durch den Kraftstoffinjektor repräsentative Wert ist somit eine Druckrate. Weiter wird dann anhand eines Vergleichs des repräsentativen Wertes mit einem Vergleichswert, z.B. durch Quotientenbildung, der Korrekturwert ermittelt.
Der Korrekturwert wird dann vorzugsweise zur Korrektur eines Werts für die statische Durchflussrate verwendet, wobei der Wert bei der Ermittlung von Soll-Dauern bzw. Zeiten, die für die Einspritzvorgänge charakteristisch sind, beispielsweise Soll-Offendauern oder Soll-Ansteuerdauern, verwendet wird. Bspw. kann der bisherige Wert für die statische Durchflussrate mit dem Korrekturwert multipliziert werden. Insbesondere kann die Korrektur während des Betriebs eines Kraftfahrzeugs, insbesondere auch regelmäßig, oder auch während einer Wartung oder einer sonstigen Überprüfung erfolgen.
Die Erfindung macht sich zunutze, dass die von einem Kraftstoffinjektor während eines einzelnen Einspritzvorgangs abgegebene Kraftstoffmenge bzw. dessen Volumen proportional oder zumindest hinreichend proportional zu der zugehörigen Druckänderung, d.h. dem Druckunterschied vor und nach dem Einspritzvorgang und damit einem Druckabfall, im Hochdruckspeicher, dem sog. Rail ist. Aufgrund der Mehrfacheinspritzung ist nun die zeitliche Dauer der einzelnen Einspritzvorgänge gegenüber einem herkömmlichen, einfachen Einspritzvorgang kürzer, da die gleiche Kraftstoffmenge auf mehrere Einspritzvorgänge aufgeteilt ist. Sofern nun bei einem einzelnen der mehreren Einspritzvorgänge die zugehörige Druckänderung erfasst werden kann oder zumindest hinreichend genau erfasst werden kann, so kann bereits aufgrund dieses einen Einspritzvorgangs während des Arbeitszyklus der repräsentative Wert ermittelt werden.
Vorzugsweise wird der für die statische Durchflussrate durch den Kraftstoffinjektor repräsentative Wert anhand von wenigstens zwei oder allen Einspritzvorgängen durch den betreffenden Kraftstoffinjektor während des jeweiligen Arbeitszyklus bzw. der Mehrfacheinspritzung ermittelt. Dies bedeutet, dass eine Summe der individuellen, durch die jeweiligen Einspritzvorgänge verursachten Druckänderungen ermittelt wird.; Aufgrund der erwähnten Aufteilung auf mehrere Einspritzvorgänge kann es dazu kommen, dass die Druckänderung durch einen einzelnen, sehr kurzen Einspritzvorgang sehr gering ist und damit nicht oder zumindest nicht zufriedenstellend genau messbar oder ermittelbar ist. Die Erfassung bzw. Ermittlung einer von zwei oder mehr Einspritzvorgängen zusammen verursachten Druckänderung hingegen ist deutlich einfacher bzw. genauer möglich. Zweckmäßig kann es dabei sein, die Summe der Druckänderungen von allen Einspritzvorgängen einer Mehrfacheinspritzung zu ermitteln.
Wenn nun zudem eine für den wenigstens einen Einspritzvorgang charakteristische Dauer bekannt ist, kann aus dem Verhältnis dieser Druckänderung und der zugehörigen Dauer ein Wert ermittelt werden, der bis auf einen Proportionalitätsfaktor der statischen Durchflussrate durch den Kraftstoffinjektor entspricht. Bei der für den wenigstens einen Einspritzvorgang charakteristischen Dauer kann insbesondere auf eine solche Dauer abgestellt werden, wie sie bei einer Einfacheinspritzung auftreten würde, bei der die gleiche Kraftstoffmenge wie mittels des wenigstens einen Einspritzvorgangs eingespritzt wird. Mit anderen Worten können die charakteristischen Dauern der einzelnen Einspritzvorgänge der Mehrfacheinspritzung in Summe auf ein Äquivalent einer Einfacheinspritzung umgerechnet werden. Auf diese Weise können eventuelle Verzögerungen beim Schließen und Öffnen des Kraftstoffinjektors berücksichtigt werden.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn während der Einspritzvorgänge solche Vorgänge verhindert werden, die einen Druck im Hochdruckspeicher zusätzlich zu den betreffenden Einspritzvorgängen ändern. Dazu zählt insbesondere das Verhindern bzw. Unterbrechen der Nachförderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher durch eine Hochdruckpumpe. Ebenso sollte darauf geachtet werden, dass keine Einspritzvorgänge in andere Brennräume vorgenommen werden. Die Druckdifferenz im Hochdruckspeicher aufgrund der Einspritzvorgänge kann ansonsten möglicherweise nicht hinreichend genau erfasst werden bzw. diese wird verfälscht. Mögliche Leckagen, die ebenfalls zu Druckverlust führen, sind hingegen insbesondere bei der relativen Bestimmung des Korrekturwerts, bei der der repräsentative Wert eines Kraftstoffinjektors zu einem Mittelwert entsprechender repräsentativer Werte aller Kraftstoffinjektoren ins Verhältnis gesetzt wird, nicht von Bedeutung.
Durch Berücksichtigung der statischen Durchflussrate, also der Einspritzmenge pro Zeit im Vollhub, kann die Einspritzdauer zum Einspritzen einer gewünschten Einspritzmenge noch genauer vorgegeben werden. Da dieses Verfahren für jeden Kraftstoffinjektor der Brennkraftmaschine durchgeführt werden kann, können somit injektorspezifische Abweichungen bei der Kraftstoffzumessung, die bei einer globalen Anpassung der Gesamteinspritzmenge über eine Lambdamessung bspw. nicht erfasst werden können, korrigiert werden. Abweichungen bei der Nadeldynamik (also der Öffnungs- und Schließzeitpunkte) hingegen können durch ein eingangs erwähntes mechatronisches Verfahren korrigiert werden. Somit stehen für beide, die Kraftstoffzumessung beeinflussenden Faktoren, Nadeldynamik und statische Durchflussrate, jeweils geeignete und genaue Verfahren zur Verfügung.
Vorteilhafterweise wird der für die statische Durchflussrate durch den Kraftstoffinjektor repräsentative Wert anhand von wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Einspritzvorgängen des betreffenden Kraftstoffinjektors während des jeweiligen Arbeitszyklus ermittelt. Unter aufeinanderfolgenden Einspritzvorgängen soll hierbei verstanden werden, dass keine weiteren Einspritzvorgänge, die nicht bei der Ermittlung der Druckänderung berücksichtigt werden, zwischen den betrachteten Einspritzvorgängen liegen. Dann ist es vorteilhaft, wenn die Druckänderung anhand eines Drucks im Hochdruckspeicher vor einer ersten und nach einer letzten der wenigstens zwei Einspritzvorgänge ermittelt wird. Damit ist es nicht mehr relevant, ob die von den einzelnen Einspritzvorgängen verursachten Druckänderungen einzeln mess- oder ermittelbar wären, es muss lediglich die insgesamt auftretende Druckänderung ermittelt werden. Die zugehörige charakteristische Dauer ist dann bspw. ein Äquivalent einer Einfacheinspritzung, bei welcher dieselbe Soll-Menge abgegeben wird, wie die Summe der einzelnen Einspritzungen bei der Mehrfacheinspritzung, z.B. unter Berücksichtigung der Summe der einzelnen Soll-Offenzeiten, ergäbe.
Insbesondere ist es hierbei auch möglich, dass zwischen den einzelnen Einspritzvorgängen eine sehr kurze Zeitdauer liegt, wie dies bspw. mittels Piezoaktoren in den Kraftstoffinjektoren möglich ist. Eine Erfassung der von den einzelnen Einspritzvorgängen verursachten Druckänderungen wäre dann in der Regel nicht möglich, selbst wenn die einzelnen Einspritzvorgänge eine hinreichend große Druckänderung verursachen.
Alternativ ist es bevorzugt, wenn die Druckänderung anhand einzelner Druckänderungen, die durch die jeweiligen Einspritzvorgänge verursacht werden, ermittelt wird, wobei jede der einzelnen Druckänderungen anhand eines Drucks im Hochdruckspeicher vor und nach dem jeweiligen Einspritzvorgang ermittelt wird. Auf diese Weise kann bspw. ein zwischen zwei einzelnen Einspritzvorgängen liegender Einspritzvorgang bei der Ermittlung der Druckänderung ausgespart werden, dessen Druckänderung bspw. aufgrund einer gleichzeitigen Nachförderung durch die Hochdruckpumpe oder eines gleichzeitigen Einspritzvorgangs in einen anderen Brennraum verfälscht ist.
Vorteilhafterweise wird der repräsentative Wert aus bei mehreren Arbeitszyklen ermittelten Verhältnissen von Druckänderung und zugehöriger Dauer oder aus einem Mittelwert von bei mehreren Arbeitszyklen ermittelten Verhältnissen von Druckänderung und zugehöriger Dauer ermittelt. Da bei einer einzelnen Messung von Druckänderung und für die Einspritzung charakteristischer Dauer die resultierende Genauigkeit beschränkt ist, können wesentlich genauere Werte erreicht werden, indem mehrere Messungen durchgeführt werden, die auf geeignete Weise zueinander in Beziehung gesetzt werden. Eine Mittelwertbildung bspw. ist sehr einfach und liefert einen genauen Wert. Eine nötige Anzahl an Messungen ist dabei meist von typischen Pulsationen im Hochdruckspeicher und einer Genauigkeit des eingesetzten Sensors für den Druck im Hochdruckspeicher abhängig.
Es ist von Vorteil, wenn der Korrekturwert anhand eines Verhältnisses aus dem repräsentativen Wert und einem Mittelwert von entsprechenden repräsentativen Werten aller Kraftstoffinjektoren der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Damit ist das Verfahren unabhängig von möglichen systematischen Messfehlern, bspw. aufgrund ungenauer Sensoren oder fehlender Informationen über die aktuellen Kraftstoffeigenschaften, wie z.B. Temperatur oder Ethanolgehalt. Durch die Quotientenbildung fallen diese Einflussfaktoren weg. Ebenso muss der Proportionalitätsfaktor nicht berücksichtigt werden. Hierzu sei angemerkt, dass die repräsentativen Werte aller Kraftstoffinjektoren zweckmäßigerweise jeweils auf dieselbe Weise ermittelt werden. Sofern hinreichend viele und hinreichend genaue Sensoren, z.B. für den Druck im Hochdruckspeicher, Mediumtemperatur und Ethanolgehalt, verwendet werden bzw. verwendet werden können, kann damit auch ein absoluter Wert für die statische Durchflussrate ermittelt werden. Der Korrekturwert kann anhand eines Verhältnisses aus diesem absoluten Wert und einem erwünschten Wert als Vergleichswert ermittelt werden.
Vorzugsweise wird dabei der Mittelwert der entsprechenden Korrekturwerte aller Kraftstoffinjektoren der Brennkraftmaschine derart eingestellt, dass ein gewünschtes Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnis im Abgas nicht verändert wird. Dieses Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnis wird dabei auch als Lambda-Wert bezeichnet. Damit können bspw. möglichst optimale Abgaswerte der Brennkraftmaschine erreicht werden.
Vorteilhafterweise wird bei der Ermittlung der für den Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors charakteristischen Dauer wenigstens eine Größe aus Ist-Offendauer (d.h. gemessene Dauern zwischen jeweiligem Öffnungszeitpunkt und Schließzeitpunkt, z.B. aus dem mechatronischen Ansatz mittels der bereits erwähnten 'Controlled Valve Operation'), Soll-Offendauer (d.h. ideale Modell-Offendauern, d.h. nicht gemessene Offendauer), Ansteuerdauer (d.h. Zeitdauer, in der Ansteuersignale am Ventil anliegen) und Schließzeiten (d.h. Zeit vom Ende der jeweiligen Ansteuerdauer bis zum Ende der jeweiligen Offendauer) berücksichtigt. Zwar sind die Ist-Offendauern die Werte, durch die die Dauer des Kraftstoffflusses während der Einspritzvorgänge am genauesten beschrieben wird, jedoch können auch die anderen Größen, ggf. mit einer Korrektur, hinreichend genau für die Bestimmung der relevanten Dauer der Einspritzvorgänge sein, vor allem sind diese teilweise sehr einfach zu ermitteln. Eine Kombination von zwei oder mehr der genannten Größen kann noch genauere Werte liefern. Welche Größen verwendet werden, kann dabei bspw. von vorhandenen Erfassungsmitteln wie Sensoren oder Daten in der Ansteuerelektronik abhängig gemacht werden. Die Ist-Offendauern können dabei bspw. mittels der eingangs erwähnten 'Controlled Valve Operation' ermittelt werden, bei welcher ja die Einspritzdauer eingeregelt wird.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit Common-Rail-System, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
2 zeigt in einem Diagramm ein Durchflussvolumen bei einem Kraftstoffinjektor über der Zeit.
3 zeigt in einem Diagramm einen Druckverlauf in einem Hochdruckspeicher während einer Mehrfacheinspritzung und eine Ermittlung der zugehörigen Druckänderung bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
4 zeigt in einem Diagramm einen Druckverlauf in einem Hochdruckspeicher während einer Mehrfacheinspritzung und eine Ermittlung der zugehörigen Druckänderung bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
5 zeigt in einem Diagramm einen Druckverlauf in einem Hochdruckspeicher während einer Mehrfacheinspritzung und eine Ermittlung der zugehörigen Druckänderung bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
6 zeigt schematisch einen Ablauf zur Ermittlung einer Ansteuerzeit für einen Kraftstoffinjektor.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 100 gezeigt, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Beispielhaft umfasst die Brennkraftmaschine 100 drei Brennräume bzw. zugehörige Zylinder 105. Jedem Brennraum 105 ist ein Kraftstoffinjektor 130 zugeordnet, welcher wiederum jeweils an einen Hochdruckspeicher 120, einem sog. Rail, angeschlossen ist, über welchen er mit Kraftstoff versorgt wird. Es versteht sich, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren auch bei einer Brennkraftmaschine mit einer beliebigen anderen Anzahl an Zylindern, bspw. vier, sechs, acht oder zwölf Zylinder, durchgeführt werden kann.
Weiter wird der Hochdruckspeicher über eine Hochdruckpumpe 110 mit Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 140 gespeist. Die Hochdruckpumpe 110 ist mit der Brennkraftmaschine 100 gekoppelt, und zwar bspw. derart, dass die Hochdruckpumpe über eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, bzw. über eine Nockenwelle, welche wiederum mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, angetrieben wird.
Eine Ansteuerung der Kraftstoffinjektoren 130 zum Zumessen von Kraftstoff in die jeweiligen Brennräume 105 erfolgt über eine als Motorsteuergerät 180 ausgebildete Recheneinheit. Der Übersichtlichkeit halber ist nur die Verbindung vom Motorsteuergerät 180 zu einem Kraftstoffinjektor 130 dargestellt, es versteht sich jedoch, dass jeder Kraftstoffinjektor 130 an das Motorsteuergerät entsprechend angeschlossen ist. Jeder Kraftstoffinjektor 130 kann dabei spezifisch angesteuert werden. Ferner ist das Motorsteuergerät 130 dazu eingerichtet, den Kraftstoffdruck in dem Hochdruckspeicher 120 mittels eines Drucksensors 190 zu erfassen.
In 2 ist in einem Diagramm ein kumuliertes Durchflussvolumen V durch einen Kraftstoffinjektor über der Zeit t bei einer lange andauernden Ansteuerung des Kraftstoffinjektors dargestellt. Zum Zeitpunkt t₀ beginnt dabei eine Ansteuerzeit und zum Zeitpunkt t₁ beginnt sich die Ventilnadel zu heben. Zum Zeitpunkt t₁ beginnt somit auch eine Offendauer des Kraftstoffinjektors. Dabei ist zu sehen, dass das kumulierte Durchflussvolumen V bzw. die durch den Kraftstoffinjektor geflossene Kraftstoffmenge nach einer kurzen Zeitdauer während des Anhebens der Ventilnadel über einen weiten Bereich konstant ansteigt. In diesem Bereich befindet sich die Ventilnadel im sog. Vollhub, d.h. die Ventilnadel ist vollständig bzw. bis zu einer Soll-Höhe angehoben.
Während dieser Zeit fließt eine konstante Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit durch die Ventilöffnung des Kraftstoffinjektors, d.h. die statische Durchflussrate Q_stat, die die Steigung des kumulierten Durchflussvolumens V angibt, ist konstant. Die Größe der statischen Durchflussrate ist dabei ein wesentlicher Faktor, der, wie eingangs bereits erwähnt, die insgesamt während eines Einspritzvorgangs eingespritzte Kraftstoffmenge bestimmt. Abweichungen bzw. Toleranzen in der statischen Durchflussrate wirken sich daher auf die eingespritzte Kraftstoffmenge pro Einspritzvorgang aus.
Zum Zeitpunkt t₂ endet die Ansteuerzeit und es beginnt die Schließzeit. Dabei beginnt die Ventilnadel, sich zu senken. Die Schließzeit und die Offendauer enden zum Zeitpunkt t₃, wenn die Ventilnadel wieder vollständig das Ventil verschließt.
In 3 ist in einem Diagramm ein Druckverlauf p in einem Hochdruckspeicher während einer Mehrfacheinspritzung über der Zeit t dargestellt. Zudem ist ein Verlauf E mit den einzelnen Einspritzvorgängen E₁, E₂ und E₃, die zusammen die Mehrfacheinspritzung während eines Arbeitszyklus bilden, dargestellt. Weiterhin ist ein Verlauf F einer Förderung der Hochdruckpumpe mit einer aktiven Förderphase F₁ gezeigt.
Hierbei ist zu sehen, dass der Druck p im Hochdruckspeicher, von gewissen Schwankungen abgesehen, im Wesentlichen konstant ist. Während jedes der Einspritzvorgänge E₁, E₂ und E₃, die eine Zeitdauer ∆t₁, ∆t₂ bzw. ∆t₃ andauern, sinkt der Druck p im Hochdruckspeicher jeweils um einen bestimmten Wert, insgesamt damit um einen Wert ∆p. Die zugehörige charakteristische Dauer ist hier ein Äquivalent einer Einfacheinspritzung, bei welcher dieselbe Soll-Menge abgegeben wird, wie die Summe der Einspritzungen E1 bis E3, z.B. die Summe der einzelnen Soll-Offenzeiten t1 bis t3, ergibt.
Die Druckänderung ∆p wird dabei ermittelt, indem vor dem ersten Einspritzvorgang E₁, hier zum Zeitpunkt t₁₀, und nach dem letzten, hier dem dritten, Einspritzvorgang E₃, hier zum Zeitpunkt t₁₁, jeweils der Druck im Hochdruckspeicher ermittelt wird. Da die aktive Förderphase F₁ der Hochdruckpumpe, wodurch der Druck im Hochdruckspeicher wieder auf das Ausgansniveau angehoben wird, hier erst nach dem dritten Einspritzvorgang E₃ stattfindet, wird der Druck zwischen den einzelnen Einspritzvorgängen nicht verfälscht und es ist ausreichend, wenn die Druckänderung, wie sie durch die Einspritzvorgänge verursacht wird, durch die beiden erwähnten Messungen ermittelt wird.
Hierbei kann beispielhaft die Druckänderung, wie sie von allen während eines Arbeitszyklus vorgenommen, einzelnen Einspritzvorgängen verursacht wird, zur Ermittlung des repräsentativen Werts herangezogen werden. Für eine detailliertere Beschreibung zur Ermittlung des repräsentativen Werts bzw. des Korrekturwerts sei auf die noch folgenden Ausführungen verwiesen.
In 4 ist die in 3 dargestellte Situation gezeigt, jedoch mit dem Unterschied, dass die aktive Förderphase F₁ der Hochdruckpumpe zwischen dem zweiten Einspritzvorgang E₂ und dem dritten Einspritzvorgang E₃ einsetzt und erst kurz nach Beginn des dritten Einspritzvorgangs E₃ endet.
Die aufgrund der aktiven Förderphase F₁ erzeugte Druckerhöhung entspricht derjenigen in 3. Da diese jedoch früher einsetzt, steigt der Druck im Hochdruckspeicher zunächst über das Ausgangsniveau an, wird jedoch mit dem letzten Einspritzvorgang wieder auf das Ausgangsniveau gebracht.
Hier wird nun nur die von den beiden Einspritzvorgängen E₁ und E₂ verursachte Druckänderung ∆p ermittelt und zwar durch Ermittlung des Drucks vor dem ersten Einspritzvorgang E₁, hier zum Zeitpunkt t₁₀, und nach dem zweiten Einspritzvorgang E₂, hier zum Zeitpunkt t₁₂. Die Druckänderung ∆p ist hier zwar geringer als im 3 gezeigten Fall, jedoch wird für die Ermittlung des repräsentativen Werts auch eine entsprechend geringere Dauer für die hier nur zwei Einspritzvorgänge verwendet. Die zugehörige charakteristische Dauer ist hier dann bspw. ein Äquivalent einer Einfacheinspritzung, bei der dieselbe Soll-Menge abgegeben wird, wie die Summe der beiden einzelnen Einspritzvorgänge ergibt, z.B. kann hierzu die Summe der einzelnen Soll-Offenzeiten zur Berechnung verwendet werden.
In 4 ist die in 3 und 4 dargestellte Situation gezeigt, jedoch mit dem Unterschied, dass die aktive Förderphase F₁ der Hochdruckpumpe vor dem Ende des zweiten Einspritzvorgangs E₂ beginnt und zwischen dem zweiten Einspritzvorgangs E₂ und dem dritten Einspritzvorgang E₃ endet.
Hier liegen nun – im Gegensatz zu den in den 3 und 4 gezeigten Fällen – keine wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Einspritzvorgänge vor, deren gemeinsam verursachte Druckänderung ermittelt werden könnte. Vielmehr liegt zwischen dem ersten Einspritzvorgang E₁ und dem dritten Einspritzvorgang E₃, die für sich genommen unverfälscht bzgl. der Druckänderung sind, eine Druckerhöhung aufgrund der aktiven Förderphase der Hochdruckpumpe vor, die zudem von dem zweiten Einspritzvorgang E₂ überlagert wird. Die von dem ersten Einspritzvorgang E₁ und dem dritten Einspritzvorgang E₃ verursachten, individuellen Druckänderungen sind hier mit ∆p₁ bzw. ∆p₃ bezeichnet.
Hier werden nun die beiden individuellen Druckänderungen ∆p₁ und ∆p₃ separat ermittelt und zwar durch Ermittlung des Drucks vor dem ersten Einspritzvorgang E₁, hier zum Zeitpunkt t₁₀, und danach, hier zum Zeitpunkt t₁₃, sowie vor dem dritten Einspritzvorgang E₃, hier zum Zeitpunkt t₁₄, und danach, hier zum Zeitpunkt t₁₅. Die insgesamt durch die Einspritzvorgänge E₁ und E₃ verursachte Druckänderung ∆p ergibt sich dann – wie gezeigt – durch Addition der beiden individuellen Druckänderungen ∆p₁ und ∆p₃.
Hierzu sei angemerkt, dass bei der Ermittlung der individuellen Druckänderungen für mehrere, einzelne Einspritzvorgänge jede dieser individuellen Druckänderungen auch mess- bzw. ermittelbar, zumindest hinreichend genau, sein muss. Sofern bspw. eine von einem dieser beiden Einspritzvorgänge verursachte individuelle Druckänderung nicht oder nicht hinreichend genau messbar sein sollte, kann auch nur die eine verbleibende Druckänderung mit der entsprechenden Dauer zur Ermittlung des repräsentativen Werts herangezogen werden.
Die Erfassung und Auswertung dieser in den 3 bis 5 gezeigten Druckänderungen bei den Einspritzvorgängen erfolgt dabei mit üblicherweise ohnehin vorhandenen Komponenten, wie bspw. dem Drucksensor 190 und dem Motorsteuergerät 180 inkl. entsprechender Eingangsbeschaltung. Zusätzliche Komponenten sind daher nicht nötig.
Diese Auswertung erfolgt individuell für jeden Brennraum 105 und damit injektorindividuell. Dadurch wird eine Zumessstreuung zwischen den Brennräumen reduziert und es können bspw. verkokte oder defekte Injektoren bspw. in der Werkstatt (über einen Tester) besser identifiziert werden.
Die statische Durchflussrate Q_stat durch den Kraftstoffinjektor ist, wie bereits erwähnt, charakterisiert durch die eingespritzte Kraftstoffmenge bzw. dessen Volumen pro Zeit. In einem (in etwa) auf Systemdruck aufgepumpten Hochdruckspeicher bzw. Rail ist das eingespritzte Volumen proportional zum Druckeinbruch im Rail. Die zugehörige Zeitdauer entspricht dabei der Offendauer des Kraftstoffinjektors, die bspw., wie eingangs erwähnt, mechatronisch mittels 'Controlled Valve Operation' bestimmt werden kann.
Zu beachten ist dabei, dass zweckmäßigerweise die einzelnen Zeitdauern der einzelnen Einspritzvorgänge nicht nur addiert werden, sondern dass eine Zeitdauer ermittelt wird, die sich ergäbe, wenn die Kraftstoffmenge nur mittels eines einzigen Einspritzvorgangs eingespritzt würde. Hierzu können bspw. entsprechende Modelle verwendet und/oder Schließ- und Öffnungszeiten des Kraftstoffinjektors berücksichtigt werden.
Durch eine Quotientenbildung zwischen Druckeinbruch bzw. Druckänderung ∆p und Offendauer bzw. Zeitdauer der Einspritzung ∆t, die bspw. in etwa ∆t₁ + ∆t₂ + ∆t₃ entspricht, erhält man eine Druckrate als Ersatzwert bzw. repräsentativen Wert ∆p/∆t für die statische Durchflussrate Q_stat, d.h. für einen Messvorgang i gilt
Da mit den im System verfügbaren Komponenten dieser Ersatzwert für Q_stat in der Regel nur mit einer gewissen Genauigkeit bestimmt werden kann, ist ein geeignetes Verfahren zur Verfeinerung sinnvoll. Dies kann bspw. durch eine Mittelwertbildung oder andere mathematische Verfahren mittels geeigneter Softwareimplementierung erreicht werden. Der Bestimmungsfehler reduziert sich bei der Mittelwertbildung mit steigender Anzahl von Einzelmessungen. Somit ergibt sich also bspw. für n Messvorgänge
Zur Erreichung einer erforderlichen Genauigkeit ist in diesem Fall eine minimale Anzahl von Messungen nötig. Ist die erforderliche Anzahl von Messungen erreicht, so ist eine aussagekräftige Ersatzgröße für den statischen Durchflussrate Q_stat vorhanden.
Auf diese Art können für alle Injektoren entsprechende Ersatzgrößen bzw. repräsentative Werte gebildet werden. Weiterhin erfolgt die injektorindividuelle Korrektur zweckmäßigerweise relativ, d.h. die injektorindividuelle Ersatzgröße wird zum Mittelwert der entsprechenden Ersatzgrößen aller Kraftstoffinjektoren als Vergleichswert ins Verhältnis gesetzt. Durch diesen Relativansatz ist das Verfahren unabhängig von bspw. absoluten Fehlern des Drucksensors oder der Kraftstofftemperatur. Auf diese Weise ergibt sich bspw. ein Korrekturwert der Form
mit der Zylinder- bzw. Injektoranzahl Z. Hierbei ist auch zu sehen, dass mögliche Proportionalitätsfaktoren oder systematische Messfehler bei der Quotientenbildung wegfallen.
Ein globaler Mittelwertversatz der statischen Durchflussrate Q_stat, d.h. ein Versatz des Mittelwerts der statischen Durchflussraten aller Kraftstoffinjektoren der Brennkraftmaschine, wird durch diesen Relativansatz nicht korrigiert und wird, wie dies auch ohne Korrektur der statischen Durchflussrate einzelner Kraftstoffinjektoren möglich ist, bspw. durch die sog. Lambdaregelung bzw. -adaption kompensiert.
Der Korrekturwert wird nun beispielsweise zur Korrektur der Ansteuerdauern als für den Einspritzvorgang charakteristische Soll-Dauern verwendet, indem ein bei der Ermittlung der Ansteuerdauern verwendeter Wert für die statische Durchflussrate mit dem Korrekturwert multipliziert wird. Dies erfolgt bspw. in Form eines Faktors, der in der Rechenkette von Soll-Kraftstoffmenge zu Ansteuerdauer jedem Kraftstoffinjektor einen eigenen Umrechnungsfaktor zuweist, d.h. es entsteht ein injektorindividueller Wert für die jeweilige statische Durchflussrate.
Die beschriebene Korrektur der statischen Durchflussrate liefert besonders genaue Ergebnisse, wenn durch ein unterlagertes Verfahren wie bspw. 'Controlled Valve Operation' die Einflüsse der Nadeldynamik minimiert oder zumindest reduziert sind und somit ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen dem eingespritzten Volumen an Kraftstoff und einer messbaren Zeit (Offendauer) vorliegt. Somit können die beiden größten Zumessfehler, nämlich Fehler in der Nadeldynamik und in der statischen Durchflussrate, mit jeweils eigenen Verfahren physikalisch korrekt kompensiert werden.
Durch eine Kombination beider Verfahren kann eine möglichst optimale Gleichstellung der Zumessgenauigkeit aller Kraftstoffinjektoren bereitgestellt werden. Bei Systemen mit ausreichend genauer Druck-, Temperatur-, und Medienerfassung ist auch eine absolute Betrachtung möglich, die keine Korrektur über eine Messung des Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnisses bspw. mittels Lambdaregelung benötigt, wie bereits erwähnt.
In 6 ist schematisch ein Ablauf zur Ermittlung einer Ansteuerzeit ∆t'' für einen Kraftstoffinjektor anhand eines Werts Q_stat für eine statische Durchflussrate gezeigt. Aus einer Soll-Einspritzmenge ∆V_soll und dem, ggf. mit einem ermittelten Korrekturwert korrigierten Wert Q_stat für die statische Durchflussrate wird eine Soll-Offendauer ∆t' für den Kraftstoffinjektor, in einfacher Ausgestaltung gemäß einem Proportionalitätsgesetz, ermittelt. Aus der Soll-Offendauer ∆t' und dem Druck p im Hochdruckspeicher wird nun, vorzugsweise unter Verwendung von Kennfeldern, die Ansteuerzeit ∆t'' ermittelt, mit welcher der Kraftstoffinjektor dann angesteuert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009002593 A1 [0004]
DE 102007050813 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Ermitteln eines Korrekturwertes für eine Kraftstoffzumessung eines Kraftstoffinjektors (130) einer Brennkraftmaschine (100), bei der mittels des Kraftstoffinjektors (130) Kraftstoff aus einem Hochdruckspeicher (120) in einen Brennraum (105) eingespritzt wird, wobei der Kraftstoff während eines Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine (100) in mehreren getrennten Einspritzvorgängen (E₁, E₂, E₃) in den Brennraum (105) eingespritzt wird, wobei ein für eine statische Durchflussrate (Q_stat) durch den Kraftstoffinjektor (130) repräsentativer Wert ermittelt wird, indem für wenigstens einen der mehreren getrennten Einspritzvorgänge (E₁, E₂, E₃) ein Verhältnis einer im Hochdruckspeicher (120) durch den wenigstens einen der mehreren getrennten Einspritzvorgänge verursachten Druckänderung (∆p) und einer zugehörigen, für den wenigstens einen der mehreren getrennten Einspritzvorgänge (E₁, E₂, E₃) charakteristischen Dauer ermittelt wird, und wobei anhand eines Vergleichs des repräsentativen Wertes mit einem Vergleichswert der Korrekturwert ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der für die statische Durchflussrate (Q_stat) durch den Kraftstoffinjektor (130) repräsentative Wert anhand von wenigstens zwei der mehreren getrennten Einspritzvorgänge (E₁, E₂, E₃) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der der für die statische Durchflussrate (Q_stat) durch den Kraftstoffinjektor (130) repräsentative Wert anhand von wenigstens zwei aufeinanderfolgenden der mehreren getrennten Einspritzvorgänge (E₁, E₂, E₃) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Druckänderung anhand eines Drucks im Hochdruckspeicher (120) vor einem ersten (E₁) und nach einer letzten (E₃) der wenigstens zwei der mehreren getrennten Einspritzvorgänge ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Druckänderung (∆p) anhand einzelner Druckänderungen (∆p₁, ∆p₃), die durch die jeweiligen Einspritzvorgänge (E₁, E₃) verursacht werden, ermittelt wird, wobei jede der einzelnen Druckänderungen (∆p₁, ∆p₃) anhand eines Drucks im Hochdruckspeicher (120) vor und nach dem jeweiligen Einspritzvorgang (E₁, E₃) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der repräsentative Wert aus bei mehreren Arbeitszyklen ermittelten Verhältnissen von Druckänderung (∆p) und zugehöriger Dauer oder aus einem Mittelwert von bei mehreren Arbeitszyklen ermittelten Verhältnissen von Druckänderung (∆p) und zugehöriger Dauer ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Korrekturwert anhand eines Verhältnisses aus dem repräsentativen Wert und einem Mittelwert von entsprechenden repräsentativen Werten aller Kraftstoffinjektoren (130) der Brennkraftmaschine (100) ermittelt wird, und wobei insbesondere der Mittelwert der entsprechenden Korrekturwerte aller Kraftstoffinjektoren (130) der Brennkraftmaschine (100) derart eingestellt wird, dass ein gewünschtes Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnis im Abgas nicht verändert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei bei der Ermittlung der für den wenigstens einen der mehreren getrennten Einspritzvorgänge (E₁, E₂, E₃) charakteristischen Dauer wenigstens eine Größe aus Ist-Offendauer, Soll-Offendauer, Ansteuerzeit und Schließzeit des Kraftstoffinjektors (130) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Korrekturwert zur Korrektur eines bei der Ermittlung von für die Einspritzvorgänge charakteristischen Soll-Dauern verwendeten Werts für die statische Durchflussrate verwendet wird.
Recheneinheit (180), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (180) dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (180) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 11.