DE102016219015A1

DE102016219015A1 - Verbesserung des Kaltstartverhaltens von Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE102016219015A1
Application number: DE102016219015.6A
Authority: DE
Inventors: Winfried Langer; Florian Herzenjak; Jürgen Förster; Christian Mengler; Thorsten Allgeier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2018-04-05
Also published as: WO2018059819A1

Abstract

Verfahren (100) zur Ansteuerung eines Einspritzsystems (2) für einen mit Kraftstoff (3) betriebenen Verbrennungsmotor (4) eines Kraftfahrzeugs (1), wobei das Einspritzsystem (2) ein Rail (21) umfasst, aus dem der Kraftstoff (3) durch mindestens einen Injektor (22–25) in ein zu mindestens einem Brennraum (5, 52–55) führendes Saugrohr (6, 62–65) oder direkt in den Brennraum (5, 52–55) geführt ist, und wobei der Injektor (22–25) eine Magnetspule (22a–25a) umfasst und durch Bestromung der Magnetspule (22a–25a) zu öffnen ist, wobei die Magnetspule (22a–25a) mit einem Strom-Zeit-Profil (26) beaufschlagt wird, welches mit einem Strom I1 beginnt (110), der nominell für das Öffnen des Injektors (22–25) ausreicht, wobei überwacht wird (120), ob der Injektor (22–25) öffnet, und in Reaktion auf das Öffnen (130) oder auf ein Ausbleiben des Öffnens über einen vorgegebenen Zeitraum tO (140) das Strom-Zeit-Profil (26) auf einen Strom I0 abgesenkt wird (150), der geringer ist als zum Geöffnethalten des Injektors (22–25) notwendig.Zugehöriges Computerprogrammprodukt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Einspritzsystems in einem Verbrennungsmotor, der mit einem, insbesondere gasförmigen, Kraftstoff betrieben wird.
Stand der Technik
Ein Verbrennungsmotor hat einen oder mehrere Zylinder mit einem Brennraum, in den zu einem genau definierten Zeitpunkt im Arbeitszyklus des Zylinders eine genau definierte Kraftstoffmenge einzuspritzen ist. Für die Zumessung der Kraftstoffmenge werden Injektoren verwendet. Alle Injektoren bilden gemeinsam mit ihrer Ansteuerung ein Einspritzsystem.
Injektoren für gasförmige Kraftstoffe müssen eine besonders kleine Leckage aufweisen, damit das vorgegebene Zeit-Mengen-Profil für die Einspritzung genau eingehalten wird. An Stelle der bei Injektoren für flüssige Kraftstoffe üblichen Metall-Metall-Dichtungen an der Zumessstelle kommen daher vielfach Metall-Elastomer-Dichtungen zum Einsatz. Bei kalter Umgebungstemperatur neigen diese Dichtungen zum Kleben. Reicht die bei Ansteuerung des Injektors ausgeübte Öffnungskraft nicht aus, um zusätzlich zur Rückstellkraft der Ventilfeder und zum Gegendruck des Kraftstoffrails auch den durch das Kleben bewirkten Widerstand zu überwinden, so ist der Injektor nicht funktionsfähig und der Kaltstart gefährdet.
Aus der EP 1 950 409 B1 ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines Einspritzsystems bekannt, mit dem der Kaltstart eines bivalenten, d.h. wahlweise mit Benzin oder Gas betreibbaren, Verbrennungsmotors erleichtert werden kann.
Bei diesem Verfahren wird der Verbrennungsmotor zunächst im Benzinbetrieb gestartet, während die Gaszufuhr zum Rail für den Gasbetrieb gesperrt ist. Durch diejenigen Injektoren, die sich öffnen lassen, wird der Gasdruck im Rail schrittweise abgelassen, wobei das abgelassene Gas im Benzin-Gas-Mischbetrieb verbrannt wird. Ist das Rail drucklos, werden die Injektoren mit einem Dauerstrom angesteuert, um sie intern zu beheizen.
Bei einem monovalenten, d.h. nur mit Gas betriebenen, Verbrennungsmotor besteht ein noch dringenderer Bedarf, den Kaltstart zu erleichtern, da es bei einem Misslingen des Kaltstarts keine Möglichkeit gibt, das Kraftfahrzeug aus eigener Kraft fortzubewegen.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zur Ansteuerung eines Einspritzsystems für einen mit Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs entwickelt. Der Kraftstoff kann insbesondere gasförmig sein. Das Einspritzsystem umfasst eine im Folgenden Rail genannte Zuführung, aus der der Kraftstoff durch mindestens einen Injektor in ein zu mindestens einem Brennraum führendes Saugrohr oder direkt in den Brennraum geführt ist. Dabei kann der Injektor in der Nähe des in den Brennraum führenden Einlassventils angeordnet sein (Multi Point Injection). Der Injektor kann aber auch einen Mixer am Saugrohr vor oder nach der Drosselklappe speisen, von wo aus der Kraftstoff auf mehrere Zylinder verteilt wird (Central Point Injection).
Der Injektor umfasst eine Magnetspule und ist durch Bestromung der Magnetspule zu öffnen. Durch ihren ohmschen Widerstand ist die Magnetspule als Heizung für den Injektor verwendbar.
Der Kraftstoff kann insbesondere Erdgas (compressed natural gas, CNG) sein. Erfindungsgemäß wird die Magnetspule mit einem speziellen Strom-Zeit-Profil beaufschlagt. Dieses Strom-Zeit-Profil beginnt mit einem Strom I₁, der nominell für das Öffnen des Injektors ausreicht. Dabei wird überwacht, ob der Injektor öffnet. In Reaktion auf das Öffnen oder auf ein Ausbleiben des Öffnens über einen vorgegebenen Zeitraum t_O wird das Strom-Zeit-Profil auf einen Strom I₀ abgesenkt, der geringer ist als zum Geöffnethalten des Injektors notwendig. Der Strom I₀ kann insbesondere Null sein. Ein von Null verschiedener Strom I₀ kann verwendet werden, um den Injektor ständig mit einer gewissen Grundlast zu heizen.
Insbesondere kann der Injektor mit einem Dauerstrom I₁ beaufschlagt werden, der auf I₀ = 0 zurückgefahren wird, sobald der Injektor öffnet oder dieses Öffnen über den vorgegebenen Zeitraum t_O ausgeblieben ist.
Der Strom I₁ erzeugt am ohmschen Widerstand R der Magnetspule eine Verlustwärme, die bis an die Elastomer-Metall-Dichtung vordringt und dort für eine Temperaturerhöhung sorgt. Weiterhin übt der Anker eine dauerhafte Zugkraft auf den Ventilsitz aus. Infolge beider Einwirkungen wird der Injektor nach einiger Zeit öffnen und ist gleichzeitig auch für das Öffnen der folgenden Einblasimpulse besser vorbereitet.
Es wurde erkannt, dass dieses Verfahren nicht zwingend darauf angewiesen ist, das Rail zunächst drucklos zu machen. Die Zufuhr des gasförmigen Kraftstoffs zum Rail kann in üblicher Weise geöffnet sein. Dementsprechend kann mit der elektrischen Erwärmung von Injektoren, die sich zunächst nicht öffnen lassen, sofort begonnen werden. Weiterhin wird der Injektor nicht länger als nötig durch Bestromung erwärmt. In der Summe hat dies vorteilhaft zur Folge, dass es nicht erforderlich ist, den Verbrennungsmotor zunächst mit Benzin zu starten. Stattdessen können Öffnungsprobleme von Injektoren auch an monovalenten, rein gasbetriebenen, Verbrennungsmotoren behoben werden, wobei vor dem Motorstart die einzige zur Verfügung stehende Energiequelle die Fahrzeugbatterie ist.
Es gab im Stand der Technik weitere Versuche, Injektoren dauerhaft mit sehr niedrigen Stromstärken zu beaufschlagen, um Bewegungsenergie bzw. Heizenergie ohne ein tatsächliches Öffnen des Injektors in diesen einzubringen. Hierbei wurden also Stromstärken, die zum Öffnen des Injektors ausreichen, bewusst vermieden. Es wurde nun von den Erfindern erkannt, dass die Erwärmung des Injektors mit dem höheren Strom I₁ in Verbindung mit der Überwachung auf das Öffnen des Injektors deutlich effektiver ist und dennoch das Einbringen verbrennungsrelevanter Mengen an Kraftstoff in den Brennraum vermeidet: Nach dem Ohmschen Gesetz steigt die am Widerstand R der Magnetspule umgesetzte Leistung quadratisch mit dem Strom I.
Um die Magnetspule mit dem Strom-Zeit-Profil zu beaufschlagen, kann beispielsweise zu jedem Zeitpunkt eine Gleichspannung angelegt werden, die den aktuell geforderten Strom durch den ohmschen Widerstand der Magnetspule treibt. Diese Gleichspannung kann beispielsweise aus der Fahrzeugbatterie oder aus einem DC/DC-Wandler entnommen werden. Der aktuell geforderte Strom kann aber auch beispielsweise durch An- und Abschalten einer höheren Spannung in schneller Folge, analog dem Betrieb eines Schaltnetzteils, als Zeitmittel realisiert werden.
Die Überwachung, ob der Injektor öffnet, kann beispielsweise über den Raildruck p_R erfolgen. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beginnt daher das Strom-Zeit-Profil zeitlich in einem Zustand, in dem der Druck p_R in dem Rail höher ist als der Druck p_B auf der Einspritzseite im Saugrohr oder im Brennraum. Ein Absinken des Drucks p_R um mindestens einen vorgegebenen Differenzbetrag Δp_R wird als Signal für das Öffnen des Injektors gewertet.
Es wurde erkannt, dass der Raildruck p_R auch dann, wenn die Zufuhr des Kraftstoffs aus dem Vorratsbehälter aktiv ist, beim Öffnen des Injektors zumindest kurzzeitig abfällt. Da in den meisten existierenden Einspritzsystemen bereits ein Sensor für den Raildruck p_R verbaut ist, erfordert die Überwachung, ob der Injektor öffnet, somit keine zusätzliche Hardware. Die Auswertung des Raildrucks p_R kann insbesondere im Motorsteuergerät erfolgen. Das Verfahren kann im Endeffekt rein in Software oder Firmware implementiert sein, die beispielsweise auf dem Motorsteuergerät läuft. Diese Software kann beispielsweise als eigenständiges Produkt auf dem Nachrüstmarkt verkauft werden.
Eine Druckdifferenz zwischen dem Raildruck p_R und dem Druch p_B auf der Einspritzseite im Saugrohr oder im Brennraum existiert nicht nur dann, wenn die Zufuhr des Kraftstoffs aus dem Vorratsbehälter zum Rail aktiv ist. Ist diese Zufuhr gesperrt, ist zumindest ein Restdruck im Rail vorhanden, da das Kraftstoffsystem dicht ist. Es besteht also die freie Wahl, ob die Zufuhr des Kraftstoffs aktiviert wird oder nicht.
Ein Erkennen des Öffnens über den Druckabfall bietet weiterhin den Vorteil, dass bei mehreren elektrisch parallel oder in Reihe geschalteten Einzelinjektoren pro Zylinder, die gemeinsam angesteuert werden, in besonders einfacher Weise festgestellt werden kann, wie viele Einzelinjektoren offen sind. Werden mehrere gleiche Einzelinjektoren gemeinsam angesteuert, so ist der Druckabfall proportional zur Anzahl der geöffneten Injektoren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Öffnen des Injektors über ein Körperschallsignal detektiert. Dies ist schneller als die Erkennung über den Abfall des Raildrucks p_R um den Preis, dass ein zusätzlicher Sensor erforderlich ist, der in Einspritzsystemen nicht zur Standardausstattung gehört.
Vorteilhaft wird die Magnetspule eines jeden an dem Rail angeschlossenen Injektors im Wechsel mit einem injektorindividuellen Strom-Zeit-Profil beaufschlagt. Der Verlauf dieses Strom-Zeit-Profils richtet sich danach, ob und ggfs. wann der jeweilige Injektor öffnet. Sind mehrere Injektoren vorhanden, so werden diese bei kalten Umgebungstemperaturen typischerweise unterschiedlich stark von Verklebung betroffen sein. Die Beaufschlagung mit einem injektorindividuellen Strom-Zeit-Profil führt zum einen dazu, dass das Gängigmachen der Injektoren nicht zu einem Eintrag von verbrennungsrelevanten Mengen an Kraftstoff in den Brennraum führt. Zum anderen wird elektrische Energie eingespart, die beim Kaltstart eines monovalenten Verbrennungsmotors nur aus der Fahrzeugbatterie kommen kann. Ist hier nicht mehr genügend Energie für den Anlassvorgang gespeichert, ist der Start endgültig fehlgeschlagen.
Beispielsweise können die Magnetspulen der an das Rail angeschlossenen Injektoren zyklisch mit ihrem individuellen Strom-Zeit-Profil beaufschlagt werden, d.h., das Strom-Zeit-Profil des jeweils nächsten Injektors beginnt mit dem höheren Strom I₁, nachdem das Strom-Zeit-Profil des vorherigen Injektors auf den niedrigen Strom I₀ abgefallen ist. Das Signal für die Öffnung, also etwa ein Abfall des Raildrucks p_R oder ein Körperschallsignal, kann dann immer genau einem Injektor zugeordnet werden.
Insbesondere können in dem Verbrennungsmotor die Injektoren auf mehrere Railgruppen aufgeteilt sein, also an verschiedene, nicht untereinander verbundene Rails angeschlossen sein. Beispiele für derartige Motoren sind V-Motoren. Sofern das Öffnen eines Injektors in einer Railgruppe unabhängig von anderen Railgruppen detektiert werden kann, also beispielsweise jede Railgruppe ihren eigenen Drucksensor aufweist, können zu unterschiedlichen Railgruppen gehörende Injektoren gleichzeitig mit ihrem individuellen Strom-Zeit-Profil beaufschlagt werden. Beispielsweise können die Injektoren einer jeden Railgruppe zyklisch angesteuert werden, und dies kann für die verschiedenen Railgruppen parallel durchgeführt werden, um Zeit zu sparen.
Wenn mehrere Injektoren einen Mixer am Saugrohr vor oder nach der Drosselklappe speisen (Central Point Injection), ergibt sich gegenüber der Multi Point Injection, bei der die Injektoren in der Nähe der Einlassventile angeordnet sind, die Vereinfachung, dass die Zuordnung der Injektoren zu den einzelnen Zylindern nicht beachtet werden muss.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Strom-Zeit-Profil injektorindividuell wiederholt, bis eine vorgegebene Anzahl von Wiederholungen erreicht ist und/oder bis eine vorgegebene Anzahl von Injektoren in Reaktion auf die Bestromung geöffnet hat. Diese Maßnahmen tragen dazu bei, dass mit der elektrischen Energie aus der Fahrzeugbatterie sparsam gewirtschaftet wird, und erhöhen somit die Wahrscheinlichkeit, dass der Anlasser beim anschließenden Start noch genügend Energie in der Batterie vorfindet.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren in Reaktion auf eine Anforderung zum Starten des Verbrennungsmotors eingeleitet, und der Anlasser des Verbrennungsmotors wird gesperrt, solange die Wiederholung der Strom-Zeit-Profile noch nicht abgeschlossen ist. Auf diese Weise wird vermieden, dass ein Startversuch zu einem Zeitpunkt durchgeführt wird, zu dem er noch keine berechtigte Aussicht auf Erfolg hat. Insbesondere bei kalten Temperaturen reicht der Ladezustand der Fahrzeugbatterie möglicherweise nur für wenige Startversuche. Wenn der Anlasser freigegeben wird, werden die Injektoren anschließend nach dem normalen Einspritzschema angesteuert.
In einer alternativen besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren in Reaktion auf eine Anforderung zum Starten des Verbrennungsmotors eingeleitet. Zugleich wird der Anlasser des Verbrennungsmotors freigegeben. Dabei beginnt jedes Strom-Zeit-Profil für die Magnetspule eines Injektors zu dem Zeitpunkt, zu dem der Injektor gemäß dem Einspritzzyklus des Verbrennungsmotors regulär öffnen sollte. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass, wenn ein Injektor öffnet, dieser Injektor nahtlos in den Regelbetrieb übergehen kann und der Motorstart somit möglicherweise schneller erfolgt.
Zu diesem Zweck wird vorteilhaft das Absenken des Strom-Zeit-Profils von I₁ nach I₀ bis zu dem Zeitpunkt verzögert, zu dem der Injektor gemäß dem Einspritzzyklus des Verbrennungsmotors regulär schließen sollte. Mit anderen Worten, nach dem Öffnen des Injektors wird die Bestromung um die geforderte Einspritzzeit abzüglich eines Betrages für die Erkennungszeit des Öffnens verlängert, wenn die Einblasung ab diesem Zeitpunkt noch Sinn macht, wenn also beispielsweise bei Multi Point Injection das Einlassventil noch offen ist.
Die Beaufschlagung der Injektoren mit dem Strom-Zeit-Profil kann nicht nur vor dem Motorstart erfolgen, sondern auch noch nach dem Motorstart, etwa beim Motorhochlauf oder Motorwarmlauf, um Öffnungsprobleme an einzelnen Injektoren zu beheben und so die Laufruhe des Verbrennungsmotors herzustellen.
Wie bereits erwähnt, kann das Verfahren durchgeführt werden, wenn an den Injektoren der volle Kraftstoffdruck anliegt. Als zusätzliche Maßnahme zum Gängigmachen besonders stark von Verklebung betroffener Injektoren kann jedoch auch in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Zufuhr von Kraftstoff vom Vorratsbehälter in das Rail gesperrt werden, solange die Wiederholung der Strom-Zeit-Profile noch nicht abgeschlossen ist. Bei jeder Öffnung eines Injektors vermindert sich nun der Raildruck p_R weiter, und dieser Druckabfall wird nicht nachgefüllt. Mit dem Raildruck p_R vermindert sich dann sukzessive auch der Gegendruck, gegen den die Injektoren öffnen müssen. Sind die insgesamt im Verbrennungsmotor vorhandenen Injektoren auf mehrere Railgruppen verteilt, die an untereinander nicht verbundene Rails angeschlossen sind, so kann beispielsweise nur die Zufuhr zu einem Rail abgesperrt werden, an dem Injektoren angeschlossen sind, die sich besonders schlecht öffnen lassen.
Insbesondere in einer derartigen Ausgestaltung mit mehreren Railgruppen kann die Zufuhr des Kraftstoffs vorteilhaft in Reaktion auf eine Lastanforderung an den Verbrennungsmotor, und/oder bei Unterschreiten eines Mindestdrucks p_min im Rail, vorzeitig freigegeben werden.
Das Verfahren kann prinzipiell bei jedem Motorstart durchgeführt werden. Die Verklebung tritt jedoch bevorzugt bei tiefen Außentemperaturen auf. Daher wird in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Beaufschlagung der Magnetspule des Injektors mit dem Strom-Zeit-Profil davon abhängig gemacht, dass die Umgebungstemperatur T einen vorgegeben Mindestwert T_C erreicht oder unterschreitet. Insbesondere kann je nach Umgebungstemperatur T die konkrete Ausgestaltung des Verfahrens ausgewählt werden: Sowohl das Ausmaß der Verklebung in den Injektoren als auch die aus der Fahrzeugbatterie verfügbare Energiemenge sind temperaturabhängig.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verbrennungsmotor gewählt, bei dem mindestens ein Zylinder über mindestens zwei elektrisch gemeinsam angesteuerte Einzelinjektoren, die einen Injektor bilden, mit Kraftstoff versorgt wird. Dabei wird beim Anlegen des Strom-Zeit-Profils erkannt, wieviele Einzelinjektoren öffnen. Wie bereits erwähnt, ist diese Erkennung über den Abfall des Raildrucks p_R besonders einfach. Sobald erkannt wird, dass mindestens ein Einzelinjektor öffnet, sollte vorteilhaft das Stromprofil von I₁ nach I₀ abfallen, damit durch den geöffneten Einzelinjektor nicht unkontrolliert Kraftstoff austritt.
Gerade bei LKW-Motoren kommen auch Kraftstoffsysteme mit zwei oder mehr elektrisch parallel oder in Serie geschalteten Einzelinjektoren zur Anwendung. Beispielsweise ist es bei der Benutzung von PKW-Injektoren (NGI2) als Einzelinjektoren in der Regel erforderlich, mehrere Einzelinjektoren parallel oder in Reihe zu schalten, um den geforderten Kraftstoffdurchfluss zu gewährleisten. Es ist daher nicht erkennbar, welche der einem Zylinder zugeordneten Einzelinjektoren öffnen und welche nicht. Indem jedoch eine bestimmte Zahl an geöffneten Einzelinjektoren sichergestellt werden kann, kann die korrekte Funktion des Zylinders gewährleistet werden.
Zu diesem Zweck kann beispielsweise in Reaktion darauf, dass mindestens einer der gemeinsam angesteuerten Einzelinjektoren nicht öffnet, das Motorsteuergerät im Motorbetrieb dazu veranlasst werden, in folgenden Einspritzzyklen die Ansteuerdauer der gemeinsam angesteuerten Einzelinjektoren (d.h., die Ansteuerdauer des aus diesen Einzelinjektoren gebildeten Injektors) zu verlängern, um die auf Grund der Nichtöffnung fehlende Einspritzmenge an Kraftstoff zu kompensieren.
Auf diese Weise kann insbesondere gewährleistet werden, dass das Gemisch innerhalb der Brenngrenzen liegt. Liegt das Gemisch außerhalb der Brenngrenzen, führt dies zu Zündaussetzern, schlechten Emissionswerten oder gar zum Nichtstarten des Motors.
Generell ergibt sich zumindest bei einem der angesteuerten Einzelinjektoren pro Zylinder eine der beschriebenen positiven Wirkungen, wobei der andere Einzelinjektor für das Öffnen zumindest vorbereitet wird. Die Starteigenschaft des Motors wird also im statistischen Mittel verbessert.
Um die Anzahl der geöffneten Einzelinjektoren zu ermitteln, kann beispielsweise der beim Ansteuern der einem ersten Zylinder zugeordneten Einzelinjektoren bewirkte Abfall im Raildruck p_R mit dem beim Ansteuern der einem zweiten oder weiteren Zylinder zugeordneten Einzelinjektoren bewirkten Abfall im Raildruck p_R verglichen werden. Fällt beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor mit drei oder mehr Zylindern nur ein Zylinder dahingehend aus dem Rahmen, dass beim Ansteuern der ihm zugeordneten Einzelinjektoren der Abfall im Raildruck p_R geringer ist, so kann erkannt werden, dass nicht alle diesem Zylinder zugeordneten Einzelinjektoren geöffnet sind.
Auf dem gleichen Wege kann auch ermittelt werden, dass ein ursprünglich nicht geöffneter Einzelinjektor durch das Erwärmen mit dem Strom I₁, und/oder durch anderweitige Erwärmung, letztlich doch noch zum Öffnen gebracht werden konnte. Vorteilhaft wird dann die Verlängerung der Ansteuerdauer im Motorbetrieb entsprechend rückgängig gemacht. Insbesondere kann die Ansteuerdauer wieder auf ihren Standardwert zurückgesetzt werden, wenn erkannt wurde, dass alle dem Zylinder zugeordneten Einzelinjektoren öffnen, d.h., dass der aus diesen Einzelinjektoren gebildete Injektor voll funktionsfähig ist.
Nach dem zuvor Gesagten kann die Erfindung ganz oder teilweise in Software implementiert sein und, sofern im Fahrzeug bereits vorhandene Sensoren genutzt werden können, gänzlich ohne Hardwareänderung realisiert werden. Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Computerprogrammprodukt mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer oder auf einem Motorsteuergerät ausgeführt werden, den Computer bzw. das Motorsteuergerät dazu veranlassen, ein Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Es zeigt:
1 Kraftfahrzeug 1 mit Verbrennungsmotor 4, konfiguriert für die Anwendung des Verfahrens 100;
2 Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens 100;
3 Gängigmachen eines Injektors 22–25 durch Dauerbestromung;
4 Anwendung des Verfahrens 100 an einem Verbrennungsmotor 4 mit vier Injektoren 22–25;
5 Ausgleich für einen Injektor 24, der einen funktionierenden Einzelinjektor und einen verklebten Einzelinjektor umfasst.
Nach 1 enthält das Kraftfahrzeug 1 einen Vorratsbehälter 31 für Kraftstoff 3. Über ein Absperrventil 32 wird der Kraftstoff 3 dem Rail 21 des Verbrennungsmotors 4 zugeführt.
Der Verbrennungsmotor 4 umfasst vier Zylinder 42–45, die jeweils einen Brennraum 52–55 umschließen, sowie einen vom Motorsteuergerät 47 ansteuerbaren Anlasser 41. Jedem Brennraum 52–55 wird der Kraftstoff 3 über einen eigenen Injektor 22–25 zugemessen, der durch Bestromung einer Magnetspule 22a–25a zu öffnen ist. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist der Kraftstoff 3 jeweils durch einen Injektor 22–25 in ein zum jeweiligen Brennraum 52–55 führendes Saugrohr 62–65 geführt. Jede Magnetspule 22a–25a wird vom Motorsteuergerät 47 mit einem injektorindividuellen Strom-Zeit-Profil 26 beaufschlagt. Der Raildruck p_R wird über den Drucksensor 46 gemessen und dem Motorsteuergerät 47 zugeleitet.
2 verdeutlicht ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100 als Ablaufdiagramm. Das Verfahren wird durch die Anforderung 105 zum Starten des Verbrennungsmotors 4 eingeleitet. In der Abfrage 101 wird zunächst geprüft, ob die Umgebungstemperatur T kleiner oder gleich der Schwelle T_C ist. Ist dies nicht der Fall (Wahrheitswert 0), wird das Verfahren beendet. Ist T ≤ T_C, so wird in Schritt 110 die Magnetspule 22a–25a des Injektor 22–25 mit dem Strom I₁ beaufschlagt, der zur Öffnung des Injektors 22–25 ausreicht. Parallel hierzu wird in Block 120 überwacht, ob der Injektor 22–25 öffnet. Hierzu wird in Unterblock 122 der beim Öffnen entstehende Abfall des Raildrucks p_R ausgewertet. Alternativ oder in Kombination hierzu wird in Unterblock 124 das beim Anschlag des Injektors 22–25 in seiner geöffneten Endposition entstehende Körperschallsignal ausgewertet.
Der Strom I durch die Magnetspule 22a–25a bleibt auf dem hohen Niveau I₁, bis in Block 130 das Öffnen des Injektors 22–25 festgestellt wird oder in Block 140 festgestellt wird, dass dieses Öffnen während des vorgegebenen Zeitraums mit der Dauer t_O ausgeblieben ist. Jedes dieser beiden Ereignisse liefert den Anlass, in Block 150 den Strom I auf das Niveau I₀ zurückzufahren, das zum Offenhalten des Injektors 22–25 nicht mehr ausreicht.
Das Strom-Zeit-Profil 26 umfasst also ab Block 110 eine erste Phase, in der der Strom I auf dem Niveau I₁ ist, und ab Block 150 eine zweite Phase, in der der Strom I auf dem Niveau I₀ ist. Der in 2 umrandete Zyklus 160 wird für jeden der am Rail 21 angeschlossenen Injektoren 22–25 durchgeführt und gemäß Verzweigung 170 so lange wiederholt, bis eine vorgegebene Anzahl von Wiederholungen erreicht ist und/oder bis eine vorgegebene Anzahl von Injektoren 22–25 in Reaktion auf die Bestromung geöffnet hat.
3a zeigt die Abhängigkeiten I(t) des Injektorstroms I, x(t) des Injektorhubes x, p_R(t) des Raildrucks p_R sowie m(t) der eingeblasenen Kraftstoffmenge m von der Zeit t für einen Injektor 22–25, der bei Bestromung mit der Stromstärke I₁ unmittelbar öffnet. Der beim Öffnen entstehende Abfall des Raildrucks p_R(t) liefert den Anlass 130, den Strom I auf I₀ = 0 zurückzufahren, woraufhin der Injektor 22–25 wieder schließt. Dementsprechend steigt die insgesamt durch den Injektor 22–25 durchgelassene Menge m(t) an Kraftstoff 3 nur sehr kurzzeitig von Null auf ein kleines Niveau an und verharrt dann konstant dort.
3b zeigt die in 3a dargestellten Zeitverläufe I(t), x(t), p_R(t) sowie m(t) für den Fall, dass der Injektor 22–25 zunächst verklebt ist. Solange der Injektor 22–25 noch nicht geöffnet hat, wird der Strom I auf dem Niveau I₁ gehalten. Der Abfall des Raildrucks p_R liefert wiederum den Anlass, den Strom I auf das Niveau I₀ = 0 zurückzufahren. Analog zu 3a gelangt nur während eines kurzen Zeitraums eine kleine Menge m an Kraftstoff 3 durch den Injektor 22–25.
Nur zum Vergleich zeigt 3c die Zeitverläufe I(t), x(t), p_R(t) sowie m(t) für eine normale Einspritzung von Kraftstoff 3 durch den Injektor 22–25 im gleichen Maßstab wie in den 3a und 3b. Der Injektor 22–25 ist hier wesentlich länger geöffnet als in 3b. Dementsprechend lange steigt auch die Menge m(t) des insgesamt eingeblasenen Kraftstoffs 3 an und erreicht ein im Vergleich zu den 3a und 3b hohes Niveau.
4 zeigt die Anwendung des Verfahrens an einem Verbrennungsmotor 4 mit vier Injektoren 22–25. Aufgetragen sind die Verläufe p_R(t) des Raildrucks p_R, I(t, 22–25) der Injektorströme für die Injektoren 22–25, 41(t) des Anlasserbetriebes 41 sowie n(t) der Drehzahl n in Abhängkeit der Zeit t. Zum Zeitpunkt t_S wird die Zündung eingeschaltet (Startanforderung, Verfahrensschritt 105) und der Raildruck p_R aufgebaut. Dieser Raildruck p_R bricht nun immer dann kurzzeitig ein, wenn einer der Injektoren 22–25 öffnet.
Der Vergleich mit den Injektorströmen I(t, 22–25) offenbart das jeweilige Verhalten der Injektoren 22–25. Der erste Injektor 22 öffnet sofort bei Bestromung mit dem Strom I₁. Daher wird der Strom sofort wieder auf das Niveau I₀ = 0 zurückgefahren. Der zweite Injektor 23 öffnet erst nach längerer Bestromung mit dem Strom I₁ und entsprechender Wärme- und Krafteinwirkung; der Injektor 23 wird durch diese Maßnahme jedoch letztendlich ans Funktionieren gebracht. Der dritte Injektor 24 öffnet auch nach Bestromung mit dem Strom I₁ für die Höchstdauer t_O nicht. Daher wird die Bestromung dieses Injektors 24 abgebrochen und zur Bestromung des vierten Injektors 25 übergangen. Dieser wiederum öffnet sofort.
Damit ist ein Zyklus 160 komplett, an dessen Ende die Injektoren 22, 23 und 25 ans Funktionieren gebracht werden konnten. Nur der Injektor 24 funktioniert noch nicht. Dennoch wird nach diesem Zyklus 160 der Anlasser 41 freigegeben und ein Start mit nur drei Injektoren versucht. Anschließend finden Startmengeneinblasungen 41a und 41b statt. Der Start ist letztendlich erfolgreich; als der Verbrennungsmotor 4 anspringt, steigt die Drehzahl n(t) rapide an. Damit ist der Anlasser 41 überflüssig geworden und wird abgestellt.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel an einem Verbrennungsmotor 4, bei dem vier Injektoren 22–25 jeweils als Parallelschaltungen aus zwei Einzelinjektoren (ohne Bezugszeichen) realisiert sind. Aufgetragen sind die Zeitverläufe 41(t) des Anlasserbetriebs 41, 32(t) der Schaltstellung des Absperrventils 32, p_R(t) des Raildrucks p_R sowie I(t, 22–25) der Injektorströme für die Injektoren 22–25. Zunächst sind sowohl der Anlasser 41 als auch das Absperrventil 32 gesperrt (Betrieb bzw. Schaltstellung 0), und die vier Injektoren 22–25 werden durch kurze Testpulse mit dem Strom I₁ getestet. Dabei wird jeweils ausgewertet, ob der Raildruck p_R(t) sinkt und, wenn ja, wie stark.
Alle Injektoren 22–25 öffnen, wobei der Raildruck p_R(t) mit jeder Testöffnung progressiv weiter sinkt, da er wegen des gesperrten Absperrventils (32) nicht aus dem Vorratstank 31 nachgefüllt wird. Beim Öffnen des Injektors 24 fällt auf, dass der Abfall des Raildrucks p_R(t) nur halb so groß ist wie beim Öffnen der anderen Injektoren 22, 23 und 25 (in 5 durch Pfeil A verdeutlicht). Dies zeigt, dass nur einer der parallel geschalteteten Einzelinjektoren, die zusammen den Injektor 24 bilden, öffnet.
Mit diesem Wissen wird der Anlasser 41 freigegeben (Betrieb 1). Zugleich wird das Absperrventil 32 geöffnet und somit die Zufuhr des Kraftstoffs 3 aus dem Vorratsbehälter 31 freigegeben. Bei den anschließenden Einspritzungen mit den Injektoren 22–25 wird die Ansteuerdauer (Pulsbreite) des Injektors 24 im Vergleich zur Ansteuerdauer der anderen Injektoren 22, 23 und 25 verdoppelt, um trotz des halbierten Durchsatzes die geforderte Menge an Kraftstoff 3 einzuspritzen. Damit steht trotz des Ausfalls eines Einzelinjektors im Zylinder ein zündfähiges Gemisch zur Verfügung, und ein sicherer Motorstart ist gewährleistet.
In analoger Weise zu den Testpulsen führt jede Einspritzung von Kraftstoff 3 aus einem der Injektoren 22–25 zu einem kurzzeitigen Abfall des Raildrucks p_R(t), wobei der Druckabfall für den Injektor 24 wiederum nur halb so groß ist (in 5 durch Pfeil B verdeutlicht). Im Unterschied zu den Testpulsen wird der Raildruck p_R(t) jedoch durch das geöffnete Absperrventil 32 immer wieder auf den Nenndruck p_N aufgefüllt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1950409 B1 [0004]

Claims

Verfahren (100) zur Ansteuerung eines Einspritzsystems (2) für einen mit Kraftstoff (3) betriebenen Verbrennungsmotor (4) eines Kraftfahrzeugs (1), wobei das Einspritzsystem (2) ein Rail (21) umfasst, aus dem der Kraftstoff (3) durch mindestens einen Injektor (22–25) in ein zu mindestens einem Brennraum (5, 52–55) führendes Saugrohr (6, 62–65) oder direkt in den Brennraum (5, 52–55) geführt ist, und wobei der Injektor (22–25) eine Magnetspule (22a–25a) umfasst und durch Bestromung der Magnetspule (22a–25a) zu öffnen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (22a–25a) mit einem Strom-Zeit-Profil (26) beaufschlagt wird, welches mit einem Strom I₁ beginnt (110), der nominell für das Öffnen des Injektors (22–25) ausreicht, wobei überwacht wird (120), ob der Injektor (22–25) öffnet, und in Reaktion auf das Öffnen (130) oder auf ein Ausbleiben des Öffnens über einen vorgegebenen Zeitraum t_O (140) das Strom-Zeit-Profil (26) auf einen Strom I₀ abgesenkt wird (150), der geringer ist als zum Geöffnethalten des Injektors (22–25) notwendig.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strom-Zeit-Profil (26) zeitlich in einem Zustand beginnt, in dem der Druck p_R in dem Rail (21) höher ist als der Druck p_B auf der Einspritzseite im Saugrohr (6, 62–65) oder im Brennraum (5, 52–55), wobei ein Absinken des Drucks p_R um mindestens einen vorgegebenen Differenzbetrag Δp_R als Signal für das Öffnen des Injektors (22–25) gewertet wird (122).
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen des Injektors (22–25) über ein Körperschallsignal detektiert wird (124).
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (22a–25a) eines jeden an dem Rail (21) angeschlossenen Injektors (22–25) im Wechsel mit einem injektorindividuellen Strom-Zeit-Profil (26) beaufschlagt wird (160).
Verfahren (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektoren (22–25) des Verbrennungsmotors (4) auf mehrere Railgruppen aufgeteilt sind, wobei zu unterschiedlichen Railgruppen gehörende Injektoren (22–25) gleichzeitig mit ihrem injektorindividuellen Strom-Zeit-Profil beaufschlagt werden (160).
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strom-Zeit-Profil (26) injektorindividuell wiederholt wird (170), bis eine vorgegebene Anzahl von Wiederholungen erreicht ist und/oder bis eine vorgegebene Anzahl von Injektoren (22–25) in Reaktion auf die Bestromung geöffnet hat.
Verfahren (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in Reaktion auf eine Anforderung (105) zum Starten des Verbrennungsmotors (4) eingeleitet wird und dass der Anlasser (41) des Verbrennungsmotors (4) gesperrt wird, solange die Wiederholung der Strom-Zeit-Profile (26) noch nicht abgeschlossen ist.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Reaktion auf eine Anforderung (105) zum Starten des Verbrennungsmotors (4) das Verfahren (100) eingeleitet und zugleich der Anlasser (41) des Verbrennungsmotors (4) freigegeben wird, wobei jedes Strom-Zeit-Profil (26) für die Magnetspule (22a–25a) eines Injektors (22–25) zu dem Zeitpunkt beginnt, zu dem der Injektor (22–25) gemäß dem Einspritzzyklus des Verbrennungsmotors (4) regulär öffnen sollte.
Verfahren (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Absenken des Strom-Zeit-Profils (26) von I₁ nach I₀ bis zu dem Zeitpunkt verzögert wird, zu dem der Injektor (22–25) gemäß dem Einspritzzyklus des Verbrennungsmotors (4) regulär schließen sollte.
Verfahren (100) nach Anspruch 6 sowie optional einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Kraftstoff (3) vom Vorratsbehälter (31) in das Rail (21) gesperrt wird, solange die Wiederholung der Strom-Zeit-Profile (26) noch nicht abgeschlossen ist.
Verfahren (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Kraftstoffs (3) in Reaktion auf eine Lastanforderung an den Verbrennungsmotor (4), und/oder bei Unterschreiten eines Mindestdrucks p_min im Rail (21), vorzeitig freigegeben wird.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung der Magnetspule (22a–25a) des Injektors (22–25) mit dem Strom-Zeit-Profil (26) davon abhängig gemacht wird (101), dass die Umgebungstemperatur T einen vorgegeben Mindestwert T_C erreicht oder unterschreitet.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbrennungsmotor (4) gewählt wird, bei dem mindestens ein Zylinder (42–45) über mindestens zwei elektrisch gemeinsam angesteuerte Einzelinjektoren, die gemeinsam einen Injektor (22–25) bilden, mit Kraftstoff (3) versorgt wird, wobei beim Anlegen des Strom-Zeit-Profils (26) erkannt wird, wieviele Einzelinjektoren öffnen.
Verfahren (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Reaktion darauf, dass mindestens einer der gemeinsam angesteuerten Einzelinjektoren nicht öffnet, das Motorsteuergerät (47) im Motorbetrieb dazu veranlasst wird, in folgenden Einspritzzyklen die Ansteuerdauer der gemeinsam angesteuerten Einzelinjektoren zu verlängern, um die auf Grund der Nichtöffnung fehlende Einspritzmenge an Kraftstoff (3) zu kompensieren.
Computerprogrammprodukt, enthaltend maschinenlesbare Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer oder auf einem Motorsteuergerät (47) ausgeführt werden, den Computer bzw. das Motorsteuergerät (47) dazu veranlassen, ein Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 auszuführen.