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Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für ein Einspritzsystem zur Steuerung eines Abstands zwischen Kraftstoffeinspritzungen und ein entsprechendes Verfahren.
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Aus der US10371071 BB sind eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, wobei ein Injektor basierend auf einem Vergleich zwischen Ist- und Zielwerten von Verbrennungsparametern geregelt wird.
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Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung umfasst ein Einspritzsystem und ein Steuergerät. Das Einspritzsystem umfasst einen Injektor. Das Steuergerät ist ausgebildet und eingerichtet:
- - den Injektor für eine erste Einspritzung von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum anzusteuern,
- - einen zeitlichen Abstand zu ermitteln und
- - den Injektor nach dem zeitlichen Abstand für eine zweite Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum anzusteuern, wobei
- - das Steuergerät den zeitlichen Abstand so ermittelt, dass ein Verbrennungsprozess des Kraftstoffs der ersten Einspritzung nach Ablauf des zeitlichen Abstands beendet ist.
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Dadurch, dass das Steuergerät den zeitlichen Abstand so ermittelt, dass ein Verbrennungsprozess des Kraftstoffs der ersten Einspritzung nach Ablauf des zeitlichen Abstands beendet ist, ermöglicht die Erfindung, dass Rußemissionen und Kraftstoffverbrauch reduziert werden. Wenn die zweite Einspritzung vor Ablauf des zeitlichen Abstands erfolgt, begünstigt dies Rußemissionen, da der Kraftstoff in den brennenden Kraftstoff der ersten Einspritzung eingebracht wird. Wenn die zweite Einspritzung deutlich nach Ablauf des zeitlichen Abstands erfolgt, werden ein Anstieg in Kraftstoffverbrauch und Verbrennungsgeräusch begünstigt.
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Bevorzugt steuert das Steuergerät den Injektor für die zweite Einspritzung daher unmittelbar nach Ablauf des zeitlichen Abstands an. Unmittelbar bedeutet hierbei maximal 0,01 Sekunden, bevorzugt maximal 0,001 Sekunden, besonders bevorzugt maximal 0,0001 Sekunden nach Ablauf des zeitlichen Abstands.
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Das Steuergerät ist nicht auf das Ansteuern einer ersten und einer zweiten Einspritzung beschränkt. Wenn das Steuergerät den Injektor für drei oder mehr Einspritzungen ansteuert, ermittelt das Steuergerät entsprechend zwei oder mehr zeitliche Abstände, nach denen es den Injektor für die jeweilige Einspritzung ansteuert.
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Vorzugsweise ist das Steuergerät ausgebildet und eingerichtet, zum Ermitteln des zeitlichen Abstands eine Zündverzugszeit des Kraftstoffs der ersten Einspritzung zu berücksichtigen. Dadurch, dass zum Ermitteln des zeitlichen Abstands eine Zündverzugszeit des Kraftstoffs der ersten Einspritzung berücksichtigt wird, ermöglicht die Erfindung, dass das Steuergerät beim Bestimmen des zeitlichen Abstands chemische und/oder physikalische Eigenschaften des Kraftstoffs der ersten Einspritzung sowie thermodynamische Bedingungen berücksichtigen kann.
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Chemische Eigenschaften eines Kraftstoffs können beispielsweise eine Zusammensetzung des Kraftstoffs und/oder kinetische Reaktionen sein. Physikalische Eigenschaften können beispielsweise eine Verdunstungsenthalpie, eine Siedekurve und/oder eine Viskosität sein. Als thermodynamische Bedingungen können eine Temperatur, Druck und/oder Zusammensetzung im Verbrennungsraum, ein Einspritzdruck und/oder Wandtemperaturen des Verbrennungsraums sein.
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Vorzugsweise ist das Steuergerät ausgebildet und eingerichtet, zum Ermitteln des zeitlichen Abstands eine Brenndauer des Kraftstoffs der ersten Einspritzung zu berücksichtigen. Dadurch, dass das Steuergerät zum Ermitteln des zeitlichen Abstands eine Brenndauer des Kraftstoffs der ersten Einspritzung berücksichtigt, ermöglicht die Erfindung, dass das Steuergerät beim Ermitteln des zeitlichen Abstands reaktionskinetische Effekte, die die Brenndauer beeinflussen, berücksichtigen kann.
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Vorzugsweise ist das Steuergerät ausgebildet und eingerichtet ist, zum Ermitteln des zeitlichen Abstands einen Zeitverzug zwischen Ansteuerung und tatsächlichem Öffnen des Injektors für die zweite Einspritzung zu berücksichtigen. Dadurch, dass zum Ermitteln des zeitlichen Abstands ein Zeitverzug zwischen Ansteuerung und tatsächlichem Öffnen des Injektors für die zweite Einspritzung berücksichtigt wird, ermöglicht die Erfindung, dass der Injektor möglichst unmittelbar nach Ablauf des zeitlichen Abstands tatsächlich öffnet. Ein unerwünschtes Verschieben des tatsächlichen Öffnens des Injektors zu einem späteren Zeitpunkt mit unvorteilhaften Auswirkungen auf Kraftstoffverbrauch und Geräuschemissionen kann so vermieden oder zumindest reduziert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln eines zeitlichen Abstands zwischen einer ersten und einer zweiten Einspritzung ermittelt den zeitlichen Abstand so, dass ein Verbrennungsprozess eines Kraftstoffs der ersten Einspritzung nach Ablauf des zeitlichen Abstands beendet ist. Dadurch, dass das der zeitliche Abstand so ermittelt wird, dass ein Verbrennungsprozess des Kraftstoffs der ersten Einspritzung nach Ablauf des zeitlichen Abstands beendet ist, ermöglicht die Erfindung, dass Rußemissionen reduziert werden. Gleichzeitig kann ein Kraftstoffverbrauch vorteilhaft eingestellt werden, indem die zweite Einspritzung unmittelbar nach Ablauf des zeitlichen Abstands erfolgt.
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Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines Antriebssystems mit einer Steuervorrichtung für ein Einspritzsystem,
- 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Ermitteln eines zeitlichen Abstands zwischen einer ersten und einer zweiten Einspritzung und
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Ermitteln eines zeitlichen Abstands zwischen einer ersten und einer zweiten Einspritzung.
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1 zeigt ein Antriebssystem 6 für ein Fahrzeug. Das Antriebssystem 6 umfasst einen Ansaugtrakt 7, einen Verbrennungsmotor 16, einen Abgastrakt 8 und eine erste 9 und eine zweite 10 Abgasrückführstrecke. Dabei ist der der Ansaugtrakt 7 stromauf des Verbrennungsmotors 2 angeordnet und umfasst einen Verdichter 11 eines Turboladers 12. Der Abgastrakt 8 ist stromab des Verbrennungsmotors 16 angeordnet und umfasst eine Turbine 13 des Abgasturboladers 12 und ein Abgasreinigungssystem 17.
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Der Verbrennungsmotor 16 ist als Dieselmotor ausgeführt. Das Abgasreinigungssystem 17 umfasst einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 18 und einen SCR Katalysator 19. Der DOC 18 ist ausgebildet, Emissionen von Kohlenstoffmonoxid (CO), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Stickstoffmonoxid (NO) zu oxidieren. Der SCR Katalysator 19 ist stromab des DOC 18 angeordnet und reduziert Stickoxidemissionen (NOx) unter Nutzung eines Reduktionsmittels.
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Das Abgasreinigungssystem 17 ist stromab der Turbine 13 angeordnet. Die erste Abgasrückführstrecke 9 ist ausgebildet, stromauf der Turbine 13 Abgas aus dem Abgastrakt 8 abzuführen und dem Ansaugtrakt 7 stromab des Verdichters 11 zuzuführen. Die erste Abgasrückführstrecke 9 umfasst ein erstes Ventil 14, das ausgebildet ist, einen Abgasmassenstrom in der ersten Abgasrückführstrecke 9 einzustellen.
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Das Antriebssystem 6 umfasst eine zweite Abgasrückführstrecke 10. Die zweite Abgasrückführstrecke 10 ist ausgebildet, das Abgas stromab der Turbine 13 aus dem Abgastrakt 8 abzuführen und stromauf des Verdichters 11 dem Ansaugtrakt 7 zuzuführen. Dabei umfasst die zweite Abgasrückführstrecke 10 ein zweites Ventil 15 sowie eine separate Einlassdrossel 16. Diese sind ausgebildet, einen Abgasmassenstrom in der zweiten Abgasrückführstrecke 10 einzustellen. Über das erste 14 und das zweite Ventil 15 sowie die separate Einlassdrossel 16 können die Abgasmassenströme, die die erste 9 und die zweite 10 Abgasrückführstrecke durchströmen, eingestellt werden. Dadurch können für den Motorbetrieb bevorzugte Abgasrückführungsraten bereitgestellt werden und durch eine Verteilung des rückgeführten Abgasmassenstroms auf die erste 9 und die zweite 10 Abgasrückführstrecke kann ein möglichst effizienter Betrieb des Antriebsstrangs 6 erreicht werden.
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Das Antriebssystem 6 umfasst ein Einspritzsystem 2. Das Einspritzsystem umfasst vier Injektoren 3, eine als Common-Rail ausgeführte Hochdruckleitung 20, eine Niederdruckleitung 21 und eine Hochdruckpumpe 22. Die Hochdruckpumpe 22 ist ausgebildet, Kraftstoff aus einem Tank 23 zu fördern, zu verdichten und dem Common-Rail 20 zuzuführen. Das Common-Rail 20 ist ausgebildet, den Kraftstoff den Injektoren 3 zuzuführen.
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Das Antriebssystem 6 umfasst eine Steuervorrichtung 1 für das Einspritzsystem 2. Die Steuervorrichtung 1 umfasst ein Steuergerät 4, das ausgebildet und eingerichtet ist ein Steuergeräteprogramm auszuführen. Das Steuergeräteprogramm umfasst Befehle zum Ausführen der in 2 gezeigten Verfahrensschritte:
- - Ansteuern eines Injektors 3 für eine erste Einspritzung von Kraftstoff S10 in einen Verbrennungsraum 5,
- - Ermitteln S20 eines zeitlichen Abstands und
- - Ansteuern des Injektors 3 nach dem zeitlichen Abstand für eine zweite Einspritzung von Kraftstoff S30 in den Verbrennungsraum 5.
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Das Steuergeräteprogramm ermittelt S20 den zeitlichen Abstand so, dass ein Verbrennungsprozess des Kraftstoffs der ersten Einspritzung nach Ablauf des zeitlichen Abstands beendet ist. Dadurch vermeidet das Steuergeräteprogramm ein Einspritzen von Kraftstoff in eine brennende Flamme, wodurch die Bildung von Rußemissionen begünstigt würde. Um einen möglichst geringen Kraftstoffverbrauch zu ermöglichen, steuert das Steuergeräteprogramm den Injektor 3 für die zweite Einspritzung so an, dass die zweite Einspritzung unmittelbar nach Ablauf des zeitlichen Abstands erfolgt.
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Dazu berücksichtigt das Steuergeräteprogramm einen hydraulischen Verzug des Injektors 3, der einem Zeitverzug zwischen elektrischer Ansteuerung und tatsächlichem Öffnen des Injektors 3 entspricht. Das Steuergeräteprogramm verkürzt den zeitlichen Abstand also um den hydraulischen Verzug des Injektors 3.
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Die Schritte S10, S20, S30 führt das Steuergeräteprogramm für alle Injektoren 3 des Verbrennungsmotors 16 entsprechend einer vorgegebenen Zündfolge durch.
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Zum Ermitteln S20 des zeitlichen Abstands berücksichtigt das Steuergeräteprogramm eine Zündverzugszeit und eine Brenndauer des Kraftstoffs der ersten Einspritzung. Hierzu sind in dem Steuergerät 4 Modelle zum Berechnen der Zündverzugszeit und der Brenndauer hinterlegt.
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Das Modell zum Berechnen der Zündverzugszeit basiert auf einem kennfeldbasierten Ansatz. Abhängig von eingespritzter Kraftstoffmasse, Einspritzzeitpunkt und Ladedruck wird die Zündverzugszeit aus einem Kennfeld ausgelesen. In alternativen, nicht gezeigten Ausführungsbeispielen ist ein physikalisch basierter Ansatz in dem Steuergerät 4 hinterlegt, so dass eine Reaktionskinetik und/oder Einspritzdynamiken berücksichtigt werden können. In weiteren alternativen Ausführungsbeispielen werden physikalisch basierte Ansätze und Kennfelder kombiniert eingesetzt.
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Das Modell zum Berechnen der Brenndauer basiert auf einem reduzierten Reduktionsmechanismus des Kraftstoffs. Als Eingangsgrößen werden eine Zusammensetzung, eine Temperatur und ein Druck verwendet. Das Steuergeräteprogramm kann so den Verbrennungsablauf und damit auch die Brenndauer bestimmen. In alternativen Beispielen sind reaktionskinetische Zusammenhänge in tabellierter Form im Steuergeräteprogramm hinterlegt und/oder das Steuergeräteprogramm nutzt eine Kombination aus Kennfeld und physikalisch-chemischen Modell.
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3 zeigt exemplarisch einen Verlauf einer Wärmefreisetzung 70 und einer Einspritzrate 71 über Grad Kurbelwinkel 72. Hier steuert das Steuergeräteprogramm den Injektor 3 für eine erste 40,43, eine zweite 41,44 und eine dritte 42,45 Einspritzung an. Zum Bestimmen des Einspritzzeitpunktes der zweiten 41,44 und der dritten 42,45 Einspritzung bestimmt das Steuergeräteprogramm unter Nutzung der in 2 gezeigten Schritte einen ersten zeitlichen Abstand 50 und einen zweiten zeitlichen Abstand 54.
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Der erste zeitliche Abstand 50 entspricht der Summe aus Zündverzugszeit 51 und Brenndauer 52 des Kraftstoffs der ersten Einspritzung 44,47 abzüglich eines ersten hydraulischen Verzugs 57 des Injektors 3, der einer Differenz zwischen elektrischer Ansteuerung und tatsächlichem Öffnen des Injektors 3 entspricht. So ermöglicht das Steuergeräteprogramm, dass der Injektor mit Ablauf des ersten zeitlichen Abstands 50 öffnet. Dies wird in 3 dadurch erkennbar, dass die Einspritzrate der zweiten Einspritzung 44 in dem Moment ansteigt, in dem der erste zeitliche Abstand 50 endet.
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Für die dritte Einspritzung 46,49 führt das Steuergeräteprogramm die in 2 gezeigten Schritte analog durch. Der zweite zeitliche Abstand 54 entspricht der Summe aus Zündverzugszeit 55 und Brenndauer 56 des Kraftstoffs der zweiten Einspritzung 41,44 abzüglich eines zweiten hydraulischen Verzugs 58 des Injektors 3.
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In einem alternativen, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 4 ausgebildet und eingerichtet, das Ermitteln des ersten 50 und/oder des zweiten 54 zeitlichen Abstands 50 und das Ansteuern des Injektors 3 für die erste 40,43, die zweite 41,44 und die dritte 42,45 Einspritzung unter Berücksichtigung eines Zylinderdrucks im Verbrennungsraum 5 durchzuführen. Dadurch wird eine Regelung der Einspritzzeitpunkte ermöglicht, indem der Zylinderdruck als ein aktueller Zustand des Motorprozesses an das Steuergeräteprogramm übermittelt wird. Zum Ermitteln des Zylinderdrucks ist ein Modell im Steuergerät 4 hinterlegt, das von dem Steuergeräteprogramm ausgeführt werden kann. In einem weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel umfassen die Verbrennungsräume Drucksensoren zum Erfassen des Zylinderdrucks. In alternativen Ausführungsbeispielen werden zusätzlich oder alternativ andere Zustände zur Regelung verwendet, wie beispielsweise eine Zylindertemperatur oder eine Zusammensetzung.
