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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Modellieren hydraulischer Vorgänge in einem Injektor eines Kraftstoffeinspritzsystems in einem Kraftfahrzeug und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
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Stand der Technik
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Injektoren, die auch als Einspritzdüsen bezeichnet werden, werden in Dieselmotoren als Einspritzventile verwendet. Injektoren bestehen grundsätzlich aus einem Düsenkörper und einer Düsennadel. Um eine Einspritzung zu bewirken, muss die Düsennadel aus ihrem Sitz gedrückt werden. Zum Beeinflussen der Bewegung der Düsennadel ist typischerweise ein aktives Element vorgesehen. Dieses aktive Element wird auch als Aktor bezeichnet. In modernen Injektoren werden als Aktoren entweder Magnetspulen oder Piezoelemente eingesetzt.
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Injektoren sind üblicherweise Servoinjektoren, bei denen die Düsennadel nicht direkt über einen Aktor angesteuert wird. Stattdessen wird bspw. beim Öffnen des Injektors ein Raum, der Steuerraum, hinter der Nadel über ein Ventil druckentlastet. Der ständig anliegende Kraftstoffdruck oberhalb des Dichtsitzes hebt die Nadel aus dem Sitz, woraufhin der Injektor eine Einspritzung bewirkt. Beim Schließen findet der umgekehrte Vorgang statt.
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Das Öffnen und Schließen des Injektors ist somit das Ergebnis verschiedener hydraulischer Vorgänge im Injektor. Bisher wurden diese Vorgänge im Motorsteuergerät hauptsächlich empirisch mit diversen Basiskennfeldern und Korrekturkennfeldern abgebildet.
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Es ist zu beachten, dass die Kraftstofftemperatur in Einspritzsystemen, insbesondere im Hochdruckbereich von Common-Rail-Einspritzsystemen, einen wesentlichen Einfluss auf den Betrieb des Einspritzsystems hat. Die Stoffeigenschaften typischer Kraftstoffe, wie bspw. die Viskosität, die Elastizität, die Schallgeschwindigkeit und die Dichte des Kraftstoffs, ändern sich mit der Temperatur. Dies hat Einfluss auf die bei der gegebenen Öffnungsdauer der Injektoren eingespritzte Kraftstoffmenge wie auch auf die Ausbreitung von Druckwellen im System.
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Die Druckschrift
DE 10 2007 053 082 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung einer Kraftstofftemperatur in einem Hochdruckbereich eines Common-Rail-Einspritzsystems. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Kraftstofftemperatur in einem Niederdruckbereich des Einspritzsystems ermittelt und anschließend die gesuchte Kraftstofftemperatur im Hochdruckbereich ausgehend von der Kraftstofftemperatur im Niederdruckbereich berechnet, wozu eine nichtstationäre Energiebilanz herangezogen wird. Dieser nichtstationären Energiebilanz liegt ein Modell des thermischen Verhaltens des Einspritzsystems zugrunde.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgestellt. Es werden weiterhin ein Computerprogramm nach Anspruch 9 und ein maschinenlesbares Speichermedium gemäß Anspruch 10 vorgestellt. Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen.
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Das vorgestellte Verfahren dient zum Modellieren hydraulischer Vorgänge in einem Injektor eines Kraftstoffeinspritzsystems, wobei die hydraulischen Vorgänge im Injektor anhand von mindestens einer Größe, die einen Bezug zu einem Druck an mindestens einem Funktionselement hat, modelliert werden. Die Größe ist bspw. ein Druck oder eine Druckdifferenz. Es können bei der Modellierung auch Drücke und Druckdifferenzen herangezogen werden. Diese mindestens eine Größe wird unter Berücksichtigung einer lokalen Viskosität des Kraftstoffs bestimmt, wobei die lokale Viskosität unter Berücksichtigung einer lokalen Temperatur und ggf. eines lokalen Drucks bestimmt wird. Dabei kann ein Kennfeld verwendet werden.
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Es bietet sich an, die lokale Temperatur über ein Injektortemperaturmodell, das mindestens eine lokale Temperatur modelliert, zu bestimmen.
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Mit Hilfe dieses Injektortemperaturmodells ist es nunmehr möglich, eine Temperatur einer Düsenkuppe eines Injektors in einem Verbrennungsmotor zu bestimmen. Bei diesem Verfahren werden ein erster Wärmeübergang zu einem Zulaufspalt, ein zweiter Wärmeübergang zu einem Brennraum und ein dritter Wärmeübergang zu einem durch die Düsenkuppe strömenden Kraftstoff berücksichtigt.
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Das vorgestellte Verfahren ermöglicht somit die Modellierung und damit Berechnung der lokal in einem Injektor auftretende Düsenkuppentemperatur. Auf Grundlage dessen kann die lokal in dem Injektor auftretende Zulaufspalttemperatur modelliert und damit berechnet werden. Bei der Berechnung der Düsenkuppentemperatur können insbesondere, aber nicht ausschließlich, Wärmeübergänge zum Zulaufspalt, zum Brennraum und zum durch die Düsenkuppe strömenden Kraftstoff betrachtet werden.
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Bei der Berechnung der Zulaufspalttemperatur können insbesondere, aber nicht ausschließlich, Wärmeübergänge zum Zulaufspalt, zum Brennraum und zum durch die Düsenkuppe strömenden Kraftstoff betrachtet werden. Bei der Berechnung des Wärmeübergangs zwischen Brennraum und Düsenkuppe kann insbesondere, aber nicht ausschließlich, die Motordrehzahl berücksichtigt werden. Bei der Berechnung der Wärmeübergänge zum Kraftstoff können insbesondere, aber nicht ausschließlich, die kraftstoffführenden Bohrungen als quasistationär durchströmte Rohre mit konstanter Wandtemperatur betrachtet werden.
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Mithilfe dieses Modells können nunmehr die Düsenkuppentemperatur und die Zulaufspalttemperatur eines Dieselinjektors permanent im Motorsteuergerät berechnet werden.
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Auf Grundlage der Modellierung kann dann eine Vorsteuerung des Injektors vorgenommen werden. Dabei können eine Spritzdauer, eine Ratenhöhe und/oder ein Spritzbeginnverzug für die Vorsteuerung vorgegeben werden.
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Die beschriebene Anordnung dient zum Durchführen des Verfahrens und ist bspw. in einer Hardware und/oder Software implementiert. Die Anordnung ist bspw. in einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs integriert oder als solches ausgebildet.
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Mit dem vorgestellten Verfahren wird eine geeignete Vorsteuerung eines Dieselinjektors basierend auf einem hydraulischen Injektormodell im Motorsteuergerät (ECU: electronic control unit) ermöglicht. Dabei werden die hydraulischen Eigenschaften des Injektors abhängig von verschiedenen, lokal im Injektor auftretenden Kraftstoffviskositäten modelliert. Die korrekte Beschreibung der lokalen Viskositäten setzt üblicherweise ein leistungsfähiges Injektortemperaturmodell voraus, das die lokalen Temperaturen modelliert.
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Durch die neuen Modellansätze orientiert sich die Vorsteuerstruktur des Injektors wesentlich stärker als bisher an der physikalischen Realität und ermöglicht eine deutliche Steigerung der Mengengenauigkeit. Darüber hinaus wird es erstmals möglich, die Vorsteuerung des Injektors permanent an seinen Betriebszustand anzupassen. Bislang sind solche Anpassungen nur unter bestimmten Bedingungen, wie bspw. bei einem Kaltstart aus tiefen Temperaturen, möglich.
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Bei Common-Rail-Systemen mit NCC (needle closing control: Nadelschließ-Regelung) erlaubt die Steigerung der Vorsteuergüte durch dieses Verfahren zusätzlich eine wesentlich bessere Onboard Diagnose (OBD) des Injektors, weil die NCC-Reglergrenzen verkleinert werden können. Überschreitungen dieser reduzierten Reglerschwellen erleichtern die zuverlässige Erkennung defekter Injektoren im Fahrzeug.
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Gemäß dem vorgestellten Verfahren werden die hydraulischen Vorgänge im Injektor modelliert. Das hydraulische Verhalten des Injektors wird von den Drücken bzw. Druckdifferenzen zwischen den hydraulischen Funktionselementen, wie bspw. Drosseln, bestimmt. Es ist allerdings bislang kein Verfahren bekannt, mit den begrenzten Ressourcen eines Motorsteuergeräts die Drücke bzw. Druckdifferenzen im Injektor explizit zu bestimmen.
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Es wird nunmehr die aus der Fluidmechanik bekannte Tatsache verwendet, dass die sich einstellenden Druckdifferenzen über Drosselstellen bei gegebener Geometrie primär von der Viskosität des strömenden Fluids bestimmt bzw. determiniert werden. Die Kenntnis der lokalen Viskosität ermöglicht es nunmehr, ein Maß für z. B. die sich einstellende Druckdifferenz über eine Drosselstelle zu bestimmen. Mit dem Maß für diese Druckdifferenz kann ein Maß für die Auswirkung auf die Injektorhydraulik bzw. -funktion bestimmt werden.
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Diese Wirkkette muss nicht explizit abgebildet werden. Da die Vorgänge bei einem gegebenen Betriebspunkt des Servoinjektors hauptsächlich durch die Viskosität determiniert werden, kann man aus der Viskosität auch direkt das Maß für die Auswirkung auf die Injektorhydraulik bilden.
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Die lokalen Viskositäten im Injektor sind zunächst unbekannt und müssen vom Motorsteuergerät berechnet werden. Grundsätzlich hängt die Viskosität als thermodynamische Zustandsgröße von der lokalen Temperatur und vom lokalen Druck ab. Diese Abhängigkeit ist bekannt und kann über ein geeignetes Kennfeld im Steuergerät abgebildet werden. Zusätzlich hängt die Viskosität vom aktuell im System befindlichen Kraftstoff ab. Vorhandene Funktionen zur Erkennung der Kraftstoffsorte können bei der Berechnung der lokalen Viskosität berücksichtigt werden.
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Eine Möglichkeit zur Berechnung der lokalen Drücke ist ein einfaches Druckmodell des Injektors, das die lokalen Drücke lediglich abhängig vom Versorgungsdruck des Injektors, im Common-Rail-System üblicherweise als Railruck bezeichnet, berechnet. Eine andere Möglichkeit ist die Berechnung der lokalen Drücke auch abhängig von den modellierten Drücken bzw. Druckverlusten in den anderen Funktionselementen des Injektors.
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Eine Möglichkeit zur Berechnung der lokalen Temperaturen ist ein leistungsfähiges Injektortemperaturmodell. So kann zunächst eine Kraftstofftemperatur in einem Niederdruckbereich des Einspritzsystems ermittelt und anschließend die gesuchte Kraftstofftemperatur im Hochdruckbereich ausgehend von der Kraftstofftemperatur im Niederdruckbereich berechnet werden, wozu eine nichtstationäre Energiebilanz herangezogen wird. Dieser nichtstationären Energiebilanz liegt ein Modell des thermischen Verhaltens des Einspritzsystems zugrunde. Es sind aber auch andere geeignete Verfahren denkbar.
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Mithilfe dieses Modells kann die Vorsteuerung des Injektors gegenüber bekannten Verfahren deutlich verbessert werden und vor allem erstmalig permanent an die aktuellen Betriebsbedingungen des Injektors angepasst werden. Insbesondere während des Warmlaufs des Motors oder während Lastsprüngen des Motors kann mit diesem Modell die Vorsteuergüte des Injektors deutlich gesteigert werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in schematischer Ansicht einen Dieselinjektor.
- 2 zeigt eine Anordnung zum Ansteuern eines Injektors.
- 3 zeigt in einem Graphen Verläufe zur Verdeutlichung der Nadeldynamik.
- 4 zeigt eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführung eines Injektors, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt einen Injektorkörper 12, eine Düsennadel 14, einen Stabfilter am Injektorzulauf 16, ein Schaltventil 18, eine Ablauf- (A-) Drossel 20, eine Zulauf- (Z-) Drossel 21, einen Zulaufspalt (ZLS) 22, einen Nadelschaft 24 und eine Düse 30 mit Düsensitz 28. Weiterhin ist ein Steuerraum 32 gezeigt.
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Im Folgenden werden beispielhaft einzelne im Injektor 10 betrachtete Stellen im Hinblick darauf betrachtet, wie sich die lokale Viskosität an dieser Stelle auf die Injektorfunktion auswirkt. Um an diesen Stellen die lokale Viskosität berechnen zu können, muss man Annahmen über den lokalen Druck treffen und benötigt zusätzlich eine relativ genaue Temperatur. Zur Bestimmung dieser lokalen Temperatur kann ein leistungsfähiges Temperaturmodell des Injektors 10 verwendet werden.
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Die Viskosität im Zulaufspalt 22 bestimmt die Druckdifferenz zwischen dem Injektorzulauf 16 und dem Druck unter der Düsennadel 14 während der Einspritzung. Wenn kein Kraftstoff durch den Zulaufspalt 22 strömt, also insbesondere bevor die Düsennadel 14 öffnet, gibt es auch keine nennenswerte Druckdifferenz zwischen Injektorzulauf 16 und dem Düsensitz 28. Damit ist klar, dass der Zulaufspalt 22 keinen signifikanten Einfluss auf den Spritzbeginnverzug haben kann.
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Die lokale Viskosität im Zulaufspalt 22 beeinflusst somit hauptsächlich die Nadeldynamik nach dem Öffnen der Düsennadel 14. Je größer der Druck unter der Düsennadel 14, desto höher ist die Nadelgeschwindigkeit. Bei gegebener Ansteuerdauer des Injektors 10 fliegt die Düsennadel 14 höher, wenn der Druck unter der Düsennadel 14 höher ist. Gleichzeitig sorgt ein höherer Druck unter der Düsennadel 14 für ein langsameres Schließen des Injektors 10.
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Die Viskosität im Zulaufspalt 22 beeinflusst also signifikant die Dauer der Einspritzung und hat zusätzlich noch einen Einfluss auf die Ratenhöhe, insbesondere bei hohen Viskositäten, also bei tiefen Temperaturen.
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Diese Zusammenhänge können auf einer Hydraulik-Prüfbank empirisch vermessen und bspw. in Korrekturkennfeldern ablegen werden. Abhängig von Solleinspritzmenge, Raildruck und lokaler Viskosität im Zulaufspalt 22 kann man eine Differenz-Spritzdauer zu einem Referenzzustand berechnen. Mit dieser Differenz-Spritzdauer kann man anschließend die Vorsteuerung des Injektors 10 korrigieren.
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Das Schaltventil 18 und die A-Drossel 20 bestimmen primär die Entlastung des Steuerraums 32 oberhalb der Düsennadel 14 vor und während des Öffnens des Schaltventils 18. Eine geringe Viskosität im Schaltventil 18 führt zu einem schnelleren Öffnen desselben. Eine geringe Viskosität in der A-Drossel 20 führt zu einem hohen Massenstrom durch die A-Drossel 20 und somit auch zu einem schnellen Druckabfall im Steuerraum 32. Ein schneller Druckabfall im Steuerraum 32 führt wiederum zu einem frühen Öffnen der Düsennadel 14.
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Sobald die Düsennadel 14 sich aus dem Sitz gehoben hat, prägt der Druck im Nadelsitzbereich am unteren Ende der Düsennadel 14 den Steuerraumdruck auf. Die Viskosität in der A-Drossel 20 dominiert also den Spritzbeginnverzug.
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Zusätzlich hat die Viskosität in der A-Drossel 20 während der Einspritzung einen Einfluss auf die Nadelgeschwindigkeit. Analog zum Zulaufspalt 22 kann man diesen Zusammenhang wieder auf einer Hydraulik-Prüfbank empirisch vermessen und in Korrekturkennfeldern ablegen. Abhängig von Raildruck und lokaler Viskosität in der A-Drossel 20 kann man einen Differenz-Spritzbeginnverzug zu einem Referenzzustand berechnen. Mit diesem Differenz-Spritzbeginnverzug kann man anschließend die Vorsteuerung des Injektors 10 korrigieren.
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Die lokale Viskosität im Düsensitz 28 kann über zwei Mechanismen auf die Injektorfunktion wirken:
- - Spaltströmung im Düsensitz -> Öffnen,
- - Durchströmung der Spritzlöcher während der Einspritzung -> Ratenhöhe.
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Es ist zu beachten, dass beim Abheben der Düsennadel 14 vom Düsensitz 28 eine viskose Spaltströmung entsteht, die den Kraftaufbau auf die Düsennadel 14 bestimmt. Ist die Viskosität der Spaltströmung hoch, so entsteht ein großer Druckabfall in dieser Spaltströmung, was den Kraftaufbau in der Nadelmitte verzögert. Eine hohe Viskosität führt somit zu einem etwas verzögerten Öffnen und einer geringeren Nadelgeschwindigkeit. Die reduzierte Nadelgeschwindigkeit führt wiederum zu einer geringeren Nadelflughöhe. Dies bedeutet, dass eine hohe Viskosität im Sitzbereich ein verspätetes Öffnen und eine verkürzte Einspritzdauer bedeutet.
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In den allermeisten Betriebspunkten bildet sich eine turbulente Rohrströmung in den Spritzlöchern aus Bei sehr tiefen Temperaturen und entsprechend hohen Viskositäten kann es allerdings sein, dass sich eine laminare Strömung in den Spritzlöchern ausbildet. Eine laminare Spritzlochströmung wiederum führt zu einem reduzierten Massenstrom durch die Spritzlöcher und damit zu einer verringerten Ratenhöhe. Eine sehr hohe Viskosität im Bereich des Düsensitzes 28 führt also zu einer verringerten Ratenhöhe.
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Analog zu Zulaufspalt 22 und A-Drossel 21 kann man diese Zusammenhänge wieder auf einer Hydraulik-Prüfbank empirisch vermessen und in Korrekturfeldern ablegen. Mit diesen Kennfeldern lässt sich wiederum die Vorsteuerung des Injektors in Bezug auf Spritzbeginnverzug, Spritzdauer und Ratenhöhe korrigieren.
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Die lokale Viskosität in der Z-Drossel 21 beeinflusst die Durchströmung der Z-Drossel 21 und damit die Nadelgeschwindigkeit während der Einspritzung. Insbesondere hängt nach Schließen des Schaltventils 18 die Wiederbefüllung des Steuerraums von der Viskosität in der Z-Drossel 21 ab. Eine langsamere Wiederbefüllung bedeutet ein langsameres Schließen und somit eine längere Spritzdauer.
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Eine hohe Viskosität in der Z-Drossel 21 wirkt folglich dem Effekt einer hohen Viskosität im Zulaufspalt 22 entgegen. Vor allem bei einem Kaltstart aus tiefen Temperaturen ist diese Selbstkompensation des Injektors 10 wirksam. Je nach Injektorauslegung sollte dieser Effekt explizit im Hydraulikmodell des Injektors 10 berücksichtigt oder auch nicht berücksichtigt werden.
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2 zeigt in rein schematischer Darstellung eine Anordnung zur Vorsteuerung eines Injektors, der mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet ist. Eine Einheit für eine Viskosität-Temperatur-Vorsteuerung 52 (VTP: viscosity temperature precontrol) gibt ein Ansteuersignal 54 an den Injektor aus. In diesem Injektor 50 ist ein Nadelschließsensor 56 (NCS: needle closing sensor) vorgesehen, der eine Information zum Schließverhalten der Nadel des Injektors 50 an die VTP 52 zurückgibt. Auf Grundlage dieser Information wird das Ansteuersignal 54 geregelt. Dies wird als Nadelschließ-Regelung (NCC) bezeichnet.
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Bei der Ansteuerung des Injektors 50 wird somit ein elektrisches Signal, das Ansteuersignal 54, vorgegeben. Dies wird als Vorsteuerung bezeichnet. Es wird nunmehr angestrebt, ein geeignetes Vorsteuersignal abzugeben, so dass die NCC nur in möglichst geringem Umfang eingreifen muss. Es wurde nunmehr erkannt, dass es hierzu zweckmäßig ist, die Vorgänge im Injektor 50 zu modellieren.
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3 zeigt in zwei Graphen die Auswirkung der Temperatur auf die Nadeldynamik. In einem ersten Graphen 100, an dessen Abszisse 102 die Zeit [ms] und an dessen Ordinate 104 die Einspritzmasse pro Zeiteinheit [g/s] aufgetragen ist, sind Verläufe für unterschiedliche Temperaturen dargestellt, nämlich ein erster Verlauf 110 für 20°C, ein zweiter Verlauf 112 für 0°C, ein dritter Verlauf 114 für -10°C und ein vierter Verlauf 116 für -25°C.
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Ein zweiter Graph 130, an dessen Abszisse 132 die Zeit und an dessen Ordinate 134 der Nadelhub aufgetragen ist, zeigt einen ersten Verlauf 140 für kalten Kraftstoff und einen zweiten Verlauf 142 für warmen Kraftstoff.
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4 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführung der beschriebenen Anordnung, die insgesamt mit der Bezugsziffer 150 bezeichnet ist. Aus einem Temperaturmodell Kraftstoff und Komponente FTM (Fuel Temperature Model) 152 ergibt sich eine lokale Temperatur Ti, die in eine Modell Viskosität Referenzkraftstoff FDL (Fuel Data Library) 154 eingeht. Daraus ergeben sich Viskositäten νi und νi,k. Diese werden multipliziert mit einem Viskositätsfaktor k aus einem Kennfeld Viskositätsfaktor für Kraftstoffklasse bei Kaltstart FDV (Fuel Detection by Valve Closing) 156. Aus VTI (Viscosity and Temperature Injectormodel) 158 ergeben sich dann Spritzdauer 160, Ratenhöhe 162 und Spritzbeginnverzug 164.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007053082 A1 [0006]
