DE10221001A1

DE10221001A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Voreinspritzmenge

Info

Publication number: DE10221001A1
Application number: DE10221001A
Authority: DE
Inventors: Nicholas Fekete; Ruediger Herweg; Juergen Jegelka; Michael Kesler
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2002-05-11
Filing date: 2002-05-11
Publication date: 2003-11-27
Also published as: WO2003095818A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Voreinspritzmenge eines eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung umfassenden Einspritzvorgangs einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, mit einer Bestimmung des Verbrennungsbeginns der Haupteinspritzung mittels Auswertung eines Ionenstromsignals, und der Bestimmung der Voreinspritzmenge auf der Grundlage einer Korrelation zwischen dem Verbrennungsbeginn der Haupteinspritzung und der Voreinspritzmenge.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Voreinspritzmenge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Während der Verbrennung treten im Brennraum von Verbrennungsmotoren Temperaturen von 2.000 bis 3.000 K auf. Diese hohen Temperaturen und die während der Verbrennung ablaufenden chemischen Reaktionsschritte bewirken eine teilweise Ionisation der im Brennraum vorhandenen Reaktionspartner. Es kann hierbei insbesondere in der Flammenfront zu einer nennenswerten Ionisation des Gases kommen. Hinter der Flammenfront bewirken Rekombinationsreaktionen wieder den Abbau der vorher gebildeten Ionen. Mit Hilfe von in den Brennraum eines Motors eingelassen Elektroden, an die eine Gleichspannung angelegt wird, kann aufgrund der Ionisation ein Stromfluß (hier und in der Literatur Ionenstrom genannt) zwischen den Elektroden gemessen werden. Die Größe des gemessenen Ionenstromes hängt bei gegebener Spannung vom Ionisationsgrad des Gases zwischen den Elektroden ab. Dieser wird beispielsweise bestimmt durch die Temperatur im Brennraum, den Druck im Brennraum, das Verbrennungs-Luft- Verhältnis, den Zündzeitpunkt, die Kraftstoffzusammensetzung sowie die Drosselklappenstellung des Motors. Üblicherweise wird der durch einen Ionenstrom verursachte Spannungsanfall an einen Meßwiderstand bestimmt.
Injektoren moderner direkt einspritzender Dieselmotoren unterliegen hohen mechanischen Präzisions- und Toleranzanforderungen, die zu hohen Herstellungskosten führen. Trotz dieser hohen Anforderungen haben Injektoren eine Streubreite der tatsächlich eingespritzten Kraftstoffmenge und können über die Laufzeit einen Mengendrift aufweisen.
Zur Detektion der in einen Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge sind mit Klopfsensoren ausgebildete Injektoren bekannt. Der Einsatz derartiger Klopfsensoren ist jedoch nur in einem begrenzen Drehzahl-Lastbereich möglich.
Die Einspritzung bei modernen direkteinspritzenden Dieselmotoren beginnt nicht unmittelbar mit der Haupteinspritzung, sondern mit der sogenannten Voreinspritzung. Bei der Voreinspritzung bewirken kleinste Mengen an Dieselkraftstoffen (beispielsweise 1 bis 4 mm³) eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Verbrennung. Außerdem wird durch diese Vorreaktion bzw. teilweise Verbrennung der Zündverzug bei der Haupteinspritzung verkürzt. Ein hieraus resultierender Vorteil ist auch, daß eine weichere Verbrennung durch den verminderten Verbrennungsdruckanstieg realisiert und Verbrennungsdruckspitzen vermieden werden können. Diese Effekte verringern die Schadstoffemission, insbesondere die Stickoxid-Emissionen, den Verbrauch und das Verbrennungsgeräusch. Voreinspritzung kann ohne zusätzliche Hardware realsiert werden. Eine elektronische Steuerung steuert ein Magnetventil bzw. einen Piezo-Aktuator einer Einspritzpumpe innerhalb wenigster 1000stel Sekunden zweimal an. Das Magnetventil bzw. der Piezo-Aktuator dosiert die Einspritzmenge mit hoher Regelgenauigkeit und Mengendynamik. Zur optimalen Realisierung dieser Effekte ist die genaue Kenntnis sowie eine hierauf basierende Steuerung bzw. Regelung der Voreinspritzmenge vorteilhaft.

Aus der DE 198 38 222 A1 ist ein Verfahren zur Auswertung eines Ionenstomsignales einer selbstzündenen Brennkraftmaschine bekannt. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß aus dem zeitlichen Versatz eines lokalen Maximums im Verlauf des Ionenstromisignales gegenüber einem Einspritzzeitpunkt der Zündverzug abgeleitet wird.

Die vorliegende Erfindung strebt an, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem die Feststellung einer tatsächlich eingespritzten Voreinspritzmenge in einfacher Weise durchgeführt werden kann.

Dieses Ziel wird erreicht durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine entsprechenden Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4.

Durch die erfindungsgemäß mögliche, sehr genaue Überwachung bzw. Bestimmung und eine hierdurch ermöglichte Einstellung bzw. Regelung der Voreinspritzmenge ist insbesondere die Geräusch- und Partikelemission des Dieselmotors in günstiger Weise beeinflußbar. Durch die Überwachung der Voreinspritzmenge ist es möglich, eine Zylindergleichstellung zu erreichen und damit die Laufkultur des Motors zu verbessern. Darüber hinaus kann durch die Korrektur des Langzeit-Drifts der Injektoren eine über die Laufzeit gleichbleibend geringe Geräusch- und Abgasemission sichergestellt werden. Kostenersparnisse sind durch geringere mechanische Toleranzanforderungen an die Injektoren möglich, da die Einstellung der Einspritzmenge durch einen Regelkreis über die Ionenstromsensorik erfolgen kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

In besonders vorteilhafter Weise läßt sich auf der Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Steuerung bzw. Regelung der Voreinspritzmenge, insbesondere zur Beeinflussung der Geräusch- und Partikelemission, der Laufkultur der Brennkraftmaschine oder von Langzeit-Drifteffekten der Injektoren, ausführen.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Bestimmung des Verbrennungsbeginns der Hauptverbrennung mittels der Überwachung einer Schwellwertüberschreitung des Ionenstromsignals. Eine derartige Überwachung eines Schwellwertes erweist sich als relativ einfach durchzuführen und stellt sehr genaue Ergebnisse zur Verfügung.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung weiter beschrieben. In dieser zeigt
Fig. 1 ein Diagramm zur Darstellung des erfindungsgemäß ausgenutzten Zusammenhangs zwischen Verbrennungsbeginn einer Haupteinspritzung und einer Voreinspritzmenge, und
Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Fig. 1 ist ein Diagramm zur Erläuterung der erfindungsgemäß ausnutzbaren Beziehung zwischen dem Verbrennungsbeginn einer Haupteinspritzung und einer Voreinspritzmenge im Rahmen eines Einspritzvorgangs einer selbstzündenden Brennkraftmaschine dargestellt.
Im einzelnen ist der Zeitpunkt des Erreichens eines Ionenstromsignalschwellwertes, beispielhaft das Erreichen von 10% eines maximalen Ionenstromsignals, gegen die Voreinspritzungmenge aufgetragen (Graf 10). Als Maßeinheiten sind, wiederum beispielhaft, die Winkelstellung der Nockenwelle (°KW) und mm³ gewählt. Zur Feststellung des Schwellwertes wird beispielsweise ein Inkremental-Winkel-Zeitsystem zur Winkel-Zeitsteuerung eines Magnetventils verwendet, welches beispielsweise einen in eine Einspritzpumpe eingebauten Drehwinkelsensor umfassen kann. Dieser Sensor ermöglicht die exakte Bestimmung des Nockenwinkels, zu dem das Magnetventil schließt und öffnet. Zweckmäßigerweise sind daher in einem angeschlossen Steuergerät Zeit-Winkel- und Winkel-Zeit-Umrechnungen durchführbar.
Die dargestellte Variationsbreite der Voreinspritzmenge reicht von 0 bis 2,5 mm³.
Beim vorliegenden Beispiel wird ferner davon ausgegangen das im Rahmen des beispielhaft dargestellten Motorbetriebs eine 30-%ige Abgasrückführung durchgeführt wird.
Als weitere Grafen sind das lineare Verbrennungsgeräusch LVG (Graf 20) und die Schwärzungszahl FSN (Graf 30) bei Variation der Voreinspritzungmenge von 0-2,5 mm³ bei im übrigen konstanten Motorparametern dargestellt. Das lineare Verbrennungsgeräusch LVG ist in dbA angegeben.
Wie aus Fig. 1 folgt, nimmt der Zündverzug, hier dargestellt anhand des Erreichens der genannten Schwelle im Ionenstromsignal der Hauptverbrennung, mit zunehmender Voreinspritzmenge ab. Insbesondere reagiert die Ionenstromsensorik gerade bei kleinen Einspritzmengen sehr sensitiv auf eine derartige Mengenänderung.
Wie der Fig. 1 ferner zu entnehmen ist, korreliert der im Ionenstromsignal detektierte Zündverzug- bzw. Hauptverbrennungsbeginn-Zeitpunkt ferner mit dem (beispielsweise auf einem Prüfstand) gemessenen linearen Verbrennungsgeräusch sowie mit der Schwärzungszahl.
Aufgrund der dargestellten Zusammenhänge ist also eine indirekte Detektion der tatsächlich eingespritzten Voreinspritzmenge über den Zündverzug der Hauptverbrennung im Ionenstromsignal möglich.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens wird nun anhand des Flußdiagramms der Fig. 2 erläutert.
In einem Schritt 200 wird ein Zeitgeber (beispielsweise im Rahmen eines Winkelinkrementalsystems gestartet, wenn der Beginn eines Einspritzvorganges (Voreinspritzung) erkannt wurde. In einem anschließenden Schritt 201 wird der Zeitgeber erhöht.
In einem Schritt 202 wird anschließend geprüft, ob der Ionenstrom einen voreingestellten Schwellwert (Beginn der Haupteinspritzung) überschreitet oder nicht. Ist dies nicht der Fall, verzweigt das Verfahren zurück zu Schritt 201.
Wird in Schritt 202 festgestellt, daß der voreingestellte Schwellwert erreicht wurde, wird in einem Schritt 203 auf der Grundlage des festgestellten Zeitpunktes des Erreichens dieses Schwellwertes auf die Voreinspritzmenge geschlossen. Der so ermittelte Voreinspritzmengenwert wird zur weiteren Verarbeitung beispielsweise auf eine Steuereinrichtung gegeben (Schritt 204).

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung einer Voreinspritzmenge eines eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung umfassenden Einspritzvorgangs einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch eine Bestimmung des Verbrennungsbeginns der Haupteinspritzung mittels Auswertung eines Ionenstromsignals, und die Bestimmung der Voreinspritzmenge auf der Grundlage einer Korrelation zwischen dem Verbrennungsbeginn der Haupteinspritzung und der Voreinspritzmenge.

2. Verfahren nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des Verbrennungsbeginns der Haupteinspritzung mittels einer Schwellwertüberwachung des Ionenstromsignals durchgeführt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Steuerung bzw. Regelung der Voreinspritzmenge, insbesondere zur Beeinflussung einer Geräusch- und/oder Partikelemission, der Laufkultur der Brennkraftmaschine, oder von Langzeitdrift-Effekten von bei der Voreinspritzung und/oder Haupteinspritzung eingesetzten Injektoren.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Steuerung bzw. Regelung der Voreinspritzmenge, insbesondere zur Beeinflussung einer Geräusch- und/oder Partikelemission, der Laufkultur der Brennkraftmaschine, oder von Langzeitdrift-Effekten von bei der Voreinspritzung und/oder Haupteinspritzung eingespritzten Injektoren.

5. Vorrichtung mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.