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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Computerprogramm zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug mit
N Zylindern, in welche Kraftstoff direkt eingespritzt wird. Darüber hinaus
betrifft die Erfindung einen Datenträger mit einem derartigen Computerprogramm
sowie eine Einspritzvorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
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Stand der
Technik
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Aus
der
DE 196 45 715
A1 ist eine Steuervorrichtung für Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung bekannt.
Die dort beschriebene Steuervorrichtung ist ausgebildet, eine Basis-Einspritzdauer
für einen
Zylinder der Brennkraftmaschine zu berechnen. Diese Basis-Einspritzdauer
wird dabei so berechnet, dass sie zu einer gewünschten einzuspritzenden Kraftstoffmasse
bei als stationär
angenommenen Druckverhältnissen
in einem Kraftstoffspeicher (Rail) und der Brennkammer des Zylinders
führt.
In der Realität
sind jedoch die Druckverhältnisse,
insbesondere in der Brennkammer des Zylinders, nicht stationär; deshalb
empfiehlt die
DE 196
45 715 A1 , die vorausberechnete Basis- Einspritzdauer abhängig von dem vorausberechneten
Druckverlauf in der Brennkammer des Zylinders bei der berechneten
Kurbelwinkellage der Einspritzung zu korrigieren und einen Timer
zur Ausgabe der Einspritzzeit auf diese im voraus korrigierte Einspritzdauer
einzustellen. Bei der vorgeschlagenen Korrekturrechnung der Einspritzdauer
wird jedoch der Raildruck nach wie vor als stationär, das heißt als konstant
angenommen.
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In
der Realität
ist jedoch nicht nur der Druck im Brennraum, sondern auch der Druck
im Rail zeitlichen Schwankungen ausgesetzt. Eine Berechnung aufgrund
stationärer
Druckverhältnisse
ist deswegen immer fehlerbehaftet. Der Druckverlauf im Rail kann
nur sehr aufwändig
und ungenau vorausberechnet werden, da er durch viele Einflussgrößen dynamisch
verändert
wird.
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In
Kenntnis dieser Sachlage wird in der
DE 197 26 756 C2 ein anderes Verfahren und
System zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Das
Verfahren schlägt
deshalb die Erfassung des Raildruckes während eines laufenden Einspritzvorganges
vor und berechnet auf Basis dieses erfassten Raildruckes laufend,
ab Beginn der Einspritzung, wie viel Kraftstoff schon eingespritzt
wurde. Die Einspritzung wird dann abgebrochen, wenn die während der
aktuellen Einspritzung eingespritzte Kraftstoffmasse einen vorgegebenen
Sollwert überschreiten
würde.
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Der
in der zuletzt genannten Patentschrift offenbarten Lehre haftet
der Nachteil an, dass die Berechnung der abgespritzten Kraftstoffmasse
sehr aufwändig
und die Verzugszeit der Ventile während der laufenden Einspritzung
getrennt für Öffnen und
Schließen
der Ventile berechnet werden muss. Ferner muss die Berechnung in
einem sehr hohen Zeitraster, das heißt wesentlich häufiger als
im 1 ms- Raster erfolgen,
da sich sonst bei kleinen Einspritzzeiten (zum Beispiel 0,5 ms)
erhebliche Fehler in der eingespritzten Kraftstoffmenge ergeben
oder das Verfahren ganz versagt. In diesem Verfahren wird ferner
der sich ändernde
Brennraumdruck nicht berücksichtigt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es deshalb die Aufgabe der Erfindung,
ein bekanntes Verfahren und Computerprogramm zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine sowie eine bekannte Einspritzvorrichtung für die Brennkraftmaschine
mit Direkteinspritzung derart weiterzubilden, dass eine präzise Einspritzung
einer Sollkraftstoffmenge bei beliebigen Änderungen des Raildrucks unter
Berücksichtigung
des sich ändernden
Brennraumdrucks möglich
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 beanspruchte Verfahren
gelöst.
Dieses Verfahren sieht vor, dass die Erfassung des Raildrucks und
die darauf gestützte
Berechnung der Einspritzdauer für
den Zylinder n bereits vor Beginn des Einspritzvorganges für den Zylinder
n wie bisher erfolgen kann und dass der vorausberechnete Wert für die Einspritzdauer
vor deren Ablauf auf Basis von mindestens einem kurz vor oder/und
während
des Einspritzvorganges erfassten Raildruckwert und gegebenenfalls
weiteren Größen mindestens
einmal in eine korrigierte Einspritzdauer für den Zylinder n korrigiert
wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Vorteilhafterweise
erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine Erfassung des Kraftstoffdruckes im Rail nicht nur einmal kurz
vor, sondern zusätzlich
auch während
des Ablaufs der vorausberechneten Einspritzdauer immer wieder, beziehungsweise
möglichst
oft in einem engen Zeitraster. Auf Basis dieser ständig aktualisierten
Werte für
den Druck des Kraftstoffs im Rail lassen sich zeitliche Schwankungen
des Raildrucks und daraus resultierende Änderungen der eingespritzten
Kraftstoffmasse sehr genau erfassen und in einer Korrekturrechnung
für die
laufende Einspritzzeit berücksichtigen,
wodurch letzten Endes eine sehr präzise Ausgabe der insgesamt
in einen Zylinder abgespritzten Kraftstoffmenge erfolgt.
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Die
beanspruchte Ausführung
des Verfahrens ermöglicht
eine genaue Kraftstoffzumessung bei beliebigen Modulationen bzw.
Gradienten des Raildrucks. Im Nachstart kann der Raildruck entsprechend
der maximalen Förderleistung
einer Hochdruckpumpe schnellstmöglich
aufgebaut werden, wodurch sich eine verbesserte Gemischaufbereitung
und eine verbesserte Rohemission einstellt. Bei positiven oder negativen
Lastsprüngen
während
des Betriebs der Brennkraftmaschine mit dazu erforderlichen schnellen
Erhöhungen
oder Absenkungen des Raildrucks wird die Abweichung des gewünschten
oder eingestellten Lambdawertes minimiert, weil erfindungsgemäß die Einspritzzeit
so korrigiert wird, dass immer die berechnete Soll-Kraftstoffmenge eingespritzt
wird. Toleranzen der Fördermenge
der Pumpe oder andere Einflüsse
auf die Fördermenge
werden durch die Erfassung des Raildrucks während der laufenden Einspritzung
eliminiert.
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Es
ist von Vorteil, wenn die erstmalige Korrektur der vorausberechneten
Einspritzdauer nicht erst während
eines aktuellen Einspritzvorganges, sondern bereits kurz vor dessen
Beginn, erfolgt, um Korrekturen auch bei Einspritzzeiten sicherzustellen,
die kleiner sind als das Zeitraster der Raildruckerfassung.
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Die
Erfassung des Raildrucks vor und während des Einspritzvorganges
erfolgt vorzugsweise in einem festen Zeitraster, zum Beispiel jede
Millisekunde. Unmittelbar nach einer solchen Erfassung empfiehlt
sich jeweils auch die Durchführung
einer Korrekturberechnung für
die Einspritzdauer.
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Die
Vorausberechnung der Einspritzdauer erfolgt vorzugsweise zu einem
Triggerzeitpunkt, welcher sich nicht an das besagte Zeitraster,
sondern vielmehr an ein festes Kurbelwellenwinkelraster anlehnt.
Diese Triggermarke kann abhängig
von der Kurbelwinkellage der Einspritzung unterschiedlich weit vor
Einspritzbeginn liegen.
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Die
Vorausberechnung der Einspritzzeit erfolgt vorzugsweise auf Basis
des zuletzt vor diesem winkelsynchronen Triggerzeitpunkt im Zeitraster
erfassten Raildruckwertes und unter Vorausberechnung eines Brennraumdruckwerts
bei der voraussichtlichen Kurbelwinkellage der Einspritzung.
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Die
Korrekturrechnung der Einspritzdauer kann dadurch präzisiert
werden, dass nicht nur der Raildruck, sondern auch der Druck im
Brennraum des Zylinders, in welchen jeweils gerade eingespritzt
wird, zum Zeitpunkt der Raildruckerfassung in der Korrekturrechnung
der Einspritzdauer berücksichtigt
wird.
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Vorteilhafterweise
wird erfindungsgemäß ein einfaches
Verfahren beziehungsweise ein einfacher mathematischer Algorithmus
angegeben, welches beziehungsweise welcher eine einfache und schnelle
Berechnung der korrigierten Einspritzdauer ermöglicht. Der Algorithmus stellt
eine mögliche
Zusatzrechnung für
eine normale Berechnung eines Einspritztimings dar; er kann bei
hohen Drehzahlen und Laufzeitproblemen der Brennkraftmaschine einfach weggelassen
oder vereinfacht werden. Wenn die jeweils zuletzt berechnete, das heißt aktuellste
korrigierte Einspritzdauer abgelaufen ist, wird der Einspritzvorgang
abgebrochen. Dies erfolgt vorteilhaft in der Weise, dass ein Ausgabetimer
im Zeitraster der Berechnung mit der jeweils aktuellen korrigierten
Einspritzdauer laufend aktualisiert wird.
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Für die Berechnung
der Einspritzdauer wird vorzugsweise nicht der tatsächliche
Druckverlauf im Rail verwendet, der hochfrequente Schwingungen aufweisen
kann, sondern ein gedämpfter,
beziehungsweise Tiefpass-gefilterter, Raildruckwert.
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Die
oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch eine Einspritzvorrichtung
und ein Computerprogramm zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens
sowie durch einen Datenträger
mit dem Computerprogramm gelöst.
Die Vorteile dieser Lösungen
entsprechen den oben mit Bezug auf das beschriebene Verfahren genannten
Vorteilen.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung zeigen
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1 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung;
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2 ein erstes Zeitdiagramm
zur Veranschaulichung des Betriebs der Einspritzvorrichtung;
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3 ein zweites Zeitdiagramm
zur Veranschaulichung des Betriebs der Einspritzvorrichtung während eines Startvorganges
der Brennkraftmaschine; und
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4 ein drittes Zeitdiagramm
zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Die
Erfindung wird nachfolgend detailliert in Form verschiedener Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die genannten Figuren beschrieben.
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1 zeigt den Aufbau einer
erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung 100 für eine Brennkraftmaschine
mit vier Zylindern (nicht gezeigt). Sie umfasst einen Kraftstoffspeicher 110,
nachfolgend auch als Rail bezeichnet, zum Speichern von Kraftstoff
und zum Abgeben des Kraftstoffs über
vier Einspritzventile 120 an die Brennräume in den Zylindern der Brennkraftmaschine.
Darüber
hinaus umfasst die Einspritzvorrichtung 100 eine Hochdruckpumpe 130 zum
Pumpen des Kraftstoffs unter Hochdruck in das Rail 110.
Die Hochdruckpumpe 130 wird über eine elektrische Kraftstoffpumpe 105 mit
Kraftstoff versorgt. Innerhalb der Hochdruckpumpe 130 wird
der von der elektrischen Kraftstoffpumpe 105 zugeführte Kraftstoff
zunächst
einem Dämpfungselement 134 zugeführt. Von
dort gelangt er bei eingeschaltetem, das heißt gesperrtem Mengensteuerventil 132, über ein
erstes Rückschlagventil 136 in
ein Förderelement 138.
Dieses Förderelement 138 besitzt
einen Kolben 139, welcher über eine Nockenwelle 160 der
Brennkraftmaschine angesteuert wird. Bei dem in 1 gezeigten Zustand ist der Kolben 139 in
seiner tiefsten Position gezeichnet, so dass sich in dem Förderelement 138 eine
Kammer 137 zur Aufnahme beziehungsweise Ansammlung des
Kraftstoffs, welcher über das
Rückschlagventil 136 zugeführt wird,
bildet. Wenn sich dann zu einem späteren Zeitpunkt der Kolben 139 in 1 aufgrund einer entsprechenden
Drehung der Nockenwelle 160 nach oben bewegt, verringert
sich das Volumen der Kammer 137 und der darin angesammelte
Kraftstoff wird verdichtet. Der verdichtete Kraftstoff wird dann über ein
zweites Rückschlagventil 137 dem
Rail 110 zugeführt,
wo er unter Hochdruck gespeichert wird.
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Der
Druck, mit welchem der Kraftstoff in dem Rail gespeichert ist, das
heißt
der Raildruck, wird durch die Einspritzvorrichtung 100 auf
einen vorgegebenen Solldruck geregelt. Zu diesem Zweck umfasst die
Einspritzvorrichtung 100 ein Steuergerät 150. Diesem Steuergerät wird der
aktuelle Raildruck von den Raildrucksensoren 140 oder 140', als Istgröße zugeführt. Je
nach festgestellter Regelabweichung zwischen dem vorgegebenen Solldruck
und dem erfassten Istdruck, steuert das Steuergerät das Mengensteuerventil 132 in
der Hochdruckpumpe 130 an und bewirkt auf diese Weise eine
Regelung des Raildrucks auf den gewünschten Sollwert. Genauer gesagt
erfolgt diese Regelung in der Weise, dass das Mengensteuerventil 132 ausgeschaltet
wird, das heißt
die in 1 gezeigte Verbindungsleitung 133 zwischen
dem Förderelement 137 und
dem Dämpfer 134 geöffnet wird,
wenn der Raildruck zu groß ist
und deshalb gesenkt werden soll. In diesem Fall ermöglicht die
geöffnete
Verbindungsleitung 133 einen Abfluss von Kraftstoff aus
der Kammer 137 in das Dämpferelement 134 und
damit einen gewünschten
Druckabbau. Falls umgekehrt, ein Anstieg des Raildrucks gewünscht wird,
wird das Mengensteuerventil 132 entsprechend eingeschaltet,
das heißt
die Verbindungsleitung 133 wird geschlossen.
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Durch
das Öffnen
der Einspritzventile 120 können im Rail 110 hochfrequente
Druckpulsationen ausgelöst
werden, die sich langsameren Druckschwankungen überlagern. Werden diese Druckpulsationen
von den Drucksensoren 140, 140' miterfasst und als Teil der erfassten
Istdrücke
dem Steuergerät 150 zugeführt, so
kann dies zu einer verfälschten
Messwerterfassung und damit auch zu einer unerwünschten Regelung des Raildrucks
führen.
Die Zeitkonstante dieser Pulsationen ist jedoch deutlich kleiner
als die der Druckerhöhung durch
die Förderhübe des Kolbens 139 in
dem Förderelement 138 der
Hochdruckpumpe 130 oder die Druckabsenkung durch die abgespritzte
Kraftstoffmasse, so dass diese Pulsationen durch geeignete Filtermaßnahmen
ausgeblendet werden können.
Eine erste Möglichkeit
kann darin bestehen, dass im Steuergerät 150 in der Eingangsbeschaltung
für den
Raildrucksensor 140 ein Tiefpassfilter 142, zum
Beispiel in Form eines RC-Gliedes mit entsprechender Zeitkonstante
vorgesehen wird, das die hochfrequenten Anteile durch die Tiefpass-Filterung
ausblendet.
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Die
Frequenz der störenden
hochfrequenten Druckpulsationen ist durch die Resonanzfrequenz des Rails
und somit unter anderem auch durch dessen Geometrie und Volumen
bestimmt. Dieses wird zur Erzielung von Druckspeichereffekten oft
groß ausgelegt,
wodurch sich eine niedrigere Resonanzfrequenz ergibt. Die Zeitkonstante
der störenden
Druckpulsationen wird dadurch erhöht und näher zu der Zeitkonstanten der Druckvariationen
bedingt durch die Förderhübe der Hochdruckpumpe 130 und
zu der Zeitkonstanten bedingt durch die Einspritzungen verschoben.
Alternativ oder zusätzlich
zu der bereits erwähnten
ersten Möglichkeit kann
deshalb eine zweite Möglichkeit
der Tiefpassfilterung zur Ausblendung der störenden hochfrequenten Druckpulsationen
durch das Bereitstellen eines hydraulischen Tiefpasses realisiert
werden. Diese zweite Möglichkeit
ist in 1 gestrichelt
dargestellt. Sie sieht vor, dass das eigentliche Railvolumen so
klein wie möglich gehalten
wird und über
eine Drosselstelle 144 mit einem Zusatzvolumen 146 verbunden
wird, beziehungsweise mit diesem kommuniziert. Der Raildrucksensor 140' wird dann nicht
direkt an dem Rail 110, sondern an dem Zusatzvolumen 146 angeschlossen.
An dem Zusatzvolumen kann vorteilhafterweise ein stark gedämpfter Raildruckverlauf
als Istgröße für das Steuergerät 150 abgegriffen
werden. Die beschriebene Anordnung wird als hydraulischer Tiefpass
bezeichnet.
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Das
Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine mit Hilfe der soeben
unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen
Einspritzvorrichtung 100 wird nachfolgend unter Bezugnahme
auf die 2, 3 und 4 näher
erläutert.
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In 2 sind verschiedene Vorgänge abgebildet,
welche zeitlich parallel stattfinden. Mit den Bezeichnungen ti_1...4
auf der Abszisse ist zunächst
das Einspritztiming für
die beispielhaft angenommenen vier Zylinder der Brennkraftmaschine
(nicht gezeigt) dargestellt. Das Einspritztiming ist mit Bezug auf
die darüber
dargestellten Triggermarken, tr-Marken, dargestellt, weiche ebenfalls
jeweils den einzelnen Zylindern eins bis vier zugeordnet sind, und
aus den Inkrementsignalen und der Bezugsmarke eines Kurbelwellengebers
gewonnen werden. Das Einspritztiming ist mit Bezug auf Kurbelwellen-Bezugsmarken
BM mit einer Winkellage von beispielhaft 60°KW vor dem oberen Totpunkt OT
der Zylinder 1 und 3 dargestellt. Die Triggermarken liefern ein Rechenraster
für jeden
Zylinder für
die erfindungsgemäße Berechnung
der Einspritzdauer, wie weiter unten erläutert wird.
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In 2 ist ferner über den
Bezugsmarken BM die Hubkurve HDP-Hub der Hochdruckpumpe 130 aus 1 dargestellt, wie sie sich
ergibt, wenn der Kolben 139 des Förderelementes 138 über die
Nockenwelle 160 der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Über der
Hubkurve HDP-Hub ist das von dem Steuergerät 150 ausgegebene
Stellsignal MSV zur Ansteuerung des Mengensteuerventils 132 dargestellt,
wobei ein hoher Pegel ein eingeschaltetes Mengensteuerventil und
damit gleichzeitig eine geschlossene Verbindungsleitung 133 repräsentiert.
Umgekehrt repräsentiert
ein niedriger Pegel dieses Signals ein ausgeschaltetes Mengensteuerventil
und damit eine geöffnete
Verbindungsleitung 133. Das Öffnen und Schließen des
Mengensteuerventils 132 erfolgt nach Vorgabe durch das
Steuergerät
im Ansprechen auf den erfassten Raildruck p_R, so dass dieser auf
einen vorgegebenen Sollwert p_R_soll eingeregelt wird.
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Oberhalb
des Stellsignals MSV für
das Mengensteuerventil 132 ist in 2 der Raildruck p_R bei hoher Drehzahl
der Brennkraftmaschine und großem
Kraftstoffdurchsatz dargestellt. Aus dem dargestellten Verlauf des
Raildrucks in Verbindung mit dem Stellsignal MSV für das Mengensteuerventil
ist die Funktionsweise der erwähnten
Regelung ersichtlich. Es ist zu erkennen, dass sich während dem
Hub des Kolbens der Hochdruckpumpe bei eingeschaltetem Mengesteuerventil,
das heißt
bei geschlossener Verbindungsleitung 133 eine Druckerhöhung bis
zu dem Zeitpunkt ergibt, an dem der vorgegebene Sollwert für den Raildruck
p_R_soll erreicht ist. Dann wird das Mengensteuerventil 132 von
dem Steuergerät 150 ausgeschaltet,
das heißt
die Verbindungsleitung 133 geöffnet und dadurch der nicht
benötigte
Kraftstoff aus der Kammer 137 in den Niederdruckkreis,
insbesondere in das Dämpferelement 134 zurückgeführt. Die
Druckverläufe
sind in den 2–4 theoretisch dargestellt,
das heißt
ohne Berücksichtigung
der Dämpfungswirkung
des Rails. In der Realität
sind diese Druckverläufe
nicht geknickt, sondern sinusförmig
verschliffen.
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Fällt bei
hoher Drehzahl gemäß 2 eine lange Einspritzung
bei angesteuertem Mengensteuerventil 132, das heißt geschlossener
Verbindungsleitung, in die Phase des Kolbenhubs, wie zum Beispiel
die Einspritzzeit ti von Zylinder 1, ti_1, so steigt der Raildruck
p_R langsamer an 3) als ohne Einspritzung 1) oder bei kleinen Einspritzzeiten.
Wenn das Mengensteuerventil 132 ab einer bestimmten Kolbenhubstellung
abgeschaltet wird, weil der Soll-Raildruck p_R soll erreicht ist,
sinkt der Raildruck ab diesem Zeitpunkt während der laufenden Einspritzung
ti_1 und auch in der direkt anschließenden Einspritzung ti_2 von
Zylinder 2 entsprechend dem in 1 gezeigten
Verlauf 4), da in dieser Phase der Kolben 139 ansaugt und
kein Kraftstoff in das Rail 110 gefördert wird.
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Die
Basis-Berechnung der Einspritzdauern ti erfolgt jeweils zum Zeitpunkt
einer Triggermarke tr. Dies ist in 1 durch
die vertikal gestrichelten Linien an den Triggermarken sowie durch
die auf diesen Linien befindlichen nach unten gerichteten Pfeile
angedeutet. Die Berechnung der Einspritzdauern erfolgt dann jeweils auf
Basis des aktuellsten verfügbaren,
das heißt
des zuletzt im Zeitraster gemessenen Raildruckwertes. Der Raildruck
wird vorzugsweise jede Millisekunde, insbesondere bei 6.000 UpM
der Brennkraftmaschine aktuell erfasst. Konkret bedeutet das für den in 2 dargestellten Verlauf
des Raildruckes, dass beispielsweise an der Triggermarke tr_4 die
Einspritzdauer ti_2 für
den Zylinder 2 auf Basis des aktuellsten verfügbaren Raildruckwertes, das
heißt
des Raildruckwertes p_R_R2 berechnet wird. Entsprechend wird die
Einspritzdauer für den
Zylinder 3 auf Basis des erfassten Raildruckes p_R_R3 berechnet.
In 2 ist zu erkennen,
dass diese für
die Berechnung verwendeten Raildruckwerte nicht mit den mittleren
Druckwerten p_R_Mi während
der Einspritzdauern ti_i der Zylinder i übereinstimmen.
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3 veranschaulicht grundsätzlich den
zeitlichen Verlauf derselben physikalischen Größen wie 2, jedoch nicht für einen eingeschwungenen Zustand
der Brennkraftmaschine mit hoher Drehzahl und hohem Kraftstoffdurchsatz,
sondern vielmehr für
die Startphase der Brennkraftmaschine. Gleiche physikalische Größen sind
mit gleichen Symbolen bezeichnet. Für eine grundsätzliche
Erläuterung
der dargestellten Zeitverläufe
wird auf die Beschreibung zu 2 verwiesen.
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Zusätzlich zu
den bereits bekannten Verläufen
ist im unteren Teile von 3 die
Motordrehzahl nMot der Brennkraftmaschine
in der Startphase synchron auf Winkelebene zu den übrigen physikalischen
Größen dargestellt.
Zu Beginn der Startphase liegt zunächst eine relativ niedrige
Drehzahl vor; diese geht einher mit einem nur niedrigen Raildruck
p_ND des Niederdrucksystems, wie aus einem Vergleich des obersten
und des untersten Diagramms in 3 zu
erkennen ist. In der Startphase können, insbesondere bei noch
niedrigen Raildrücken,
während
des Druckaufbaus im Nachstart erhebliche Fehler bei der Berechnung
der Einspritzdauer auftreten. Dies ist in 3 beispielhaft wie folgt dargestellt.
Der mittlere Raildruck p_R_M3 während
der Einspritzung in den Zylinder 3 entspricht relativ gut dem erfassten
Raildruck p_R_R3, während
bei der nachfolgenden Einspritzung, die am Ende eines Kolbenhubs
erfolgt, p_R_M4 deutlich höher
liegt als der Berechnungsdruck p_R_R4.
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Wie
in den 2 und 3 dargestellt, kommt es generell
während
der laufenden Einspritzungen, insbesondere jedoch bei den zum Beispiel
in 3 dargestellten besonderen
Situationen zu starken Schwankungen des Raildrucks und es besteht
deshalb die Notwendigkeit, die Einspritzdauer entsprechend dem tatsächlichen
Raildruck zu korrigieren. Nur auf diese Weise lässt sich eine gewünschte in
einen Zylinder einzuspritzende Kraftstoffmenge genau dosieren. Erfindungsgemäß werden
dazu zwei Verfahren vorgestellt. Vorab erfolgt jedoch eine mathematische
Herleitung.
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Die
Soll-Kraftstoffmenge gK_soll zum Zeitpunkt der ti-Berechnung an der
t_R-Marke ergibt sich unter der Annahme des zum Berechnungszeitpunkt
vorliegenden Differenzdrucks zwischen Rail und Brennraum Δp_RB_R folgendermaßen: qK_soll = ti_R·K_EV·√Δp_RB_R. (1)
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Daraus
folgt umgekehrt die Einspritzzeit: ti_R = gK_soll/(K_EV·√Δp_RB_R), (2)wobei
K_EV
die Einspritzventil-Konstante; und
ti_R eine berechnete Einspritzzeit
zum Zeitpunkt der ti-Rechnung an der t_R-Marke,
bezeichnet
mit Δp_RB_R =
p_R_R – p_B_R, (3)wobei
p_R_R
den Raildruck zum Zeitpunkt der ti-Berechnung; und
p_B_R den Brennraumdruck
zum Zeitpunkt der ti-Berechnung
bezeichnet.
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Bei
Einspritzung in die Ansaugphase kann der Brennraumdruck näherungsweise
mit Atmosphärendruck
und als konstant angenommen werden. Ferner wird bei dieser ti-Berechnung
an der t_R-Marke der Kraftstoffdruck gleich dem zuletzt erfassten
Druck und als konstant über
die gesamte Einspritzdauer angenommen.
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Bis
zum Zeitpunkt der Einspritzung und während der laufenden Einspritzung
verändert
sich jedoch der Druck im Rail wie dies oben insbesondere unter Bezugnahme
auf die 2 und 3 erläutert wurde. Es wird deshalb
vorgeschlagen, diesen veränderten
Druck im Rail vorzugsweise jede Millisekunde abzutasten und diese
so erhaltenen aktuellen Abtastwerte für die Berechnung einer korrigierten
Einspritzdauer zu verwenden. Auf Basis dieser aktuellen Raildruckwerte
soll dann nicht lediglich eine einmalige Korrekturrechnung der Einspritzdauer
kurz vor Einspritzbeginn stattfinden, sondern vielmehr während der
laufenden Einspritzung eine ständige
Korrektur mit der jeweils zuletzt berechneten Einspritzdauer erfolgen,
solange bis die immer wieder aktualisierte Einspritzdauer letztendlich
abgelaufen ist. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß eine einfache
Korrekturformel hergeleitet.
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Zur
Ermittlung dieser Korrekturformel ist zu beachten, welche Kraftstoffmenge
qK bei variablem Druck aus dem Rail abgespritzt wird. Diese Kraftstoffmenge
berechnet sich folgendermaßen:
wobei
K_EV
die Einspritzventil-Konstante; und
Δp_RB(t) die Druckdifferenz zwischen
Rail und Brennraum zum Zeitpunkt t
repräsentiert.
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Digitalisiert
als Summenformel ergibt sich mit einem Abtastraster Δt von zum
Beispiel 1 ms:
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Nimmt
man die Einspritzdauer näherungsweise
als Vielfaches von Δt
an, ergibt sich mit ti = k·Δt beziehungsweise
mit Δt =
ti/k:
wobei:
k
die Anzahl der Abtastungen während
einer Einspritzung repräsentiert.
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Für die Soll-Kraftstoffmenge
qK_soll und das dafür
erforderliche korrigierte ti_K, gilt also:
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Eliminiert
man qK_soll aus Gleichung (1) und (7), ergibt sich für die korrigierte
Einspritzdauer ti_K:
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In
Formel 8 repräsentiert
der Korrekturfaktor KF das Verhältnis
zwischen der aktuell berechneten korrigierten Einspritzdauer ti_K
zu der ursprünglich
an der Trigger-Marke
R berechneten Einspritzdauer ti_R.
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In 4 ist diese Korrektur der
Einspritzdauer veranschaulicht. Es ist insbesondere zu erkennen,
dass die ursprünglich
für den
Zylinder 1 an der Triggermarke tr_3 auf Basis der kurz zuvor ermittelten
Druckdifferenz zwischen dem Raildruck und dem Brennraumdruck Δp_RB_R1 für den Zylinder
1 ermittelte Einspritzdauer ti_R1 (Δp_RB_R1) später wieder korrigiert wird.
Diese ursprünglich
berechnete Einspritzdauer ist in 4 als zweiter
horizontaler Balken von oben dargestellt. Die Korrektur führt letzten
Endes zu einer verkürzten
Einspritzdauer ti_K1, wie sie in dem darüber liegenden horizontalen
Balken dargestellt ist.
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In 4 ist weiterhin gezeigt,
dass die Druckerfassung in dem angenommenen 1-Millisekunden-Zeitraster
nicht synchron zu den Triggerzeitpunkten erfolgt, weil diese und
damit die Startzeitpunkte für
die Einspritzungen an feste Kurbelwinkelmarken angehängt sind.
Um bei sehr kurzen Einspritzzeiten von zum Beispiel nur 0,5 ms ebenfalls
eine Korrekturrechnung durchführen
zu können,
genügt
es nicht, erst nach Beginn einer Einspritzung eine Korrekturrechnung
durchzuführen.
Die Einspritzung könnte
dann bereits abgeschlossen sein, wenn die Korrekturrechnung durchgeführt wird.
Es empfiehlt sich deshalb, einen Anfangswert und auch bereits eine
erste Korrektur dieses Anfangswertes für die Einspritzdauer bereits
vor Beginn der eigentlichen Einspritzung vorzunehmen.
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Die
Berechnung der Korrekturformel (8) erfolgt zweckmäßigerweise
so, dass der Ausdruck im Zähler ohne
den Faktor k schon im tR-Raster bei der Berechnung von ti_R ermittelt
wird. Ferner wird die Summe im Nenner als separate Größe gebildet
und jeweils der neue Wurzel-Druckwert
addiert. Der Zähler
wird dann durch die neue Summe dividiert und das Ergebnis mit dem
erreichten Index k multipliziert. Auf diese Weise steht vorzugsweise
in jedem 1-ms-Raster-Zeitpunkt mit wenig Rechenaufwand ein aktuell
korrigiertes ti_K zur Verfügung.
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Die
Korrektur eines ti-Ausgabetimers zur Ansteuerung der Einspritzventile 120 in 3 gemäß den berechneten Einspritzzeiten
kann entweder in jedem 1-ms-Raster mit der jeweils neu berechneten
Einspritzdauer ti_K erfolgen, bis die auf diese Weise laufend korrigierte
Einspritzdauer abgelaufen ist, siehe die oberste Zeile V1 in 4. Alternativ dazu kann
der Ausgabetimer auch erst in demjenigen 1-ms-Raster korrigiert
werden, in dem die aktuell gültige
Einspritzdauer ti_A um nur noch ein Zeitinkrement δt_TK unter
der korrigierten Einspritzdauer ti_K liegt, wobei das Zeitinkrement
für die
Korrektur des Ausgabetimers erforderlich ist, siehe V2.
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Auf
diese Weise wird während
der laufenden Einspritzung ti_R1 für den Zylinder 1 entsprechend
der in 4 dargestellten
Treppenkurve entlang dem Druckverlauf Δp_RB das Integral der Wurzelwerte
der abgetasteten Druckwerte gebildet und die Einspritzung auf den
richtigen Wert ti_K1 korrigiert. In 4 führt dies wegen
der Druckerhöhung
zu einer ti-Verkürzung.
Würde der
Druck sinken, ergäbe
sich eine ti-Verlängerung.
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Soll
der Fehler durch die Druckabtastung verringert werden, kann bei
jeder Wurzelbildung für
die Berechnung des Nenners in Formel (8) entsprechend der Treppenkurve
im rechten Teil des Druckverlaufs von
4 statt
dem jeweils neuen Druck-Abtastwert dieser Wert plus die Hälfte der
Differenz zwischen dem neuen und dem alten Abtastwert (zum Beispiel
bei j = 5: (Δp5-4)/2
= (p(j=5) – p(j=4))/2)
verwendet werden. Dadurch läuft
die Abtast-Treppenkurve im Mittel besser durch den tatsächlichen
Druckverlauf und es kann eventuell ein langsameres Rechenraster,
zum Beispiel ein 2ms-Raster gewählt
werden. Es ergibt sich dann folgende Formel:
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Die
Hauptzielsetzung der Korrekturrechnung nach Gleichung (8) ist es,
während
dem Start einen möglichst
schnellen Druckaufbau zu ermöglichen.
Da der Start und Nachstart üblicherweise
mit Homogeneinspritzung erfolgt, ist der Brennraumdruck konstant
und für Δp_RB kann
der Raildruck abzüglich
Atmosphärendruck angesetzt
werden.
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Die
Korrekturrechnung kann jedoch auch nach Aufbau des vollen Kraftstoffdrucks
in den Betriebsarten "schickt" und "homogen split" durchgeführt werden.
Dann kann statt einem konstanten Brennraumdruck der Brennraumdruck
zum Einspritzzeitpunkt angesetzt werden. Dabei kann entweder der
Brennraumdruck für
den zugehörigen
Einspritzwinkel zugrunde gelegt werden, der auch bei der Berechnung
von ti_R an der t_r-Marke verwendet wird.
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Alternativ
kann im gleichen 1ms-Zeitraster, wie bei der Raildruckerfassung,
ein momentaner Brennraumdruck entweder über das Verdichtungsverhältnis und
die Kurbelwellenstellung berechnet oder über einen Brennraumdrucksensor
gemessen werden. Dadurch ist mit zusätzlichem Rechenaufwand eine
noch genauere Berücksichtigung
des Brennraumdruckverlaufs möglich
als bei der Vorausberechnung der Einspritzzeit.
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Sind
die Laufzeitreserven des verwendeten μC begrenzt, kann die beschriebene
Korrekturrechnung oberhalb einer Drehzahlschwelle abgeschaltet werden.
