DE10349883A1 - Verfahren zur Bestimmung der Einspritzmenge bei einer selbstzündenden Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Einspritzmenge einer selbstzündenden Brennkraftmaschine. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zuerst eine Minimaleinspritzmenge mit einem Schwellwertverfahren bestimmt wird und anschließend durch die Variation der Gesamtmenge die Steigung der Mengenkennlinie aus dem Integral des entsprechenden Ionenstroms detektiert wird und damit das Einspritzkennfeld korrigiert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Einspritzmenge bei einer selbstzündenden Brennkraftmaschine.
• 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 eingelassenen 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 von 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 Toleranzanforde rungen, 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 begrenzten 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-Emission, den Verbrauch und das Verbrennungsgeräusch. Voreinspritzung kann ohne zusätzliche Hardware realisiert 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 Ionenstromsignals einer selbstzündenden Brennkraftmaschine bekannt. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass aus dem zeitlichen Versatz eines lokalen Maximums im Verlauf des Ionenstromsignales gegenüber einem Einspritzzeitpunkt der Zündverzug abgeleitet wird.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, zur Bestimmung der Injektorcharakteristik oder der Durchflussmenge des Injektors.
• Dieses Ziel wird erreicht durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einer entsprechenden Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs.
• Durch die erfindungsgemäß mögliche, sehr genaue Überwachung bzw. Bestimmung und eine hierdurch ermöglichte Einstellung bzw. Regelung der Einspritzmenge 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 Brenn kraftmaschine 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 Einspritzcharakteristik des Injektors ändert sich über der Laufzeit. Dies führt dazu, dass sich die eingespritzte Kraftstoffmenge, die Einspritzmenge, bei gleicher Ansteuerdauer des Injektors ändert und somit das Verhalten des Motors beeinflusst. Bei Abweichungen der Einspritzmenge können beispielsweise eine grössere Menge an Schadstoffemissionen entstehen. Folglich ist es das Ziel eine Änderung der Einspritzcharakteristik des Injektors frühzeitig zu erkennen, damit die Einspritzmenge frühzeitig geändert werden kann, so dass die Brennkraftmaschine optimal funktioniert.
• Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung weiter beschrieben. Dabei zeigen:
• 1 Ein Diagramm zur Bestimmung der Voreinspritzmenge,
• 2 ein Schaubild mit dem im Steuergerät hinterlegten Einspritz-Kennfeld,
• 3 ein Flussdiagramm zur Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens.
• In 1 ist ein Diagramm zur Erläuterung der erfindungsgemäss ausnutzbaren Beziehung zwischen dem Verbrennungsbeginn einer Haupteinspritzung und einer Voreinspritzung 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 Voreinspritzmenge aufgetragen (Graf 10). Als Masseinheiten sind, wiederum beispielhaft, die Winkelstellung dieses Zeitpunktes und mm3 gewählt. Zweckmässigerweise sind daher in einem angeschlossenen Steuergerät Zeit-Winkel- und Winkel-Zeit-umrechnungen durchführbar. Die dargestellte Variationsbreite der Voreinspritzmenge reicht von 0 bis 2,5 mm3.
• Aufgrund der dargestellten Zusammenhänge ist also eine indirekte Detektion der tatsächlich eingespritzten Voreinspritzmenge über den Zündverzug der Hauptverbrennung im Ionenstromsignal möglich.
• 2 zeigt ein Schaubild mit dem im Steuergerät hinterlegten Einspritz-Kennfeld. Es wird die Einspritzmenge über der Ansteuerdauer des Injektors in Abhängigkeit vom Raildruck hinterlegt. Unterscheidet sich nun die ermittelte Einspritzmenge von der im Kennfeld abgelegten Einspritzmenge zu der vorgegebenen Ansteuerdauer des Injektors wird diese Einspritz-Kennlinie korrigiert. Die im Schaubild gezeigten Kurven unterscheiden sich durch unterschiedliche Raildrücke. Die linken Kurven wurden mit höherem Raildruck bestimmt als die rechten Kurven.
• Während des Brennverlaufs im Motor wird das integrierte Ionenstromsignal bei unterschiedlichen Einspritzmengen ermittelt. Dieses Signal wird mit dem im Motorsteuergerät abgelegten Referenzkurve verglichen. Die bevorzugt im Steuergerät abgelegte Referenzkurve wurde zuvor durch Einspritzung von unterschiedlichen Einspritzmengen an einem baugleichen Referenzmotor ermittelt. Bei der Bestimmung der tatsächlich ein gespritzten Einspritzmenge im Fahrzeug wird parallel der Heizverlauf im Motor und das Ionenstromsignal über der Zeit in Abhängigkeit des Kurbelwinkels ermittelt. Hieraus wird jeweils das Integral gebildet, wobei der Summenbrennverlauf über dem Ionenstromintegral ermittelt wird. Durch Vergleich mit der zuvor ermittelten und bevorzugt im Motorsteuergerät hinterlegten Referenzkurve wird dann die tatsächliche Einspritzmenge bestimmt. Da sich die Einspritzcharakteristik des Injektors über der Laufzeit ändert, ändert sich die Einspritzmenge bei gleicher Ansteuerdauer des Injektors. Durch die Ermittlung der Einspritzmenge zur Ansteuerdauer des Injektors kann das in der Motorsteuerung hinterlegte Einspritzkennfeld korrigiert werden.
• Dieses Verfahren ist geeignet zur On-board-Kalibrierung des Injektors in bestimmten Serviceintervallen oder aber auch permanent. Ausserdem können die Injektortoleranzen ausgeglichen werden. Es ist auch eine Injektorgleichstellung direkt am Band möglich.
• 3 zeigt ein Flussdiagramm zur Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens.
• 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 ein Startwert der Ansteuerdauer festgelegt. Die Einspritzmenge wird erhöht durch Erhöhen der Einspritzdauer. In 203 wird anschliessend der Zeitpunkt bestimmt, zu dem der Ionenstrom einen voreingestellten Schwellwert (Beginn der Haupteinspritzung) überschreitet.
• Wird in Schritt 202 festgestellt, dass der voreingestellte Schwellwert erreicht wurde, wird in einem Schritt 206 auf der Grundlage des festgestellten Zeitpunktes des Erreichens dieses Schwellwertes auf die Minimaleinspritzmenge geschlossen.
• Analog wird in 207 ein Startwert der Ansteuerdauer zur Ermittlung der Gesamteinspritzmenge bestimmt. In 208 wird die Einspritzmenge aus dem Integral des entsprechenden Ionenstromes detektiert. In 209 wird die Ansteuerdauer erhöht. In 210 erfolgt die Abfrage, ob der Endwert erreicht ist. Bei Nichterreichen wird erneut in 208 zur Bestimmung der Mengenkennlinie die Ansteuerdauer erhöht. Bei Erreichen des Endwertes wird in 211 die Gesamtmenge ermittelt und in 212 die im Steuergerät abgespeicherte Kennlinie, das Einspritzkennfeld, korrigiert.
• Bei der Bestimmung der Minimalmenge wird die Ansteuerdauer nur im unteren Bereich der Mengen-Kennlinie korrigiert. Bei der Bestimmung der Gesamtmenge wird die gerade Steigung der Kennlinie in 2 durch höhere Ansteuerdauern ermittelt.

Claims (3)

1. Verfahren zur Bestimmung der Einspritzmenge einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst eine Minimaleinspritzmenge mit einem Schwellwertverfahren bestimmt wird, und anschliessend durch die Variation der Gesamtmenge die Steigung der Mengenkennlinie aus dem Integral des entsprechenden Ionenstroms detektiert wird und damit das Einspritzkennfeld korrigiert wird.
2. Verfahren zur Bestimmung der Einspritzmenge nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuerung bzw. Regelung der Einspritzmenge, insbesondere zur Beeinflussung einer Geräusch- und/oder Partikelemission, der Laufkultur der Brennkraftmaschine, oder von Langzeitdrift-Effekten von bei der Einspritzung eingesetzten Injektoren.
3. Vorrichtung mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.