DE19526516A1

DE19526516A1 - Verfahren zum Bestimmen des Brennstoffeinspritzzeitpunkts für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE19526516A1
Application number: DE19526516A
Authority: DE
Inventors: Travis E Barnes; Brian E Uhlenhake
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1994-07-29
Filing date: 1995-07-20
Publication date: 1996-02-01
Anticipated expiration: 2015-07-21
Also published as: JPH0849583A; US6367456B1; US20010047793A1; DE19526516B4

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Bestimmen des Brennstoffeinspritzzeitpunktes für einen Ver brennungsmotor und speziell auf ein Verfahren zum Bestimmen des Brennstoffeinspritzzeitpunktes für einen Verbrennungsmotor wäh rend des Startes.

Technischer Hintergrund

Ein Dieselmotor erreicht eine Verbrennung durch das Ein spritzen von Brennstoff, der in die heiße Luft eines Motorzy linders verdampft. Jedoch bei Kaltstartbedingungen verliert die Luft viel von ihrer Wärme (Hitze) an die Zylinderwände, was ei nen Motorstart schwierig macht. Wenn z. B. Brennstoff in den Zy linder zu früh eingespritzt wird, kühlt der kalte Brennstoff die Luftladung bzw. die Luftcharge, was verhindert, daß Ver brennungstemperaturen auftreten. Wenn der Brennstoff zu spät eingespritzt wird, wird ein Großteil des Brennstoffes nicht verbrannt.

Die maximale Zylindertemperatur und -druck sollten am obe ren Totpunkt (TDC = TOP DEAD CENTER) auftreten. Daher ist es wünschenswert, Brennstoff in den Zylinder einzuspritzen kurz vor TDC, wo die Lufttemperatur ein Maximum hat, um die Ver brennbarkeit zu verbessern. Beim Erhöhen der Motordrehzahl (Motorgeschwindigkeit) sollte der Brennstoffeinspritzzeitpunkt erhöht werden, um optimale Verbrennung zu erreichen.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eines oder meh rere der obigen Probleme zu überwinden.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren offenbart, um den Zeitpunkt, zu dem Brennstoff einge spritzt werden muß, zu steuern. Ansprechend auf Motordrehzahl und -temperatur wird ein Soll-Zeitsteuersignal erzeugt. Der Soll-Zeit- bzw. Soll-Zeitsteuerwinkel repräsentiert bzw. gibt an, wann der Beginn der Einspritzung auftreten soll, um eine Verbrennung im wesentlichen am oberen Totpunkt (TDC = TOP DEAD CENTER) zu bewirken. Das Zeit- bzw. Zeitsteuersignal ist zu sätzlich für eine vorbestimmte Zündungsverzögerung verantwort lich von der Zeit, zu der Brennstoff eingespritzt wird bis zum Start der Verbrennung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei auf die Zeichnung Bezug genommen. Die Zeichnung zeigt

Fig. 1, eine schematische Ansicht eines hydraulisch betä tigten, elektronisch gesteuerten Brennstoffeinspritzsystems für einen Motor mit einer Vielzahl von Einspritzvorrichtungen (Injektoren);

Fig. 2, ein Blockdiagramm einer Brennstoffeinspritzzeit steuerungsstrategie für das Brennstoffsystem der Fig. 1; und

Fig. 3, eine Zeitsteuerkarte bzw. ein Zeitsteuerdiagramm zum Wählen eines Soll-Brennstoffeinspritzzeitpunktes bzw. einer Einspritzzeitsteuerung als Funktion von Motordrehzahl und -temperatur.

Beste Möglichkeit zur Ausführung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektroni sches Steuerungssystem zum Gebrauch in Verbindung mit einem hy draulisch betätigtem, elektronisch gesteuerten Einheits- Brennstoffinjektorsystem bzw. Brennstoffeinspritzvorrichtungs system. Hydraulisch betätigte, elektronisch gesteuerte Ein heits-Brennstoffinjektorsysteme sind in der Technik bekannt. Ein Beispiel eines solchen Systems ist in US-Patent 5191867 ge zeigt (an Glassey am 09. März 1993 ausgegeben). Diese Offenba rung sei hier durch Bezugnahme eingeschlossen.

In der Beschreibung und den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten oder Teile. Zuerst bezug nehmend auf Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektronischen Steuersystems 10 für ein hydraulisch betätigtes, elektronisch gesteuertes Einheits-Brennstoffinjektorssystem ge zeigt, auf das im folgenden als das HEUI-Brennstoffsystem (Hydraulically actuated Electronically controlled Unit Injec tor) Bezug genommen wird. Das Steuersystem umfaßt ein elektro nisches Steuermodul 15, auf das im folgenden als das ECM (Electronic Control Module) Bezug genommen wird. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das ECM ein Motorola-Mikro-Controller, Modell Nr. 68HC11. Jedoch können viele geeignete Steuerungen bzw. Controller in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wie dem Fachmann bekannt sein wird.

Das elektronische Steuerungssystem 10 umfaßt hydraulisch betätigte, elektronisch gesteuerte Einheits-Injektoren bzw. In jektoreinheiten 25a-f, die einzeln mit den Ausgängen des ECM jeweils durch elektrische Verbindungen 30a-f verbunden sind. In Fig. 1 sind sechs solcher Einheits-Injektoren 25a bis f ge zeigt, die die Verwendung des elektronischen Steuerungssystems 10 bei einem Sechszylindermotor 55 veranschaulichen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen Gebrauch in Verbin dung mit einem Sechszylindermotor beschränkt. Im Gegenteil kann sie leicht modifiziert werden zur Verwendung in einem Motor, der jegliche Anzahl von Zylindern und Einheits-Injektoren 25 hat. Jeder der Einheits-Injektoren 25a-f ist einem Motorzy linder zugeordnet, wie in der Technik bekannt. So würde das Mo difizieren des bevorzugten Ausführungsbeispieles zum Betrieb mit einem Achtzylindermotor zwei zusätzliche Einheits- Injektoren 25 erfordern, für eine Gesamtzahl von acht solcher Injektoren 25.

Das Betätigungsströmungsmittel muß ausreichenden Druck vorsehen, um zu bewirken, daß die Einheits-Injektoren 25 sich öffnen, und Brennstoff in einen Motorzylinder einspritzen bzw. injizieren. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Betätigungsströmungsmittel Motoröl auf, und die Ölversorgung bzw. der Ölsumpf ist bzw. Motorölwanne 35. Öl mit niedrigem Druck wird von der Ölwanne mittels einer Niederdruckpumpe 40 durch einen Filter 45 gepumpt, der Unreinheiten aus dem Motoröl herausfiltert. Der Filter 45 ist verbunden mit einer Hochdruck- Versorgungspumpe 50 mit fester Verdrängung, die am Motor 55 me chanisch angeschlossen ist und von ihm angetrieben wird. Betä tigungsströmungsmittel mit hohem Druck (im bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel Motoröl) tritt in ein Injektor-Betätigungs- Drucksteuerungsventil 76 ein, auf das im folgenden als das IAPCV (Injector Actuation Pressure Control Valve) Bezug genom men wird. Andere Einrichtungen, die in der Technik wohl bekannt sind, können ohne weiteres und einfach für die Pumpe 50 mit fe ster Verdrängung und das IAPCV eingesetzt werden, z. B. umfaßt eine solche Einrichtung eine Hochdruckpumpe mit variabler Ver drängung.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gestattet das IAPCV und die Pumpe 50 mit fester Verdrängung, daß das ECM ei nen Soll-Betätigungsströmungsmitteldruck aufrecht erhält. Ein Rückschlagventil 85 ist auch vorgesehen.

Das ECM enthält eine Software-Entscheidungslogik und In formation, die optimale Brennstoffsystembetriebsparameter defi niert, und steuert Schlüsselkomponenten. Mehrfach-Sensor signale, die verschiedene Motorparameter anzeigen, werden an das ECM geliefert, um den augenblicklichen Betriebszustand des Motors zu identifizieren. Das ECM verwendet diese Eingangs signale, um den Betrieb des Brennstoffsystems zu steuern be züglich Brennstoffeinspritzmenge, Einspritzzeitpunkt (Einspritzzeitsteuerung) und Betätigungsströmungsmitteldruck. Z.B. erzeugt das ECM die Wellenformen, die erforderlich sind, um das IAPCV und eine Spule bzw. einen Elektromagnet jedes In jektors 25 anzutreiben.

Die elektronische Steuerung verwendet mehrere Sensoren, von denen einige gezeigt sind. Ein Motordrehzahlsensor 90 liest die "Signatur" bzw. Beschriftung eines Zeit- bzw. Zeitsteuerra des, das an der Motornockenwelle angebracht ist, um dem ECM die Drehposition und die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl des Motors anzuzeigen. Ein Betätigungsströmungsmitteldrucksensor 95 lie fert ein Signal an das ECM, um den Betätigungsströmungsmittel druck anzuzeigen. Darüber hinaus liefert ein Motorkühlmittel temperatursensor 97 ein Signal an das ECM, um die Motortempera tur anzuzeigen.

Die Software-Entscheidungslogik zur Bestimmung der Größe des Brennstoffeinspritzzeitpunktes ist in Bezug auf Fig. 2 ge zeigt. Die Motordrehzahl und Kühlmitteltemperatur werden abge fühlt und ihre jeweiligen Signale (s_f, T_c) werden an Block 205 geliefert, der ein Soll-Zeit-Winkel-Signal erzeugt, und zwar basierend auf einem Diagramm bzw. Diagrammen und/oder auf einer Gleichung bzw. Gleichungen. Das Zeit-Winkel-Signal Θ repräsen tiert, wann vor dem oberen Totpunkt (BTDC = BEFORE TOP DEAD CENTER) die Brennstoffeinspritzung auftreten soll. Vorteilhaf terweise ist die Größe des Zeit-Winkel-Signals verantwortlich für eine Zündverzögerung von der Zeit, zu der Brennstoff einge spritzt wird, bis zum Beginn der Verbrennung. Die Zündverzöge rung spricht an auf die Lufttemperatur und den Druck innerhalb des Motorzylinders. Es sei bemerkt, daß, weil die Zylinderluft temperatur proportional zu dem Zylinderluftdruck ist, nur die Lufttemperatur gemessen wird. Dementsprechend wird, weil die Motorkühlmitteltemperatur leicht abgefühlt werden kann, die Mo torkühlmitteltemperatur verwendet, um die Zylinderlufttempera tur zu approximieren.

Das Zeit-Winkel-Signal (Zeitsteuer-Winkel-Signal) zusammen mit dem Ist-Motordrehzahlsignal S_F wird an Block 210 geliefert, der das Zeit-Winkel-Signal Θ in ein äquivalentes unkorrigier tes Zeitverzögerungssignal T_U umwandelt. Die Größe des unkorri gierten Zeitverzögerungssignals T_U wird von Block 220 einge stellt (erhöht oder erniedrigt) ansprechend auf die Größe eines Einstell-Zeitverzögerungssignals T_A. Das Einstell- Zeitverzögerungssignal T_A wird von Block 215 erzeugt, der eine Karte (Karten) bzw. ein Diagramm (Diagramme) und/oder Gleichun gen umfaßt, die die Zeit- bzw. Zeitsteuercharakteristiken des hydraulisch betätigten Injektors 25 auf Veränderungen des Betä tigungsströmungsmitteldrucks und der Betätigungsströmungsmit telviskosität reflektieren. Insbesondere reflektieren die Dia gramme die Zeitverzögerung von der Zeit, zu der Strom auf die Injektorspule bzw. den Injektorelektromagneten angewandt wird, bis zu der Zeit, zu der Brennstoff aus dem Injektor abgegeben wird. Es sei bemerkt, daß, weil die Betätigungsströmungsmittel viskosität, schwierig zu messen ist, die Motorkühlmitteltempe ratur verwendet wird, um die Betätigungsströmungsmitteltempera tur zu approximieren, die proportional zur Betätigungsströ mungsmittelviskosität ist. Entsprechend erzeugt Block 215 das Einstell-Zeitverzögerungssignal T_A in Antwort auf den Empfang von Signalen, die den Betätigungsströmungsmitteldruck und die Motorkühlmitteltemperatur repräsentieren (P_f, T_c). Das daraus folgende äquivalente Zeitverzögerungssignal t_c wird vom ECM verwendet, um zu bestimmen, wann der Strom (I) an die Spule bzw. den Elektromagneten eines jeweiligen Injektors 25 gesendet werden muß, um die Brennstoffeinspritzung einzuleiten.

Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf das bevor zugte Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, kann der Fachmann verschiedene zusätzliche Ausführungsbeispiele erwägen, ohne von der Grundidee der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Industrielle Anwendbarkeit

Typischerweise umfaßt das Motorstarten drei Motordrehzahl bereiche. Z.B. von 0 bis 200 Umdrehungen pro Minute wird ge sagt, daß der Motor anläuft (Anlaßdrehzahlbereich). Wenn der Motor zündet, dann beschleunigt die Motordrehzahl von den An laßdrehzahlen auf Motorlaufdrehzahlen (Beschleunigungs drehzalbereich).

Wenn die Motordrehzahl einmal eine vorbestimmte Motordreh zahl pro Minute erreicht, z. B. 900 Umdrehungen pro Minute, wird gesagt, daß der Motor läuft (Laufdrehzahlbereich). Die vorlie gende Erfindung beschäftigt sich damit, den Brennstoff einspritzzeitpunkt zu steuern, um einen Motor zu starten, ins besondere, wenn die Motortemperatur unter einer vorbestimmten Temperatur ist, z. B. unter 18 Grad Celsius. Es ist wünschens wert bzw. erforderlich für optimale Motorleistungen, daß die Verbrennung bei TDC auftritt. Vorteilhafterweise bestimmt die vorliegende Erfindung einen Soll-Zündzeitpunkt (Soll- Zündzeitsteuerung), der verantwortlich ist für eine Zündungs verzögerung, um Verbrennung bei TDC zu erreichen.

Bezug genommen wird nun auf Fig. 3, die eine beispielhaf te Karte bzw. ein beispielhaftes Diagramm darstellt, das von Block 205 verwendet werden kann. Wie gezeigt, wird ein Soll- Zeit-Winkel für eine vorbestimmte Motordrehzahl und -temperatur gewählt. Die Soll-Zeit-Winkelgröße umfaßt eine vorbestimmte Zündungsverzögerung, die der vorbestimmten Temperatur ent spricht.

Fig. 3 zeigt, daß bis zu ungefähr 900 Umdrehungen pro Mi nute der Soll-Zeitwinkel in einem Bereich von 0 Grad bis 5 Grad liegt, insbesondere bei Anlauf- bzw. Startdrehzahlen liegt der Soll-Zeit- bzw. Soll-Zeitsteuer-Winkel im Bereich von 0 Grad bis 3 Grad. Nach 900 Umdrehungen pro Minute wird der Motor als laufend angesehen, also wird der Soll-Zeitwinkel proportional zur Motordrehzahl vorangetrieben bzw. vorverlegt, um sicherzu stellen, daß die Verbrennung bei TDC stattfindet.

Es sei bemerkt, daß die in Fig. 3 gezeigte Karte bzw. das Diagramm nur illustrativ ist und daß die tatsächlichen Werte der Karte bzw. des Diagramms variieren können abhängig von der Betätigungsströmungsmittelviskosität und der Dynamik des Brenn stoffinjektors.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfin dung ergeben sich aus den Zeichnungen, und den angehängten An sprüchen.

Zusammenfassend kann folgendes gesagt werden:
In einer Hinsicht der vorliegenden Erfindung ist ein Ver fahren offenbart zum Steuern des Zeitpunkts, zu dem Brennstoff eingespritzt werden muß. In Antwort auf Motorumdrehung und Tem peratur wird ein Soll-Zeitsignals erzeugt. Der Soll-Zeit-Winkel repräsentiert, wann der Beginn der Einspritzung geschehen muß, um eine Verbrennung im wesentlichen am oberen Totpunkt (TDC = Top Dead Center) zu bewirken. Das Zeitsignal ist zusätzlich für eine vorbestimmte Zündverzögerung verantwortlich, von der Zeit, zu der Brennstoff eingespritzt wird bis zum Beginn der Verbren nung.

Claims

1. Verfahren zur elektronischen Steuerung des Zeitablaufs (Zeitsteuerung) der Brennstoffeinspritzung eines Verbrennungs motors (55), das folgende Schritte aufweist:
Abfühlen der Temperatur des Motors (55) und Erzeugen eines Temperatursignals (T_c), das die abgefühlte Motortemperatur an zeigt;
Abfühlen der Motordrehzahl und Erzeugen eines Motordreh zahlsignals (s_f), das eine Größe der gefühlten Motordrehzahl anzeigt; und
Empfangen der Motordrehzahl- und Temperatursignale, Be stimmen des Einspritzbeginnes um eine Verbrennung im wesentli chen am oberen Totpunkt (TDC = Top Dead Center) zu bewirken, und zwar basierend auf der Größe der Motordrehzahl und Tempera tur, und Erzeugen eines Zeitsteuer-Winkel-Signals (Θ), das re präsentiert bzw. angibt, wann in Bezug auf (TDC) Brennstoff eingespritzt werden muß, wobei die Größe des Zeitsteuer-Winkel- Signals (Θ) eine vorbestimmte Zündungsverzögerung umfaßt, und zwar von der Zeit, zu der Brennstoff eingespritzt wird, bis zum Beginn der Verbrennung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt des Erzeugens eines Zeit- bzw. Zeitsteuer-Winkel- Signals (Θ) mit einer Größe im Bereich von 0 Grad bis 3 Grad vor dem oberen Totpunkt (BTDC = Before Top Dead Center) anspre chend darauf, daß die Motortemperatur unter einer vorbestimmten Temperatur ist und der Motoranlauf Drehzahl hat.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch den Schritt des Erhöhens der Größe des Zeit-Winkel-Signals (Θ), um den Zündzeitpunkt vorzuverlegen ansprechend darauf, daß die Mo tordrehzahl beschleunigt bzw. zunimmt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgen de Schritte:
Empfangen der Zeit-Winkel- und Motordrehzahlsignale (Θ, s_f), umwandeln des Zeit-Winkel-Signals in eine entsprechende Zeitverzögerung, basierend auf der Größe der Zeit-Winkel- und Motordrehzahlsignale (Θ, s_f), und Erzeugen eines unkorrigierten Zeitverzögerungssignals (t_u), das die Größe der Zeitverzögerung anzeigt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgen de Schritte:
Abfühlen des Drucks des Betätigungsströmungsmittels, ver wendet, um den Injektor hydraulisch zu betätigen und Erzeugen eines Betätigungsströmungsmitteldrucksignals (P_f), das den ab gefühlten Betätigungsströmungsmitteldruck anzeigt; und
Empfangen der Betätigungsströmungsmitteldruck- und Motor temperatursignale (P_f, T_c) und Bestimmen einer Zeitverzöge rungseinstellung, basierend auf der Größe des Betätigungsströ mungsmitteldrucks und der Motortemperatur, und Erzeugen eines Zeitverzögerungseinstellsignals (t_a), das die Größe der Zeit verzögerungseinstellung anzeigt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche und insbesondere nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Empfangen der unkorrigierten und Einstellzeitverzögerungs signale (t_a, t_u), Aufsummieren der Größen des unkorrigierten und des Einstellzeitverzögerungssignale, und Erzeugen eines korrigierten Zeitverzögerungssignals (t_c), das die Zeit an zeigt, zu der der Injektor die Brennstoffeinspritzung einleiten muß.