DE19718171C2 - Verfahren zum Bestimmen der Einspritzzeit für eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Bestimmen der Einspritzzeit für eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Ein­ spritzzeitdauer für eine direkteinspritzende Brennkraftma­ schine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung beinhalten ein großes Potential zur Reduktion des Kraftstoffverbrauches bei relativ geringem Schadstoffausstoß. Im Gegensatz zur Saug­ rohreinspritzung wird bei einer Direkteinspritzung Kraftstoff mit hohem Druck direkt in den Verbrennungsraum eingespritzt.
Hierzu sind Einspritzsysteme mit zentralem Druckspeicher (Common-Rail) bekannt. In solchen Druckspeichersystemen wird mittels einer Hochdruckpumpe ein von einer elektronischen Steuerungseinrichtung der Brennkraftmaschine über Drucksensor und Druckregler geregelter Kraftstoffdruck in der Verteiler­ leiste aufgebaut, der weitgehend unabhängig von Drehzahl und Einspritzmenge zur Verfügung steht. Über einen elektrisch an­ steuerbaren Injektor wird der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt. Dieser erhält seine Signale von dem Steuerge­ rät.
Durch die funktionelle Trennung von Druckerzeugung und Ein­ spritzung kann der Einspritzdruck unabhängig vom aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine weitgehend frei gewählt werden.
Moderne elektronisch gesteuerte Einspritzsysteme für Diesel­ motoren sind zeitgesteuert gegenüber den alten mechanisch ge­ steuerten, die das verdichtete Volumen als Bezug haben und darüber hinaus eine feste Kopplung von Förderrate und Dreh­ zahl und damit Einspritzdruck und Drehzahl aufweisen. Dies bedeutet, daß bei herkömmlichen Systemen bei gleicher Stellung des Mengenstellwerkes unabhängig von den gerade herr­ schenden Umgebungsbedingungen, immer das gleiche Kraftstoff­ volumen eingespritzt wird. Demgegenüber muß bei zeitgesteuer­ ten Systemen ausgehend von einer berechneten Einspritzmasse eine Ansteuerzeit ermittelt werden.
Bei Druckspeichersystemen (Common-Rail-Systemen), bei denen also der Einspritzdruck unabhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eingestellt werden kann, hängt bei gleich­ bleibenden Umgebungsbedingungen die für eine bestimmte Ein­ spritzmasse erforderliche Injektoransteuerzeit von dem gerade herrschenden Druckgefälle an dem Injektor, d. h. an der Ein­ spritzdüse ab.
Im Steuergerät wird die notwendige Ansteuerzeit aus einem Kennfeld, das über der geforderten Einspritzmasse und dem ak­ tuellen Druck im Druckspeicher (Common-Rail) aufgespannt ist, ermittelt. Grundlage des Kennfeldes sind Messungen auf einer Prüfbank, wobei der Raildruck und die Ansteuerzeit variiert und die sich daraus ergebenden Einspritzmassen gemessen wer­ den. Die Injektoren spritzen dabei gegen den Umgebungsdruck. Bei Übernahme der, auf diese Weise aufgenommenen Daten in ei­ nen Speicher des Motorsteuergerätes kann es dann während des Betriebs der Brennkraftmaschine aufgrund der dabei herrschen­ den, gegenüber auf der Prüfbank unterschiedlichen Druckver­ hältnisse an der Einspritzdüse zu fehlerhaften Einspritzvor­ gängen hinsichtlich der Einspritzmasse kommen.
Aus der US 4,397,285 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Dieselbrennkraftmaschine bekannt, bei der das Einspritzsystem mechanisch gesteuert ist, d. h. eine feste Kopplung von Förderrate und Drehzahl und damit Einspritzdruck und Drehzahl vorliegt. Zur Korrektur der Einspritzzeitdauer wird der im Zylinder auftretende maximale Spitzendruck ermit­ telt, davon die erste Ableitung gebildet und dieses Signal im Sinne einer Einspritzzeitdauerkorrektur weiterverarbeitet.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren zum Bestimmen der Einspritzeitdauer bei einem Einspritz­ system mit Hochdruckspeicher der eingangs genannten Art anzu­ geben, das eine möglichst genaue Zumessung der geforderten Einspritzmasse erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Durch Berücksichtigen des Druckes im Zylinder bei der Bestimmung der Injektoransteuerzeitdauer wird es auf einfache Weise ermöglicht, die geforderte Einspritzmasse mit großer Genauigkeit zuzumessen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: ein Blockschaltbild einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit Hochdruckspeicher und zuge­ höriger Steuerungseinrichtung,
Fig. 2 und Fig. 3: Blockschaltbilder zur Ermittlung der Ein­ spritzzeitdauer.
In der Fig. 1 ist in Form eines Blockschaltbildes das tech­ nische Umfeld gezeigt, in dem die Erfindung eingesetzt wird. Dabei sind lediglich diejenigen Teile dargestellt, die für das Verständnis der Erfindung nötig sind. Mit dem Bezugszei­ chen 10 ist eine Diesel-Brennkraftmaschine bezeichnet, der über eine Ansaugleitung 11 und ein Einlaßventil 12 die zur Verbrennung notwendige Luft zugeführt wird. Ein nicht näher bezeichneter Kolben begrenzt zusammen mit den Zylinderinnen­ wänden einen Verbrennungsraum 13. Das Abgas gelangt über ein Auslaßventil 14 in einen Abgaskanal 15.
Die Einspritzanlage weist einen Kraftstofftank 16 auf, der über einen Kraftstoffilter 17, einer Vorförderpumpe 18 mit einer Hochdruckpumpe 19 in Verbindung steht, die Kraftstoff in eine Hochdruckleitung 20 mit hohem Druck befördert. Die Hochdruckleitung 20 ist an eine Einspritzleiste 21 ange­ schlossen, die Injektoren 22 in Form von Einspritzdüsen auf­ weist, die Kraftstoff in die Verbrennungsräume der Brenn­ kraftmaschine einspritzen. Die Einspritzleiste 21 ist vor­ zugsweise als Hochdruckspeicher (Common Rail) ausgebildet.
Die Hochdruckleitung 20 weist ein ansteuerbares Druckstell­ glied 23 auf, das beispielsweise eine regelbare Pumpe oder ein Druckregelventil darstellt und das über eine Leckagelei­ tung 24 mit dem Kraftstofftank 16 in Verbindung steht. Die Injektoren 22 sind an eine zweite Leckageleitung 25 ange­ schlossen, die ebenfalls zum Kraftstofftank 16 geführt ist. Das Druckstellglied 23 ist über eine nicht näher bezeichnete Ansteuerleitung mit einer elektronischen Steuerungseinrich­ tung (ECU) 26 verbunden. Dasselbe gilt für die Vorförderpumpe 18. Die Hochdruckpumpe 19 kann entweder von der Brennkraftma­ schine selbst, beispielsweise von der Kurbelwelle oder eben­ falls elektrisch angetrieben werden. Die Steuerungseinrich­ tung 26 steht zudem mit einem Drucksensor 27 in Verbindung, der an der Einspritzleiste (Common-Rail) 21 angeordnet ist und den Kraftstoffdruck ρRail in der Einspritzleiste 21 und damit im Hochdruckbereich erfaßt. Ein Drucksensor 28 erfaßt den Druck im Verbrennungsraum 13 und gibt ein Signal an die Steuerungseinrichtung ab, das den Zylinderdruck ρZyl, insbe­ sondere den Kompressionsdruck wiedergibt. Die Steuerungsein­ richtung 26 hat zudem Zugriff auf einen Speicher 29, in dem u. a. ein Einspritzkennfeld KF1 bzw. KF2 abgelegt ist. Auße­ rdem weist sie weitere, allgemein bezeichnete Eingänge ES auf, über die Daten der Brennkraftmaschine, die zu deren Be­ trieb notwendig sind, wie z. B. Last- oder Drehzahl zugeführt werden. Weitere Ausgangsgrößen der Steuerungseinrichtung zum Ansteuern verschiedener Aktoren sind mit AS bezeichnet.
Die allgemeine Funktion einer solchen Direkteinspritzanlage mit Hochdruckspeicher ist bekannt und es wird deshalb nicht näher darauf eingegangen. Im folgenden wird erläutert, wie die Einspritzzeitdauer korrigiert werden kann, um die gefor­ derte Einspritzmasse in den Verbrennungsraum einzuspritzen.
Eine erste Möglichkeit besteht darin, einen Faktor zu ermit­ teln, mit dem der aus dem Einspritzkennfeld KF1 abhängig von der geforderten Einspritzmasse und dem aktuellen Druck im Druckspeicher pRail ausgelesene Wert für die notwendige An­ steuerzeitdauer für den Injektor beeinflußt wird.
Das Druckgefälle Δp an dem Injektor 22 errechnet sich nach der Gleichung
Δp = pRail - pZyl
mit ρRail als Druck im Druckspeicher, pZyl als Druck im Ver­ brennungsraum.
Dieses Druckgefälle wird bei der Berechnung der Ansteuerzeit­ dauer berücksichtigt. Es wird hierzu ein Faktor berechnet, mit dem die aus dem Einspritzkennfeld KF1 ausgelesene Ein­ spritzzeitdauer korrigiert wird.
Der Massenstrom durch eine Drosselstelle, in diesem Falle die Düsenöffnung des Injektors, berechnet sich aus der Gleichung
mit
µ: Durchflußbeiwert
A: effektive Querschnittsfläche der Düsenöffnung
ρ: Kraftstoffdichte
Δp: Druckgefälle
Der an der Prüfbank mit Gegendruck pUmg = 1 (normierter Wert) gemessene Massenstrom Prüfbank ergibt sich mit dem dort herr­ schenden Druckgefälle Δp = pRail - pUmg zu:
An der Brennkraftmaschine, bei der der Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher nicht gegen Umgebungsdruck, sondern in den Verbrennungsraum mit Gegendruck pZyl eingespritzt wird, stellt sich bei gleicher Ansteuerzeitdauer und gleichem Druck pRail im Druckspeicher wie bei der Messung auf der Prüfbank folgen­ der Massenstrom BKM ein:
Setzt man die beiden Massenströme Prüfbank und BKM ins Ver­ hältnis, so erhält man einen dimensionslosen Zeitverlänge­ rungsfaktor f:
mit dem die in dem Einspritzkennfeld KF1 gespeicherte und zum Steuern des Einspritzvorganges ausgelesene Einspritzzeitdauer tKennfeld beaufschlagt wird nach folgender Beziehung:
t = tKennfeld . f
mit t als korrigierte Einspritzzeitdauer.
In Fig. 2 ist das Vorgehen bei der Berechnung der korrigier­ ten Einspritzzeitdauer in Form eines Blockschaltbildes darge­ stellt. Im Einspritzkennfeld KF1 sind wie Eingangs erwähnt, abhängig von der Einspritzmasse ME und des Druckes im Druck­ speicher pRail die auf der Prüfbank ermittelten Werte für die Einspritzzeitdauer tKennfeld abgelegt. Die Werte für den aktuel­ len Druck im Druckspeicher pRail und für den Druck im Verbren­ nungsraum pZyl werden mit den Drucksensoren 27 bzw. 28 ermit­ telt.
Alternativ hierzu kann der Druck im Verbrennungsraum auch aus dem Maximalwert des Kompressionsdruckes oder über eine Kenn­ linie, die den Verlauf des Kompressionsdruckes über dem Kur­ belwinkel wiedergibt, ermittelt werden.
Die Fig. 3 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Berücksichti­ gung des Druckes im Verbrennungsraum bei der Bestimmung der Einspritzzeitdauer. Dabei wird nicht der Druck pRail im Hoch­ druckspeicher als Eingangsgröße des Einspritzkennfeldes KF2 herangezogen, sondern die tatsächlich an der Düse des Injek­ tors herrschende Differenz Δp aus dem Druck pRail im Hoch­ druckspeicher und Zylinderdruck pZyl. Somit wird mit gleicher Druckdifferenz und gleicher Ansteuerzeitdauer an der Brenn­ kraftmaschine die gleiche Einspritzmasse erzielt wie an der Prüfbank.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde anhand einer direktein­ spritzenden Diesel-Brennkraftmaschine mit Hochdruckspeicher erläutert; es ist aber auch ebenso für eine mit Hochdruckein­ spritzung und Druckspeicher arbeitende Otto- Brennkraftmaschine geeignet, bei der die Druckdifferenz an dem Einspritzventil bei der Bestimmung der Einspritzzeitdauer berücksichtigt werden soll.

Claims (4)

1. Verfahren zum Bestimmen der Einspritzzeitdauer für eine mit Direkteinspritzung arbeitende Brennkraftmaschine mit
einem Hochdruckspeicher (21), aus dem Kraftstoff einem In­ jektor (22) zugeführt wird und
eine Einspritzzeitdauer für den Injektor (22) abhängig von einem Wert für eine geforderte Einspritzmasse (ME) an Kraft­ stoff und dem Druck (pRail) im Hochdruckspeicher (21) ermit­ telt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Druck (pRail) im Hochdruckspeicher (21) mittels eines Drucksensors (27) erfaßt wird und bei der Ermittlung der Ein­ spritzzeitdauer (t) zusätzlich der zum Einspritzbeginn herr­ schende Kompressionsdruck (pZyl) im Zylinder der Brennkraft­ maschine berücksichtigt wird, in dem abhängig die von der Einspritzmasse (ME) und dem Druck (pRail) im Hochdruckspeicher (21) ermittelte Einspritzzeitdauer (tKennfeld) durch Multiplika­ tion mit einem Zeitverlängerungsfaktor (f) korrigiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitverlängerungsfaktor (f) abhängig vom Druck (pRail) im Hochdruckspeicher (21) und vom Kompressionsdruck (pZyl) im Zylinder bestimmt ist und der umso höher ist, je kleiner die Druckdifferenz (Δp = pRail - pZyl) am Injektor ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitverlängerungsfaktor (f) nach folgender Beziehung ermit­ telt wird:
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz (Δp) zwischen Druck (pRail) im Hochdruckspei­ cher (21) und Kompressionsdruck (pZyl) im Zylinder zusammen mit der geforderten Einspritzmasse (ME) Eingangsgrößen für ein Einspritzkennfeld (KF2) bilden, in dem abhängig von diesen Werten die Einspritzzeitdauer (t) für den Injektor abge­ legt ist.
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