DE19718172C2

DE19718172C2 - Einrichtung und Verfahren zum Bestimmen des Kompressionsdrucks im Zylinder einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung

Info

Publication number: DE19718172C2
Application number: DE19718172A
Authority: DE
Inventors: Klaus Wenzlawski; Arno Friedrich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1997-04-29
Filing date: 1997-04-29
Publication date: 2000-05-11
Anticipated expiration: 2017-04-30
Also published as: FR2762675A1; DE19718172A1; FR2762675B1; US5900540A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen des Kompressionsdrucks im Zylinder einer aufgelade nen Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung.

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 Common-Rail-Systemen wird mittels einer Hochdruckpumpe ein vom elektronischen Steuerge rät der Brennkraftmaschine über Drucksensor und Druckregler geregelter Kraftstoffdruck in der Verteilerleiste (Common- Rail) 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 bisher mechanisch gesteuerten, 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 Stel lung 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 Common-Rail-Systemen, bei denen also der Einspritzdruck unabhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine einge stellt werden kann, hängt bei gleichbleibenden Umgebungsbe dingungen die für eine bestimmte Einspritzmasse erforderliche Injektoransteuerzeit von dem gerade herrschenden Druckgefälle an dem Injektor, d. h. an der Einspritzdüse ab. Dieses Druck gefälle ist die Differenz zwischen dem Raildruck p_Rail im Hochdruckspeicher und dem Druck im Verbrennungsraum, also dem Zylinderdruck p_Zyl.

Zur Berechnung der Ansteuerzeit für den Injektor ist demnach das Druckgefälle Δp = p_Rail - p_Zyl am Injektor zu berücksichtigen. Dazu müssen der Raildruck und der Kompressionsdruck im Zylin der, möglichst zum Zeitpunkt des Einspritzbeginns, bekannt sein.

Der Raildruck wird mit einem Drucksensor gemessen und der elektronischen Steuerungseinrichtung der Brennkraftmaschine zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt. Dagegen ist üblicherweise kein Sensor zur Messung des Kompressionsdruckes vorhanden, so daß ausgehend von bekannten Größen der Druck im Zylinder berechnet werden muß.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfah ren anzugeben, mit denen auf einfache Wei se der Kompressionsdrucks im Zylinder einer aufgeladenen Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 8 gelöst. Der maximale Kompressionsdruck im Zylinder wird aus den Werten für den maximalen Kompressionsdruck im Zylinder bei Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine und dem Verhältnis der Ladedrücke bei Lastbetrieb und bei Schleppbetrieb ermittelt. Dies hat den Vorteil, daß der maximale Kompressionsdruck mit sehr hoher Genauigkeit ohne Verwendung eines zusätzlichen Drucksensors im Verbrennungsraum durch eine Messung auf der Prüfbank im geschleppten Zustand der Brennkraftmaschine und durch Messung des ohnehin zur Regelung der Aufladeeinrichtung notwendigen Ladedruckes während des Betriebes der Brennkraft maschine berechnet werden kann.

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 zugehö riger Steuerungseinrichtung,

Fig. 2 ein Diagramm für den Verlauf des Zylinderdruckes bei Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine und

Fig. 3: ein Diagramm für den Verlauf des relativen Zylinder druckes ebenfalls bei Schleppbetrieb der Brennkraft maschine.

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.

Zur Erhöhung der Zylinderfüllung und damit zur Leistungsstei gerung der Brennkraftmaschine 10 ist ein an sich bekannter Abgasturbolader 30 vorgesehen, dessen Turbinenrad 30b im Ab gaskanal 15 angeordnet ist und über eine strichliert darge stellte, nicht näher bezeichnete Welle mit einem Verdichter rad 30a im Ansaugkanal 11 in Wirkverbindung steht. Somit treiben die Abgase die Turbine und diese wiederum den Ver dichter an. Der Verdichter übernimmt das Ansaugen und liefert der Brennkraftmaschine eine vorverdichtete Frischladung. Ein dem Verdichter nachgeschalteter Ladeluftkühler 30c führt die Verdichtungswärme über den Kühlwasserkreislauf der Brenn kraftmaschine ab. Dadurch kann die Zylinderfüllung weiter verbessert werden.

Um den Abgasturbolader den Erfordernissen der Brennkraft maschine anzupassen, wird der Ladedruck der zugeführten ver dichteten Frischluft mit Hilfe einer an sich bekannten und deshalb nicht gezeigten Ladedruckregeleinrichtung geregelt. Damit wird die Brennkraftmaschine vor zu hohen Ladedrücken in Abhängigkeit vom Betriebszustand und von Umgebungsbedingungen geschützt. Gleichzeitig kann die Drehzahl des Turboladers be grenzt und damit seine Lebensdauer erhöht werden.

Der Ladedruck p_L wird von einem entsprechenden Drucksensor 32 in der Ansaugleitung 11 stromabwärts des Ladeluftkühlers 30c erfaßt und an die elektronische Steuerungseinrichtung 26 wei tergegeben. Ebenso wird der Steuerungseinrichtung ein der Drehzahl N der Brennkraftmaschine entsprechendes Ausgangs signal eines Drehzahlsensors 31 zugeführt.

Die Einspritzanlage weist einen Kraftstofftank 16 auf, der über einen Kraftstoffilter 17 und 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 10 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 der elektronischen Steuerungseinrichtung (ECU) 26 verbunden. Dasselbe gilt für die Vorförderpumpe 18.

Die Hochdruckpumpe 19 kann entweder von der Brennkraftmaschi ne selbst, beispielsweise von der Kurbelwelle oder elek trisch angetrieben werden. Die Steuerungseinrichtung 26 steht zudem mit einem Drucksensor 27 in Verbindung, der an der Ein spritzleiste (Common-Rail) 21 angeordnet ist und den Kraft stoffdruck p_Rail in der Einspritzleiste 21 und damit den Druck im Hochdruckbereich erfaßt. Die Steuerungseinrichtung 26 hat zudem Zugriff auf einen Speicher 29, in dem u. a. Kenn felder KF3, KF4 und KF5 abgelegt sind. Außerdem weist sie weitere, allgemein bezeichnete Eingänge ES auf, über die Da ten der Brennkraftmaschine, die zu deren Betrieb notwendig sind wie z. B. Last- oder Temperatur zugeführt werden. Weitere Ausgangsgrößen der Steuerungseinrichtung zum Ansteuern ver schiedener Aktoren sind mit AS bezeichnet.

Die allgemeine Funktion einer solchen Direkteinspritzanlage mit Hochdruckspeicher ist bekannt und wird deshalb nicht nä her ausgeführt.

Im folgenden wird erläutert, wie der Druck im Zylinder ermit telt werden kann.

Bei nicht-aufgeladenen Motoren reicht es aus, den Maximalwert des Kompressionsdruckes oder eine Kennlinie des Kompressions druckes über dem Kurbelwellenwinkel in einem Speicher der elektronischen Steuerungseinrichtung der Brennkraftmaschine abzulegen. Bei aufgeladenen Brennkraftmaschine ändert sich der Kompressionsspitzendruck bereits in geschlepptem Zustand über der Drehzahl, da der Abgasturbolader bei hohen Drehzah len eine leichte Druckerhöhung bewirkt. Wird die Brennkraft maschine unter Last betrieben, ändert sich der Kompressions spitzendruck in Abhängigkeit des Ladedruckes.

Zwischen den Kompressionsspitzendrücken und den dazugehörigen Ladedrücken besteht folgender Zusammenhang:

mit p_Zylmax: maximaler Kompressionsdruck bei Lastbetrieb der Brennkraftmaschine,
p_{Zylmaxschlepp}: maximaler Kompressionsdruck bei Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine,
p_L: Ladedruck bei Lastbetrieb der Brennkraftmaschine
p_Lschlepp: Ladedruck bei Schleppbetrieb der Brennkraftmaschi ne

Daraus wird der aktuelle Kompressionsspitzendruck berechnet:

Während der Ladedruck p_L mittels des Drucksensors 32 kontinu ierlich gemessen wird, werden die Werte p_{Zylmaxschlepp} und p_Lschlepp als Funktion der Drehzahl N der Brennkraftmaschine in einem Speicher 29 der Steuerungseinrichtung 26 abgelegt. Die Werte können entweder jeweils in einem eigenen Kennfeld KF3, KF4 oder als Quotient

in einem gemeinsamen Kennfeld zu sammengefaßt gespeichert werden.

Der so ermittelte Kompressionsspitzendruck reicht näherungs weise aus, um den Kompressionsdruck um den Oberen Totpunkt OT(±10°KW) zu repräsentieren. Für weit vor OT vorgelagerte Einspritzbeginne, z. B. bei Voreinspritzung, läßt sich aus dem Kompressionsspitzendruck der Kompressionsdruck bei Beginn der Einspritzung wie folgt berechnen:

Der relative Kompressionsdruckverlauf

über dem Kurbel wellenwinkel ist für alle Drehzahlen und Ladedrücke gleich. Dieser Verlauf wird in einem Kennfeld KF5 des Speichers 29 abgelegt. Aus diesem Kennfeld KF5 wird abhängig vom Kurbel winkel der zum aktuellen Einspritzbeginn gehörende Faktor ausgewählt und mit dem vorher berechnetem Kompressionsspit zendruck multipliziert.

In Fig. 2 ist der Verlauf des Zylinderdruckes p_{Zylmaxschlepp} bei Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit des Kurbelwinkels für verschiedene Drehzahlen dargestellt, wäh rend die Fig. 3 den Verlauf des relativen Zylinderdruckes, ebenfalls in Abhängigkeit des Kurbelwinkels zeigt.

Mit Hilfe des so ermittelten Kompressionsdruckes läßt sich dann das Druckgefälle Δp über der Einspritzdüse berechnen

Δp = p_Rail - p_Zyl

Diese Druckdifferenz Δp kann dann bei der Berechnung der An steuerzeit für den Injektor berücksichtigt werden, wie es beispielsweise in der zeitgleichen Anmeldung P........ der selben Anmelderin angegeben ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde anhand einer direktein spritzenden Diesel-Brennkraftmaschine mit Hochdruckspeicher erläutert; es ist aber auch ebenso für eine mit Hochdruckein spritzung und Common-Rail arbeitende Otto-Brennkraftmaschine geeignet, bei der die Druckdifferenz an dem Einspritzventil bei der Bestimmung der Einspritzzeit berücksichtigt werden soll.

Claims

1. Einrichtung zum Bestimmen des Kompressionsdruckes im Zy linder einer mit Direkteinspritzung arbeitenden Brennkraftma schine mit

1. einem Hochdruckspeicher (21), aus dem Kraftstoff einem In jektor (22) zuführbar ist,
2. einer Aufladevorrichtung (30) zum Erhöhen des Luftdurchsat zes durch Verdichten der Ansaugluft für die Brennkraftmaschi ne und
3. einen den Ladedruck (p_L) im Lastbetrieb messenden Sensor (32),
4. mit einem Speicher (29), in dem der maximale Kompressions druck (p_{Zylmaxschlepp}) sowie der Ladedruck (p_Lschlepp) Jeweils für den Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine abgelegt sind und
5. der maximale Kompressionsdruck (p_Zylmax) im Zylinder mit Hil fe der Werte für den maximalen Kompressionsdruck (p_{Zylmaxschlepp}) und dem Verhältnis der Ladedrücke (p_L/p_Lschlepp) ermittelbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Bildung von
ausgelegt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Werte für den maximalen Kompressionsdruck (p_{Zylmaxschlepp}) im Zylinder bei Schleppbetrieb und für den Ladedruck (p_Lschlepp) bei Schleppbetrieb der Brennkraftmaschi ne als Funktion der Drehzahl (N) der Brennkraftmaschine in einem Kennfeld (KF3, KF4) des Speichers (29), der zu einer elektronischen Steuerungseinrichtung (26) gehört, abgelegt sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte jeweils in einem eigenen Kennfeld (KF3, KF4) abge legt sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte als Quotient
in einem gemeinsamen Kennfeld zusammengefaßt abgelegt sind.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie den Kompressionsdruck für weit vor dem Oberen Totpunkt vorgelagerte Einspritzbeginne durch Multiplika tion des Wertes für den maximalen Kompressionsdruck (p_Zylmax) im Zylinder mit einem vom relativen Kompressionsdruck
und vom Kurbelwinkel (°KW) abhängigen Faktor berechnet.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf des relativen Kompressionsdrucks
abhängig vom Kurbelwinkel (°KW) in einem Kennfeld (KF5) abgelegt ist.

8. Verfahren zum Bestimmen des Kompressionsdruckes im Zylin der einer mit Direkteinspritzung arbeitenden Brennkraftma schine mit

1. einem Hochdruckspeicher (21), aus dem Kraftstoff einem In jektor (22) zugeführt wird,
2. einer Aufladevorrichtung (30) mit der der Luftdurchsatz durch Verdichten der Ansaugluft für die Brennkraftmaschine erhöht wird,
3. der Ladedruck (p_L) im Lastbetrieb mittels eines Sensors (32) gemessen wird,
4. der maximale Kompressionsdruck (p_{Zylmaxschlepp}) sowie der La dedruck (p_Lschlepp) jeweils für den Schleppbetrieb der Brenn kraftmaschine in einem Speicher (29) abgelegt sind und
5. der maximale Kompressionsdruck (p_Zylmax) im Zylinder mit Hil fe der Werte für den maximalen Kompressionsdruck (p_{Zylmaxschlepp}) und dem Verhältnis der Ladedrücke (p_L/p_Lschlepp) ermittelt wird.