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Die vorliegende Erfindung betrifft einen computerlesbaren Datenträger zur Steuerung eines Kraftstoffinjektors, insbesondere eines Kraftstoffinjektors in einem Common-Rail-Kraftstoffversorgungssystem, und eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
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Im Bemühen, den Kraftstoffverbrauch und den Schadstoffausstoß von Kraftfahrzeugen zu senken, wurden hochentwickelte Schemata zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung erarbeitet, bei denen präzise dosierte Mengen an Kraftstoff zu verschiedenen Zeitpunkten eines Verbrennungszyklus eines Zylinders eingespritzt werden müssen. Es hat sich herausgestellt, dass mit steigender Anzahl der Einspritzungen pro Verbrennungszyklus die Genauigkeit der Dosierung leidet.
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Ein Ziel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es, einen computerlesbaren Datenträger und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Kraftstoffinjektors zu schaffen, die ungeachtet der Anzahl der Einspritzungen pro Verbrennungszyklus eine präzise Steuerung der Einspritzmengen ermöglicht.
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Dieses Ziel wird durch einen computerlesbaren Datenträger zur Steuerung eines Kraftstoffinjektors in einem Common-Rail-Kraftstoffversorgungssystem erreicht, mit dem die folgenden Schritte durchgeführt werden:
- a) Bereitstellen eines ersten Kennfelds, das die Dauer eines an den Kraftstoffinjektor anzulegenden energiezuführenden Impulses als Funktion des Leitungsdrucks und der Einspritzmenge angibt;
- d) Bestimmen einer aktuellen Einspritzmenge und einer Verzögerung zwischen der Einspritzung der aktuellen Einspritzmenge und einer vorherigen Einspritzung;
- e) Bestimmen der Dauer eines energiezuführenden Impulses zum Einspritzen der aktuellen Einspritzmenge mithilfe des ersten Kennfelds sowie mithilfe eines von der Verzögerung abhängigen Leitungsdrucks und der aktuellen Einspritzmenge als Argumente des ersten Kennfelds.
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Der diesem computerlesbaren Datenträger zugrundeliegende Gedanke lautet wie folgt: Immer wenn einem Kraftstoffinjektor Energie zugeführt wird, um Kraftstoff einzuspritzen, geht der Druck an seiner Einlassöffnung zurück, wobei dieser Rückgang eine Druckwelle auslöst, die sich durch die gemeinsame Kraftstoffleitung ausbreitet, so dass anschließend der Druck an der Einlassöffnung dieses Kraftstoffinjektors und möglicherweise auch an den Einlassöffnungen anderer Kraftstoffinjektoren, die mit der gemeinsamen Kraftstoffleitung verbunden sind, im Verlauf der Zeit schwankt, wobei sich die Dauer des energiezuführenden Impulses, die von einem Kraftstoffinjektor benötigt wird, um eine vorbestimmte aktuelle Einspritzmenge einzuspritzen, in Abhängigkeit vom Druck an der Einlassöffnung dieses Kraftstoffinjektors ändert. Eine Modellierung der durch die vorherige Einspritzung ausgelösten Schwankung dieses Drucks mithilfe des ersten Kennfelds ermöglicht es, die Dauer des energiezuführenden Impulses an den momentanen Druck anzupassen, so dass die aktuelle Einspritzmenge präzise gesteuert wird.
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Wenn sich die Kraftstoffversorgungsanlage in einem stationären Zustand befindet, typischerweise wenn die Zeit seit der letzten Einspritzung lang genug war, so dass die von ihr ausgelöste Druckschwankung vollständig abklingen konnte, kann erwartet werden, dass an der Einlassöffnung des Injektors der Nenndruck herrscht. Vor der oben genannten vorherigen Einspritzung kann das Verfahren, das mit dem computerlesbaren Datenträger durchgeführt wird, daher ferner die folgenden Schritte umfassen:
- b) Bestimmen einer Einspritzmenge der vorherigen Einspritzung; und
- c) Bestimmen der Dauer eines energiezuführenden Impulses zum Einspritzen der Einspritzmenge der vorherigen Einspritzung mithilfe des ersten Kennfelds sowie mithilfe eines nominalen Leitungsdrucks und der Einspritzmenge der vorherigen Einspritzung als Argumente des ersten Kennfelds.
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Typischerweise handelt es sich bei der vorherigen Einspritzung, für welche die Schritte b) und c) ausgeführt werden, um die erste Einspritzung eines Verbrennungszyklus.
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Nach der so genannten aktuellen Einspritzung kann ein Verbrennungszyklus eine beliebige Anzahl an nachfolgenden Einspritzungen aufweisen. Bei einer ersten dieser Einspritzungen können die folgenden Schritte ausgeführt werden:
- f) Bestimmen einer nachfolgenden Einspritzmenge und einer Verzögerung zwischen der Einspritzung der nachfolgenden Einspritzmenge und der aktuellen Einspritzung;
- g) Bestimmen der Dauer eines energiezuführenden Impulses zum Einspritzen der nachfolgenden Einspritzmenge mithilfe des ersten Kennfelds sowie mithilfe eines von der Verzögerung abhängigen Leitungsdrucks und der nachfolgenden Einspritzmenge als Argumente des ersten Kennfelds.
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Dabei sollte nur die Verzögerung zwischen der nachfolgenden Einspritzung und der aktuellen Einspritzung berücksichtigt werden, wenn der Leitungsdruck zum Zeitpunkt der nachfolgenden Einspritzung bestimmt wird, wobei dies auf der Annahme beruht, dass eine von der vorherigen Einspritzung ausgelöste allfällige Druckschwankung durch die aktuelle Einspritzung vollständig ausgelöscht wird und dass der Druck zum Zeitpunkt der nachfolgenden Einspritzung ausschließlich durch die Schwankung bestimmt wird, die durch die aktuelle Einspritzung ausgelöst wird.
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Zur Bestimmung des Leitungsdrucks zum Einspritzungszeitpunkt kann ein zweites Kennfeld verwendet werden, das eine Summe eines nominalen Leitungsdrucks und wenigstens eines Ausdrucks ist, bei dem es sich um eine Sinusfunktion der Verzögerung handelt. Gewöhnlich genügt eine kleine Anzahl solcher Sinusausdrücke für eine präzise Modellierung des Drucks, wobei ihre Frequenzen diskreten Resonanzfrequenzen der gemeinsamen Kraftstoffleitung oder deren Komponenten entsprechen. Vorzugsweise werden nur zwei solche Sinusausdrücke verwendet.
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Die Sinusausdrücke sollten einer Dämpfung unterzogen werden, d. h. sie könnten als Exponentialfunktionen geschrieben werden, die nicht verschwindende imaginäre Anteile und negative reale Anteile aufweist.
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Die Verzögerung sollte zwischen dem Ende eines energiezuführenden Impulses und dem Beginn des nächsten energiezuführenden Impulses gemessen werden.
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Das Ziel wird auch durch ein Steuergerät zur Steuerung eines Kraftstoffinjektors in einem Common-Rail-Kraftstoffversorgungssystem erreicht, wobei das Steuergerät Folgendes umfasst: einen Eingang zum Empfangen von Daten, die repräsentativ für eine aktuelle Einspritzmenge und eine Verzögerung zwischen der Einspritzung der aktuellen Einspritzmenge und einer vorherigen Einspritzung sind,
einen Ausgang, um einen energiezuführenden Impuls an den Kraftstoffinjektor anzulegen,
Mittel zum Bestimmen der Dauer eines energiezuführenden Impulses zum Einspritzen der aktuellen Einspritzmenge mithilfe eines ersten Kennfelds, das die Dauer eines an den Kraftstoffinjektor anzulegenden energiezuführenden Impulses als Funktion des Leitungsdrucks und der Einspritzmenge angibt, sowie mithilfe eines von der Verzögerung abhängigen Leitungsdrucks und der aktuellen Einspritzmenge als Argumente des ersten Kennfelds.
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Das Steuergerät kann einen Speicher umfassen, um darin das erste Kennfeld in Form einer Nachschlagetabelle zu speichern, die wenigstens zwei Dimensionen aufweist, typischerweise die Verzögerung und die Einspritzmenge. Wenn dies sinnvoll ist, könnten auch weitere Dimensionen hinzugefügt werden; so könnte es z. B. zweckmäßig sein, auch die Temperatur des Kraftstoffs zu berücksichtigen, da die temperaturabhängige Viskosität des Kraftstoffs ebenfalls eine Auswirkung auf die erforderliche Erregungszeit zum Einspritzen einer gegebenen Menge an Kraftstoff haben kann.
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Die Nachschlagetabelle kann nur Erregungszeiten speichern, die diskreten Werten der Verzögerung und der Einspritzmenge zugeordnet sind. Um Erregungszeiten zu schätzen, die Zwischenwerten der Verzögerung und/oder Einspritzmenge zugeordnet sind, sollten die Mittel zum Bestimmen der Dauer eines energiezuführenden Impulses daher Interpolationsmittel umfassen.
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Das Steuergerät sollte ferner Mittel umfassen, um den Leitungsdruck mithilfe eines zweiten Kennfelds zu bestimmen, wobei das zweite Kennfeld eine Summe eines nominalen Leitungsdrucks und wenigstens eines Ausdrucks ist, bei dem es sich um eine Sinusfunktion der Verzögerung handelt.
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Es kann ein weiterer Speicher vorgesehen sein, um darin das zweite Kennfeld in Form einer Nachschlagetabelle zu speichern, wobei die Mittel zum Bestimmen des Leitungsdrucks Interpolationsmittel umfassen sollten.
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Das Ziel wird auch durch Folgendes erreicht: durch ein Computerprogrammprodukt, das Programmcodemittel umfasst, die es einem Computer ermöglichen, das oben beschriebene Verfahren auszuführen oder als das oben beschriebene Steuergerät zu fungieren.
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Die Erfindung kann auch in einem Kraftstoffversorgungssystem ausgeführt werden, das einen oder mehrere Injektoren und ein oben beschriebenes Steuergerät zur Steuerung des (der) Injektor(en) umfasst.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen hervor, bei der auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird.
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1 ist ein Diagramm eines Dieselmotors mit einem Common-Rail-Kraftstoffversorgungssystem;
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2 ist ein Diagramm, das an einen Injektor des Systems von 1 angelegte energiezuführende Impulse und Druckveränderungen an einer Einlassöffnung des Injektors zeigt; und
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3 ist ein Fließdiagramm, das den Betrieb eines Steuergeräts des Injektors veranschaulicht.
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Das Dieselmotorsystem von 1 umfasst einen Motorblock 1 mit einer Vielzahl von darin gebildeten Zylindern 2. Die Zylinder 2 treiben eine nicht dargestellte Kurbelwelle an, deren Winkelposition und/oder Drehgeschwindigkeit durch einen Kurbelwellensensor 3 erfasst wird. Jeder Zylinder 2 weist einen ihm zugeordneten Kraftstoffinjektor 4 auf, um den von einer gemeinsamen Kraftstoffleitung 5 kommenden Kraftstoff einzuspritzen. Jeder Injektor 4 umfasst eine Einlassöffnung 18, die durch eine Zweigleitung 8 mit der gemeinsamen Kraftstoffleitung 5 verbunden ist. Zwischen der gemeinsamen Kraftstoffleitung 5 und jeder Zweigleitung 8 ist ein Durchflussbegrenzer 9 angeordnet. Die Kraftstoffleitung 5 wird durch eine Kraftstoffpumpe 6 mit Druck beaufschlagt, die Kraftstoff aus einem Tank 7 zieht. Überschüssiger Druck wird über eine Leitung 10 abgelassen, die von der Kraftstoffleitung 5 zum Tank 7 zurückführt und ein Druckbegrenzungsventil 11 umfasst.
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Ein elektronisches Steuergerät 12 ist mit verschiedenen Sensoren wie z. B. mit dem Kurbelwellensensor 3, mit einem Nockenwellensensor, mit einem Gaspedalsensor 13, mit Temperatursensoren wie z. B. einem Kühlmitteltemperatursensor 14, mit einem Luftmassensensor 15 in einem mit dem Motorblock 1 verbundenen Luftansaugkrümmer 16 usw. verbunden und bestimmt auf Basis der von diesen Sensoren gelieferten Daten die Einspritzmengen und die Einspritzzeitpunkte der verschiedenen Kraftstoffeinspritzungen, die während eines Verbrennungszyklus jedes Zylinders 2 erfolgen.
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Diese Einspritzmengen und Einspritzzeitpunkte werden an ein Sub-Steuergerät 17 übermittelt, bei dem es sich um eine physisch vom Steuergerät 12 getrennte Komponente handeln kann oder das zusammen mit dem Steuergerät 12 in der gleichen Komponente wie z. B. einem Mikrocomputer oder Mikrocontroller ausgeführt sein kann. Das Sub-Steuergerät 17 bestimmt auf Basis dieser Daten die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Injektoren 4 und legt energiezuführende Impulse an sie an, durch die ihre jeweiligen Öffnungs- und Schließzeitpunkte gesteuert werden.
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Wenn sich die Kraftstoffleitung 5 in einem stationären Zustand befindet und die Injektoren 4 geschlossen sind, ist der Druck in den Zweigleitungen 8 der gleiche wie in der Kraftstoffleitung 5 und weist den vom Druckbegrenzungsventil 11 begrenzten Wert auf.
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2 zeigt den Verlauf des Drucks p in einer der Zweigleitungen 8. Zum Zeitpunkt t = 0 wird angenommen, dass sich das System in einem stationären Zustand befindet, z. B. zu Beginn eines Verbrennungszyklus des Zylinders 2, der von der Zweigleitung 8 versorgt wird, wobei der Druck p in der Zweigleitung 8 einen Nennwert p0 aufweist. Wenn sich der zu dieser Zweigleitung 8 gehörende Injektor 4 zu einem Zeitpunkt t1 kurz nach dem Beginn eines an ihn angelegten energiezuführenden Impulses EP1 öffnet, fällt der Druck an seiner Einlassöffnung 18 stark ab, und eine Druckwelle breitet sich in der Zweigleitung 8 aus. Da gleichzeitig eine Strömung durch die Zweigleitung 8 in der Richtung besteht, die der Ausbreitungsrichtung der Druckwelle entgegengesetzt ist, wird die Druckwelle stark abgeschwächt, so dass die Druckschwankungen vernachlässigbar sind, während der Injektor 4 offen ist.
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Wenn der energiezuführende Impuls EP1 hingegen zum Zeitpunkt t1' endet und sich der Injektor 4 wieder schließt, kommt der Strom durch die Zweigleitung 8 zu einem abrupten Stillstand, was zu einem überschießenden Druck an der Einlassöffnung 18 führt und eine Druckwelle auslöst, die sich bis zum Durchflussbegrenzer 9 ausbreitet und dort reflektiert wird, was zu einer gedämpften Schwankung des Drucks an der Einlassöffnung 18 führt.
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Diese Schwankung wird abrupt ausgelöscht, wenn sich der Injektor 4 aufgrund eines weiteren energiezuführenden Impulses EP2, der durch das Sub-Steuergerät 17 an den Injektor 4 angelegt wird, zum Zeitpunkt t2 wieder öffnet. Gelegentlich ist zum Zeitpunkt t2 der Druck p an der Einlassöffnung 18 höher als der Nenndruck p0. Da dieser Druck p den Antrieb für die Bewegung eines Absperrorgans im Injektor 4 darstellt, ist die Bewegung des Absperrorgans rascher als beim Nenndruck p0, so dass die Zeit zwischen dem Beginn des energiezuführenden Impulses EP2 und eines nachfolgenden Anfangs der Kraftstoffeinspritzung zum Zeitpunkt t2 kürzer ist als unter dem Nenndruck p0. Ferner ist aufgrund des hohen Drucks p der Durchsatz des Injektors 4 höher, so dass zur Einspritzung einer vorbestimmten Menge an Kraftstoff die Dauer des energiezuführenden Impulses EP2 kürzer sein muss, als sie es beim Nenndruck p0 wäre. Wenn umgekehrt der Druck zum Zeitpunkt des Wiederöffnens des Injektors 4 niedriger wäre als der Nenndruck p0, würde sich die Zeit zwischen dem Beginn des energiezuführenden Impulses und dem Anfang der Einspritzung verkürzen, der Durchsatz würde sinken, und die für die Einspritzung der vorbestimmten Menge an Kraftstoff erforderliche Zeit wäre länger als unter Nenndruck.
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Eine neue Druckschwankung beginnt, wenn sich der Injektor zum Zeitpunkt t2' wieder schließt. Die Form dieser neuen Schwankung ist die gleiche wie zuvor; sie hängt nicht von der Dauer des vorangehenden energiezuführenden Impulses EP2 ab, sondern ist in Bezug auf die zwischen t1' und t2 auftretende Schwankung nur zeitverschoben.
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Die Druckschwankung kann als Überlagerung gedämpfter sinusförmiger Schwingungen betrachtet werden, deren Frequenzen und Dämpfungskoeffizienten von der Geometrie des Kraftstoffversorgungssystems und hauptsächlich der Zweigleitung 8 abhängen, mit welcher der Injektor 4 verbunden ist. Es können Kreuzkopplungen zwischen den Injektoren 4 auftreten, die jedoch aufgrund der Durchflussbegrenzer, welche die Druckschwankungen in den verschiedenen Zweigleitungen 8 voneinander entkoppeln, eher unbedeutend sind.
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Die Frequenzen und Dämpfungskoeffizienten jeder Zweigleitung
8 werden empirisch bestimmt, indem die Koeffizienten K, A
i, B
i, fi, ·i der Modellgleichung
an experimentelle Druckdaten angepasst werden, die mit einem Prototyp-Motor gewonnen wurden. Es ist anzumerken, dass t = 0 in dieser Modellgleichung nicht das Gleiche wie t = 0 in
2 ist, sondern dem Ende eines energiezuführenden Impulses entspricht.
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Auf ähnliche Weise werden die Durchsätze des Injektors 4 und die Zeiten zwischen dem Beginn eines energiezuführenden Impulses und dem nachfolgenden Anfang der Kraftstoffeinspritzung bei verschiedenen Druckwerten empirisch bestimmt.
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Aus diesen Daten wird eine erste Nachschlagetabelle 19 erstellt, die für gegebene Druckwerte p an der Einlassöffnung 18 und gegebene gewünschte Kraftstoffeinspritzmengen die erforderliche Dauer der energiezuführenden Impulse angibt. Diese erste Nachschlagetabelle kann für alle Injektoren 4 die gleiche sein, vorausgesetzt, dass alle Injektoren 4 vom gleichen Typ sind und sich gleich verhalten.
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Es wird eine zweite Nachschlagetabelle 20 erstellt, die die Form der Druckschwankung angibt. Da die Zweigleitungen 8 unterschiedliche Formen, insbesondere unterschiedliche Längen, aufweisen können, kann jede Zweigleitung 8 eine ihr zugeordnete spezifische zweite Nachschlagetabelle aufweisen.
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Die Nachschlagetabellen 19, 20 sind in einer Speicherkomponente 21 gespeichert, die mit dem Sub-Steuergerät 17 verbunden ist.
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Nun soll die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung in einen der Zylinder 2 durch das Sub-Steuergerät 17 anhand des Fließdiagramms von 3 beschrieben werden. Das Fließdiagramm startet zu einem Zeitpunkt, an dem sich der Zylinder am oberen Totpunkt befindet und die Abgase eines vorangehenden Verbrennungszyklus soeben daraus ausgestoßen wurden. Der Zeitpunkt t1 einer ersten Einspritzung des vorliegenden Verbrennungszyklus und die Menge Q1 des einzuspritzenden Kraftstoffs werden im Schritt S1 vom Steuergerät 12 bezogen. Wenn die erste Einspritzung zum Zeitpunkt t1 fällig ist, ist die letzte Einspritzung des vorangehenden Zyklus so lange vorbei, dass die durch sie ausgelösten Druckveränderungen bis auf einen unbedeutenden Wert abgeschwächt wurden und der Druck in der diesem Zylinder 2 zugeordneten Zweigleitung 8 p0 beträgt. Daher kann angenommen werden, dass der Druck p zum Zeitpunkt t1 der Nenndruck p0 ist. Im Schritt S2 ruft das Sub-Steuergerät 17 aus der Nachschlagetabelle 19 die Dauer des energiezuführenden Impulses ET(p0, Q1) ab, die notwendig ist, um die Menge Q1 beim Druck p0 einzuspritzen. Im Schritt S3 beginnt es, zum Zeitpunkt t1 einen energiezuführenden Impuls EP1 anzulegen, und beendet im Schritt S4 den energiezuführenden Impuls EP1 zum Zeitpunkt t1' = t1 + ET(p0, Q1).
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An einem willkürlichen Zeitpunkt vor t2 erhält das Sub-Steuergerät 17 den Zeitpunkt t2 und die Einspritzmenge Q2 einer zweiten Einspritzung (S5). Im Schritt S6 berechnet es die Verzögerung ·t2 zwischen t1' und t2 und ermittelt unter Verwendung dieser Verzögerung ·t2 als Argument den Druck p(t2) zum Zeitpunkt t2 aus der Nachschlagetabelle 20 (S7). Im Schritt S8 wird unter Verwendung von p(t2) und Q2 als Argumente die erforderliche Dauer des energiezuführenden Impulses ET(p(t2), Q2) aus der Tabelle 19 abgefragt oder bei Bedarf interpoliert. Der energiezuführende Impuls EP2 startet zum Zeitpunkt t2 (S9) und endet zum Zeitpunkt t2' = t2 + ET(p(t2), Q2) (S10).
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Wenn es in dem Verbrennungszyklus mehr Einspritzungen gibt, kehrt das Verfahren vom Schritt S11 zum Schritt S5 zurück, um diese auf die gleiche Weise wie die zweite Einspritzung zu verarbeiten; anderenfalls endet das Verfahren und wird beim nächsten Verbrennungszyklus im Zylinder 2 wiederaufgenommen.
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Es ist offensichtlich, dass die obige genaue Beschreibung und die Zeichnungen spezifische Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, wobei sie jedoch nur der Veranschaulichung dienen und nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung verstanden werden dürfen. Innerhalb des Schutzumfangs der beiliegenden Ansprüche und ihrer Äquivalente können verschiedene Abänderungen an den beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden. Insbesondere können aus der Beschreibung und den Zeichnungen Merkmale hervorgehen, die in den Ansprüchen nicht erwähnt sind. Diese Merkmale können in anderen Kombinationen auftreten, als sie hier konkret offenbart werden. Die Tatsache, dass mehrere dieser Merkmale im gleichen Satz oder in einer anderen Art von kontextuellem Zusammenhang erwähnt werden, darf nicht zu dem Schluss führen, dass sie nur in der konkret offenbarten Kombination auftreten können; vielmehr sollte angenommen werden, dass von einer solchen Mehrzahl von Merkmalen ein oder mehrere Merkmale weggelassen oder abgeändert werden können, solang dies die korrekte Funktionsweise der Erfindung nicht gefährdet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Motorblock
- 2
- Zylinder
- 3
- Kurbelwellensensor
- 4
- Injektor
- 5
- Kraftstoffleitung
- 6
- Kraftstoffpumpe
- 7
- Tank
- 8
- Zweigleitung
- 9
- Durchflussbegrenzer
- 10
- Leitung
- 11
- Druckbegrenzungsventil
- 12
- elektronisches Steuergerät
- 13
- Gaspedalsensor
- 14
- Kühlmitteltemperatursensor
- 15
- Luftmassensensor
- 16
- Luftansaugkrümmer
- 17
- Sub-Steuergerät
- 18
- Einlassöffnung
- 19
- Nachschlagetabelle
- 20
- Nachschlagetabelle
- 21
- Speicherkomponente
