DE4308422C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines magnetventilgesteuerten Kraftstoffzumeßsystems - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines magnetventilge­ steuerten Kraftstoffzumesssystems gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

Aus der DE 41 20 461 A1 ist ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines magnetventilgesteuerten Kraftstoffzumesssystems bekannt. Dort wird ausgehend von einer An­ steuerdauer ein Absteuerzeitpunkt für ein Magnetventil berechnet. Dies hat bei einer konstanten Ansteuerdauer und steigender Drehzahl eine fallende Einspritzmenge zur Folge. Im Kennfeld ergeben sich fallende Kennlinien. Diese fallenden Kennlinien wirken stabilisierend auf den Motorbetrieb.

Ein Verfahren und eine solche Vorrichtung zur Steuerung eines magnetventilgesteuerten Zu­ messsystems ist aus der DE 42 04 091 A1 sowie aus der DE 40 04 107 A1 bekannt. Dort werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Dieselbrennkraftmaschine mit einem mag­ netventilgesteuerten Kraftstoffzumesssystem beschrieben. Diese Zumesssysteme umfassen eine elektronische Steuereinrichtung, die ausgehend von wenigstens einer Förderdauer, einen An­ steuerzeitpunkt für ein Magnetventil berechnen.

Bei der in der DE 42 04 091 A1 bzw. in der DE 40 04 107 A1 beschriebenen Vorgehensweise wird der tatsächliche Förderbeginn interpolativ ermittelt. Dies bedeutet, dass der tatsächliche Zeitpunkt des Einspritzbeginns noch während der gleichen Einspritzung zur Verfügung steht. Ausgehend von diesem so ermittelten Einspritzbeginn lässt sich der Ansteuerzeitpunkt sehr prä­ zise festlegen. Dies bewirkt eine Verringerung der Mengenstreuung zwischen den einzelnen Zumessungen. Da hier aber die Förderdauer anstelle der Ansteuerdauer als Parameter in das Mengenkennfeld eingeht, ergeben sich hier dynamisch gesehen steigende Kennlinien. Dies be­ deutet bei konstanter Förderdauer und steigender Drehzahl ergeben sich ansteigende Einspritz­ mengen.

Diese steigenden Mengenkennlinien führen zur Instabilitäten im Motorbetrieb.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Steuerung eines magnetventilgesteuerten Kraft­ stoffzumeßsystems der eingangs genannten Art diese Instabilitäten zu beseitigen.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichne­ ten Merkmale gelöst.

Dadurch, daß die Förderdauer dahin korrigiert wird, daß lokal fallende Kennlinien entstehen, kann die Stabilität im Motorbetrieb wesentlich verbessert werden.

Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsform erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein grobes Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, Fig. 2 verschiedene, bei der Kraftstoffzumessung auftretende Größen, Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Verdeutlichung des Ablaufs der Zumessung sowie Fig. 4 zwei Mengenkennfelddarstellungen.

Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel einer selbstzündenden Brennkraftmaschine beschrieben. Die Erfindung kann aber auch bei der Steuerung von fremdgezündeten Brennkraftmaschinen, insbesondere bei der Steuerung der eingespritzten Kraftstoffmenge, verwendet werden.

Fig. 1 zeigt die Steuereinrichtung von magnetventilgesteuerten Kraftstoffpumpen für Dieselmotoren. Den einzelnen Zylindern einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine wird über eine Kraftstoff­ pumpe 10, die einen Pumpenkolben 15 enthält, Kraftstoff zugeführt. Dabei kann jedem Zylinder eine Kraftstoffpumpe 10 zugeordnet sein, in diesem Fall spricht man von einem Pumpe-Düse-System, oder eine Kraftstoffpumpe mißt den Kraftstoff abwechselnd den einzelnen Zylin­ dern zu, in diesem Fall spricht man von einer Verteilerpumpe.

Die Kraftstoffpumpe 10 steht mit einem elektromagnetischen Ventil 20 in Verbindung. Das Ventil 20 wird über eine Leistungsendstufe 40 von einer elektronischen Steuereinheit 30, die unter anderem einen Fest­ wertspeicher 35 umfaßt, mit Schaltimpulsen beaufschlagt. Ein Geber 70, der an der Endstufe 40, am elektromagnetischen Ventil 20 oder an einer nicht dargestellten Einspritzdüse angeordnet ist, liefert Signale FBI an die elektronische Steuereinheit 30. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um ein Signal FBI, das den tatsäch­ lichen Förderbeginn anzeigt.

Auf einem an der Nockenwelle 60 angebrachten Inkrementrad 55 sind Winkelmarken angeordnet. Jeweils zwei Marken definieren ein Inkre­ ment. Das Inkrementrad besitzt wenigstens eine Inkrementlücke als Bezugsmarke. Eine Bezugsmarke läßt sich z. B. durch einen fehlenden Zahl oder entsprechende Maßnahmen realisieren. Die Meßeinrichtung 50 erfaßt die von den Winkelmarken ausgelösten Impulse, und damit die Drehbewegung des Inkrementrades 55, und liefert entsprechende Signale in Form von Impulsen an die elektronische Steuereinheit 30.

Dieses Inkrementrad kann auch auf der Kurbelwelle angeordnet sein. Das Inkrementrad liefert ein Signal KW bezüglich der Winkelstellung der Pumpenantriebswelle sowie ein Signal N, das die momentane Dreh­ zahl der Pumpenantriebswelle angibt. Von weiteren Sensoren 80 gelan­ gen Informationen über zusätzliche Größen, wie die mittlere Drehzahl NM, die Temperatur T oder die Last L, die der Fahrpedalstellung ent­ spricht, zur elektronischen Steuereinheit 30.

Die mittlere Drehzahl NM wird über einen größeren Winkelbereich erfaßt. Vorzugsweise ist ein Geber vorgesehen, der im Laufe einer Umdrehung der Kurbelwelle oder der Nockenwelle nur eine geringe Anzahl von Impulsen abgibt. Vorzugsweise werden ein bis vier Impulse pro Umdrehung ausgewertet. Diese werden dann zur Bestimmung der mittleren Drehzahl NM ausgewertet. Die Drehzahlauswertung ist so ausgelegt, daß die mittlere Drehzahl NM vorzugsweise über einen Motorzyklus oder über einen Verbrennungsvorgang gemittelt ist.

Diese Einrichtung arbeitet nun wie folgt: Die Steuereinheit 30 bestimmt, abhängig von den mittels der Sensoren 80 erfaßten Größen und der über die Meßeinrichtung 50 erfaßten Drehbewegung der Pumpen­ antriebswelle 60 den gewünschten Förderbeginn FBS und die gewünschte Förderdauer FDS der Kraftstoffpumpe 10.

Ausgehend von diesen Sollwerten für den Förderbeginn FBS und die Förderdauer FDS berechnet sie dann unter Verwendung des Signals für den tatsächlichen Einspritzbeginn FBI einen Ansteuerzeitpunkt E und einen Absteuerzeitpunkt A für die Leistungsendstufe 40. Die Leistungsendstufe 40 beaufschlagt dann das Magnetventil 20 mit einem entsprechenden Strom.

Als Betriebskenngröße können u. a. eine oder mehrere der Größen mittlere Drehzahl NM, Lufttemperatur T, Lambdawert des Abgases, Kraftstofftemperatur, ein Lastsignal L, das die Stellung des Fahr­ pedals bzw. die gewünschte Fahrgeschwindigkeit charakterisiert, oder verschiedene andere Signale eingehen. Anstelle der Drehbewegung der Pumpenantriebswelle 60 kann auch die Drehbewegung der Nocken und/oder der Kurbelwelle ausgewertet werden.

Als Pumpenantriebswelle fungiert die Nockenwelle der Brennkraft­ maschine bzw. eine mit ihr gekoppelte Welle. Die Pumpenantriebswelle 60 treibt den Pumpenkolben 15 derart an, daß der Kraftstoff in der Kraftstoffpumpe 10 unter Druck gesetzt wird. Dabei steuert das elektromagnetische Ventil 20 den Druckaufbau.

Das elektromagnetische Ventil ist vorzugsweise so angeordnet, daß bei geöffnetem Ventil kein wesentlicher Druckaufbau stattfindet. Erst bei geschlossenem elektromagnetischem Ventil 20 baut sich ein Druck in der Kraftstoffpumpe auf. Bei einem entsprechenden Druck in der Kraftstoffpumpe öffnet sich ein nicht dargestelltes Einspritz­ ventil und der Kraftstoff gelangt über die nicht dargestellte Einspritzdüse in den Brennraum der Brennkraftmaschine.

Zur Kontrolle, zu welchem Zeitpunkt das Magnetventil öffnet bzw. schließt, dient der Geber 70. Der Geber 70 kann auch an der Einspritzdüse angebracht sein, dann erzeugt er ein Signal, das den tatsächlichen Beginn bzw. das Ende der Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum kennzeichnet.

Anstelle des Ausgangssignals des Gebers 70 kann auch ein Signal verwendet werden, das anzeigt, in welcher Position sich das Magnet­ ventil befindet. Ein solches Signal wird durch Auswertung, der durch das Magnetventil fließenden Ströme oder der am Magnetventil anlie­ genden Spannung, gewonnen.

In Fig. 2 sind verschiedene Signale als Funktion der Stellung der Pumpenantriebswelle KW aufgetragen. In der ersten Zeile ist das Ansteuersignal U für die Magnetventilendstufe bzw. für das Magnet­ ventil eingezeichnet. Zum Ansteuerzeitpunkt E wird das Magnetventil mit Spannung beaufschlagt. Zum Absteuerzeitpunkt A wird das Magnet­ ventil von der Versorgungsspannung getrennt. Die Zeitspanne zwischen dem Ansteuerzeitpunkt E und dem Absteuerzeitpunkt A wird als Ansteuerdauer AD bezeichnet.

In der zweiten Zeile ist der Hub H der Magnetventilnadel für eine relativ kleine Drehzahl eingezeichnet. Bis zum Ansteuerzeitpunkt E befindet sich die Magnetventilnadel in ihrer Ruhelage. Ab diesem Zeitpunkt bewegt sie sich innerhalb einer bestimmten Zeit in ihre zweite Position. Der Zeitpunkt bei dem die Magnetventilnadel ihre neue Lage erreicht wird als Förderbeginn FBI bezeichnet. Diese Zeit­ spanne, die zwischen dem Ansteuerzeitpunkt E und dem Förderbeginn FBI verstreicht, wird als Einschaltzeit TE bezeichnet.

Die Magnetnadel verbleibt bis zum Absteuerzeitpunkt A in dieser Position. Ab diesem Zeitpunkt geht diese wieder langsam in ihre Ruhelage zurück. Diese Zeitspanne zwischen Absteuerzeitpunkt A und Erreichen der Ruhelage wird als Ausschaltzeit TA bezeichnet.

Erreicht die Magnetventilnadel ihre Ruhelage, so endet die Einspritzung. Dieser Zeitpunkt wird als Förderende FEI bezeichnet. Die Zeitdauer zwischen dem tatsächlichen Förderbeginn FBI und dem tatsächlichen Förderende FEI wird als Förderdauer FD bezeichnet. Der in dieser Zeit verstrichene Winkel der Pumpenantriebswelle ist ein Maß für die eingespritzte Kraftstoffmenge.

In der dritten Zeile sind die Verhältnisse für höhere Drehzahlen eingezeichnet. Da die Einschaltzeit TE nahezu konstant ist, erreicht die Magnetventilnadel erst zu einer wesentlich späteren Winkel­ stellung ihre zweite Position. Die Ausschaltzeit TA ist kürzer als die Einschaltzeit TE, daher ist der Einfluß der Drehzahl auf die Ausschaltzeit TA wesentlich geringer und die effektive Förderdauer FD wird bei steigenden Drehzahlen kürzer.

Die Einspritzung endet üblicherweise bereits wesentlich früher, nämlich kurz nach dem Beginn der Öffnungsbewegung, da dann bereits der Druck zusammenbricht. Das heißt, die physikalische wirksame Förderdauer FD ist noch kürzer als in Bild 2 eingezeichnet. Die Zeit zwischen Absteuerzeitpunkt A und der Bewegung der Magnetventilnadel ist die Öffnungsverzugszeit TV. Für die Verkürzung der Förderdauer FD ist somit die Differenz TE - TA bzw. für die Verkürzung der physi­ kalischen Förderdauer FD die Differenz TE - TV verantwortlich.

Ist die Förderdauer FD als Winkelgröße vorgegeben, so hängt die eingespritzte Kraftstoffmenge in erster Näherung lediglich von der Förderdauer FD ab. Bei gleicher Förderdauer FD wird die gleiche Kraftstoffmenge eingespritzt. Dies bedeutet, bei gleicher Ansteuer­ dauer AD ergibt sich bei steigender Drehzahl eine geringere Förder­ dauer FD und damit eine geringere eingespritzte Kraftstoffmenge. Dieser Effekt ist erwünscht, da er die Stabilität der Brennkraft­ maschine fördert. Steigt die Drehzahl zwischen der Berechnung der Ansteuerdauer AD an, so führt dies dazu, daß die eingespritzte Kraftstoffmenge sich verringert.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung werden die einzelnen Programm­ schritte wie in Fig. 3 dargestellt abgearbeitet. In einem ersten Programmschritt 310 wird, ausgehend von der mittleren Drehzahl NM und der Stellung des Fahrpedals L sowie eventuell abhängig von weiteren Betriebskenngrößen, der Sollwert für den Förderbeginn FBS sowie für die Förderdauer FDS berechnet. Die Größen mittlere Dreh­ zahl NM und Stellung des Fahrpedals L sowie die weiteren Größen werden vorzugsweise zu Beginn des Schritts 310 neu erfaßt. Im Schritt 320 wird dann der Ansteuerzeitpunkt E unter Verwendung der momentanen Drehzahl N sowie der Stellung KW der Pumpenantriebswelle berechnet. Diese Berechnung ist beispielsweise in der DE 42 04 091 A1 beschrieben.

Im Schritt 330 wird dann der tatsächliche Förderbeginn FBI erfaßt. Anschließend wird im Schritt 350, ausgehend von dem tatsächlichen Förderbeginn FBI der Förderdauer FD, der momentanen Drehzahl N sowie der Stellung der Pumpenantriebswelle KW, der Absteuerzeitpunkt A berechnet. Die Größen momentane Drehzahl N und Stellung der Pumpen­ antriebswelle KW werden zu Beginn des Schritts 350 neu erfaßt. Diese Berechnung ist beispielsweise in der DE 42 04 091 A1 dargestellt.

Es hat sich nun gezeigt, daß die eingespritzte Kraftstoffmenge ansteigt, wenn zwischen der Bestimmung der Förderdauer FDS im Schritt 310 und der Ausgabe des Absteuerimpulses A im Schritt 350 die Drehzahl ansteigt. Dieser Effekt tritt bei der Verwendung der Ansteuerdauer AD anstelle der Förderdauer FD nicht auf, da hier die Verkürzung der Förderdauer durch die Einschaltzeit TE die einge­ spritzte Kraftstoffmenge verringert.

Die Sollwerte für die Förderdauer FDS und den Förderbeginn FBS sind in Kennfeldern abgelegt. Insbesondere die Förderdauer ist als Funktion der einzuspritzenden Kraftstoffmenge QK sowie der mittleren Drehzahl NM in einem Kennfeld abgelegt. Ein hierzu inverses Mengen­ kennfeld ist in Fig. 4a und Fig. 4b dargestellt. In Fig. 4a ist die Kraftstoffmenge in mm³/Hub über der mittleren Drehzahl NM aufgetragen. Als Parameter ist die Ansteuerdauer AD gewählt.

Betrachtet man nun eine bestimmte Ansteuerdauer, so ergeben sich mit wachsender Drehzahl fallende Rennlinien. Diese fallenden Rennlinien führen zur Stabilisierung des Betriebs der Brennkraftmaschine. Dies ist insbesondere in dynamischen Fahrbetriebszuständen wichtig.

Steigt nämlich die Drehzahl zwischen der Berechnung der Sollwerte in Schritt 310 und der Berechnung des Absteuerimpulses A im Schritt 350 an, so wird in Schritt 310 ein Wert für die Förderdauer FDS ausgelesen, der einer kleinen Drehzahl beispielsweise 1000 Umdrehungen/Minute entspricht. Hier wird bei einer Ansteuerdauer von 18° eine Kraft­ stoffmenge von 10 mm³/Hub eingespritzt. Steigt nun die Drehzahl bis zur Zumessung auf 1500 Umdrehungen/Minute an, so ergibt sich in diesem Fall bei einer Ansteuerdauer AD von 18° eine Kraftstoffmenge, die ca. bei 2 mm³/Hub liegt.

In Fig. 4b ist die Kraftstoffmenge QK über der Drehzahl aufgetra­ gen. Als Parameter ist hier die Förderdauer FD gewählt. Es zeigt sich nun, daß bei einer bestimmten Förderdauer die eingespritzte Kraftstoffmenge nahezu konstant ist bzw. über der Drehzahl leicht ansteigt.

Bei einer Drehzahl von 1500 Umdrehungen und einer Förderdauer von 15° ergibt sich hier eine eingespritzte Kraftstoffmenge von 40 mm³/Hub. Steigt nun die Drehzahl bis zur Zumessung auf 2000 Umdrehungen an, so ergibt sich bei der gleichen Förderdauer eine eingespritzte Kraftstoffmenge von 45 mm³/Hub. Diese erhöhte eingespritzte Kraftstoffmenge führt wiederum zu einer Beschleunigung der Brennkraftmaschine, was zu einem weiteren Drehzahlanstieg und somit zu einer weiteren Erhöhung der eingespritzten Kraftstoffmenge führt.

Um diese Instabilitäten zu vermeiden, wird erfindungsgemäß der im Schritt 310 aus einem Kennfeld ausgelesene Sollwert für die Förder­ dauer FDS im Schritt 340 entsprechend korrigiert. Die Förderdauer FDS wird derart korrigiert, daß auch bei steigender mittlere Dreh­ zahl, zwischen der Berechnung der Förderdauer und der Zumessung, eine konstante oder eine fallende Kraftstoffmenge zugemessen wird. Dies bedeutet es ergeben sich lokal fallende Kennlinien. Die korri­ gierte Förderdauer FDK kann beispielsweise, ausgehend von der aus dem Rennfeld ausgelesenen Förderdauer FDS, wie folgt berechnet werden

FDK = FDS - NA.K.

Die Größe (NA) entspricht der Änderung der momentanen Drehzahl zwischen dem Zeitpunkt der Erfassung der mittleren Drehzahl und dem Zeitpunkt der Einspritzung. Diese Größe ergibt sich durch Multipli­ kation des Drehzahlgradienten bezogen auf die Pumpenantriebswelle mit dem Abstand zwischen dem Nockenwellenwinkel zum Zeitpunkt, bei dem die Motordrehzahl zur Kennfeldberechnung ermittelt wurde, und dem Zeitpunkt der Zumessung. Bei dem Faktor K handelt es sich um die Steigung dQ/dFD im Mengenkennfeld.

Wird für den Wert K die jeweilige Steigung dQ/dFD des entsprechenden Betriebspunktes gewählt, so lassen sich in jedem Betriebspunkt auch in dynamischen Betriebszuständen horizontale Kennlinien erreichen.

Für die praktische Ausführung ist es einfacher, für den gesamten Kennfeldbereich nur einen Wert K zu vorzugeben. Dieser Wert sollte mindestens der maximalen Steigung dQ/dFD, des in Fig. 4b darge­ stellten Kennfeldes entsprechen. Im Kennfeld ergibt sich damit in jedem Punkt dynamisch gesehen eine fallende Rennlinie, die je nach tatsächlicher Kennfeldsteigung, eine Steigung zwischen 0 und -K besitzt. Eine solche dynamisch lokal fallende Kennlinie ist in Fig. 4b für einen Betriebspunkt mit einer gestrichelten Linie eingezeich­ net.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung ist es möglich, einen dynamisch stabilen Betrieb der Brennkraftmaschine bei einer maximal möglichen Genauigkeit der Kraftstoffeinspritzung zu erzielen. Die Genauigkeit der Kraftstoffzumessung wird dadurch verbessert, daß der Absteuerzeitpunkt A, ausgehend von dem tatsäch­ lichen Einspritzbeginn FBI, berechnet wird. Die Stabilität wird durch die Korrektur der Förderdauer FD erreicht.

Claims (7)

1. Verfahren zur Steuerung eines magnetventilgesteuerten Kraftstoffzumesssystems, insbe­ sondere für eine Dieselbrennkraftmaschine, bei dem eine elektronische Steuereinheit aus­ gehend von wenigstens einem Förderdauersignal (FD) einen Absteuerzeitpunkt (A) für ein Magnetventil bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderdauersignal (FD) derart korrigiert wird, dass auch bei steigender mittlerer Drehzahl eine konstante oder ei­ ne fallende Kraftstoffmenge zugemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur des Förderdauersignals (FD) abhängig von einem Korrektur­ faktor (K) und einer weiteren Größe (NA) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Größe (NA) der Änderung der momentanen Drehzahl (N) zwischen dem Zeitpunkt (310) der Erfassung der mittleren Drehzahl (M) und dem Zeitpunkt (350) der Einspritzung entspricht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Betriebspunkt ein Korrekturfaktor (K) zugeordnet ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturfaktor der Steigung (dQ/dFD) im jeweiligen Betriebspunkt entspricht.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Steigung als Korrekturfaktor dient.

7. Vorrichtung zur Steuerung eines magnetventilgesteuerten Kraftstoffzumesssystems, ins­ besondere für eine Dieselbrennkraftmaschine, bei dem eine elektronische Steuereinheit ausgehend von wenigstens einem Förderdauersignal (FD) einen Absteuerzeitpunkt (A) für ein Magnetventil bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass Korrekturmittel vorgese­ hen sind, die das Förderdauersignal (FD) derart korrigieren, dass auch bei steigender mittlerer Drehzahl eine konstante oder eine fallende Kraftstoffmenge zugemessen wird.