SE523734C2

SE523734C2 - Method and apparatus for controlling fuel injection in a diesel engine and diesel engine

Info

Publication number: SE523734C2
Application number: SE0103697A
Authority: SE
Inventors: Roger Haelleberg; Magnus Pettersson
Original assignee: Scania Cv Ab
Priority date: 2001-11-07
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2004-05-11
Also published as: DE10297412B4; BR0213295A; WO2003040532A1; SE0103697D0; SE0103697L; DE10297412T5

Abstract

A method and an arrangement 5 for regulation of fuel injection in a multicylinder piston engine 4 with diesel operation are distinguished in that the fuel injection is controlled 23 individually for at least one cylinder on the basis of measurement or estimation of the at least one cylinder's individual efficiency at the time.

Description

11.1» . - rgyuz :°z.. . .. . , n...: az: :_ . 3 J if r r : .:. .:. .:. n 2 och en anordning, vid vilka väsentligt reducerade emissioner möjliggörs under samtidig beaktande av åtminstone väsentligen optimerad drift, såsom bibehållen effekt m m. 11.1 ». - rgyuz: ° z ... ... , n ...: az:: _. 3 J if r r:.:. .:. .:. n 2 and a device in which substantially reduced emissions are made possible while at the same time considering at least substantially optimized operation, such as maintained power, etc.

Detta ändamål uppnås enligt uppfinningen genom särdragen i de kännetecknade delarna av patentkraven 1 resp. 7.This object is achieved according to the invention by the features in the characterized parts of claims 1 resp. 7.

Härigenom anpassas bränsleinsprutningen individuellt till varje cylinder i beroende av de individuella förhållanden som råder för respektive cylinder.In this way, the fuel injection is adapted individually to each cylinder depending on the individual conditions prevailing for each cylinder.

Genom uppfinningen tas hänsyn till att det många gånger råder skilda förutsättningar för de olika cylindrarna, förutsätt- ningar som beror på t. ex. geometrin hos insugningssystemet liksom geometrin hos avgassystemet. Sålunda kan geometriska förhållanden i insugningskanalen förorsaka att cylindrarna i en motor har olikartad tillgång till insugningsluft.The invention takes into account that there are often different conditions for the different cylinders, conditions that depend on e.g. the geometry of the intake system as well as the geometry of the exhaust system. Thus, geometric conditions in the intake duct can cause the cylinders in an engine to have different access to intake air.

Vidare kan geometrin i avgassamlare liksom tändföljden mellan närliggande cylindrar få till följd att en viss cylinder utsätts för ett högre avgastryck så att oproportionerlig stor andel restgaser kvarstannar eller t o m. inmatas i denna cylinder. Vidare påverkas cylindrarnas kapacitet av t ex geo- metrin i EGR-systemet.Furthermore, the geometry of the exhaust gas collector as well as the ignition sequence between adjacent cylinders can result in a certain cylinder being exposed to a higher exhaust pressure so that a disproportionately large proportion of residual gases remains or even is fed into this cylinder. Furthermore, the capacity of the cylinders is affected by, for example, the geometry of the EGR system.

Parametrar enligt ovan, som påverkar den enskilda cylindern på detta sätt, sammanfattas här under begreppet ”individuell verkningsgrad” för cylindern ifråga. Ett annat sätt att uttrycka denna individuella verkningsgrad är att söka få fram ett värde på förhållandet mellan reellt insugen luftmängd och teoretisk maxmängd insugen luft i en specifik cylinder. 70442; 0l~l1«O7 10 15 20 25 u 1 a z .~ » ;»|3O u» a v n n n Asp:- 3 Enligt uppfinningen styrs således bränsleinsprutningen indivi- duell för åtminstone någon cylinder utgående från en uppmät- ning eller uppskattning av förevarande enskilda cylinders individuella verkningsgrad. Med detta avses att värden indika- tiva av t. ex. tillgång till förbränningsluft, avgastryck etc. för en individuell cylinder, utnyttjas för att styra insprut- ningen vad avser mängd och tidpunkt för ifrågavarande cylin- der.Parameters as above, which affect the individual cylinder in this way, are summarized here under the term "individual efficiency" for the cylinder in question. Another way of expressing this individual efficiency is to seek to obtain a value for the ratio between the actual amount of air sucked in and the theoretical maximum amount of air sucked in a specific cylinder. 70442; Thus, according to the invention, the fuel injection is controlled individually for at least one cylinder based on a measurement or estimation of the present individual cylinders. individual efficiency. By this is meant that values indicative of e.g. access to combustion air, exhaust pressure, etc. for an individual cylinder, is used to control the injection in terms of quantity and time for the cylinder in question.

Vid ett förfarande enligt uppfinningen har den individuella verkningsgraden för i en motor ingående cylindrar uppmätts eller uppskattats. Detta låter sig göra genom mätningar och/eller simuleringar för olika motortyper.In a method according to the invention, the individual efficiency of cylinders included in an engine has been measured or estimated. This can be done through measurements and / or simulations for different engine types.

Genom uppfinningen uppnås många fördelar. Om nämligen en viss cylinder avger väsentligt högre NOX-emissioner än övriga cylindrar bidrar denna cylinder oproportionerligt mycket till motorns totala emission av skadliga ämnen.The invention achieves many advantages. Namely, if a certain cylinder emits significantly higher NOX emissions than other cylinders, this cylinder contributes disproportionately to the engine's total emission of harmful substances.

Med äldre metoder för att nedbringa emissionerna skulle i ett sådant fall en åtgärd omfattande samtliga cylindrar vidtagas, t. ex. genom en tidsförflyttning av insprutningstillfället, en s. k. offset i insprutningsvinkel. Detta skulle emellertid endast medföra högre bränsleförbrukning samt riskera att orsaka andra driftproblem, t ex på grund av problem med sot i motoroljan.With older methods to reduce emissions, in such a case a measure comprising all cylinders would be taken, e.g. by a time shift of the injection moment, a so-called offset at the injection angle. However, this would only lead to higher fuel consumption and risk causing other operational problems, for example due to problems with soot in the engine oil.

Enligt uppfinningen ges istället möjlighet att påverka insprutningen i varje cylinder för sig, vilket ger mycket stora fördelar, eftersom varje cylinder tillåts arbeta opti- malt efter sina förutsättningar. 70442; 01-11-07 10 15 20 ~ | 1 - o. 523 734 z'r-.-'=.= s* 4 Emissionsproblemen varierar utifrån typ av drift, varför enligt uppfinningen åtgärderna för de respektive cylindrarna även är anpassade till deras uppförande vid motsvarande olika dvs. has- drift. Sålunda kan förväntas att under transienter, tiga driftsförändringar, det föreligger särskilt stor risk för förhöjda partikelemissioner. Härvid är det lämpligt att för avvikande cylinder korrigera denna med avseende pà så väl insprutad bränslemängd som insprutningstidpunkt eller insprut- ningsvinkel, för optimering av driften av respektive cylinder i riktning av bästa moment/partikelemissionsförhàllande.According to the invention, it is instead possible to influence the injection in each cylinder separately, which gives very great advantages, since each cylinder is allowed to operate optimally according to its conditions. 70442; 01-11-07 10 15 20 ~ | 1 - o. 523 734 z'r -.- '=. = S * 4 The emission problems vary according to the type of operation, which is why according to the invention the measures for the respective cylinders are also adapted to their behavior at corresponding different ie. has- drift. Thus, it can be expected that during transients, tig operational changes, there is a particularly high risk of increased particulate emissions. In this case, it is appropriate for a deviating cylinder to correct this with respect to the amount of fuel injected as well as the injection time or injection angle, in order to optimize the operation of each cylinder in the direction of the best torque / particulate emission ratio.

Vid statisk drift, dvs. vid väsentligen likformig drift vid tillnärmelsevis konstant varvtal, kan NO,-emissioner förväntas vara de övervägande problemen, och vid sådan drift är det aktuellt att för en avvikande cylinder vidta en korrektion vid denna med avseende pà tidpunkten för insprutningen för att optimera driften av denna cylinder, och därmed hela motorn, i riktning av bästa emissions/förbrukningsförhällande_ Ytterligare fördelar med uppfinningen uppnås genom särdragen enligt övriga osjälvständiga patentkrav.In static operation, ie. in substantially uniform operation at approximately constant speed, NO 2 emissions can be expected to be the predominant problems, and in such operation it is relevant for a deviating cylinder to make a correction at this with respect to the time of injection to optimize the operation of this cylinder. , and thus the entire engine, in the direction of best emission / consumption ratio. Further advantages of the invention are achieved by the features according to other dependent claims.

Uppfinningen ska nu närmare beskrivas med ledning av utfö- ringsexempel och med hänvisning till bifogade ritningar.The invention will now be described in more detail with reference to exemplary embodiments and with reference to the accompanying drawings.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGAR Pà ritningarna visar: Fig 1 en allmän graf utvisande dels NOX-emission, dels förbruk- ning som funktion av vevaxelvinkel , Fig 2 visar en graf över insprutningen som funktion av tiden vid ett transient förlopp, 70442; 0l-l1~07 10 15 20 25 30 ' 523 734 5 Fig 3 visar ett blockschema över en förfarandesekvens enligt uppfinningen, och Fig. 4 visar schematiskt en anordning enligt uppfinningen.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The drawings show: Fig. 1 a general graph showing partly NOX emission, partly consumption as a function of crankshaft angle, Fig. 2 shows a graph of the injection as a function of time in a transient process, 70442; Fig. 3 shows a block diagram of a method sequence according to the invention, and Fig. 4 schematically shows a device according to the invention.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL I fig 1 framgår således i kurvan betecknad med 1 det relativa NOK-värdet per km samt med kurvan 2 den relativa bränsleför- brukningen per km som funktion av d, vilket är vevaxelvinkel utgående från övre dödpunkten för en cylinder till en diesel- motor till ett tungt fordon. Ett föredraget driftomrâde betecknas med A, inom vilket således såväl NOX-emissioner som förbrukning är måttliga.DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Fig. 1 thus shows in the curve denoted by 1 the relative NOK value per km and by curve 2 the relative fuel consumption per km as a function of d, which is the crankshaft angle starting from the upper dead center of a cylinder to a diesel engine. engine for a heavy vehicle. A preferred operating area is denoted by A, within which thus both NOX emissions and consumption are moderate.

Av fig 2 framgår insprutningsmängden M som funktion av tiden t vid ett transient förlopp, varvid framgår att en genomsnittlig reell insprutningsökning enligt kurvan 3 bringas att erhålla ett förlopp som i betydande grad avviker från ett stegförlopp, vilket indikeras av en fyrkantig kurva 7. Kurvan 3 i fig 2 av- ser i stället förloppet av en insprutningsökning där hänsyn tas till den praktiskt tillgängliga luftmängden i den enskilda cylindern. Ju närmare den fyrkantiga kurvan 7 insprutningsför- loppet 3 bringas, desto mer rök resulterar således vid drif- ten.Fig. 2 shows the amount of injection M as a function of time t in a transient process, it being seen that an average real increase in injection according to curve 3 is obtained to obtain a process which deviates significantly from a step process, which is indicated by a square curve 7. Curve 3 Fig. 2 instead refers to the course of an increase in injection where the practically available amount of air in the individual cylinder is taken into account. The closer the square curve 7 is to the injection process 3, the more smoke thus results in operation.

Vid cylindrar med olika grad av lufttillförsel är det optimalt att förlägga insprutningsförloppen individuellt efter olika kurvor av typ 3 för de olika cylindrarna. Dvs. mindre luft: flackare kurva. Mer luft: brantare kurva. De streckade lin- jerna 8', 8" i fig 3 antyder inneslutningen av ett realis- tiskt intervall för kurvor 3 för de individuella cylindrarna till en konventionell dieselmotor för ett tungt fordon. 70442c.doc; 2004-01-22 lO 15 20 25 523 734 ¿°ï¿5 6 Enligt uppfinningen kompenseras insprutningen inom ramen för vad som är tillåtet för ifrågavarande motor, varvid hänsyn även måste tas till att obalans i motorn inte ska uppkomma.In the case of cylinders with different degrees of air supply, it is optimal to place the injection processes individually according to different curves of type 3 for the different cylinders. Ie. less air: flatter curve. More air: steeper curve. The dashed lines 8 ', 8 "in Fig. 3 indicate the inclusion of a realistic range of curves 3 for the individual cylinders of a conventional diesel engine for a heavy vehicle. 70442c.doc; 2004-01-22 10 15 523 734 ¿° ï¿5 6 According to the invention, the injection is compensated within the framework of what is permitted for the engine in question, whereby it must also be taken into account that imbalance in the engine should not occur.

Sådan obalans riskeras annars vid väsentligt olikartad kraft- utveckling i motorns olika cylindrar.Such an imbalance is otherwise risked in the event of significantly different power developments in the various cylinders of the engine.

Typiskt kan en kompensering på plus-minus c:a 10% för de indi« viduella cylindrarna göras utan risk för någon nämnvärd oba- lans, vilket avses antydas av de streckade kurvorna 8', 8"' i figur 2. Under vissa omständigheter kan dock en kompensering upp till plus-minus 20% komma ifråga.Typically, a compensation of plus-minus about 10% for the individual cylinders can be made without risk of any appreciable imbalance, which is intended to be indicated by the dashed curves 8 ', 8 "' in Figure 2. In certain circumstances however, a compensation up to plus-minus 20% is possible.

Fig 3 avser att illustrera en sekvens enligt uppfinningen, varvid position 20 indikerar sekvensens start.Fig. 3 is intended to illustrate a sequence according to the invention, with position 20 indicating the start of the sequence.

Position 21 avser inmatning eller insamling av driftdata såsom varvtal, pådrag, fordonshastighet, acceleration etc.Heading 21 refers to the input or collection of operating data such as speed, torque, vehicle speed, acceleration, etc.

Position 22 avser framtagning från ett minne av uppgifter avseende motorns olika cylindrar för i position 21 konstate- rade driftdata.Heading 22 refers to the production of a memory of information concerning the various cylinders of the engine for operating data ascertained in heading 21.

Position 23 avser utsändning från systemet av signaler till respektive insprutningspump vad avser tidpunkt eller vevaxel- vinkel för aktivering av respektive insprutare samt vilken bränslemängd som individuellt ska insprutas i varje cylinder.Position 23 refers to the transmission from the system of signals to the respective injection pump in terms of time or crankshaft angle for activating the respective injectors and the amount of fuel to be injected individually into each cylinder.

Position 24 avser sekvensens slut, varefter sekvensen är klar att repeteras.Position 24 refers to the end of the sequence, after which the sequence is ready to be repeated.

I fig. 4 visas mycket schematiskt en motor 4, vilken har en utgående axel 10, och vilken styrs av en styrenhet 5. Denna 70442,' 01-ll~07 -a- 10 15 20 25 .a . ~3o .. ø-ø-»n . u .uu-ca . v o 523 754 7 styrenhet är tillkopplad ett minne 6, i vilket är inlagrat uppgifter relaterade till individuell verkningsgrad för varje cylinder för olika driftfall. Dessa uppgifter avser således tidpunkt eller vevaxelvinkel för aktivering av respektive insprutare samt vilken bränslemängd som individuellt ska insprutas i varje cylinder. Ett antal insprutningspumpar, mot- som ingår i motorn 4, svarande till antalet cylindrar, antyds vid 9.Fig. 4 shows very diagrammatically a motor 4, which has an output shaft 10, and which is controlled by a control unit 5. This 70442, '01 -11 -07-07 -a- ~ 3o .. ø-ø- »n. u .uu-ca. v o 523 754 7 control unit is connected to a memory 6, in which are stored data related to individual efficiency for each cylinder for different operating cases. These data thus refer to the time or crankshaft angle for activating the respective injector and the amount of fuel to be injected individually into each cylinder. A number of injection pumps, which are included in the engine 4, corresponding to the number of cylinders, is indicated at 9.

Enligt uppfinningen anvisas ett verksamt sätt att åstadkomma reducerade emissioner vid en dieselmotor i praktisk drift. De emissioner som förekommer från en dieselmotor utöver de ovan behandlade, nämligen NOX och partiklar, eller rök, och kan nämndas i sammanhanget är även CO samt HC, vilket senare är väsentligen oförbränt bränsle.According to the invention, there is provided an effective way of achieving reduced emissions in a diesel engine in practical operation. The emissions that occur from a diesel engine in addition to those discussed above, namely NOX and particles, or smoke, and can be mentioned in this context are also CO and HC, which later is essentially unburned fuel.

I praktisk drift är det just NOX- samt partikelemissioner som är reella problem, varför denna beskrivning har koncentrerats till diskussion av sådana emissioner.In practical operation, it is precisely NOX and particulate emissions that are real problems, which is why this description has been concentrated on the discussion of such emissions.

Beträffande underlaget för ett förfarande enligt uppfinningen är det således frågan om att kartlägga motorn noggrant med avseende på geometri, vilket diskuterats ovan. Det bör för bästa resultat genomföras en grundlig kartläggning av en motorn med avseende på ”individuell verkningsgrad” för samt- liga tillåtna driftsfall såsom statisk drift, transient drift, làg effekt, hög effekt etc. Det finns flera möjligheter att utföra en sådan kartläggning. Ett sätt är att företa kartlägg- ningen på en provmotor, varvid sensorer kan arrangeras i olika delar av motorn, och associerade med de olika cylindrarna för att utröna bl. a. tillgång till förbränningsluft, avgastryck i avgassamlare, kvarstannade restgaser för var och en av cylind- etc. rarna etc. Det ska noteras att kartläggningen av en prov- 70442,' 01-11-07 lO 15 -.....- nu -...,.. n o 523 734 8 motor kan läggas till grund för uppskattning av individuell verkningsgrad hos likartade motorer, dvs. inte nödvändigtvis identiska motorer. Det ligger även inom uppfinningens ram att utföra motsvarande simuleringar i en dator för att företa nämnda kartläggning.With regard to the basis for a method according to the invention, it is thus a question of mapping the engine accurately with regard to geometry, which has been discussed above. For best results, a thorough survey of an engine with regard to “individual efficiency” should be carried out for all permitted operating cases such as static operation, transient operation, low power, high power, etc. There are several possibilities to perform such a survey. One way is to carry out the survey on a test engine, whereby sensors can be arranged in different parts of the engine, and associated with the different cylinders to find out, among other things. a. access to combustion air, exhaust pressure in exhaust gas collectors, residual residual gases for each of the cylinders, etc. It should be noted that the mapping of a sample 70442, '01-11-07 lO 15 -.....- nu -..., .. no 523 734 8 engine can be used as a basis for estimating the individual efficiency of similar engines, ie. not necessarily identical engines. It is also within the scope of the invention to perform corresponding simulations in a computer for carrying out said mapping.

Resultaten av kartläggningar lagras därefter i ett minne (min- net 6 i fig 4) anknutet till fordonets styrenhet (5 i fig 4) i form av diskreta värden i tabellform eller i form av funktio- ner, vilka i sådana fall medger att kontinuerligt variabla värden tas fram fràn minnet.The results of surveys are then stored in a memory (memory 6 in Fig. 4) connected to the vehicle control unit (5 in Fig. 4) in the form of discrete values in tabular form or in the form of functions, which in such cases allow continuous variable values are retrieved from memory.

Det utesluts inte att styrningen sker efter signaler erhållna vid direkta mätningar utförda i den specifika motorn under driften därav. 70442; 01-11-07It is not excluded that the control takes place according to signals obtained from direct measurements performed in the specific motor during its operation. 70442; 01-11-07

Claims

10 15 20 25 30 523 734 'íâgggg -z 9' __'s Q I § J ll Claims:

A method for controlling fuel injection in a multi-cylinder piston engine (4) with diesel operation, wherein the fuel injection is controlled individually (23) for at least one cylinder, characterized in that the fuel injection is controlled on the basis of a pre-undertaken measurement or estimation (22) of the present individual cylinder individual efficiency.

Method according to Claim 1, characterized in that the amount of fuel intended for injection is controlled.

Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the time of injection in relation to the crankshaft position is controlled.

Method according to claim 2 or 3, characterized in that the amount of fuel intended for injection is controlled to deviate up to about 20% from a standard value.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the injection takes place by individually controllable injectors or injection pumps.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel injection is controlled to optimize the operation of the individual cylinders for different operating cases.

Device for regulating fuel injection in a multi-cylinder piston engine (4) with diesel operation, comprising means (5) for controlling the fuel injection individually (23) for at least one cylinder, characterized in that said means 70442b.doc; 2002-12-02 10 15 20 525 734, I (í. (5) works on the basis of a pre-undertaken measurement or estimate of the individual efficiency of the present individual cylinders.

Device according to claim 7, characterized in that said means (5) is arranged to control the amount of fuel intended for injection.

Device according to claim 7 or 8, characterized in that said means (5) is arranged to control the time of the injection in relation to the crankshaft position.

Device according to one of Claims 7 to 9, characterized by individually controllable injectors or injection pumps, through which the injection is intended to take place.

11. ll. Device according to one of Claims 7 to 10, characterized by means for optimizing the fuel injection for the operation of the individual cylinders for different operating cases.

Diesel engine including a device according to any one of claims 7 - 11. 70442b.doc; 2002-12-02