WO2003095818A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung einer voreinspritzmenge - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for determining a pilot injection quantity according to the preamble of patent claim 1.
  • ion current a current flow (here and in the literature called ion current) between the electrodes can be measured on account of the ionization.
  • the magnitude of the measured ion current at a given voltage depends on the degree of ionization of the gas between the electrodes. This is determined for example by the temperature in the combustion chamber, the pressure in the combustion chamber, the combustion air ratio, the ignition timing, the fuel composition and the throttle position of the engine.
  • the voltage attack caused by an ion current is determined to a measuring resistor.
  • injectors of modern direct injection diesel engines are subject to high mechanical precision and tolerance requirements, which lead to high production costs. Despite this high demands injectors have a spread of actually injected fuel quantity and can have a set drift over the term.
  • the injection in modern direct-injection diesel engines does not start directly with the main injection, but with the so-called pilot injection.
  • the pre-injection effect smallest amounts of diesel fuels (for example, 1 to 4 mm 3 ) a significant improvement in the efficiency of combustion.
  • the ignition delay in the main injection is shortened by this pre-reaction or partial combustion.
  • a resulting advantage is also that a softer combustion realized by the reduced increase in combustion pressure and combustion pressure peaks can be avoided.
  • These effects reduce pollutant emissions, in particular nitrogen oxide emissions, consumption and combustion noise.
  • Pre-injection can be realized without additional hardware.
  • An electronic control activates a solenoid valve or a piezo actuator of an injection pump twice within a few hundredths of a second.
  • the solenoid valve or the piezo actuator meters the injection quantity with high control accuracy and dynamic range. For optimum realization of these effects, the exact knowledge and a control or regulation of the pilot injection quantity based thereon are advantageous.
  • the present invention very accurate monitoring or determination and thereby enabled adjustment or regulation of the pilot injection quantity, in particular the noise and particle emission of the diesel engine can be influenced in a favorable manner.
  • monitoring the pilot injection amount it is possible to achieve a cylinder equalization and thus to improve the running culture of the engine.
  • a consistently low noise and exhaust emissions over the term can be ensured. Cost savings are possible by lower mechanical tolerance requirements for the injectors, since the injection quantity can be adjusted by a control circuit via the ion current sensor.
  • Voreinspritzmenge in particular for influencing the noise and particle emission, the running culture of the internal combustion engine or long-term drift effects of the injectors run.
  • the determination of the start of combustion of the main combustion takes place by means of the monitoring of a Threshold exceedance of the ion current signal.
  • Such monitoring of a threshold proves to be relatively easy to perform and provides very accurate results.
  • FIG. 1 shows a diagram for illustrating the relationship exploited according to the invention between the start of combustion of a main injection and a pre-injection quantity
  • FIG. 2 is a flow chart illustrating a preferred embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a diagram for explaining the exploitable relationship between the start of combustion of a main injection and a pre-injection quantity in the context of an injection process of a self-igniting internal combustion engine.
  • the time of reaching an ion current signal threshold value is plotted against the pilot injection quantity (graph 10).
  • the angular position of the camshaft (° CA) and mm 3 are selected as units of measurement.
  • an incremental-angle-time system is used for angular-time control of a solenoid valve, which may for example comprise a built-in an injection pump rotation angle sensor. This sensor enables the exact determination of the cam angle to which the solenoid valve closes and opens. Conveniently, time-angle and angle-time conversions can therefore be carried out in a connected control unit.
  • the illustrated variation range of the pilot injection quantity ranges from 0 to 2.5 mm 3 .
  • linear combustion noise LVG (Graf 20) and the blackening number FSN (Graf 30) with variation of the pre-injection quantity of 0 - 2.5 mm 3 with otherwise constant engine parameters.
  • the linear combustion noise LVG is given in dbA.
  • the ignition delay shown here on the basis of reaching the said threshold in the ion current signal of the main combustion, decreases with increasing pilot injection quantity.
  • the ion current sensor system reacts very sensitively to such a change in quantity, especially with small injection quantities.
  • the ignition delay detected in the ion current signal is correlated.
  • Main combustion start time also with the (for example on a test bench) measured linear combustion noise as well as with the blackening number.
  • a timer is started (for example in the context of an angle incremental system, if the ginn an injection process (pilot injection) has been detected.
  • the timer is incremented.
  • a step 202 it is then checked whether the ion current exceeds a preset threshold value (start of the main injection) or not. If this is not the case, the method branches back to step 201.
  • step 202 If it is determined in step 202 that the preset threshold value has been reached, it is concluded in step 203 on the basis of the determined time of reaching this threshold value on the pilot injection quantity.
  • the thus determined Vorein moussemengenwert is given for further processing, for example, to a control device (step 204).

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Voreinspritzmenge eines eine Voreinspritzung und eine haupteinspritzung umfassenden Einsprittvorgangs einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, mit einer Bestimmung des Verbrennungsbeginns der haupteinspritzun mittels Auswertung eines Ionenstromsignals, und der Bestimmung der Voreinspritzmenge auf der Grundlage einer Korrelation zwischen dem Verbrennungsbeginn der Haupteinspritzung und der Voreinspritzmenge.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Voreinspritzmenge
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Voreinspritzmenge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Während der Verbrennung treten im Brennraum von Verbrennungsmotoren Temperaturen von 2.000 bis 3.000 K auf. Diese hohen Temperaturen und die während der Verbrennung ablaufenden chemischen Reaktionsschritte bewirken eine teilweise Ionisation der im Brennraum vorhandenen Reaktionspartner. Es kann hierbei insbesondere in der Flammenfront zu einer nennenswerten Ionisation des Gases kommen. Hinter der Flammenfront bewirken Rekombinationsreaktionen wieder den Abbau der vorher gebildeten Ionen. Mit Hilfe von in den Brennraum eines Motors eingelassen Elektroden, an die eine Gleichspannung angelegt wird, kann aufgrund der Ionisation ein Stromfluß (hier und in der Literatur Ionenstrom genannt) zwischen den Elektroden gemessen werden. Die Größe des gemessenen Ionenstromes hängt bei gegebener Spannung vom Ionisationsgrad des Gases zwischen den Elektroden ab. Dieser wird beispielsweise bestimmt durch die Temperatur im Brennraum, den Druck im Brennraum, das Verbrennungs-Luft-Verhältnis, den Zündzeitpunkt, die KraftstoffZusammensetzung sowie die Drosselklappenstellung des Motors. Üblicherweise wird der durch einen Ionenstrom verursachte Spannungsanfall an einen Meßwiderstand bestimmt.
Injektoren moderner direkt einspritzender Dieselmotoren unterliegen hohen mechanischen Präzisions- und Toleranzanforderungen, die zu hohen Herstellungskosten führen. Trotz dieser hohen Anforderungen haben Injektoren eine Streubreite der tatsächlich eingespritzten KraftStoffmenge und können über die Laufzeit einen Mengendrift aufweisen.
Zur Detektion der in einen Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge sind mit Klopfsensoren ausgebildete Injektoren bekannt. Der Einsatz derartiger Klopfsensoren ist jedoch nur in einem begrenzen Drehzahl-Lastbereich möglich.
Die Einspritzung bei modernen direkteinspritzenden Dieselmotoren beginnt nicht unmittelbar mit der Haupteinspritzung, sondern mit der sogenannten Voreinspritzung. Bei der Voreinspritzung bewirken kleinste Mengen an Dieselkraftstoffen (beispielsweise 1 bis 4 mm3) eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Verbrennung. Außerdem wird durch diese Vorreaktion bzw. teilweise Verbrennung der Zündverzug bei der Haupteinspritzung verkürzt. Ein hieraus resultierender Vorteil ist auch, daß eine weichere Verbrennung durch den verminderten Verbrennungsdruckanstieg realisiert und Verbrennungsdruckspitzen vermieden werden können. Diese Effekte verringern die Schadstoffemission, insbesondere die Stickoxid- Emissionen, den Verbrauch und das Verbrennungsgeräusch. Voreinspritzung kann ohne zusätzliche Hardware realsiert werden. Eine elektronische Steuerung steuert ein Magnetventil bzw. einen Piezo-Aktuator einer Einspritzpumpe innerhalb wenigster lOOOstel Sekunden zweimal an. Das Magnetventil bzw. der Piezo-Aktuator dosiert die Einspritzmenge mit hoher Regelgenauigkeit und Mengendynamik. Zur optimalen Realisierung dieser Effekte ist die genaue Kenntnis sowie eine hierauf basierende Steuerung bzw. Regelung der Voreinspritzmenge vorteilhaft.
Aus der DE 198 38 222 AI ist ein Verfahren zur Auswertung eines Ionenstomsignales einer selbstzündenen Brennkraftmaschine bekannt. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß aus dem zeitlichen Versatz eines lokalen Maximums im Verlauf des Ionenstromisignales gegenüber einem Einspritzzeitpunkt der Zündverzug abgeleitet wird. Die vorliegende Erfindung strebt an, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem die Feststellung einer tatsächlich eingespritzten Voreinspritzmenge in einfacher Weise durchgeführt werden kann.
Dieses Ziel wird erreicht durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine entsprechenden Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4.
Durch die erfindungsgemäß mögliche, sehr genaue Überwachung bzw. Bestimmung und eine hierdurch ermöglichte Einstellung bzw. Regelung der Voreinspritzmenge ist insbesondere die Geräusch- und Partikelemission des Dieselmotors in günstiger Weise beeinflußbar. Durch die Überwachung der Voreinspritzmenge ist es möglich, eine Zylindergleichstellung zu erreichen und damit die Laufkultur des Motors zu verbessern. Darüber hinaus kann durch die Korrektur des Langzeit-Drifts der Injektoren eine über die Laufzeit gleichbleibend geringe Geräusch- und Abgasemission sichergestellt werden. Kostenersparnisse sind durch geringere mechanische Toleranzanforderungen an die Injektoren möglich, da die Einstellung der Einspritzmenge durch einen Regelkreis über die Ionenstromsenso- rik erfolgen kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
In besonders vorteilhafter Weise läßt sich auf der Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Steuerung bzw. Regelung der Voreinspritzmenge, insbesondere zur Beeinflussung der Geräusch- und Partikelemission, der Laufkultur der Brennkraftmaschine oder von Langzeit-Drifteffekten der Injektoren, ausführen.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Bestimmung des Verbrennungsbeginns der Hauptverbrennung mittels der Überwachung einer Schwellwertüberschreitung des lonenstromsignals. Eine derartige Überwachung eines Schwellwertes erweist sich als relativ einfach durchzuführen und stellt sehr genaue Ergebnisse zur Verfügung .
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung weiter beschrieben. In dieser zeigt
Figur 1 ein Diagramm zur Darstellung des erfindungsgemäß ausgenutzten Zusammenhangs zwischen Verbrennungsbeginn einer Haupteinspritzung und einer Voreinspritzmenge, und
Figur 2 ein Flußdiagramm zur Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens .
In Figur 1 ist ein Diagramm zur Erläuterung der erfindungsgemäß ausnutzbaren Beziehung zwischen dem Verbrennungsbeginn einer Haupteinspritzung und einer Voreinspritzmenge im Rahmen eines Einspritzvorgangs einer selbstzündenden Brennkraftmaschine dargestellt.
Im einzelnen ist der Zeitpunkt des Erreichens eines Ionen- stromsignalschwellwertes, beispielhaft das Erreichen von 10 % eines maximalen lonenstromsignals, gegen die Voreinspritzung- menge aufgetragen (Graf 10) . Als Maßeinheiten sind, wiederum beispielhaft, die WinkelStellung der Nockenwelle (° KW) und mm3 gewählt . Zur Feststellung des Schwellwertes wird beispielsweise ein Inkremental-Winkel-ZeitSystem zur Winkel- Zeitsteuerung eines Magnetventils verwendet, welches biespielsweise einen in eine Einspritzpumpe eingebauten Drehwinkelsensor umfassen kann. Dieser Sensor ermöglicht die exakte Bestimmung des Νockenwinkels, zu dem das Magnetventil schließt und öffnet. Zweckmäßigerweise sind daher in einem angeschlossesn Steuergerät Zeit-Winkel- und Winkel-Zeit- Umrechnungen durchführbar . Die dargestellte Variationsbreite der Voreinspritzmenge reicht von 0 bis 2,5 mm3.
Beim vorliegenden Beispiel wird ferner davon ausgegangen das im Rahmen des beispielhaft dargestellten Motorbetriebs eine 30-%ige Abgasrückführung durchgeführt wird.
Als weitere Grafen sind das lineare Verbrennungsgeräusch LVG (Graf 20) und die Schwärzungszahl FSN(Graf 30) bei Variation der Voreinspritzungmenge von 0 - 2,5 mm3 bei im übrigen konstanten Motorparametern dargestellt. Das lineare Verbrennungsgeräusch LVG ist in dbA angegeben.
Wie aus Figur 1 folgt, nimmt der Zündverzug, hier dargestellt anhand des Erreichens der genannten Schwelle im Ionenstrom- signal der Hauptverbrennung, mit zunehmender Voreinspritzmenge ab. Insbesondere reagiert die Ionenstromsensorik gerade bei kleinen Einspritzmengen sehr sensitiv auf eine derartige Mengenänderung.
Wie der Figur 1 ferner zu entnehmen ist, korreliert der im I- onenstromsignal detektierte Zündverzug-bzw. Hauptverbrennungsbeginn-Zeitpunkt ferner mit dem (beispielsweise auf einem Prüfstand) gemessenen linearen Verbrennungsgeräusch sowie mit der Schwärzungszahl .
Aufgrund der dargestellten Zusammenhänge ist also eine indirekte Detektion der tatsächlich eingespritzten Voreinspritzmenge über den Zündverzug der Hauptverbrennung im Ionenstrom- signal möglich.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens wird nun anhand des Flußdiagramms der Figur 2 erläutert .
In einem Schritt 200 wird ein Zeitgeber (beispielsweise im Rahmen eines WinkelinkrementalSystems gestartet, wenn der Be- ginn eines Einspritzvorganges (Voreinspritzung) erkannt wurde. In einem anschließenden Schritt 201 wird der Zeitgeber erhöht .
In einem Schritt 202 wird anschließend geprüft, ob der Ionenstrom einen voreingestellten Schwellwert (Beginn der Haupteinspritzung) überschreitet oder nicht. Ist dies nicht der Fall, verzweigt das Verfahren zurück zu Schritt 201.
Wird in Schritt 202 festgestellt, daß der voreingestellte Schwellwert erreicht wurde, wird in einem Schritt 203 auf der Grundlage des festgestellten Zeitpunktes des Erreichens dieses Schwellwertes auf die Voreinspritzmenge geschlossen. Der so ermittelte Voreinspritzmengenwert wird zur weiteren Verarbeitung beispielsweise auf eine Steuereinrichtung gegeben (Schritt 204) .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung einer Voreinspritzmenge eines eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung umfassenden Einspritzvorgangs einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Bestimmung des Verbrennungsbeginns der Haupteinspritzung mittels Auswertung eines lonenstromsignals, und die Bestimmung der Voreinspritzmenge auf der Grundlage einer Korrelation zwischen dem Verbrennungsbeginn der Haupteinspritzung und der Voreinspritzmenge.
2. Verfahren nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des Verbrennungsbeginns der Haupteinspritzung mittels einer Schwellwertüberwachung des lonenstromsignals durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Steuerung bzw. Regelung der Voreinspritzmenge, insbesondere zur Beeinflussung einer Geräusch- und/oder Partikelemission, der Laufkultur der Brennkraftmaschine, oder von Langzeitdrift-Effekten von bei der Voreinspritzung und/oder Haupteinspritzung eingesetzten Injektoren.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Steuerung bzw. Regelung der Voreinspritzmenge, insbesondere zur Beeinflussung einer Geräusch- und/oder Partikelemission, der Lauf ultur der Brennkraftmaschine, oder von Langzeitdrift-Effekten von bei der Voreinspritzung und/oder Haupteinspritzung eingespritzten Injektoren.
4. Vorrichtung mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche .
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122 Ep: pct application non-entry in european phase