DE102004006896A1

DE102004006896A1 - Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004006896A1
Application number: DE102004006896A
Authority: DE
Inventors: Albert Dipl.-Ing. Kloos; Michael Dr. Willmann; Günther Dipl.-Ing. Schmidt; Ralf Dipl.-Ing. Speetzen; Ralf Dipl.-Ing. Müller; Andreas Dr. Kunz
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2005-09-15
Also published as: WO2006094516A1; EP1730394A1; US7305972B2; EP1730394B1; US20060266332A1

Abstract

Für eine Brennkraftmaschine (1) mit einem Common-Rail-System einschließlich Einzelspeichern (8) wird ein Verfahren zur Steuerung und Regelung vorgeschlagen, bei dem aus einem Soll-Ist-Vergleich des Spritzendes und des Spritzbeginns eine Spritzende-Abweichung und eine Spritzbeginn-Abweichung bestimmt wird. Anhand dieser Abweichungen wird sodann ein Injektor (7) bewertet, wobei die weitere Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine auf Grundlage der Injektor-Bewertung erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Bei einer Brennkraftmaschine bestimmen der Einspritzbeginn und das Einspritzende maßgeblich die Güte der Verbrennung und die Zusammensetzung des Abgases. Um die gesetzlichen Grenzwerte einzuhalten, werden diese beiden Kenngrößen üblicherweise von einem elektronischen Steuergerät geregelt. In der Praxis tritt bei einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-System das Problem auf, dass zwischen dem Bestromungsbeginn des Injektors, dem Nadelhub des Injektors und dem tatsächlichen Einspritzbeginn ein zeitlicher Versatz besteht. Für das Einspritzende gilt Entsprechendes.
Aus der DE 198 50 221 C1 ist ein Prüfverfahren für einen Injektor bekannt. Bei diesem werden für den Injektor verschiedene Betriebspunkte ermittelt, indem bei konstantem Eingangsdruck der Druck am Injektor-Ausgang variiert wird. Der Injektor ist fehlerfrei, wenn die Betriebspunkte innerhalb eines zulässigen Bereichs eines Prüfkennfelds liegen. Das Prüfverfahren wird auf einem Injektor-Prüfstand angewendet. Dieses ist nicht verwendbar, wenn der Injektor in einer Brennkraftmaschine bereits eingebaut ist.
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen DE 103 44 181.6 ist ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem aus dem Druckverlauf in einem Einzelspeicher eines Common-Rail-Systems das Spritzende detektiert wird. Aus dem gemessenen Spritzende wird danach über eine mathematische Funktion ein virtueller Spritzbeginn berechnet. Die Veränderungen der Injektoreigenschaften über dessen Lebensdauer sind bei diesem Verfahren jedoch nicht berücksichtigt.
Aufgabe der Erfindung ist es für eine Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-Einspritzsystem einschließlich Einzelspeichern ein Prüfverfahren für den Injektor zu entwerfen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die vorteilhaften Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Steuerung und Regelung vor, bei dem eine Spritzende-Abweichung aus einem Soll-Spritzende und dem gemessenen Ist-Spritzende berechnet wird und eine Spritzbeginn-Abweichung aus einem Soll-Spritzbeginn und dem virtuellen Ist-Spritzbeginn bestimmt wird. Danach wird ein Injektor anhand der Spritzende-Abweichung sowie der Spritzbeginn-Abweichung bewertet und die weitere Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine erfolgt auf Grundlage der Injektor-Bewertung. Zur Bewertung des Injektors ist vorgesehen, dass ein Spritzende-Toleranzband ausgewählt wird und geprüft wird, ob die Spritzende-Abweichung innerhalb des Spritzende-Toleranzbandes liegt. Ergänzend wird ein Spritzbeginn-Toleranzband ausgewählt und ebenfalls geprüft, ob die Spritzbeginn-Abweichung innerhalb des Toleranzbandes liegt. Die Auswahl des jeweiligen Toleranzbandes sowie dessen Grenzwerte, erfolgt in Abhängigkeit des Betriebszustands der Brennkraftmaschine. Der Injektor wird dann als fehlerfrei bewertet, wenn die Spritzende-Abweichung und die Spritzbeginn-Abweichung innerhalb des jeweiligen Toleranzbandes liegen. Liegen diese außerhalb des jeweiligen Toleranzbandes, so wird der Injektor als fehlerbehaftet bewertet. In Abhängigkeit der Lage der Spritzbeginn-Abweichung oder Spritzende-Abweichung zu einem Bewertungs-Grenzwert wird danach festgelegt, ob der Injektor deaktiviert wird oder die Parameter des Injektors, insbesondere Bestromungs-Beginn und Bestromungs-Dauer, angepasst werden.
Durch die Erfindung können die individuellen Eigenschaften der Injektoren über deren Lebenszeit bestimmt werden. Aufgrund der Kenntnis dieser individuellen Eigenschaften können danach die Injektoren gleichgestellt werden, d. h. ihr Einspritz-Verhalten ist identisch. Die bessere Kenntnis der Injektoren gestattet es deren Nutzungs-Potentiale im Sinne einer Verbrauchsreduktion und Emissions-Reduktion zu optimieren. Für die Wartung der Brennkraftmaschine bedeutet dies, dass die Wartungsintervalle verlängert werden können. Ergänzend kann eine gezielte Diagnose mit Wartungsvorschlägen für das Servicepersonal ausgegeben werden.
In den Zeichnungen ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
1 ein Systemschaubild;
2 eine Injektor-Kennlinie;
3 Druckverläufe;
4 einen Programmablaufplan.
Die 1 zeigt ein Systemschaubild einer elektronisch gesteuerten Brennkraftmaschine 1. Bei der dargestellten Brennkraftmaschine 1 wird der Kraftstoff über ein Common-Rail-System eingespritzt. Dieses umfasst folgende Komponenten: Pumpen 3 mit einer Saugdrossel zur Förderung des Kraftstoffs aus einem Kraftstofftank 2, ein Rail 6, Einzelspeicher 8 und Injektoren 7 zum Einspritzen des Kraftstoffs in die Brennräume der Brennkraftmaschine 1. Bei diesem Common-Rail-System ist der hydraulische Widerstand der Einzelspeicher 8 und der Zulaufleitungen entsprechend angepasst. Für die Erfindung ist es unwesentlich, ob das Rail 6 ein Speichervolumen umfasst oder lediglich als einfache Leitung ausgeführt ist.
Die Betriebsweise der Brennkraftmaschine 1 wird durch ein elektronisches Steuergerät (ADEC) 4 geregelt. Das elektronische Steuergerät 4 beinhaltet die üblichen Bestandteile eines Mikrocomputersystems, beispielsweise einen Mikroprozessor, I/O-Bausteine, Puffer und Speicherbausteine (EEPROM, RAM). In den Speicherbausteinen sind die für den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 relevanten Betriebsdaten in Kennfeldern/Kennlinien appliziert. Über diese berechnet das elektronische Steuergerät 4 aus den Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen. In 1 sind exemplarisch folgende Eingangsgrößen dargestellt: ein Raildruck pCR, der mittels eines Rail-Drucksensors 5 gemessen wird, ein Drehzahl-Signal nMOT der Brennkraftmaschine 1, Drucksignale pE(i) der Einzelspeicher 8 und eine Eingangsgröße E. Unter der Eingangsgröße E sind beispielsweise der Ladeluftdruck eines Turboladers und die Temperaturen der Kühl-/Schmiermittel und des Kraftstoffs subsumiert.
In 1 sind als Ausgangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 4 ein Signal ADV zur Steuerung der Pumpen 3 mit der Saugdrossel und eine Ausgangsgröße A dargestellt. Die Ausgangsgröße A steht stellvertretend für die weiteren Stellsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise ein Bestromungs-Beginn BB und ein Bestromungs-Ende BE.
In 2 ist eine Injektor-Kennlinie dargestellt. Auf der Abszisse ist hierbei die Bestromungs-Dauer BD und auf der Ordinate eine Einspritzmenge qV aufgetragen. Über die Injektor-Kennlinie wird einer berechneten Einspritzmenge eine Bestromungs-Dauer BD zugeordnet. Beispielsweise wird der Einspritzmenge qV(A) ein Betriebspunkt A und entsprechend die Bestromungs-Dauer BD(A) zugeordnet. Als strichpunktierte Linien sind zwei Grenzwertlinien dargestellt. Der Betriebspunkt A verändert sich über die Lebensdauer des Injektors. Die Ursachen hierfür sind die magnetischen Änderungen des magnetischen Kreises, die hydraulischen Änderungen, z. B. Veränderung des Drosselquerschnitts, und die mechanischen Änderungen, z. B. Verschleiß. Die Veränderungen des Betriebspunkts A sind in der Figur mit entsprechenden Pfeilen bezeichnet, hieraus resultierend z. B. ein neuer Betriebspunkt A1.
In 3 sind exemplarisch mehrere Druckverläufe dargestellt. Auf der Abszisse ist hierbei der Kurbelwellenwinkel Phi oder als Äquivalent die Zeit aufgetragen. Auf der Ordinate ist der gemessene Druck pE(i) eines Einzelspeichers aufgetragen. Ein Soll-Spritzverlauf mit den Punkten A, B und C ist als durchgezogene Linie dargestellt. Als gestrichelte Linie ist mit den Punkten D, E und F ist ein erster Ist-Spritzverlauf dargestellt. Als strichpunktierte Linie mit den Punkten A, G, H und J ist ein zweiter Ist-Spritzverlauf dargestellt. Eine Vor- und Nacheinspritzung wurde aus Übersichtlichkeitsgründen bei den jeweiligen Spritzverläufen weggelassen. Mit dem Bezugszeichen TBSB ist ein Spritzbeginn-Toleranzband mit den Grenzwerten GW3 und GW4 bezeichnet. Das Bezugszeichen TBSE bestimmt ein Spritzende-Toleranzband mit den dazugehörenden Grenzwerten GW1 und GW2. Ebenfalls in der 3 eingezeichnet ist eine ordinatenparallele Linie, entsprechend dem Bewertungsgrenzwert BWGW.
Das Verfahren gemäß der Erfindung läuft folgendermaßen ab:
Das elektronische Steuergerät gibt einen Bestromungs-Beginn BB und ein Betromungs-Ende BE für den Injektor aus. Dieser Zeitraum entspricht der Bestromungs-Dauer BD. Aus dem Druckverlauf pE(i) des Einzelspeichers kann zweifelsfrei das Ist-Spritzende erkannt werden. Zum Beispiel gehört zu dem Druckwert pE(SE) der Punkt E und der dazugehörige Zeitwert tE (gestrichelte Linie). Aus diesem Spritzende kann über eine mathematische Funktion der dazugehörende virtuelle Spritzbeginn berechnet werden, hier der Punkt D mit dem Zeitwert tD. Ein derartiges Berechnungsverfahren ist aus der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen DE 103 44 181.6 bekannt. Deren Offenbarungsgehalt gehört zur Offenbarung dieser Anmeldung. Selbstverständlich ist es auch möglich den Spritzbeginn unmittelbar aus den Messwerten des Einzelspeicher-Druckverlaufs zu bestimmen, ohne das Wesen der Erfindung zu verändern. Aus dem ersten Ist-Spritzverlauf wird eine Zeit tSE(IST) vom Bestromungs-Ende BE bis zum gemessenen Spritzende, hier Zeitpunkt tE, berechnet. Für den Spritzbeginn wird eine Zeit tSB(IST) vom Bestromungs-Beginn BB bis zum virtuellen Spritzbeginn, Zeitpunkt tD, berechnet. Danach wird eine Spritzende-Abweichung dtSE aus dem Soll-Spritzverlauf und dem ersten Ist-Spritzverlauf berechnet. Diese Abweichung entspricht in 3 dem Abstand der Punkte E und B. Für den Spritzbeginn wird ebenfalls eine Spritzbeginn-Abweichung dtSB berechnet. Dies entspricht der Differenz der beiden Punkten D und A.
Als nächster Schritt wird in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine das Spritzende-Toleranzband TBSE ausgewählt. Unter Betriebsparametern der Brennkraftmaschine sind der Rail-Druck, die Drehzahl der Brennkraftmaschine, die Kraftstofftemperatur und die Bestromungs-Dauer BD zu verstehen. Nach Auswahl des Toleranzbandes wird geprüft, ob die Spritzende-Abweichung dtSE innerhalb der beiden Grenzwerte GW1 und GW2 des Spritzende-Toleranzbandes TBSE liegt. In 3 ist dies der Fall im Bezug auf den ersten Ist-Spritzverlauf. Im Anschluss daran wird das Spritzbeginn-Toleranzband TBSB ausgewählt und geprüft, ob die Spritzbeginn-Abweichung dtSB innerhalb des Toleranzbandes mit den Grenzwerte GW3 und GW4 liegt. In 3 liegt die Spritzbeginn-Abweichung dtSB (Punkte A, D) ebenfalls innerhalb des zugehörigen Toleranzbandes. Da sowohl die Spritzende-Abweichung dtSE als auch die Spritzbeginn-Abweichung dtSB innerhalb des jeweiligen Toleranzbandes liegen, wird der Injektor als fehlerfrei bewertet.
Beim zweiten Ist-Spritzverlauf (strichpunktierte Linie) liegen sowohl das Spritzende (Punkt H, Zeitpunkt tH) als auch der Spritzbeginn (Punkt G) außerhalb des jeweiligen Toleranzbandes. Als nächsten wird geprüft, ob das Spritzende größer einem Bewertungs-Grenzwert BWGW ist. In 3 liegt der Punkt H innerhalb des Bewertungs-Grenzwerts BWGW. Als Folgereaktion dieser Prüfung wird ein Diagnoseeintrag erstellt, welcher vorsieht, dass beim nächsten Wartungstermin der Injektor getauscht werden soll. Danach werden die Steuerungs-Parameter des Injektors, insbesondere Bestromungs-Beginn und Bestromungs-Dauer, angepasst.
In der 4 ist ein Programmablaufplan des Verfahrens als Unterprogramm dargestellt. Die 4 besteht aus den Teilfiguren 4A und 4B. Das Unterprogramm kann sowohl zeitgesteuert als auch ereignisgesteuert sein, wenn z. B. eine zu hohe Abgas-Temperaturstreuung festgestellt wird. Bei S1 wird geprüft, ob ein stationärer Betriebszustand vorliegt. Ein stationärer Betriebszustand liegt z. B. bei einer konstanten Drehzahl vor. Wird bei S1 festgestellt, dass ein instationärer Zustand vorliegt, so wird mit S2 eine entsprechende Warteschleife durchlaufen. Ist die Abfrage bei S1 positiv, so wird bei S3 ein zu bewertender Injektor ausgewählt. Bei S4 wird eine Betriebsart MOD ausgewählt. Die Betriebsart wird vom Betreiber vorgegeben. Bei einer Betriebsart MOD1 wird für die Bewertung des Injektors die Vor- und Nacheinspritzung deaktiviert, Schritt S5. Danach wird bei S6 der Bestromungs-Beginn BB nach spät im Sinne von kleineren Kurbelwellenwinkeln vor dem oberen Totpunkt, verstellt. Ergänzend wird die Bestromungs-Dauer BD angepasst. Bei einer Betriebsart MOD2 wird der Injektor einschließlich der Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung bewertet. Bei S7 wird das Spritzende SE detektiert. Aus dem Spritzende SE und dem Bestromungs-Ende BE wird eine Zeit tSE(IST) berechnet. Bei S9 wird aus dem Spritzende SE ein virtueller Spritzbeginn SBv bestimmt. Im Anschluss daran wird bei S10 aus dem Bestromungs-Beginn BB und dem virtuellen Spritzbeginn SBV eine Zeit tSB(IST) bestimmt. Bei S11 werden aus dem jeweiligen Soll-Ist-Vergleich eine Spritzbeginn-Abweichung dtSB und eine Spritzende-Abweichung dtSE berechnet.
In Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine werden bei S12 das Spritzende-Toleranzband TBSE und das Spritzbeginn-Toleranzband TBSB berechnet. Bei S13 wird geprüft, ob die Spritzbeginn-Abweichung dtSB innerhalb des Toleranzbandes liegt. Ist dies nicht der Fall, so wird der Programmablauf beim Punkt B fortgesetzt. Ergibt die Prüfung bei S13, dass die Spritzbeginn-Abweichung dtSB innerhalb des Spritzbeginn-Toleranzbandes TBSB mit den Grenzwerten GW1 und GW2 liegt, so wird bei S15 geprüft, ob die Spritzende-Abweichung dtSE innerhalb des Spritzende-Toleranzbandes TBSE mit den Grenzwerten GW3 und GW4 liegt. Liegen sowohl die Spritzbeginn-Abweichung als auch die Spritzende-Abweichung innerhalb des jeweiligen Toleranzbandes, so wird bei S14 der Injektor als fehlerfrei bewertet und das Unterprogramm beendet.
Ergibt die Prüfung bei S15, dass die Spritzende-Abweichung außerhalb des Toleranzbandes liegt, so wird bei S16 geprüft, ob die Spritzbeginn-Abweichung dtSB oder die Spritzende-Abweichung dtSE größer dem Bewertungs-Grenzwert BWGW sind. Ist dies der Fall, so wird bei S19 ein Diagnoseeintrag veranlasst und bei S20 der entsprechende Injektor deaktiviert. Alternativ kann vorgesehen werden, dass anstelle der Deaktivierung des Injektors die Brennkraftmaschine stillgesetzt wird. Danach ist der Programmablaufplan für diesen Fall beendet. Ergibt die Prüfung bei S16, dass die Spritzende-Abweichung und die Spritzbeginn-Abweichung kleiner als der Bewertungsgrenzwert BWGW sind, so wird bei S17 ein Diagnoseeintrag veranlasst. Der Diagnoseeintrag empfiehlt dem Servicetechniker beim nächsten Wartungstermin den Injektor auszutauschen. Danach werden bei S18 die Steuer-Parameter des Injektors angepasst und das Unterprogramm beendet.

1: Brennkraftmaschine
2: Kraftstofftank
3: Pumpen
4: elektronisches Steuergerät (ADEC)
5: Rail-Drucksensor
6: Rail
7: Injektor
8: Einzelspeicher

Claims

Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1) mit einem Common-Rail-System einschließlich Einzelspeichern (8) bei dem ein Ist-Spritzende (SE(IST)) aus dem Druckverlauf (pE(i), i = 1,2 ... n) der Einzelspeicher (8) detektiert wird und ein virtueller Ist-Spritzbeginn (SBv(IST)) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spritzende-Abweichung (dtSE) aus einem Soll-Spritzende (SE(SL)) und dem Ist-Spritzende (SE(IST)) berechnet wird, eine Spritzbeginn-Abweichung (dtSB) aus einem Soll-Spritzbeginn (SB(SL)) und dem virtuellen Ist-Spritzbeginn (SBv(IST)) berechnet wird, ein Injektor (7) anhand der Spritzende-Abweichung (dtSE) sowie der Spritzbeginn-Abweichung (dtSB) bewertet wird und die weitere Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine (1) auf Grundlage der Injektor-Bewertung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spritzende-Toleranzband (TBSE) ausgewählt wird und geprüft wird, ob die Spritzende-Abweichung (dtSE) innerhalb des Spritzende-Toleranzbandes (TBSE) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spritzbeginn-Toleranzband (TBSB) ausgewählt wird und geprüft wird, ob die Spritzbeginn-Abweichung (dtSB) innerhalb des Spritzbeginn-Toleranzbandes (TBSB) liegt.
Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (7) als fehlerfrei bewertet wird, wenn die Spritzende-Abweichung (dtSE) und die Spritzbeginn-Abweichung (dtSB) innerhalb des jeweiligen Toleranzbandes (TBSE, TBSB) liegen.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (7) als fehlerbehaftet bewertet wird, wenn die Spritzende-Abweichung (dtSE) außerhalb des Spritzende-Toleranzbandes (TBSE) oder die Spritzbeginn-Abweichung (dtSB) außerhalb des Spritzbeginn-Toleranzbandes (TBSB) liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei fehlerhaft bewertetem Injektor (7) geprüft wird, ob die Spritzende-Abweichung (dtSE) oder die Spritzbeginn-Abweichung (dtSB) größer einem Bewertungs-Grenzwert (BWGW) sind und in Abhängigkeit des Vergleichs entweder die Steuer-Parameter des Injektors (7) angepasst werden (dtSE < BWGW; dtSB < BWGW) oder der Injektor (7) deaktiviert wird (dtSE > BWGW; dtSB > BWGW) oder die Brennkraftmaschine (1) deaktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-Parameter des Injektors (7) für jede Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung und/oder Mehrfach-Einspritzung angepasst werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Diagnose-Eintrag erfolgt.
Verfahren nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertung des Injektors (7) bei einem stationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bewertung des Injektors (7) Voreinspritzungen und Nacheinspritzungen deaktiviert werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Deaktivierung die Steuer-Parameter des Injektors (7), insbesondere ein Bestromungs-Beginn und eine Bestromungs-Dauer, angepasst werden.