DE102009003211A1

DE102009003211A1 - Verfahren zur Ansteuerung von Injektoren in einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009003211A1
Application number: DE102009003211A
Authority: DE
Inventors: Klaus Joos; Ruben Schlueter; Jens Neuberg; Helerson Kemmer; Hans-Peter Lehr; Holger Rapp; Haris Hamedovic; Joerg Koenig; Anh-Tuan Hoang; Bernd Wichert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2009-05-19
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2029-05-20
Also published as: WO2010133415A1; DE102009003211B4

Abstract

Um in einer Brennkraftmaschine, die eine Kraftstoffeinspritzanlage, eine Mehrzahl von Injektoren umfasst, die Verbrennungsqualität zu verbessern und insbesondere die Genauigkeit der zugemessenen Kraftstoffmenge zu erhöhen, wird vorgeschlagen, für mindestens einen Injektor eine individuelle Ansteuerd52) dieses Injektors zu ermitteln. Die Ansteuerung für diesen Injektor erfolgt in Abhängigkeit von der ermittelten individuellen Ansteuerdauer (74). Es wird also eine injektorindividuelle Ansteuerung bereitgestellt, die es ermöglicht, Unterschiede in der Kraftstoffmenge, die von verschiedenen Injektoren zugemessen wird, zu reduzieren, auch wenn die Injektoren im Teilhub betrieben werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Injektors in einer Kraftstoffeinspritzanlage in einer Brennkraftmaschine, wobei die Kraftstoffeinspritzanlage eine Mehrzahl von Injektoren umfasst und wobei eine mittels eines Injektors eingespritzte Kraftstoffmenge von der Ansteuerdauer des Injektors abhängt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Steuerung/Regelung einer Kraftstoffeinspritzung in einer Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine eine Kraftstoffeinspritzanlage und die Kraftstoffeinspritzanlage eine Mehrzahl von Injektoren umfasst und wobei eine mittels eines Injektors eingespritzte Kraftstoffmenge von der Ansteuerdauer des Injektors abhängt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Steuergerät zur Steuerung/Regelung der Kraftstoffeinspritzung in einer Brennkraftmaschine ablauffähig ist.
Kraftstoffeinspritzeinlagen ermöglichen die Zumessung des für eine Verbrennung in einer Brennkraftmaschine benötigten Kraftstoffs mittels einer oder mehrerer Injektoren. Bei der Benzin-Direkteinspritzung und der Common-Rail-Einspritzung wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt. Für die Verbrennungsqualität und damit den Verbrauch sowie das Abgasverhalten der Brennkraftmaschine ist die zugemessene Kraftstoffmenge von entscheidender Bedeutung.
Die zugemessene Kraftstoffmenge wird jedoch durch Eigenschaften des Injektors selbst beeinflusst. Aufgrund von Exemplarstreuungen, die bei den innerhalb einer Brennkraftmaschine verwendeten Injektoren auftreten, ist die von diesen Injektoren zugemessen Kraftstoffmenge meist unterschiedlich, was eine verminderte Verbrennungsqualität mit sich bringen. Insbesondere im sogenannten Kleinmengenbereich wirkt sich eine relative Exemplarstreuung der Injektoren besonders aus, da der Injektor im Teilhub, d. h. ohne Erreichen des oberen Anschlags betrieben wird.
Bisherige Maßnahmen, die eine Kompensation der durch die Exemplarstreuung beeinflussten Kraftstoffmenge zum Ziel haben, basieren auf dem Vorsteuerungsprinzip, das auf alle in der Brennkraftmaschine vorhandenen Injektoren einheitlich angewendet wird. Hierzu wird die Ansteuerdauer aus der vom Motormanagement angeforderten Kraftstoffmenge berechnet und – unter Berücksichtigung der Vorsteuerung – innerhalb der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der zuzumessenden Kraftstoffmenge angesteuert.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, die Verbrennungsqualität in einer Brennkraftmaschine zu verbessern und insbesondere die Genauigkeit der zugemessenen Kraftstoffmenge zu erhöhen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1, 7 und 9 gelöst. Weitere Vorteile sind in den abhängigen Patentansprüchen genannt.
Erfindungsgemäß wird für mindestens einen Injektor eine individuelle Ansteuerdauer in Abhängigkeit von einer Schließdauer dieses Injektors, vorzugsweise im Vollhub ermittelt. Die Ansteuerung für diesen Injektor erfolgt in Abhängigkeit von der ermittelten individuellen Ansteuerdauer. Es wird also eine injektorindividuelle Ansteuerung bereitgestellt, die es ermöglicht, Unterschiede in der Kraftstoffmenge, die von verschiedenen Injektoren zugemessen wird, zu reduzieren, auch wenn die Injektoren im Teilhub betrieben werden. Damit wird erreicht, dass negative Einflüsse von Exemplarstreuungen der Injektoren reduziert werden und somit eine optimierte Verbrennung erzielt wird.
Erfindungsgemäß werden sowohl injektorindividuell langfristige Driften der Kraftstoffeinspritzmenge kompensiert als auch toleranzbedingte Unterschiede.
Der Erfindung liegt die Beobachtung zugrunde, dass die Nadelhubverläufe und somit die eingespritzten Kraftstoffmengen im Teilhubbetrieb in einem Zusammenhang mit der Schließdauer der Injektoren im Vollhubbetrieb stehen. Eine Betrachtung der sogenannten Durchfluss-Ansteuerdauer-Kennlinie einzelner Injektoren zeigt ein individuelles Verhalten bezüglich der Steigungen der Kennlinien. Grund hierfür sind unterschiedliche Kräftebilanzen innerhalb der einzelnen Injektoren, die beispielsweise von unterschiedlicher Schließfederkraft, Reibung, hydraulischer Schließkräfte oder Magnetkräfte herrühren. Es wurde beobachtet, dass die Steigung der Kennlinien proportional ist zur Schließdauer der Injektoren.
Erfindungsgemäß wird folglich die Ansteuerdauer in Abhängigkeit von der Schließdauer individuell für jeden Injektor ermittelt, wobei die Schließdauer bevorzugt während des Betriebs der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Damit ist eine besonders rasche und kontinuierliche Anpassung möglich. Die Schließdauer kann durch verschiedene Verfahren ermittelt werden.
Vorzugsweise wird zunächst eine mittlere Ansteuerdauer aus einem Kennfeld in einem Steuergerät, das für die Steuerung und/oder Regelung der Kraftstoffeinspritzanlage vorgesehen ist, in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Kraftstoffmenge und gegebenenfalls von einem in einem so genannten Rail herrschenden Druck bestimmt. Die so ermittelte mittlere Ansteuerdauer wird mittels eines injektorindividuellen Faktors korrigiert, wobei der injektorindividuelle Faktor aus dem Quotient der injektorindividuellen Schließdauer und einem in dem Steuergerät hinterlegten Mittelwert der Schließdauer gebildet wird. Der Mittelwert selbst wird von den Schließdauern einer statistisch relevanten Anzahl von Injektoren gebildet. Diese können beispielsweise die in der Brennkraftmaschine vorhandene Injektoren sein. Der Einfluss des Quotienten auf die Ansteuerdauer wird dann mittels eines Verstärkungsfaktors berücksichtigt. Der Einsatz des Verstärkungsfaktors ist vorteilhaft, da die Zumessung der Kraftstoffmenge durch den Injektor nicht konstant bezüglich der Ansteuerzeit ist.
Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung der Erfindung in Form eines Computerprogramms, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Steuergerät zur Steuerung und/oder Regelung der Kraftstoffeinspritzung in einer Brennkraftmaschine, ablauffähig ist, wobei das Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens programmiert ist. Das Computerprogramm ist vorzugsweise auf einem elektronischen oder optischen Speichermedium abgespeichert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und die in der Beschreibung genannten Merkmale einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:
1 eine stark schematisierte Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffeinspritzanlage und einer Mehrzahl erfindungsgemäß betriebener Injektoren,
2a eine schematische Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Injektors in einem geschlossenen Betriebzustand,
2b eine schematische Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Injektors in einem geöffneten Betriebzustand,
3 eine schematisierte Darstellung des Takt- und Nadelhubverlaufs eines Injektors im Teilhubbetrieb,
4 ein Beispiel für Ansteuerkennlinien unterschiedlicher Injektoren im Teilhubbereich,
5 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und
6 ein schematisiertes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 1 ist eine Brennkraftmaschine 10 dargestellt, die einen Kraftstoffvorratsbehälter 12 umfasst, aus dem mittels eines Fördersystems 14 Kraftstoff in eine Kraftstoffhochdruckleitung 16 gefördert wird. Die Hochdruckleitung 16 ist beispielsweise als Common-Rail ausgebildet. Die Hochdruckleitung 16 ist mit Injektoren 18 verbunden, die es ermöglichen, Kraftstoff direkt in den Injektoren 18 jeweils zugeordneten Brennräumen 20 einzuspritzen. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 und insbesondere der Kraftstoffeinspritzanlage, die beispielsweise durch das Fördersystem 14, die Hochdruckleitung 16 und die Injektoren 18 gebildet ist, wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung, beispielsweise einem Steuergerät 22, gesteuert bzw. geregelt. Das Steuergerät 22 ermöglicht die Erfassung von Eingabewerten und die Bereitstellung von Ausgabewerten bzw. die Ansteuerung von Aktoren, insbesondere die Ansteuerung der Injektoren 18.
In 2 ist schematisch ein in 1 gezeigter Injektor 18 vergrößert dargestellt. Der Injektor 18 weist einen elektromagnetischen Aktor auf, der eine Magnetspule 26 und einen mit der Magnetspule 26 zusammenwirkenden Magnetanker 30 besitzt. Der Magnetanker 30 ist so mit einer Ventilnadel 28 verbunden, dass er bezogen auf eine in 2 vertikale Bewegungsrichtung der Ventilnadel 28 bewegbar ist. Eine Ventilfeder 36 übt eine Federkraft auf die Ventilnadel 28 aus, so dass diese in einem Ventilsitz 38 gehalten wird.
Eine Ansteuerung des Injektors 18 durch das Steuergerät 22 bewirkt eine Bestromung der Magnetspule 26, wodurch sich der Magnetanker 30 nach oben bewegt, so dass er unter Eingreifen in einen Anschlag 32 die Ventilnadel 28 gegen die Federkraft aus ihrem Ventilsitz 38 herausbewegt. Diese Situation ist in 2b gezeigt. Dort kann nun Kraftstoff 42 von dem Injektor 18 in den Brennraum 20 eingespritzt werden.
In 3 ist beispielhaft ein vereinfachter Takt- und Nadelhubverlauf 44 eines Injektors 18 im Teilhubbetrieb dargestellt. In einem Zeitpunkt T0 erfolgt eine Ansteuerung des Injektors 18 mittels eines sogenannten Taktsignals 46 durch das Steuergerät 22. Mit einer als Abhebeverzögerung 48 bezeichneten zeitlichen Verzögerung erfolgt erst in dem Zeitpunkt T1 das Öffnen des Injektors 18. In einem Zeitpunkt T2 wird die Ansteuerung des Injektors 18 mittels des Taktsignals 46 beendet und in einem Zeitpunkt T3 ist der Injektor 18 wieder geschlossen. Der Zeitraum zwischen den Zeitpunkten T0 und T2 wird als Ansteuerdauer 50 und der Zeitraum zwischen den Zeitpunkten T2 und T3 als Schließdauer 52 bezeichnet.
In 4 sind beispielhaft drei Durchfluss-Ansteuer-Kennlinien 60, 61 und 62 unterschiedlicher Injektoren 18 dargestellt. Die horizontale Achse zeigt eine beispielhafte Ansteuerdauer in Millisekunden. Die Kennlinien 60, 61 und 62 weisen voneinander abweichende Steigungen auf. Die jeweilige Abweichung hat ihre Ursache in unterschiedlichen Kräftebilanzen innerhalb der einzelnen Injektoren 18. Diese Unterschiede oder Exemplarstreuungen beruhen beispielsweise auf unterschiedlichen Federkräften, unterschiedlichen Reibungen, unterschiedlichen hydraulischen Schließkräften oder unterschiedlichen Magnetkräften. Grundsätzlich werden die Schließdauer 52 eines Injektors 18 und die Steigung der Kennlinie 60, 61, 62 eines Injektors 18 vorwiegend durch die Härte der Ventilfeder 36 des Injektors 18 beeinflusst. Weist ein Injektor 18 eine härtere Ventilfeder 36 auf, so ist die Steigung der Kennlinie flacher, da dieser Injektor 18 einen höheren Widerstand beim Abheben der Nadel 28 überwinden muss. In diesem Fall ist auch die Schließdauer 52 kürzer, da die durch die härtere Ventilfeder 36 bereitgestellte Schließkraft höher ist.
Aus der Ermittlung der injektorindividuellen Schließdauer 52 kann folglich eine injektorindividuelle Ansteuerdauer 74 ermittelt werden. Hierzu wird zunächst die Schließdauer 52 eines Injektors 18 bestimmt. Vorzugsweise wird jedoch die Abweichung der Schließdauer 52 von dem Mittelwert einer statistisch relevanten Anzahl von Injektoren 18 bestimmt, wobei der Mittelwert aus den Schließdauern 52 einer Mehrzahl von Injektoren 18 gebildet ist. Die Injektoren 18 können beispielsweise die in der Brennkraftmaschine 10 vorhandenen Injektoren 18 sein. Es ist auch möglich, einen Mittelwert aus einer bestimmten Charge von Injektoren 18 zu ermitteln und die Schließdauern 52 bezüglich dieses Mittelwerts anzugeben. Auch andere Bezugsgrößen sind vorstellbar. Relevant ist vorliegend zunächst, dass für jeden Injektor 18 eine Größe ermittelt wird, die eine Aussage über dessen individuelle Schließdauer 52 zulässt.
Die Ermittlung der injektorindividuellen Ansteuerdauer erfolgt vorzugsweise durch eine Berechnung in dem Steuergerät 22. Ist dort die Schließdauer 52 eines Injektors 18 bzw. deren Abweichung von dem Mittelwert einer statistisch relevanten Anzahl von Injektoren 18 bekannt, so kann daraus die Menge bzw. Mengenabweichung des durch diesen Injektor 18 zugemessenen Kraftstoffs 42 vom Mittelwert des Kraftstoffs bestimmt werden, der als Mittelwert über die statistisch relevante Anzahl von Injektoren 18 bestimmt ist. Durch eine Anpassung der Ansteuerdauer 48 kann die Kraftstoffmenge, die mit diesem Injektor 18 zugemessen werden soll, auf den gemeinsamen Mittelwert eingestellt werden. Dies bedeutet, dass die Kraftstoffmengenabweichung dieses Injektors 18 auf Null geregelt werden kann. Die Abweichung der Schließdauer 52 bzw. die Abweichung der Steigungen der Kennlinien einzelner Injektoren 18 wird somit erfindungsgemäß ausgewertet, um gleichsam eine injektorindividuelle Steigungskorrektur der jeweiligen Kennlinie herbeizuführen.
In dem in 5 dargestellten Blockschaltbild ist ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens dargestellt, das es ermöglicht, die Kraftstoffeinspritzmengenabweichung der Injektoren 18 zu reduzieren. Hierbei wird die Ansteuerdauer 50 in bekannter Weise aus einem Kennfeld 64 in Abhängigkeit von einer Kraftstoffmengenvorgabe 66 und einem Druck in der Hochdruckleitung 16, dem sogenannten Raildruck 68, bestimmt.
Die injektorindividuelle Schließdauer kann durch verschiedene Verfahren ermittelt werden. Es wird dann der Quotient 72 aus der Schließdauer 52 und einem Mittelwert 70 bestimmt, wobei der Mittelwert 70 einen Mittelwert der Schließdauern einer statistisch relevanten Anzahl von Injektoren 18 beschreibt. Der injektorindividuelle Quotient 72 wird mit einem Verstärkungsfaktor k beaufschlagt und ermöglicht so die Ermittlung eines Korrekturwerts durch Multiplikation der Ansteuerdauer 50 und der mittels des Verstärkungsfaktors k korrigierten injektorindividuellen Quotienten 72. Somit wird eine injektorindividuelle Ansteuerdauer 74 bestimmt, mittels der eine injektorindividuelle Ansteuerung möglich ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtungen wird erreicht, dass die Streuung bezüglich der Kraftstoffmenge, die durch verschiedene Injektoren 18 in die Brennräume 20 eingespritzt werden, deutlich reduziert wird, was wiederum eine signifikante Verbesserung der Verbrennungsqualität ermöglicht.
In 6 ist ein stark schematisiertes Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Die einzelnen Schritte des Verfahrens orientieren sich beispielsweise an dem in 5 dargestellten Blockschaltbild. In einem Schritt 100 wird aus dem Kennfeld 64 in Abhängigkeit von einer Mengenvorgabe 66 und einem Raildruck 68 die Ansteuerdauer 50 ermittelt.
In einem Schritt 110 wird aus einer bereitgestellten injektorindividuellen Schließdauer 52 und einem beispielsweise in einem Speicherbereich des Steuergeräts 22 abgelegten Mittelwert 70 einer statistisch relevanten Anzahl von Injektoren der Quotient 72 gebildet. Gemäß einer Ausführungsform wird der Quotient 72 mittels des Verstärkungsfaktors k zu einem Faktor multipliziert, der dann in einem Schritt 120 für eine Korrektur der Ansteuerdauer 50 herangezogen wird, in dem der Faktor mit der Ansteuerdauer 50 multipliziert wird, woraus die injektorindividuelle Ansteuerdauer 74 resultiert.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird der Verstärkungsfaktor k erst in dem Schritt 120 berücksichtigt, in welchem die Bestimmung der injektorindividuellen Ansteuerdauer 74 dadurch erfolgt, dass die in dem Schritt 110 ermittelte Ansteuerdauer 50 mit dem Quotienten 72 unter Berücksichtigung des Verstärkungsfaktors k beispielsweise durch Multiplikation verknüpft wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise fortlaufend während des Betriebs der Brennkraftmaschine durchgeführt. Dadurch ist eine besonders sensible Korrektur der Ansteuerzeit bzw. Ermittlung der injektorindividuellen Ansteuerzeiten möglich, wodurch auch Alterungseffekte der Injektoren 18 berücksichtigt werden können.

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines Injektors (18) in einer Kraftstoffeinspritzanlage in einer Brennkraftmaschine (10), wobei die Kraftstoffeinspritzanlage eine Mehrzahl von Injektoren (18) umfasst und wobei eine mittels eines Injektors (18) eingespritzte Kraftstoffmenge von der Ansteuerdauer (50) des Injektors abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens einen Injektor (18) eine individuelle Ansteuerdauer (74) in Abhängigkeit von einer Schließdauer (52) dieses Injektors (18) ermittelt wird und die Ansteuerung für diesen Injektor (18) in Abhängigkeit von der ermittelten individuellen Ansteuerdauer (74) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließdauer (52) während des Betriebs der Brennkraftmaschine (10) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die individuelle Ansteuerdauer (74) derart bestimmt wird, dass die der individuellen Ansteuerdauer (74) entsprechende Kraftstoffmenge einem für den in der Brennkraftmaschine (10) vorhandenen Injektoren (18) gemeinsamen Mittelwert entspricht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftstoffmengenabweichung in Abhängigkeit von der Schließdauer (52) ermittelt wird und die injektorindividuelle Ansteuerdauer (74) in Abhängigkeit von der Kraftstoffmengenabweichung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Quotient aus der injektorindividuellen Schließdauer (52) und einem Mittelwert (70) bestimmt wird, wobei der Mittelwert (70) aus den Schließdauern (52) einer statistisch relevanten Anzahl von Injektoren (18) oder aus den Schließdauern (52) der in der Brennkraftmaschine (10) vorhandenen Injektoren (18) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Ansteuerdauer (50) aus einem Kennfeld (64) in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Kraftstoffmenge (66) und von einem in einem Rail (16) herrschenden Druck (68) bestimmt wird, – die Ansteuerdauer (50) mittels eines injektorindividuellen Faktors korrigiert wird, wobei der injektorindividuelle Faktor aus dem Quotienten (72) der injektorindividuellen Schließdauer (52) und dem in einem Steuergerät (22) hinterlegten Mittelwert (70) der Schließdauer (52) der statistisch relevanten Anzahl von Injektoren gebildet wird – mittels eines Verstärkungsfaktors (k) der Einfluss des injektorindividuellen Faktors auf die Ansteuerdauer (50) berücksichtigt wird.
Steuergerät (22) zur Steuerung/Regelung der Kraftstoffeinspritzung in einer Brennkraftmaschine (10), wobei die Brennkraftmaschine (10) eine Kraftstoffeinspritzanlage und die Kraftstoffeinspritzanlage eine Mehrzahl von Injektoren (18) umfasst und wobei eine mittels eines Injektors (18) eingespritzte Kraftstoffmenge von der Ansteuerdauer (50) des Injektors (18) abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (22) Mittel zur Bestimmung einer individuellen Ansteuerdauer (74) für mindestens einen Injektor (18) in Abhängigkeit von einer injektorindividuellen Schließdauer (52) dieses Injektors (18) und Mittel zur Ansteuerung dieses Injektors (18) in Abhängigkeit von der ermittelten individuellen Ansteuerdauer (74) umfasst.
Steuergerät (22) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (22) Mittel zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
Computerprogramm, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Steuergerät (22) zur Steuerung/Regelung der Kraftstoffeinspritzung in einer Brennkraftmaschine (10), ablauffähig ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 programmiert ist, wenn das Computerprogramm auf dem Rechengerät ausgeführt wird.