DE10163894A1 - Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung - Google Patents

Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung

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Abstract

Um die Toleranzunterschiede bei der Fertigung von Injektoren einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung auszugleichen, werden bei einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung die Injektoren der einzelnen Zylinder mittels einer Injektorhub- und/oder Einspritzzeitanpassung untereinander gleichgestellt. Ziel ist dabei, die Vorsteuerwerte der Applikation zu erreichen. Die Einspritzmenge der einzelnen Injektoren wird im Homogen- und/oder im Schichtbetrieb solange verändert, bis eine Soll-Kraftstoffmenge bei allen Injektoren eingestellt wird. Dadurch wird eine nominale Angleichung des Kraftstoffdurchflusses bei allen Injektoren erzielt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung gemäß Anspruch 1 bzw. 4.
  • Insbesondere werden direkteinspritzende Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung wahlweise mit Ladungsschichtung oder homogen betrieben. Der Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Ladungsschichtung, dem sogenannten Schichtbetrieb, ermöglicht einen geringen Kraftstoffverbrauch, insbesondere aufgrund der niedrigeren Ladungswechsel- und Wandwärmeverluste. Beim Schichtbetrieb erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffs während des Verdichtungstakts, wobei vorzugsweise das Kraftstoff/Luft-Gemisch mit deutlichem Luftüberschuss, d. h. λ > 1, aufbereitet wird. In diesem Fall liegt der Kraftstoff im Brennraum geschichtet vor, so dass das Kraftstoff/Luft-Gemisch trotz Luftüberschuss zuverlässig gezündet werden kann. Im Homogenbetrieb erfolgt die Kraftstoffeinspritzung im Ansaugtakt, so dass zum Zündzeitpunkt eine homogene Gemischwolke im Brennraum vorhanden ist.
  • Ziel der neu entwickelten Ottomotoren mit Direkteinspritzung ist die Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen. Die erzielten Vorteile werden aufgrund eines definierten Ansteuerns von Einspritzventilen bzw. Injektoren während des Einspritzvorgangs, wodurch eine Optimierung des Brennverlaufs erzielt wird. Dies erfolgt beispielsweise über die Optimierung der Einspritzstrahlcharakteristik. Zum Antrieb von Injektoren mit einstellbarem Öffnungshub eignen sich insbesondere Piezo-Aktoren, die es ermöglichen, ein elektrisches Signal praktisch verzögerungsfrei in eine mechanische Bewegung zu wandeln. Diese Bewegung ist hinsichtlich Auslenkung und zeitlichem Verlauf durch Einstellen einer Hochspannung, mit welcher der Piezo-Aktor beaufschlagt wird, präzise steuerbar.
  • Da bei der Herstellung von piezoelektrisch betriebenen Injektoren aufgrund von fertigungsbedingten Toleranzunterschieden ein unterschiedliches Durchflußverhalten zustande kommt, weisen die mit Piezoaktoren ausgestatteten Kraftstoffeinspritzvorrichtungen ein von applizierten Einspritzparametern abweichendes Einspritzverhalten. Dies führt insbesondere bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung zu einem höheren Verbrauch.
  • Aus der DE 199 03 555 C2 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der eine Spannungsversorgung mehrere unterschiedliche Spannungspegel bereitstellt, zwischen denen zur Einstellung verschiedener Ventilöffnungsstellungen direkt umgeschaltet werden kann, so dass mehrere benötigte Ventilstellungen ohne zusätzlichen Steuerungsaufwand zuverlässig eingestellt werden können.
  • Da eine Gleichstellung der einzelnen Zylinder mit Hilfe der oben erwähnten Vorrichtung nicht ermöglicht wird, und eine Anpassung des Kraftstoffdurchflusses am Injektor an einen nominalen Kraftstoffdurchfluss über die Motoren hinweg benötigt wird, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung zu schaffen, mit dem eine Gleichstellung der einzelnen Zylinder über Funktionen in der Motorsteuerung ermöglicht wird.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 4 gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass zur Dosierung einer Kraftstoffmenge, insbesondere für eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, die Kraftstoffeinspritzmengen an die applizierten Mengen angepasst werden. In der Regel wird eine Brennkraftmaschine lastabhängig in einem Homogen- und/oder in einem Schichtbetrieb betrieben. Eine in einen Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge wird mittels eines Injektors durch eine Variation einer Einspritzdauer und/oder eines Injektornadelhubs dosiert bzw. eingestellt. Bei einem Betriebspunkt wird in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine eine eingespritzte Kraftstoffmenge als eine Ist-Kraftstoffmenge ermittelt. Danach wird die Ist- Kraftstoffmenge mit einer in der Steuereinrichtung für den jeweiligen Betriebspunkt abgelegten Soll-Kraftstoffmenge verglichen, wobei ein aus den Ist-Kraftstoffmengen der einzelnen Zylinder Mittelwert gebildet wird. Erfindungsgemäß wird anschließend mittels der Steuereinrichtung der Injektor derart angesteuert, dass die eingespritzte Kraftstoffmenge dem aus den Ist-Kraftstoffmengen ermittelten Mittelwert entspricht.
  • Die Injektoren der einzelnen Zylinder werden durch bekannte Verfahren über Injektorhub- und/oder Einspritzzeitanpassung untereinander gleichgestellt, d. h., die in den jeweiligen Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge wird solange angehoben bzw. abgesenkt, bis sie dem Mittelwert angepasst ist. Die Anpassung an den Mittelwert kann im Homogen- oder im Schichtbetrieb erfolgen.
  • In einem weiteren Schritt wird der Injektor ferner derart angesteuert, dass die eingespritzte Kraftstoffmenge in jedem Zylinder der Soll-Kraftstoffmenge entspricht. Die Anpassung an die Soll-Kraftstoffmenge erfolgt derart, dass ein Differenzwert zwischen dem ermittelten Mittelwert und einer in der Steuereinrichtung für den jeweiligen Betriebspunkt abgelegten Soll-Kraftstoffmenge bestimmt wird. Nach Einstellung des Mittelwertes wird die in den jeweiligen Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge demzufolge um diesen Differenzwert derart verändert, dass die in den jeweiligen Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge der Soll- Kraftstoffmenge entspricht.
  • Gemäß der Erfindung findet die Anpassung der eingespritzten Kraftstoffmenge in den einzelnen Zylindern an die Soll- Kraftstoffmenge im Homogenbetrieb statt. Das Niveau der Injektoren wird über Injektorhub- und/oder Einspritzzeitanpassung im Homgenbetrieb solange verändert, bis eine Lambda-Regelabweichung den Wert Null aufweist.
  • Gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung wird bei einem Betriebspunkt in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine eine eingespritzte Kraftstoffmenge als eine Ist-Kraftstoffmenge ermittelt, wobei aus den Ist-Kraftstoffmengen der einzelnen Brennräume ein erster Mittelwert gebildet wird. Weiterhin wird ein Differenzwert zwischen dem ersten Mittelwert und einer in der Steuereinrichtung für den jeweiligen Betriebspunkt abgelegten Soll-Kraftstoffmenge ermittelt. Dann wird in jedem Zylinder die eingespritzte Kraftstoffmenge um den Differenzwert derart verändert, dass ein aus den eingespritzten Kraftstoffmengen ermittelter zweiter Mittelwert der Soll-Kraftstoffmenge entspricht. D. h., die eingespritzte Kraftstoffmenge wird solange angepasst, bis aus den eingespritzten Kraftstoffmengen ein Mittelwert eingestellt wird, welcher dem zweiten Mittelwert entspricht. Diese Anpassung findet im Homogenbetrieb statt.
  • Erfindungsgemäß wird in einem abschließenden Schritt jeder Injektor im jeweiligen Zylinder mittels der Steuereinrichtung derart angesteuert, dass die eingespritzte Kraftstoffmenge der Soll-Kraftstoffmenge entspricht. Diese Anpassung der veränderten Kraftstoffmenge in den einzelnen Zylinder an die Soll-Kraftstoffmenge kann im Homogen- und/oder Schichtbetrieb erfolgen.
  • Gemäß der Erfindung wird die in den jeweiligen Zylinder eingebrachte Kraftstoffmenge im Homogenbetrieb mittels einer Drehmoment-Erkennung und/oder einer Lambda-Einzelauswertung ermittelt, wobei die Bestimmung der eingebrachten Kraftstoffmenge im Schichtbetrieb mittels einer Drehmoment- Erkennung erfolgt.
  • Es wird bevorzugt, dass die Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum mittels eines piezoelektrisch angetriebenen Injektors erfolgt. Die Variation der Einspritzzeit und/oder des Injektorhubs erfolgt in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine gemäß einem in der Steuerungseinrichtung abgelegten Einspritzkennfeld. Bei einer Verwendung eines Piezoinjektors werden durch die in einer Steuereinrichtung abgelegten Einspritzkennfelder anhand dem erfindungsgemäßen Verfahren Spannungskorrekturwerte für einen Piezo-Aktor ermittelt, so dass die Anpassung der tatsächlich erforderlichen Einspritzmengen erzielt wird.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden Toleranzunterschiede, welche häufig bei der Fertigung von Injektoren einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung vorkommen, ausgeglichen. Dies ist wichtig insbesondere bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung, wo zur Erzielung eines besseren Verbrauches eine gleichmäßige und applikationsnahe Kraftstoffzufuhr benötigt wird. Mittels einer Injektorhub- und/oder Einspritzzeitanpassung werden die Injektoren untereinander gleich gestellt. Somit werden die Vorsteuerwerte der Applikation erreicht.
  • Die Einspritzmenge der einzelnen Injektoren wird im Homogen und/oder im Schichtbetrieb solange verändert, bis eine Soll- Kraftstoffmenge bei allen Injektoren eingestellt wird. Dadurch wird eine nominale Angleichung des Kraftstoffdurchflusses an jedem Injektor der Brennkraftmaschine erzielt.
  • Erfindungsgemäß kann das vorliegende Verfahren die Anpassung des Kraftstoffdurchflusses bei jedem Injektor entweder durch eine Zylindergleichstellung über die Drehmoment-Erkennung an der Kurbelwelle und/oder durch die Einzellamda-Erkennung mittels einer Lamdasonde in der Abgasanlage. Bei einer Lambda- Einzelauswertung wird die eingespritzte Kraftstoffmenge durch die Bestimmung der Luftzahlen (λ) der einzelnen Zylinder und Erfassung der Luftmasse ermittelt. Alternativ kann die Kraftstoffmenge beispielsweise durch eine Kraftstoffmesseinrichtung oder durch Werte wie die Öffnungsdauer und den Druck am Kraftstoffinjektor ermittelt werden.
  • Bei der Drehmoment-Erkennung werden die auf die Kurbelwelle übertragenen Zylindermomente einzeln detektiert, wodurch die ungleichmäßige Einspritzung einzelner Injektoren ermittelt wird, wobei bei der Einzellamda-Erkennung eine Korrektur der eingespritzten Kraftstoffmengen durch das Luftverhältnis der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine erfolgen kann. Es ist möglich, die Einspritzmengen der einzelnen Zylinder durch das Verbrennungsluftverhältnis genau zu berechnen. Da das Luftverhältnis in den einzelnen Zylindern aufgrund von Streuungen in der Fertigung der Einspritzdüsen nicht immer gleich ist, treten dementsprechend solche Abweichungen bei Luftverhältnissen der einzelnen Zylinder auf. Eine Lambdaregelung gleicht solche Abweichungen aus, indem sie alle Zylinder mit mehr oder weniger Kraftstoff versorgt, so dass in Summe ein gewünschtes Luft/Kraftstoffverhältnis im Abgas eingestellt wird, und die Regelabweichung gleich Null wird.
  • Da aber die Regelabweichung nicht von der Soll-Kraftstoffmenge abhängt, führt dies dazu, dass die von einem Kennfeld berechnete Einspritzmenge nicht mit der Soll-Kraftstoffmenge übereinstimmt. Durch Bestimmung der λ-Werte der einzelnen Zylinder ist es somit möglich, die Abweichungen der eingespritzten Kraftstoffmengen zu erfassen. Dies kann z. B. durch eine hohe zeitliche Auflösung des mit einer λ-Regelsonde gemessen Signals erfolgen. Im Abgas ist die Zündfolge des Verbrennungsmotors derart wiederzufinden, dass die λ-Sonde die Abweichungen der einzelnen Zylinder vom Soll-Luftverhältnis erfasst.
  • Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
  • Fig. 1 die Kennlinien vom Durchfluss der einzelnen Injektoren und die dazugehörige Abweichung von einer Sollwertkennlinie
  • Fig. 2 die Kennlinien vom Durchfluss der einzelnen Injektoren nach einer Anpassung der eingespritzten Kraftstoffmengen der Injektoren untereinander.
  • Eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine mit vier Zylinders arbeitet vorzugsweise nach dem bekannten Viertakt-Prozess, wobei die Einspritzung des Kraftstoffes in einen Brennraum direkt erfolgt. Zur Einbringung des Kraftstoffes werden Piezoinjektoren verwendet. Der Einspritzeitpunkt bzw. die Einspritzmenge werden lastabhängig variiert. Es ist auch denkbar, dass die Brennstoffhaupteinspritzmenge in mehreren Teilmengen in den Brennraum eingespritzt wird.
  • Die in Fig. 1 dargestellten Kennlinien zeigen die Unterschiede der Einzelnen Injektoren zu einer Sollwertkennlinie. Die Kennlinien stellen das Einspritzverhalten der jeweiligen Injektoren dar, und wie hoch der tatsächliche Kraftstoffdurchfluss eines Injektors von einem in einer Motorsteuerung abgelegten Sollwert abweicht.
  • Die verwendeten Injektoren werden über einen Piezo-Aktor betätigt, wobei eine Spannungsquelle die notwendige Spannung zur Einstellung eines Ventilhubes bereitstellt. Eine Steuereinrichtung liefert eine entsprechende Information an die Spannungsquelle, wodurch mittels des Piezo-Aktors am Injektor einen bestimmten Öffnungshub eingestellt wird. Aufgrund der Toleranzunterschiede stellt sich beim eingestellten Hub einen von einem Sollwert unterschiedlichen Kraftstoffdurchfluss ein. In Fig. 1 stellt sich beispielsweise beim Injektor 4 bei der Ansteuerung von 50% des maximalen Durchflusses z. B. 60% des maximalen Durchflusses ein.
  • Erfindungsgemäß wird, wie in Fig. 1 dargestellt, bei einem Betriebspunkt in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine eine eingespritzte Kraftstoffmenge als eine Ist-Kraftstoffmenge ermittelt. Diese wird mit einer in der Steuereinrichtung für den jeweiligen Betriebspunkt abgelegten Soll-Kraftstoffmenge verglichen, und somit das Einspritzverhalten des jeweiligen Injektors ermittelt.
  • Aus den Ist-Kraftstoffmengen der einzelnen Injektoren wird ein Mittelwert gebildet. Anschließend werden die Injektoren mittels der Steuereinrichtung derart angesteuert, dass die eingespritzte Kraftstoffmenge dem aus den Ist-Kraftstoffmengen ermittelten Mittelwert entspricht. Die Injektoren weisen dann das gleiche Einspritzverhalten gemäß Fig. 2 auf. D. h. die Injektoren 1 bis 4 sind untereinander gleichgestellt.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Anpassung des Kraftstoffdurchflusses bei jedem Injektor entweder durch eine Zylindergleichstellung über die Drehmoment-Erkennung an der Kurbelwelle und/oder durch die Einzellamda-Erkennung mittels einer Lamdasonde in der Abgasanlage. Vorher wird über Injektorhub- und/oder Einspritzzeitanpassung im Homogenbetrieb der Durchfluss bei jedem Injektor solange verändert, bis eine Lambda-Regelabweichung den Wert Null aufweist. Durch die in einer Steuereinrichtung abgelegten Einspritzkennfelder werden für die Anpassung der tatsächlich erforderlichen Einspritzmengen anhand dem erfindungsgemäßen Verfahren Korrekturwerte ermittelt und verwendet.
  • Bei einem weiteren Schritt erfolgt für alle vier Injektoren eine abschließende Korrektur um einen Differenzwert zwischen dem Mittelwert und dem Sollwert, so dass sich ein derartiger Kraftstoffdurchflußverhalten bei allen Injektoren einstellt, der die Sollkraftstoffmenge ermöglicht. Somit erfolgt der gewünschte Kraftstoffdurchsatz, um ein appliziertes Einspritzverhalten bei allen Injektoren zu erzielen. Dadurch wird eine nominale Angleichung des Kraftstoffdurchflusses an jedem der vier Injektoren erzielt.
  • Alternativ kann die Steuereinrichtung eine Änderung der Einspritzdauer vorsehen, um bei einer bestimmten Öffnungsstellung den angestrebten Durchfluss zu erreichen. Dazu wird mittels der Steuereinheit anzustrebende Spannungen am Piezo-Aktor anhand von in einem Kennfeld abgelegten Spannungskurven eine entsprechende Zeitdauer eingestellt.
  • In der Brennkraftmaschine bleibt lediglich ein geringer Luftfehler über die Ungleichverteilung der Zylinder über die Luftführung, was sich aber später im Schichtbetrieb durch die Gleichstellung der Injektoren über Injektorhub- und/oder Einspritzzeitanpassung reduzieren lässt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Dosierung einer Kraftstoffmenge, insbesondere für eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine, mit mehreren Brennräumen, mindestens einer Brennstoffzufuhreinrichtung, welche mindestens einen Injektor in jedem Brennraum aufweist, und einer Steuereinrichtung, wobei
bei einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eine in einen jeweiligen Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge als eine Ist-Kraftstoffmenge ermittelt wird,
aus den Ist-Kraftstoffmengen der einzelnen Brennräume ein Mittelwert gebildet wird,
ein Differenzwert zwischen dem ermittelten Mittelwert und einer in der Steuereinrichtung für den jeweiligen Betriebspunkt abgelegten Soll-Kraftstoffmenge bestimmt wird,
ferner mittels der Steuereinrichtung alle Injektoren derart angesteuert werden, dass die in den jeweiligen Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge dem ermittelten Mittelwert entspricht, und
anschließend die in den jeweiligen Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge um den Differenzwert derart verändert wird, dass die in den jeweiligen Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge der Soll- Kraftstoffmenge entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der in den jeweiligen Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge an den Mittelwert in einem Homogen- oder Schichtbetrieb erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der in den jeweiligen Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge um den Differenzwert zur Anpassung der eingespritzten Kraftstoffmenge an die Soll- Kraftstoffmenge im Homogenbetrieb erfolgt.
4. Verfahren zur Dosierung einer Kraftstoffmenge, insbesondere für eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine, mit mehreren Brennräumen, mindestens einer Brennstoffzufuhreinrichtung, welche mindestens einen Injektor in jedem Brennraum aufweist, und einer Steuereinrichtung, wobei
bei einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eine in einen jeweiligen Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge als eine Ist-Kraftstoffmenge ermittelt wird,
aus den Ist-Kraftstoffmengen der einzelnen Brennräume ein erster Mittelwert gebildet wird,
ein Differenzwert zwischen dem ersten Mittelwert und einer in der Steuereinrichtung für den jeweiligen Betriebspunkt abgelegten Soll-Kraftstoffmenge bestimmt wird,
ferner mittels der Steuereinrichtung alle Injektoren derart angesteuert werden, dass die in den jeweiligen Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge um den Differenzwert verändert wird, so dass ein aus den eingespritzten Kraftstoffmengen ermittelter zweiter Mittelwert der Soll-Kraftstoffmenge entspricht, und
anschließend alle Injektoren derart angesteuert werden, dass die in den jeweiligen Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge der Soll-Kraftstoffmenge entspricht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des jeweiligen Injektors zur Veränderung der eingespritzten Kraftstoffmenge um den Differenzwert in einem Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der in den jeweiligen Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge an die Soll-Kraftstoffmenge im Homogen- und/oder Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der in den jeweiligen Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge mittels einer Drehmoment-Erkennung und/oder einer Lambda- Einzelauswertung erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung des Kraftstoffs in den jeweiligen Brennraum mittels eines piezoelektrisch angetriebenen Injektors erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der in den jeweiligen Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge mittels eine Variation einer Einspritzdauer und/oder eines Injektorhubs erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Einspritzzeit und/oder des Injektorhubs der Brennkraftmaschine gemäß einem in der Steuerungseinrichtung abgelegten Einspritzkennfeld erfolgt.
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