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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt wird.
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Stand der Technik
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Die zunehmenden Anforderungen an direkteinspritzende Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren bezüglich Geräusch- und Schadstoffemissionen erfordern eine sehr hohe Präzision der durch das Einspritzsystem eingespritzten Kraftstoffmenge über die gesamte Lebensdauer und in allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine. Durch Fertigungstoleranzen, durch Verschleiß-/Alterungserscheinungen der Brennkraftmaschine oder des Einspritzsystems der Brennkraftmaschine und der gegenseitigen Beeinflussung im Falle von mehreren Einspritzungen, nämlich Vor-, Haupt- und Nacheinspritzungen, können die tatsächlichen Einspritzmengen und Einspritzzeitpunkte von den applizierten Sollwerten stark abweichen. So werden beispielsweise Störungen durch Druckwellen hervorgerufen, die durch eine erste Einspritzung ausgelöst werden und die während des Zeitpunkts der zweiten, der ersten Einspritzung unmittelbar folgenden Einspritzung im Einspritzsystem noch nicht abgeklungen sind.
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Die über dem Zeitabstand einzelner Teileinspritzungen wellenförmig veränderte Einspritzmenge wird nachfolgend kurz als „Mengenwelle“ bezeichnet. Zu ihrer Korrektur sind aus dem Stand der Technik verschiedene Korrekturverfahren bekannt.
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So offenbart beispielsweise die
EP 1303 693 B1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei welchem zur Druckwellenkorrektur die bei einer zweiten Teileinspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge abhängig von einer Druckgröße, die den Kraftstoffdruck charakterisiert, der Kraftstoffmengengröße und einer weiteren Größe korrigiert wird. Die weitere Größe kann beispielsweise eine die Kraftstofftemperatur charakterisierende Größe sein.
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Aus der
DE 197 12 143 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt geworden, bei denen die Kraftstoffeinspritzung in wenigstens eine erste und eine zweite Teileinspritzung aufgeteilt ist. Ein die eingespritzte Kraftstoffmenge bestimmendes Signal ist mit einem Korrekturwert korrigierbar. Dieser Korrekturwert wird multiplikativ aus einem ersten Wert und einem zweiten Wert gebildet. Der erste Wert ist abhängig von wenigstens dem gemessenen Kraftstoffdruckwert und/oder vom Abstand zwischen der ersten und der zweiten Teileinspritzung vorgebbar und der zweite Wert ist abhängig von wenigstens einer Einspritzmenge, die bei der ersten Teileinspritzung zugemessen wird, oder von der Dauer der ersten Teileinspritzung vorgebbar. Durch den Korrekturwert werden Schwankungen des Kraftstoffdruckes zwischen einer Messung des Kraftstoffdruckwertes und der zweiten Teileinspritzung berücksichtigt. Ausgehend von dem Korrekturwert und einem gemessenen Kraftstoffdruckwert wird ein korrigierter Kraftstoffdruckwert gebildet.
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In der Druckschrift ROBERT BOSCH GmbH: Dieselmotor-Management. 4. Auflage. Wiesbaden: Vieweg, 2004. S.372f. - ISBN 3-322-80332-0 sind verschiedene Korrekurverfahren beschrieben, um verschiedene Einflüsse auf die Einspritzgenauigkeit zu kompensieren.
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Auch die
DE 10 2005 036 192 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung eines Einspritzsystems. Dabei wird der Einfluss einer ersten Teileinspritzung auf eine zweite Teileinspritzung korrigiert.
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Die
DE 103 31 241 A1 beschreibt eine Verfahren zum Injektormengenabgleich bei der Voreinspritzung.
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Die
EP 1 172 541 A1 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines Piezoelektrischen Aktors eines Einspritzventils.
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Die
DE 10 2007 043 879 A1 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils. Dabei wird eine zweite Teileinspritzung abhängig von der Pausenzeit zwischen einer ersten und der zweiten Einspritzung verkürzt.
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Aus prinzipiellen Gründen erreichen diese Kompensationsverfahren jedoch nur eine endliche Korrekturgüte. Die verbleibende Abweichung der Istmenge vom Sollwert, die als Restmengenwelle bezeichnet wird, kann auf diese Weise nicht ohne Weiteres kompensiert werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Druckwellenkorrektur der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzubilden, dass auch eine derartige Restmengenwelle kompensiert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass der Korrekturwert, mit dem das die Kraftstoffmenge bestimmende Signal korrigiert wird, aus der Summe eines an einen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine angepassten Basiskorrekturwerts, eines mechanische Einflüsse des wenigstens einen Injektors auf eine Restmengenwelle berücksichtigenden injektorspezifischen Korrekturwerts und eines während des Betriebs der Brennkraftmaschine ermittelten injektorindividuellen Korrekturwerts gebildet wird, können auf sehr vorteilhafte Weise auch Fehler, die durch oben genannte Restmengenwellen hervorgerufen werden, kompensiert werden. Hierdurch kann zeitlich auf ein optional eingesetztes Druckwellenkorrektur-Verfahren folgend eine Restmengenabweichung bei Mehrfacheinspritzungen weiter reduziert werden. Eine wesentliche Idee des Verfahrens ist dabei eine Gruppierung von Restmengenwellen zur Beschreibung des Zusammenhangs zwischen höherfrequenten Druckschwingungen, mechanischen Einflussgrößen und dem Einspritzmengenfehler während des Betriebs. Durch dieses Verfahren wird so sehr vorteilhaft neben der Reduktion höherfrequenter Schwingungen auch eine Eingriffsmöglichkeit für mechanische Parameter geschaffen, zum Beispiel basierend auf Informationen über Einstellparameter und -toleranzen und dergleichen. Hierdurch können auch injektorspezifische und damit auch zylinderselektive Korrekturen vorgenommen werden. Dies ist insbesondere und vor allem bei kurzen Zeitabständen zwischen zwei Teileinspritzungen von großem Vorteil. Schließlich ist auch eine Korrektur während des Betriebs der Brennkraftmaschine und mithin eine Korrektur von Einspritzmengenfehlern aufgrund von Alterungserscheinungen möglich.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
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So sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens vor, den Basiskorrekturwert einem zuvor bestimmten Referenzkennfeld zu entnehmen und mit einem die Anpassung an den Betriebspunkt kennzeichnenden Skalierungsfaktor zu multiplizieren. In dem Basiskennfeld liegen dabei Referenzkurven, die bei der Gruppierung in Druckstufen zu jedem Druck ermittelt und abgelegt wurden. Aus diesem Kennfeld errechnet sich ein Basiskorrekturwert, der dann mit dem Skalierungsfaktor multipliziert wird. Der Skalierungsfaktor wird dabei bevorzugt ebenfalls einem zuvor bestimmten Skalierungskennfeld entnommen. Dieses Skalierungskennfeld enthält Faktoren zur optimierten Anpassung der Referenzkurve an den jeweiligen Messpunkt, das heißt an den jeweiligen Betriebspunkt.
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Alternativ kann zur Reduzierung des Speicherplatzbedarfs der Kennfelder der Basiskorrekturwert einschließlich der Information über den Skalierungsfaktor durch einen modellbasierten Ansatz, d.h. ein geeignetes Modell auf Basis mehrerer überlagerter exponentiell gedämpfter Sinusschwingungen und eines Funktionsterms zur Beschreibung der nichthydraulischen Schwingungsanteile bestimmt werden.
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Sowohl das Referenzkennfeld als auch das Skalierungskennfeld oder der modellbasierte Ansatz werden auf der Basis wenigstens folgender Größen bestimmt: die bei einer ersten Einspritzung eingespritzte Menge, der Raildruck, die Zeitdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Einspritzung und die Einspritzmenge der Nacheinspritzung.
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Der mechanische Einflüsse des Injektors berücksichtigende injektorspezifische Korrekturwert wird vorteilhafterweise bei der Herstellung des Injektors jeweils betriebspunktabhängig ermittelt und in einem dem Injektor zugeordneten Datenträger gespeichert. Dieser injektorspezifische Korrekturwert berücksichtigt beispielsweise mechanische Parameter.
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Hierdurch können gegenüber dem Stand der Technik injektorspezifische und damit auch zylinderselektive Korrekturen vorgenommen werden. Dies ist vor allem bei kurzen Zeitabständen zwischen zwei Teileinspritzungen hilfreich. Der Datenträger, auf dem die injektorspezifischen Korrekturwerte gespeichert sind, ist beispielsweise ein dem Injektor zugeordneter Data-Matrix-Code, wie er zum Beispiel bei der Vornahme eines so genannten Injektor-Mengen-Abgleich-Verfahrens (IMA) beim Einbau des Injektors dem Motorsteuergerät „mitgeteilt“ wird.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, einzelne Einspritzmuster der Brennkraftmaschine „anzufahren“ und einzulernen. Diese Werte bilden die injektorspezifischen Korrekturwerte. Durch sie ist eine Korrektur auch über die Lebensdauer der Injektoren möglich.
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Das Verfahren kann als Computerprogramm realisiert sein und auf einem Computerprogrammprodukt, beispielsweise auf einem maschinenlesbaren Datenträger gespeichert sein. Auf diese Weise kann es in bestehende Steuereinrichtungen für Brennkraftmaschinen „eingelesen“ werden und so gewissermaßen auch „nachgerüstet“ werden.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Common-Rail-Einspritzsystems;
- 2a schematisch ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2b schematisch ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 3 schematisch die eingespritzte Menge über der Zeitdifferenz zweier benachbarter Einspritzungen jeweils mit und ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 sind für das Verständnis der Erfindung erforderliche Bauteile eines Hochdruck-basierten Kraftstoffeinspritzsystems am Beispiel eines Common-Rail-Systems dargestellt. Mit 100 ist ein Kraftstoffvorratsbehälter bezeichnet. Der Kraftstoffvorratsbehälter 100 steht zur Förderung von Kraftstoff über einen ersten Filter 105 sowie eine Vorförderpumpe 110 mit einem zweiten Filter 115 in Verbindung. Vom zweiten Filter 115 aus gelangt der Kraftstoff über eine Leitung zu einer Hochdruckpumpe 125. Die Verbindungsleitung zwischen dem zweiten Filter 115 und der Hochdruckpumpe 125 steht ferner über eine ein Niederdruckbegrenzungsventil 145 aufweisende Verbindungsleitung mit dem Vorratsbehälter 100 in Verbindung. Die Hochdruckpumpe 125 steht mit einem Rail 130 in Verbindung. Das Rail 130 wird auch als (Hochdruck-)Speicher bezeichnet und steht wiederum über Kraftstoffleitungen mit verschiedenen Injektoren 131 in druckleitender Verbindung. Über ein Druckablassventil 135 ist das Rail 130 mit dem Kraftstoffvorratsbehälter 100 verbindbar. Das Druckablassventil 135 ist mittels einer Spule 136 steuerbar.
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Die Leitungen zwischen dem Ausgang der Hochdruckpumpe 125 und dem Eingang des Druckablassventils 135 werden als „Hochdruckbereich“ bezeichnet. In diesem Bereich steht der Kraftstoff unter hohem Druck. Der Druck im Hochdruckbereich wird mittels eines Sensors 140 erfasst. Die Leitung zwischen dem Kraftstoffvorratsbehälter 100 und der Hochdruckpumpe 125 werden hingegen als „Niederdruckbereich“ bezeichnet.
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Eine Steuerung 160 beaufschlagt die Hochdruckpumpe 125 mit einem Ansteuersignal AP, die Injektoren 131 jeweils mit einem Ansteuersignal A und/oder das Druckablassventil 135 mit einem Ansteuersignal AV. Die Steuerung 160 verarbeitet verschiedene Signale unterschiedlicher Sensoren 165, die den Betriebszustand der (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine und/oder des Kraftfahrzeuges, welches von dieser Brennkraftmaschine angetrieben wird, charakterisieren. Ein solcher Betriebszustand ist beispielsweise die Drehzahl N der Brennkraftmaschine.
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Das in 1 gezeigte Einspritzsystem arbeitet wie folgt: Der Kraftstoff, der sich im Kraftstoffvorratsbehälter 100 befindet, wird mittels der Vorförderpumpe 110 durch den ersten Filter 105 und den zweiten Filter 115 hindurch gefördert. Steigt der Druck im genannten Niederdruckbereich auf unzulässig hohe Werte an, so öffnet das Niederdruckbegrenzungsventil 145 und gibt die Verbindung zwischen dem Ausgang der Vorförderpumpe 110 und dem Vorratsbehälter 100 frei. Die Hochdruckpumpe 125 fördert die Kraftstoffmenge Q1 vom Niederdruckbereich in den Hochdruckbereich. Die Hochdruckpumpe 125 baut dabei im Rail 130 einen sehr hohen Druck auf. Üblicherweise werden bei Einspritzsystemen für fremdgezündete Brennkraftmaschinen maximale Druckwerte von etwa 30 bis 100 bar und bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen (Diesel-Brennkraftmaschinen) maximale Druckwerte von etwa 1000 bis 2000 bar erzielt. Mittels der Injektoren 131 kann der Kraftstoff damit unter hohem Druck den einzelnen Verbrennungsräumen (Zylindern) der Brennkraftmaschine zugemessen werden.
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Mittels des Sensors 140 wird der Druck P im Rail bzw. im gesamten Hochdruckbereich erfasst. Mittels der steuerbaren Hochdruckpumpe 125 und/oder des Druckablassventils 135 wird der Druck im Hochdruckbereich geregelt.
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Als Vorförderpumpe 110 werden üblicherweise Elektrokraftstoffpumpen eingesetzt. Für höhere Fördermengen, die insbesondere bei Nutzkraftfahrzeugen erforderlich sind, können auch mehrere parallelgeschaltete Vorförderpumpen eingesetzt werden.
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Einspritzungen bei derartigen Brennkraftmaschinen werden während eines Zumesszyklus in mehrere Teileinspritzungen aufgeteilt. In der Regel sind wenigstens eine oder zwei Voreinspritzungen, eine Haupteinspritzung und wenigstens eine Nacheinspritzung vorgesehen. Die Abstände der einzelnen Teileinspritzungen sind variabel applizierbar, sie können abhängig von dem System fest vorgegeben oder aber abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine vorgegeben werden.
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Jede Einspritzung bei derartigen Mehrfacheinspritzungen löst im Leitungssystem des Common-Rail-Hochdruckkreises Schwingungen, sogenannte Druckwellen, aus. Diese Druckwellen beeinflussen in systematischer Weise die Mengen nachfolgender Einspritzungen. Die über dem Zeitabstand einzelner Teileinspritzungen wellenförmig veränderte Einspritzmenge ist schematisch in 3 anhand der Kurve 310 dargestellt. Eine solche nachfolgend kurz als „Mengenwelle“ bezeichnete Störung wird durch an sich bekannte Verfahren zur Druckwellenkorrektur in einer Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine, insbesondere im Motorsteuergerät kompensiert. Aus prinzipiellen Gründen erreicht eine solche Kompensation jedoch nur eine endliche Korrekturgüte. Den Mengenwellen werden neben höherfrequenten Schwingungen auch durch mechanische Einflüsse, beispielsweise durch ein Ankerprellen bei Common-Rail-Injektoren, hervorgerufene Störungen überlagert. Diese können aus prinzipiellen Gründen durch an sich bekannte Druckwellenkorrektur-Verfahren nicht kompensiert werden und bleiben als nachfolgend so bezeichnete „Restmengenwelle“ übrig. Es verbleibt demnach eine Abweichung der Istmenge vom Sollwert in Form dieser Restmengenwellen. Grundidee der Erfindung ist es nun, auch diese Restmengenwellen zu kompensieren und damit die Messgenauigkeit weiter zu verbessern.
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Um derartige Restmengenwellen ebenfalls zu kompensieren und so die Zugmessgenauigkeit bei Mehrfacheinspritzungen weiter zu verbessern, wird bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen und in Verbindung mit 2a schematisch erläuterten Verfahrens zunächst in einem ersten Schritt 210, der als Basiskorrektur bezeichnet werden kann, aus den Eingangsgrößen eingespritzte Menge qRoh, Raildruck pRail, Zeitdifferenz zwischen zwei benachbarten Einspritzungen tdiff und beeinflusste nachfolgende Teileinspritzmenge qE2 eine Basiskorrektur dahingehend vorgenommen, dass zunächst aus den in einem Basiskennfeld 211 gespeicherten Referenzkurven, die zuvor bei einer Gruppierung in Druckstufen zu jedem Druck ermittelt, insbesondere berechnet, und gespeichert wurden, ein Basiskorrekturwert ermittelt oder berechnet wird, der anschließend in einem Schritt 215 mit einem Skalierungsfaktor, der einem Skalierungskennfeld 214 entnommen wird, multipliziert wird. Das Skalierungskennfeld 214 enthält Faktoren zur optimierten Anpassung der Referenzkurve des Basiskennfelds 211 an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, also an den aktuellen Messpunkt.
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Eine alternative Ausgestaltung des Verfahrens wird nachfolgend in Verbindung mit 2b beschrieben, in der gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind wie in 2a, auf deren Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Alternativ zu der vorbeschriebenen Bestimmung der Basiskorrektur mittels des Basiskennfelds 211 und der Skalierung mittels des Skalierungskennfelds 214 kann die Basiskorrektur auch durch ein mathematisches Modell, in 2b durch eine Funktion 212: q = f(x) auf Basis mehrerer überlagerter exponentiell gedämpfter Sinusschwingungen und einem Funktionsterm zur Beschreibung der nichthydraulischen Schwingungsanteile ausgeführt werden. Dieses mathematische Modell beschreibt das Basiskennfeld 211, das Skalierungskennfeld 214 und den Schritt 215 analytisch.
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Anschließend erfolgen in den Schritten 223, 233 zwei Additionen von nachfolgend erläuterten Größen qm und qL zu dem so ermittelten Korrekturwert. Eine erste Addition 223 berücksichtigt den überlagerten injektorspezifischen mechanischen Anteil. Dieser Anteil qm wird in einem Schritt 220 bestimmt und basiert auf injektorspezifischen Parametern, die beispielsweise in einen dem Injektor zugeordneten Data-Matrix-Code 221 abgelegt sind und beim Injektoreinbau einem Motorsteuergerät mitgeteilt werden. „Mitgeteilt“ bedeutet dabei so viel wie Berücksichtigung der entsprechenden Daten.
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Eine weitere Addition 233 berücksichtigt Lempunkte während des Betriebs der Brennkraftmaschine. Auch diese Werte sind injektorindividuell, sie werden beispielsweise dadurch bestimmt, dass Lernpunkte während des Betriebs der Brennkraftmaschine „angefahren“ werden. Der Korrekturwert qL wird in einem Schritt 230 berechnet. Der Vorteil dieser Berücksichtigung liegt darin, dass eine bessere Anpassung zwischen Messung und Fahrbetrieb hierdurch realisiert werden kann und dass insbesondere eine Berücksichtigung während des Betriebs der Brennkraftmaschine, also über deren Lebenszeit hierdurch realisierbar ist. Dies ermöglicht eine Kompensation von durch Alterungseffekte beispielsweise der Injektoren hervorgerufenen Fehlern.
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Das Ergebnis dieser Berechnung ist eine korrigierte Einspritzmenge qkorr. In 3 ist schematisch anhand der Kurve 320 ein Beispiel einer auf diese Weise erzeugten Korrektur eines Signals 310 dargestellt. Wie dieser Fig. zu entnehmen ist, ist die Restmengenwelle weitestgehend kompensiert, die positiven wie negativen Mengenabweichungen sind deutlich reduziert.
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Das vorstehend beschriebene Verfahren kann beispielsweise als Computerprogramm auf einem Rechengerät, insbesondere einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine implementiert sein und dort ablaufen. Der Programmcode kann auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein, den das Steuergerät lesen kann. Auf diese Weise ist das Verfahren auch bei bestehenden Steuergeräten gewissermaßen „nachrüstbar“.
