DE102010018467B4

DE102010018467B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010018467B4
Application number: DE102010018467A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kraft; Tobias Ritsch; Sandra Mueller; Wolfgang Stapf; Hans Riepl
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: DE102010018467A1; WO2011134853A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-Einspritzsystem und einer Stop & Start-Funktionalität, das die folgenden Schritte aufweist:
Definiertes Setzen eines Einspritztestpulses während nahezu konstantem Raildruck;
Bestimmen des hieraus resultierenden Druckabfalles (Δp) im Rail bzw. im gesamten hydraulischen Hochdruckvolumen;
Ermitteln des spezifischen E-Moduls des zum Betreiben der Brennkraftmaschine verwendeten Kraftstoffes aus dem bestimmten Druckabfall (Δp), dem gesamten hydraulischen Hochdruckvolumen (V) des Einspritzsystems und der Volumenentnahme (ΔV) aus dem Hochdruckvolumen;
Bestimmen des voraussichtlichen Druckaufbauwertes des Einspritzsystems während der Startphase der Brennkraftmaschine aus dem ermittelten E-Modul, dem gesamten hydraulischen Hochdruckvolumen (V) und der Förderleistung der Hochdruckpumpe des Einspritzsystems; und
Verwenden des bestimmten voraussichtlichen Druckaufbauwertes zur Steuerung der Stop & Start-Funktionalität.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-Einspritzsystem und einer Stop & Start-Funktionalität sowie eine Brennkraftmaschine.
Aufgrund der immer wichtiger werdenden CO₂-Anforderungen wird seitens der Automobilhersteller versucht, in allen Bereichen den CO₂-Ausstoß zu verringern. Hierzu wurde auch die sogenannte Stop & Start-Strategie entwickelt. Diese bewirkt, dass der Motor beispielsweise abgeschaltet wird, wenn man an einer Ampel halten muss. Sobald z. B. das Gaspedal wieder aktiviert wird, um weiterzufahren, springt automatisch der Motor wieder an. Hierbei ist es wichtig, dass die Zeit zwischen Aktivierung und Motorstart so kurz wie moglich und auch reproduzierbar (gleichbleibend) ist. Wahrend noch bei EURO5-Anwendungen gefordert wurde, die Einspritzfreigabe zum 3 Motor-OT zu erreichen, wird nun bei EURO6-Anwendungen die Einspritzfreigabe zum 2 Motor-OT gefordert. Im schlimmsten Fall bedeutet dies fur einen 4-Zylinder-Motor einen Kurbelwinkel von z. B. 215° (nominal Motorstoppposition 90° BTDC (unterer Totpunkt) +50° Toleranz, worst case Stoppposition entspricht 220° Kurbelwelle minus 5° Kurbelwelle fur die erste Voreinspritzung).
Beim Einsatz einer derartigen Stop & Start-Strategie bei einer mit einem Einspritzsystem versehenen Brennkraftmaschine, insbesondere bei Einspritzsystemen mit leckagebehafteten Injektoren, ist der Druckaufbau im Einspritzsystem von entscheidender Bedeutung. Mit einem reproduzierbaren, d. h. gleichbleibenden Druckaufbau kann eine gleichbleibende Zeitdauer bis zum Erreichen des Einspritzfreigabedrucks und damit dem Starten bzw. Wiederstarten des Motors erreicht werden.
In Dokument DE 10 2006 000 167 A1 wird beispielsweise eine Startsteuerungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit zylinderinterner Einspritzung beschrieben. Die Brennkraftmaschine weist ein so genanntes ”common rail” Einspritzsystem auf mit einer Hochdruckpumpe fur Brennstoff und einer Zufuhrungsleitung mit angeschlossenen Einspritzventilen. Beim Start der Brennkraftmaschine wird die durch den ersten Hub der Hochdruckpumpe hervorgerufene Druckerhöhung im rail bestimmt. Aus dieser Druckerhohung wird ein voraussichtlicher Druckaufbauwert wahrend des Startvorgangs bestimmt.
Dokument US 2009/0314255 A1 offenbart ebenfalls eine Brennkraftmaschine mit Steuerung des Stopp/Start Vorgangs. Die Brennkraftmaschine weist ein Hochdruckeinspritzsystem mit einer Hochdruckpumpe, einer Zufuhrleitung und Einspritzdüsen auf. Es ist vorgesehen, den Stopp/Start Vorgang in Abhängigkeit eines voraussichtlichen Druckaufbauwertes wahrend einer Stopp-Phase zu steuern, um den Druck wahrend des Stillstandes der Brennkraftmaschine nicht durch einen zu erwartenden Temperaturanstieg uber ein kritisches Maß ansteigen zu lassen.
Auch in dem Dokument DE 10 2005 001 922 A1 wird eine Kraftstoffzufuhreinrichtung fur einen Verbrennungsmotor beschrieben. Im darin dargestellten Stand der Technik wird eine Methode beschrieben, mit welcher der Druck im Einspritzsystem des Verbrennungsmotors wahrend der Startphase in Abhangigkeit vom Elastizitatsmodul des Brennstoffs, des Hochdruckvolumens und der Forderleistung der Hochdruckpumpe geschätzt werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine zu schaffen, mit denen die Stop & Start-Funktionalitat der Brennkraftmaschine optimiert werden kann, insbesondere in Bezug auf eine reproduzierbare (gleichbleibende) Zeit zwischen Aktivierung und Wiederstart des Motors.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-Einspritzsystem und einer Stop & Start-Funktionalität gelöst, das die folgenden Schritte aufweist:
Definiertes Setzen eines Einspritztestpulses wahrend nahezu konstantem Raildruck;
Bestimmen des hieraus resultierenden Druckabfalles (Δp) im Rail bzw. im gesamten hydraulischen Hochdruckvolumen (V);
Ermitteln des spezifischen E-Moduls des zum Betreiben der Brennkraftmaschine verwendeten Kraftstoffes aus dem bestimmten Druckabfall (Δp), dem gesamten hydraulischen Hochdruckvolumen (V) des Einspritzsystems und der Volumenentnahme (ΔV) aus dem Hochdruckvolumen;
Bestimmen des voraussichtlichen Druckaufbauwertes des Einspritzsystems wahrend der Startphase der Brennkraftmaschine aus dem ermittelten E-Modul, dem gesamten hydraulischen Hochdruckvolumen (V) und der Forderleistung der Hochdruckpumpe des Einspritzsystems; und
Verwenden des bestimmten voraussichtlichen Druckaufbauwertes zur Steuerung der Stop & Start-Funktionalität.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der voraussichtliche Druckaufbauwert des Einspritzsystems ermittelt. Dieser voraussichtliche Druckaufbauwert spielt eine wesentliche Rolle für die eingesetzte Stop & Start-Funktionalität, wie vorstehend ausgeführt, und kann zur Steuerung, Einstellung bzw. Optimierung derselben benutzt werden. Insbesondere kann damit eine reproduzierbare (gleichbleibende) Zeitdauer bis zum Erreichen des Einspritzfreigabedrucks und damit dem Starten bzw. Wiederstarten des Motors erzielt werden. Wenn ein nicht ausreichender voraussichtlicher Druckaufbauwert ermittelt wird, kann beispielsweise die Stop & Start-Funktion deaktiviert werden, um unterschiedlich lange Startzeiten zu vermeiden. Insbesondere kann eine Deaktivierung der Stop & Start-Funktion stattfinden, wenn ein nicht ausreichender voraussichtlicher Druckaufbauwert zum Erreichen des zweiten Motor-OT ermittelt wird.
Der Druckaufbau in einem Einspritzsystem mit Common-Rail ist u. a. vom Fördervolumen der Hochdruckpumpe des Einspritzsystems, der Größe des gesamten hydraulischen Hochdruckvolumens desselben, der Leckage der verwendeten Injektoren, der Kraftstofftemperatur und dem verwendeten Kraftstoff und damit von dessen E-Modul abhängig. Physikalisch kann dies durch die Formel Δp = E·ΔV/V erfasst werden. Damit wird deutlich, dass der Druckaufbau im System entscheidend vom E-Modul (Elastizitätsmodul) des verwendeten Kraftstoffes abhängig ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nunmehr über eine Bestimmung des E-Moduls des verwendeten Kraftstoffes für das jeweils verwendete System der voraussichtliche Druckaufbauwert ermittelt. Dabei wird auf definierte Weise ein Einspritztestpuls während nahezu konstantem Raildruck gesetzt. Dies geschieht während einer Nichtförderung der Hochdruckpumpe des Einspritzsystems. „Nahezu konstant” bedeutet hier, dass der Raildruck aufgrund der auftretenden Dauerleckage des Systems nicht ganz konstant ist. Über die gezielte Auswertung von solchen Druckpulsen kann der E-Modul des Kraftstoffes ermittelt werden. Wenn ein solcher Testpuls während eines nahezu konstanten Raildruckes (während Nichtförderung der Hochdruckpumpe des Einspritzsystems) gesetzt wird, kommt es zu einem Druckabfall im Rail. Dieser Druckabfall wird ermittelt (über den Raildrucksensor). Über die Beziehung Δp = E·ΔV/V wird dann der E-Modul bestimmt. Das gesamte hydraulische Hochdruckvolumen (V) des Einspritzsystems ist bekannt. Über die Ansteuerzeit des Injektors und das entsprechend für den Injektor vorhandene Ti-Map kann auch die Volumenentnahme (ΔV) aus dem Hochdruckvolumen bestimmt werden. Das Ti-Map gibt an, welche Mengen an Kraftstoff abhängig von Druck, Temperatur und Ansteuerzeit eingespritzt und damit dem gesamten hydraulischen Hochdruckvolumen entnommen werden.
Aus dem auf diese Weise ermittelten spezifischen E-Modul, dem gesamten hydraulischen Hochdruckvolumen (V) und der Förderleistung der verwendeten Hochdruckpumpe kann ebenfalls über die Beziehung Δp = E·ΔV/V der voraussichtliche Druckaufbauwert ermittelt (berechnet) werden, insbesondere für einen Kurbelwinkel von 215° bei einem Vierzylindermotor. ΔV (Volumenänderung im gesamten hydraulischen Hochdrucksystem) ist hierbei abhängig von der Pumpenförderleistung (es findet noch keine Einspritzung statt).
Erfindungsgemäß wird die Stop & Start-Funktionalität vorzugsweise dahingehend optimiert, dass sie deaktiviert wird, wenn ein für den Wiederstart nicht ausreichender voraussichtlicher Druckaufbauwert ermittelt wird, insbesondere dann, wenn ein nicht ausreichender Druckaufbauwert fur den zweiten Motor-OT ermittelt wird. Auf diese Weise konnen unterschiedlich lange Startzeiten vermieden werden. Generell kann eine Deaktivierung der Stop & Start-Funktion bei niedrigem E-Modul des Kraftstoffes bzw. niedrigem voraussichtlichen Druckaufbauwert erfolgen, um gleichbleibende Startbedingungen sicherstellen zu konnen.
Das erfindungsgemäß Verfahren kann insbesondere für leckagebehaftete, aber auch leckagefreie Injektoren verwendet werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-Einspritzsystem mit einer Hochdruckpumpe und einer Stop & Start-Funktionalität sowie einer Steuerung für diese Systeme, wobei die Steuerung zur Durchführung eines Verfahrens der vorstehend beschriebenen Art ausgebildet ist. Das Einspritzsystem der Brennkraftmaschine ist so ausgebildet, dass ein Einspritztestpuls wahrend konstantem Raildruck auf definierte Weise gesetzt werden kann. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 ein Diagramm Kurbelwinkel-Druck, das den beispielhaften Druckaufbau eines Einspritzsystems in der Startphase zeigt;
2 ein Diagramm, in dem der Raildruck und die Injektorspannung dargestellt sind, wobei der Abfall des Raildrucks durch einen Testpuls gezeigt ist;
3 ein Beispiel eines Ti-Maps für einen Injektortyp bei definierter Temperatur;
4 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens; und
5 den schematischen Aufbau einer Brennkraftmaschine.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der voraussichtliche Druckaufbauwert im Einspritzsystem während der Startphase einer Brennkraftmaschine aus dem E-Modul des Kraftstoffes und der Förderleistung der Hochdruckpumpe des Einspritzsystems ermittelt. 1 zeigt einen solchen beispielhaften Druckaufbau. Bei einem Kurbelwinkel von z. B. 215° wird im System ein Druck von z. B. 82,3 bar erreicht. Wenn der erfindungsgemäß ermittelte voraussichtliche Druckaufbauwert unter dem notwendigen Einspritzfreigabedruck der Injektoren liegt, erfolgt eine Deaktivierung der Stop & Start-Funktion, um gleichbleibende Startbedingungen sicherstellen zu können.
Zur Bestimmung des voraussichtlichen Druckaufbauwertes des Systems wird der spezifische E-Modul des zum Betreiben der Brennkraftmaschine verwendeten Kraftstoffes ermittelt. Dieser wird aus dem Druckabfall Δp im Rail berechnet, welcher aus einem definierten Einspritztestpuls während nahezu konstantem Raildruck resultiert.
2 zeigt die Auswirkung eines Einspritztestpulses auf den Druckabfall Δp im Rail. Über die Beziehung Δp = E·ΔV/V wird dann der E-Modul berechnet. Δp wird hierbei, wie vorstehend ausgeführt, durch gezielte Auswertung von derartigen Einspritztestimpulsen (Messung über den Raildrucksensor) gewonnen. Das gesamte hydraulische Hochdruckvolumen (V) des Einspritzsystems ist bekannt. ΔV, d. h. die Volumenentnahme aus dem Hochdruckvolumen durch die durchgeführte Einspritzung, wird aus der Ansteuerzeit des Injektors und dem Ti-Map für den Injektor gewonnen. Dieser Wert ΔV kann um die bekannten Beträge der Dauerleckage und der Schaltleckage der Injektoren für die jeweiligen Betriebszustände korrigiert werden. Zur Bestimmung der Volumenentnahme aus dem gesamten hydraulischen Hochdruckvolumen wird das für den jeweiligen Raildruck und die Kraftstofftemperatur im Rail gültige Ti-Map genutzt. Zur Bestimmung der Kraftstofftemperatur im Rail wird das TFU-Modell der ECU genutzt. Das sogenannte TFU-Modell berechnet durch verschiedene Temperatursensoren, z. B. Zulauf, Kühlwasser etc., betriebspunktabhängig, d. h. in Abhängigkeit von z. B. Raildruck etc., die Temperatur im Rail bzw. im gesamten hydraulischen Hochdruckvolumen.
3 zeigt einen Ti-Map für einen Injektortyp bei definierter Temperatur (Einspritzmenge in Abhängigkeit vom Raildruck) für elf verschiedene Ansteuerzeiten ti in ms.
Nach Berechnung des E-Moduls in der vorstehend beschriebenen Weise wird ebenfalls über die Beziehung Δp = E·ΔV/V und die Förderleistung der verwendeten Hochdruckpumpe des Einspritzsystems sowie den Wert V der voraussichtliche Druckaufbauwert nach einem Kurbelwinkel von z. B. 215° vorausberechnet. Liegt der berechnete voraussichtliche Druckaufbauwert unter dem Einspritzfreigabedruck der Injektoren, erfolgt eine Deaktivierung der Stop & Start-Funktion, um auf diese Weise gleichbleibende Startbedingungen sicherstellen zu können.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm des durchgeführten Verfahrens. In einem ersten Schritt wird ein Testpuls gesetzt. In einem zweiten Schritt folgt die Berechnung des E-Moduls über den Druckabfall Δp. In einem weiteren Schritt wird dann der voraussichtliche Druckaufbauwert berechnet. Liegt der berechnete voraussichtliche Druckaufbauwert über dem Einspritzfreigabedruck des Injektors, erfolgt eine Aktivierung der Stop & Start-Funktion. Liegt der voraussichtliche Druckaufbauwert unter dem Einspritzfreigabedruck des Injektors, wird die Stop & Start-Funktion deaktiviert.
5 zeigt den schematischen Aufbau einer Brennkraftmaschine, bei der das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung findet. Die Brennkraftmaschine besitzt einen Motorblock 2 mit einem Zylinderkopf 3, einen Abgastrakt 4 und ein Saugrohr 7. Im Motorblock 2 befindet sich ein Brennraum 9 mit einem darin angeordneten Kolben 11, der über eine Pleuelstange 10 mit einer Kurbelwelle 8 verbunden ist. Ferner sind ein Einlassventil 12, ein Auslassventil 13 und ein Kraftstoffeinspritzventil 18 dargestellt. Im Abgastrakt 4 befinden sich ein Katalysator 23 und eine Abgassonde 38. Der Kurbelwelle 8 ist ein Kurbelwellenwinkelsensor 36 zugeordnet.
Die Brennkraftmaschine besitzt ferner ein Einspritzsystem, zu dem der vorstehend erwähnte Injektor 39 mit Kraftstoffeinspritzventil 18 gehört. Das Einspritzsystem besitzt ein Common-Rail 5, von dem eine Hochdruckkraftstoffleitung 27 zum Injektor 39 führt. Der Common-Rail 5 wird aus einem Kraftstofftank 24 über eine Niederdruckkraftstoffleitung 30, ein Volumenstromregelventil 21, eine Hochdruckpumpe 6 und ein Druckregelventil 20 mit Kraftstoff versorgt. Über einen Raildrucksensor 26 wird der im Common-Rail herrschende Druck gemessen. Über eine Leckageleitung 40 wird Kraftstoff vom Injektor 39 und dem Druckregelventil 20 zum Kraftstofftank 24 zurückgeführt.
Die Brennkraftmaschine weist ferner eine Steuervorrichtung 25 auf, die die Funktionsweise des Einspritzsystems in Abhängigkeit von diversen Signaleingängen 28, beispielsweise vom Raildrucksensor 26, steuert. Dabei steuert die Steuervorrichtung 25 über Signalausgänge 29 das Volumenstromregelventil 21, die Hochdruckpumpe 6, das Druckregelventil 20 und den Injektor 39 an. Die Steuervorrichtung 25 ist ferner so ausgebildet, dass hiermit das im Ablaufdiagramm der 4 dargestellte Verfahren durchgeführt wird. Mit anderen Worten, die Steuervorrichtung 25 steuert den Injektor 39 so an, dass ein Testpuls gesetzt wird, und führt die Berechnung des E-Moduls über den Druckabfall sowie die Berechnung des vorläufigen Druckaufbauwertes durch. Ferner führt sie einen Vergleich des berechneten vorläufigen Druckaufbauwertes mit dem Einspritzfreigabedruck des Injektors durch und aktiviert bzw. deaktiviert die Stop & Start-Funktion der Brennkraftmaschine.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-Einspritzsystem und einer Stop & Start-Funktionalität, das die folgenden Schritte aufweist: Definiertes Setzen eines Einspritztestpulses während nahezu konstantem Raildruck; Bestimmen des hieraus resultierenden Druckabfalles (Δp) im Rail bzw. im gesamten hydraulischen Hochdruckvolumen; Ermitteln des spezifischen E-Moduls des zum Betreiben der Brennkraftmaschine verwendeten Kraftstoffes aus dem bestimmten Druckabfall (Δp), dem gesamten hydraulischen Hochdruckvolumen (V) des Einspritzsystems und der Volumenentnahme (ΔV) aus dem Hochdruckvolumen; Bestimmen des voraussichtlichen Druckaufbauwertes des Einspritzsystems während der Startphase der Brennkraftmaschine aus dem ermittelten E-Modul, dem gesamten hydraulischen Hochdruckvolumen (V) und der Förderleistung der Hochdruckpumpe des Einspritzsystems; und Verwenden des bestimmten voraussichtlichen Druckaufbauwertes zur Steuerung der Stop & Start-Funktionalität.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stop & Start-Funktionalität deaktiviert wird, wenn ein für den Wiederstart nicht ausreichender voraussichtlicher Druckaufbauwert ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stop & Start-Funktionalität deaktiviert wird, wenn ein nicht ausreichender Druckaufbauwert für den zweiten Motor-OT ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit leckagebehafteten Injektoren verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Einstellen einer gleichbleibenden Zeitdauer bis zum Erreichen des Einspritzfreigabedrucks für den Wiederstart verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenentnahme (ΔV) aus dem Hochdruckvolumen aus dem für den speziellen Injektor vorhandenen Ti-Map ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der voraussichtliche Druckaufbauwert aus der Beziehung Δp = E·ΔV/V ermittelt wird.
Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-Einspritzsystem mit einer Hochdruckpumpe und einer Stop & Start-Funktionalität sowie einer Steuerung für dieses System, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.