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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem eine Kraftstoffzumessung in mindestens eine erste Teileinspritzung und einer auf die erste Teileinspritzung folgende zweite Teileinspritzung aufgeteilt ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
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Die Einhaltung von Schadstoffgrenzwerten ist eines der vorrangigen Ziele bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren. Fortschritte wurden hier mit Common-Rail-Einspritzsystemen erzielt, durch die ein entscheidender Beitrag zur Reduzierung von Schadstoffen erzielbar ist. Der Vorteil derartiger Common-Rail-Systeme liegt darin, dass sie unabhängig vom Einspritzdruck, von der Drehzahl und von der Last betrieben werden können. Um auch zukünftige Abgasgrenzwerte zu erreichen, ist bei Dieselmotoren eine Verbesserung der Gemischbildung erforderlich. Dies wird zum einen durch den Einsatz von sogenannten Abgasrückführungen (AGR) erreicht, mit denen erfolgreich einer Stickoxidbildung entgegengewirkt wird. Eine hohe Abgasrückführrate begünstigt jedoch andererseits die Bildung von Russ. Um dies zu verhindern, muss eine schnelle Durchmischung des Kraftstoff-Luftgemisches erfolgen, was bei aktuellen Common-Rail-Systemen unter anderem durch eine Erhöhung der Einspritzdrücke realisiert wird.
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Hohe Einspritzdrücke erfordern andererseits eine Ratenformung, die heute üblicherweise über mehrere Teileinspritzungen realisiert wird. Dabei sind variable Gestaltungen verschiedener Einspritzungen vorgesehen, wobei diese Teileinspritzungen bis auf einen hydraulischen Abstand von null aufeinanderfolgen.
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Solche nah aneinander angelagerten Mehrfacheinspritzungen, beispielsweise eine oder mehrere Voreinspritzungen, eine Haupteinspritzung und eine oder mehrere Nacheinspritzungen, erfordern zum einen sehr schnelle Ventilschaltzeiten, die mit heutigen druckausgeglichenen Magnetventilen oder aber mit Piezoventilen realisiert werden können. Zum anderen ist eine ”harte” Injektormechanik erforderlich, die ein schnelles Zurückstellen ermöglicht. Eine solche Injektormechanik weisen nun allerdings gerade insbesondere mit einer Niederdruckstufe ausgestattete, elektrisch ansteuerbare Injektoren mit Magnetventilen nicht auf. Vielmehr wird durch die Niederdruckstufe die Düsennadel bei hohen Raildrücken stark vorgespannt. Diese Vorspannung bewirkt gewisse Zeitverzögerungen sowohl beim Öffnen als auch beim Zurückstellen nach dem Spritzende. Wenn in diesem Falle eine zweite Teileinspritzung zeitlich so nah auf die vorhergehende Teileinspritzung folgt, dass der Injektor noch nicht zurückgestellt wurde, hat dies eine ungewollte und für das Emissionsverhalten des Motors nachteilige Mehrmenge aufgrund einer sogenannten Blockeinspritzung zur Folge.
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Ferner ist zu beachten, dass durch Mehrfacheinspritzungen die jeweils nachfolgende Einspritzung aufgrund der Druckwelle der vorherigen Einspritzung beeinflusst wird. Diese Druckwelle kann bei sehr kleinen Spritzabständen zu einer starken Erhöhung der Einspritzmenge führen. In heutigen Applikationen können nicht beliebig kleine Spritzabstände realisiert werden, da kein Verfahren vorhanden ist, das über die gesamte Lebensdauer der verwendeten Kraftstoffeinspritzventile kleine Spritzabstände robust gegenüber Injektorstreuungen-/driften darstellen kann beziehungsweise verhindert, dass eine Blockeinspritzung (Spritzabstand zu klein, keine Trennung der einzelnen Einspritzungen, die Gesamtmenge ist größer als die gewünschte Sollmenge der Einzeleinspritzungen) auftritt.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass kleine Spritzabstände zwischen aufeinander folgenden Teileinspritzungen robust über die gesamte Lebensdauer eines Kraftstoffeinspritzventils hinweg, insbesondere bei konstanter Einspritzmenge, sichergestellt werden können. Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die folgenden Schritte gelöst:
- – Einstellen einer Referenzbetriebsart, in der eine einen zeitlichen Abstand zwischen dem Ende der ersten Teileinspritzung und dem Beginn der zweiten Teileinspritzung charakterisierende Größe so gewählt wird, dass sie größer oder gleich einem vorgebbaren Mindestwert für die Referenzbetriebsart ist,
- – Ermitteln einer Referenzmenge, die eine in der Referenzbetriebsart tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge charakterisiert,
- – Einstellen einer von der Referenzbetriebsart verschiedenen Normalbetriebsart, in der die den zeitlichen Abstand zwischen dem Ende der ersten Teileinspritzung und dem Beginn der zweiten Teileinspritzung charakterisierende Größe so gewählt wird, dass sie kleiner als der vorgebbare Mindestwert für die Referenzbetriebsart ist, und dass sich eine in der Normalbetriebsart tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge einstellt, die gleich der Referenzmenge (Q_ref) ist oder um ein vorgebbares Maß (ΔQ) abweicht von der Referenzmenge (Q_ref).
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Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die Bestimmung eines Referenzbetriebspunkts in Form der Referenzbetriebsart, der durch den vorgebbaren Mindestwert für den Spritzabstand sowie die hierbei auftretende Referenzmenge gekennzeichnet ist, besonders vorteilhaft ist für einen Betrieb der Brennkraftmaschine in einer von der Referenzbetriebsart verschiedenen Normalbetriebsart, bei der geringere Spritzabstände als bei der Referenzbetriebsart verwendet werden. Ausgehend von dem Betriebspunkt der Referenzbetriebsart kann nämlich vorteilhaft die den zeitlichen Abstand zwischen dem Ende der ersten Teileinspritzung und dem Beginn der zweiten Teileinspritzung (Spritzabstand) charakterisierende Größe so gewählt werden, dass sie kleiner ist als der vorgebbare Mindestwert für die Referenzbetriebsart, und dass sich eine in der Normalbetriebsart tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge einstellt, die gleich der Referenzmenge (Q_ref) ist oder um ein vorgebbares Maß (ΔQ) abweicht von der Referenzmenge (Q_ref) Die Einstellung von kleineren Spritzabständen in der Normalbetriebsart gegenüber der Referenzbetriebsart ermöglicht vorteilhaft einen Betrieb der Brennkraftmaschine, bei dem geringere Geräusche, ein geringerer Kraftstoffverbrauch und geringere Emissionen realisiert werden können, als zum Beispiel in der Referenzbetriebsart. Darüber hinaus kann ausgehend von dem Betriebspunkt der Referenzbetriebsart präzise ein geeigneter Betriebspunkt für die Normalbetriebsart gewählt werden, der insbesondere auch sich zeitlich ändernden Eigenschaften des Injektors (Injektordrift, Alterung) Rechnung trägt. Beispielsweise kann ausgehend von dem Betriebspunkt der Referenzbetriebsart der Spritzabstand aufeinander folgender Teileinspritzungen, insbesondere schrittweise, so weit verringert werden, bis eine eingespritzte Kraftstoffmenge in der Normalbetriebsart gleich der Referenzmenge ist oder um ein vorgebbares von der Referenzmenge abweicht. Dadurch kann u. a. vorteilhaft vermieden werden, dass unerwünscht große Einspritzmengen, nämlich Einspritzmengen größer als die Referenzmenge auftreten, und gleichzeitig ist sichergestellt, dass in der Normalbetriebsart kleinere Spritzabstände als in der Referenzbetriebsart verwendet werden, was die vorstehend diskutierten Vorteile bedingt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht demnach das robuste Einlernen eines minimal applizierbaren Spritzabstands zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden Teileinspritzungen für die Normalbetriebsart ausgehend von dem Betriebspunkt der Referenzbetriebsart.
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Besonders vorteilhaft wird der Betriebspunkt für die Referenzbetriebsart, also der Spritzabstand zwischen den beiden Teileinspritzungen in der Referenzbetriebsart, so gewählt, dass er im Wesentlichen unabhängig von Drifteffekten des Injektors ist. Beispielsweise kann der Spritzabstand für die Referenzbetriebsart hinreichend groß, zum Beispiel größer als 1000 μs (Mikrosekunden), gewählt werden, wodurch bei gängigen Kraftstoffeinspritzsystemen in der Regel sichergestellt ist, dass auch unter dem Auftreten von Alterungseffekten kein unerwünschtes Zusammenlaufen von Teileinspritzungen in der Referenzbetriebsart, also eine Blockeinspritzung, stattfindet. Ausgehend von diesem Referenzpunkt und der sich hierbei einstellenden Referenzmenge kann in der nachfolgend eingestellten Normalbetriebsart der Spritzabstand verringert werden, wobei sich entsprechend ergebende Einspritzmengen der Normalbetriebsart ausgewertet werden. Der Spritzabstand kann beispielsweise so weit verringert werden, bis die Einspritzmenge in der Normalbetriebsart gleich der Referenzmenge ist, oder von dieser um ein vorgebbares, tolerierbares Maß, abweicht.
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Es versteht sich, dass die Referenzbetriebsart nicht andauernd, insbesondere nicht bei jedem Start der Brennkraftmaschine ausgeführt werden muss. Eine regelmäßige Ausführung in größeren Zeitabständen (z. B. entsprechend Wartungsintervallen der Brennkraftmaschine) kann einer Ausführungsform zufolge ausreichen, um einen für den Normalbetrieb geeigneten minimalen Spritzabstand einzulernen. Insoweit können die erfindungsgemäßen Schritte des Einstellens der Referenzbetriebsart und des Ermittelns der Referenzmenge einerseits und der weitere Schritt des Einstellens der Normalbetriebsart (zum Zwecke der Anwendung des minimalen Spritzabstands, wie er sich zumindest mittelbar aus den Ermittlungen der Referenzbetriebsart ergibt) entsprechend zeitlich auseinanderfallen. Unter Kenntnis einer z. B. bei einem Werkstattaufenthalt in der Referenzbetriebsart ermittelten Referenzmenge kann beispielsweise bis zu einem nächsten Werkstattaufenthalt ein Normalbetrieb eingestellt werden, dessen Betriebspunkt in Abhängigkeit der zuvor ermittelten Referenzmenge gewählt wird.
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Einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge kann das erfindungsgemäße Verfahren auch permanent oder zumindest in bestimmten Betriebspunkten der Brennkraftmaschine eingesetzt werden, so dass ständig aktuelle Werte für den minimalen Spritzabstand ermittelbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der vorgebbare Mindestwert für die Referenzbetriebsart, vorzugsweise zylinderindividuell, in Abhängigkeit eines Betriebspunkts der Brennkraftmaschine gewählt wird, wobei der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine insbesondere durch einen Kraftstoffdruck und/oder ein die Anzahl und Ansteuerdauer einzelner Teileinspritzung charakterisierendes Einspritzmuster gekennzeichnet ist.
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Das bedeutet, für unterschiedliche Betriebspunkte (Kraftstoffdruck, Einspritzmuster) der Brennkraftmaschine können jeweils unterschiedliche Parameter (Spritzabstand) vorgegeben sein, die unter Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips aus einer entsprechenden Referenzbetriebsart zu ermitteln sind.
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Eine besonders wenig aufwändige Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gegeben, dass die Referenzmenge und/oder die in der Normalbetriebsart tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit einer durch die Teileinspritzungen verursachten Änderung des Kraftstoffstoffdrucks ermittelt wird. Da diese Erfindungsvariante auf der Auswertung des Signals eines Raildrucksensors beruht, ist vorteilhaft keine zusätzliche Sensorik erforderlich, denn der Raildrucksensor kann serienmäßig bei allen Applikationen als vorhanden vorausgesetzt werden. Alternativ oder ergänzend zu der Betrachtung einzelner Teileinspritzungen kann auch nur ein aggregierter Druckeinbruch des Kraftstoffdrucks betrachtet werden, der auf mehrere oder alle Teileinspritzungen zurückgeht.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei dem Schritt des Einstellens der Normalbetriebsart die den zeitlichen Abstand zwischen dem Ende der ersten Teileinspritzung und dem Beginn der zweiten Teileinspritzung charakterisierende Größe, also die den Spritzabstand charakterisierende Größe, mittels eines Reglers so eingestellt wird, dass die in der Normalbetriebsart tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge gleich der Referenzmenge ist oder um ein vorgebbares Maß abweicht von der Referenzmenge. Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren prinzipiell auch ohne Anwendung eines Regelkreises durchführbar ist, ermöglicht die Verwendung eines Reglers eine besonders präzise Minimierung des Spritzabstandes beziehungsweise ein entsprechendes Einlernen des minimal möglichen Spritzabstandes, bei dem die Einspritzmenge in der Normalbetriebsart nicht mehr als um ein vorgebbares Maß von der Referenzmenge abweicht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass als den zeitlichen Abstand zwischen dem Ende der ersten Teileinspritzung und dem Beginn der zweiten Teileinspritzung charakterisierende Größe mindestens ein Ansteuerbeginn und/oder eine Ansteuerdauer einer Teileinspritzung verwendet wird. Das bedeutet, die Einstellung eines gewünschten Spritzabstands zwischen aufeinander folgenden Teileinespritzungen kann unter anderem durch eine Ansteuerdauer einer entsprechenden Teileinspritzung beziehungsweise eines Ansteuerbeginns einer entsprechenden Teileinspritzung beeinflusst werden.
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Generell kann der Spritzabstand, das heißt die Zeitdifferenz zwischen dem Ende einer vorausgehenden Teileinspritzung und dem Beginn einer nachfolgenden Teileinspritzung, sowohl durch Modifikation einer Ansteuerdauer einer oder beider Teilspritzungen beeinflusst werden, sowie durch eine Ansteuerdauer, das heißt Länge, einzelner Teileinspritzungen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Spritzabstand auch gleichbleiben, und es wird die Ansteuerdauer der nachfolgenden Einspritzung angepasst, wodurch ebenfalls die Auswirkung eines kleinen Spritzabstands kompensiert werden kann.
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Ein besonders geringer Einfluss auf den Betriebsablauf der Brennkraftmaschine ergibt sich bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge dann, wenn das erfindungsgemäße Verfahren jeweils nur für einen Zylinder der Brennkraftmaschine gleichzeitig durchgeführt wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgehen, dass die Schritte des Einstellens der Referenzbetriebsart, des Ermittelns der Referenzmenge, und des Einstellens der Normalbetriebsart periodisch wiederholt werden, wodurch vorteilhaft ein differentielles Messprinzip hinsichtlich der Erfassung der Einspritzmengen umgesetzt wird, das i. w. unabhängig ist von zeitlichen Änderungen der Genauigkeit verwendeter Sensoren oder sonstiger Komponenten. Besonders bevorzugt wird bei der vorliegenden Ausführungsform also vor jedem Einstellen der Normalbetriebsart zunächst in die Referenzbetriebsart gewechselt, um eine definierte Ausgangsbasis für die nachfolgende Einstellung der Normalbetriebsart zu gewährleisten.
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Durch Injektordrift kommt es vor allem im Bereich kleiner Spritzabstände zu einer Phasenverschiebung der Mengenwelle. Es existieren bereits Funktionen, die eine gesteuerte Druck- bzw. Mengenwellenkorrektur ausführen. Eine alternative Ausführung der Erfindung kann auch darin bestehen, eine erfindungsgemäß ermittelte, auf den Spritzabstand wirkende Stellgröße nicht direkt anzuwenden, sondern einer bereits vorhandenen Funktion zur Verfügung zu stellen, die im übrigen eine gesteuerte Druck- bzw. Mengenwellenkorrektur ausführt.
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Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 8 angegeben.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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In der Zeichnung zeigt:
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1 ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2a schematisch ein erstes Einspritzmuster mit einer Voreinspritzung und einer Haupteinspritzung,
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2b schematisch ein weiteres Einspritzmuster mit einer Haupteinspritzung und einer Nacheinspritzung,
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3 einen Zusammenhang zwischen einer eingespritzten Kraftstoffmenge und einer Druckänderung in einem Kraftstoffdruckspeicher,
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4 schematisch eine Reglerstruktur einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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5a, 5b eine eingespritzte Kraftstoffmenge aufgetragen über einem Spritzabstand zwischen aufeinerfolgenden Teileinspritzungen, und
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6 schematisch einen Magnetventil-Injektor, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden kann.
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In 6 ist schematisch ein Magnetventil-Injektor 100 dargestellt, der elektrisch ansteuerbar ist. Der Injektor weist einen Kraftstoffrücklauf 101, eine Magnetspule 102, einen Magnetanker 103, eine Ventilkugel 104, einen Ventilsteuerraum 105, eine Druckschulter 106 der Düsennadel, ein Spritzloch 107, eine Ablaufdrossel 108 sowie einen Hochdruckanschluss 109, eine Zulaufdrossel 110 und einen Ventilkolben 111 auf. Der Ventilkolben 111 liegt auf der eigentlichen Düsennadel 112 auf. Die Funktionsweise eines solchen Magnetventil-Injektors 100 wird nachfolgend beschrieben.
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Der Kraftstoff wird vom Hochdruckanschluss 109 über einen Zulaufkanal zur Düsennadel 106 sowie über die Zulaufdrossel 110 in den Ventilsteuerraum 105 geführt. Der Ventilsteuerraum 105 ist über die Ablaufdrossel 108, die durch ein Magnetventil, gebildet aus Magnetspule 102, Magnetanker 103 und Ventilkugel 104, geöffnet werden kann, mit dem Kraftstoffrücklauf 101 verbunden.
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Im geschlossenen Zustand der Ablaufdrossel 108 überwiegt die hydraulische Kraft auf den Ventilkolben 111 gegenüber der Kraft auf die Druckschulter 106 der Düsennadel 112. Infolgedessen wird die Düsennadel 112 in ihren Sitz gepresst und schließt den Hochdruckkanal dicht zum Motorraum ab. Bei nichtlaufendem Motor und fehlendem Druck im Rail (nicht dargestellt) schließt die Düsenfeder den Injektor. Beim Ansteuern des Magnetventils wird die Ablaufdrossel 108 geöffnet. Die Zulaufdrossel 110 verhindert einen vollständigen Druckausgleich, so dass der Druck im Ventilsteuerraum 105 und damit die hydraulische Kraft auf den Ventilsteuerkolben 111 sinkt. Sobald die hydraulische Kraft jene auf die Druckschulter 106 der Düsennadel 112 unterschreitet, öffnet die Düsennadel 112. Der Kraftstoff gelangt nun durch die Spritzlöcher 107 in den Brennraum des Verbrennungsmotors (nicht dargestellt).
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Bei nicht mehr angesteuertem Magnetventil wird der Anker 103 durch die Kraft der Ventilfeder nach unten gedrückt. Die Ventilkugel 104 verschließt die Ablaufdrossel 108. Dadurch baut sich im Ventilsteuerraum über den Zufluss der Zulaufdrossel 110 wieder ein Druck wie im Rail auf. Dieser erhöhte Druck übt eine erhöhte Kraft auf den Steuerkolben 111 aus, so dass die Düsennadel 112 wieder schließt. Der Durchfluss der Zulaufdrossel 110 bestimmt die Schließgeschwindigkeit der Düsennadel 112.
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Diese indirekte Ansteuerung der Düsennadel 112 über ein hydraulisches Kraftverstärkersystem wird eingesetzt, weil die zu einem schnellen Öffnen der Düsennadel 112 benötigten Kräfte mit dem Magnetventil nicht erzeugt werden können. Die dabei zusätzlich zur eingespritzten Kraftstoffmenge benötigte Steuermenge gelangt über die Drosseln des Steuerraums 105 in den Kraftstoffrücklauf.
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Heutige Common-Rail-Systeme werden mit einem Druck von bis zu 2500 bar betrieben. Dabei werden zur Erzielung optimaler Abgasemissionswerte eine Mehrzahl von Voreinspritzungen, eine Haupteinspritzung und gegebenenfalls eine Mehrzahl von Nacheinspritzungen, die zusammen ein sogenanntes Einspritzmuster bilden, abgesetzt. Dabei ist es erforderlich, auch sehr nah aneinander angelagerte Teileinspritzungen vorzunehmen, die wiederum schnelle Ventilschaltzeiten erfordern, die allerdings mit dem vorbeschriebenen Magnetventil oder auch mit Piezoventilen nicht ohne Weiteres realisiert werden können. Die mechanische Rückstellzeit derartiger Ventile ist durch injektorspezifische Größen, wie Axialsteifigkeit der Düsennadel
112, Größe der Zulaufdrossel
110, Steifigkeit des Düsensitzes und dergleichen bestimmt. Ein typischer Injektor
100 weist den entscheidenden Nachteil auf, dass die Düsennadel
112 bei hohen Raildrücken stark vorgespannt ist. Diese Vorspannung bewirkt eine gewisse Zeitverzögerung sowohl beim Öffnen als auch beim Zurückstellen nach dem Spritzende. Wenn nun eine Einspritzung zeitlich so nah auf eine vorhergehende Einspritzung folgt, dass der Injektor noch nicht zurückgestellt wurde, hat dies eine ungewollte Mehrmenge zur Folge. Eine detaillierte Beschreibung dieses Effekts findet sich in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2008 043 166 A1 .
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2a zeigt schematisch ein über der Zeit bzw. dem Kurbelwellenwinkel KW aufgetragenes Einspritzmuster des Magnetventil-Injektors 100, bei dem als erste Teileinspritzung eine Voreinspritzung VE und eine nach der Voreinspritzung VE folgende zweite Teileinspritzung, nämlich eine Haupteinspritzung HE, durchgeführt wird. Die Voreinspritzung VE beginnt zu dem Zeitpunkt tVE0 und endet zu dem Zeitpunkt tVE1. Die Haupteinspritzung HE beginnt zu dem Zeitpunkt tHE0 und endet zu dem Zeitpunkt tHE1. Ein oberer Totpunkt OT eines betreffenden Zylinders der Brennkraftmaschine ist ebenfalls in 2a eingezeichnet. Wie aus 2a ersichtlich ist, weisen die Voreinspritzung VE und die Haupteinspritzung HE einen Spritzabstand t_diff = tHE0 – tVE1 auf.
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2b zeigt ein weiteres mögliches Einspritzmuster, das eine Haupteinspritzung HE und eine Nacheinspritzung NE beinhaltet. Generell sind eine Vielzahl von Einspritzmustern mittels des Injektors 100 aus 6 realisierbar, insbesondere auch mit mehr als zwei Teileinspritzungen, wobei für die Erläuterung der vorliegenden Erfindung eine Betrachtung von zwei benachbarten Teileinspritzungen VE, HE, z. B. gemäß 2a, ausreichend ist.
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Um sicher zu stellen, dass auch unter Einwirkung von Alterungs- beziehungsweise Drifteffekten ein Spritzabstand t_diff so gewählt werden kann, dass die Teileinspritzungen VE, HE beziehungsweise HE, NE nicht ineinander laufen, mithin zu einer unerwünschten Blockeinspritzung führen, welche in der Regel einen Fehler der eingespritzten Kraftstoffmenge, insbesondere eine zu große eingespritzte Kraftstoffmenge, hervorruft, wird das nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 erläuterte Verfahren durchgeführt.
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In einem ersten Schritt 200 wird eine Referenzbetriebsart eingestellt für den Injektor 100 (6), in der eine einen zeitlichen Abstand t_diff zwischen dem Ende tVE1 der ersten Teileinspritzung VE und dem Beginn tHE0 der zweiten Teileinspritzung HE charakterisierende Größe so gewählt wird, dass sie größer oder gleich einem vorgebbaren Mindestwert t_diff_ref für die Betriebsart ist.
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Bei diesem Spritzabstand t_diff_ref ergibt sich eine von dem aktuellen Erhaltungszustand des Injektors 100 im wesentlichen unabhängige Einspritzmenge Q_ref im Rahmen der beiden Teileinspritzungen VE, HE. Der Betriebspunkt des Injektors 100 in der Referenzbetriebsart ist mithin durch die Werte t_diff_ref, Q_ref gekennzeichnet, was in der 5a durch den Referenzbetriebspunkt R verdeutlicht ist.
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5a zeigt eine Einspritzmenge Q des Injektors 100 aufgetragen über dem Spritzabstand t_diff. Die Einspritzmenge Q gibt generell eine während des verwendeten Einspritzmusters (2a) tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge an. Die Darstellung gemäß 5a wird auch als sogenannte Mengenwelle M bezeichnet.
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Das starke Ansteigen der Einspritzmenge Q für sehr kleine Spritzabstände t_diff kann dadurch erklärt werden, dass die benachbarten Teileinspritzungen VE, HE ineinanderlaufen und eine Blockeinspritzung mit erhöhter Einspritzmenge bilden, was u. a. durch die vorstehend erläuterten Trägheitseffekte des Injektors 100 bedingt wird.
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Besonders vorteilhaft wird für die Referenzbetriebsart 200 (1) ein Spritzabstand t_diff_ref derart gewählt, dass sich der Referenzbetriebspunkt R in dem im wesentlichen horizontalen Bereich der Q-t_diff-Kurve befindet. Dadurch ist sichergestellt, dass geringe Abweichungen des Spritzabstands von dem Referenzspritzabstand t_diff_ref nicht bereits zu großen Abweichungen von der Referenzmenge Q_ref führen. Beispielsweise kann der Spritzabstand t_diff_ref für die Referenzbetriebsart hinreichend groß, zum Beispiel größer als 1000 μs (Mikrosekunden), gewählt werden, wodurch bei gängigen Kraftstoffeinspritzsystemen in der Regel sichergestellt ist, dass auch unter dem Auftreten von Alterungseffekten kein unerwünschtes Zusammenlaufen von Teileinspritzungen in der Referenzbetriebsart, also eine Blockeinspritzung, stattfindet. Der Referenzbetriebspunkt R ist demnach robust gegenüber Injektordriften. Es versteht sich, dass ein geeigneter Referenzbetriebspunkt R von vielen weiteren Parametern des Einspritzsystems bzw. des Injektors 100 abhängen kann und somit für ein betreffendes System individuell festgelegt werden muss.
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Nach der Ermittlung des Referenzbetriebspunkts R in der in Schritt 200 eingestellten Referenzbetriebsart, die das Ermitteln 210 der Referenzmenge Q_ref mit umfasst, wird in einem nachfolgenden Schritt 220 (1) eine von der Referenzbetriebsart verschiedene Normalbetriebsart eingestellt, in der der Spritzabstand t_diff (2a) zwischen der ersten Teileinspritzung VE und der Haupteinspritzung HE so gewählt wird, dass er kleiner ist als der vorgebbare Mindestwert t_diff_ref für die Referenzbetriebsart, beispielsweise einige hundert Mikrosekunden.
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Unter Bezugnahme auf die Mengenwelle M gemäß 5a bedeutet dies, dass ausgehend von dem Referenzbetriebspunkt R ein neuer Betriebspunkt, der mit der Normalbetriebsart korrespondiert, eingenommen wird, der sich in 5a links von dem Referenzbetriebspunkt R auf der Q-t_diff-Kurve befindet. Erfindungsgemäß wird in dem Schritt 220 der neue Spritzabstand t_diff_norm für die Normalbetriebsart derart gewählt, dass er kleiner ist als der Spritzabstand t_diff_ref der Referenzbetriebsart, und dass sich eine in der Normalbetriebsart tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge Q_norm einstellt, die gleich der Referenzmenge Q_ref ist oder um ein vorgebbares Maß ΔQ abweicht von der Referenzmenge Q_ref. Dadurch ergibt sich für den Fall Q_norm = Q_ref der neue Betriebspunkt N1 für die Normalbetriebsart. Geringfügige Abweichungen der Art Q_norm = Q_ref ± ΔQ können einer Ausführungsform zufolge zugelassen werden, vgl. den Doppelpfeil in 5a.
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Wie aus 5a ersichtlich ist, ist der neue Betriebspunkt N1 für die Normalbetriebsart vorteilhaft durch deutlich kleinere Spritzabstände t_diff_norm gekennzeichnet gegenüber dem Referenzpunkt R. Gleichzeitig entspricht die tatsächliche Einspritzmenge Q_norm, die durch Überlagerungseffekte zwischen dicht aufeinander folgenden Teileinspritzungen VE, HE verfälscht werden kann, immer noch der Referenzmenge Q_ref des Referenzbetriebspunkts R.
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Das bedeutet, der Injektor 100 kann das in 2a abgebildete Einspritzmuster VE, HE unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch bei dem Vorhandensein von Alterungseffekten zuverlässig durchführen, wodurch u. a. eine emissions- und verbrauchsneutrale Geräuschreduzierung ermöglicht ist. Es wird insbesondere ein optimierter Verbrennungsschwerpunkt erreicht, der ebenfalls eine Reduktion der Emissionen und/oder des Verbrauchs bewirkt. Der besondere Vorteil des vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass der neue Betriebspunkt N1 auch bei dem Auftreten von Alterungs- beziehungsweise Drifteffekten zuverlässig durch Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgefunden werden kann. Dazu wird, wie bereits beschrieben, ausgehend von dem Referenzbetriebspunkt R, der Spritzabstand t_diff verringert bis auf einen solchen Wert t_diff_norm, bei dem die tatsächliche Einspritzmenge Q_norm – aufgrund des in 5a nach links hin ansteigenden Asts M1 der Mengenwelle M – erneut mit der Referenzmenge Q_ref übereinstimmt, oder bei dem die die tatsächliche Einspritzmenge Q_norm nur geringfügig von der Referenzmenge Q_ref abweicht.
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Der in 5a eingetragene weitere Betriebspunkt N1' ergibt sich beispielsweise unter Anwendung herkömmlicher Verfahren und ist gegenüber dem erfindungsgemäß aufgefundenen Normalbetriebspunkt N1 suboptimal, da er unnötig hohe Spritzabstände größer dem Wert t_diff_norm liefert.
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Die vorstehenden Ausführungen zu 5a beziehen sich auf die Mengenwelle M, wie sie sich bei einem bestimmten Erhaltungszustand des Injektors 100, beispielsweise einem Neuzustand, einstellt. Ebenfalls in 5a abgebildet ist eine weitere Mengenwelle, die im Gegensatz zu der ersten Mengenwelle M durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet ist und eine Q-t_diff-Relation des Injektors 100 nach einem Alterungsprozess angibt. Aus 5a ist ersichtlich, dass für einen gealterten Injektor 100 insbesondere der steile Ast M1' der Mengenwelle sich von dem steilen Ast M1 der ursprünglichen Mengenwelle M unterscheidet, wohingegen für große Spritzabstände > t_diff_ref keine Signifikanten unterschiede erkennbar sind. Daraus erschließt sich, dass bei einem gealterten Injektor ein gewisser Spritzabstand t_diff_norm zu einer Einspritzmenge Q_norm' führt, die deutlich größer ist als die Einspritzmenge Q_norm in dem Neuzustand für denselben Spritzabstand t_diff_norm.
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Wenn das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren demnach mit dem gealterten Injektor durchgeführt wird, bedeutet dies, dass die Normalbetriebsart entlang der dem gealterten Injektor entsprechenden Mengenwelle M1' eingestellt wird. Dies führt bei dem vorliegenden Beispiel gemäß 5a auf den Betriebspunkt N1'', der – analog zu dem Betriebspunkt N1 bei nicht gedriftetem Injektor – eine tatsächliche Einspritzmenge Q_norm = Q_ref aufweist sowie einen gegenüber dem Referenzbetriebspunkt R verkleinerten Spritzabstand t_diff_n'.
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5b zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Unterschied zu der Verfahrensvariante gemäß 5a wird bei der 5b ausgehend von dem Referenzbetriebspunkt R der Spritzabstand t_diff für die Normalbetriebsart (Schritt 220) so weit verringert, bis die Einspritzmenge Q nicht nur der Referenzmenge Q_ref entspricht, sondern diese um das vorgegebene Maß ΔQ überschreitet oder unterschreitet.
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Die Mengenwellen gemäß 5a und 5b beinhalten jeweils den Verlauf einer Einspritzmenge Q aufgetragen über dem Spritzabstand t_diff. Besonders vorteilhaft kann einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zufolge unter Verwendung des Kraftstoffdrucks prail, wie er eingangsseitig des Injektors 100, beispielsweise in dem Common-Rail, vorliegt, auf die eingespritzte Kraftstoffmenge geschlossen werden. Insbesondere ist es bekannt, dass aufgrund eines Druckeinbruchs dp des Kraftstoffdrucks in einem Common-Rail auf eine entsprechend eingespritzte Kraftstoffmenge q geschlossen werden kann. 3 gibt diesen Zusammenhang mit den Kurven dpq1 bis dpq5 wieder, die jeweils den Zusammenhang zwischen eingespritzter Kraftstoffmenge q und einer sich hierbei ergebenden Druckänderung dp für unterschiedliche absolute Kraftstoffdrücke prail von etwa 250 bar bis etwa 1.600 bar anzeigen.
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Das bedeutet, unter Auswertung des Signals des Kraftstoffdrucksensors, beispielsweise des Raildrucksensors, kann ein das erfindungsgemäße Verfahren ausführendes Steuergerät die entsprechende Mengenwelle gemäß 5a beziehungsweise 5b ermitteln, weil aus dem Kraftstoffdruck auf die Einspritzmenge q bzw. Q_norm, Q_ref usw. geschlossen wird.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Schritt 220 des Einstellens der Normalbetriebsart mit den besonderen Werten t_diff_norm, t_diff_neu für den Spritzabstand und den hiermit korrespondierenden Einspritzmengen Q_norm, Q_ref + ΔQ mittels eines Reglers erfolgt.
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Eine entsprechende Reglerstruktur ist in 4 abgebildet.
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Eingangsseitig erhält die Reglerstruktur als Sollwert die Größe ΔQ, die angibt, um welches Maß die Einspritzmenge Q_norm in der Normalbetriebsart größer sein soll als die Referenzmenge Q_ref. Für einen Sollwert ΔQ = 0 ergibt sich demnach die Situation nach 5a, d. h. der Spritzabstand t_diff wird auf den Betriebspunkt N1 eingeregelt. Für einen Sollwert ΔQ > 0 ergibt sich demnach die Situation nach 5b, d. h. der Spritzabstand t_diff wird auf den Betriebspunkt N2 eingeregelt.
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Dem Addierer a1 wird eine tatsächliche Differenz ΔQ_ist der in dem n-ten Regelzyklus tatsächlich eingespritzten Kraftstoffmenge Q_n und der Referenzmenge Q_ref zugeführt. Aus dieser Differenz ΔQ_ist und dem vorgebbaren Maß ΔQ wird durch den Addierer a1 die Regeldifferenz eq gebildet und dem Regler 300 zugeführt. Der Regler 300 erzeugt hieraus ein Ausgangssignal up, das beispielsweise zur Ansteuerung des Magnetventil-Injektors 100 verwendet werden kann. Der Injektor 100 beziehungsweise die ihn enthaltende Wirkungskette, die auch aus weiteren Teilen des ihn enthaltenden Kraftstoffeinspritzsystems bestehen kann, ist in 4 durch den Block 310 repräsentiert. Ausgangsseitig des Injektors 310 wird die für den n-ten Betriebszyklus ermittelte Einspritzmenge Q_n erhalten, die durch eine den Injektor 100 steuernde Steuereinrichtung beispielsweise unter Auswertung des Raildrucks dp gemäß 3 ermittelbar ist. Der zweite Addierer a2 subtrahiert die Ist-Größe Q_n von der Referenzmenge Q_ref, wodurch sich die Ist-Größe ΔQ_ist ergibt, die angibt, wie weit die aktuelle Einspritzmenge noch von der Referenzmenge des gewünschten Betriebspunkts N2 (5b) für die Normalbetriebsart entfernt ist.
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Unter Anwendung der vorstehend unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen Reglerstruktur für den Schritt 220 des Verfahrens kann vorteilhaft von dem Referenzpunkt R der Mengenwelle zu dem gewünschten Betriebspunkt N1, N2 für die Normalbetriebsart gewechselt werden, der einen verhältnismäßig geringen Spritzabstand t_diff_neu beziehungsweise t_diff_norm bietet, nicht jedoch einen bereits unzulässig hohe Einspritzmengen Q bedeutet.
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Durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Reglerstruktur gemäß 4 ist es vorteilhaft möglich, auch bei sich änderndem Verhalten des Injektors 100 (Alterung, Drift) und einer sich entsprechenden ändernden Form M1, M1' (5a) der Mengenwelle zuverlässig die gewünschten Betriebspunkte N1, N2 für die Normalbetriebsart zu finden.
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Alternativ oder ergänzend kann eine erhöhte Einspritzmenge Q bei kleinen Spritzabständen t_diff ganz oder teilweise durch Anpassung einer Ansteuerdauer der Teileinspritzung VE, HE, NE kompensiert werden. Der in 4 abgebildete Regler 300 regelt dann nur noch Restfehler beziehungsweise Lebensdauerdriften aus. In diesem Fall kann anstelle einer direkten Beaufschlagung des Injektors 310 mit der von dem Regler 300 gebildeten Stellgröße up auch ein weiterer, optionaler Funktionsblock 305, mit der Stellgröße 305 versorgt werden, der die Ansteuerparameter für den Injektor in Abhängigkeit der Stellgröße up anpasst und an den Injektor 310 ausgibt. Der optionale Funktionsblock 305 kann besonders vorteilhaft auch weitere Korrekturfunktionen enthalten, die an sich beispielsweise eine gesteuerte Phasenkorrektur der Mengenwelle vornehmen und durch die erfindungsgemäß gebildete Stellgröße up vorteilhaft erweitert werden.
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Als Stellgröße up des Reglers 300 nach 4 kann alternativ auch eine Ansteuerdauer tHE1 – tHE0 der Haupteinspritzung HE verwendet werden. Das bedeutet, es wird mittels des Reglers 300 gemäß 4 nicht direkt der Spritzabstand t_diff verändert, sondern beispielsweise die Haupteinspritzung HE verkürzt, was sich wiederum auf den Spritzabstand zu der nachfolgenden Nacheinspritzung NE (2b) auswirkt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Spritzabstand t_diff auch gleichbleiben, und es wird die Ansteuerdauer der nachfolgenden Einspritzung angepasst, wodurch ebenfalls die Auswirkung eines kleinen Spritzabstands (z. B. zu große Einspritzmenge) kompensiert werden kann.
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Generell ist anzumerken, dass bei gängigen Magnetventil-Injektoren 100 und auch bei nach anderen Prinzipien (z. B. piezoelektrisch) arbeitenden Injektoren ein tatsächlicher hydraulischer Spritzabstand nicht während des realen Betriebs bestimmt werden kann. Daher wird üblicherweise ein elektrischer Spritzabstand verwendet, der einem den Injektor 100 steuernden Steuergerät als Information vorliegt, nämlich in Form von Applikationsparametern für die verwendeten Einspritzmuster. Die Verwendung der elektrischen Ansteuerdauern beziehungsweise Spritzabstände gegenüber den tatsächlichen hydraulischen Größen stellt keine Einschränkung dar, da gegebenenfalls vorhandene Abweichungen zwischen den elektrischen und hydraulischen Größen durch die Verfahren gemäß den Ausführungsformen ausgeregelt werden können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vorteilhaft eine Einstellung bzw. Einregelung der Einspritzmenge Q_norm für aufeinander folgende Teileinspritzungen derart, dass auch ein unter Drifteffekten leidender Injektor 100 mit einer vorgegebenen Einspritzmenge Q_ref bzw. Q_ref ± ΔQ betrieben wird und ein damit korrespondierender minimal möglicher Spritzabstand erreicht wird, bei dem eine Abweichung ΔQ der Einspritzmenge Q_norm von einem gewünschten Wert Q_ref verschwindet oder jedenfalls ein vorgebbares Maß nicht übersteigt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgehen, dass die Schritte des Einstellens 200 (1) der Referenzbetriebsart, des Ermittelns 210 der Referenzmenge, und des Einstellens 220 der Normalbetriebsart periodisch wiederholt werden, wodurch vorteilhaft ein differentielles Messprinzip hinsichtlich der Erfassung der Einspritzmengen Q_ref, Q_norm umgesetzt wird, das i. w. unabhängig ist von zeitlichen Änderungen der Genauigkeit verwendeter Sensoren oder sonstiger Komponenten. Besonders bevorzugt wird bei der vorliegenden Ausführungsform also vor jedem Einstellen der Normalbetriebsart zunächst in die Referenzbetriebsart gewechselt, um eine definierte Ausgangsbasis für die nachfolgende Einstellung der Normalbetriebsart zu gewährleisten.
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Obwohl die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf einen elektromagnetisch betätigten Injektor 100 beschrieben worden ist, kann das erfindungsgemäße Prinzip generell auch auf piezoelektrisch oder andersartig betätigte Injektoren angewandt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008043166 A1 [0036]