-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Verbrennungsmotors.
-
Stand der Technik
-
Aus der
DE 10 2008 054 702 A1 ist bereits ein Verfahren zur Steuerung eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Verbrennungsmotors mit einem Mengensteuerventil bekannt. Ein derartiges Mengensteuerventil kann als ein durch eine Spule elektromagnetisch betätigbares Schaltventil mit einem Magnetanker und zugeordneten Wegbegrenzungsanschlägen realisiert werden. Das Schaltventil ist im stromlosen Zustand der Spule offen. Zum Schließen des Schaltventils wird die Spule mit einer konstanten Spannung – der Batteriespannung – angesteuert, wobei der Strom in der Spule in charakteristischer Weise ansteigt. Die Zeit zwischen dem Anlegen der Spannung und dem Schließzeitpunkt des Schaltventils wird als Anzugszeit bezeichnet. Nach dem Abschalten der Spannung fällt der Strom wiederum in charakteristischer Weise ab und das Schaltventil öffnet, kurz nachdem der Strom abgefallen ist. Die Zeit zwischen dem Abschalten der Spannung und dem Öffnen des Schaltventils wird als Löschzeit bezeichnet. Ein Schaltventil besitzt dabei in Abhängigkeit vom Ansteuersignal zwei diskrete Schaltstellungen: geöffnet und geschlossen.
-
Mittels einer Hochdruckpumpe wird Kraftstoff bis zu einem gewünschten Druckwert, dem Raildruck, verdichtet und in einen Druckspeicher (auch als Rail oder Common Rail bezeichnet) weitergeleitet. Mengensteuerventile können in Kombination mit Hochdruckpumpen eingesetzt werden, um den Raildruck mittels aus einem Kraftstofftank zugeleiteter Kraftstofffördermenge zu regeln. Dabei ist es wichtig, die geförderte Kraftstofffördermenge präzise zu regulieren. Anzugszeit und Löschzeit können dazu führen, dass mehr oder weniger Kraftstoff gefördert wird, als vorgesehen ist, und somit zu Abweichungen der tatsächlich geförderten Kraftstofffördermenge von einer vorgegebenen Soll-Kraftstofffördermenge führen. Diese Abweichungen können sich negativ z.B. auf die Verdichtung des Kraftstoffes auswirken. Dies kann dazu führen, dass der gewünschte Raildruck nur sehr langsam erreicht wird und/oder nicht stabil aufrecht erhalten werden kann. Der Verbrennungsmotor kann nicht optimal betrieben werden, was zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch und Belastungen für die Umwelt führen kann.
-
Es ist daher wünschenswert eine Möglichkeit zum Betreiben eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, um Abweichungen einer geförderten Ist-Kraftstofffördermenge von einer vorgegebenen Soll-Kraftstofffördermenge zu reduzieren.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
-
Das Kraftstoffeinspritzsystem des Verbrennungsmotors weist dabei eine Hochdruckpumpe und ein als Schaltventil ausgebildetes Mengensteuerventil auf. Das Schaltventil weist eine Spule auf. Wird die Spule mittels eines Ansteuersignals angesteuert, wird das Schaltventil geöffnet oder geschlossen und das Zuleiten von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank durch die Hochdruckpumpe wird freigegeben oder unterbunden. Somit wird eine Kraftstofffördermenge gesteuert. Zu einem zweiten Zeitpunkt wird das Ansteuersignal auf Grundlage einer zu einem ersten Zeitpunkt ermittelten Schaltzeit des Schaltventils bestimmt. Der erste Zeitpunkt liegt dabei vor dem zweiten Zeitpunkt.
-
Vorteile der Erfindung
-
Zu dem ersten Zeitpunkt wird das Schaltventil präzise vermessen, um das genaue Schaltverhalten des Schaltventils zu lernen. Die Schaltzeit stellt eine Verzögerungszeit zwischen einem Beginn der Ansteuerung und einem Schaltzeitpunkt des Schaltventils und/oder zwischen einem Ende der Ansteuerung und einem Schaltzeitpunkt des Schaltventils dar. Als Beginn der Ansteuerung ist dabei der Zeitpunkt zu verstehen, zu welchem das Ansteuersignal an die Spule angelegt wird. Mit Ende der Ansteuerung ist der Zeitpunkt zu verstehen, zu welchem das Ansteuersignal von der Spule getrennt wird. Unter dem Begriff Schaltzeitpunkt ist der Zeitpunkt zu verstehen, zu welchem das Schaltventil aufgrund des Anlegens oder des Trennens des Ansteuersignals tatsächlich öffnet oder schließt. Die Schaltzeit umfasst somit die Anzugszeit und die Löschzeit.
-
Wird dabei das Ansteuersignal zu dem zweiten Zeitpunkt (insbesondere während des laufenden Betriebs) des Verbrennungsmotors auf Grundlage der zuvor (zu dem ersten Zeitpunkt) ermittelten Schaltzeit bestimmt, kann die Ist-Kraftstofffördermenge präzise auf eine vorgegebene Soll-Kraftstofffördermenge geregelt werden. Die Anzugzeit berücksichtigt dabei die Verzögerungszeit, in der noch kein Kraftstoff gefördert wird, bevor das Schaltventil tatsächlich öffnet. Die Löschzeit berücksichtigt, welche Kraftstoffmenge noch gefördert wird, bis das Schaltventil tatsächlich schließt. Somit wird ebenfalls erreicht, dass der geförderte Kraftstoff in der vorgesehenen Weise verdichtet werden kann. Der Druck in dem Common Rail kann somit präzise eingestellt und konstant auf dem vorgegebenen Soll-Wert des Raildrucks gehalten werden. Der Verbrennungsmotor kann unter optimalen Bedingungen betrieben werden.
-
Die Schaltzeit bzw. der Schaltzeitpunkt können beispielsweise, wie bekannt, über die Bewegung des Magnetankers ermittelt werden. Beim Öffnen oder Schließen des Schaltventils trifft der Magnetanker auf einen Wegbegrenzungsanschlag und wird abrupt abgebremst. Diese Abbremsung hat charakteristische Auswirkungen auf ein an der Spule gemessenes Spannungssignal oder Stromsignal.
-
Der erste Zeitpunkt kann beispielsweise in einem Fertigungsprozess, z.B. an einem Bandende, liegen. Fertigungsbedingte Toleranzen, wie Streuung der Eigenschaften des magnetischen Werkstoffs der Spule, können somit berücksichtigt werden. Fahrzeuge werden nach ihrer Herstellung zumeist diversen Testreihen unterzogen. Daher bietet es sich an, im Zuge dieser Testreihen auch die Schaltvorgänge des Schaltventils des Kraftstoffeinspritzsystems zu bestimmen.
-
Da sich die Schaltzeiten des Schaltventils auch durch altersbedingte Verschleißerscheinungen oder durch Einflüsse von Druckschwingungen während des Betriebs des Verbrennungsmotors ändern können, kann die Schaltzeitbestimmung zum ersten Zeitpunkt auch mehrmals wiederholt werden, beispielsweise im Zuge von Wartungsarbeiten oder vorgeschrieben Standarduntersuchungen. Die Schaltzeitbestimmung kann z.B. in ein Steuergerät eines Fahrzeugs integriert werden und von dem Steuergerät automatisch nach vorgegeben Zeitintervallen durchgeführt werden.
-
Vorteilhafterweise werden zu dem ersten Zeitpunkt eine erste Schaltzeit zwischen einem Beginn der Ansteuerung und einem Schließzeitpunkt des Schaltventils und/oder eine zweite Schaltzeit zwischen einem Ende der Ansteuerung und einem Öffnungszeitpunkt des Schaltventils bestimmt. Das Schaltventil ist in dieser Ausgestaltung derart ausgebildet, dass es geöffnet ist, wenn kein Ansteuersignal an der Spule anliegt (NO: normally open). Die für das Öffnen und das Schließen des Schaltventils relevanten Schaltzeiten werden dabei unabhängig voneinander bestimmt und einzeln oder gemeinsam für die Bestimmung des Ansteuersignals genutzt. Es sei erwähnt, dass sich die Erfindung ebenso vorteilhaft für ein Schaltventil eignet, da geschlossen ist, wenn kein Ansteuersignal an der Spule anliegt (NC: normally closed).
-
Vorzugsweise wird aufgrund der ermittelten Schaltzeit der Beginn und/oder eine Länge der Ansteuerung korrigiert. Der Zeitpunkt, zu welchem das Schaltventil geöffnet (NC-Ventil) oder geschlossen (NO-Ventil) werden soll, wird dabei um die entsprechende Schaltzeit korrigiert. Zu diesem korrigierten Zeitpunkt findet der Beginn der Ansteuerung statt und das Ansteuersignal wird an die Spule angelegt. Alternativ oder zusätzlich wird der Zeitpunkt, zu welchem das Ansteuersignal von der Spule getrennt wird, ebenfalls um die entsprechende Schaltzeit korrigiert, wodurch die Länge der Ansteuerung korrigiert wird.
-
Bevorzugt finden der erste Zeitpunkt bei einer ersten Ansteuerung und der zweite Zeitpunkt bei einer zweiten Ansteuerung statt. Die zweite Ansteuerung erfolgt dabei direkt auf die erste Ansteuerung. D.h. bei einem ersten Öffnen bzw. Schließen des Schaltventils werden die zugehörigen Schaltzeiten bestimmt. Diese ermittelten Schaltzeiten werden genutzt, um das Ansteuersignal für das nächste Öffnen bzw. Schließen des Schaltventils genauer zu bestimmen. Die Bestimmung der Schaltzeiten kann in diesem Fall als ein fester Bestandteil in den laufenden Betrieb des Verbrennungsmotors integriert werden. Bei jeder einzelnen Ansteuerung des Schaltventils werden aktuelle Schaltzeiten bestimmt und für die nachfolgende Ansteuerung genutzt. Altersbedingte Verschleißerscheinungen oder andere plötzlich auftretende Änderungen des Schaltverhaltens des Schaltventils können somit sofort kompensiert werden.
-
Beispielsweise kann auch bei jedem Öffnen bzw. Schließen des Schaltventils überprüft werden, ob Anzugszeit bzw. Löschzeit des aktuellen Schaltvorgangs derjenigen Anzugszeit bzw. Löschzeit des vorangehenden Schaltvorgangs entsprechen. Ist dies nicht der Fall, werden die Schaltzeiten entsprechend korrigiert.
-
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
-
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt schematisch ein Kraftstoffeinspritzsystem eines Verbrennungsmotors, welches dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
-
2 zeigt schematisch einen Teilbereich eines Kraftstoffeinspritzsystems, welches dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
-
3 zeigt schematisch Diagramme wie sie im Zuge einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens detektiert werden können.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In den Figuren sind einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben. Sie werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems 10 eines Verbrennungsmotors. Dieses umfasst eine elektrische Kraftstoffpumpe 11, mit der Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 12 gefördert und über ein Kraftstofffilter 13 weitergepumpt wird. Die Kraftstoffpumpe 11 ist dazu geeignet, einen Niederdruck zu erzeugen. Zur Steuerung und/oder Regelung dieses Niederdrucks ist ein Niederdruckregler 14 vorgesehen, der mit dem Ausgang des Kraftstofffilters 13 verbunden ist, und über den Kraftstoff wieder zum Kraftstofftank 12 zurückgeführt werden kann. An dem Ausgang des Kraftstofffilters 13 ist des Weiteren eine Serienschaltung aus einem als Schaltventil 15 ausgebildeten Mengensteuerventil und einer mechanischen Hochdruckpumpe 16 angeschlossen. Der Ausgang der Hochdruckpumpe 16 ist über ein Überdruckventil 17 an den Eingang des Schaltventils 15 zurückgeführt. Der Ausgang der Hochdruckpumpe 16 ist weiterhin mit einem Common Rail Druckspeicher 18 verbunden. An dem Druckspeicher 18 sind vier Injektoren 19 eines vierzylindrigen Verbrennungsmotors angeschlossen.
-
In 2 ist die Serienschaltung aus Schaltventil 15 und Hochdruckpumpe 16 schematisch im Detail dargestellt. Das Mengensteuerventil ist als stromlos offenes (NO) Schaltventil 15 ausgebildet und weist eine Spule 21 auf. Durch Anlegen bzw. Abschalten eines Ansteuersignals in Form eines elektrischen Strom- oder Spannungssignals an die Spule 21 durch das Steuergerät 100 wird das Schaltventil 15 geschlossen. Wird das Ansteuersignal angelegt, bewegt sich ein Magnetanker 22 aus seiner im Normalzustand offenen Stellung in Richtung der Spule 21, bis er auf einen Wegbegrenzungsanschlag 32 auftrifft.
-
Die Hochdruckpumpe 16 weist einen Kolben 23 auf, der von einem Nocken 24 einer Nockenwelle des Verbrennungsmotors betätigt wird. Des Weiteren ist die Hochdruckpumpe 16 mit einem Rückschlagventil 25 versehen. Zwischen dem Schaltventil 15, dem Kolben 23 und dem Rückschlagventil 25 ist ein Förderraum 26 vorhanden.
-
Das Kraftstoffeinspritzsystem 10 dient im vorliegenden Beispiel dazu, die Injektoren 19 mit ausreichend Kraftstoff und notwendigem Kraftstoffdruck zu versorgen, sodass eine zuverlässige Einspritzung und ein sicherer Betrieb der Verbrennungsmotor gewährleistet ist. Ein Druckregler 33 regelt dabei einen von der Hochdruckpumpe 16 für den Druckspeicher 18 zu erzeugenden Ist-Druck, den Raildruck, auf einen Soll-Druckwert. Dazu ist am Druckspeicher 18 ein Drucksensor 20 angeschlossen, welcher einen Ist-Druckwert des Kraftstoffs im Druckspeicher 18 bestimmt. Weicht der Ist-Druckwert vom Soll-Druckwert ab, bestimmt der Druckregler 33 eine Soll-Kraftstofffördermenge, welche durch die Hochdruckpumpe 16 an den Druckspeicher 18 gefördert werden soll. Der Druckregler 33 steuert das Schaltventil 15 an und regelt die Ist-Kraftstofffördermenge auf die bestimmte Soll-Kraftstofffördermenge. Dafür führt der Druckregler 33 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durch, um das Ansteuersignal für das Schaltventil 15 unter Berücksichtigung der Schaltzeiten des Schaltventils 15 zu bestimmen. Der Druckregler 33 ist dabei beispielsweise durch ein Computerprogramm auf einem Steuergerät 100 realisiert.
-
Zu einem ersten Zeitpunkt wurden, z.B. im Zuge des Fertigungsprozesses des Verbrennungsmotors und des Kraftstoffeinspritzsystems 10, die Anzugszeit und die Löschzeit des Schaltventils 15 bestimmt. Mittels dieser bestimmten Schaltzeiten wurden im Steuergerät 100 gespeicherte Kennfelder korrigiert. Die Kennfelder beschreiben beispielsweise einen Zusammenhang zwischen einer Kraftstofffördermenge und dem zugehörigen Beginn und/oder der Länge einer Ansteuerung des Schaltventils 15. Vorzugsweise wurden mittels der bestimmten Anzugszeit der Beginn der Ansteuerung und/oder mittels der Löschzeit die Länge der Ansteuerung korrigiert.
-
Zu einem zweiten Zeitpunkt, z.B. während des laufenden Betriebs des Verbrennungsmotors, bestimmt der Druckregler 33 das Ansteuersignal an das Schaltventil 15 unter Berücksichtigung der im Steuergerät 100 gespeicherten Kennfelder, um die Ist-Kraftstofffördermenge auf die ermittelten Soll-Kraftstofffördermenge zu regeln
-
Während des laufenden Betrieb des Verbrennungsmotors dreht sich der Nocken 24 der Nockenwelle hier im Uhrzeigersinn, angedeutet durch Bezugszeichen 27. Durch die Nockenwellenbewegung wird der Kolben 23 auf und ab bewegt in Richtung des Doppelpfeils 29. In der Darstellung in 2 hat der Kolben 23 seinen oberen Totpunkt erreicht. Dreht sich der Nocken um einen Winkel von 90°, bewegt sich der Kolben 23 nach unten, bis er seinen unteren Totpunkt erreicht. Während dieses Saughubs strömt Kraftstoff, der von der elektrischen Kraftstoffpumpe 11 gefördert worden ist, durch das geöffnete Schaltventil 15 in den Förderraum 26.
-
Dreht sich der Nocken 24 um weitere 90°, bis der Kolben 23 wieder seinen oberen Totpunkt erreicht, führt der Kolben 23 einen Förderhub durch. Bleibt das Schaltventil 15 während des Förderhubs geöffnet, wird damit Kraftstoff aus dem Förderraum 26 zurück in Richtung zu der elektrischen Kraftstoffpumpe 11 gefördert. Dieser Kraftstoff gelangt dann über den Niederdruckregler 14 zurück in den Kraftstofftank 12.
-
Ist das Schaltventil 15 während des Förderhubs geschlossen, wird durch die weitere Hubbewegung des Kolbens 23 die im Förderraum 26 befindliche Kraftstofffördermenge verdichtet. Erreicht der Druck der Kraftstofffördermenge einen Schwellwert, öffnet das Rückschlagventil 25 und die Kraftstofffördermenge wird in den Druckspeicher gefördert.
-
Die Kraftstofffördermenge, welche dem Druckspeicher 18 zugeführt wird, hängt davon ab, wann und wie lange das Schaltventil 15 geschlossenen wird. Durch die erfindungsgemäße Bestimmung des Ansteuersignals unter Berücksichtigung der Schaltzeiten des Schaltventils 15 wird gewährleistet, dass die Kraftstofffördermenge, welche dem Druckspeicher 18 zugeführt wird, auf die bestimmte Soll-Kraftstofffördermenge geregelt wird. Somit wird letztendlich gewährleistet, dass der Ist-Druckwert des Druckspeichers 18 auf den Raildruck geregelt wird.
-
In 3 sind zwei Diagramme wie sie im Zuge einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens detektiert werden können schematisch dargestellt. Das obere Diagramm 301 beschreibt dabei das Schaltventil 15. Das Schaltventil 15 hat zwei diskrete Schaltzustände, den Zustand geöffnet (Ordinatenwert "1") und geschlossen (Ordinatenwert "0").
-
Das untere Diagramm beschreibt ein Ansteuersignal in Form eines elektrischen Stromsignals 302, welches von dem Steuergerät 100 an die Spule 21 angelegt wird. Liegt kein Strom an der Spule 21 an (auf der Zeitachse t in dem Zeitraum bis zum Zeitpunkt t1), ist das Schaltventil 15 geöffnet. Wird zum Zeitpunkt t1 ein Strom an die Spule 21 angelegt, dauert es ein gewisses Zeitintervall bis der Strom an der Spule 21 seinen maximalen Wert Imax erreicht. Des Weiteren verstreicht ein gewisses Zeitintervall Δt0 zwischen Anlegen des Stroms zum Zeitpunkt t1 und zwischen dem Zeitpunkt t2, zu welchem das Schaltventil 15 letztendlich geöffnet ist. Das Zeitintervall Δt0 ist dabei die Anzugszeit.
-
Analog verstreicht ein Zeitintervall Δt1 zwischen Trennen des Stroms von der Spule 21 zum Zeitpunkt t3 und dem Zeitpunkt t4, bis das Schaltventil 15 wieder geöffnet ist. Das Zeitintervall Δt1 ist dabei die Löschzeit.
-
Es sei angemerkt, dass das Schaltventil 15 zwar nur zwei diskrete Schaltstellungen besitzt, es dauert aber dennoch ein endliches Zeitintervall Δt2, bis der Magnetanker 22 von der geöffneten Stellung zum Zeitpunkt t2' in die geschlossene Stellung zum Zeitpunkt t2 übergeht. Analoges gilt für ein Zeitintervall Δt4, bis der Magnetanker 22 von der geschlossenen Stellung zum Zeitpunkt t4' zur geöffneten Stellung zum Zeitpunkt t4 übergeht.
-
Das Steuergerät 100 berücksichtigt für die Bestimmung des Ansteuersignals die Zeitintervalle der Anzugszeit Δt0 und der Löschzeit Δt1. Auch die Zeitintervalle Δt2 und Δt4 werden von dem Steuergerät bei Regelung der Ist-Kraftstofffördermenge berücksichtigt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102008054702 A1 [0002]