DE10206906C1 - Verfahren zur Steuerung einer durch Pienoinjektor eingespritzten Kraftstoffmenge - Google Patents

Abstract

Bei der Verwendung von Piezoinjektoren treten große Toleranzen in der Kennlinie für die Kraftstoffmasse über die Einspritzzeit auf. Um für jeden Zylinder eine gleiche Abgasmenge, -zusammensetzung und/oder Drehmomentabgabe zu erzielen, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl die Einspritzzeit als auch die Anregungsenergie für den Piezoinjektor gesteuert, derart, dass die Korrektur für die Einspritzzeit minimal ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer durch einen Piezoinjektor mit einem Piezostack eingespritzten Kraftstoffmenge bei einer Brennkraftmaschine. Piezoinjektoren sind sowohl zur Einspritzung von Otto-Kraftstoffen als auch für Diesel-Kraftstoffe vorgesehen.

Bei einer direkten Einspritzung mittels Piezoinjektoren kommt es in der Injektor-Endstufe zu einem großen Streubereich hin­ sichtlich des Zusammenhangs zwischen Einspritzzeit und Kraft­ stoffmasse. Hierbei kann die tatsächlich eingespritzte Kraft­ stoffmasse gegenüber der Grundkennlinie, in der Einspritzzeit über Kraftstoffmasse aufgetragen ist, in extremen Fällen Eis zu 50% abweichen. Eine solche Abweichung führt zu erheblichen Lambdastreuungen im gesamten Betriebsbereich, die neben einem verschlechterten Rohemissionsverhalten auch zu einem stark verschlechterten Laufverhalten, insbesondere im Schichtbe­ trieb führen können. Im Schichtbetrieb können Aussetzer und Rußbildung auftreten.

Es ist daher bekannt, Korrekturen für die Einspritzdauer zu bestimmen. Die ermittelte Grundeinspritzdauer wird um einen additiven Term und einen Faktor angepasst, die von einer Mo­ torsteuerung ermittelt werden. Beim HPDI-Direkteinspritzungs- Verfahren treten durch die Korrektur der Einspritzzeit zwi­ schen den einzelnen Zylindern stark unterschiedliche Ein­ spritzzeiten auf, die sich ebenfalls negativ auf das Laufver­ halten und die Abgasemission auswirken. Insbesondere stark unterschiedliche Einspritzzeiten der verschiedenen Injektoren bei gleicher Kraftstoffmengeneinbringung in die Zylinder führt zu einer deutlichen Verschlechterung des Einspritzti­ mings. Eine bloße Korrektur der Einspritzdauer führt also nicht zum möglichen Optimum im Hinblick auf das Abgas- und Laufverhalten.

Aus DE 199 45 618 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Kraftstoffzumeßsystems einer Brennkraftmaschine bekannt. Bei dem Verfahren wird für bestimmte Betriebszustände eine Min­ destansteuerdauer eines elektrisch betätigten Ventils ermit­ telt, bei der gerade Kraftstoff eingespritzt wird. Zur Be­ stimmung der Mindestansteuerdauer wird ausgehend von einem Startwert die Ansteuerdauer erhöht oder verringert. Die An­ steuerdauer, bei der eine Änderung des Lambda-Sondensignals auftritt, wird als Mindestansteuerdauer gespeichert. Die Min­ destansteuerdauer dient dazu, Ansteuerdauern für die Ventile zu vermeiden, bei denen kein Kraftstoff eingespritzt wird.

Aus DE 100 16 476 A1 ist ein Verfahren zur Diagnose der Span­ nungsansteuerung für einen piezoelektrischen Aktor eines Ein­ spritzventils bekannt. Hierbei wird für die einzelnen Phasen des Einspritzvorgangs die Ansteuerspannung gemessen. Aufgrund der gemessenen Spannungswerte wird eine Diagnose durchge­ führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung eines Piezoinjektors bereitzustellen, das bei größtmöglicher Laufruhe eine Änderung der Einspritzparameter vornimmt, ohne dass sich das Emissionsverhalten verschlech­ tert.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf einen Pie­ zoinjektor über den eine vorbestimmte Kraftstoffmenge in den Zylinder einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Der Pie­ zoinjektor ist mit einer Piezoeinrichtung versehen, die an­ sprechend auf eine elektrische Anregung die Freigabe einer Kraftstoffleitung auslöst. Piezoinjektoren an sich sind be­ reits bekannt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt eine Motorsteuerung für eine Fahrpedalstellung und weitere Betriebsparameter der Brennkraftmaschine eine Standardein­ spritzzeit für die Piezoinjektoren. Bei der Standardein­ spritzzeit werden je nach Brennverfahren und Applikations­ wunsch die bevorzugten Parameterwerte Einspritzbeginn, -ende und/oder -dauer gewählt. Für jeden Zylinder bestimmt die Mo­ torsteuerung einen zylinderspezifischen Korrekturfaktor für Anfangs- und Endzeit der Einspritzung und/oder für die Ein­ spritzdauer. Von den Parametern Einspritzbeginn, Einspritzen­ de und Einspritzdauer sind jeweils zwei unabhängig voneinan­ der, so dass der dritte nachfolgend festgelegt ist. Der zy­ linderspezifische Korrekturfaktor für die Parameter des Pie­ zoinjektors wird von der Motorsteuerung nach einem an sich bekannten Verfahren berechnet. Die Korrekturfaktoren werden abhängig von einem für die Piezoeinrichtung definierten Wert einer Anregungsenergie bestimmt derart, dass der Wert der An­ regungsenergie erhöht oder erniedrigt wird, um einen kleinen Korrekturfaktor zu erzielen. Der Piezoinjektor wird mit den korrigierten Werten für Anfangs- und Endzeitpunkt der Ein­ spritzung und/oder der Einspritzdauer sowie dem geänderten Wert für die Anregungsenergie angesteuert.

Im Gegensatz zu bekannten Verfahren wird bei dem erfindungs­ gemäßen Verfahren berücksichtigt, dass ein Piezoinjektor mit unterschiedlicher elektrischer Anregung angesteuert werden kann. Qualitativ lässt sich festhalten, dass eine Erhöhung der elektrischen Anregung eine verstärkte Ausdehnung des Pie­ zostacks zur Folge hat und somit zu einem vergrößerten Nadel­ hub führt. Als besonders vorteilhaft erweist es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, dass nahe den optimalen Be­ triebspunkten für das Gesamtsystem bestehend aus Injektor, Injektoransteuerung und Brennkraftmaschine gearbeitet werden kann. Hierbei berücksichtigt das erfindungsgemäße Verfahren, aufgrund der zylinderspezifischen Korrekturfaktoren bereits auftretende Toleranzen in dem Injektor und gegebenenfalls in dem Piezostack und der Piezoansteuerung, so dass jeder Zylin­ der in Emissions- und Drehmomentabgabe möglichst gleich ist.

Bei einer vorteilhaften Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein zylinderspezifischer Korrekturwert für die Einspritzdauer berechnet, in dieser Ausgestaltung werden also Abweichungen in der Kennlinie von eingespritzter Kraft­ stoffmenge zu Einspritzzeit durch Berücksichtigung der Anre­ gungsenergie für den Piezostack ausgeglichen (vgl. Anspruch 2). Einspritzbeginn und -ende werden hierbei weiterhin von der Motorsteuerung in herkömmlicher Weise ohne einen Korrektur­ faktor aufgrund der Anregungsenergie bestimmt. In dem durch das Erhöhen und das Erniedrigen der Anregungsenergie die Ab­ weichung in der Einspritzdauer zwischen den einzelnen Zylin­ dern gering gehalten wird, besitzt jeder der Zylinder die er­ forderliche Kraftstoffmenge, ohne dass die Einspritzdauer va­ riiert wird (vgl. Anspruch 3).

In einer bevorzugten Umsetzung für die Steuerung ist die An­ regungsenergie auf eine vorbestimmte Anzahl von Energieni­ veaus beschränkt (vgl. Anspruch 4). Es erfolgt also keine stufen­ lose Einstellung der elektrischen Anregung, sondern eine auf diskrete Energiewerte beschränkte Anregung.

Bevorzugt wird die Änderung des Energieniveaus für den Pie­ zoinjektor berechnet, in dem der zylinderspezifische Korrek­ turwert für die Einspritzdauer durch einen vorbestimmten Fak­ tor für eine Zeitkorrektur pro Energieniveau devi##iert wird und der ganzzahlige Anteil des Quotienten die Änderung des E­ nergieniveaus angibt (vgl. Anspruch 5). Bei diesem Verfahrens­ schritt wird eine Änderung der Einspritzdauer so weit wie möglich durch eine Änderung des Energieniveaus kompensiert. Bevorzugt wird bei diesem Verfahrensschritt ein konstanter Faktor für die Änderung der Einspritzdauer bei dem Übergang von einem Energieniveau zum nächsten angenommen.

Da die elektrische Ansteuerung des Piezoinjektors nur inner­ halb eines begrenzten Energieintervalls erfolgen kann, sind auch die diskreten Energieniveaus begrenzt. Eine Erhöhung und eine Verminderung des Energieniveaus kann nur bis zum Maxi­ mal- bzw. Minimalwert erfolgen (vgl. Anspruch 6). Ist der Maximal- oder Minimalwert des Energieniveaus erreicht, so kann eine Änderung der Einspritzdauer nicht weiter durch eine Erhöhung oder Erniedrigung des Energieniveaus kompensiert werden. Von der Motorsteuerung bestimmte zylinderspezifische Korrektur­ werte werden nach Abzug der maximal möglichen Kompensation durch die Änderung des Energieniveaus an den Piezoinjektor angelegt.

Um eine zu rasche Veränderung des Energieniveaus zu vermei­ den, kann eine Verzögerung bei der Änderung des Energieni­ veaus vorgesehen sein. Hierbei wird beispielsweise erst nach einer mehrmaligen Anforderung einer Erhöhung oder Erniedri­ gung des Energieniveaus dessen Wert geändert (vgl. Anspruch 7).

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm zur Korrektur der zylinderspezi­ fischen Einspritzzeit und des Energieniveaus nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 2 die Berechnung der zylinderspezifischen Einspritz­ zeit bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren,

Fig. 3 den schematischen Aufbau eines Piezoinjektors und

Fig. 4 den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den einzelnen dabei eingesetzten Variablen.

Fig. 1 geht von einer Standardeinspritzzeit 10 aus. Die Stan­ dardeinspritzzeit 10 wird beispielsweise von der Motorsteue­ rung abhängig von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine be­ stimmt. Zusätzlich zu der Standardeinspritzzeit 10 wird eine zylinderspezifische Korrektur 12 der Einspritzzeit bestimmt. Die Korrektur wird in dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel als ein Korrekturfaktor bestimmt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt ein vorbestimmter Faktor 14 für eine Zeitkorrektur pro Energieniveau vor. Der Quotient aus zylinderspezifischer Korrektur 12 und Zeitkor­ rekturfaktor pro Energieniveau 14 liefert die Anzahl der zu ändernden Energieniveaus. Ist beispielsweise der zylinderspe­ zifische Korrekturfaktor 0,115 und der Zeitkorrekturfaktor pro Energieniveau 0,020, so ergibt sich als Quotient 5,75, was zu einer Änderung von 5 Energieniveaus führt. Der auf ei­ ne ganze Zahl gerundete Quotient wird erneut mit dem Zeitkor­ rekturfaktor pro Energieniveau multipliziert und ergibt die durch die Änderung der Energieniveaus kompensierte Einspritz­ zeitkorrektur 18. In dem oben genannten Beispiel ist die durch die Änderung des Energieniveaus kompensierte Einspritz­ zeitkorrektur 0,100.

Der Wert für die kompensierte Einspritzzeitkorrektur 18 wird von der zylinderspezifischen Korrektur in Schritt 20 subtra­ hiert und in Verfahrensschritt 22 mit der Standardeinspritz­ zeit multipliziert. Das Produkt ergibt die zylinderspezifi­ sche Einspritzzeit 24. In dem oben genannten Beispiel würde die Standardeinspritzzeit mit dem bedeutend kleineren Korrek­ turfaktor 0,015 multipliziert werden.

Die ganzzahlige Energieniveauveränderung wird zu dem Wert für das momentan vorliegende Energieniveau 26 addiert. Die Summe wird als Energieniveau 28 an den Injektor angelegt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird abhängig von einer Standardeinspritzzeit 10 und einer zylinderspezifischen Kor­ rektur 12 die zylinderspezifische Einspritzzeit 24 und das E­ nergieniveau 28 für den Injektor berechnet. Durch die Sub­ traktion der durch das Energieniveau kompensierten Einspritz­ zeitkorrektur 18 ist bei dem Verfahren die zylinderspezifi­ sche Korrektur der Einspritzzeit minimal.

Bei den bekannten Verfahren zur Bestimmung der zylinderspezi­ fischen Einspritzzeit wird eine Standardeinspritzzeit 30, beispielsweise aus einer Sollkraftmasse und einer Druckkor­ rekturfunktion mit einem zylinderspezifischen Korrekturfaktor bestimmt, der beispielsweise aus einer Zylindergleichstel­ lungsfunktion stammt, multipliziert. Das Produkt wird als zy­ linderspezifische Einspritzzeit verwendet. Da hierbei die be­ rechneten zylinderspezifischen Korrekturen vollständig in ei­ ne zylinderspezifische Einspritzzeit umgesetzt werden, führt das bekannte Verfahren zu einem verschlechterten Emissions- und/oder Laufverhalten.

Fig. 3 zeigt beispielhaft den schematischen Aufbau eines Pie­ zoinjektors 36. In Längsrichtung des Injektors 36 verläuft eine Kraftstoffleitung 38, die in einer Kraftstoffaustritts­ öffnung 40 mündet. Die Kraftstoffaustrittsöffnung 40 ist durch eine ebenfalls in Längsrichtung verlaufende Nadel 42 verschließbar. Die Nadel 42 ist durch eine Feder 44 in die Schließposition vorgespannt. Der in dem Injektor 36 angeord­ nete Kopf der Nadel 40 liegt über ein scheibenförmiges Ele­ ment 46 an einem Piezostack 48 an. Der Piezostack 48 liegt mit seinem von der Kraftstoffaustrittsöffnung fortweisenden Ende an einem Gegenlager 50 in dem Injektor an. Durch elekt­ rische Anregung des Piezostack 48 dehnt dieser sich in Längs­ richtung des Injektors aus und drückt die Nadel 42 entgegen der Kraft der Feder 44 in die geöffnete Position, in der Kraftstoff über die Kraftstoffleitung aus der Kraftstoffaus­ trittsöffnung austritt. Bei dem Piezoinjektor können zur Be­ stimmung der Durchflusscharakterisktik die Anregungsenergie und die Anregungsdauer bestimmt werden.

Fig. 4 zeigt ein detailliertes Ablaufdiagramm für das erfin­ dungsgemäße Verfahren. Größe 52 bezeichnet den Faktor zur Korrektur der Einspritzzeit eines Zylinders x (TI_CYL_LAM_x). Der Faktor wird von einer sogenannten Zylinderbalancingfunk­ tion derart bestimmt, dass z. B. eine Gleichstellung der Ab­ gasmenge, -zusammensetzung oder des abgegebenen Drehmoments der Zylinder erreicht wird. Der Korrekturfaktor wird in Schritt 54 durch den Korrekturfaktor für die Änderung der Einspritzzeit pro Energieniveau (C_FAC_TI_EGY_LVL) dividiert. Der Quotient 16 wird als temporäre Variable gespeichert, die die zur Kompensation des Korrekturfaktors 52 TI_CLY_LAM_x notwendige Anzahl von Energieniveauänderungen angibt (TMP_DELTA_INJ_EGY_LVL). Die zur vollständigen Kompensation notwendige Anzahl der Energieniveauänderungen wird mit einem berechneten Verschiebungswert 60 verglichen. Der berechnete Verschiebungswert gibt als Schwellwert vor, ob das Energieni­ veau für den Piezoinjektor sich erhöht oder erniedrigt. In einem Vergleichsschritt 62 wird festgestellt, ob die Anzahl der benötigten Energieniveauänderungen kleiner als der be­ rechnete Verschiebungswert 60 ist. In diesem Fall wird das E­ nerginiveau um 1 vermindert. Ist die Änderung des Energieni­ veaus größer als der vorberechnete Verschiebungswert, so wird das Energieniveau um 1 erhöht. Im Gegensatz zu dem in Fig. 1 dargestellten Verfahren, wird hier bei dem Verfahren aus Fig. 4 der Energieniveauwert jeweils nur um 1 erhöht oder ernied­ rigt, abhängig davon, ob die sich für die vollständige Kom­ pensation der zylinderspezifischen Korrektur berechnete Ände­ rung des Energieniveaus oberhalb oder unterhalb des vorbe­ rechneten Schwellwerts liegt. Indem die Energieniveaus ledig­ lich de- bzw. inkrementiert werden, werden zu große Sprünge in den Energieniveaus vermieden. Das aktuell an dem Injektor anliegende Energieniveau 64, wird in dem Verfahrensschritt 66 dahingehend überprüft, ob bereits ein Minimal- oder ein Maxi­ malwert des Energieniveaus erreicht wurde. Guten Erfahrungen wurden mit der Verwendung von 16 Energieniveaus erzielt, je­ doch können auch weniger oder deutlich mehr Energieniveaus verwendet werden.

Der Vergleichsschritt 66 führt nach dem Additionsschritt 68 zu der Änderungsgröße für das Energieniveau 70 (DELTA_INJ_EGY_LVL). In einem Additionsschritt 72 wird das E­ nergieniveau aus dem letzten Zyklus 74 (INJ_EGY_LVL_ST_x) zu der Änderung 70 addiert, um den neuen Wert 76 für das aktuell vorliegende Energieniveau an dem Injektor 76 (INJ_EGY_CYL_x) zu bestimmten. Indem zur Bestimmung des aktuell vorliegenden Energieniveaus an dem Injektor eine separate Größe 74 vorge­ sehen wird, ist es möglich, für Testzwecke bestimmte Energie­ niveaus für den Injektor vorzugeben. Die so bestimmte Größe für das aktuelle Energieniveau 76 entspricht in dem nachfol­ genden Zyklus der Größe 64 als Eingangsgröße.

Die berechnete Änderung 70 des Energieniveaus (DELTA_INJ_EGY_LVL_x) wird mit dem Korrekturfaktor 56 (C_FAC_TI_EGY_LVL) in Verfahrensschritt 78 multipliziert.

Das so bestimmte Produkt wird von dem Gesamtkorrekturfaktor (TI_CYL_LAM_x) 80 subtrahiert und ergibt so den verbleibenden Korrekturfaktor 82, der aufgrund der Diskretisierung des E­ nergieniveaus und deren Begrenzung nicht kompensiert werden kann.

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung einer durch einen Piezoinjektor mit einer Piezoeinrichtung eingespritzten Kraftstoffmen­ ge bei einer Brennkraftmaschine, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

• - eine Motorsteuerung bestimmt aus Werten für eine Fahrpedalstellung und weitere Betriebsparame­ ter der Brennkraftmaschine eine Standardeinsprit­ zung (10) für den Piezoinjektor,
• - für jeden Zylinder wird mindestens ein zylin­ derspezifischer Korrekturfaktor (12) für Anfangs- und Endzeitpunkt der Einspritzung und/oder die Ein­ spritzdauer bestimmt,
• - der Korrekturfaktor wird abhängig von einem für den Piezoinjektor definierten Wert für seine e­ lektrische Anregung bestimmt derart, dass der Wert der Anregungsenergie erhöht oder erniedrigt wird, um einen kleinen Korrekturfaktor zu erzielen, und
• - der Piezoinjektor wird mit den korrigierten Werten für Anfangs- und Endzeitpunkt der Einsprit­ zung und/oder der Einspritzdauer sowie dem geänder­ ten Wert für die Anregungsenergie angesteuert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zylinderspezifischer Korrekturwert für die Ein­ spritzdauer bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für die elektrische Anregungsenergie derart geändert werden, dass Unterschiede in der Einspritzdauer der Zylinder zueinander minimal sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass für die Anregungsenergie eine vorbe­ stimmte Anzahl von Energieniveaus vorgesehen ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Energieniveaus für den Piezoinjektor erfolgt, indem der zylinderspezifische Korrekturwert für die Einspritzdauer durch einen vorbestimmten Faktor für eine Zeitkorrektur pro Energieniveau dividiert wird und der ganzzahlige Anteil des Quotienten die Änderung des Energieniveaus angibt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximales und ein minimales Energieniveau für den Piezoinjektor definiert sind und eine Änderung nur bis zu dem Maximal- und dem Minimalwert erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung des Energieniveaus erst erfolgt, wenn mehrfach eine Änderung des Energieniveaus berechnet wur­ de.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung des Energieniveaus um ein Energieniveau erfolgt, wenn der ganzzahlige Quotient einen vorbestimm­ ten Verschiebungswert (60) für die Energieniveaus über- bzw. unterschreitet.