DE10317654A1 - Verfahren und Vorrichtung zur driftkompensierenden Steuerung von Injektoren eines Kraftstoffzumesssystems einer Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Steuerung eines Injektors eines Kraftstoffzumesssystems einer Brennkraftmaschine ist zur Kompensation von über die Lebensdauer des Injektors sich ergebenden Driften vorgesehen, dass der Injektor mit einer im Wesentlichen konstanten Ansteuerspannung beaufschlagt wird und die bei der im Wesentlichen konstanten Ansteuerspannung in den Injektor einfließende Ladungsmenge erfasst wird, dass die erfasste Ladungsmenge mit einem vorgegebenen Wert für die Ladungsmenge verglichen wird und dass in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleichs wenigstens eine Steuergröße des Injektors verändert wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von Injektoren eines Kraftstoffzumesssystems einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche.
- In modernen Kraftfahrzeugen kommen zunehmend Kraftstoffzumesssysteme zum Einsatz, bei denen die Kraftstoffdruckerzeugung und die Kraftstoffzumessung mittels eines Hochdruckspeichers voneinander entkoppelt sind. Sehr verbreitet sind die sogenannten „Common-Rail-Systeme", bei denen Kraftstoff mittels Injektoren in die Verbrennungsräume (Zylinder) der Brennkraftmaschine eingespritzt wird und der vorgenannte Hochdruckspeicher als „Rail" bezeichnet wird. In diesen Common-Rail-Systemen wird daher der Einspritzdruck unabhängig von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge erzeugt und steht in dem Hochdruckspeicher fortlaufend für die Einspritzung zur Verfügung. Der jeweilige Einspritzzeitpunkt und die Einspritzmenge werden in einem elektronischen Motorsteuergerät berechnet und von den jedem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordneten Injektoren über entsprechende Schaltventile umgesetzt.
- Über die Lebensdauer der genannten Injektoren kommt es naturgemäß zu driftartigen Veränderungen einzelner Baukomponenten der Injektoren wie bspw. von Aktoren (Pie zoaktoren, Magnetaktoren, etc.) oder der bereits genannten Schaltventile. So kommt es bspw. zu Hubdriften der genannten Aktoren oder Schaltventile oder zu solchen oder ähnlichen Driften aufgrund von Temperatureinflüssen. Diese Veränderungen führen dazu, dass auch bei einer präzisen konstanten Ansteuerung der Injektoren die den jeweiligen Zylindern zugeführte Menge an Kraftstoff nicht vorhersagbar variiert, d.h. zu einer entsprechenden Mengendrift an eingespritztem Kraftstoff führt.
- Die genannte Drifterscheinung ist zudem bei jedem Injektor individuell ausgeprägt und bspw. vom über die Lebensdauer eines jeweiligen Injektors aufgetretenen Lastverlauf oder vom jeweiligen Injektortyp abhängig.
- Es ist in diesem Zusammenhang darauf hinzuweisen, dass die Injektoren im Betrieb der Brennkraftmaschine zur Ermöglichung eines geringen Kraftstoffverbrauchs unter gleichzeitiger Einhaltung strenger Abgasnormen sowie zur Begrenzung des Geräuschpegels bei der Verbrennung nur sehr geringe Toleranzen im Hinblick auf die Einspritzmenge aufzuweisen haben.
- Zur Kompensation bzw. Korrektur der genannten Mengendriften bei der Kraftstoffeinspritzung wird in der
DE 102 32 356 A1 vorgeschlagen, den mittels eines in einer Kraftstoffleitung angeordneten Drucksensors in einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine erfassten Einspritzbeginn sowie das Einspritzende eines Injektors mit gespeicherten Werten dieser Größen zu vergleichen und die Werte des Einspritzbeginns und/oder der Einspritzdauer so zu verändern, dass eine sich bei dem Vergleich ergebende Abweichung minimiert wird. Diese Art der Driftkorrektur hat allerdings den Nachteil, dass zur Driftkompensation im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine die Erfassung des momentanen Drucks in der Kraftstoffleitung mittels des genannten in der Kraftstoffleitung anzuordnenden Drucksensors erforderlich ist. - Weiterhin ist bekannt, die genannte Mengendrift mittels der beiden an sich bekannten Verfahren der Nullmengenkalibrierung und der Klopfzahlkorrektur des Kraftstoffgemisches zu kompensieren. Eine entsprechende Einrichtung zur Nullmengenkalibrierung eines Kraftstoffzumesssystems einer Brennkraftmaschine geht bspw. aus der
DE 33 43 481 A1 hervor. Dabei wird in einem bestimmten Betriebszustand der Brennkraftmaschine die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge auf einen Sollwert Null hin geprüft und abhängig vom Ergebnis dieser Prüfüng ein Regelkreis des Kraftstoffzumesssystems ggf. nachjustiert. - Einige der genannten Ansätze haben den Nachteil, dass entweder relativ lange Betriebszeiten der Brennkraftmaschine zur genannten Kraftstoffmengenkonektur erforderlich sind oder die zur Mengenkorrektur erforderlichen Mengenmessungen insbesondere zur Vermeidung von Übertragungsfehlern ausschließlich bei Voreinspritzungen durchgeführt werden. Zudem wird die Mengenkorrektur mittels der vorgenannten Methode der Nullmengenkalibrierung aus Sicherheitsgründen nur bei Voreinspritzungen durchgeführt, da die dort ermittelten Messergebnisse naturgemäß fehlerbehaftet sind und deshalb die Mengenkonektur nur für diejenigen Messpunkte erfolgen kann, die mittels der Nullmengenkalibrierung auch tatsächlich ausgemessen wurden. Insbesondere wird nicht außerhalb des gemessenen Mengenbereichs extrapoliert.
- Des Weiteren erfolgt die Mengenkorrektur in den meisten Fällen ausschließlich im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine, in dem normalerweise keine Einspritzungen erfolgen. Während der Kalibrierung wird dann an einem Zylinder eine Menge eingespritzt und die Reaktion der Motordrehzahl beobachtet. Die dabei eingespritzte Menge liegt in der Größenordnung einer typischen Voreinspritzmenge, da eine größere Menge vom Fahrer wahrgenommen und den Fahrkomfort beeinträchtigen würde. Die Korrektur etwaiger Mengendriften erfolgt dann auch nur an diesen Messpunkten. Auch dort wird von einer Extrapolation hin zu größeren Einspritzmengen abgesehen.
- Darüber hinaus erfordern andere der genannten Vorgehensweisen eine aufwändige Sensorik wie bspw. die vorerwähnte Drucksensorik.
- Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass über die Lebensdauer der Injektoren etwa auftretende Drifterscheinungen an Baukomponenten der Injektoren möglichst einfach und kostengünstig, gleichzeitig aber auch möglichst präzise und zuverlässig ausgeglichen werden können.
- Diese Aufgabe wird bei einem hier betroffenen Verfahren und einer Vorrichtung zur Steuerung von Injektoren eines Kraftststoffzumesssystems einer Brennkraftmaschine durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
- Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, etwa auftretende Driften der genannten Art durch eine Ladungsbilanzmessung auszugleichen.
- Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dazu insbesondere vor, bei jeweils fest vorgegebener bzw. applizierter Ansteuerspannung eines Injektors den durch die Ansteuerspannung bewirkten Ladungsfluss durch den Injektor zu erfassen oder zu überwachen und die Ansteuerspannung des jeweiligen Injektors in Abhängigkeit von der bestimmten Ladungsdifferenz zu adaptieren. Um der genannten Drift entgegenzuwirken, wird bevorzugt mittels eines vorab ermittelten Kennfeldes (Ladungsmenge über Ansteuerspannung) entweder die Ansteuerspannung verändert, d.h. entweder erhöht oder verringert. Durch Verringerung der Ansteuerspannung wird zusätzlich Verschleiss entgegen gewirkt.
- Da sich die notwendige Ladungsmenge jeweils injektor-spezifisch unterscheidet, erfolgt gemäß einer Ausgestaltung bevorzugt bei der Erstinbetriebnahme der Injektoren im Werk oder dgl. eine Kalibrierung bzw. Nullung der Ladungsmenge. Davon ausgehend wird dann noch die Änderung der Ladungsmenge über der Zeit bewertet, d.h. es ist danach vorteilhaft keine Absolutbewertung der Ladungsmenge mehr erforderlich, womit sich das Verfahren erheblich vereinfacht und daher kostengünstig in einem Kraftfahrzeug realisiert werden kann.
- Die gleichermaßen vorgeschlagene Vorrichtung sieht zur Lösung der genannten Aufgabe bevorzugt Mittel zur Beaufschlagung des Injektors mit einer konstanten Ansteuerspannung, zur Erfassung der bei der konstanten Ansteuerspannung in den Injektor einfließenden Ladungsmenge, zum Vergleichen der erfassten Ladungsmenge mit einem vorgegebe nen Wert für die Ladungsmenge und zur Veränderung der Ansteuerspannung des jeweiligen Injektors in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs vor.
- Die Erfindung ermöglicht eine kostengünstige und gleichzeitig präzise und zuverlässige Korrektur der vorbeschriebenen Drifterscheinung(en), welche in einer weiteren Ausgestaltung mit noch erhöhter Präzision anhand von in dem jeweiligen Betriebszustand gelernten Korrekturwerten erfolgt.
- Zeichnung
- Die Erfindung wird nachfolgend, unter Bezugnahme auf die Zeichnung, anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele eingehender beschrieben, aus denen weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervorgehen.
- Im Einzelnen zeigen
-
1 eine Prinzipdarstellung eines Teils eines zum Einsatz der vorliegenden Erfindung geeigneten Common-Rail-Einspritzsystems gemäß dem Stand der Technik; -
2 eine schematische, ausschnittweise Darstellung eines Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen im Längsschnitt gemäß dem Stand der Technik; und -
3 ein Blockschaltbild zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung. - Beschreibung
- In der
1 ist der Hochdruckteil eines für sämtliche von der Erfindung umfassten Kraftstoffzumesssysteme stellvertretend stehenden Common-Rail-Einspritzsystems dargestellt, wobei nachfolgend nur dessen Hauptkomponenten und solche Komponenten näher erläutert werden, welche für das Verständnis der Erfindung wesentlich sind. - Die gezeigte Anordnung weist eine Hochdruckpumpe
10 auf, welche über eine Hochdruckleitung12 mit einem Hochdruckspeicher ("Rail")14 druckleitend in Verbindung steht. Der Hochdruckspeicher14 ist über weitere Hochdruckleitungen mit Injektoren18 verbunden. In der vorliegenden Darstellung sind zur Vereinfachung nur eine Hochdruckleitung16 und ein Injektor18 gezeigt. Der Injektor18 ist in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Das dargestellte Einspritzsystem wird von einem Motorsteuergerät20 gesteuert. Durch das Motorsteuergerät20 erfolgt insbesondere eine Steuerung des gezeigten Injektors18 . - An dem Injektor
18 ist eine Einrichtung22 zum Speichern von Informationen angeordnet, mittels derer eine individuelle Steuerung des Injektors18 durch das Motorsteuergerät20 ermöglicht wird. Es versteht sich, dass in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auch die anderen – hier nicht gezeigten – Injektoren eine entsprechende Einrichtung22 aufweisen. Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass nur einer der Injektoren eine solche Speichereinrichtung22 aufweist, die dann ebenfalls von den übrigen Injektoren genutzt wird. Bei den genannten Informationen handelt es sich vorzugsweise um Korrekturwerte für ein bevorzugt im Motorsteuergerät angeordnetes Mengenkennfeld des Injektors18 . Die Speichereinrichtung22 kann bspw. als digitaler Datenspeicher ggf. mit einer alphanumerischen Verschlüsselung der Informationen oder dgl., als einer oder mehrere elektrische Widerstände, als Barcode, oder auch als eine integrierte Halbleiterschaltung realisiert sein. Das Motorsteuergerät20 kann ebenfalls eine zusätzliche integrierte Halbleiterschaltung zur Auswertung der in der Einrichtung22 gespeicherten Informationen aufweisen. - Die von dem jeweiligen Injektor
18 zugemessene Einspritzmenge wird, in Abhängigkeit von dem Raildruck, in dem bereits genannten im Motorsteuergerät20 gespeicherten Mengenkennfeld festgelegt, wobei das Mengenkennfeld aufgrund mehrerer Prüfpunkte, die unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine entsprechen, ermittelt wird. An diesen Prüfpunkten wird jeweils ein Mengenabgleich in an sich bekannter Weise vorgenommen. Die Einspritzmenge wird dabei durch die Einspritzdauer des Injektors bestimmt, d.h. die Zeit, die zwischen dem Einspritzbeginn und dem Einspritzende eines Einspritzvorganges vergeht. - Um eine Kraftstoffmengenzumessung im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine und des Injektors zu ermöglichen, werden die Abgleichwerte zwischen den durch die Prüfpunkte definierten Stützstellen interpoliert.
- In der
2 ist ein aus derDE 100 02 270 C1 hervorgehendes piezoelektrisch gesteuertes Einspritzventil101 in größerem Detail in einer Schnittzeichnung dargestellt. Das Einspritzventil101 weist eine piezoelektrische Einheit104 zur Betätigung eines in einer Bohrung113 eines Ventilkörpers107 axial verschiebbaren Ventilglieds103 auf. Das Einspritzventil101 weist ferner einen an die piezoelektrische Einheit104 angrenzenden Stellkolben109 sowie einen an ein Ventilschließglied115 angrenzenden Betätigungskolben114 auf. Zwischen den Kolben109 ,114 ist eine als hydraulische Übersetzung arbeitende Hydraulikkammer116 angeordnet. Das Ventilschließglied115 wirkt mit wenigstens einem Ventilsitz118 ,119 zusammen und trennt einen Niederdruckbereich120 von einem Hochdruckbereich121 . Eine nur schematisch angedeutete elektrische Steuereinheit112 liefert die Ansteuerspannung für die piezoelektrische Einheit104 , und zwar in Abhängigkeit vom jeweils herrschenden Druckniveaus im Hochdruckbereich121 . - Die in der
3 schematisch gezeigte Anordnung umfasst einen steuerbaren Spannungsgeber200 , mit dessen Ausgangsspannung (= Ansteuerspannung) ein vorliegend für das jeweilige Einspritzsystem repräsentativer Injektor205 in der vorbeschriebenen Weise zum Zwecke seiner Ansteuerung beaufschlagt wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Spannungsgeber200 in zwei Betriebsmodi betrieben, und zwar einem ,Mode1' mit einer idealerweise stufenförmig von Null auf einen vorgegebenen Wert der Ansteuerspannung ansteigenden Ausgangsspannung und einen ,Mode2' mit einer ebenfalls stufenförmig von der Ansteuerspannung auf den Wert Null abfallenden Ausgangsspannung. Die Bedeutung dieser beiden Betriebsmodi wird aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich. - Die Ausgangsspannung des Spannungsgebers
200 liegt zunächst an einem Ladungsmesser210 an, welcher die in den Injektor205 einströmende bzw. abströmende momentane Ladungsmenge erfasst. Eine in den Injektor205 einströmende Ladungsmenge ergibt sich insbesondere in dem genannten Betriebsmodus ,Mode1' , wohingegen eine abströmende Ladungsmenge im ,Mode2' resultiert. Der Ladungsmesser210 ist mit einem Integral bildner215 verbunden, der die von dem Ladungsmesser210 bereitgestellten momentanen Ladungswerte über die Zeit aufintegriert und den jeweils sich ergebenden Wert der Gesamtladungsmenge an einen Zwischenspeicher220 übergibt. Werden die beiden genannten Betriebsmodi nacheinander ausgeführt, liegen in dem Zwischenspeicher220 demnach jeweils ein Wert für die Gesamtladungsmenge bei Ladungsabfluss und ein Wert bei Ladungszufluss vor. - Ein mit dem Zwischenspeicher
220 verbundenes Mittelkwertberechnungsmodul225 berechnet aus diesen beiden Werten den Mittelwert und übergibt den berechneten Mittelwert als Istwert Q_Ist an ein Vergleichermodul235 . Das Vergleichermodul235 erhält einen Sollwert Q_Soll dadurch, dass die vom dem Spannungsgeber200 gelieferte Ausgangsspannung mittels eines für den jeweiligen Injektor im Vorfeld ermittelten Kennfeldes „Ansteuerspannung über Gesamtladungsmenge"230 in einen Ladungswert umgerechnet wird, der dann unmittelbar dem Wert Q_Soll entspricht. Dem Kennfeld liegt die Beziehung U = Q/C mit C = (effektive) elektrische Kapazität des Injektors bzw. seines Aktors zugrunde. - Das Vergleichermodul
235 berechnet die Differenz Q_Soll – Q_Ist. Im Falle, dass sich bei dem Vergleich Q_Ist > Q_Soll ergibt, liefert das Vergleichermodul235 die Information ,Spannungserniedrigung' an ein Steuermodul240 , welches wiederum mit einem Steueranschluss245 des Spannungsgebers200 verbunden ist. Im Gegensatz dazu liefert das Vergleichermodul235 im Falle von Q_Ist < Q_Soll die Information ,Spannungserhöhung' an das Steuermodul240 . Die Absolutbeträge der Spannungserniedrigung bzw. Spannungserhöhung ergeben sich aus dem Zusammenhang ΔU = Δ(Q_Ist, Q_Soll)/C. - Die im Vergleichermodul verarbeiteten Ladungswerte werden ggf. noch über das genannte Kennfeld
230' in entsprechende Spannungswerte umgerechnet. Es versteht sich, dass es bei der Erfindung nicht darauf ankommt, ob in dem Vergleichermodul 235 Ladungswerte oder Spannungswerte verarbeitet werden und die Umrechnung mittels des Kennfeldes230 ,230' dann je nach Erfordernis erfolgt. - Gemäß einer alternativen Anordnung bzw. Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wert Q_Soll nur einmalig anhand einer vor der eigentlichen Inbetrieb nahme der zugrundeliegenden Kraftfahrzeuges durchgeführten Nullkalibrierung ermittelt. Dieser Wert Q_Soll wird dann im nachfolgenden Betrieb ständig bzw. unverändert zugrundegelegt. Dies hat den Vorteil, dass einige der vorbeschriebenen Verarbeitungsschritte bzw. Funktionsmodule entfallen können, hat aber gleichzeitig auch den Nachteil, dass sich die Güte des Wertes Q_Soll verringert.
- Es ist anzumerken, dass die vorbeschriebene Erfassung und Auswertung der in den Injektor einfließenden Ladungsmenge zusammen mit der aus dem Injektor hinausfließenden Ladungsmenge nur bevorzugt ist und daher die gestrichelt umrahmten
255 Funktionskomponenten sowie die beiden Betriebsmodi250 des Spannungsgebers200 nicht zwingend erforderlich sind. - Die vorbeschriebene Anordnung bzw. das dieser Anordnung zugrundeliegende Verfahren können entweder in Form einer eigenen Steuerschaltung oder in Form eines in einem Motorsteuergerät vorgesehenen Steuerprogramms implementiert werden.
Claims (9)
- Verfahren zur Steuerung eines Injektors eines Kraftstoffzumesssystems einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor mit einer im Wesentlichen konstanten Ansteuerspannung beaufschlagt wird und die bei der im Wesentlichen konstanten Ansteuerspannung in den Injektor einfließende Ladungsmenge erfasst wird, dass die erfasste Ladungsmenge mit einem vorgegebenen Wert für die Ladungsmenge verglichen wird und dass in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleichs wenigstens eine Steuergröße des Injektors verändert wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Steuergröße des Injektors seine Ansteuerspannung verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Ansteuerspannung des Injektors abgeschaltet wird und die aus dem Injektor abfließende Ladungsmenge erfasst wird und dass anhand der erfassten Werte für die einfließende und die abfließende Ladungsmenge ein mathematisches Mittel gebildet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bevorzugt vor der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine eine einen Nullwert liefernde Nullkalibrierung der in den Injektor einfließenden und/oder der aus dem Injektor abfließenden Ladungsmenge durchgeführt wird und die Veränderung der Ansteuerspannung im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine anhand der Änderung einer momentan erfassten Ladungsmenge gegenüber dem Nullwert erfolgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Ladungsmenge mit einem vorgegebenen, die elektrische Span nung in Abhängigkeit von der elektrischen Ladung enthaltenden Kennfeld verglichen wird und anhand des Kennfeldes die Veränderung der Ansteuerspannung ermittelt wird.
- Vorrichtung zur Steuerung eines Injektors eines Kraftstoffzumesssystems einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch Mittel zur Beaufschlagung des Injektors mit einer im Wesentlichen konstanten Ansteuerspannung, zur Erfassung der bei der im Wesentlichen konstanten Ansteuerspannung in den Injektor einfließenden Ladungsmenge, zum Vergleichen der erfassten Ladungsmenge mit einem vorgegebenen Wert für die Ladungsmenge und zur Veränderung wenigstens einer Steuergröße des Injektors in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs.
- Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Mittel zur vorübergehenden Abschaltung der Ansteuerspannung des Injektors, zur Erfassung der aus dem Inj ektor abfließenden Ladungsmenge und zur Berechnung eines mathematischen Mittelwertes der Ladungsmenge anhand der erfassten Werte für die einfließende und die abfließende Ladungsmenge.
- Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch Mittel zur Durchführung einer Nullkalibrierung der in den Injektor einfließenden und/oder der aus dem Injektor abfließenden Ladungsmenge und zur Veränderung der Ansteuerspannung im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine anhand der Änderung einer momentan erfassten Ladungsmenge gegenüber dem Nullwert.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch ein vorgegebenes, die elektrische Spannung in Abhängigkeit von der elektrischen Ladung enthaltendes Kennfeld und Mittel zum Vergleichen der erfassten Ladungsmenge mit dem vorgegebenen Kennfeld sowie zur Ermittlung der Veränderung der Ansteuerspannung anhand des Kennfeldes.
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