DE19705463A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegrif­ fen der unabhängigen Ansprüche.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine sind beispielsweise aus der DE-OS 26 53 046 (US 4,265,200) bekannt. Dort werden ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer selbstzün­ denden Brennkraftmaschine beschrieben, wobei abhängig von Betriebskenngrößen eine Steuergröße zur Beeinflussung der Kraftstoffzumessung, insbesondere des Beginns der Einsprit­ zung vorgegeben wird.

Die Steuergrößen werden dabei so vorgegeben, daß sich insbe­ sondere bei den Abgasemissionen günstige Werte ergeben. Bei ungünstigen Toleranzen des Einspritzsystems, kann der Fall eintreten, daß in einzelnen oder in allen Zylindern zu hohe Verbrennungsspitzendrücke auftreten, die einen Beschädigung der Brennkraftmaschine zur Folge haben können.

Die Toleranzen können bei gesteuerten Systemen, bei denen keine Rückmeldung über den Istwert erfolgt, relativ groß sein. Eine Rückmeldung des Istwertes erfolgt häufig nicht, da kein geeigneter Sensor zur Verfügung steht bzw. der Sen­ sor aus anderen Gründen nicht verwendet werden kann.

Es sind Sensoren bekannt, mittels denen der Druck im Brenn­ raum einer Brennkraftmaschine erfaßt werden kann. Ein sol­ cher Sensor ist beispielsweise in der Zeitschrift MTZ Motor­ technische Zeitschrift 57 (1996) 1 auf den Seiten 16 bis 22 beschrieben.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfah­ ren und einer Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftma­ schine unzulässig hohe Verbrennungsspitzendrücke zu vermei­ den, wobei gleichzeitig die Abgasemissionen möglichst nicht verschlechtert werden.

Vorteile der Erfindung

Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist es möglich, die Verbrennungsspitzendrücke auf zulässige Werte zu begrenzen, wobei gleichzeitig die Abgasemissionen nur unwesentlich be­ einträchtigt werden.

Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Brennkraftmaschine sowie deren Steuerung, Fig. 2 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 3 ein Flußdiagramm der erfindungsgema­ ßen Vorgehensweise.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Kraftstoffzumeßsystem am Beispiel einer Verteilereinspritzpumpe einer Dieselbrennkraftmaschine be­ schrieben. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist aber nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, sie kann auch bei anderen Kraftstoffzumeßsystemen verwendet werden, wenn entsprechende Elemente vorgesehen sind.

Eine Brennkraftmaschine ist mit 100 bezeichnet. Diese Brenn­ kraftmaschine 100 umfaßt in dem dargestellten Ausführungs­ beispiel vier Zylinder. Jedem der Zylinder ist ein Brenn­ raumdrucksensor 110, 112, 113 und 114 zugeordnet. Bei einer vereinfachten Ausführungsform der Erfindung ist lediglich ein Brennraumdrucksensor 110 vorgesehen. Jedem Zylinder ist desweiteren ein Einspritzventil 120, 121, 122 und 123 zuge­ ordnet.

Den Einspritzventilen 120 bis 123 wird von einer Kraftstoff­ pumpe 140 Kraftstoff zugeführt. Dieser gelangt dann über die Einspritzventile in die Zylinder der Brennkraftmaschine und wird dort verbrannt. Die Kraftstoffpumpe 140 umfaßt ein Men­ gensteller 142 und ein Spritzbeginnsteller 144. Der Mengensteller 142 wird mit einem Ansteuersignal A2 und der Spritz­ beginnsteller 144 mit einem Ansteuersignal A1 beaufschlagt. Desweiteren sind an der Brennkraftmaschine verschiedene Sen­ soren 130 angeordnet, die beispielsweise ein Signal N bezüg­ lich der Drehzahl der Brennkraftmaschine bereitstellen.

Die Ausgangssignale der Brennraumdrucksensoren 110 bis 114 und der weiteren Sensoren 130 werden einer Steuerung 150 zu­ geleitet, die wiederum die Ansteuersignale A1 und A2 bereit­ stellt. Die Steuerung 150 verarbeitet ferner Ausgangssignale weiterer Sensoren 160, die beispielsweise ein Signal FP lie­ fern, das der Fahrpedalstellung entspricht und den Fahrer­ wunsch anzeigt.

Die Kraftstoffpumpe und die zugeordneten Mengensteller 142 und 144 sind lediglich beispielhaft dargestellt. Bei her­ kömmlichen Systemen wie beispielsweise Verteilereinspritz­ pumpen ist ein Mengensteller und ein Spritzbeginnsteller vorgesehen. Bei neueren Systemen ist lediglich ein Magnet­ ventil vorgesehen, das die Aufgaben des Mengenstellers und des Spritzbeginnstellers übernimmt. Insbesondere bei Com­ mon-Rail-Systemen ist vorgesehen, daß die Pumpe und die Steller getrennt sind. Dort ist lediglich eine Pumpe vorge­ sehen, die einen Kraftstoffdruck erzeugt. Der Spritzbeginn und die Einspritzmenge werden mittels Injektoren gesteuert, die die Einspritzventile 120 bis 123 ersetzen. Auch bei die­ sen Systemen ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise anwend­ bar.

Ausgehend von verschiedenen Betriebsparametern bestimmt die Steuerung 150 die Ansteuersignale A1 und A2, die den Spritz­ beginn und/oder die eingespritzte Kraftstoffmenge festlegen. Ausgehend von diesen Signalen werden die entsprechenden Steller angesteuert und zum vorgesehenen Zeitpunkt beginnt und endet die Kraftstoffzumessung.

Insbesondere bei Dieselbrennkraftmaschinen hat der Ein­ spritzzeitpunkt einen erheblichen Einfluß auf die Verbren­ nung und damit auch auf die auftretenden Abgasemissionen. Um eine möglichst emissionsarme Verbrennung erzielen zu können, wird der Spritzbeginn abhängig von verschiedenen Betriebspa­ rametern, wie beispielsweise der Drehzahl und der einge­ spritzten Kraftstoffmenge, vorgegeben. Ausgehend von diesem Wert wird dann das Ansteuersignal A1 zur Beeinflussung des Spritzverstellers ausgegeben.

Aufgrund von Toleranzen insbesondere bei der Kraftstoffpum­ pe, des Spritzbeginnstellers und/oder der Kraftstoffqualität wird bei gleichem Ansteuersignal A1 zu unterschiedlichen Zeitpunkten Kraftstoff zugemessen. Diese Toleranzen führen dazu, daß sich unter ungünstigen Randbedingungen ein sehr hoher Verbrennungsspitzendruck ergibt. Wird das Kennfeld für den Spritzbeginn so optimiert, daß sich bei allen Randbedin­ gungen kein unzulässiger Spitzendruck einstellt, so führt dies dazu, daß sich bei bestimmten Bedingungen erhöhte Abga­ semissionen ergeben. Dies ist insbesondere bei hohen Dreh­ zahlen und/oder im oberen Lastbereich der Fall.

Erfindungsgemäß wird nun so vorgegangen, daß die Spritzbe­ ginnsteuerung und/oder die Spritzbeginnregelung so ausgelegt ist, daß möglichst günstige Emissionswerte auftreten, jedoch die Gefahr besteht, daß insbesondere im oberen Drehzahlbe­ reich und/oder oberen Lastbereich der Verbrennungsspitzen­ druck bei ungünstigen Toleranzen der Einspritzanlage zu hoch sein kann. Ein Brennraumdrucksensor 110 erfaßt den Spitzen­ druck. Erreicht der Brennraumdruck einen Grenzwert, wird der Spritzbeginn so verstellt, daß der Brennraumdruck absinkt. Durch diese Vorgehensweise wird erreicht, daß in den meisten Betriebsbedingungen die günstigen Abgaswerte erhalten blei­ ben und lediglich in einigen kritischen Betriebsbedingungen sich ungünstigere Abgaswerte ergeben. Fall der hohe Brenn­ raumdruck eindeutig ein Indiz für einen im Toleranzbereich befindlichen aber relativ frühen Spritzbeginn ist, können durch die Korrektur sogar günstigere Abgaswerte erreicht werden.

In Fig. 2 ist die entsprechende Regelung für den Spritzbe­ ginn anhand eines Blockdiagramms dargestellt. Bereits in Fig. 1 beschriebene Elemente sind mit entsprechenden Bezugs­ zeichen bezeichnet.

Mit 200 ist eine Sollwertvorgabe bezeichnet, der das Aus­ gangssignal N des Drehzahlsensors 130 sowie ein Kraftstoff­ mengensignal QK einer Mengenvorgabe 210 zugeführt wird. Die Mengenvorgabe 210 verarbeitet das Ausgangssignal der Senso­ ren 130 und der Sensoren 160. Mit dem Ausgangssignal A2 der Mengenvorgabe 210 wird ferner das Mengenstellwerk 142 beauf­ schlagt.

Als Kraftstoffmengensignal QK, das der Sollwertvorgabe 200 zugeführt wird, kann zum einen das Ansteuersignal A2 dienen, zum anderen können auch andere Signale, die die eingespritz­ te Kraftstoffmenge charakterisieren, verwendet werden.

Die Sollwertvorgabe 200 gibt einen Sollwert SBS für den Spritzbeginn vor. Das Ausgangssignal SBS der Sollwertvorgabe 200 gelangt über ein Verknüpfungspunkt 240 zu einem Spritz­ beginnregler 220. Im Verknüpfungspunkt 240 wird dem Aus­ gangssignal SBS der Sollwertvorgabe 220 das Ausgangssignal einer Korrekturwertermittlung 250 überlagert. Die Korrektur­ wertermittlung erfaßt zumindestens das Ausgangssignal P ei­ nes Brennraumdrucksensors 110. Ausgehend von diesem korri­ giertem Signal bestimmt ein Spritzbeginnregler 220 eine Aus­ gangsgröße, mit der eine Steuersignalvorgabe 230 beauf­ schlagt wird. Mit dem Ausgangssignal A1 wird der Spritzbe­ ginnsteller 144 beaufschlagt.

Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß die Korrekturwer­ termittlung 250 unmittelbar die Werte der Sollwertvorgabe 200 beeinflußt.

Der Spritzbeginnregler 220 ist wie folgt aufgebaut. Der Sollwert SBS gelangt über ein Verknüpfungspunkt 222 zu dem Regler 224. Im Verknüpfungspunkt 222 wird der Sollwert SBS mit dem Istwert SBI, der von einer Istwertvorgabe 226 stammt, verknüpft. Als Istwertvorgabe kann beispielsweise ein Nadelbewegungsfühler verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise kann sowohl bei geregel­ ten Systemen mit Spritzbeginnregler 220 als auch bei Syste­ men mit Steuerung des Spritzbeginns, also ohne Spritzbeginn­ regler 220 verwendet werden.

Die dargestellte Einrichtung arbeitet wie folgt: Ausgehend von einem Signal, das die eingespritzte Kraftstoffmenge QK anzeigt und wenigstens dem Drehzahlsignal N, gibt die Soll­ wertvorgabe 200 einen Sollwert SBS für den Spritzbeginn vor. Dieser Sollwert wird so gewählt, daß er zu minimalen Emis­ sionen führt.

Ist eine Regelung vorgesehen, so wird dieser Wert im Ver­ knüpfungspunkt 222 mit dem Istwert verglichen. Ausgehend von diesem Vergleich gibt der Regler ein Ansteuersignal vor. Dieses Signal gelangt zur Steuersignalvorgabe 230.

Ist keine Regelung vorgesehen, so gelangt der Sollwert SBS unmittelbar zur Steuersignalvorgabe 230. In dieser wird ein Ansteuersignal A zur Beaufschlagung des Stellwerks 144 vor­ gegeben.

Die Korrekturwertermittlung 250 überprüft, ob der Maximal­ wert des Brennraumdrucks P größer als ein Schwellwert ist.

Ist dies der Fall, so wird der Sollwert SBS entsprechend korrigiert. Vorzugsweise wird das Signal so korrigiert, daß der Spritzbeginn nach spät verstellt wird.

Die Vorgehensweise ist detaillierter in Fig. 3 als Flußdia­ gramm dargestellt.

In einem ersten Schritt 300 wird der Sollwert SBS für den Spritzbeginn von der Sollwertermittlung 300 ausgehend von verschiedenen Betriebskenngrößen ermittelt. Anschließend folgt in Schritt 310 die Ansteuerung der entsprechenden Steller und die Kraftstoffzumessung. Der maximal auftretende Brennraumdruck P während der Verbrennung wird in Schritt 320 erfaßt. Die Abfrage 330 überprüft, ob dieser Spitzenwert des Brennraumdruckes P größer als ein Schwellwert S ist. Ist dies nicht der Fall, so folgt erneut Schritt 300 oder bei einer Ausgestaltung der Erfindung Schritt 400. Ist dies der Fall, so wird in Schritt 340 ein Korrekturwert SK um einen vorgebbaren Wert K1 erhöht.

Die sich anschließende Abfrage 350 überprüft, ob der Wert SK größer als ein Schwellwert SW ist. Ist dies nicht der Fall, so wird in Schritt 360 der Spritzbeginnsollwert SBS um den Wert SK korrigiert.

Dies bedeutet, ist der Spitzenwert des Brennraumdrucks P in einem Brennraum zu groß, so wird der Sollwert SBS bzw. das Ansteuersignal A1 für den Spritzbeginn derart korrigiert, daß der Spritzbeginn so verstellt wird, daß der Spitzenwert des Brennraumdrucks abnimmt. Vorzugsweise erfolgt dies so, daß der Spritzbeginn nach spät verstellt wird. Besonders vorteilhaft ist, daß der Spritzbeginn in kleinen Schritten, das heißt, um den Wert K1 nach spät verstellt wird, bis ein zulässiger Brennraumdruck S erreicht ist.

Der maximal notwendige Korrekturwert SW ist aufgrund der Kenntnis der möglichen Toleranzen bekannt. Auf diesen maxi­ mal möglichen Wert wird der Korrekturwert SK in Schritt 350 begrenzt. Dies bedeutet, ist der Wert SK größer als SW, so wird in Schritt 370 der Wert SK auf den Wert SW begrenzt.

Anschließend wird in Schritt 380 ein zweiter Korrekturwert MK um einen zweiten Wert K2 erhöht. Im anschließenden Schritt 399 wird die einzuspritzende Kraftstoffmenge QK um diesen Korrekturwert MK verringert. Dies bedeutet, reicht die Korrektur des Spritzbeginns nicht zu einer ausreichenden Absenkung des Spitzenwerts des Brennraumdrucks aus, wird die Einspritzmenge QK ebenfalls stufenweise reduziert.

Anschließend an die Schritte 399 und 360 erfolgt erneut Schritt 300.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Korrektur des Spritz­ beginns und/oder der Einspritzmenge rückgängig gemacht wird, wenn der maximale Brennraumdruck unter den höchstzulässigen Wert fällt. Diese Rücknahme erfolgt vorzugsweise stufenwei­ se, bis der maximale Brennraumdruck gerade den Schwellwert S erreicht. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Anstieg des Brennraumdrucks auf eine temporäre Beeinflussung zurück­ zuführen ist. Dies ist beispielsweise bei sich ändernden Kraftstoffeigenschaften der Fall.

In der Fig. 3 ist diese Ausgestaltung in den Schritten 400 bis 430 dargestellt. Die Abfrage 400 überprüft, ob der Kor­ rekturwert SK kleiner oder gleich Null ist. Ist dies der Fall, das heißt es erfolgte keine Korrektur des Spritzbe­ ginns, so folgt Schritt 420. Ist dies nicht der Fall, das heißt es erfolgte eine Korrektur des Spritzbeginns, so folgt Schritt 410. In Schritt 410 wird der Korrekturwert SK um den Wert K1 verringert, daß heißt die Korrektur des Spritzbe­ ginns wird zurückgenommen. Der Wert K1 kann auch von dem Wert K1 im Schritt 340 abweichen. Anschließend folgt Schritt 420.

Die Abfrage 420 überprüft, ob der Korrekturwert MK kleiner oder gleich Null ist. Ist dies der Fall, das heißt es er­ folgte keine Korrektur des Einspritzmenge, so folgt Schritt 300. Ist dies nicht der Fall, das heißt es erfolgte eine Korrektur der Einspritzmenge, so folgt Schritt 430. In Schritt 430 wird der Korrekturwert MK um den Wert K2 verrin­ gert, daß heißt die Korrektur der Einspritzmenge wird zu­ rückgenommen. Der Wert K2 kann auch von dem Wert K2 im Schritt 380 abweichen. Anschließend folgt Schritt 300.

In der Fig. 2 und in der Fig. 3 wurde die Erfindung am Beispiel eines Brennraumdrucksensors beschrieben. Erfin­ dungsgemäß ist es auch möglich, einen Brennraumdrucksensor für jeden Zylinder vorzusehen, und eine entsprechende Kor­ rektur gemäß Fig. 2 bzw. gemäß Fig. 3 für jeden Zylinder vorzusehen.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß der Korrekturwert SK in allen Betriebspunkten verwendet wird. Dies bedeutet, daß ein Korrekturwert für das gesamte Sollwertkennfeld gilt. Zusätzlich und/oder alternativ kann auch vorgesehen sein, daß lediglich eine betriebspunktabhängige Korrektur erfolgt. Beispielsweise ist es vorteilhaft, daß die Korrektur im obe­ ren Last- und/oder Drehzahlbereich wirkt. Dies bedeutet eine Korrektur des Sollwerts erfolgt nur bei den Betriebspunkten und/oder Kennfeldwerten, bei denen die Drehzahl N größer als eine Schwelle ist und/oder die einzuspritzende Kraftstoff­ menge QK größer als ein Schwellwert ist.

Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise wird bei der Ausle­ gung des Spritzbeginnkennfeldes 200 ein Freiheitsgrad gewon­ nen, da ein zu hoher Verbrennungsspitzendruck nicht berück­ sichtigt werden muß, sondern nur auf korrekte Emissionswerte optimiert werden muß. Besonders vorteilhaft ist die direkte Messung der kritischen Motorgröße Verbrennungsspitzendruck. Die Auswertung des Brennraumdrucksignals P ist sehr einfach, da lediglich der Spitzenwert, das heißt der maximale Wert des Brennraumdrucks, bei einer Verbrennung erfaßt wird.

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, insbe­ sondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, wobei ab­ hängig von Betriebskenngrößen Steuergrößen zur Beeinflussung der Kraftstoffzumessung vorgebbar sind, dadurch gekennzeich­ net, daß abhängig von einer Größe, die den Brennraumdruck in wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine charakte­ risiert, ein Wert zur Korrektur der Steuergröße vorgebbar ist, wenn die Größe, die den Brennraumdruck in wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine charakterisiert, ei­ nen Schwellwert übersteigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergröße den Einspritzbeginn und/oder die einzusprit­ zende Kraftstoffmenge beeinflußt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Einspritzbeginn nach spät ver­ stellt und/oder die einzuspritzende Kraftstoffmenge verrin­ gert wird, wenn die Größe den Schwellwert übersteigt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ,Einspritzbeginn wieder nach früh verstellt und/oder die einzuspritzende Kraftstoffmenge wieder erhöht, wenn die Grö­ ße den Schwellwert wieder unterschreitet.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Brennraumdruck in allen Brenn­ räumen meßbar ist und für jeden Brennraum individuelle Kor­ rekturwerte ermittelt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Korrekturwerte in allen Be­ triebspunkten oder nur im oberen Drehzahl- und/oder Lastbe­ reich verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Korrekturwerte begrenzt sind.

8. Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, mit ersten Mitteln, die abhängig von Betriebskenngrößen Steuer­ größen zur Beeinflussung der Kraftstoffzumessung vorgeben, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die ab­ hängig von einer Größe, die den Brennraumdruck in wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine charakterisiert, ein Wert zur Korrektur der Steuergröße vorgeben, wenn die Größe, die den Brennraumdruck in wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine charakterisiert, einen Schwellwert über­ steigt.