DE19803689C1 - Verfahren zum Bestimmen der Einspritzdauer bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Bestimmen der Einspritzdauer bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine

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Abstract

Die Einspritzzeit wird mit einem Korrekturfaktor beaufschlagt, der sowohl die Druckdifferenz zwischen Kraftstoffdruck und dem aktuellen Zylinderdruck, als auch die Kraftstoffdichte zum Zeitpunkt des Einspritzens beinhaltet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Einspritzdauer bei einer direkteinspritzenden Brennkraft­ maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung beinhalten ein großes Potential zur Reduktion des Kraftstoffverbrauches bei relativ geringem Schadstoffausstoß. Im Gegensatz zur Saug­ rohreinspritzung wird bei einer Direkteinspritzung Kraftstoff mit hohem Druck direkt in den Verbrennungsraum eingespritzt.
Bei direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschinen kann sowohl der Kraftstoffdruck als auch der Druck im Zylinder, also der Gegendruck am Einspritzventil, innerhalb eines großen Wertebereiches liegen. Typische Werte für den Kraftstoffdruck liegen im Bereich von 3,5 bar-120 bar, typische Werte für den Zylinderdruck bei aktiver Einspritzung liegen im Bereich von 0,3 bar-20 bar. Der Differenzdruck am Einspritzventil ergibt sich aus der Differenz von Kraftstoffdruck und aktuellem Zylinderdruck.
Es ist somit keine eindeutige Zuordnung von Einspritzdauer zu Kraftstoffmasse möglich. Soll eine definierte Kraftstoffmasse eingespritzt werden, so muß eine Korrektur der Einspritzdauer erfolgen. Weiterhin handelt es sich um eine dynamische Korrektur, da sich der Zylinderdruck zyklisch ändert.
Eine weitere Größe, die den Zusammenhang zwischen Einspritz­ dauer und Kraftstoffmasse beeinflußt, ist die Kraftstoff­ temperatur und damit einhergehend die Kraftstoffdichte.
Aus der DE 42 21 091 A1 ist ein System zum Steuern der Kraftstoffeinspritzung in einer Brennkraftmaschine bekannt. Das System weist einen Einspritzer zur Direkteinspritzung von Kraftstoff in einen Zylinder auf, eine Zylinderdruckdedek­ tiereinrichtung, um den Druck im Zylinder bei der Einsprit­ zung zu detektieren, eine Recheneinrichtung um einen Korrek­ turbeiwert nach Maßgabe einer Differenz zwischen dem Zylin­ derdruck und dem Kraftstoffdruck zu bilden und eine Korrek­ tureinrichtung. Diese Korrektureinrichtung dient zur Multi­ plikation des Korrekturbeiwertes mit einer Kraftstoffein­ spritzdauer, durch die eine Einspritzdauer nach Maßgabe einer Änderung des Einspritzzeitpunkts geändert wird.
In der DE 195 47 644 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Steuerung der Kraftstoffzumessung in eine Brenn­ kraftmaschine, insbesondere eine selbstzündende Brennkraftma­ schine beschrieben, wobei die einzuspritzende Kraftstoffmenge abhängig von Betriebskenngrößen vorgebbar ist. Es wird eine erste Größe berücksichtigt, die die Temperatur des Kraftstoff charakterisiert. Ein Korrekturwert für die Kraftstoffmenge ist ausgehend von der ersten und einer zweiten Größe vorgeb­ bar. Die zweite Größe charakterisiert den Druck des Kraft­ stoffs. Eine Berücksichtigung des Zylinderdruckes zum Ein­ spritzzeitpunkt ist nicht vorgesehen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen der Einspritzdauer bei einer mit Direkteinspritzung arbeitenden Brennkraftmaschine anzugeben, mit dem eine möglichst genaue Zumessung der geforderten Kraftstoffmasse ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Durch Berücksichtigen sowohl des Differenzdruckes zwischen Einspritzventil und Zylinderdruck, als auch der Kraftstoffdichte mittelbar über die Kraftstofftemperatur zum Zeitpunkt des Einspritzvorganges bei der Bestimmung der Injektoransteuerdauer wird es auf einfache Weise ermöglicht, die geforderte Einspritzmasse mit großer Genauigkeit zuzumessen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine,
Fig. 2 in graphischer Darstellung den Zusammenhang zwischen Einspritzdauer und Kraftstoffmasse und
Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Bestimmung eines Korrekturfaktors für die Einspritzdauer
Die Fig. 1 zeigt in grob schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine mit Hochdruck-Speichereinspritzung (Common Rail). Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind dabei nur dieje­ nigen Teile gezeichnet, die für das Verständnis der Erfindung notwendig sind. Insbesondere ist nur ein Zylinder einer mehr­ zylindrigen Brennkraftmaschine dargestellt.
Mit dem Bezugszeichen 10 ist ein Kolben bezeichnet, der in einem Zylinder 11 einen Verbrennungsraum 12 begrenzt. In den Verbrennungsraum 12 mündet ein Ansaugkanal 13, durch den ge­ steuert durch ein Einlaßventil 14 die Verbrennungsluft in den Verbrennungsraum 12 strömt. Gesteuert durch ein Auslaßventil 15 zweigt vom Verbrennungsraum 12 ein Abgaskanal 16 ab, in dessen weiterer Verlauf ein Sauerstoffsensor in Form einer breitbandigen (linearen) Lambdasonde 17 und ein NOx-Speicher­ katalysator 18 angeordnet ist. Der NOx-Speicherkatalysator dient dazu, um in Betriebsbereichen mit magerer Verbrennung die geforderten Abgasgrenzwerte einhalten zu können. Er ad­ sorbiert aufgrund seiner Beschichtung die bei magerer Ver­ brennung erzeugten NOx-Verbindungen im Abgas.
Die zur Verbrennung im Zylinder 11 notwendige Frischluft strömt über ein nichtdargestelltes Luftfilter und einen Luft­ massenmesser 19 in den Ansaugtrakt 13 zu der Drosselklappe 20. Bei dieser Drosselklappe 20 handelt es sich um ein elek­ tromotorisch angesteuertes Drosselorgan (E-Gas), dessen Öff­ nungsquerschnitt neben der Betätigung durch den Fahrer (Fahrerwunsch) abhängig vom Betriebsbereich der Brennkraftma­ schine über Signale einer elektronischen Steuerungseinrich­ tung 21 einstellbar ist. Damit lassen sich beispielsweise störende Lastwechselreaktionen des Fahrzeugs beim Gasgeben und -wegnehmen genauso reduzieren wie Drehmomentsprünge beim Übergang vom Betrieb mit homogenem Gemisch zum Betrieb mit geschichteter Ladung und ungedrosseltem Luftweg. Zugleich wird zur Überwachung und Überprüfung ein Signal für die Stel­ lung der Drosselklappe an die Steuerungseinrichtung 21 abge­ geben.
In den Verbrennungsraum 12 ragt eine Zündkerze 22 und ein Einspritzventil 23, durch das entgegen den Kompressionsdruck im Verbrennungsraum 12 Kraftstoff eingespritzt werden kann. Die Förderung und Bereitstellung des Kraftstoffes für dieses Einspritzventil 23 erfolgt durch ein bekanntes Common-Rail- System für Benzin-Direkteinspritzung. Der Kraftstoff wird da­ bei aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 24 mittels einer, in der Regel im Behälter angeordneten, einen Vorfilter aufwei­ senden Elektrokraftstoffpumpe 25 unter geringem Druck (typisch 1 bar) gefördert und anschließend über einen Kraft­ stoffilter 26 zu einer Kraftstoffhochdruckpumpe 27 geleitet. Diese Kraftstoffhochdruckpumpe 27 wird entweder mechanisch durch eine Kopplung mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschi­ ne oder elektrisch angetrieben. Sie erhöht den Kraftstoff­ druck auf einen Wert von typisch 100 bar in einem Hochdruck­ speicher 28 (common rail), an dem die Zuführleitungen aller Einspritzventile angeschlossen sind und der somit die Ein­ spritzventile mit Kraftstoff versorgt. Der Druck im Hoch­ druckspeicher 28 wird durch einen Drucksensor 29 von der Steuerungseinrichtung 21 erfasst. Abhängig von diesem Druck­ signal wird der Druck im Speicher 28 entweder auf einen kon­ stanten oder einen variablen Wert mittels eines Druckreglers 30 eingestellt. Überschüssiger Kraftstoff wird nicht in den Kraftstoffvorratsbehälter 24 zurückgeführt, sondern an die Eingangsleitung der Hochdruckpumpe 27.
Ein Temperatursensor 31 erfasst ein der Temperatur der Brenn­ kraftmaschine entsprechendes Signal, beispielsweise über eine Messung der Kühlmitteltemperatur. Die Drehzahl der Brenn­ kraftmaschine wird mit Hilfe eines Markierungen der Kurbel­ welle oder eines mit ihr verbundenen Geberrades abtastenden Sensors 32 erfaßt. Ein Saugrohrdrucksensor 33 erfaßt den Druck im Ansaugrohr. Beide Signale werden ebenso wie das Si­ gnal des Luftmassenmessers 19 und das Signal eines Tempera­ tursensors 34, der die Temperatur des Kraftstoffes mißt, der Steuerungseinrichtung 21 zur weiteren Verarbeitung, insbesondere zur Berechnung der Einspritzdauer zugeführt.
Weitere Steuerparameter, die zum Betrieb der Brennkraftma­ schine benötigt werden, wie beispielsweise Gaspedalstellung, Temperatur der Ansaugluft, Drosselklappenstellung, Signale von Klopfsensoren, Batteriespannung, Fahrdynamik-Anforder­ ungen usw. sind ebenfalls der Steuerungseinrichtung 21 zuge­ führt und sind allgemein in der Figur mit dem Bezugszeichen 35 gekennzeichnet. Über die bereits erwähnten Parameter wird in der Steuerungseinrichtung 21 durch Abarbeiten abgelegter Steuerungsroutinen u. a. der Lastzustand der Brennkraftmaschi­ ne erkannt. Die Steuerungseinrichtung 21 steuert darüberhin­ aus verschiedene Stellgeräte an, die jeweils einen Stellan­ trieb und ein Stellglied umfassen. Als Stellglieder seien beispielhaft genannt die Drosselklappe, und die Einspritzven­ tile. Die Signale für die Stellgeräte sind allgemein mit dem Bezugszeichen 36 gekennzeichnet. Desweiteren weist die Steuerungseinrichtung 21 einen Speicher 37 auf, in dem u. a. drei Kennfelder KF1-KF3 abgelegt sind, deren Bedeutung später näher erläutert wird.
Für einen Auslegungsdifferenzdruck - Kraftstoffdruck minus Druck am Einspritzventil - und eine Auslegungskraftstofftem­ peratur gilt ein linearer Zusammenhang zwischen Einspritz­ dauer ti und Kraftstoffmasse mk, wie er in der Fig. 2 dargestellt ist.
Die Einspritzdauer kann dabei wie folgt dargestellt werden:
ti = mk . c1 . c2 + d (1)
c1: Steigung der Geradengleichung Kraftstoffmasse über Einspritzdauer
c2: Korrekturfaktor für Temperatur- und Druckkorrektur gegenüber dem Auslegungspunkt
d: Nulldurchgang der Geradengleichung Kraftstoffmasse über Einspritzdauer
Der Nulldurchgang der Geradengleichung d ist identisch mit der Einspritzventiltotzeit.
Die Proportionalitätskonstante c1 gibt den Zusammenhang zwischen Einspritzdauer und Kraftstoffmasse für den Auslegungsbetriebspunkt wieder.
Für den Massenstrom durch ein geöffnetes Einspritzventil gilt folgender Zusammenhang.
mit
pk: Kraftstoffdruck
pz: Zylinderdruck
δ: Kraftstoffdichte
k: Kraftstoffmassenstrom
ARED: korrigierte Strömungsfläche
An der Drosselstelle, d. h. an der Öffnung des Einspritzventils auftretende Strömungsverluste werden durch die korrigierte Strömungsfläche, auch als reduzierter Strömungsquerschnitt bezeichnet, berücksichtigt.
Es ergibt sich eine direkte Proportionalität zwischen dem Kraftstoffdifferenzdruck, der Kraftstoffdichte und der eingespritzten Kraftstoffmasse über der Zeit. Wird der Auslegungspunkt mit dem Index 0 gekennzeichnet und die aktuellen Werte mit dem Index 1, so ergibt sich für die Proportionalitätskon­ stante C2 folgende Beziehung:
Die Konstante C2 für die Kraftstoffdichte- und Kraftstoffdif­ ferenzdruckkorrektur kann somit in 2 Faktoren c21 und c22 zer­ legt werden.
Zur Berechnung der Kraftstoffdifferenzdruckkorrektur muß der aktuelle Differenzdruck bekannt sein. Der Kraftstoffsystem­ druck wird bei direkteinspritzenden Systemen geregelt und steht als Meßgröße zur Verfügung.
Der Zylinderdruck steht im allgemeinen nicht als Meßgröße zur Verfügung. Der Zylinderdruck kann aus dem Saugrohrdruck zum Zeitpunkt Einlaßventil schließt aus der isentropen Verdich­ tung berechnet werden.
mit
pz: Zylinderdruck
ϕ: Kurbelwinkel
ps0: Saugrohrdruck zum Zeitpunkt Einlaßventil schließt
VZ: Zylindervolumen
V0: Zylindervolumen bei Einlaßventil schließt
χ: Adiabatenexponent
Da sich der Zylinderdruck während des Einspritzvorganges än­ dert, wird zur Kraftstoffdruckdifferenzkorrektur der Mittel­ wert des Zylinderdrucks während des Einspritzvorgangs verwen­ det.
In einem einfacheren Ausführungsbeispiel wird die Kraftstoff­ differenzdruckkorrektur auf den Zylinderdruck am Ende des Einspritzvorganges bezogen. Damit kann der Korrekturwert c21 aus dem gemessenen Kraftstoffdruck pk1, dem Saugrohrdruck bei Einlaßventil schließt ps0 und dem Winkel für das Einspritzen­ de ϕEOI berechnet werden.
Falls kein Saugrohrdrucksensor verwendet wird, so kann der Saugrohrdruck aus dem Luftmassenstrom nach einem beliebigen Modell (z. B. WO 96/32579) berechnet werden.
Die Kraftstofftemperaturkorrektur ergibt sich aus der Ände­ rung der Kraftstoffdichte über der Kraftstofftemperatur. Für Flüssigkeiten gilt im allgemeinen folgender Zusammenhang.
T0: Auslegungskraftstofftemperatur (293 K)
TK1: gemessene, aktuelle Kraftstofftemperatur in K
γ: Raumausdehnungskoeffizient (Benzin 100 ... 106 10-5 [1/K] bei 293 K)
Damit kann der Korrekturfaktor c22 mit der gemessenen Kraftstofftemperatur berechnet werden.
Die Fig. 3 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel zur Durchführung der Dichte- und Kraftstoffdifferenzdruck­ korrektur.
Die isentrope Verdichtung in Abhängigkeit vom Einsprit­ zendewinkel EOI ist durch das Kennfeld KF_PS_ISENTROP dargestellt. Der Wert für den Saugrohrdruck bei Einlaß­ ventil schließt pS0 wird mittels der Multiplikationsstu­ fe M1 mit dem Faktor für die isentrope Verdichtung mul­ tipliziert. Das Ergebnis dieser Multiplikation wird ei­ ner Summationsstelle SUM 1 zugeführt und dort vom aktu­ ellen Kraftstoffdruck pk1 abgezogen. Abhängig von dem so erhaltenen Differenzdruck wird aus einem Kennfeld KF_FAC_C21 der Faktor C21 entnommen. Der Faktor C22 wird einem Kennfeld KF_FAC_C22 in Abhängigkeit der aktuellen Kraftstofftemperatur TK1 entnommen. Der Korrekturfaktor C2 für die Kraftstoffdichte- und Kraftstoffdifferenz­ druckkorrektur ergibt sich durch Multiplikation der bei­ den einzelnen Faktoren C21 und C22 durch die Multiplika­ tionsstufe M2.
Das ausgeführte Beispiel zeichnet sich durch eine einfa­ che und schnelle Berechnungsweise aus.

Claims (6)

1. Verfahren zum Bestimmen der Einspritzdauer bei einer di­ rekteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff während einer, zumindest in Abhängigkeit von der Last der Brennkraftmaschine ermittelten und in Abhängigkeit verschie­ dener Betriebsparameter der Brennkraftmaschine korrigierten Einspritzdauer Kraftstoff entgegen den Druck im Brennraum ei­ nes Zylinders mittels eines Einspritzventils in denselben eingespritzt wird und die Einspritzdauer (ti) mit einem Kor­ rekturfaktor (C2) beaufschlagt wird, der sowohl die Druckdif­ ferenz zwischen Kraftstoffdruck (pK) und dem aktuellen Zylin­ derdruck (pz), als auch die Kraftstoffdichte (δ) zum Zeit­ punkt des Einspritzens beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Korrekturfaktor (C2) multiplikativ zusammensetzt aus einem Faktor (C21), der die Kraftstoffdifferenzdruckkor­ rektur beschreibt und aus einem Faktor (C22), der die Kraft­ stoffdichtekorrektur beschreibt und der Faktor (C21) zur Kraftstoffdifferenzdruckkorrektur ermittelt wird, indem
  • 1. der Kraftstoffdruck (pK) im System gemessen,
  • 2. der Druck (pZ) im Zylinder (11) aus dem Saugrohrdruck (pS0) zum Zeitpunkt des Schließens des Einlaßventils (14) aus der isentropen Verdichtung im Zylinder (11) berechnet und
  • 3. daraus die Differenz gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Zylinder (pZ) nach folgender Beziehung berechnet wird:
mit
pZ Zylinderdruck
ϕ Kurbelwinkel
ps0 Saugrohrdruck zum Zeitpunkt Einlaßventil schließt
VZ Zylindervolumen
V0 Zylindervolumen bei Einlaßventil schließt
χ Adiabatenexponent
3. Verfahren zum Bestimmen der Einspritzdauer bei einer di­ rekteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff während einer, zumindest in Abhängigkeit von der Last der Brennkraftmaschine ermittelten und in Abhängigkeit verschie­ dener Betriebsparameter der Brennkraftmaschine korrigierten Einspritzdauer Kraftstoff entgegen den Druck im Brennraum ei­ nes Zylinders mittels eines Einspritzventils in denselben eingespritzt wird und die Einspritzdauer (ti) mit einem Kor­ rekturfaktor (C2) beaufschlagt wird, der sowohl die Druckdif­ ferenz zwischen Kraftstoffdruck (pK) und dem aktuellen Zylin­ derdruck (pZ), als auch die Kraftstoffdichte (δ) zum Zeit­ punkt des Einspritzens beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Korrekturfaktor (C2) multiplikativ zusammensetzt aus einem Faktor (C21), der die Kraftstoffdifferenzdruckkor­ rektur beschreibt und aus einem Faktor (C22), der die Kraft­ stoffdichtekorrektur beschreibt und der Faktor (C21) zur Kraftstoffdifferenzdruckkorrektur aus dem gemessenen Kraft­ stoffdruck (pK), aus dem Saugrohrdruck (pS0) zum Zeitpunkt des Schließens des Einlaßventils (14) und aus dem Winkel für das Einspritzende (ϕEOI) berechnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor (C21) berechnet wird nach folgender Vorschrift:
mit
pK0 Kraftstoffdruck zum Zeitpunkt Einlaßventil schließt
PS0 Saugrohrdruck zum Zeitpunkt Einlaßventil schließt
V0 Zylindervolumen zum Zeitpunkt Einlaßventil schließt
VϕEOI Zylindervolumen bei Einspritzendewinkel
κ Adiabatenexponent
ϕEOI Einspritzendewinkel,
wobei der Auslegungspunkt mit dem Index 0 und die aktuellen Werte mit dem Index 1 gekennzeichnet ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor (C22) für die Kraftstoffdichtekorrektur aus der aktuell gemessenen Kraftstofftemperatur (TK1) und einer Auslegungs­ kraftstofftemperatur (T0) ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor (C22) nach folgender Beziehung berechnet wird:
mit
T0 Auslegungskraftstofftemperatur (293 K)
TK1 gemessene, aktuelle Kraftstofftemperatur in K
γ Raumausdehnungskoeffizient (Benzin 100 ... 106 10-5 [1/K] bei 293 K)
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