DE19937148A1 - Verfahren zur Bestimmung der Kraftstoff-Einspritzmengen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Kraftstoff-Einspritzmengen von Injektoren einer Brennkraftmaschine, welche aus einer gemeinsamen Druckleitung gespeist werden, in der Kraftstoff unter Druck (P) zur Einspritzung bereitgestellt ist. Eine Steuereinheit (4) ermittelt die dem vorliegenden Betriebszustand der Brennkraftmaschine entsprechende Einspritzmenge (MHE) und öffnet die jeweiligen Injektoren für eine der Einspritzmenge entsprechende Einspritzdauer. DOLLAR A Die optimalen Kraftstoffeinspritzmengen für den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine bei einem Betrieb mit zeitlich abgesetzten Teileinspritzungen pro Arbeitsspiel sind erfindungsgemäß bestimmbar, wenn die Einspritzmenge (MHE) der nachfolgenden Kraftstoffeinspritzung mit einem Schwankungsbeiwert m korrigiert wird, welcher in Abhängigkeit des vorgesehenen Zeitintervalls (t ab ) seit der vorhergehenden Teileinspritzung MVE und einer Druckschwingungsfrequenz (f) in der Druckleitung ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Kraftstoff-Einspritzmengen von Injektoren einer Brennkraft­ maschine, welche aus einer gemeinsamen Druckleitung gespeist werden gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Die DE 197 00 738 C1 offenbart ein Verfahren zur Regelung der Einspritzmengen von Injektoren, welche fluidisch mit einer gemeinsamen Druckleitung verbunden sind, in der Kraftstoff unter statischem Nenndruck bereitgestellt ist. Eine Steuereinheit ermittelt die dem vorliegenden Betriebs­ zustand der Brennkraftmaschine entsprechende Kraftstoffein­ spritzmenge und führt jedem Injektor ein individuelles Einspritzsignal zu. Der jeweilige Injektor wird für eine der Einspritzmenge entsprechende Einspritzdauer geöffnet, wobei der Kraftstoffdruck in der Druckleitung berücksich­ tigt wird. Der statische Druck drängt bei geeigneter Wahl der Einspritzdauer die gewünschte Einspritzmenge durch den geöffneten Injektor. Die Kraftstoffzumessung aller Zylinder der Brennkraftmaschine aus einer gemeinsamen Kraftstoff­ druckleitung wird auch als Common-Rail-Einspritzung bezeichnet. Bei dem bekannten Verfahren werden unterschied­ liche Durchsätze der einzelnen Injektoren, die toleranzbe­ dingt oder aufgrund der Bildung von Ablagerungen mit zunehmender Betriebsdauer der Brennkraftmaschine auftreten, bei allen Injektoren jeweils gleiche Einspritzmengen durch Anpassung der individuellen Einspritzdauer erreicht.

Aus der DE 195 47 644 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffzumessung bei einem Common-Rail-System bekannt, bei dem ein Korrekturwert für die Kraftstoffmenge ausgehend von der Temperatur des Kraftstoffes und der Dichte des Kraftstoffes vorgebbar ist. Die Dichte wird dabei durch den Kraftstoffdruck in der Druckleitung des Common-Rail-Systems charakterisiert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit dem die optimalen Kraftstoffeinspritzmengen für den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine bei einem Betrieb mit zeitlich abgesetzten Teileinspritzungen pro Arbeitsspiel bestimmbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Einspritzvorgänge in der gemeinsamen Druckleitung und im Injektor selbst Druckschwingungen verursachen, wodurch bei rasch aufeinander erfolgenden Teileinspritzungen beim nachfolgenden Einspritzereignis Mengenschwankungen auftreten können. Die regelmäßige Folge ist dabei, daß entweder mehr oder weniger als die optimale Einspritzmenge dem Zylinder zugemessen wird. Die Druckschwingungsfrequenz in der Druckleitung wird dabei maßgeblich von der Schallgeschwindigkeit im Kraftstoff bestimmt.

Erfindungsgemäß ist während eines Betriebes der Brennkraft­ maschine mit zeitlich abgesetzten Teileinspritzungen pro Arbeitsspiel vorgesehen, die Einspritzmenge der nachfolgen­ den Kraftstoffeinspritzung mit einem Schwankungsbeiwert zu korrigieren, welcher in Abhängigkeit des vorgesehenen Zeit­ intervalls zwischen den Teileinspritzungen und der Druck­ schwingungsfrequenz in der Druckleitung ermittelt wird. Auf diese Weise kann die Öffnungsdauer des Injektors für die anstehende Teileinspritzung so angepaßt werden, daß uner­ wünschte Schwankungen der einzuspritzenden Kraftstoffmenge bei Veränderung des Abstandes zu der vorausgehenden Kraft­ stoffeinspritzung vermieden werden. Mit Kenntnis der Druck­ schwingung hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Einspritz­ menge wird beispielsweise die Öffnungszeit des Injektors im Falle zu kleiner Einspritzmengen verlängert.

Zweckmäßig wird die Frequenz der Druckschwingung im Kraft­ stoff im voraus ermittelt und in Abhängigkeit der Kraft­ stofftemperatur und des Drucks bestimmt. Die Werte der Druckschwingungsfrequenzen können in einem Kennfeldspeicher elektronisch abgespeichert und zum bedarfsweisen Auslesen bereitgehalten werden.

Die Genauigkeit der Kraftstoffzumessung kann weiter verbessert werden, wenn bei der Bestimmung des Schwankungs­ beiwertes die Menge des einzuspritzenden Kraftstoffes bei der ersten Teileinspritzung sowie bei der darauf folgenden Teileinspritzung berücksichtigt wird. Vorteilhaft wird aus der vorgesehenen Dauer des Zeitintervalls zwischen den Teileinspritzungen durch Kopplung mit einem Phasenkorrekturwert ein bezüglich der Phasenlage der Druckschwingungsfrequenz angepaßter Zeitfaktor gebildet, welcher bei der Ermittlung des Schwankungsbeiwertes herangezogen wird. Bei der Bestimmung der optimalen Kraftstoffmenge wird so das Zeitverhalten der Mengenschwankung berücksichtigt, welches näherungsweise einer gedämpften Sinusschwingung entspricht. Mit dem Phasenkorrekturwert wird die Phasenlage der vorliegenden Druckschwingungsfrequenz, welche von den Einspritzmengen der Teileinspritzungen abhängig ist, der Phasenlage einer Referenzfrequenz der Druckschwingung angepaßt, für die Schwankungsbeiwerte im voraus ermittelt werden. In einem Kennfeldspeicher können für verschiedene aussagefähige Referenzfrequenzen der Druckschwingung Schwankungsbeiwerte in weiterer Abhängigkeit des Zeitfaktors zwischen den Teileinspritzungen abgelegt werden. Bei der Bestimmung des Phasenkorrekturwertes wird zweckmäßig der Kraftstoffdruck in der Druckleitung berücksichtigt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, in Abhängigkeit der Druckschwingungsfrequenz und dem Zeitfak­ tor im voraus ermittelte normierte Grundwerte des Abwei­ chungsfaktors zu bestimmen, aus denen durch Gewichtung mit einem der vorgesehenen Einspritzmenge zugeordneten Mengen­ korrekturwert der Schwankungsbeiwert gebildet wird. Auf diese Weise wird die Eigenschaft der druckschwingungsbe­ dingten Schwankungen berücksichtigt, mit zunehmender vorausgehender Teileinspritzmenge zunehmend von der optimalen Einspritzmenge abzuweichen. Ein optimaler Ausgleich der Mengenschwankungen wird erreicht, wenn der Mengenkorrekturwert sowohl eine Komponente mit Berücksichtigung der Einspritzmenge der vorausgehenden Teileinspritzung umfaßt als auch eine Korrekturwertkomponente, welche die Einspritzmenge der nachfolgenden Teileinspritzung berücksichtigt. Bei der Bestimmung der Korrekturwertkomponente der nachfolgenden Teileinspritzung wird zweckmäßig der Kraftstoffdruck in der Druckleitung berücksichtigt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Common-Rail- Einspritzsystems,

Fig. 2 ein Ablaufschema des Verfahrens zur Bestimmung der Kraftstoffeinspritzmengen,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Schwingungsfrequenz,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Einspritzvorgänge.

Fig. 1 zeigt ein Common-Rail-Einspritzsystem einer Brenn­ kraftmaschine 1 mit mehreren hier nicht näher dargestellten Zylindern. Jedem Zylinder ist ein Injektor 2 zur inneren Gemischbildung zugeordnet. Die Injektoren 2 werden aus einer gemeinsamen Druckleitung 3 gespeist, in der Kraft­ stoff unter Druck zur Einspritzung bereitgestellt ist. In die Druckleitung 3 wird in Pfeilrichtung 23 Kraftstoff nachgefördert, so daß in der Druckleitung 3 annähernd kon­ stanter statischer Einspritzdruck herrscht. Eine Steuerein­ heit erzeugt für jeden Injektor 2 ein individuelles Einspritzsignal ES und öffnet die Injektoren 2 bedarfsweise für eine der Vorgesehenen Einspritzmenge entsprechende Einspritzdauer. Unter Berücksichtigung des Druckes in der Druckleitung 3 wird die gewünschte Einspritzmenge über die Einspritzdauer präzise eingestellt. Die Steuereinheit 4 bestimmt über das Einspritzsignal ES auch den Beginn und das Ende der Einspritzereignisse bei den Injektoren. Der Steuereinheit wird laufend ein Eingabesignal 5 mit Aussage über den Betriebszustand der Brennkraftmaschine zugeführt, beispielsweise die Drehzahl oder die Betriebslast. Auf der Grundlage des Eingabesignals S liest die Steuereinheit 4, die für den vorliegenden Betriebszustand vorgesehenen Ein­ spritzparameter D aus einem Kennfeldspeicher 5 aus. Die Einspritzparameter umfassen dabei Informationen über den Einspritzbeginn und die Einspritzmenge für den jeweiligen Betriebszustand und darüberhinaus Informationen für eine Betriebsart der Brennkraftmaschine mit einer der Hauptein­ spritzung vorausgehenden Voreinspritzung.

Bei der Bestimmung der Einspritzsignale ES wird von der Steuereinheit 4 der Kraftstoffdruck P und die Kraftstoff­ temperatur T in der Druckleitung 3 berücksichtigt. Der Steuereinheit 4 werden Meßsignale mit Aussage über den Druck P und die Temperatur T von einem in der Druckleitung 3 angeordneten Sensor 22 zugeführt.

Fig. 2 zeigt ein Schaubild der Signalbearbeitung bei der Bestimmung des Einspritzsignals ES in der Steuereinheit 4. Die Einspritzdauer als Information des Einspritzsignales Es, für die der entsprechende Injektor während des vorgese­ henen Einspritzvorgangs offenzuhalten ist, wird aus einem Einspritzzeitkennfeld 15 ausgelesen. In dem Einspritzzeit­ kennfeld 15 sind optimale Werte der Einspritzzeit zur Erhaltung der gewünschten Einspritzmengen in Abhängigkeit des statischen Druckes P in der Druckleitung abgespeichert. Während eines Betriebes mit mehreren Teileinspritzungen pro Arbeitsspiel wird der Mengenwert zum Auslesen des Kennfeldes 15 zur Bestimmung der Einspritzdauer für den folgenden Einspritzvorgang mit einem Schwankungsbeiwert m korrigiert.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Erzeugung des Schwankungsbeiwertes m für eine Kraftstoffeinspritzung mit einer Voreinspritzung und einer Haupteinspritzung darge­ stellt. Die vorgesehene Einspritzmenge MHE für die Haupt­ einspritzung wird mit dem Schwankungsbeiwert m korrigiert, welcher die Mengenschwankungen bei der Kraftstoffein­ spritzung aufgrund der Voreinspritzung ausgleicht. Der Schwankungsbeiwert m wird dem Einspritzmengensignal MHE über ein Verknüpfungsglied 20 mit negativem Vorzeichen zugeführt, sofern ein Schalter 14 im Falle des Betriebes der Brennkraftmaschine mit Voreinspritzungen geschlossen ist.

Zur Bestimmung des Schwankungsbeiwertes umfaßt die Steuer­ einheit 4 ein Frequenzkennfeld 6, aus dem in Abhängigkeit von der Kraftstofftemperatur T und dem Kraftstoffdruck P eine im voraus ermittelte Druckschwingungsfrequenz f ausge­ lesen wird. Die Druckschwingungen in der Kraftstoffleitung folgen in ihrem Zeitverhalten näherungsweise einer Sinusschwingung. Der Verlauf der Mengenschwankung ΔME bei einer nachfolgenden Teileinspritzung ist in Fig. 3 graphisch über das Zeitintervall zwischen dem Beginn der Voreinspritzung und dem Beginn der Haupteinspritzung dargestellt. Abhängig von der Einspritzmenge der Voreinspritzung und der Einspritzmenge der Haupteinspritzung kann die Mengenschwankung 24 um den Winkel ϕ gegenüber der Druckschwingungsfrequenz 24' phasen­ verschoben sein.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, wird zum Ausgleich der Phasenverschiebung ϕ ein Phasenkorrekturwert k_p bestimmt, welcher dem vorgesehenen Zeitintervall t_ab zwischen Vor- und Haupteinspritzung über ein Verknüpfungsglied 17 abgezogen wird. Bei der Ermittlung des Phasenkorrektur­ wertes kp wird sowohl der Anteil der Voreinspritzung an der Phasenverschiebung als auch der Anteil der nachfolgenden Haupteinspritzung berücksichtigt. Für den Anteil der Voreinspritzung ist ein Phasenkorrekturfeld 7 und für den Anteil der Haupteinspritzung ein Phasenkorrekturfeld 8 vorgesehen, welche jeweils in Abhängigkeit von der Ein­ spritzmenge der Voreinspritzung MVE und der Hauptein­ spritzung MHE und in zusätzlicher Abhängigkeit von dem Druck P in der Druckleitung ausgelesen werden. Die Phasen­ korrekturanteile der beiden Kennfelder 7, 8 werden über ein Verknüpfungsglied 16 zusammengeführt und bilden gemeinsam den Phasenkorrekturwert kp. Durch Gegenkopplung des Phasen­ korrekturwertes kp wird aus dem Zeitintervall t_ab ein Zeit­ faktor t_k gebildet, welcher bezüglich der Phasenlage der Druckschwingungsfrequenz angepaßt ist.

Auf der Grundlage der Druckschwingungsfrequenz f und dem phasenkorrigierten Zeitfaktor t_k wird aus einem Grundkenn­ feld 9 ein im voraus ermittelter Abweichungsgrundwert m_n ausgelesen. In diesem Grundkennfeld ist der zeitliche Verlauf der auszugleichenden Mengenschwankung in Abhängig­ keit von der Druckschwingungsfrequenz in normierter Form abgelegt. Der normierte Grundwert m_n wird mit einem Mengen­ korrekturwert k_m gewichtet, wobei der Mengenkorrekturwert die bei der Voreinspritzung bereits eingespritzte Kraft­ stoffmenge MVE und die bisher für die Haupteinspritzung vorgesehene Kraftstoffmenge MHE berücksichtigt.

Zur Verdeutlichung des Einflusses der Einspritzmengen auf die Mengenschwankung der Haupteinspritzung ist in Fig. 4 der zeitliche Verlauf des Kraftstoffdurchsatzes Q durch den Injektor während eines Arbeitsspieles dargestellt. Dabei wird deutlich, daß das Zeitintervall t_ab zwischen dem Ein­ spritzbeginn a der Voreinspritzung und dem Einspritzbeginn b der Haupteinspritzung unabhängig von der jeweiligen Ein­ spritzmenge gleich sein kann.

Beispielsweise bei der strichliert dargestellten Vergröße­ rung der Voreinspritzmenge wird das Einspritzende e der Voreinspritzung auf der Zeitachse in Richtung des Einspritzbeginns b der Haupteinspritzung verschoben. Bei unterschiedlichen Einspritzmengen ergeben sich daher etwa die gleichen Zeitintervalle t_ab Mengenschwankungen mit phasengleichem Sinusverlauf, wobei jedoch die Amplituden der Sinusschwingungen, vgl. Fig. 3, unterschiedlich sind.

Der Einfluß der Voreinspritzmenge MVE und der Hauptein­ spritzmenge MHE auf die Mengenschwankung der Haupteinspritzung wird erfindungsgemäß durch den Mengenkorrekturwert k_m ausgeglichen, mit dem der Normwert m_n aus dem Grundkennfeld 9 gewichtet wird. Der Mengen­ korrekturwert k_m wird über ein multiplikatives Verknüpfungsglied 19 aus einem Anteil der Voreinspritzung und einem Anteil der Haupteinspritzung gebildet. Der Anteil der Haupteinspritzung wird aus einem Mengenkorrekturfeld 11 in Abhängigkeit der vorgesehenen Einspritzmenge MHE und des Kraftstoffdruckes P ausgelesen. Die Anteile der Vorein­ spritzung sind in einer Kennlinie in Abhängigkeit der Voreinspritzmenge MVE im voraus ermittelt, wobei es auch hier zweckmäßig sein kann, den Kraftstoffdruck P in der Druckleitung zu berücksichtigen.

In der Steuerkette zur Bildung des Schwankungsbeiwertes m ist eine Begrenzungseinrichtung 13 vorgesehen, welche den Eingangswert des vorher gewichteten Schwankungsbeiwertes innerhalb eines zulässigen Fensters zwischen einem Maximal­ wert und einem Minimalwert begrenzt.

Zwischen dem Verknüpfungsglied 18 zur Gewichtung des Abwei­ chungsgrundwertes m_n und der Begrenzungseinrichtung 13 wird der Steuerkette des Schwankungsbeiwertes über ein Ver­ knüpfungsglied 21 ein Offsetbeiwert off mit negativen Vor­ zeichen zugeführt. Der Offsetbeiwert wird aus einem Offset­ kennfeld 12 in Abhängigkeit der anstehenden Haupteinspritz­ menge und des Kraftstoffdruckes P ausgelesen. Mit dem Offsetwert werden prinzipbedingte Einflußfaktoren der Common-Rail-Einspritzung auf die Mengenschwankung der Haupteinspritzung berücksichtigt, beispielsweise Magnetfel­ der eines erregten Ventiltriebes eines Injektors.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen werden Mengenschwan­ kungen einer Teileinspritzung aufgrund des Einspritzereig­ nisses der unmittelbar vorausgehenden Teileinspritzung aus­ geglichen. Über die Möglichkeit des Ausgleichs des Einflus­ ses der Voreinspritzung wie im vorliegenden Ausführungsbei­ spiel ist daher in ähnlicher Weise ein Schwankungsausgleich bei einer Vielzahl von Teileinspritzungen während eines Arbeitsspieles eines jeweiligen Zylinders möglich.

Claims (12)

1. Verfahren zur Bestimmung der Kraftstoff-Einspritzmengen von Injektoren (2) einer Brennkraftmaschine (1), welche aus einer gemeinsamen Druckleitung (3) gespeist werden, in der Kraftstoff unter Druck (P) zur Einspritzung bereitgestellt ist, wobei eine Steuereinheit (4) die dem vorliegenden Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) entsprechende Einspritzmenge (MVE, MHE) ermittelt und die jeweiligen Injektoren für eine der Einspritz­ menge (MVE, MHE) entsprechende Einspritzdauer unter Berücksichtigung des Kraftstoffdruckes (P) in der Druckleitung (3) öffnet, dadurch gekennzeichnet, daß während eines Betriebes der Brennkraftmaschine mit zeitlich abgesetzten Teilein­ spritzungen pro Arbeitsspiel die Einspritzmenge (MHE) der nachfolgenden Kraftstoffeinspritzung mit einem Schwankungsbeiwert (m) korrigiert wird, welcher in Abhängigkeit eines vorgesehenen Zeitintervalls (t_ab) seit der vorhergenden Teileinspritzung und einer Druck­ schwingungsfrequenz (f) in der Druckleitung (3) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine im voraus ermittelte Druckschwingungsfrequenz (f) in Abhängigkeit der Kraft­ stofftemperatur (T) und des Druckes (P) in der Druck­ leitung (3) bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der vorgesehenen Dauer des Zeitintervalls (t_ab) zwischen den Teilein­ spritzungen durch Kopplung mit einem der Einspritzmenge zugeordneten Phasenkorrekturwert (k_p) ein bezüglich der Phasenlage der Druckschwingungsfrequenz (f) angepaßter Zeitfaktor (t_k) gebildet wird, welcher bei der Ermittlung des Schwankungsbeiwertes (m) herangezogen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestimmung des Phasenkorrekturwertes (k_p) der Kraftstoffdruck (P) in der Druckleitung (3) berücksichtigt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, daß ein der Einspritzmenge der vorausgehenden Teileinspritzung (MVE) entsprechender Korrekturwert ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Einspritzmenge der nachfolgenden Teileinspritzung (MHE) entsprechender Korrekturwert ermittelt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit der Druck­ schwingungsfrequenz (f) und dem Zeitfaktor (t_k) ein im voraus ermittelter Abweichungsgrundwert (m_n) bestimmt wird, aus dem durch Gewichtung mit einem der Einspritz­ menge zugeordneten Mengenkorrekturwert (k_m) der Schwankungsbeiwert (m) gebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Einspritzmenge der vorausgehenden Teileinspritzung (MVE) zugeordneter Mengenkorrekturwert bestimmt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Einspritzmenge der nachfolgenden Teileinspritzung (MHE) zugeordneter Mengenkorrekturwert bestimmt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens bei der Bestimmung des Mengenkorrekturwertes der nachfolgenden Teileinspritzung (MHE) der Kraftstoffdruck (P) der Druckleitung (3) berücksichtigt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schwankungsbeiwert (m) ein Mengenoffsetwert (off) gegengekoppelt wird, welcher auf der Grundlage der Einspritzmenge (MHE) der nachfol­ genden Teileinspritzung bestimmt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwankungsbeiwert (m) innerhalb eines zulässigen Fensters zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert begrenzt wird.