DE60318195T2 - Dieselmotor mit einer vorrichtung zur steuerung des stroms von eingespritztem kraftstoff - Google Patents

Dieselmotor mit einer vorrichtung zur steuerung des stroms von eingespritztem kraftstoff Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Dieselmotor mit einer Kontrollvorrichtung für die Menge an eingespritztem Treibstoff.
  • In einem Common-Rail-Dieselmotor 10 (1) weist jeder Zylinder 12, 14, 16 und 18 eine Verbrennungskammer 1312 , 1314 , 1316 oder 1318 auf, in die ein Treibstoffmittels einer Einspritzvorrichtung 2012 , 2014 , 2016 oder 2018 eingespritzt wird, die verbunden ist mit dem Common Rail 22. In letzterem wird der Treibstoff durch eine Pumpe 24, die über eine Leitung 26 mit einem Tank (nicht dargestellt) des Fahrzeugs verbunden ist, unter hohem Druck gehalten, und es wird somit ermöglicht, Treibstoff mit hohem Druck in jeden Zylinder einzuspritzen, üblicherweise mit 200 bis 1600 bar.
  • Die Funktionsweise jedes Injektors 20i wird durch eine Einheit 28 gesteuert, die die Menge des vom jeweiligen Injektor eingespritzten Treibstoffs in die Kammer 13i steuert. Hierzu erhält die Einheit 28 Informationen, wie über das vom Fahrer des Fahrzeugs angeforderte Drehmoment C oder den Druck P des Treibstoffs im Common Rail, und steuert daraus folgend eine Öffnungsdauer oder Aktivierungsdauer des Injektors 20, so dass letzterer in die Kammer 13i die erforderliche Menge Treibstoff einspritzt, um das vom Fahrer angeforderte Drehmoment zu erreichen.
  • Die Aktivierungsdauer wird bestimmt in Abhängigkeit von der Treibstoffmenge, die in die Brennkammern eingespritzt werden muss, und vom Kraftstoffdruck im Common Rail. Die Aktivierungsdauer hängt außerdem von den Eigenschaften des Injektors ab, weshalb sie vom Hersteller vorgegeben ist, z. B. durch empirische Versuche. Jedoch ist bekannt, dass ein in ein Fahrzeug eingebauter Injektor Abweichungen von der vorhergesehenen Funktionsweise aufweist. Tatsächlich beruhen die Vorgaben auf einem Modell des Injektors, das weder die akzeptierten Toleranzen bei der Fertigung noch die Abnutzung, wie nachstehend unter Bezugnahme auf 2 erläutert, in Ansatz bringt. 2 stellt die Funktionsweise eines Injektors 20i nach einer gewissen Nutzungsdauer dar, z. B. des Injektors 2012 , und eines Injektormodells, das benutzt wurde, um die in der Einheit 28 gespeicherten Daten zu bestimmen.
  • In 2 ist die von einem modellierten Injektor in die Brennkammer des Zylinders i eingespritzte Treibstoffmenge in Milligramm (Ordinatenachse 32) dargestellt (Kurve 34) in Abhängigkeit einer Aktivierungsdauer (Abszissenachse 30) des Injektors in Mikrosekunden. Die Kurve 36 entspricht der durchgeführten Einspritzung durch den abgenutzten Injektor 2012 .
  • Ausgehend von der Kurve 34 stellt man zunächst fest, dass für einen modellierten Injektor eine Mindestaktivierungszeit ΔTMA ab dem Auslösen des Einspritzbefehls (Zeitpunkt T28) existiert, bis die Einspritzung des Treibstoffs in die Brennkammer beginnt, und dass zu einer zweiten Zeit die eingespritzte Treibstoffmenge linear von der Zeit abhängt, wobei dieses Verhältnis zwischen eingespritztem Treibstoff und Aktivierungszeit im weiteren Arbeitssteigung des modellierten Injektors genannt wird.
  • Die Kurve 36 zeigt, dass die minimale Aktivierungszeit für einen realen, abgenutzten Injektor 2012 größer ist: ΔTMA und Δt. Außerdem ist die Arbeitssteigung des Injektors 2012 kleiner als die des modellierten Injektors.
  • Diese Abweichungen stellen störende Nachteile für die Funktion des Motors dar. Tatsächlich führen die Aktivierungsdauern, die von der Einheit 28 gesteuert werden, zur Einspritzung von Treibstoffmengen in die Brennkammern, die sich von den vorbestimmten, optimalen Mengen unterscheiden, wenn ein Injektor mit einer Verzögerung Δt und/oder mit einer anderen Arbeitssteigung arbeitet. Z. B. steuert die Einheit 28 aufgrund der Kurve 34 eine vorgegebene Aktivierungsdauer ΔTk, wenn eine Treibstoffmenge Km (2) in den Zylinder 12 eingespritzt werden soll. Jedoch spritzt der Injektor 2012 wegen des Funktionsunterschieds aufgrund der Toleranzen, der Fertigung und/oder der Abnutzung des Injektors in Wirklichkeit eine Treibstoffmenge K12 ein, die sich aus der Kurve 36 ergibt, und die deutlich geringer als die erwartete Menge ist.
  • Diese Abweichungen stören umso mehr, je höher der Druck des Treibstoffs ist, da bei steigendem Druck die Mengenabweichungen des eingespritzten Kraftstoffs zwischen einem Injektor, der schon einen Weile im Einsatz ist, und einem modellierten Injektor im Allgemeinen zunehmen.
  • Diese Abweichungen führen zum Nachlassen der Leistungen (Drehmoment, Leistung), einer Zunahme des Verbrennungsgeräusches und/oder einer Zunahme des Schadstoffausstoßes des Motors, insbesondere von Stickoxiden.
  • Diese Probleme können alle Zylinder eines Motors oder nur einzelne Zylinder betreffen.
  • Die vorliegende Erfindung geht von der Feststellung aus, dass die Korrektur der Einspritzverzögerung Δt eines Injektors ausreicht, um in zufriedenstellender Weise die Funktionsunterschiede der realen Injektoren im Vergleich zu einer vorgegebenen Funktionsweise zu korrigieren, wie nachstehend unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschrieben wird.
  • In 3 sind die Abweichungen Δg (Ordinatenachse 42) dargestellt, gemessen in Milligramm, zwischen einerseits der angesteuerten Treibstoffmenge (Abszissenachse 40), ebenfalls in Milligramm, eines ersten Injektors, der nur eine Einspritzverzögerung Δt aufweist, und andererseits der Treibstoffmenge in Milligramm, die von diesem Injektor tatsächlich eingespritzt wird. Verschiedene Mes sungen 441 , 442 , 443 , 444 , 445 und 446 , die bei verschiedenen Einspritzdrücken des Treibstoffs vorgenommen wurden (jeweils 230, 540, 680, 810, 950 und 1200 bar für die Kurven 441 bis 446 ) zeigen, dass die größte Abweichung Δg bei angesteuerten Treibstoffmengen von weniger als 15 Milligramm auftreten, insbesondere für Ansteuermengen der Größenordnung von 7 Milligramm. Die Messungen beziehen sich auf eine Verzögerung Δt ohne Änderung der Steigung gegenüber dem modellierten Injektor.
  • In 4 sind die gemessenen Abweichungen Δg' (Ordinatenachse 42') in Milligramm zwischen der angesteuerten Kraftstoffmenge (Abszissenachse 40'), ebenfalls in Milligramm, und der tatsächlich eingespritzten Kraftstoffmenge für den Fall, dass man für den getesteten Injektor nicht nur eine Verzögerung Δt sondern auch eine unterschiedliche Arbeitssteigung annimmt, dargestellt.
  • Durch Vergleich der Unterschiede von Δg und Δg' stellt man fest, dass für angesteuerte Treibstoffmengen von weniger als 15 Milligramm der Unterschied Δg gemäß 3, wo nur eine Verzögerung Δt der Einspritzung in Betracht gezogen wurde, annähernd gleich ist mit dem Unterschied Δg' gemäß 4, wo dieselbe Verzögerung Δt der Einspritzung und eine abweichende Arbeitssteigung in Betracht gezogen wurden.
  • Reglementierungen, insbesondere europäische Reglementierungen, begrenzen im Übrigen die in die Brennkammer eingespritzte Treibstoffmenge auf 15 mg unter normalen Fahrbedingungen. Anders ausgedrückt sind größere eingespritzte Treibstoffmengen nicht repräsentativ für die Mehrzahl der Fahrten eines Fahrzeugs, insbesondere im Stadtbetrieb.
  • Um die erforderliche Mindestaktivierungsdauer (ΔTMA und Δt) zu bestimmen, die tatsächlich erforderlich für den Injektor ist, um eine Einspritzung von Treibstoff in die Brennkammer auszuführen, d. h. die Minimalzeit der Aktivierung des Injektors, kann man eine Reihe von Aktivierungen mit steigenden Dauern eines Injektors derart durchführen, dass, wenn die Einspritzung von Treibstoff festgestellt wird, man die festgestellte minimale Dauer als Mindestaktivierungsdauer zuweist.
  • Dennoch kann es schwierig sein, eine geringe Einspritzung von Treibstoff festzustellen, z. B. für die Voreinspritzung, insbesondere da letztere nahe des oberen Totpunkts (PMH) stattfindet, der eine Einspritzung einer Treibstoffmenge herbeiführt, die größer ist als die der Voreinspritzung eigene Treibstoffmenge.
  • Deshalb betrifft die Erfindung einen Dieselmotor mit einer Kontrollvorrichtung für die Menge an eingespritztem Treibstoff mit zumindest einer Treibstoffeinspritzvorrichtung, die eine Verbrennungskammer versorgt, und die von einem Prozessor angesteuert wird, der mit Mitteln zur Ansteuerung einer Reihe von unterschiedlich langen Aktivierungen der Einspritzvorrichtung, mit Mitteln zur Messung einer Mindestaktivierungszeit zwischen der Ausgabe eines Befehls und dem Beginn eines Einspritzvorganges, und mit Mitteln zur späteren Ansteuerung der Einspritzvorrichtung in Abhängigkeit von der gemessenen Mindestaktivierungszeit ausgestattet ist, und der dadurch gekennzeichnet ist, dass er Mittel zur. Auswertung der Hitzeabgabe enthält, die durch die Mischung aus Luft und Treibstoff entsteht, die in die Kammer eingespritzt wird, sowie Mittel zum Messen der Mindestaktivierungszeit basierend auf diesen Berechnungen.
  • Mittels der Messung der Hitzeabgabe kann mit großer Präzision die Einspritzung von Treibstoff und somit die Mindestaktivierungszeit bestimmt werden.
  • Infolgedessen kann der Prozessor durch Vergleich der gemessenen Mindestaktivierungszeit (ΔTMA und Δt) mit der vorgegebenen Mindestaktivierungszeit (ΔTMA) die Verzögerung (Δt) bestimmen, die der Injektor aufweist. Ist die Verzögerung (Δt) bestimmt, kann der Prozessor seine Kommandos gegenüber dem Injektor korrigieren unter Berücksichtigung, dass die Mindestaktivierungszeit, die erforderlich ist, um eine Einspritzung auszulösen, gleich der vorgegebenen Min destaktivierungszeit (ΔTMA) ist, modifiziert durch die durch die Messung ermittelte, positive oder negative Verzögerung (Δt). So sind die vom Prozessor angesteuerten Aktivierungszeiten um die Verzögerung (Δt) korrigiert.
  • In einer Ausführungsform weisen die Mittel zur Steuerung der Aktivierungsdauern Mittel zur Modifizierung der vorgegebenen Mindestaktivierungsdauer um eine Verzögerung, die durch Messung bestimmt wird, auf.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist der Prozessor Mittel auf, damit die Aktivierungen, um den Druck zu messen, getrennt von den Aktivierungen sind, die die Haupteinspritzungen von Treibstoff zur Erzeugung eines Drehmoments am Motor steuern.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Prozessor Mittel damit die Aktivierungen Voreinspritzungen entsprechen, die dazu bestimmt sind, die optimalen Temperaturbedingungen im Zylinder für die Haupteinspritzungen zu schaffen.
  • In einer Ausführungsform umfasst der Prozessor Mittel zur Bestimmung der Hitzeabgabe durch das Treibstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer und zum Messen der Mindestaktivierungszeit auf Basis dieser Werte.
  • In einer Ausführungsform umfasst der Prozessor Mittel zur Bestimmung der Hitzeabgabe auf Basis von Messungen des Druckes in der Brennkammer.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Prozessor Mittel zur Bestimmung der Hitzeabgabe auf Basis von Messungen des Drucks mit Hilfe einer Gleichung des Typs: δQ = 1/(γ – 1)·(γP·dV + V·dP), wobei δQ die Hitzeabgabe ist, P und V der Druck und das Volumen des Gemischs in der Kammer, dP und dV ihre Variationen und γ eine Konstante.
  • In einem Ausführungsbeispiel umfasst der Prozessor Mittel zur Bestimmung die Mindestaktivierungszeit durch Messen der mittleren Hitzeabgabe während der Dauer eines Motorzyklus mit einer Voreinspritzung.
  • In einem Ausführungsbeispiel umfasst der Motor mehrere Injektoren, die durch ein Common Rail mit Treibstoff versorgt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird die Reihe von Aktivierungen des Injektors ausgeführt bei Versorgungsdruck und gleichbleibender Drehzahl.
  • In einer Ausführungsform umfasst der Prozessor Mittel zur periodischen Durchführung der Aktivierungsreihen.
  • Die Erfindung betrifft auch einen Prozessor zur Ansteuerung der Einspritzmenge an Treibstoff in einen Innenverbrennungsmotor mit den entsprechenden Mitteln zur Ansteuerung einer Reihe von unterschiedlich langen Aktivierungen einer Einspritzvorrichtung zur Versorgung einer Verbrennungskammer, mit Mitteln zum Messen der Mindestaktivierungszeit zwischen der Ausgabe eines Befehls und dem Beginn eines Einspritzvorganges, und mit Mitteln zur späteren Ansteuerung der Einspritzvorrichtung in Abhängigkeit von der gemessenen Mindestaktivierungszeit, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er Mittel zur Auswertung der Hitzeabgabe enthält, die durch die Mischung aus Luft und Treibstoff entsteht, die in die Verbrennungskammer eingespritzt wird, sowie Mittel zum Messen der Mindestaktivierungszeit basierend auf diesen Berechnungen.
  • In einer Ausführungsform umfasst der Prozessor Mittel zur Änderung einer vorgegebenen Mindestaktivierungszeit um eine Verzögerung, die aus der Messung resultiert.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Prozessor Mittel um die Aktivierungen zur Messung der Mindestaktivierungszeit getrennt von den Aktivierungen auszuführen, die die Haupteinspritzungen des Treibstoffes zur Erzeugung eines Drehmoments steuern.
  • In einem Ausführungsbeispiel umfasst der Prozessor Mittel für die Aktivierung für Voreinspritzungen, die dazu dienen, die optimalen Temperaturbedingungen im Zylinder für die Haupteinspritzungen zu bestimmen.
  • Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nachstehenden Beschreibung von bestimmten Ausführungsbeispielen dargelegt, die nicht einschränkend zu verstehen sind und sich auf die beigefügten Abbildungen beziehen, die zeigen:
  • 1, wie bereits beschrieben, zeigt einen bekannten Dieselmotor, der mit einem Common Rail ausgestattet ist,
  • 2, wie bereits beschrieben, zeigt die abweichenden Funktionsweisen zwischen einem realen Injektor und einem modellierten Injektor,
  • die 3 und 4, wie bereits beschrieben, zeigen die abweichenden Funktionsweisen zwischen realen Injektoren und einem modellierten Injektor,
  • 5 zeigt die Druckmessungen in einer Brennkammer gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 6 zeigt die Bewertung der Hitzeabgabe in einer Brennkammer gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 7 zeigt die Bewertung der Hitzeabgabe gemessen in verschiedenen Brennkammern nach verschiedenen Aktivierungszeiten der Injektoren in diesen Kammern,
  • 8 ist ein Diagramm, das in Blockform verschiedene von einer erfindungsgemäßen Zentraleinheit ausgeführte Operationen zeigt,
  • 9 ist ein Diagramm, das in Blockform eine der in 8 dargestellten Operationen zeigt,
  • 10 zeigt eine Linearisierung der Messungen in einer Brennkammer gemäß der Erfindung,
  • 11 zeigt die Nutzung der in 10 beschriebenen Linearisierung,
  • die 12 und 13 zeigen Messungen des Stroms gemäß einer dritten Ausführung der Erfindung,
  • die 14 und 15 zeigen Strommessungen gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
  • 16 zeigt eine Kombination der dritten und der vierten Ausführungsform der Erfindung.
  • Die verschiedenen nachstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf Dieselmotoren, die Zylinder mit einem Injektor für Treibstoff umfassen, der angesteuert wird durch eine Zentraleinheit (Mikroprozessor). Diese Einheit umfasst erfindungsgemäß Mittel, um eine Reihe von Aktivierungen unterschiedlicher Dauer jedes Injektors vornehmen zu können und zur Messung der Mindestaktivierungszeit des Injektors um die angesteuerten Aktivierungszeiten des betreffenden Injektors um eine Verzögerung (Δt) ändern zu kön nen, die bestimmt wird zwischen der gemessenen Mindestaktivierungszeit und der vorgegebenen Mindestaktivierungszeit.
  • Im Übrigen wird die Messung der Mindestaktivierungszeit eines Injektors bei diesen Ausführungsbeispielen durchgeführt durch Erfassen der Änderungen eines Parameters der Brennkammer, das modifiziert wird durch die Einspritzung von Treibstoff, wobei die Kammer Mittel aufweist, um die erfassten Werte an die Einheit zu geben.
  • In einem ersten Ausführungsbeispiel ist das physikalische Parameter, das erfasst wird, der Druck in den Brennkammern. Hierzu weist jede Kammer einen Sensor auf, der den Innendruck misst und die Messwerte an die Zentraleinheit leitet, die wiederum Mittel aufweist, um diese Messwerte zu empfangen und die Mindestaktivierungszeit zu bestimmen.
  • In dieser ersten Ausführungsform, wie in allen anderen nachstehend beschriebenen Ausführungsformen, sind die Reihe von angesteuerten Aktivierungen der Injektoren, um ihre Verzögerung zu bestimmen, getrennt von angesteuerten Aktivierungen zur Einspritzung von Treibstoff, Haupteinspritzung genannt, die das Motordrehmoment erzeugen. Genauer gesagt entsprechend diese Aktivierungen sogenannten Voreinspritzungen, die es erlauben, in den Brennkammern die optimalen Temperatur- und Druckverhältnisse für die Haupteinspritzung herzustellen.
  • Die Vor- und die Haupteinspritzung sind im Diagramm der 5 dargestellt, wo die Ordinatenachse 52 dem gemessenen Druck im Brennraum eines Zylinders in bar entspricht, und die Abszissenachse 50 dem Winkel der Kurbelwelle dieses Zylinders entspricht, d. h. der Strecke des Viertaktzyklus der Verbrennung (Injektion, Kompression, Verbrennung/Entspannung und Auslass), der von diesem Zylinder ausgeführt wird. Der Winkel 0 entspricht der Position des Kolbens am oberen Totpunkt (PMH), die negativen Winkel entsprechen den Schritten der Einspritzung und der Kompression und die positiven Winkel entsprechen den Schritten Verbrennung/Entspannung und Auslass.
  • Die Messung des Drucks in der vom untersuchten Injektor versorgten Kammer wird vorgenommen für verschiedene, ansteigende Aktivierungsdauern d1, d2, d3 und d4 bei einem Treibstoffdruck bei konstanter Einspritzung wie 200, 400, 600, 800, 1200 oder 1600 bar. Es ergibt sich eine Kurve Di, die den gemessenen Druck in dem Zylinder in Abhängigkeit des Fortschritts des Verbrennungszyklus bei einem vorgegebenen Kraftstoffeinspritzdruck für jede Aktivierungsdauer di des Injektors angibt.
  • Man stellt fest, dass die Dauer d1 (Kurve D1) so gewählt ist, dass keine Voreinspritzung stattfindet, während die Dauern d2 (Kurve D2), d3 (Kurve D3) und d4 (Kurve D4) eine Voreinspritzung erzeugen, die durch ein Ansteigen 56 des Drucks durch die Voreinspritzung gekennzeichnet ist, so dass ein zweiter Anstieg 58 des Drucks durch die Haupteinspritzung erzeugt wird.
  • Durch Ansteuern einer Reihe von Voreinspritzungen von unterschiedlicher Aktivierungsdauer während jedes Zyklus kann eine Steuereinheit die Mindestaktivierungsdauer eines Injektors ermitteln durch Überprüfung des Vorhandenseins einer Drucksteigerung 56 für die betreffende Dauer, die dann der gemessenen Mindestaktivierungsdauer für diesen Injektor entspricht. Die Einheit bestimmt die Verzögerung Δt dieses Injektors, d. h. den Unterschied zwischen der vorgegebenen Mindestaktivierungsdauer und der gemessenen Mindestaktivierungsdauer, und steuert also den Injektor korrekt an, indem (nach den Messungen) dem Injektor Aktivierungsdauern mit einer Verschiebung Δt zugewiesen werden.
  • Jede Kurve der 5 wird erhalten dank einer Mehrzahl von Versuchen, die durchgeführt werden, wenn der Motor bei konstanter Drehzahl und Last betrieben wird, und die Menge des eingespritzten Kraftstoffs bei der Haupteinspritzung also auch konstant ist.
  • Es kann schwierig sein, den Druckanstieg 56 aufgrund der Voreinspritzung zu messen, insbesondere da letztere nahe am oberen Totpunkt (PMH) stattfindet, was einen größeren Druckanstieg als den Druckanstieg aufgrund der Voreinspritzung 56 zur Folge hat. In diesem Fall kann es vorkommen, dass die Messungen nicht ausreichend genau sind. Deshalb werden in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung Messungen der Hitzeabgabe in einer Brennkammer als physikalisches Parameter verwendet, das es erlaubt, die Verzögerung eines Injektors zu bestimmen. Solche Hitzeabgabe kann z. B. ermittelt werden auf Basis von vorher durchgeführten Messungen des Drucks. Die Ermittlung der Einspritzungen und folglich die Bestimmung der gemessenen Mindestaktivierungszeit geschieht also mit einer größeren Präzision, wie nachfolgend beschrieben wird.
  • Die Hitzeabgabe 8Q in einer Brennkammer bei der Einspritzung von Treibstoff erzeugt eine Änderung des Drucks in der Kammer. Tatsächlich kann man unter Berücksichtigung des ersten Prinzips der Thermodynamik unter Anwendung auf das System aus dem Gasgemisch aus Luft und in den Zylinder eingespritztem Treibstoff schreiben: dU = δW + δQ (1),wobei dU die Änderung der internen Energie des Treibstoffs ist, und δQ und δW die durch das Gemisch erhaltene Wärme und Arbeit.
  • Wird das Gemisch als ideales Gas angenommen, kann man auch schreiben: dU = n·Cv·dT(2) und PV = nRT (3), wobei n die Anzahl der Mole des Gemisches und Cv seine Wärmekapazität ist, dT seine Änderung der Temperatur, und P, V und T jeweils sein Druck, sein Volumen und seine Temperatur, und R eine Konstante gleich 8,314.
  • Die elementare Arbeit δW des Gemisches bei der Ausdehnung ist gleich –PdV, und die Gleichung wird: δQ = n·Cv·dT + PdV (1 bis)
  • Durch Differenzieren von (3) erhält man: n·dT = (P·dV + V·dP)/R,was die Umformung der Gleichung erlaubt zu: δQ = (Cv/R + 1)·P·dV + Cv/R·VdP (1 ter)
  • Für ein ideales Gas gilt die Beziehung Cv/R = 1/(γ – 1), wobei γ der polytropische Koeffizient ist, γ 1,34, wodurch man aus (1 ter) erhält: δQ = 1/(γ – 1)·(γP·dV + V·dP). (4)
  • δQ setzt sich zusammen aus δQ = δQcombustion + δQparois, wobei δQcombustion die vom Gemisch bei der Verbrennung erhaltene Wärme und δQparois die an den Wanden verlorene Wärme darstellt. Zunächst vernachlässigt man den Term δQparois.
  • Die Beziehung zwischen der Hitzeabgabe und dem Fortschritt des Arbeitszyklus des Zylinders ist dargestellt in 6, die die Hitzeabgabe dQ (Ordinatenachse 62) in der Brennkammer bestimmt, die in Joules pro Grad Kurbelwellenumdrehung angegeben wird in Abhängigkeit vom Fortschritt des Verbrennungs zyklus im Zylinder (Abszissenachse 60), gemessen in Grad Kurbelwellenumdrehung. Die 6 wurde erhalten unter Anwendung der obenstehenden Formel (4) aus Druckmessungen, wie in 5 dargestellt, wobei das Volumen V und die Änderung dV des Gasgemisches erhalten wurden ausgehend vom Volumen der Kammer und seiner Änderung.
  • In dieser 6 sind verschiedene Kurven dargestellt (D'1, D'2, D'3, D'4), die die Hitzeabgabe darstellen, bestimmt in Abhängigkeit der unterschiedlichen Aktivierungsdauern (d'1, d'2, d'3, und d'4) des untersuchten Injektors bei konstantem Treibstoffeinspritzdruck in die Kammer, wie 200, 400, 600, 800, 1200 oder 1600 bar. Man beobachtet dann, dass eine Hitzeabgabe (Bereich 56' in 6), eine Voreinspritzung angibt, sich leichter ablesen lässt als ein Druckanstieg wie vorstehend beschrieben (Bereich 56 in 5), insbesondere weil am oberen Totpunkt (PMH) vor der Voreinspritzung keine Hitzeabgabe erfolgt. Man stellt auch für die Aktivierungsdauer d'1 entsprechend der Kurve D'1 fest, dass keine Voreinspritzung erfolgt.
  • Infolgedessen ist die Ermittlung der Mindestaktivierungsdauer mittels der errechneten Hitzeabgabe präziser, wie 7 zeigt, die die Messungen der Hitzeabgabe in Joules pro Grad Kurbelwellenumdrehung zeigt (Ordinatenachse 72), in Abhängigkeit der unterschiedlichen in Millisekunden gemessenen Aktivierungsdauern (Abszissenachse 74) für vier untersuchte Injektoren i1 (Kurve Di1), i2 (Kurve Di2), i3 (Kurve Di3) und i4 (Kurve Di4). Eine Messung der Hitzeabgabe wird erreicht für einen Injektor ij und für eine gegebene Aktivierungsdauer dj durch Integration der Fläche 56' der 6, die erhalten wird mit dem Injektor ij und der Aktivierungsdauer dj.
  • Man kann auch feststellen, dass die Hitzeabgabe von einem Wert Null zu einem positiven Wert übergeht, wenn die Voreinspritzung tatsächlich im Zylinder stattfindet, für ungefähr 265 Millisekunden, und solch eine Änderung leichter feststellbar ist, als eine Änderung im Anstieg eines Parameters, wie beim ersten Ausführungsbeispiel.
  • Die Versuche mit der Messung der Wärme zeigen im übrigen eine sehr geringe Streuung in den erhaltenen Resultaten sowie eine große Zuverlässigkeit bei unterschiedlichen Drücken, bei denen die Untersuchungen vorgenommen wurden.
  • In 8 ist ein Diagramm der Operationen dargestellt, die von einer Einheit 80 zur Korrektur der Einspritzsteuerung für vier erfindungsgemäße Injektoren vorgenommen werden. Hierzu wird diese Einheit informiert über die Drehzahl R und das Drehmoment C des Motors, um zu ermitteln (Block 82), ob der Motor in einem Bereich arbeitet, in dem eine Verschiebung der Einspritzung durchgeführt werden muss, wobei dieser Punkt bestimmt wird durch die Bedingungen des Drehmoments C und der Drehzahl R des Motors sowie des Treibstoffeinspritzdrucks P, und wobei dieser Druck P vorgegeben ist durch die Bedingungen des Drehmoments C und der Drehzahl R.
  • Falls dies der Fall ist, führt die Einheit 80 eine Bestimmung (Block 84) durch, die die Einspritzzeitpunkte auf vorgegebene Werte festlegt. Im vorliegenden Beispiel sind diese Zeitpunkte für die Haupteinspritzung festgelegt auf plus 15 Grad und für die Voreinspritzung auf minus 15 Grad der Kurbelwelle. Der Zeitpunkt der Haupteinspritzung ist im Voraus festgelegt auf den Zeitpunkt der Voreinspritzung, um die Aufrechterhaltung des Drehmoments C sicherzustellen, das vom Motor geliefert wird, und um den Lauf des Fahrzeugs durch die Messungen nicht zu stören.
  • Nach einer Stabilisierungsperiode des Motors von etwa 100 Zyklen werden die Drehzahl R, das Drehmoment C und die Einspritzmenge K des Treibstoffs für die Haupteinspritzung von der Einheit 80 abgespeichert.
  • Anschließend führt die Einheit 80 für jeden Injektor i, der im Motor betrachtet wird, eine Reihe von Operationen 86 aus, die die Verschiebung des Injektors i unter den vorher abgespeicherten Bedingungen der Drehzahl R, des Drehmoments C und der eingespritzten Treibstoffmenge K auswerten. So kann die Reihe von Operationen 86 in vier Durchgängen ausgeführt werden, einmal für jeden Injektor I, um eine Verzögerung Δti(P) für jeden Injektor bei dem Einspritzdruck P des Treibstoffes zu bestimmen.
  • Jede Reihe von Operationen 86 umfasst fünf Abfolgen 90 von Bestimmungen der Verzögerung Δti(P) des betreffenden Injektors. Wenn eine Reihe 90 von Bestimmungen für einen Injektor (Block 88) beginnt, werden folgende Operationen durchgeführt:
  • Eine erste Operation (Block 92) bestimmt die Schwelle SdQ der Hitzeabgabe (der wie vorstehend beschrieben benutzt wird) durch Bestimmung der mittleren Hitzeabgabe dQm gemessen kurz vor der Piloteinspritzung des Treibstoffs, dann wird eine konstante Menge zu diesem Mittelwert dQm hinzugegeben, so dass eine Hitzeabgabe über dem Schwellenwert SdQ feststellbar wird gegenüber der mittleren Abgabe dQm. In diesem Beispiel werden vier Messzyklen benutzt, um die mittlere Hitzeabgabe dQm zu berechnen, wobei die konstante hinzugefügte Menge 0,15 J/Grad beträgt.
  • Bei einer zweiten Operation (Block 94) bestimmt die Einheit 80 eine anfängliche, kurze Aktivierungsdauer Δtf, z. B. entsprechend einer Einspritzung von 0,01 Milligramm Kraftstoff, um die Reihe der unterschiedlichen Aktivierungsdauern und die Bestimmung (Block 96) der Verzögerung Δti(P) betreffend den Injektor i zu beginnen, wie unten mit Hilfe der 9 beschrieben wird. Dann wird der Wert der gemessenen Verzögerung Δti(P) gespeichert (Block 98) zusammen mit dem verwendeten Einspritzdruck P, um die Messungen in einem Druckbereich zu linearisieren, wie unten mit Hilfe der 10 und 11 beschrieben wird.
  • Die Bestimmung der Verzögerung Δti(P), wie in der 9 dargestellt, benutzt eine automatische Berechnung zur Bestimmung des Wertes der Mindestaktivierungsdauer, die eine Voreinspritzung in den Zylinder herbeiführt, d. h. eine Hitzeabgabe. Zu diesem Zweck werden die durch die Einheit 80 gesteuerten Aktivierungsdauern betrachtet als zusammengesetzt aus einem festen Anteil Δtf und einem variablen Anteil X0. Die Bestimmung der Mindestaktivierungsdauer oder der Mindestzeit zur Aktivierung eines Injektors besteht also darin, einen Minimalwert X0, genannt X0m, zu finden, damit nach einer Aktivierungsdauer gleich Δtf + X0m die Hitzeabgabe, die in der Brennkammer gemessen wird, größer als SdQ ist.
  • Eine solche Suche kann mit verschiedenen Verfahren durchgeführt werden. Im vorliegenden Beispiel wird eine Dichotomie benutzt, um ein von den Anfangsvariablen Xmax und Xmin begrenztes Intervall zu verkleinern, wobei die Anfangsvariablen bei einer Anfangsoperation der Dichotomie (Block 108) definiert werden, so dass für eine Aktivierungsdauer von Δtf + Xmax eine Hitzeabgabe aufgrund der Voreinspritzung festgestellt wird, und dass für eine Aktivierungsdauer von Δtf + Xmin die Einspritzung nicht festgestellt wird, während die Variable X0 festgesetzt wird auf Xmax + Xmin/2.
  • Dann führt der Rechner 80 Messungen der Hitzeabgabe (Block 96) durch für eine Aktivierungsdauer von Δtf + X0, wie mit Hilfe der 6 beschreiben ist, d. h. durch Integration der gemessenen Abgabe 56' für eine Aktivierungsdauer von Δtf + X0.
  • In anderen Worten misst man bei einer Operation 96 die mittlere Hitzeabgabe dQm(Δtf + X0) über die Zeitdauer [αmin; αmax], wobei αmin und αmax jeweils Winkelwerten der Kurbelwelle entsprechen, die vor und nach dem Winkel liegen, an dem die eventuelle Voreinspritzung stattfindet.
  • Durch Vergleich (Block 112) der mittleren Verschiebung dQm(Δtf + X0) mit dem Schwellenwert SdQ der vorher berechneten Verschiebung auf dem selben Intervall [αmin; αmax] bestimmt man, ob die gemessene Verschiebung dQm(Δtf + X0) größer als die Schwelle SdQ ist, woraus man dann ableiten kann, dass Xmin näher an X0m ist als Xmax. In diesem Fall wird die Variable Xmin mit dem Anfangswert beibehalten und die Variable Xmax nimmt den Wert X0 an, und der Wert der letztgenannten Variable X0 nimmt den Mittelwert (Xmin + Xmax)/2 der neuen Grenzen (Xmin; Xmax) an (Block 114).
  • Andersherum, wenn die gemessene Verschiebung dQm(Δtf + X0) kleiner als der Schwellenwert SdQ ist, kann man daraus ableiten, dass Xmax näher an X0m m ist als Xmin. In diesem Fall wird die Variable Xmax mit dem Anfangswert beibehalten und die Variable Xmin nimmt den Wert X0 an, und der Wert der letztgenannten Variable X0 wird auf Basis der neuen Grenzen (Xmin; Xmax) neu berechnet (Block 116).
  • Ein Konvergenztest (Operation 118) erlaubt die Überprüfung, ob das Intervall [Xmin; Xmax] einem vorgegebenen Konvergenzkriterium entspricht, das Kennzeichen der gewünschten Genauigkeit in der Berechnung der Mindestaktivierungszeit (Δtf + X0) ist. Wenn das Konvergenzkriterium erfüllt ist, d. h. wenn das Intervall [Xmin; Xmax] kleiner als eine vorgegebene Dauer ist, bestimmt die Einheit 80 den letzten Wert von X0 als gleich X0m, d. h. so, dass die gemessene Mindestaktivierungsdauer bei den vorgegebenen Betriebsbedingungen (Druck und Drehzahl) Δtf + X0m beträgt (Block 120).
  • Sonst wäre die Periode [Xmin; Xmax] zu groß und die Berechnung der mittleren Hitzeabgabe würde über die neue Periode ausgeführt (Block 96), ebenso wie der Test 112 des neuen Wertes und die bereits beschriebenen Operationen (Blöcke 114 und 116).
  • Die Speicherung dieses Ergebnisses (Block 98 in 8) erlaubt es, den Mittelwert der fünf berechneten Werte für jedes gegebene Paar von Druck- und Drehzahlbedingungen zu bestimmen.
  • Die Betriebsbedingungen werden gewählt, um die Gesamtheit der Funktionsbereiche des Motors abzudecken. Zu diesem Zweck, und unter der Annahme, dass der Bereich sich von 200 bis 1600 bar erstreckt (1), wird eine Linearisierung der gemessenen Verschiebungen vorgenommen in Druckbereichen, die 200 bar Variation abdecken, so dass ein Bereich von 400 bis 600 bar reicht.
  • Anschießend, wenn der Motor mit einem Druck P läuft, der sich in einem linearisierten Bereich befindet, wird der Wert der Verschiebung für diesen Druck P angenommen als der für diese Linearisierung festgestellte Wert (11).
  • In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Verzögerung der Einspritzung eines Injektors festgestellt durch Messung des Ionenstroms, der von einer Verbrennung des Treibstoffs erzeugt wird. Zu diesem Zweck integriert man einen Sensor für Ionenstrom in die Kammer, z. B. im Hilfe einer Vorglühkerze, die im Zylinder angeordnet ist, wobei diese Vorglühkerze die Rolle eine Elektrode spielt, die einen Strom abgibt, wenn Ionen aus einer Verbrennung sich in der Nähe befinden. In einer anderen Ausführungsform wird der Injektor als Elektrode benutzt.
  • 12 stellt solch einen elektrischen Strom dar (Ordinatenachse 122), dargestellt in Volt in Abhängigkeit der unterschiedlichen Aktivierungsdauern der untersuchten Injektoren. In dieser 12 sind die maximalen Messwerte des Ionenstroms in Bezug auf die vier Injektoren i'1, i'2, i'3, und i'4 dargestellt. Die Aktivierungsdauern sind in Millisekunden (Abszissenachse 120) dargestellt. Man stellt fest, dass eine Zunahme der Aktivierungsdauer eine Zunahme des gemessenen Ionenstroms herbeiführt.
  • Jedoch ist die Messung des Ionenstroms durch seine lokale Natur größeren Streuungen unterworfen als die Messungen des Drucks oder der Hitzeabgabe. Deshalb kann man, wie in 13 dargestellt, für einen Injektor ii mehrere Messungen des Ionenstroms für ein und dieselbe Aktivierungsdauer durchführen und den Mittelwert <ii> der Aktivierungsströme als das der Dauer zugeordnete Maß betrachten, um die Mindestaktivierungszeit 125 für eine Voreinspritzung zu bestimmen.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung benutzt die Detektion des von der Haupteinspritzung erzeugten Ionenstroms, um die Durchführung einer Voreinspritzung festzustellen. Tatsächlich wird bei Durchführung einer Voreinspritzung von der Haupteinspritzung die Haupteinspritzmenge des Treibstoffs früher verbrennen als wenn sie in eine kältere Kammer trifft.
  • In 14 ist der Zeitpunkt dargestellt, in dem die Haupteinspritzung festgestellt wird, der definiert ist durch die Gradzahl der Kurbelwelle (Ordinatenachse 128) in der Brennkammer in Abhängigkeit der unterschiedlichen Aktivierungsdauern (Abszissenachse 130), die von den Injektoren I5, I6, I7 und I8 für die Voreinspritzungen angesteuert werden.
  • Man stellt zunächst fest, dass die Verteilung der durchgeführten Messungen in dieser Ausführungsform abweicht von der Verteilung der Messungen des Stroms gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Tatsächlich sind die Messungen, die in 14 dargestellt sind, bezüglich des gemessenen Zeitpunkts der Haupteinspritzung von Treibstoff detektiert durch die Messung eines Ionenstroms. So kann in Abwesenheit einer Voreinspritzung (Aktivierungsdauer zwischen 50 und 175 Mikrosekunden) die Haupteinspritzung in der Mehrzahl der Messungen detektiert werden für die Werte der Kurbelwellenstellung zwischen acht und zehn Grad. Umgekehrt beginnt die Haupteinspritzung bei Vorhandensein einer Voreinspritzung (Aktivierungsdauer zwischen 200 und 400 Mikrosekunden) früher, um sich bei 5 Grad Kurbelwellenstellung zu stabilisieren.
  • Man kann ebenfalls feststellen, dass zu einem zweiten Zeitpunkt die Unterschiede der gemessenen Werte (Grad der Kurbelwellenstellung) größer sind, und folglich in dieser Ausführungsform leichter messbar sind als die Unterschiede des Ionenstroms in der vorher beschriebenen Ausführungsform. Tatsächlich ist der Ionenstrom, der von der Haupteinspritzung erzeugt wird, größer als der Ionenstrom, der von der Voreinspritzung erzeugt wird, und ist damit leichter messbar.
  • In zur vorstehend beschriebenen Ausführungsform analoger Weise können mehrfache Messungen bezüglich eines Injektors ii (15) benutzt werden, um einen Mittelwert <ii> zu erhalten, der zur Bestimmung der Schwelle 133 benutzt wird, die die Mindestaktivierungsdauer zur Erzeugung einer Voreinspritzung angibt.
  • Jedoch haben die Messungen der Gradeinstellung der Kurbelwelle auch eine ausgedehnte Verteilung, und die Mindesteinspritzdauer, zu der der Ionenstrom abnimmt, kann unzureichend genau bestimmt werden.
  • Deshalb benutzt man in einer Ausführungsform eine Kombination der Bestimmung der beiden oben beschriebenen Phänomene, d. h. die Feststellung eines Ionenstroms aufgrund einer Voreinspritzung und den Einfluss dieser Einspritzung auf die Haupteinspritzung, um eine genaue und lineare Feststellung des Einspritzzeitpunkts zu erhalten, wie in 16 dargestellt ist.
  • In 16 ist die Messung des Ionenstroms (Ordinatenachse 136) dargestellt, die in einem Zylinder durchgeführt wird für Aktivierungsdauern d4 (Kurve D4), d5 (Kurve D5) und d6 (Kurve D6) von getrennten Aktivierungen des Injektors. Die Messungen des Stroms werden dargestellt nach dem Fortschritt des Zyklus in Grad der Kurbelwellenposition (Abszissenachse 138), und man stellt fest, dass bei Vorhandensein einer Voreinspritzung (Kurven D4 und D5) die Haupteinspritzung schneller ist und um 3 Grad Kurbelwellenposition anfangt, während in Abwesen heit einer Voreinspritzung (Kurve D4) die Haupteinspritzung erst um 8 Grad Kurbelwellenposition festgestellt wird. Man stellt die Voreinspritzung (Kurven D5 und D6) im Übrigen gegen minus 8 Grad Kurbelwellenposition fest.
  • In einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden die Messungen der Verschiebungen und die Speicherung, die sich daraus ergeben, periodisch durchgeführt, z. B. alle 1000 km Fahrstrecke des Fahrzeugs.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden die Messungen und Speicherungen anlässlich einer Inspektion des Fahrzeugs durchgeführt.

Claims (14)

  1. Dieselmotor mit einer Kontrollvorrichtung für die Menge an eingespritztem Treibstoff mit zumindest einer Treibstoff Einspritzvorrichtung, die eine Verbrennungskammer versorgt, und die von einem Prozessor angesteuert wird, der mit Mitteln (80) zur Ansteuerung einer Reihe von unterschiedlich langen Aktivierungen der Einspritzvorrichtung, mit Mitteln zur Messung einer Mindestaktivierungszeit (ΔTMA + Δt) zwischen der Ausgabe eines Befehls und dem Beginn eines Einspritzvorganges, und mit Mitteln zur späteren Ansteuerung der Einspritzvorrichtung in Abhängigkeit von der gemessenen Mindestaktivierungszeit ausgestattet ist, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er Mittel zur Auswertung der Hitzeabgabe (dQ) enthält, die durch die Mischung aus Luft und Treibstoff entsteht, die in die Kammer eingespritzt wird, sowie Mittel zum Messen der Mindestaktivierungszeit basierend auf diesen Berechnungen.
  2. Motor nach Anspruch 1, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Mittel zur Ansteuerung der Aktivierungszeiten wiederum Mittel zum Verändern einer vorbestimmten Mindestaktivierungszeit (ΔTMA) um eine Verschiebung (Δt), die sich aus der Messung ergibt, enthalten.
  3. Motor nach Anspruch 2, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Prozessor Mittel enthält, damit sich die zum Messen der Hitzeabgabe verwendeten Aktivierungen von jenen Aktivierungen unterscheiden, die die Haupteinspritzvorgänge des Treibstoffs ansteuern, die dazu bestimmt sind, das Motordrehmoment zu generieren.
  4. Motor nach Anspruch 3, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Prozessor Mittel enthält, damit die zum Messen der Hitzeabgabe verwendeten Aktivierungen den Piloteinspritzungen entsprechen, die dazu bestimmt sind, die optimalen Temperaturbedingungen im Zylinder im Verhältnis zu den Haupteinspritzungen herzustellen, die dazu bestimmt sind, das Motordrehmoment zu generieren.
  5. Motor nach einem der vorherigen Ansprüche, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Prozessor Mittel zur Bestimmung der Hitzeabgabe basierend auf Messungen des Kammerdrucks enthält.
  6. Motor nach Anspruch 5, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Prozessor Mittel zur Bestimmung der Hitzeabgabe basierend auf den Druckmessungen in der Kammer anhand der Gleichung des folgenden Typs enthält: δQ = 1/(γ – 1)·(γP·δV + V·δP)wobei δQ die Hitzeabgabe, P und V der Druck und das Volumen dieser Mischung in der Kammer, dP und dV ihre Variationen und γ eine Konstante sind.
  7. Motor nach einem der vorherigen Ansprüche, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Prozessor Mittel zur Bestimmung der Mindestaktivierungszeit enthält, die anhand der Berechnung der durchschnittlichen Hitzeabgabe in einem Intervall des Motorzyklus inklusive Piloteinspritzung gemessen wird.
  8. Motor nach einem der vorherigen Ansprüche, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er mehrere Einspritzvorrichtungen enthält, die von einem Common Rail versorgt werden.
  9. Motor nach einem der vorherigen Ansprüche, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Reihe der Aktivierungen der Einspritzvorrichtung bei konstantem Versorgungsdruck und konstanter Drehzahl erfolgt.
  10. Motor nach einem der vorherigen Ansprüche, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Prozessor Mittel zur regelmäßigen Ausführung von Aktivierungsreihen enthält.
  11. Prozessor zur Ansteuerung der Einspritzmenge an Treibstoff in einen Innenverbrennungsmotor mit den entsprechenden Mitteln zur Ansteuerung einer Reihe von unterschiedlich langen Aktivierungen einer Einspritzvorrichtung zur Versorgung einer Verbrennungskammer, mit Mitteln zum Messen der Mindestaktivierungszeit (ΔTMA + Δt) zwischen der Ausgabe eines Befehls und dem Beginn eines Einspritzvorganges, und mit Mitteln zur späteren Ansteuerung der Einspritzvorrichtung in Abhängigkeit von der gemessenen Mindestaktivierungszeit, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er Mittel zur Auswertung der Hitzeabgabe (dQ) enthält, die durch die Mischung aus Luft und Treibstoff entsteht, die in die Verbrennungskammer eingespritzt wird, sowie Mittel zum Messen der Mindestaktivierungszeit basierend auf diesen Berechnungen.
  12. Prozessor nach Anspruch 11, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er Mittel zum Verändern einer vorbestimmten Mindestaktivierungszeit (ΔTMA) um eine Verschiebung (Δt), die sich aus der Messung ergibt, enthält.
  13. Prozessor nach Anspruch 11 oder 12, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er Mittel enthält, damit sich die zum Messen der Hitzeabgabe verwendeten Aktivierungen von jenen Aktivierungen unterscheiden, die die Haupteinspritzvorgänge des Treibstoffs ansteuern, die dazu bestimmt sind, das Motordrehmoment zu generieren.
  14. Prozessor nach Anspruch 13, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er Mittel enthält, damit die zum Messen der Hitzeabgabe verwendeten Aktivierungen Piloteinspritzungen entsprechen, die dazu bestimmt sind, die optimalen Temperaturbedingungen im Zylinder gegenüber den Haupteinspritzungen herzustellen.
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