Beschreibung
Titel
Verfahren zur Bestimmung eines Kennfeldes der Einspritzmenge über einer elektrischen Größe eines elektrisch angesteuerten Einspritzventils
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Kennfeldes der Einspritzmenge über einer elektrischen Größe eines elektrisch angesteuerten Ein- spritzventils.
Aus dem Stand der Technik sind elektrisch angesteuerte Einspritzventile bekannt, die im Zusammenhang mit so genannten Common-Rail-Einspritzanlagen benutzt werden. Derartige Einspritzventile sind üblicherweise mit einem piezoelektrischen Aktor verse- hen, der über ein hydraulisches Koppelelement eine Ventilnadel bewegen kann. Der
Piezo-Aktor ist direkt über der Nadel angeordnet und vollständig vom unter Hochdruck stehenden Kraftstoff umgeben. Bedingt durch eine Langzeitdrift (Alterung und dergleichen) der elektrischen und mechanischen Eigenschaft des Injektors kann es vorkommen, dass beim gealterten Injektor die Voreinspritzung bzw. allgemein Einspritzung mit kleinen Mengen ausbleiben bzw. mit veränderten Mengen abgesetzt werden, da die für einen neuen Injektor applizierten Werte, wie z.B. eine Bottomspannung und Ansteuerdauer, für die gealterten (gedrifteten) Injektoren nicht mehr zum Öffnen ausreichen oder es durch die Drift zu einer falschen Einspritzmenge kommt. Dies führt zu einem Anstieg des Verbrennungsgeräusches, was sich insbesondere im Leerlauf stö- rend bemerkbar machen kann. Ein Ansteigen der Voreinspritzmenge durch eine Drift des Injektors kann zudem eine Verschlechterung der Abgaszusammensetzung hervorrufen.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, durch Alterung bzw. Langzeitdrift verursachte Abweichungen eines Einspritzventils (Injektors) vom Soll-Zustand zu erfassen und zu korrigieren.
Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Kennfeldes der Einspritzmenge über eine elektrische Größe eines elektrisch angesteuerten Injektors, wobei die elektrische Größe im Betrieb der Brennkraftmaschine von einem Anfangswert, bei dem keine Einspritzung abgesetzt wird, verändert wird, bis eine definierte erste Einspritzmenge abgesetzt wird, wobei der bei der definierten ersten Einspritzmenge eingestellte Wert als erster Wert der elektrischen Größe der definierten Einspritzmenge zugewiesen wird. Vorzugsweise wird das Verfahren bei einer Voreinspritzung durchgeführt. Die zugehörige Haupteinspritzung wird dabei unverändert durchgeführt, wobei die Einspritzmenge ansteigt, sobald die Voreinspritzung erfolgreich abge- setzt wird. Dadurch ist gewährleistet, dass die Verbrennung stattfindet, der Drehmomentbeitrag aber geringer als bei einer erfolgten Voreinspritzung ist. Es kann also beobachtet werden, ob die Voreinspritzung abgesetzt wurde oder nicht abgesetzt wurde, indem der Drehmomentbeitrag zum Gesamtmoment der Brennkraftmaschine bei der jeweils beobachteten Einspritzung bestimmt wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Verfahren im Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt wird, da in diesem Fall der fehlende Drehmomentbeitrag bei nicht erfolgter Voreinspritzung nur eine geringe Auswirkung auf den Fahrkomfort eines durch die Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges hat. Die elektrische Größe wird in einem weiteren Verfahrensschritt vorzugsweise so verändert, dass eine definierte zweite Einspritzmenge einge- spritzt wird, wobei der bei der definierten zweiten Einspritzmenge eingestellte Wert als zweiter Wert der elektrischen Größe der definierten zweiten Einspritzmenge zugewiesen wird. Es werden also zwei Wertepaare Spannungshub/Einspritzmenge bestimmt. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass aus dem Wertepaar der ersten Einspritzmenge mit dem ersten elektrischen Wert sowie dem Wertepaar der zweiten Einspritzmenge und dem zweiten elektrischen Wert mittels einer Extrapolations- und Interpolationsfunktion ein Kennfeld elektrischer Wert zur Einspritzmenge ermittelt wird. Zusätzlich können weitere Wertepaare in die Extrapolation bzw. Interpolation eingehen, wodurch die Genauigkeit der gebildeten Extrapolations- bzw. Interpolationsfunktion verbessert werden kann. Vorzugsweise ist die Extrapolations- und Interpolationsfunktion eine lineare
Funktion. Das elektrisch angesteuerte Einspritzventil wird vorzugsweise piezoelektrisch angesteuert, wobei die elektrische Größe der Spannungshub zwischen einer Haltespannung und einer Bottomspannung ist. Dabei wird zur Bestimmung eines Kennfeldes der Einspritzmenge über dem Spannungshub des piezoelektrischen Einspritz- ventils der Spannungshub im Betrieb der Brennkraftmaschine vom Anfangsspannungshub, bei dem keine Einspritzung abgesetzt wird, erhöht, bis eine definierte Einspritzmenge eingespritzt wird, wobei der bei der definierten Einspritzmenge eingestellte Spannungshub der definierten Einspritzmenge zugewiesen wird.
Die tatsächlich eingespritzte Einspritzmenge wird vorzugsweise anhand des zeitlichen
Verlaufs des Drehmomentes der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ermittelt. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Einspritzmenge vermittels eines Schubgas- momentenmodells eines Zylinders der Brennkraftmaschine aus dem zeitlichen Verlauf des Drehmomentes der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ermittelt wird.
Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch eine Vorrichtung, insbesondere Brennkraftmaschine oder Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist zur Bestimmung eines Kennfeldes der Einspritzmenge über eine elektrische Größe eines elektrisch angesteuerten Injektors, wobei die elektrische Größe im Be- trieb der Brennkraftmaschine von einem Anfangswert, bei dem keine Einspritzung abgesetzt wird, verändert wird, bis eine definierte erste Einspritzmenge abgesetzt wird, wobei der bei der definierten ersten Einspritzmenge eingestellte Wert als erster Wert der elektrischen Größe der definierten Einspritzmenge zugewiesen wird. Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Schritte nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, wenn das
Programm in einem Computer ausgeführt wird.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 den Spannungsverlauf an dem piezoelektrischen Aktor über der Zeit;
Fig. 2 ein Diagramm der Einspritzmenge über der Bottomspannung;
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Verfahrens.
Ausführungsform der Erfindung
Bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen wird ausgegangen von einem Injektor (Einspritzventil) mit piezoelektrischem Aktor als Steller. Ein derartiger Injektor ist mit einem piezoelektrischen Aktor versehen, der von einem Steuergerät angesteuert wird. Der piezoelektrische Aktor ist mit einer Ventilnadel über ein hydraulisches Koppelele- ment verbunden, wobei die Ventilnadel auf einem Ventilsitz im Inneren des Gehäuses des Einspritzventils aufsitzen kann. Bei einer von dem Ventilsitz abgehobenen Ventilnadel ist das Einspritzventil geöffnet und es wird Kraftstoff eingespritzt. Sitzt die Ventilnadel auf dem Ventilsitz auf, so ist das Einspritzventil geschlossen. Der Übergang von dem geschlossen in den geöffneten Zustand wird mit Hilfe des piezoelektrischen Aktors bewirkt. Dazu wird eine elektrische Spannung an den Aktor angelegt, die eine
Längenänderung eines Piezostapels hervorruft, die ihrerseits zum Öffnen bzw. Schließen des Einspritzventils ausgenutzt wird. An den piezoelektrischen Aktor wird dazu eine so genannte Haltespannung angelegt, die eine bestimmte Länge des Piezostapels bewirkt. Das hydraulische Koppelelement bewirkt, dass bei einer stationär anliegen- den Spannung die Ventilnadel auf ihrem Ventilsitz aufsitzt und das Einspritzventil geschlossen ist. Eine ausreichend schnelle Veränderung der an dem Piezoelement anliegenden Spannung kann durch das hydraulische Koppelelement nicht ausgeglichen werden, eine Spannungsänderung, die eine Verkürzung des piezoelektrischen Elements bewirkt, bewirkt so eine Einspritzung.
In Fig. 1 ist der Spannungsverlauf der Spannung U an dem piezoelektrischen Aktor über der Zeit t dargestellt. Im geschlossenen Zustand des Einspritzventils liegt die so genannte Haltespannung UH an. Zum Absetzten einer Einspritzung wird die Haltespannung UH abgesenkt auf eine so genannte Bottomspannung UB. Die Bottomspan- nung U6 kann für einen geeigneten Zeitraum gehalten werden, kann aber auch unmittelbar auf eine geeignete andere von der Haltespannung abweichende Spannung angehoben werden. Zum Ende der Einspritzung wird an den piezoelektrischen Aktor wieder die Haltespannung UH angelegt. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird die Haltespannung UH zum Absetzen einer Einspritzung zunächst auf die Bottomspan-
nung U B gesenkt, anschließend auf eine Zwischenspannung Ui angehoben und für eine Haltezeit ΔtH konstant gehalten und danach mit einer ansteigenden Flanke wieder auf die Haltespannung UH angehoben. Wird die Haltespannung UH konstant gehalten und ebenfalls der Spannungsverlauf und die Haltezeit ΔtH konstant gehalten, so hängt die Einspritzmenge im Wesentlichen von der Bottomspannung UB ab. Die Differenz
Haltespannung UH zu Bottomspannung UB wird als Spannungshub ΔU bezeichnet. Wird also allein die Bottomspannung U6 verändert, so wird nur der Spannungshub ΔU verändert, sodass die Einspritzmenge P vom Spannungshub ΔU abhängt.
Eine Veränderung der Einspritzmenge P eines Zylinders wirkt sich auf das Drehmoment m der Brennkraftmaschine aus. Für die nachfolgende Darstellung wird davon ausgegangen, dass sich die Brennkraftmaschine im Schubbetrieb befindet.
Der Spannungshub während einer Voreinspritzung eines Zylinders im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine wird nun erfindungsgemäß soweit verringert, bis garantiert keine Voreinspritzung stattfindet. Eine Verringerung des Spannungshubes bedeutet bei gleich bleibender Ausgangsspannung eine Erhöhung der Bottomspannung. Dieser Wert der Bottomspannung UB ist als UO in Fig. 1 bezeichnet. Nun wird der Spannungshub bei der Voreinspritzung schrittweise soweit erhöht, bis eine Voreinspritzung stattfindet. Dies kann im Schubbetrieb einfach am Drehzahlsignal der Brennkraftmaschine gemessen werden, eine erfolgte Voreinspritzung liefert ein zusätzliches Drehmoment der Brennkraftmaschine, sodass dadurch die Drehzahl ansteigt. Über die Drehzahlerhöhung kann das zusätzliche Gasmoment des Zylinders, in dem die Voreinspritzung abgesetzt wurde, ermittelt werden und damit die Einspritzmenge mit Hilfe eines Modells der Verbrennung bestimmt werden. Der Spannungshub an dem Zylinder wird nun so eingestellt, dass eine definierte erste Einspritzmenge Qi eingespritzt wird, beispielsweise ein Kubikmillimeter pro Einspritzung. Zu der definierten ersten Einspritzmenge gehört ein Spannungshub und damit eine Bottomspannung, diese sind mit U' und U6' in Fig.l bezeichnet. Man erhält ein erstes Wertepaar Ui/Qi. In einem nächsten Schritt wird nun die Bottomspannung U6 und damit der Spannungshub ΔU so verändert, bis eine definierte zweite Einspritzmenge Q2 von beispielsweise drei Ku- bikmillimetern pro Einspritzung erreicht wird. Dieser Wert ist in Fig. 1 als Spannungshub ΔU" bzw. als Bottomspannung UB' bezeichnet. Sämtliche anderen Werte insbe-
sondere die Haltespannung UH und die Haltezeit ΔtH bleiben unverändert. Das Vorliegen der zweiten definierten Einspritzmenge Q2 von hier beispielsweise drei Kubikmil- limeter pro Einspritzung wird wiederum anhand des Drehzahlsignals ermittelt. Man erhält so ein zweites Wertepaar U2ZQ2.
Zur weiteren Bestimmung eines Kennfeldes des Zusammenhangs Spannungshub bzw. bei konstanter Haltespannung der Bottomspannung U6 zur Einspritzmenge Q wird von einem linearen Zusammenhang beider ausgegangen. Mit den zuvor ermittelten zwei Wertepaaren Bottomspannung/Einspritzmenge kann nun eine Gerade ermit- telt werden, mit deren Hilfe die weiteren Wertepaare des Kennfeldes ermittelt werden.
Dieser Zusammenhang ist in Fig. 2 skizziert. Es wird ein erster Punkt Pi mit einem Wertepaar O1JQ1 und ein zweiter Punkt P2 Wertepaar O2JQ2 wie zuvor dargestellt ermittelt. Durch beide wird eine Ausgleichsgerade gelegt, sämtliche Wertepaare Bottomspannung/Einspritzmenge bzw. Spannungshub/Einspritzmenge liegen auf dieser Geraden. Gegebenenfalls können statt zwei Punkten auch mehrere Punkte zur Ermittlung der Extrapolations- bzw. Interpolationsgeraden gemäß Fig. 2 herangezogen werden, in diesem Fall ist ein geeignetes Anpassungsverfahren zu wählen, beispielsweise ein Kleinste-Quadrate-Verfahren oder dergleichen, um die Ausgleichsgerade durch die Punkteschar zu legen.
Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren beginnt in Schritt 101 mit dem Übergang der Brennkraftmaschine in den Schubbetrieb. In Schritt 102 wird die Bottomspannung für die Voreinspritzung bei einem Zylinder auf einen Wert verringert (z.B. ein fest vorgegebener Wert für den jeweiligen Injektortyp), bei dem keine Einspritzung abgesetzt wird. Nun wird die Bottomspannung in einer Schleife erhöht, bis eine definierte Einspritzmenge, beispielsweise 1 mm3 eingespritzt wird. Anhand des Drehzahlverlaufs wird in Schritt 103 das durch die Voreinspritzung beigetragene Drehmoment und anhand des Drehmomentes die Einspritzmenge bestimmt. In Schritt 104 wird geprüft, ob die geforderte Einspritzmenge Qi erreicht ist. Ist dies der Fall (Option J), so wird die zugehörige Bottomspannung Ui zusammen mit der Einspritzmenge Qi in Schritt 105 als Wertepaar Ui/Qi gespeichert, andernfalls (Option N) wird die Bottomspannung in Schritt 106 um einen Spannungsbetrag ΔU erhöht. Ist das Wertepaar U1JQ1 in der Schleife der Schrit-
te 103 bis 106 ermittelt, so schließt sich eine gleichartige Schleife der Schritte 107 bis 110 zur Ermittlung des Wertepaares U2/Q2 an, wobei in Schritt 107 die Einspritzmenge Q bestimmt wird, in Schritt 108 geprüft wird, ob diese den Wert Q2 erreicht hat, in Schritt 109 die Bottomspannung in einer Schleife erhöht wird und in Schritt 110 das Wertepaar U2/Q2 gespeichert wird. In Schritt 111 wird aus den beiden Wertepaaren Uj/Qi und U2/Q2 eine Geradengleichung aufgestellt, mit der in Schritt 112 ein Kennfeld bestimmt und in einem Steuergerät abgelegt wird.