Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Durchführung einer Kraftstoffeinspritzmengenkorrektur durch Korrelation einer Kraftstoffdruckänderung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines mindestens einen Injektor aufweisenden Verbrennungsmotors mit Durchführung einer Kraftstoffeinspritzmengenkorrektur durch Korrelation einer Kraftstoffdruckänderung.

Verbrennungsmotoren unterliegen im Betrieb einem gewissen Verschleiß und einer Veränderung ihrer technischen Eigenschaften. Um die Gesetzgebung hinsichtlich Emissionierung zu erfüllen, sind bei der Fertigung der Bauteile enge Toleranzen einzuhalten. Jedwede Detektion der während der Laufzeit auftretenden Veränderungen erlaubt eine Erweiterung der Fertigungsgrenzen und/oder den Einsatz günstigerer Materialien, was letztlich zu einem geringeren Produktpreis bzw. erhöhten Gewinn führt. Alternativ können solche Detektionsalgorithmen zur Erreichung höherer Ziele bezüglich Leistung und/oder Emissionierung eingesetzt werden.

Bisher werden Detektionsalgorithmen basierend auf Sensorsignalen des Injektors zur Kraftstoffmengenkorrektur verwendet. Hierbei werden elektromechanische Eigenschaften genutzt, um charakteristische Punkte im Injektorverhalten zu detektieren und mittels einer Regelung zeitlich immer auf den gleichen Wert zu stellen. Nachteil dieser Verfahren ist, dass insbesondere bei der Detektion des Öffnungsverhaltens in der Regel nicht das konventionelle Ansteuersignal verwendet werden kann. Ein Übertrag von Detektions- zu Betriebsansteuerung ist notwendig.

Heute ist kein Verfahren bekannt, welches aufgrund der Injektoreigenschaften eine Änderung des maximalen Durchflusses der Düse des Injektors erlaubt. Es gibt Methoden, die aufgrund des gemessenen Druckeinbruches im Rail bzw. in der Versorgungsleitung auf die eingespritzte Kraftstoffmenge rückschließen. Meistens findet sich bei heute ausgeführten Systemen die Volllastmengenabweichung in einer Offset-Korrektur des Lambdareglers wieder, wobei nicht differenziert wird, ob es sich um einen Luft- oder Kraftstofffehler handelt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art zu schaffen, das eine zusätzliche Alternative zur Durchführung einer Kraftstoffeinspritzmengenkorrektur ohne zusätzliche sensorische Hardware darstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung von fünf Öff- nungsphasen eines Injektors;

Figur 2 ein Diagramm, das den Durchfluss eines Injek tors in Abhängigkeit vom Nadelhub zeigt;

Figur 3 ein Diagramm, das die Kraftstoffeinspritzrate in Abhän gigkeit von der Zeit des Injektors zeigt;

Figur 4 ein Diagramm, das die Kraftstoffeinspritzrate in Abhän gigkeit von der Steuerdauer zeigt;

Figur 5 ein Diagramm, das links die Kraftstoffeinspritzrate in Abhängigkeit von der Zeit und rechts die Kraftstoffeinspritzrate in Abhängigkeit von der Zeit für einzelne Teilpulse zeigt;

Figur 6 ein Diagramm, das den Kraftstoffhochdruck in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel zeigt;

Figur 7 ein detaillierteres Diagramm, das den Kraftstoffhochdruck in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel zeigt;

Figur 8 ein Diagramm, das die Kraftstoffeinspritzmenge in Abhängigkeit von der Steuerdauer zeigt;

Figur 9 ein Diagramm, das die Kraftstoffeinspritzmenge in Abhän gigkeit von der Steuerdauer und die Anpassung durch Steigungskorrektur zeigt.

Bei der vorliegenden Erfindung geht es um ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines mindestens einen Injektor aufweisenden Verbrennungsmotors mit Durchführung einer Kraftstoffeinspritzmengenkorrektur durch Korrelation einer Kraftstoffdruckänderung. Ein derartiges Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert.

Die vorliegende Erfindung macht sich die unterschiedlichen Injektoreigenschaften im ballistischen Betrieb (Nadelanschlag bzw. max. Durchfluss wird nicht erreicht = Position A-C in Figur 1) und im linearen Bereich (Nadelanschlag bzw. max. Durchfluss wird sicher erreicht, Position D in Figur 1 ) zunutze. Hierbei zeigt Figur 1 verschiedene Öffnungsphasen eines Injektors, wobei mit 1 eine Düsennadel, mit 2 ein Anker, mit 3 eine Magnetspule, mit 4 eine Düsenplatte und mit 5 ein mechanischer Anschlag bezeichnet sind. Figur 1 ist lediglich eine schematische Darstellung, wobei keine Federn, Führungen etc. gezeigt sind.

Auf den folgenden Figuren ist zur Vereinfachung lediglich eine Abnahme der Einspritzmenge (gestrichelte Linien) zur Normalmenge (durchgezogenen Linien) dargestellt. Alle folgenden Aussagen gelten aber auch sinngemäß für eine Mengenzunahme. Ein grundsätzlicher Verschleiß/Toleranzpunkt ist der Leerweg des Ankers 2 (Position A zu B in Figur 1 ). Ein veränderter Leerweg stellt grundsätzlich einen zeitlichen Offset der Mengenkennlinie (Figur 4) und im

Kraftstoffeinspritzratenbeginn (B zu BL in Figur 3) dar. In der Darstellung Durchfluss über Nadelhub ist ein veränderter Leerweg nicht bemerkbar (B zu BL in Figur 2).

Der weitere wesentliche Verschleiß/Toleranzpunkt ist der maximale Durchfluss (Position D in Figur 1 ). Der Durchfluss ist veränderlich über ToleranzenA/erschleiß der Düsenplatte 4 (D1 in Figur 1 ) oder durch ToleranzenA/erschleiß des Anschlags 5 (D2 in Figur 1 ). Eine Veränderung des max. Durchflusses stellt grundsätzlich eine Gradientenänderung in der Mengenkennlinie (Figur 4) und eine verringerte maximale Rate (D zu DL in Figur 3) dar. Auch in der Darstellung Durchfluss über Nadelhub ist ein veränderter Durchfluss sichtbar (D zu DL in Figur 2).

Dieses Verhalten macht sich das erfindungsgemäße Verfahren zunutze. Befindet sich der Arbeitsbereich des Injektors im Linearbereich, kann der Algorithmus gestartet werden. Dies ist praktisch schon bei sehr geringen Motorlasten der Fall, so dass die Erkennung praktisch ohne Einschränkungen angewendet werden kann.

Die angeforderte Kraftstoffgesamteinspritzmenge X wird vorzugsweise als Einzelpuls ausgeführt. Diese Einspritzung ist idealerweise bereits so korrigiert, dass das Injektorschließereignis bereits seinem Sollwert entspricht (S in Figur 3). Der ausgeführte Einspritzpuls soll einen in Position und Betrag erwarteten und zu messenden Druckeinbruch auslösen (dp und Pos in Figur 6)

Der physikalische Zusammenhang ist über: p(p,T ) * V dm = * dp B _s (_p,T ) beschrieben, wobei im Einzelnen bedeuten: dm -> die dem System entnommene Kraftstoff masse dp -> der Druckeinbruch im System

V -> das unter Druck stehende Systemvolumen p(p,T) -> die Kraftstoffdichte

B _s (p,T) -> das Kompressionsmodul des Kraftstoffs

Dichte und Kompressionsmodul sind in der Steuergerätesoftware als Kennfelder in Abhängigkeit der gemessenen oder modellierten Größen von Druck und Temperatur zu hinterlegen; ggf. ist geeigneten Sensoren auch eine direkte Messung möglich. Das Systemvolumen ist eine bekannte Konstante.

Im günstigsten Fall ergibt der gemessene Druckeindruck, bei bekannter Dichte und Kompressionsmodul, die Masse des auszuführenden Einspritzpulses. Hier ist dann keine weitere Korrektur notwendig. Weicht das Ergebnis aber ab, muss der Injektor einen Fehler im Durchfluss oder im Öffnungsverhalten (D zu DL oder B/C zu BL/CL in Figur 3) aufweisen.

Im ersten Schritt wird zwischen Durchfluss und Öffnungsfehler unterschieden. Dazu wird die geforderte Gesamteinspritzmenge in eine Anzahl n kleinere, gleiche Mengenpulse XE mit gleicher Gesamtmenge aufgeteilt. Hierbei ist es wichtig, dass die kleinen Mengenpulse im ballistischen Injektorbetrieb ausgeführt werden. Aufgrund der ausschließlich ballistischen Pulse ist ein ev. Durchflussfehler nicht wirksam (Figur 5).

Im hier betrachteten Beispiel ist die ausgeführte Einspritzmenge aufgrund des Öffnungsfehlers (B/C zu BL/CL in Figur 3) zu gering. Ohne Öffnungsfehler wäre die Summe der Druckeinbrüche gleich dem Druckeinbruch beim Einzelpuls, d.h. der die Abweichung zum erwartendem Druckwert ist die Summe des Öffnungsfehlers.

Ist dpx der theoretische Druckeinbruch der sich beim Einzelpulse X mit der theoretischen Masse dm _x ergeben würde und dpi _,m der gemessene Druckeinbruch der sich bei der Anzahl i in Folge aller Pulse XE mit der Masse dmx _Ej und der Summenmasse dmx _E ergibt dann ist der Mengenfehler des Öffnens beschrieben durch: dm ₀ = [dm _x - dm _XE ] / i = [(p(p,T) ^* V/ B _s (p,T)) ^* (dp _x - dp _{i m} )] / i Zusätzlich wird der Druckeinbruch dp _x,m beim Absetzen der realen, fehlerhaften Masse dm _x,r als Einzelpuls im linearen Injektorbetrieb betrachtet. Hieraus lässt sich dann der Mengenfehler durch Durchflussabweichungen bestimmen: dm _d = dm _x - (dm _x,r - dm _XE ) = (p(p,T) ^* V/ B _s (p,T)) ^* (dpx - (dp _x,m - dpi, _m ))

Durch Messungen and unterschiedlichen Mengenpunkten X und XE kann jeweils die Fehlmenge d _mo und dm _d bestimmt werden. Aus der Übertragung von der ermittelten Kennlinie zum Nominal ergibt sich die für jeden Punkt erforderliche Offsetkorrektur TI -> TI_COR (Figur 8).

Für eine „schnelle“ Korrektur kann man den Vorgang für >=2 verschiedene Mengen/Ansteuerzeiten wiederholen uns so die Abweichung der Steigung getrennt, jeweils für die ballistische und lineare Kennlinie berechnen und korrigieren (Figur 9). Der transiente Bereich wird hierbei ausgespart und für den Betreib nicht weiter benutzt da die dort auftretenden Mengen ohnehin linear oder ballistisch realisierbar sind.

Führt man das gesamte Verfahren für mehre unterschiedliche Betriebspunkte durch und betrachtet die Häufigkeitsverteilung der ermittelten Korrekturen kann die Detektionspräzision signifikant erhöht werden.

Die vorliegende Erfindung erlaubt es unter Ausnutzung der Injektoreigenschaften (bzgl. ballistisch und linearem Verhalten) eine alternative Öffnungsdetektion ohne zusätzliche sensorische Hardware sowie eine Ermittlung des Durchflussfehlers der Injektoren zu realisieren. Als weitere kann somit eine Differenzierung zwischen Luft- und Kraftstofffehler in der Lambdareglung erfolgen. Dies erlaubt, neben einer verbesserten Einspritzmengentoleranz, engere Diagnosegrenzen bzw. eine höhere Zuverlässigkeit der Lambda-Diagnose incl. einer Verbesserung des Pin-Pointing im Fehlerfall.

Desweitern stellt die Methode eine alternative Detektionsmethode zum Injektoröffnungsverhalten dar. Selbst bei Einsatz einer sensorischen Öffnungsdetektion erlaubt die hier beschrieben Methode mindestens ein Plausibilisieren der sensorischen Detektion. Vorrausetzung ist in allen Fällen die Verwendung einer Injektorschließpunktregelung wie z.B. COSI (controlled solenoid Injektion).