Beschreibung

Titel

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hochdruck- Einspritzventile für Brennkraftmaschinen weisen bei kurzen Einspritzzeiten

(< etwa 0,5 bis 0,7 Millisekunden) eine nicht lineare, unstetige Kennlinie auf. Nach dem Stand der Technik wird dieser Bereich sowie der gesamte Bereich mit kurzen Einspritzzeiten als dieser Bereich nicht genutzt, da die großen Streuungen und Nichtli- nearitäten in diesem Bereich zu unerwünschtem Motorverhalten wie schlechten Emis- sionswerten oder Verbrennungsaussetzern führen kann.

Offenbarung der Erfindung

Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschi- ne mit mindestens einem Einspritzventil mit einem elektrisch angesteuerten Aktor, wobei das Einspritzventil zumindest in einem Bereich einer Einspritzzeitdauer zwischen einer unteren Grenze und einer oberen Grenze einen unstetigen Verlauf der Beziehung zwischen Einspritzzeitdauer und Einspritzmenge aufweist, wobei aus einer erforderlichen Kraftstoffmasse eine Einspritzzeitdauer ermittelt wird und wobei aus der er- forderlichen Kraftstoffmasse zunächst eine erforderliche Einspritzzeitdauer ermittelt wird und bei einer erforderliche Einspritzzeitdauer im Bereich zwischen der unteren Grenze und der oberen Grenze eine Einspritzzeitdauer mit einem Wert außerhalb des Bereiches zwischen der unteren Grenze und der oberen Grenze ausgegeben wird. Auf diese Weise wird der unstetige Bereich des Einspritzventils aus dem nutzbaren Be-

triebsbereich ausgeblendet. Die Bereiche außerhalb des ausgeblendeten Bereiches werden genutzt. Der Zumessbereich des Injektors kann so deutlich vergrößert werden, was dessen Einsatzbereich erweitert. So können z. B. für Motoren mit homogener Selbstzündung, wie im HCCI oder CAI Modus oder bei einer Doppeleinspritzung im geschichteten Betrieb kleinste Mengen realisiert werden.

Bei einer erforderlichen Einspritzzeitdauer mit einem Wert im Bereich zwischen der unteren Grenze und der oberen Grenze wird bevorzugt eine Einspritzzeitdauer mit dem Wert der oberen Grenze oder alternativ mit dem Wert der unteren Grenze ausge- geben.

Die Verschiebung der erforderlichen Einspritzdauer auf einen Wert an der unteren bzw. oberen Grenze ist besonders einfach ohne großen Rechen- und Zeitaufwand möglich. Gegebenenfalls können Werte folgender Einspritzung, beispielsweise wenn eine Vor- und eine Haupteinspritzung aufeinander folgen und die Voreinspritzung aus dem ausgeblendeten Bereich verschoben werden musste, ebenso korrigiert werden, um die gesamte Einspritzkraftstoffmenge für die aufeinander folgenden Einspritzungen konstant zu halten.

Bi einer erforderlichen Einspritzzeitdauer mit einem Wert im Bereich zwischen der unteren Grenze und der oberen Grenze wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform derjenige Wert der beiden Grenzen ausgegeben, der näher an der erforderlichen Einspritzzeitdauer liegt. Der ausgegebene Wert für die Einspritzzeitdauer liegt durch diese Maßnahme näher an der erforderlichen Einspritzdauer, so dass auch die tat- sächlich eingespritzte Kraftstoffmenge näher an der gewünschten Kraftstoffmenge liegt.

Ein Wechsel der Ausgabe zwischen den beiden Grenzen unterliegt vorzugsweise einer Hysterese. Eine Hysterese bedeutet in diesem Fall, dass ein Wechsel beispiels- weise von der unteren Grenze auf die obere Grenze erst bei überschreiten eines

Werts für die erforderliche Einspritzmenge erfolgt, der höher liegt als ein Wert, der unterschritten werden muss, um einen Wechsel in der oberen Grenze zur unteren Grenze zu bewirken.

Die obere und untere Grenze sind vorzugsweise entweder als gemeinsame Konstanten für alle Einspritzventile der Brennkraftmaschine identisch festgelegt oder als eigene Konstante für jedes Einspritzventil der Brennkraftmaschine festgelegt. Die Ablage dieser Werte als gemeinsame Konstanten kann erfolgen, indem beispielsweise eine große Anzahl von Einspritzventilen einer Serie durchgemessen wird und so ein statistischer Mittelwert für die obere und untere Grenze gefunden wird. Die Ablage jeweils einzelner Konstanten pro Einspritzventil erfordert, dass diese jeweils einzeln durchgemessen werden und die Werte entsprechend kodiert und abgelegt werden und beispielsweise bei der Montage in ein Steuergerät übertragen werden. Die Ablage ge- meinsamer Konstanten für alle Einspritzventile ist besonders einfach zu realisieren, die Ablage jeweils einzelner Konstanten für die Einspritzventile erbittet eine größere Genauigkeit in der Zumessung.

Die Konstanten werden in einer weiteren bevorzugten Ausführung adaptiv im Betrieb der Brennkraftmaschine ermittelt. Eine adaptive Ermittlung der Konstanten, diese kann für alle Einspritzventile gemeinsam oder besser noch für jedes Einspritzventil als eigenständige Konstante erfolgen, erübrigt eine gesonderte Messung der Konstanten, die dann während des Einbaus der Einspritzventile in eine Brennkraftmaschine in ein Steuergerät übertragen werden müssten. Der Mess- und Montageaufwand wird also in eine Applikation eines Steuergeräts verlagert, wobei durch die adaptive Bestimmung der Konstanten ein Nachführen der Konstanten über die Lebensdauer der Einspritzventile möglich ist.

Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch eine Vorrichtung, insbeson- dere Steuergerät oder Brennkraftmaschine, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. 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.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs mit einem einen piezoelektrischen Aktor aufweisenden Einspritzventil;

Fig. 2 eine Kennlinie der Einspritzmenge über der Einspritzzeitdauer;

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung

In der Figur 1 ist eine Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs dargestellt, die ein Steuergerät 10 und ein Einspritzventil 11 aufweist. Das Einspritzventil 11 ist entweder wie hier dargestellt mit einem piezoelektrischen Aktor 12 oder einem induktiven Aktor (gehäusefeste Spule und Düsennadel mit Magnetanker) versehen, der von dem Steuergerät 10 angesteuert wird. Weiterhin weist das Einspritzventil 11 eine Ventilnadel 13 auf, die auf einem Ventilsitz 14 im Inneren des Gehäuses des Einspritzventils 11 aufsitzen kann.

Ist die Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz abgehoben, so ist das Einspritzventil 11 geöffnet und es wird Kraftstoff eingespritzt. Dieser Zustand ist in der Figur 1 dargestellt. Sitzt die Ventilnadel 13 auf dem Ventilsitz 14 auf, so ist das Einspritzventil 11 geschlossen. Der übergang von dem geschlossenen in den geöffneten Zustand wird mit Hilfe des piezoelektrischen Aktors 12 bewirkt. Hierzu wird eine elektrische Spannung an den Aktor 12 angelegt, die eine Längenänderung eines Piezostapels hervorruft, die ihrerseits zum öffnen bzw. Schließen des Einspritzventils 11 ausgenutzt wird. Das Einspritzventil 11 weist einen hydraulischen Koppler 15 auf. Zu diesem Zweck ist innerhalb des Einspritzventils 11 ein Kopplergehäuse 16 vorhanden, in dem zwei Kolben 17, 18 geführt sind. Der Kolben 17 ist mit dem Aktor 12 und der Kolben 18 ist mit der Ventilnadel 13 verbunden. Zwischen den beiden Kolben 17, 18 ist eine Kammer 19 angeordnet, die ein Kolben/Zylindersystem zur übertragung der von dem Aktor 12 ausgeübten Kraft auf die Ventilnadel 13 bildet.

Der Koppler 15 ist von unter Druck stehendem Kraftstoff umgeben. Das Volumen der Kammer 19 ist ebenfalls mit Kraftstoff gefüllt. über die Führungsspalte zwischen den beiden Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 kann sich das Volumen der Kammer 19 über einen längeren Zeitraum hinweg an die jeweils vorhandene Länge des Aktors 12 anpassen. Bei kurzzeitigen änderungen der Länge des Aktors 12 bleibt das

Volumen der Kammer 19 und damit deren Länge jedoch nahezu unverändert und die änderung der Länge des Aktors 12 wird auf die Ventilnadel 13 übertragen. Die Führungsspalte zwischen den beiden Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 können ein Ventil bilden, das in unterschiedlichen Strömungsrichtungen oder abhängig von der Stellung der Kolben 17, 18 zum Kopplergehäuse 16 unterschiedliche Strömungswiderstände bzw. Durchflussbeiwerte aufweist. Beispielsweise kann einer oder beide Kolben Nute mit veränderlicher Tiefe der Nutböden oder dergleichen aufweisen, um die wirksame durchströmbare Fläche zwischen den Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 zu verändern. Die Einstellung der Bewegungsgeschwindigkeit der Kolben 17, 18 zueinander erfolgt z.B. durch die Führungsspiele zwischen den Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 oder durch eine Kleine Drossel mit richtungsabhängigem Durchflussbeiwert.

Das Einspritzventil 11 befindet sich unabhängig vom Arbeitspunkt des Aktors 12 im- mer dann in seinem geschlossenen Zustand, wenn der Aktor 12 über einen längeren

Zeitraum hinweg unverändert an einem beliebigen Punkt seiner Hysteresekurve verbleibt. Ein öffnen des Einspritzventils 11 erfolgt dann durch eine vergleichsweise schnelle Verkürzung des Aktors 12 aus diesem Punkt der Hysteresekurve heraus. Ein Schließen des Einspritzventils 11 wird durch die Rückkehr des Aktors 12 in seinen vor Beginn der Einspritzung vorliegenden Arbeitspunkt erreicht.

Fig. 2 zeigt eine Kennlinie der Einspritzmenge rk_w über der Einspritzzeitdauer ti eines Einspritzventils für einen konstanten Raildruck. Die Kennlinie gilt vom Prinzip her sowohl für piezoelektrische als auch magnetische Aktoren. Prinzipiell nimmt die Ein- spritzmenge rk_w bei einer Erhöhung der Einspritzzeitdauer ti zu. Die Einspritzzeitdauer ti ist die Zeit zwischen dem Beginn des öffnens der Ventilnadel 13 bis zum Schließen der Ventilnadel 13. Oberhalb einer oberen Grenze ti_max der Einspritzzeitdauer ti besteht ein stetiger Zusammenhang zwischen der Einspritzmenge rk_w und der Einspritzzeitdauer ti. Bei einer Einspritzzeitdauer ti kleiner dem Wert ti_max

schließt sich zunächst ein unstetiger und nichtlinearer Bereich an, woraufhin unterhalb einer unteren Grenze ti_min der Einspritzzeitdauer ti wiederum ein stetiger Bereich der Beziehung zwischen der Einspritzmenge rk_w und der Einspritzzeitdauer ti beginnt. In den Bereichen 0 < ti< ti_min ist die Beziehung zwischen Einspritzmenge rk_w und Ein- spritzzeitdauer ti also linear, ebenso gilt dies für einen Bereich ti_max < ti_aus. In einem Bereich ti_min < ti< ti_max besteht ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Einspritzmenge rk_w und der Einspritzzeitdauer ti_aus. Der Bereich der Einspritzzeitdauer ti zwischen ti_min und ti_max wird als ungenutzter Bereich bezeichnet. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, den ungenutzten Bereich zwischen den Einspritz- Zeitdauern ti_min und ti_max auszublenden und die Bereiche außerhalb zu nutzen.

Der lineare Bereich ti< ti_min ist in Fig. 2 mit Rl bezeichnet, der nicht lineare Bereich zwischen ti_min < ti< ti_max ist mit dem Bezugszeichen NL versehen, der lineare Bereich für ti > ti_max ist mit dem Bezugszeichen L2 bezeichnet.

Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird die Einspritzzeitdauer ti aus einer erforderlichen Kraftstoffmasse rk_w ermittelt. Vorgegeben ist also die erforderliche Kraftstoffmasse rk_w, aus der anhand bestehender Randbedingungen wie Raildruck, Zylindergegendruck und so weiter eine erforderliche Einspritzzeitdauer ti_erf bestimmt wir. Die erforderliche Einspritzzeitdauer wird entweder unverändert oder -im Stand der Technik beispielsweise wenn diese in dem nichtlinearen Bereich NL liegt- um einen Faktor o- der Summanden korrigiert als ausgegeben e Einspritzzeitdauer ti_aus an eine Endstufe zur Ansteuerung des jeweiligen Einspritzventils übergeben.

Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen

Verfahrens zum Betrieb einer Brennkraftmaschine. In dem Block RKTI wird aus der angeforderten berechneten relativen Kraftstoff masse rk_w eine erforderliche Einspritzzeitdauer ti erf berechnet. Die erforderliche Einspritzzeitdauer ti erf ist die Einspritzzeitdauer ti, die bei einer stetigen Kennlinie und den jeweiligen Randbedingungen er- forderlich ist, um die geforderte Kraftstoffmasse rk_w einzuspritzen. Zu den Randbedingungen gehören insbesondere der Raildruck und der Gegendruck im Zylinder. In einem Block RKTI wird in Schritt 101 neben der relativen Kraftstoff masse rk_w der Kraftstoffdruck p_k, eine oder mehrere Konstanten k_x, einer oder mehrere Korrekturfaktoren kor_x sowie gegebenenfalls weitere Werte zur Bestimmung der erforderlichen

Einspritzzeitdauer ti erf ausgewertet. Ergebnis der in Schritt 101 berechneten Funktion RKTI ist die in Schritt 102 ausgegebene erforderliche Einspritzzeitdauer ti_erf. In Schritt 103 wird nun geprüft, ob die in Schritt 102 ausgegebene Einspritzzeitdauer ti_erf größer als eine obere Grenze tiaus_max_zx ist. Die obere Grenze tiaus_max_zx kann identisch mit der oberen Grenze ti_max in Fig. 2 sein, kann aber auch um einen

Sicherheitsabstand größer sein. Ist dies der Fall, durch die Option J gekennzeichnet, wird in Schritt 104 verzweigt und es wird der auszugebenden Einspritzzeitdauer ti out der in Schritt 102 ausgegebene Wert ti_erf für die Einspritzzeitdauer zugewiesen. In dem darin anschließenden Schritt 105 liegt die Einspritzzeitdauer ti = ti out fest, die in Schritt 106 an die Endstufen zur Ansteuerung des Einspritzventils übergeben wird. Ergab die überprüfung in Schritt 103, dass die erforderliche Einspritzzeitdauer ti erf nicht größer als die obere Grenze tiaus_max_zx ist, in Schritt 103 durch die Option N gekennzeichnet, so wird in dem sich anschließenden Schritt 107 geprüft, ob die erforderliche Einspritzzeitdauer ti erf größer als die untere Grenze tiaus_min_zx ist. Die untere Grenze tiaus_min_zx kann identisch mit der unteren Grenze ti_min in Fig. 2 sein, kann aber auch um einen Sicherheitsabstand kleiner sein. Ist die erforderliche Einspritzzeitdauer ti_erf kleiner als die untere Grenze tiaus_min_zx und liegt damit in dem linearen Bereich Ll gemäß Fig. 2, so wird wiederum in Schritt 104 verzweigt. Ist die erforderliche Einspritzzeitdauer ti_erf bei der Prüfung in Schritt 107 größer als die untere Grenze tiaus_min_zx, durch die Option J gekennzeichnet, so wird in Schritt 108 verzweigt und es wird der Wert der oberen Grenze tiaus_max_zx dem auszugebenden Wert für die Einspritzzeitdauer ti out zugewiesen. Darauf wird in Schritt 105 und danach in Schritt 106 verzweigt. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Verfahren wird also dem an die Endstufe zu übergebende Wert ti out für die Einspritzzeitdauer ti der er- forderliche Wert für die Einspritzzeitdauer ti_erf zugewiesen, wenn der erforderliche

Wert für die Einspritzzeitdauer ti erf in den linearen Bereichen Ll oder L2 gemäß Fig. 2 liegt. Liegt der erforderliche Wert für die Einspritzzeitdauer ti_erf in dem nicht linearen Bereich NL gemäß Fig. 2, so wird der Wert der oberen Grenze tiaus_max_zx als Einspritzzeitdauer ti out ausgegeben. Nach der Prüfung, ob die erforderliche Ein- spritzzeitdauer ti_erf in dem ausgeblendeten Bereich zwischen tiaus_min_zx und ti_aus_max_zx liegt, wird die entsprechende Einspritzzeitdauer ti out an weitere Funktionen sowie die Endstufe ausgegeben.

Das zuvor dargestellte Verfahren kann in weiteren Ausführungsbeispielen verfeinert werden. In dem Fall, indem die erforderliche Einspritzzeitdauer ti_erf in dem ausgeblendeten Bereich zwischen tiaus_min_zx und tiaus_max_zx liegt, kann je nachdem, ob die erforderliche Einspritz- Zeitdauer ti erf näher an der unteren Grenze tiaus_min_zx oder näher an der oberen Grenze tiaus_max_zx liegt, entsprechend der Wert der unteren Grenze tiaus_min_zx oder der Wert der oberen Grenze tiaus_max_zx ausgegeben werden.

Ebenso kann eine Hysterese eingebaut werden, so dass ein ständiges Springen zwi- sehen den Werten der unteren Grenze tiaus_min_zx und dem Wert der oberen Grenze tiaus_max_zx vermieden wird.

Voraussetzung zu einer Ausblendung bestimmter Kennlinienbereich ist die Kenntnis, an welcher Stelle der Kennlinie sich diese Bereiche befinden. Hier können verschie- dene Verfahren zur zumindest bereichsweisen Ermittlung der Kennlinie zum Einsatz kommen.

1. Es kann durch eine Messung einer Vielzahl von Einspritzventilen eine für eine gesamte Serie gültige untere Grenze tiaus_min_zx und eine obere Grenze ti- aus_max_zx ermittelt werden. Diese Werte sind damit für alle Einspritzventile und über deren gesamte Lebensdauer vorgegeben und können fest in einem Steuergerät abgelegt werden.

2. Jedes produzierte Einspritzventil wird einzeln vermessen bezüglich der unte- ren Grenze tiaus_min_zx und der oberen Grenze tiaus_max_zx. Die Daten jedes individuellen Einspritzventils werden bei dessen Einbau in einer Brennkraftmaschine in ein Steuergerät z. B. über eine Kodierung eingelesen und dort entsprechend abgelegt.

3. Es kann eine Adaption der Ausblendung erfolgen, indem der nicht lineare Bereich NL des Betriebs einer Brennkraftmaschine für jedes einzelne Einspritzventil vermessen wird.

Bei der Adaption ist ein zusätzliches Verfahren für die Adaption notwendig, welches die Grenzen für die Kennlinienausblendung des Zylinders spezifisch auswertet.