DE69906861T2

DE69906861T2 - Steuermethode

Info

Publication number: DE69906861T2
Application number: DE69906861T
Authority: DE
Inventors: Thierry Schietecatte
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Operations Luxembourg SARL
Priority date: 1998-05-20
Filing date: 1999-05-10
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2019-05-11
Also published as: US6192855B1; KR19990088453A; DE69906861D1; EP0959237B1; EP0959237A3; EP0959237A2; GB9810726D0

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwendung bei der Steuerung des Betriebs des Kraftstoffsystems eines Verbrennungsmotors mit Kompressionszündung. Die Erfindung ist insbesondere für die Steuerung der Kraftstoffmenge geeignet, die während einer Voreinspritzung zugeführt wird, auf welche während des Betriebs eine Haupteinspritzung folgt.
Man hat festgestellt, dass die Stärke des von einem Dieselmotor erzeugten Verbrennungsgeräuschs und die Menge an dessen Abgasen verringert werden können, indem jeder Zylinder mit einer kleinen Voreinspritzung beschickt wird, bevor der Zylinder mit einer Haupteinspritzung beschickt wird. Es ist wünschenswert, den Arbeitsablauf eines Einspritzventils überwachen zu können, um die Menge des bei der Voreinspritzung zugeführten Kraftstoffs genau steuern zu können.
Die GB 2305727 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der kürzesten Steuerpulslänge, die auf ein Einspritzventil aufgebracht werden muss, damit Kraftstoff abgegeben wird, wobei dieses Verfahren das Filtern des Ausgangssignals eines am Motor befestigten Geräuschsensors zur Erzeugung eines Signals umfasst, das die Bewegung einer Ventilnadel des Einspritzventils anzeigt.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Kraftstoff-Einspritzventils eines Kraftstoffsystems unter Verwendung eines Steuersystems des Typs bereitgestellt, der einen mit einem Verbrennungsmotor in Verbindung stehenden Beschleunigungsmesser in einer solchen Anordnung, dass er dessen Vibrationen abfühlen kann, und ein Überwachungsmittel umfasst, das so angeordnet ist, dass es das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers überwachen kann, um Vibrationen des Motors zu detektieren, wobei das Verfahren umfasst: das Aufbringen eines Steuerimpulses auf das Einspritzventil zum Bewirken von Kraftstoffabgabe in einer Voreinspritzung, Einsetzen des Überwachungsmittels und des Beschleunigungsmessers zum Bestimmen, ob die Aufbringung des Steuerimpulses zu einer Verbrennung im mit dem Einspritzventil verbundenen Verbrennungsmotor-Zylinder führt oder nicht, und Modifizieren der Dauer des Steuerimpulses, um die kürzeste Pulslänge zu bestimmen, die auf das Einspritzventil aufgebracht werden muss, um Verbrennung zu bewirken.
Die Verbrennung wird bequemerweise durch Filtern des Ausgangssignals des Beschleunigungsmessers unter Verwendung eines Niederfrequenzband-Passfilters, der durch Verbrennung verursachte Vibrationen und Geräusche, die beispielsweise in den Bereich von 6–8 kHz fallen, durchtreten lässt, und Vergleichen des gefilterten Signals mit einem in vergleichbarer Weise gefilterten Signal ermittelt, welches aus einem Punkt des Betriebszyklus des Motors stammt, von dem bekannt ist, dass keine Verbrennung auftritt, um Hintergrundgeräusche zu kompensieren.
Die kürzeste Pulslänge, durch die eine Verbrennung bewirkt wird, kann bei der anschließenden Steuerung dieses Einspritzventils dazu genutzt werden, die Menge an durch das Einspritzventil zugeführten Kraftstoffs im Betrieb sowohl während der Voreinspritzungen als auch während nachfolgender Haupteinspritzungen zu steuern.
Das Verfahren ermöglicht weiterhin die Überwachung der abgegebenen Kraftstoffmenge während der Voreinspritzung. Wenn das Verhältnis des gefilterten Signals, das die Stärke der Verbrennung und des Geräuschs anzeigt, mit dem für das Geräusch alleine zu hoch wird, dann zeigt dies an, dass die abgegebene Kraftstoffmenge zu hoch ist, und die Länge des Steuerimpulses wird gesenkt. Wenn das Verhältnis immer noch zu hoch bleibt, kann ein Hinweis erzeugt werden, dass ein Fehler im Betrieb des Einspritzventils aufgetreten ist.
Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin:
1 eine schematische Ansicht eines Steuerungssystems ist, das ein Steuerverfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung verwendet;
2 eine Reihe von Messkurven zeigt, die den Betrieb der Erfindung erläutert;
3 ein Diagramm ist, das die Abgabemenge von Kraftstoff zeigt, wenn die Erfindung nicht eingesetzt wird; und
4 ein Diagramm wie 3 ist, das den Effekt der Verwendung der Erfindung zeigt.
Der in 1 dargestellte Motor 10 ist so angeordnet, dass er durch ein Kraftstoffsystem mit Kraftstoff versorgt wird, das eine Niederdruck-Kraftstoffpumpe umfasst, die Diesel- Kraftstoff von einem Kraftstoff-Reservoir ansaugt und den Kraftstoff durch einen Filter einem Einlass einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe zuführt. Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe ist so angeordnet, dass sie eine "common rail"-Anordnung mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgt. Mit der "common rail"-Anordnung verbunden ist eine Mehrzahl von Einspritzventilen 12, von denen nur eines in 1 dargestellt ist, wobei jedes der Einspritzventile 12 unter der Steuerung einer elektronischen Steuereinheit 16 elektromagnetisch betätigt werden kann. Die elektronische Steuereinheit 16 steuert auch die Tätigkeit der Hochdruck-Kraftstoffpumpe, indem sie ein Drosselelement dieser Pumpe steuert, und sie steuert den Kraftstoffdruck innerhalb der "common rail"-Anordnung, indem sie die Tätigkeit eines Steuerventils steuert, wobei die elektronische Steuereinheit 16 durch einen Drucksensor mit Informationen bezüglich des Kraftstoffdrucks innerhalb der "common rail"-Anordnung versorgt wird. Zusätzlich zum Empfang von Signalen, die den Kraftstoffdruck innerhalb der "common rail"-Anordnung anzeigen, wird die elektronische Steuereinheit 16 mit Signalen versorgt, die für eine Anzahl anderer Motorparameter, beispielsweise die Motorgeschwindigkeit und -stellung, und die Stellung des Beschleunigungspedals charakteristisch sind, wobei geeignete Sensoren verwendet werden.
Von den Einspritzventilen 12 abgegebener Kraftstoff wird in entsprechende Zylinder des Motors 10 eingespritzt, und wie aus 1 zu ersehen, besitzt der Motor 10 einen Beschleunigungsmesser 14, der an bzw. auf ihm befestigt ist. Das Ausgangssignal aus dem Beschleunigungsmesser 14 wird der elektronischen Steuereinheit 16 zugeführt und dafür genutzt, das Verhalten des Motors 10 durch Steuern der Arbeitsschritte des Kraftstoffsystems zu steuern.
Es sollte klar sein, dass die elektronische Steuereinheit 16 eine große Anzahl von Funktionen ausführt, und einige dieser Funktionen sind nachstehend beschrieben. Wie in 1 gezeigt, wird das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers 14 durch einen Bandpassfilter 18 geführt, der so ausgestaltet ist, dass er Vibrationssignale von Frequenzen, die beispielsweise in den Bereich von 6–8 kHz fallen, passieren lässt. Es sollte klar sein, dass in Abhängigkeit von der vorgesehenen Anwendung auch andere Frequenzbereiche verwendet werden können. Das gefilterte Signal wird dann von einem Verstärker verstärkt, durch einen Ganzwellen- oder Gegentaktgleichrichter (full wave rectifier) gleichgerichtet, und derjenige Teil des Signals, der in ein Detektionsfenster fällt, das sich direkt vor dem oberen Totpunkt des Zylinders befindet, auf den sich das Signal bezieht, wird mittels einer geeigneten Integrierschaltung integriert. Das amplifizierte und ganzwellen- bzw. gegentaktgleichgerichtete Signal, das in ein in einem Teil des Wellenmusters befindliches Referenzfenster fällt, von dem bekannt ist, dass keine Verbrennungsvibrationen auftreten, wird einem identischen Integrationsverfahren unterworfen.
Das Ausgangssignal der Integrierschaltung für beide Fenster wird einer Schaltung zugeführt, in der der Quotient des Integrals von demjenigen Teil des Signals, das in das Detektionsfenster fällt, zu dem Teil, der in das Referenzfenster fällt, berechnet wird. Wie nachstehend beschrieben, sollte das Wellenmuster innerhalb des Detektionsfensters dann, wenn als Folge der Tatsache, dass dem Motorzylinder kein Kraftstoff zugeführt wird, keine Verbrennung auftritt, demjenigen innerhalb des Referenzfensters gleich sein, und der von der Schaltung berechnete Quotient sollte annähernd gleich 1 sein. Wenn das Verhältnis deutlich über 1 steigt, dann zeigt dies an, dass Verbrennung stattfindet.
Im Betrieb wird das Einspritzventil 12 so gesteuert, dass es eine Kraftstoff-Voreinspritzung an den ihm verbundenen Zylinder des Motors 10 innerhalb eines Detektionsfensters abgibt, das sich beispielsweise zwischen 5° und 15° vor dem oberen Totpunkt befindet. Die tatsächliche Optimalposition des Detektionsfensters kann in Abhängigkeit von der Anwendung schwanken. Außerdem verschiebt sich die optimale Position des Detektionsfensters mit der Motorgeschwindigkeit und -belastung. Ein derartiger Zeitpunkt für eine Voreinspritzung liegt später als üblich, denn der normale Zeitraum zum Einbringen einer Voreinspritzung in ein Einspritzventil liegt typischerweise zwischen 40° und 50° vor dem oberen Totpunkt. Es wurde festgestellt, dass Kraftstoff heftiger verbrannt wird, wenn er in der Nähe des Totpunktes zugeführt wird, da die Gase innerhalb des Motorzylinders infolge von Kompression viel heißer sind. Da die Verbrennung von Kraftstoff heftiger ist, kann die Detektion sehr kleiner Verbrennungsereignisse leichter und mit größerer Sensitivität erfolgen. Das Aufbringen einer Voreinspritzung in einem Moment zwischen ungefähr 5° und 15° vor dem oberen Totpunkt kann entweder durch Einstellen des Zeitpunkts der Freigabe einer gängigen Voreinspritzung oder durch Ergänzen der gängigen Voreinspritzung durch eine zweite Voreinspritzung, die innerhalb dieses Zeitfensters auftritt, erreicht werden.
Wenn folgend auf eine Voreinspritzung in den Zylinder des Motors 10 ein Verbrennungsereignis detektiert wird, dann wird bei einer nachfolgenden Voreinspritzung die Dauer des an das Einspritzventil 12 abgegebenen Steuerimpulses, der bewirken soll, dass die Voreinspritzung erfolgt, verringert. Die Verringerung der Dauer des Steuerimpulses verringert die Dauer der Einspritzung und damit auch die Menge an während der Voreinspritzung zugeführtem Kraftstoff. Die Länge des auf das Einspritzventil 12 aufgebrachten Steuerimpulses wird weiter verringert, bis kein Verbrennungsereignis mehr detektiert wird. Die Abwesenheit eines Verbrennungsereignisses setzt voraus, dass kein Kraftstoff während der Voreinspritzung abgegeben wurde. Die Dauer eines nachfolgend auf das Einspritzventil 12 aufgebrachten Steuerimpulses wird um einen geringen Betrag erhöht, wobei die Dauer des Steuerimpulses um geringe Beträge gesteigert wird, bis ein Verbrennungsereignis detektiert wird. Die Dauer des kürzesten auf das Einspritzventil 12 aufgebrachten Steuerimpulses, das ein solches, sehr kleines Verbrennungsereignis bewirkt, wird als die minimale Steuerimpulsdauer genommen, die bewirkt, dass Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird.
2 zeigt eine Reihe von Diagrammen, die den Quotienten des gefilterten Ausgangssignals des Beschleunigungsmessers 14 für das Detektionsfenster und das Referenzfenster über einen Bereich von Steuerimpuls-Längen für vier verschiedene Einspritzventile zeigen. Das Diagramm für das Einspritzventil 1 zeigt, dass der Quotient einen Wert von annähernd 1 für Steuerimpulse mit einer Länge von weniger als ungefähr 185 μs besitzt, was anzeigt, dass bei Steuerimpulsen mit einer Länge von weniger als 185 μs kein Kraftstoff abgegeben wird und keine Verbrennung stattfindet. Für Steuerimpulse mit einer längeren Dauer erhöht sich der Quotient, was anzeigt, dass eine Verbrennung stattfindet und dass dementsprechend Kraftstoff abgegeben wird. Das Diagramm zeigt, dass bei Einspritzventil 1 die minimale Steuerimpuls-Länge, die die Abgabe von Kraftstoff bewirkt, ungefähr 185 μs beträgt. Die Diagramme für die anderen Einspritzventile können in vergleichbarer Weise interpretiert werden, um die minimalen Steuerimpuls-Längen für diese Einspritzventile abzuleiten.
Wenn bei einem gegebenen Kraftstoffdruck des "common rail"-Systems der Wert bekannt ist, mit dem Kraftstoff vom Einspritzventil 12 abgegeben wird, dann kann die Menge an während der Voreinspritzung abgegebenem Kraftstoff genau gesteuert werden, indem die minimale Steuerimpuls-Länge, die eine Einspritzung durch dieses Einspritzventil bewirkt, um die Impulslänge oder die Verschiebung ("Offset") ergänzt wird, die notwendig ist, um zu bewirken, dass die gewünschte Kraftstoffmenge durch dieses Einspritzventil eingespritzt wird.
3 zeigt den Effekt, der entsteht, wenn Abweichungen in der minimalen Steuerimpuls-Länge bei verschiedenen Einspritzventilen nicht kompensiert werden. In 3 ist die Steuerimpuls-Länge, die auf das Einspritzventil X aufgebracht werden muss, damit eine Einspritzung bewirkt wird, wesentlich größer als die des Einspritzventils Y. Die mit "nomineller Steuerimpuls" bezeichnete Linie in 3 wird verwendet, um die Steuerimpuls-Länge T abzuleiten, die auf die Einspritzventile X, Y aufgebracht werden sollte, um die Abgabe einer Kraftstoffmenge Q zu bewirken. Infolge der Unterschiede der minimalen Steuerimpuls-Längen für die Einspritzventile X und Y und als Folge der unterschiedlichen Einspritzraten, die diese Einspritzventile zulassen, weichen die tatsächlichen Mengen an abgegebenem Kraftstoff Q_x und Q_y jedoch wesentlich von der gewünschten Menge Q ab.
Durch die Kompensation der verschiedenen minimalen Steuerimpuls-Längen bei den Einspritzventilen X, Y und durch Aufbringen eines Steuerimpulses auf jedes Einspritzventil, der eine Länge besitzt, die der Summe aus der minimalen Steuerpuls-Länge für dieses Einspritzventil und einem Offset T₀ , der sich aus der in 4 für die Kraftstoffmenge Q gezeigten nominalen Steuerimpuls-Linie ableiten lässt, entspricht, wird die Abweichung von Q_x und Q_y von der gewünschten Menge Q erkennbar verringert. Die Abweichung kann weiter dadurch verringert werden, dass die verschiedenen Einspritzraten, die die verschiedenen Einspritzventile erlauben, kompensiert werden.
Der Quotient von gefiltertem Ausgangssignal, das vom Detektionsfenster während der Voreinspritzung erzeugt wird, zum Ausgangssignal vom Vergleichsfenster, das verwendet wird, um Hintergrundgeräusche zu kompensieren, ist der Menge an Kraftstoff, die während der Voreinspritzung eingespritzt wird, proportional. Es ist möglich, einen Wert Q_MAX zu definieren, der die maximale Kraftstoffmenge darstellt, die während der Voreinspritzung eingespritzt werden kann, und den entsprechenden Schwellenwert für das Verhältnis zu definieren.
Wie in 1 dargestellt, wird zusätzlich zur Addition der minimalen Steuerimpuls-Länge zum Offset der Voreinspritzung, der in Abhängigkeit von beispielsweise der abzugebenden Kraftstoffmenge und dem Druck im "rail" bestimmt wird, ein maximaler Voreinspritzimpuls-Offset zum Steuerimpuls hinzu addiert. Der maximale Voreinspritzimpuls-Offset hat immer einen Wert von weniger oder ungefähr Null. Der maximale Voreinspritzimpuls-Offset wird genutzt, um die Pulslänge zu modifizieren, damit die Abgabe einer zu großen Kraftstoffmenge an den Zylinder während der Voreinspritzung vermieden wird.
Wenn auf die Aufgabe des Steuerimpulses auf das Einspritzventil hin das Verhältnis des gefilterten Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers 14 für das Detektionsfenster und für das Referenzfenster einen ersten Schwellenwert, beispielsweise 3, übersteigt, dann zeigt dies an, dass die Kraftstoffmenge, die abgegeben wird, zu hoch ist. In 4 sind die Gesamtoffsetwerte, oberhalb derer die abgegebene Kraftstoffmenge zu hoch für die Einspritzventile X und Y ist, mit T_{MAX_X} und T_{MAX_Y} bezeichnet.
Um dies zu kompensieren, wird der Wert des maximalen Voreinspritzimpuls-Offsets um einen Betrag verringert, der der Differenz zwischen dem Wert des Verhältnisses und dem ersten Schwellenwert proportional ist. Die Wirkung dieser Veränderung liegt darin, dass die Voreinspritzimpulslänge für nachfolgende Voreinspritzungen und damit die dabei abgegebene Kraftstoffmenge verringert wird.
Wenn als Ergebnis der Verringerung des maximalen Voreinspritzimpuls-Offsets das Verhältnis unter den ersten Schwellenwert fällt, dann wird der maximale Voreinspritzimpuls-Offset nach und nach um vorgegebene, feste Beträge angehoben, vorausgesetzt, dass das Anheben des maximalen Voreinspritzimpuls-Offsets nicht dazu führt, dass der Wert des maximalen Voreinspritzimpuls-Offsets über Null ansteigt. Wenn nämlich das Anheben des Wertes des maximalen Voreinspritzimpuls-Offsets um den festen Betrag das Ergebnis hätte, dass der maximale Voreinspritzimpuls-Offset einen positiven Wert hätte, dann wird der maximale Voreinspritzimpuls-Offset auf Null gesetzt.
Wenn der Quotient über einen zweiten, höheren Schwellenwert, beispielsweise 5, ansteigt, dann ist es wahrscheinlich, dass das Einspritzventil nicht korrekt arbeitet, dass beispielsweise Kraftstoff in den Zylinder hineinläuft, und eine Fehleranzeige kann erzeugt werden, die angibt, dass das Kraftstoffsystem gewartet oder repariert werden muss, und dass die Vorrichtung in Ordnung gebracht werden muss, damit der Motor keinen Schaden leidet.

Claims

Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Kraftstoff-Einspritzventils (12) eines Kraftstoffsystems unter Verwendung eines Steuersystems des Typs, der einen Beschleunigungsmesser (14) in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor (10) umfasst und so angeordnet ist, dass er dessen Vibrationen abfühlen kann, und eines Überwachungsmittels (16), das so angeordnet ist, dass es das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers (14) überwacht, um Vibrationen des Motors (10) zu detektieren, wobei das Verfahren umfasst: Aufbringen eines Steuerimpulses auf das Einspritzventil (12) zum Bewirken einer Kraftstoff-Voreinspritzung, Einsetzen des Überwachungsmittels (16) und des Beschleunigungsmessers (14) zum Bestimmen, ob die Aufbringung des Steuerimpulses zu einer Verbrennung im mit dem Einspritzventil (12) verbundenen Verbrennungsmotor-Zylinder führt oder nicht, und Modifizieren der Dauer des Steuerimpulses, um die minimale Pulslänge zu bestimmen, die auf das Einspritzventil (12) aufgebracht werden muß, um Verbrennung zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers (14) unter Verwendung eines Niederfrequenzband-Passfilters (18) gefiltert wird, um Signale aus dem Ausgangssignal herauszufiltern, die von Vibrationen herstammen, die anders als in Folge der Verbrennung entstanden sind.
Verfahren nach Anspruch 2, worin der Filter (18) Signale passieren lässt, die für Vibrationen mit Frequenzen, die in den Bereich zwischen 6 und 8 kHz fallen, kennzeichnend sind.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Kompensationsschritt für (Hintergrund)-Geräusche im Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers (14).
Verfahren nach Anspruch 4, worin der Kompensationsschritt für (Hintergrund-)Geräusche den Vergleich des Ausgangssignals des Beschleunigungsmessers (14) während eines Zeitraums, in dem man den Beginn der Verbrennung erwartet, mit demjenigen, das während eines Zeitraums auftritt, in dem keine Kraftstoffverbrennung auftritt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Schritt des Berechnens eines Quotienten aus dem Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers (14) während eines Zeitraums, in dem man erwartet, dass der Beginn der Verbrennung auftritt, mit demjenigen während eines Zeitraums, in dem keine Verbrennung stattfindet, und Verwenden des Quotienten für die Feststellung, ob zu viel Kraftstoff abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin umfassend einen Schritt des Verringerns der Kraftstoffmenge, die während nachfolgender Einspritzungen abgegeben wird, für den Fall, dass festgestellt wird, dass zu viel Kraftstoff abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin umfassend einen Schritt des Erzeugens einer Warnanzeige eines Fehlers für den Fall, dass festgestellt wird, dass zu viel Kraftstoff abgegeben wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin die zeitliche Festlegung der Aufgabe des Steuerimpulses auf das Einspritzventil (12) derart ist, dass dadurch bewirkt wird, dass die Voreinspritzung innerhalb eines Detektionsfensters beginnt, das leicht vor einer oberen Totpunkt-Stellung liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, worin das Detektionsfenster zwischen 5° und 15° vor dem oberen Totpunkt angeordnet ist.