DE10046577C2 - Einspritzanlage sowie zugehöriges Betriebsverfahren - Google Patents

Einspritzanlage sowie zugehöriges Betriebsverfahren

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Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzanlage für eine Brenn­ kraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Einspritzanlage gemäß Anspruch 11.
Herkömmliche Common-Rail-Einspritzanlagen weisen zur Speiche­ rung des unter Druck stehenden Kraftstoffs einen Druckspei­ cher (engl. common rail) auf, aus dem die den einzelnen Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeordneten Injektoren mit Kraftstoff versorgt werden. Die Kraftstoffzufuhr zu dem Druckspeicher erfolgt hierbei durch eine Hochdruckpumpe, die über ein steuerbares Ventil mit dem Druckspeicher verbunden ist, wobei das zwischen der Hochdruckpumpe und dem Druckspei­ cher angeordnete Ventil eine Einstellung des in dem Druck­ speicher herrschenden Kraftstoffdrucks ermöglicht. So kann das Ventil beispielsweise einen Teil des von der Hochdruck­ pumpe geförderten Kraftstoffstroms abzweigen und in den Nie­ derdruckbereich der Einspritzanlage zurückführen, wenn der gewünschte Kraftstoffdruck erreicht oder überschritten ist. Bei einem Unterschreiten des gewünschten Kraftstoffdrucks in dem Druckspeicher leitet das zwischen der Hochdruckpumpe und dem Druckspeicher angeordnete Ventil dagegen den gesamten von der Hochdruckpumpe geförderten Kraftstoffstrom zu dem Druck­ speicher weiter, damit möglichst schnell wieder der gewünsch­ te Kraftstoffdruck in dem Druckspeicher erreicht wird. Das zwischen der Hochdruckpumpe und dem Druckspeicher angeordnete Ventil ermöglicht also eine Einstellung des in dem Druckspei­ cher herrschenden Kraftstoffdrucks, so dass dieses Ventil von einer Steuereinheit entsprechend der einzuspritzenden Kraft­ stoffmenge angesteuert wird.
Nachteilig an diesen bekannten Einspritzanlagen ist jedoch die Tatsache, dass der Kraftstoffdruck in dem Druckspeicher nicht befriedigend eingestellt wird.
Aus DE 198 02 583 A1 ist eine Einspritzanlage bekannt, die zur Regelung des Kraftstoffdrucks in dem Druckspeicher zwei Regelkreise aufweist, die einander überlagert sind. Der äußere Regelkreis regelt hierbei in Abhängigkeit von der gemessenen Druckabweichung den elektrischen Strom, mit dem das Ventil angesteuert wird. Der innere Regelkreis übernimmt dann von dem äußeren Regelkreis den Sollwert für den Strom und regelt diesen in Abhängigkeit von der gemessenen Stromabweichung.
Nachteilig an dieser bekannten Einspritzanlage ist jedoch die Tatsache, dass die Exaktheit und die Geschwindigkeit der Regelung des Kraftstoffdrucks von dem jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängig ist, so dass auch bei dieser bekannten Einspritzanlage der Kraftstoffdruck in dem Druckspeicher nicht befriedigend eingestellt wird.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebene bekannte Einspritzanlage dahingehend zu verbessern, dass der in dem Druckspeicher herrschende Kraftstoffdruck stets möglichst gut mit dem gewünschten Kraftstoffdruck übereinstimmt.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von der vorstehend beschriebenen bekannten Einspritzanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. - hinsichtlich des Betriebsverfahrens - durch die Merkmale des Anspruchs 11 gelöst.
Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, die Ansteuerung des zwischen der Hochdruckpumpe und dem Druckspeicher angeordneten Ventils in Abhängigkeit von einer Messgröße durchzuführen. Die Steuer- bzw. Regeleinheit zur Ansteuerung des Ventils ist deshalb eingangsseitig mit mindestens einem Sensor verbunden, der eine das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine und/oder der Einspritzanlage wiedergebende Messgröße erfasst.
So kann die Steuer- bzw. Regeleinheit eingangsseitig beispielsweise mit einem den Kraftstoffdruck in dem Druckspeicher erfassenden Drucksensor, einem die Drehzahl einer Welle der Brennkraftmaschine messenden Drehzahlsensor und/oder einem Temperatursensor verbunden sein, der die Temperatur des Kraftstoffs und/oder des Druckspeichers misst. Anstelle der vorstehend erwähnten Messgrößen oder zusätzlich zu diesen können jedoch auch andere Messgrößen zur Ansteuerung des Ventils herangezogen werden.
Der Begriff Steuer- bzw. Regeleinheit ist im Rahmen der Er­ findung allgemein zu verstehen und umfasst Steuerungen ohne eine Rückkopplung sowie Regelungen, bei denen das Ausgangs­ signal zu Regelzwecken rückgekoppelt wird.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Steuer- bzw. Regeleinheit jedoch zwei Regler mit unterschied­ licher Regeldynamik auf. Dies bietet den Vorteil, dass die Steuer- bzw. Regeleinheit einerseits genau und andererseits schnell auf veränderte Randbedingungen reagieren kann.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusam­ men mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einspritzanlage,
Fig. 2 die Steuer- bzw. Regeleinheit der in Fig. 1 dar­ gestellten Einspritzanlage als Blockschaltbild,
Fig. 3a, Fig. 3b das Betriebsverfahren der in Fig. 1 dargestellten Einspritzanlage als Flussdiagramm.
Die in Fig. 1 als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung dargestellte Einspritzanlage weist zur Förderung von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 1 eine Niederdruckpumpe 2 auf, die von einer Antriebswelle 3 der Brennkraftmaschine an­ getrieben wird. Alternativ zu dieser Antriebsweise kann die Niederdruckpumpe 2 jedoch auch von einem separaten Elektromo­ tor angetrieben werden.
Ausgangsseitig ist die Niederdruckpumpe 2 mit einem Nieder­ druckregler 4 verbunden, der beim Überschreiten eines vorge­ gebenen Kraftstoffdrucks im Niederdruckbereich der Einspritz­ anlage einen Teil des von der Niederdruckpumpe 2 geförderten Kraftstoffstroms abzweigt und in den Kraftstofftank 1 zurück­ führt. Beim Unterschreiten des vorgegebenen Kraftstoffdrucks in dem Niederdruckbereich der Einspritzanlage sperrt der Nie­ derdruckregler 4 dagegen, so dass kein Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich zurück in den Kraftstofftank 1 geführt wird, was zu einem raschen Anstieg des Kraftstoffdrucks in den Niederdruckbereich der Einspritzanlage führen soll. Die Niederdruckpumpe 2 ist stromabwärts mit einer Hochdruckpumpe 5 verbunden, die den zur Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennräume der Brennkraftmaschine erforderlichen Einspritz­ druck erzeugt und ausgangsseitig über ein Bypass-Ventil 6 und ein Rückschlagventil 7 mit einem Druckspeicher 8 (engl. com­ mon rail) verbunden ist. Aus dem Druckspeicher 8 werden sämt­ liche Injektoren der Brennkraftmaschine mit Kraftstoff ver­ sorgt, wobei die Zuführungen zu den Injektoren hierbei nur schematisch dargestellt sind.
Das Rückschlagventil 7 hat hierbei die Aufgabe, ein Zurück­ strömen von Kraftstoff aus dem Druckspeicher 8 in Richtung des Bypass-Ventils 6 zu verhindern.
Im Gegensatz dazu dient das Bypass-Ventil 6 zur Steuerung des in dem Druckspeicher 8 herrschenden Kraftstoffdrucks. Unter­ schreitet der in dem Druckspeicher 8 herrschende Kraftstoff­ druck beispielsweise den gewünschten Kraftstoffdruck, so lei­ tet das Bypass-Ventil 6 den gesamten von der Hochdruckpumpe 5 geförderten Kraftstoffstrom über das Rückschlagventil 7 in den Druckspeicher 8, so dass der Kraftstoffdruck in dem Druckspeicher 8 relativ schnell ansteigt. Falls der in dem Druckspeicher 8 herrschende Kraftstoffdruck dagegen den ge­ wünschten Kraftstoffdruck übersteigt, so leitet das Bypass- Ventil 6 den von der Hochdruckpumpe 5 geförderten Kraftstoff­ strom ganz oder teilweise in den Niederdruckbereich der Ein­ spritzanlage zurück, so dass der Kraftstoffdruck in dem Druckspeicher 8 relativ schnell wieder abfällt.
Die Ansteuerung des Bypass-Ventils 6 erfolgt hierbei durch eine Steuer- bzw. Regeleinheit 9, die eingangsseitig mit der elektronischen Motorsteuerung ECU (electronic control unit) verbunden ist, wobei die elektronische Motorsteuerung beispielsweise die Injektoren der Einspritzanlage ansteuert, was in der Zeichnung nur schematisch dargestellt ist.
Weiterhin ist die Steuer- bzw. Regeleinheit 9 mit einem Drucksensor 11 verbunden, der den in dem Druckspeicher 8 herrschenden Kraftstoff PMESS erfasst.
Darüber hinaus ist die Steuer- bzw. Regeleinheit 9 mit einem Drehzahlsensor 12 verbunden, der die Drehzahl der Antriebs­ welle 3 misst.
Schließlich ist noch ein Temperatursensor 13 vorgesehen, der die Temperatur TF des Kraftstoffs in dem Druckspeicher 8 misst und den Messwert an die Steuer- bzw. Regeleinheit 9 weiterleitet.
Im folgenden wird nun das Betriebsverfahren der Steuereinheit 9 dargestellt, wobei auf die in Fig. 2 wiedergegebene De­ taildarstellung der Steuer- bzw. Regeleinheit 9 sowie auf das in den Fig. 3a und 3b dargestellte Flussdiagramm Bezug ge­ nommen wird.
Die Steuer- bzw. Regeleinheit 9 besteht im wesentlichen aus zwei Reglern 14, 15, wobei der Regler 15 eine langsame Regel­ dynamik aufweist und den in dem Druckspeicher 8 herrschenden Kraftstoffdruck möglichst genau einstellen soll, während der Regler 14 als Vorsteuerung dient und deshalb eine schnelle Regeldynamik aufweist, um die Fördermenge möglichst schnell an veränderte Randbedingungen anpassen zu können.
Das Regelverfahren des Reglers 15 ist im wesentlichen in Fig. 3a wiedergegeben, während das Regelverhalten des Reglers 14 im wesentlichen aus Fig. 3b ersichtlich ist.
Im folgenden wird nun zunächst das Regelverhalten des Reglers 14 beschrieben.
Der Regler 14 weist eingangsseitig zwei Recheneinheiten 16, 17 auf, die von dem Drehzahlsensor 12 die Drehzahl n und von der elektronischen Motorsteuerung 10 die eingespritzte Kraft­ stoffmasse mINJ aufnehmen und in Abhängigkeit von diesen bei­ den Messwerten den Sollwert PSOLL1 bzw. PSOLL2 des Kraftstoff­ drucks berechnen, wobei die beiden Sollwerte PSOLL1 und PSOLL2 verschiedenen Betriebsarten der Brennkraftmaschine entspre­ chen. Zur Auswahl des gewünschten Sollwerts entsprechend der jeweiligen aktuellen Betriebsart der Brennkraftmaschine ist den beiden Recheneinheiten 16, 17 deshalb ein steuerbares Schaltelement 18 nachgeschaltet, welches das Ausgangssignal einer der beiden Recheneinheiten 16, 17 auswählt, wobei das Schaltelement 18 über eine Steuerleitung ECU2 von der elekt­ ronischen Motorsteuerung 10 angesteuert wird.
Ausgangsseitig ist das Schaltelement 18 mit einem weiteren Schaltelement 19 verbunden, das wahlweise den berechneten Sollwert PSOLL1 bzw. PSOLL2 oder einen vorgegebenen, zu Testzwe­ cken dienenden Sollwert PSOLL,TEST auswählt, wobei die Ansteue­ rung des Schaltelements 19 über eine Steuerleitung ECU1 von der elektronischen Motorsteuerung 10 erfolgt. Am Ausgang des Schaltelements erscheint also der jeweilige Sollwert für den in dem Druckspeicher 8 herrschenden Kraftstoffdruck.
Dieser Sollwert PSOLL wird nachfolgend einer Recheneinheit 20 zugeführt, die eingangsseitig mit dem Temperatursensor 13 verbunden ist und in Abhängigkeit von dem Sollwert PSOLL des Kraftstoffdrucks und der Temperatur TF des Kraftstoffs den Sollwert mSOLL der Kraftstoffmasse berechnet, die sich in dem Druckspeicher 8 befinden sollte. Dieser Sollwert mSOLL wird nachfolgend einem Subtrahierer 21 zugeführt, der von dem Sollwert mSOLL einen theoretisch berechneten Ist-Wert mCALC subtrahiert. Die auf diese Weise gewonnene Differenz wird an­ schließend einem Addierer 22 zugeführt, der hierzu die einge­ spritzte Kraftstoffmasse mINJ addiert, so dass am Ausgang des Addierers 22 die Differenz Δm zwischen dem Sollwert mSOLL der Kraftstoffmasse und dem theoretisch berechneten Ist-Wert mCALC der Kraftstoffmasse zuzüglich der eingespritzten Kraftstoff­ masse mINJ erscheint.
Weiterhin weist der Regler 14 eine Recheneinheit 23 auf, die aus dem Wert Δm, der eingespritzten Kraftstoffmasse mINJ und der von der Hochdruckpumpe 5 zu dem Druckspeicher 8 geförder­ ten Kraftstoffmasse mPUMP den theoretischen Ist-Wert mCALC der in dem Druckspeicher 8 befindlichen Kraftstoffmasse berech­ net. Dieser theoretisch berechnete Wert wird anschließend noch einer Korrektureinheit 24 zugeführt, um das ECU-Sampling zu berücksichtigen. Anschließend wird das Signal mCALC noch einem weiteren Korrekturglied 25 zugeführt, das die Totzeit des Bypass-Ventils 6 berücksichtigt. Am Ausgang des Korrek­ turgliedes 25 erscheint also die theoretisch berechnete Masse mCALC, die sich in dem Druckspeicher 8 befindet.
Im folgenden wird nun das Regelverhalten des Reglers 15 be­ schrieben, wobei insbesondere auf das Flussdiagramm in Fig. 3b Bezug genommen wird.
So weist der Regler 15 eingangsseitig eine Recheneinheit 26 auf, die aus der Temperatur TF des Kraftstoffs und dem von dem Drucksensor 11 gemessenen Kraftstoffdrucks PMESS die in dem Druckspeicher 8 befindliche Kraftstoffmasse mMESS berech­ net. Dieser Messwert mMESS wird anschließend einem Subtrahie­ rer 27 zugeführt, der die Differenz zwischen dem theoretisch berechneten Massenwert mCALC und dem aus der Messung resultie­ renden Massenwert mMESS berechnet.
Ausgangsseitig ist der Subtrahierer 27 mit einem Mittelwert­ glied 28 verbunden, das von der durch den Subtrahierer 27 be­ rechneten Differenz den gleitenden Mittelwert über eine Seg­ mentzeit der Brennkraftmaschine berechnet. Das der Mittel­ wertbildung unterzogene Signal wird dann einem PI-Regler 29 zugeführt, der das Regelverhalten definiert und ausgangssei­ tig eine Regelgröße mRegel bereitstellt, die in einem Addierer 30 mit der von dem Regler 14 berechneten Größe zusammengeführt wird, so dass am Ausgang des Addierers 30 die von der Hochdruckpumpe 5 zu fördernde Kraftstoffmasse mPUMPE er­ scheint.
Ausgangsseitig ist der Addierer 30 mit einem Umsetzer 31 ver­ bunden, der in Abhängigkeit von der eingangsseitig anliegen­ den Kraftstoffmasse mPUMPE das Bypass-Ventil 6 entsprechend ansteuert.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene be­ vorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen und deshalb eben­ falls in den Schutzbereich fallen.

Claims (15)

1. Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine, mit
einer Hochdruckpumpe (5) zur Förderung von Kraftstoff,
einem der Hochdruckpumpe (5) stromabwärts nachgeordneten steuerbaren Bypass-Ventil (6) zur Einstellung des Kraftstoffdrucks,
einer ausgangsseitig mit dem Bypass-Ventil (6) verbundenen Steuer- bzw. Regeleinheit (9) zur Ansteuerung des Ventils (6),
wobei die Steuer- bzw. Regeleinheit (9) eingangsseitig mit mindestens einem Sensor (11, 12, 13) verbunden ist, um das Bypass-Ventil (6) in Abhängigkeit von einer das Betriebsverhalten der Einspritzanlage und/oder der Brennkraftmaschine wiederge­ benden Meßgröße (PMESS, n) anzusteuern,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuer- bzw. Regeleinheit (9) eingangsseitig mit ei­ nem die Drehzahl einer Welle der Brennkraftmaschine messenden Drehzahlsensor (12) und/oder mit einem die Kraftstofftempera­ tur messenden Temperatursensor (13) verbunden ist.
2. Einspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- bzw. Regeleinheit (9) eingangsseitig mit ei­ nem Drucksensor (11) verbunden ist, der den Kraftstoffdruck in einem der Pumpe (2) stromabwärts nachgeordneten Druckspei­ cher (8) misst.
3. Einspritzanlage nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- bzw. Regeleinheit (9) zwei Regler (14, 15) mit unterschiedlicher Regeldynamik aufweist, um bei der Ansteuerung des Ventils (6) einerseits genau und andererseits schnell auf veränderte Randbedingungen reagieren zu können.
4. Einspritzanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (14) mit der größeren Regeldynamik eine Re­ cheneinheit (20) aufweist, die aus einem vorgegeben Soll- Kraftstoffdruck (PSOLL) und der von dem Temperatursensor (13) gemessenen Temperatur (TF) die Soll-Kraftstoffmasse (mSOLL) in dem Druckspeicher (8) berechnet.
5. Einspritzanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (14) mit der größeren Regeldynamik eine Re­ cheneinheit (16, 17) aufweist, die eingangsseitig mit dem Drehzahlsensor (12) verbunden ist und aus der gemessenen Drehzahl (n) und der eingespritzten Kraftstoffmasse (mINJ) den Soll-Kraftstoffdruck (PSOLL) berechnet.
6. Einspritzanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (14) mit der größeren Regeldynamik eine Re­ cheneinheit (23) aufweist, die aus der vorgegebenen einge­ spritzten Kraftstoffmasse (mINJ) und der von der Pumpe geför­ derten Kraftstoffmasse (mPUMP) die theoretische Kraftstoffmas­ se (mCALC) in dem Druckspeicher (8) berechnet.
7. Einspritzanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (14) mit der größeren Regeldynamik eine Vergleichereinheit oder einen Subtrahierer (21) aufweist, welche die Soll-Kraftstoffmasse (mSOLL) mit der berechneten theoretischen Kraftstoffmasse (mCALC) vergleicht.
8. Einspritzanlage nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (14) mit der größeren Regeldynamik ein Tot­ zeiglied (25) aufweist, um die Totzeit des Ventils (6) zu be­ rücksichtigen.
9. Einspritzanlage nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (15) mit der geringeren Regeldynamik eine Re­ cheneinheit (26) aufweist, die eingangsseitig mit dem Tempe­ ratursensor (13) und dem Drucksensor (11) verbunden ist und aus dem gemessenen Kraftstoffdruck (PMESS) und der gemessenen Temperatur (TF) die Kraftstoffmasse (mMESS) in dem Druckspei­ cher (8) berechnet.
10. Einspritzanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (15) mit der geringeren Regeldynamik eine Vergleichereinheit oder einen Subtrahierer (27) aufweist, welche die aus den Meßwerten berechnete Kraftstoffmasse (mMESS) in dem Druckspeicher (8) mit der theoretischen Kraft­ stoffmasse (mCALC) vergleicht.
11. Verfahren zum Betrieb einer Einspritzanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den folgenden Schritten:
  • - Erfassung einer das Betriebsverhalten der Brennkraftma­ schine und/oder der Einspritzanlage wiedergebenden Meßgrö­ ße,
  • - Berechnung der von einer Hochdruckpumpe (5) zu fördernden Kraftstoff­ masse in Abhängigkeit von der Meßgröße,
  • - Ansteuerung eines Bypass-Ventils (6) in Abhängigkeit von der durch die Pumpe (2) zu fördernden Kraftstoffmasse.
  • - Regelung der von der Hochdruckpumpe (5) zu fördernden Kraftstoff­ masse,
dadurch gekennzeichnet, dass die von der Hochdruckpumpe (5) zu fördernde Kraftstoffmasse in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder der Kraftstofftempera­ tur geregelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Hochdruckpumpe (5) zu fördernde Kraftstoffmasse durch zwei Regler (14, 15) mit unterschiedlicher Regeldynamik gere­ gelt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Hochdruckpumpe (5) zu fördernde Kraftstoffmasse in Abhängigkeit von der eingespritzten Kraftstoffmasse und/oder dem Kraftstoffdruck geregelt wird.
14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffdruck in einem Druckspeicher (8) gemessen wird, wobei die von der Hochdruckpumpe (5) zu fördernde Kraftstoffmas­ se in Abhängigkeit von der Abweichung des gemessenen Kraft­ stoffdrucks gegenüber einem vorgegebenen Soll-Kraftstoffdruck bestimmt wird.
15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kraftstoffs gemessen wird und die von der Hochdruckpumpe (5) zu fördernde Kraftstoffmasse in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur des Kraftstoffs und dem gemes­ senen Kraftstoffdruck bestimmt wird.
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