DE10061705C1

DE10061705C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Kraftstoffzumesssystems für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10061705C1
Application number: DE10061705A
Authority: DE
Inventors: Rocco Gonzalez
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2000-12-12
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2020-12-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffzumesssystems (1) für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Bei dem Verfahren wird Kraftstoff in einen Druckspeicher (3) gefördert. Es werden in dem Druckspeicher (3) auftretende, durch Störgrößen (x) verursachte Druckschwingungen mittels mindestens eines in dem Kraftstoffzumesssystem (1) angeordneten Druckstellers (8) gedämpft. Um eine besonders effektive Kompensation insbesondere hochfrequenter Druckschwingungen zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass mindestens eine der Störgrößen (x) bei einer Regelung eines in dem Druckspeicher (3) herrschenden Einspritzdrucks (p) unmittelbar in die Regelung einfließt. Vorzugsweise wird anhand mindestens einer der Störgrößen (x) mit Hilfe eines Reglers (10) ein Ansteuersignal (yAF) für den mindestens einen Drucksteller (8) ermittelt, der infolge des Ansteuersignals (yAF) die Druckschwingungen überlagernde Kompensationsschwingungen erzeugt, wobei es durch die Überlagerung der Schwingungen an mindestens einer Stelle in dem Druckspeicher (3) zu einer Verringerung der Amplitude der Druckschwingungen kommt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffzumesssystems für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Bei dem Verfahren wird Kraftstoff in einen Druckspeicher gefördert. In dem Druckspeicher können Druckschwingungen auftreten, die durch Störgrößen verursacht werden. Die Druckschwingungen werden mittels mindestens eines in dem Kraftstoffzumesssystem angeordneten Druckstellers gedämpft.

Die Erfindung betrifft auch ein Kraftstoffzumesssystem für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Das Kraftstoffzumesssystem weist eine Pumpenanordnung zum Fördern von Kraftstoff in einen Druckspeicher und einen Drucksteller zur Dämpfung von in dem Druckspeicher auftretenden Druckschwingungen auf.

Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Die Brennkraftmaschine weist ein Kraftstoffzumesssystem mit einer Pumpenanordnung zum Fördern von Kraftstoff in einen Druckspeicher und einen Drucksteller zur Dämpfung von in dem Druckspeicher auftretenden Druckschwingungen auf.

Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Speicherelement, insbesondere ein Read-Only-Memory, ein Random-Access-Memory oder ein Flash-Memory, für ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Auf dem Speicherelement ist ein Computerprogramm abgespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig ist. Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Computerprogramm.

Stand der Technik

Bei einem Kraftstoffzumesssystem mit einem Druckspeicher, in dem während des Betriebs des Kraftstoffzumesssystems Kraftstoff mit einem vorgebbaren Einspritzdruck zur Verfügung steht, kann es zu Druckschwingungen in dem Druckspeicher kommen. Die Druckschwingungen werden bspw. verursacht durch Ansteuersignale von Einspritzventilen, über die Kraftstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird oder durch Ansteuersignale eines Mengensteuerventils oder einer Hochdruckpumpe. Die Druckschwingungen haben zur Folge, dass der Einspritzdruck in dem Druckspeicher nicht örtlich konstant verteilt ist, sondern örtlich variiert. Insbesondere können in dem Druckspeicher stehende Wellen entstehen, die trotz identischer Ansteuersignale der Kraftstoffeinspritzventile zu unterschiedlichen Einspritzmengen führen können. Außerdem führen die Druckschwingungen zu einer besonders starken, mechanischen Belastung des gesamten Kraftstoffzumesssystems, wodurch sich dessen Lebensdauer deutlich verringern kann.

Aus der DE 197 53 072 A1 ist ein Verfahren zur passiven und aktiven Schwingungsdämpfung in einem Druckspeicher bekannt. Zur passiven Schwingungsdämpfung wird dort eine Vergrößerung des Volumens des Druckspeichers vorgeschlagen. Zur aktiven Schwingungsdämpfung wird ein gezieltes Zuschalten eines zusätzlichen Druckspeichers, d. h. eine gezielte Vergrößerung des Raumvolumens des Druckspeichers, vorgeschlagen. Als weitere, aktive Schwingungsdämpfung wird schließlich der Einbau eines zusätzlichen Aktuators, bspw. eines Piezokristalls, in den Druckspeicher vorgeschlagen. Ein in dem Druckspeicher angeordneter Drucksensor erfasst die Druckschwingungen in dem Druckspeicher. Der Aktuator wird derart angeregt, dass er zu den erfassten Druckschwingungen gegenläufige Schwingungen erzeugt, die zu einer Kompensation der Druckschwingungen in dem Druckspeicher führen sollen.

Aus der EP 0 772 736 A1 bzw. der WO 96/03577 A1 ist ein dynamisches, elektronisches Regelungssystem zur Steuerung des Einspritzdrucks in dem Druckspeicher bekannt. In dem Druckspeicher ist ein Drucksensor zum Erfassen des Einspritzdrucks angeordnet. Als Drucksteller wird kein zusätzlicher Aktuator in dem Druckspeicher angeordnet, sondern vielmehr ein in dem Kraftstoffzumesssystem sowieso vorhandener Druckregler verwendet. Es wird ein Regler vorgeschlagen, der mit Hilfe des Signals des Drucksensors und eines zusätzlichen Referenzsignals ein Ansteuersignal zur Ansteuerung des Druckstellers erzeugt. Mit dem offenbarten Verfahren können insbesondere niederfrequente Druckschwingungen in dem Druckspeicher ausgeregelt werden. Hochfrequente Druckschwingungen, wie sie bspw. aufgrund der Kraftstoffeinspritzung über Einspritzventile, aufgrund der Ansteuerung des Mengensteuerventils oder der Kraftstoffförderung durch eine Hochdruckpumpe entstehen können, können mit diesem Verfahren jedoch nicht kompensiert werden. Dazu ist die beschriebene Regelung zu langsam.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Druckspeicher eines Kraftstoffzumesssystems auftretende Druckschwingungen, insbesondere hochfrequente Druckschwingungen, möglichst effektiv kompensieren zu können.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art vor, dass mindestens eine der Störgrößen bei einer Regelung eines in dem Druckspeicher herrschenden Einspritzdrucks unmittelbar in die Regelung einfließt.

Vorteile der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Störgrößen nicht erst mittelbar über durch sie verursachte Druckschwingungen in dem Druckspeicher, die von einem Drucksensor erfasst werden, berücksichtigt. Die Störgrößen werden vielmehr schon berücksichtigt, bevor sie zu Druckschwingungen in dem Druckspeicher führen können. Sie werden unmittelbar bei der Regelung des Einspritzdrucks berücksichtigt. Dadurch ergibt sich eine besonders schnelle Regelung, durch die insbesondere hochfrequente Druckschwingungen des Einspritzdrucks ausgeregelt werden können.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass anhand mindestens einer der Störgrößen mit Hilfe eines Reglers ein Ansteuersignal für den mindestens einen Drucksteller ermittelt wird, der infolge des Ansteuersignals die Druckschwingungen überlagernde Kompensationsschwingungen erzeugt, wobei es durch die Überlagerung der Schwingungen an mindestens einer Stelle in dem Druckspeicher zu einer Verringerung der Amplitude der Druckschwingungen kommt.

Die Störgrößen werden unmittelbar bei der Dämpfung der Druckschwingungen berücksichtigt und zur Erzeugung der Kompensationsschwingungen herangezogen (feedforward- Regelung). Dadurch ergibt sich eine besonders schnelle Regelung, die insbesondere auf die Dämpfung von hochfrequenten Druckschwingungen ausgelegt ist.

Die Kompensationsschwingungen sind idealerweise um 180° phasenverschoben zu den Druckschwingungen in dem Druckspeicher. Durch eine Überlagerung der Schwingungen kommt es an mindestens einer Stelle in dem Druckspeicher zu einer deutlichen Verringerung der Amplitude der Druckschwingungen. Durch die Minimierung der Druckschwingungen an einer oder mehreren diskreten Stellen in dem Druckspeicher kann eine Verringerung der Schwingungen in dem gesamten Kraftstoffzumesssystem erzielt werden. Mit Hilfe von Simulationen des Kraftstoffzumesssystems kann eine optimale Anordnung des Druckstellers und der Drucksensoren in dem Druckspeicher ermittelt werden. Selbstverständlich können auch mehr als ein Drucksteller und mehr als ein Drucksensor vorgesehen werden.

Der Drucksteller kann als ein in dem Druckspeicher angeordneter, gesonderter Aktuator, bspw. als ein Piezokristall, ausgebildet sein. Als Drucksteller kann aber auch ein in dem Kraftstoffzumesssystem sowieso vorhandenes Bauteil herangezogen werden, durch das der Einspritzdruck in dem Druckspeicher beeinflusst werden kann. Dies ist bspw. ein Mengensteuerventil oder eine Hochdruckpumpe.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere hochfrequente Druckschwingungen in einem Kraftstoffzumesssystem effektiv kompensiert werden. Dadurch ist eine hochgenaue Kraftstoffzumessung über Einspritzventile in Brennräume einer Brennkraftmaschine möglich, was zu einem deutlich verbesserten Abgasverhalten der Brennkraftmaschine führt. Auf diese Weise ist es möglich, auch in Zukunft erwartete, verschärfte Abgasgrenzwerte zu erfüllen. Die vorliegende Erfindung hat außerdem den Vorteil, dass aufgrund der effektiven Kompensation der Druckschwingungen in dem Druckspeicher das Volumen des Druckspeichers deutlich verringert werden kann.

Bei einer entsprechend effektiven Kompensation der Druckschwingungen kann der Druckspeicher sogar auf die Größe einer herkömmlichen Hochdruck-Kraftstoffleitung reduziert werden, über die Kraftstoff von der Hochdruckpumpe zu den Einspritzventilen gefördert wird.

Bei der Regelung des Einspritzdrucks kann eine oder können mehrere, beliebige Störgrößen unmittelbar einfließen. Ebenso kann das Ansteuersignal für den mindestens einen Drucksteller aus einer oder mehreren, beliebigen Störgrößen ermittelt werden. Für ein Kraftstoffzumesssystem, bei dem der in dem Druckspeicher befindliche Kraftstoff mittels Einspritzventilen in Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, wird gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass als Störgröße ein Ansteuersignal mindestens eines der Einspritzventile berücksichtigt wird. Die Einspritzventile, insbesondere Hochdruckeinspritzventile, können erhebliche Druckschwingungen in dem Druckspeicher verursachen. Eine öffnende Ansteuerung der Einspritzventile führt zu einem Druckabfall in dem Druckspeicher. Dieser wird durch eine Regelung für den in dem Druckspeicher herrschenden Einspritzdruck durch druckerhöhende Maßnahmen kompensiert. Eine schließende Ansteuerung der Einspritzventile führt wiederum zu einem kurzzeitigen Druckanstieg, da die Regelung für den Einspritzdruck die druckerhöhenden Maßnahmen nicht gleichzeitig mit der schließenden Ansteuerung der Einspritzventile, sondern erst nach einer endlichen Zeit beendet.

Welche Störgrößen zu Druckschwingungen in dem Druckspeicher führen, kann anhand des Frequenzspektrums des zeitlichen Verlaufs des Einspritzdrucks ermittelt werden. Bei bestimmten Frequenzen sind in dem Frequenzspektrum Amplitudenspitzen erkennbar. Die einzelnen Frequenzen, bei denen Amplitudenspitzen auftreten, können bestimmten Störgrößen zugeordnet werden.

Gemäß noch einer anderen, vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird für ein Kraftstoffzumesssystem, bei dem der Kraftstoff mittels mindestens einer Hochdruckpumpe in den Druckspeicher gefördert wird, vorgeschlagen, dass als Störgröße ein die Förderrate der mindestens einen Hochdruckpumpe beeinflussendes Ansteuersignal berücksichtigt wird. Dies ist bspw. das Ansteuersignal für ein Mengensteuerventil oder ein Druckregelventil.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass als Regler ein adaptiver Regler eingesetzt wird. Vorteilhafterweise wird als adaptiver Regler ein Filter mit einer endlichen Impulsantwort (sogenanntes Finite-Inpulse-Response(FIR)- Filter) eingesetzt. Während des Betriebs des Kraftstoffzumesssystems werden die einzelnen Filterkoeffizienten des FIR-Filters an das Kraftstoffzumesssystem adaptiert. Auf diese Weise können Änderungen des Kraftstoffzumesssystems bspw. aufgrund von Alterung durch eine Adaption des FIR-Filters kompensiert werden.

Alternativ wird vorgeschlagen, dass als adaptiver Regler ein Volterra-Filter, das mehrere parallele Filter mit einer endlichen Impulsantwort (FIR-Filter) umfasst, eingesetzt wird. Die Gleichung für ein Volterra-Filter kann aus einer endlichen (abgebrochenen) Volterra-Reihenentwicklung gewonnen werden. So umfasst ein Volterra-Filter zweiter Ordnung mit N - 1 = 2 die Gleichung, wobei der Term 1. Ordnung durch ein lineares FIR-Filter und der Term 2. Ordnung durch mehrere parallele, lineare FIR- Filter realisiert werden kann:

Vorteilhafterweise werden die Filterkoeffizienten des FIR-Filters oder des Volterra-Filters mittels eines filtered-x-Least-Mean-Square(LMS)-Algorithmus adaptiert. Es gelten die nachfolgenden Gleichungen:

y(n) = w^T(n).x(n) (2),

r(n) = H_s'^T.x(n) (3),

w(n + 1) = w(n) - α.r(n).e(n) (4),

wobei:
x(n) die zu kompensierende Störgröße,
r(n) die gefilterte Störgröße,
w(n) die Filterkoeffizienten,
y(n) das Ausgangssignal des FIR-Filters,
d(n) das von dem Druckaufnehmer gemessene Signal,
e(n) das Ansteuersignal für den Drucksteller,
H_s' das modellierte System und
α ein Konvergenzfaktor ist.

Alternativ können die Filterkoeffizienten der Filter auch mittels eines Recursive-Least-Square(RLS)-Algorithmus adaptiert werden.

Das modellierte System Hs' kann die Übertragungsstrecke des gesamten Kraftstoffzumesssystems oder aber nur Teile davon umfassen. Insbesondere ist daran gedacht, dass das modellierte System Hs' eine Übertragungsstrecke von einem Eingang des Druckstellers bis zu einem Ausgang des Drucksensors umfasst. Dadurch wird erreicht, dass es zu einer Minimierung der Druckschwingungen an der Stelle des Drucksensors kommt. Durch den Konvergenzfaktor α wird sowohl die Konvergenzgeschwindigkeit als auch der Restfehler nach erfolgter Adaption bestimmt. Vereinfachend kann gesagt werden, dass mit steigendem Konvergenzfaktor α zwar die Konvergenzgeschwindigkeit ansteigt, gleichzeitig aber auch der Restfehler. Der Konvergenzfaktor α kann ein konstanter oder ein adaptiver Wert sein.

Gemäß einer anderen, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass als adaptiver Regler ein neuronales Netz, insbesondere ein vorwärtsgerichtetes Mehrschichtennetz mit vollständig miteinander verbundenen Neuronen (ein sog. Zwei-Schicht- Multi-Layer-Perceptron(MLP)-Netz), eingesetzt wird, dessen Gewichtungsfaktoren (sog. synaptische Gewichte) während des Betriebs des Kraftstoffzumesssystems adaptiert werden. Außer den synaptischen Gewichten umfasst ein Neuron einen Schwellwert, einen Addierer und eine Aktivierungsfunktion. Als Aktivierungsfunktion wird vorzugsweise eine sog. Sigmoidfunktion (Tangens-Hyperbolicus-Funktion mit vorgebbarer Steigung a) eingesetzt (ϕ(ν) = tanh(aν)).

Gemäß einer anderen, vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Startwerte der Filterkoeffizienten oder der Gewichtungsfaktoren zu Beginn der Adaption während der Startphase der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Die Startwerte für die Filterkoeffizienten oder Gewichtungsfaktoren können bspw. aus dem stationären Verhalten des Kraftstoffzumesssystems oder eines Teils des Systems ermittelt werden.

Alternativ wird gemäß einer anderen, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass adaptierte Werte der Filterkoeffizienten oder der Gewichtungsfaktoren während des Herunterfahrens der Brennkraftmaschine in einem Speicher abgelegt und bei einem erneuten Start der Brennkraftmaschine ausgelesen und als Startwerte zu Beginn der Adaption herangezogen werden.

Vorteilhafterweise werden bei dem Verfahren lediglich hochfrequente oder bandpassgefilterte Druckschwingungen ausgeregelt. Dazu wird das Ausgangssignal des Drucksensors über einen Hochpass oder Bandpass geführt, so dass die niederfrequenten Schwingungsanteile herausgefiltert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Regelung eines in dem Druckspeicher herrschenden Einspritzdrucks überlagert. Die niederfrequenten Druckschwingungen werden durch die überlagerte Regelung ausgeregelt. Das erfindungsgemäße Verfahren übernimmt lediglich die Kompensation der hochfrequenten Druckschwingungen.

Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Form eines Speicherelements, das für ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen ist. Dabei ist auf dem Speicherelement ein Computerprogramm abgespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In diesem Fall wird also die Erfindung durch ein auf dem Speicherelement abgespeichertes Computerprogramm realisiert, so dass dieses mit dem Computerprogramm versehene Speicherelement in gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das Computerprogramm geeignet ist. Als Speicherelement kann insbesondere ein elektrisches Speichermedium zur Anwendung kommen, bspw. ein Read-Only-Memory, ein Random-Access-Memory oder ein Flash-Memory.

Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, das zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, wenn es auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ausgeführt wird. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Computerprogramm auf einem Speicherelement, insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist.

Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird, ausgehend von dem Kraftstoffzumesssystem der eingangs genannten Art, vorgeschlagen, dass das Kraftstoffzumesssystem Mittel zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist.

Schließlich wird als noch eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend von der Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art, vorgeschlagen, dass das Kraftstoffzumesssystem Mittel zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist.

Zeichnungen

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein allgemeines Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Kraftstoffzumesssystem gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Kraftstoffzumesssystem gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf eines in einem Druckspeicher eines Kraftstoffzumesssystems herrschenden Einspritzdrucks;

Fig. 5 das Frequenzspektrum des Druckverlaufs aus Fig. 4;

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, und

Fig. 8 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die vorliegende Erfindung geht von einem Kraftstoffzumesssystem einer Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aus, wie es bspw. in Fig. 2 oder Fig. 3 dargestellt ist. Das Kraftstoffzumesssystem ist in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Es weist eine Hochdruckpumpe 2 auf, die von einer Vorförderpumpe (nicht dargestellt) ankommenden Kraftstoff in einen Druckspeicher 3 fördert. Die Vorförderpumpe fördert den Kraftstoff aus einem Kraftstofftank (nicht dargestellt). Von dem Druckspeicher 3 zweigen vier Einspritzventile 4 ab, über die der Kraftstoff aus dem Druckspeicher 3 in Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Die Förderrate der Hochdruckpumpe 2 wird über ein Mengensteuerventil 5 beeinflusst.

Das Kraftstoffzumesssystem 1 weist eine in den Figuren nicht näher dargestellte und nicht näher beschriebene Regelung des in dem Druckspeicher 3 herrschenden Einspritzdrucks p(t) auf. Diese Regelung regelt den Einspritzdruck p(t) auf einen Sollwert. Sie ist insbesondere zum Ausregeln niederfrequenter Druckschwingungen in dem Druckspeicher 3 geeignet.

Der in dem Druckspeicher 3 herrschende Einspritzdruck p(t) wird mittels eines Drucksensors 6 erfasst. Die niederfrequenten Schwingungsanteile des Einspritzdrucks p(t) werden in einem Hochpass- bzw. Bandpass 9 herausgefiltert. Die hochfrequenten Schwingungsanteile e(n) werden an ein Steuergerät 7 übermittelt. Der Hochpass- bzw. Bandpass 9 kann entweder dem Steuergerät 7 vorgeschaltet (Fig. 2) oder Teil des Steuergeräts 7 (Fig. 3) sein. In dem Steuergerät 7 wird ein Ansteuersignal y_AF(n) für einen in dem Druckspeicher 3 angeordneten Drucksteller 8 generiert. In den Ausführungsbeispielen aus Fig. 2 und Fig. 3 ist der Drucksteller 8 als ein gesondertes, zusätzliches Bauteil ausgebildet, das in dem Druckspeicher 3 angeordnet ist. Es ist auch denkbar, als Drucksteller in dem Kraftstoffzumesssystem 1 bereits vorhandene Bauteile, wie bspw. die Hochdruckpumpe 2, das Mengensteuerventil 5 oder ein Drucksteuerventil, einzusetzen und diese mit einem entsprechenden Ansteuersignal y_AF(n) anzusteuern.

Während des Betriebs des Kraftstoffzumesssystems 1 kann es trotz der Regelung des Einspritzdrucks p(t) zu hochfrequenten Druckschwingungen in dem Druckspeicher 3 kommen. Diese Druckschwingungen können durch eine Kraftstoffeinspritzung über die Einspritzventile 4, durch eine Ansteuerung des Mengensteuerventils 5 oder durch eine Kraftstoffförderung mittels der Hochdruckpumpe 2 verursacht werden. Die Druckschwingungen haben zur Folge, dass der Einspritzdruck p(t) in dem Druckspeicher 3 nicht örtlich konstant ist, sondern sich örtlich ändert. In dem Druckspeicher 3 können insbesondere stehende Wellen entstehen, die bei identischer Ansteuerung der einzelnen Einspritzventile 4 zu unterschiedlichen Kraftstoff- Einspritzmengen über die Einspritzventile 4 führen können.

Die Ansteuersignale für die Einspritzventile 4, für das Mengensteuerventil 5 oder für die Hochdruckpumpe 2 können also als Störgrößen x(t) für den Einspritzdruck p(t) in dem Druckspeicher 3 bezeichnet werden. Beim Generieren des Ansteuersignals y_AF(n) für den Drucksteller 8 wird mindestens eine der Störgrößen x(t) unmittelbar berücksichtigt (Feedforward-Regelung). In der Steuerung 7 werden die Signale digital verarbeitet, d. h. es werden keine zeitabhängigen Signalwerte (t) sondern diskrete Signalwerte (n) verarbeitet. Die diskreten Signalwerte (n) können entweder vor Erreichen des Steuergeräts 7 oder erst in dem Steuergerät 7 selbst erzeugt werden.

Der Drucksteller 8 erzeugt in Folge des Ansteuersignals y_AF(n) Kompensationsschwingungen, die um etwa 180° phasenverschoben zu den Druckschwingungen sind. Durch die Überlagerung der Schwingungen kommt es an mindestens einer Stelle in dem Druckspeicher 3 zu einer deutlichen Verringerung der Amplitude der Druckschwingungen.

Bei dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 3 sind statt eines Drucksensors vier Drucksensoren 6 in dem Druckspeicher 3 angeordnet, die jeweils den Druckverlauf p1(t), . . ., p4(t) aufnehmen und an das Steuergerät 7 weiterleiten.

Bei dem Kraftstoffzumesssystem 1 aus Fig. 2 oder Fig. 3 besteht eine örtliche Trennung zwischen dem Ort, an dem auf das System eingewirkt (Drucksteller 8), und dem Ort, an dem eine Messung durchgeführt wird (Drucksensor 6). Von dem Drucksteller 8 erzeugte Kompensationsschwingungen gelangen erst nach Durchlaufen einer Strecke mit einem bestimmten Signalübertragungsverhalten Hs bzw. Hsi, i = 1, . . ., 4, an den Drucksensor 6, wo das Drucksignal p(t) gemessen werden kann. In Abhängigkeit des Signalübertragungsverhaltens Hs bzw. Hsi wird das Drucksignal p(t) in seiner Phase und Amplitude verändert. Diese Übertragungsstrecke von dem Eingang des Druckstellers 8 (Piezokristall, Mengensteuerventil, Drucksteuerventil etc.) bis zu dem Ausgang des Drucksensors 6 wird als Sekundärstrecke Hs bezeichnet.

Störungen können auf verschiedene Bereiche eines Systems einwirken. Diese Störungen können aber in der Regel nicht an demselben Ort erfasst werden, von dem sie ausgehen, sondern erst nach Erreichen eines anderen, besser zugänglichen oder bekannten Ortes. Somit wird in der Regel nur die durch das charakteristische Signalübertragungsverhalten eines Systems in Phase und in Amplitude modifizierte Störung erfasst. Bei dem vorliegenden Kraftstoffzumesssystem 1 wird die Übertragungsstrecke, die das Druckstörsignal x(n) von dem Ort seiner Entstehung (z. B. Einspritzventil 4) bis zur seiner Erfassung durch den Drucksensor 6 zurücklegt, als primäre Strecke Hp bezeichnet. In Fig. 2 ist mit Hp1 die Übertragungsstrecke von dem ersten Einspritzventil 4 zu dem Drucksensor 6, mit Hp2 die Strecke von dem zweiten Einspritzventil 4 zu dem Drucksensor 6 usw. bezeichnet. In Fig. 3 ist mit Hp11 die Übertragungsstrecke von dem ersten Einspritzventil 4 zu dem ersten Drucksensor 6 bezeichnet, mit Hp12 die Strecke von dem zweiten Einspritzventil 4 zu dem ersten Drucksensor 6 usw. bezeichnet. Die Strecke von dem ersten Einspritzventil 4 zu dem zweiten Drucksensor 6 würde demgemäß mit Hp21, die Strecke von dem zweiten Einspritzventil 4 zu dem zweiten Drucksensor 6 mit Hp22 usw. bezeichnet.

Bei dem Kraftstoffzumesssystem 1 mit dem Druckspeicher 3 (z. B. Common-Rail) kann bspw. der durch die Einspritzung am Ort der Einspritzventile 4 erzeugte Druckabfall als Störung bezeichnet werden. Diese Störung pflanzt sich als Welle fort und kann mit Hilfe des Drucksensors 6 als Fehlersignal e(n) erfasst werden. Das Fehlersignal e(n) entspricht dem hochpass- bzw. bandpassgefilterten und digitalisierten Drucksignal p(t) des in dem Druckspeicher 3 herrschenden Einspritzdrucks. Die Primärstrecke Hp stellt in diesem Fall die Signalübertragungsstrecke von einem elektrischen Eingang der Einspritzventile 4 bis zu einem elektrischen Ausgang des Drucksensors 6 dar.

In Fig. 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines allgemeinen Blockschaltbildes erläutert. Dabei wird anhand mindestens einer Störgröße x(n), die zu Druckschwingungen in dem Druckspeicher 3 führt, mit Hilfe eines adaptiven Reglers 10 ein Ansteuersignal yAF(n) für den Drucksteller 6 ermittelt. Der adaptive Regler 10 wird anhand des Fehlersignals e(n) adaptiert.

In Fig. 4 ist der zeitliche Verlauf des in dem Druckspeicher 3 herrschenden Einspritzdrucks p(t) dargestellt. Deutlich zu erkennen ist der durchschnittliche Druckwert von etwa 47 bar. Der Einspritzdruck p(t) wird durch eine Druckregelung auf diesen Druckwert geregelt.

Ebenfalls zu erkennen sind hochfrequente Druckschwingungen um den mittleren Druckwert herum, deren Amplituden etwa +/-2 bar aufweisen. Diese hochfrequenten Druckschwingungen sollen anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens verringert, nach Möglichkeit sogar ganz kompensiert werden. In Fig. 5 ist das Frequenzspektrum A(f) des zeitlichen Druckverlaufs p(t) dargestellt. Deutlich zu erkennen sind zwei Amplitudenspitzen bei Frequenzen von 52 Hz und 69 Hz. Diese Amplitudenspitzen können bestimmten Störgrößen zugeordnet werden.

Der Druckverlauf p(t) und das daraus resultierende Frequenzspektrum wurden bspw. bei einer Drehzahl n der Brennkraftmaschine von 2080 U/min aufgenommen, was 34,6 U/s entspricht. Da bei einer 4-Takt-Brennkraftmaschine zwei Umdrehungen der Brennkraftmaschine einem Arbeitszyklus entsprechen, hat die Brennkraftmaschine eine Grundschwingung von 34,6 U/s × 1/2 = 17,3 Hz. Eine 3-Zylinder-Radialkolben-Hochdruckpumpe hat somit eine Grundschwingung von 17,3 Hz × 3 = 52 Hz. Die Einspritzventile 4 führen bei einer 4-Zylinder- Brennkraftmaschine (mit vier Hochdruckeinspritzventilen 4) zu verstärkten Schwingungen im Frequenzbereich von 17,3 Hz × 4 = 69,3 Hz. Die beiden in Fig. 5 erkennbaren Amplitudenspitzen werden somit verursacht von der Hochdruckpumpe 2 und den Einspritzventilen 4.

In Fig. 6 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Der adaptive Regler 10 ist als ein Filter mit einer endlichen Impulsantwort (Finite-Impulse-Response(FIR)-Filter) ausgebildet. Die Filterkoeffizienten w(n) des FIR-Filters 10 werden mit Hilfe eines filtered-x-Least-Mean-Square (LMS)-Algorithmus adaptiert. Zunächst wird eine Identifikation des Übertragungsverhaltens der Sekundärstrecke Hs und anschließend eine Modellierung der Sekundärstrecke, bspw. mit einem weiteren FIR-Filter, durchgeführt. Man erhält ein Filter mit der Übertragungsfunktion Hs', die das Verhalten der Sekundärstrecke Hs nachbildet. Dieses Filter ist in der Regel fest, d. h. nicht adaptiv. Sollte sich die Sekundärstrecke mit der Zeit nicht ändern, kann die Modellierung im Vorfeld zur Kompensation hochfrequenter Schwingungen erfolgen. Anderenfalls kann diese auch "online" während der Regelung erfolgen. Die Identifikation der Sekundärstrecke Hs kann bspw. durch Auswerten einer Impulsantwort oder ein Sprungantwort oder durch andere aus der Systemidentifikation bekannte Verfahren erfolgen.

Das Störsignal x(n), das bspw. dem Ansteuersignal für die Einspritzventile 4 oder für die Hochdruckpumpe 2 entspricht, wird mit der modellierten Sekundärstrecke Hs' gefiltert, und man erhält das gefilterte Signal r(n). Das Signal r(n) wird mit dem Fehlersignal e(n) und mit einem Adaptionsfaktor α zu einem Adaptionsvektor Δw verknüpft. Der Adaptionsvektor Δw wird bspw. bei dem filtered-x-LMS- Algorithmus nach der Gleichung:

Δw = α.r(n).e(n) (5)

berechnet werden. Die Koeffizienten w(n) des adaptiven FIR- Filters 10 werden mit Hilfe des Adaptionsvektors Δw anhand der Gleichung:

w(n + 1) = w(n) - Δw (6)

angepasst.

Das Störsignal x(n) wird im Eingang des adaptiven FIR- Filters 10 zugeführt. Am Ausgang des adaptiven FIR-Filters 10 erhält man nach erfolgter Adaption ein Signal yAF(n), mit dem der Drucksteller 8 angesteuert werden kann. Dadurch können die Druckschwingungen insbesondere am Ort des Drucksensors 6 bekämpft und der Fehler e(n) minimiert werden.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, das in Fig. 7 dargestellt ist, ist der adaptive Regler 10 als Volterra-Filter ausgebildet, das mehrere parallele Filter mit einer endlichen Impulsantwort (FIR-Filter) umfasst. Die Filterkoeffizienten w(n) des Volterra-Filters 10a werden ebenfalls mit Hilfe eines filtered-x-LMS-Algorithmus 10b angepasst.

In einem dritten, bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aus Fig. 8 ist der adaptive Regler als ein neuronales Netz 10c ausgebildet. Als neuronales Netz 10c kommt insbesondere ein vorwärtsgerichtetes Mehrschichtennetz mit vollständig miteinander verbundenen Neuronen (ein sog. Zwei-Schicht-Multi-Layer-Perceptron (MLP)-Netz) zum Einsatz, dessen Gewichtungsfaktoren w_ki (sog. synaptische Gewichte) während des Betriebs des Kraftstoffzumesssystems 1 adaptiert werden. Außer den synaptischen Gewichten w_ki umfasst ein Neuron einen Schwellwert, einen Addierer und eine Aktivierungsfunktion. Als Aktivierungsfunktion wird vorzugsweise eine sog. Sigmoidfunktion (Tangens-Hyperbolicus-Funktion mit vorgebbarer Steigung a) eingesetzt (ϕ(ν) = tanh(aν)). Der adaptive Regler 10 aus Fig. 8 umfasst das neuronale Netz 10c und einen entsprechenden Lernalgorithmus 10d zum Anpassen der Gewichtungsfaktoren w_ki.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffzumesssystems (1) für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem Kraftstoff in einen Druckspeicher (3) gefördert wird und in dem Druckspeicher (3) auftretende, durch Störgrößen (x) verursachte Druckschwingungen mittels mindestens eines in dem Kraftstoffzumesssystem (1) angeordneten Druckstellers (8) gedämpft werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Störgrößen (x) bei einer Regelung eines in dem Druckspeicher (3) herrschenden Einspritzdrucks (p) unmittelbar in die Regelung einfließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand mindestens einer der Störgrößen (x) mit Hilfe eines Reglers (10) ein Ansteuersignal (yAF) für den mindestens einen Drucksteller (8) ermittelt wird, der infolge des Ansteuersignals (yAF) die Druckschwingungen überlagernde Kompensationsschwingungen erzeugt, wobei es durch die Überlagerung der Schwingungen an mindestens einer Stelle in dem Druckspeicher (3) zu einer Verringerung der Amplitude der Druckschwingungen kommt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der in dem Druckspeicher (3) befindliche Kraftstoff mittels Einspritzventilen (4) in Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Störgröße (x) ein Ansteuersignal mindestens eines der Einspritzventile (4) berücksichtigt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kraftstoff mittels mindestens einer Hochdruckpumpe (2) in den Druckspeicher (3) gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Störgröße (x) ein die Förderrate der mindestens einen Hochdruckpumpe (2) beeinflussendes Ansteuersignal berücksichtigt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Regler (10) ein adaptiver Regler eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als adaptiver Regler ein Filter mit einer endlichen Impulsantwort (FIR-Filter) eingesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als adaptiver Regler ein Volterra-Filter (10a), das mehrere parallele Filter mit einer endlichen Impulsantwort (FIR-Filter) umfasst, eingesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterkoeffizienten (w) des FIR- Filters oder des Volterra-Filters mittels eines filtered-x- Least-Mean-Square(LMS)-Algorithmus adaptiert werden, wobei:
y(n) = w^T(n).x(n) (7),
r(n) = H_s'^T.x(n) (8),
w(n + 1) = w(n) - α.r(n).e(n) (9),
wobei:
x(n) die zu kompensierende Störgröße,
r(n) die gefilterte Störgröße,
w(n) die Filterkoeffizienten,
y(n) das Ausgangssignal des FIR-Filters,
d(n) das von dem Druckaufnehmer gemessene Signal,
e(n) das Ansteuersignal für den Drucksteller,
H_s' die modellierte Übertragungsstrecke und
α ein Konvergenzfaktor ist.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als adaptiver Regler ein neuronales Netz (10c), insbesondere ein vorwärtsgerichtetes Mehrschichtennetz mit vollständig miteinander verbundenen Neuronen, eingesetzt wird, dessen Gewichtungsfaktoren (w_ki) während des Betriebs des Kraftstoffzumesssystems (1) adaptiert werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Startwerte der Filterkoeffizienten (w) oder der Gewichtungsfaktoren (w_ki) zu Beginn der Adaption während der Startphase der Brennkraftmaschine ermittelt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass adaptierte Werte der Filterkoeffizienten (w) oder der Gewichtungsfaktoren (w_ki) während des Herunterfahrens der Brennkraftmaschine in einem Speicher abgelegt und bei einem erneuten Start der Brennkraftmaschine ausgelesen und als Startwerte zu Beginn der Adaption herangezogen werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahren lediglich hochfrequente oder bandpassgefilterte Druckschwingungen ausgeregelt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verfahren eine Regelung eines in dem Druckspeicher (3) herrschenden Einspritzdrucks (p) überlagert wird.

14. Speicherelement, insbesondere Read-Only-Memory, Random-Access-Memory oder Flash-Memory, für ein Steuergerät (7) einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, auf dem ein Computerprogramm abgespeichert ist, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig und zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 geeignet ist.

15. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 geeignet ist, wenn es auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, abläuft.

16. Computerprogramm nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es auf einem Speicherelement, insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist.

17. Kraftstoffzumesssystem (1) für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei das Kraftstoffzumesssystem (1) eine Pumpenanordnung (2) zum Fördern von Kraftstoff in einen Druckspeicher (3) und einen Drucksteller (8) zur Dämpfung von in dem Druckspeicher (3) auftretenden und durch Störgrößen (x) verursachten Druckschwingungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffzumesssystem (1) Mittel zum Erfassen mindestens einer der Störgrößen (x) und Mittel zur Regelung eines in dem Druckspeicher (3) herrschenden Einspritzdrucks (p) aufweist, wobei die mindestens eine Störgröße (x) unmittelbar in die Regelung einfließt.

18. Kraftstoffzumesssystem (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffzumesssystem (1) Mittel zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 13 aufweist.

19. Brennkraftmaschine insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei die Brennkraftmaschine ein Kraftstoffzumesssystem (1) mit einer Pumpenanordnung (2) zum Fördern von Kraftstoff in einen Druckspeicher (3) und einen Drucksteller (8) zur Dämpfung von in dem Druckspeicher (3) auftretenden und durch Störgrößen (x) verursachten Druckschwingungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffzumesssystem (1) Mittel zum Erfassen mindestens einer der Störgrößen (x) und Mittel zur Regelung eines in dem Druckspeicher (3) herrschenden Einspritzdrucks (p) aufweist, wobei die mindestens eine Störgröße (x) unmittelbar in die Regelung einfließt.

20. Brennkraftmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffzumesssystem (1) Mittel zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 13 aufweist.