DE10156637C1

DE10156637C1 - Verfahren zur Steuerung und Regelung des Startbetriebs einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10156637C1
Application number: DE10156637A
Authority: DE
Inventors: Armin Doelker
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2001-11-17
Filing date: 2001-11-17
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2021-11-18
Also published as: EP1444431A1; WO2003042523A1; US20050011496A1; DE50210426D1; WO2003042523A8; EP1444431B1; US7025028B2

Abstract

Zur Steuerung und Regelung des Startvorgangs einer Brennkraftmaschine (1) wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem mit Aktivierung des Startvorgangs ein Raildruck mit einem Grenzwert verglichen wird. In Abhängigkeit des Vergleichs wird ein erster oder zweiter Modus gesetzt, wobei der Raildruck (pCR) für den Startvorgang im ersten Modus gesteuert wird und im zweiten Modus geregelt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass nach erstmaligem Setzen des zweiten Modus dieser für den weiteren Startvorgang beibehalten wird. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass Hochdruck-Schwingungen aufgrund wechselnder Modi wirksam verhindert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung des Startvorgangs einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Der Startvorgang einer Brennkraftmaschine ist hinsichtlich der Einhaltung der Abgas- Grenzwerte kritisch. Ein rascher Druckaufbau in der Kraftstoff-Versorgung und ein früher Übergang in den Druckregel-Betrieb sind hierbei entscheidend. Die DE 199 16 100 A1 beschreibt ein Verfahren für den Startvorgang einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-Einspritzsystem. Mit Aktivierung des Startvorgangs wird ein erster Modus gesetzt. Im ersten Modus wird versucht den Raildruck möglichst rasch zu erhöhen. Während des Startvorgangs wird der Raildruck und/oder die Drehzahl der Brennkraftmaschine mit einem Grenzwert verglichen. Solange diese unterhalb des Grenzwerts liegen, bleibt der erste Modus gesetzt und der Druckaufbau im Rail erfolgt gesteuert. Liegen diese oberhalb des Grenzwerts, so wird ein zweiter Modus gesetzt. Im zweiten Modus wird die Regelung des Raildrucks aktiviert. Durch den eingespritzten Kraftstoff kann der Raildruck jedoch wieder unter den Grenzwert sinken. Daher wird wieder der erste Modus gesetzt. Übersteigt danach der Raildruck wieder den Grenzwert, erfolgt ein erneuter Wechsel zurück in den zweiten Modus. Dieser Wechsel in den Modi ist problematisch, da hierdurch Druckschwingungen während des Startvorgangs verursacht werden.

Aus der JP 11-247683 A ist ebenfalls ein Verfahren für den Startvorgang einer Brennkraftmaschine bekannt. Bei diesem Verfahren wird einem Basis-Raildruck ein gesteuerter Anteil (erster Modus) oder ein geregelter Anteil (zweiter Modus) überlagert. Mit Aktivierung des Startvorgangs wird der erste Modus gesetzt. Der Übergang zum zweiten Modus erfolgt nach Ablauf einer Zeitstufe oder wenn der Raildruck einen Grenzwert übersteigt. Auch bei diesem Verfahren tritt das zuvor beschriebene Problem auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde den Startvorgang sicherer zu gestalten.

Die Aufgabe wird durch ein Verfähren zur Steuerung und Regelung des Startvorgangs mit den Merkmalen des ersten Anspruchs gelöst. Die Ausgestaltungen hierzu sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Die Erfindung sieht vor, dass mit erstmaligem Setzen des zweiten Modus dieser für den weiteren Startvorgang beibehalten wird. Der Raildruck wird also auch dann geregelt, wenn dieser wieder unterhalb eines Grenzwerts, beispielsweise einem Reglerfreigabedruck, fällt. Unter Reglerfreigabedruck ist der Druck zu verstehen bei dem die Hochdruck-Regelung freigegeben wird. Im ersten Modus wird ein Steuersignal für ein Drucksteuermittel, insbesondere eine Saugdrossel, in der Form berechnet, dass eine Kraftstoff-Vollförderung gewährleistet wird. Eine Nachführung des Steuersignals wird erreicht, wenn dieses in Abhängigkeit der Motordrehzahl bestimmt wird. Bei Ausfall des Rail-Drucksensors wird ein Notbetrieb aktiviert. Bei aktiviertem Notbetrieb wird als maßgebliche Kenngröße für den Startvorgang die Motordrehzahl gesetzt.

Die Erfindung bietet den Vorteil, dass ein stabiler, eingeschwungener Zustand des Gesamtsystems bereits zu einem früheren Zeitpunkt erreicht wird. Für die Umsetzung der Funktion sind keine zusätzlichen Sensorsignale und Ausgabesignale für Stellglieder notwendig, so dass diese mit wenig Aufwand appliziert werden kann.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Gesamtsystems

Fig. 2 ein Zeitdiagramm

Fig. 3 einen Programmablaufplan, Normalbetrieb

Fig. 4 einen Programmablaufplan, Notbetrieb

Dargestellt ist ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine 1 mit Common-Rail- Einspritzsystem. Das Common-Rail-Einspritzsystem umfasst eine erste Pumpe 4, eine Saugdrossel 5, eine zweite Pumpe 6, einen Hochdruckspeicher und Injektoren 8. Im weiteren Text wird der Hochdruckspeicher als Rail 7 bezeichnet. Die erste Pumpe 4 fördert den Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 3 zur Saugdrossel 5. Das Druckniveau nach der ersten Pumpe 4 beträgt zum Beispiel 3 bar. Über die Saugdrossel 5 wird der Volumenstrom zur ersten Pumpe 6 festgelegt. Die zweite Pumpe 6 wiederum fördert den Kraftstoff unter hohem Druck in das Rail 7. Das Druckniveau im Rail 7 beträgt bei Dieselmotoren mehr als 1200 bar. Mit dem Rail 7 sind die Injektoren 8 verbunden. Durch die Injektoren 8 wird der Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine 1 eingespritzt.

Die Brennkraftmaschine 1 wird durch ein elektronisches Steuergerät 11 (EDC) gesteuert und geregelt. Das elektronische Steuergerät 11 beinhaltet die üblichen Bestandteile eines Mikrocomputersystems, beispielsweise einen Mikroprozessor, I/O-Bausteine, Puffer und Speicherbausteine (EEPROM, RAM). In den Speicherbausteinen sind die für den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 relevanten Betriebsdaten in Kennfeldern/Kennlinien appliziert. Über diese berechnet das elektronische Steuergerät 11 aus den Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen. In Fig. 1 sind exemplarisch folgende Eingangsgrößen dargestellt: ein Raildruck pCR, der mittels eines Rail-Drucksensors 10 gemessen wird, die Drehzahl nMOT der Brennkraftmaschine 1, ein Leistungswunsch FW, ein Zylinderinnendruck pIN, der mittels Drucksensoren 9 gemessen wird und eine Eingangsgröße E. Unter der Eingangsgröße E sind beispielsweise der Ladeluftdruck pLL des Turboladers 2 und die Temperaturen der Kühl- und Schmiermittel subsumiert. In Fig. 1 sind als Ausgangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 11 ein Signal ADV zur Steuerung der Saugdrossel 5 und eine Ausgangsgröße A dargestellt. Die Ausgangsgröße A steht stellvertretend für die weiteren Stellsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise den Einspritzbeginn BOI und die Einspritzmenge ve. In der Praxis ist das Steuersignal ADV als PWM-Signal (Puls-Weiten-Moduliert) ausgeführt, über welches ein entsprechender Stromwert für die Saugdrossel 5 eingestellt wird. Bei einem Stromwert von nahezu Null ist die Saugdrossel 5 vollständig geöffnet, d. h. der von der ersten Pumpe 4 geförderte Volumenstrom gelangt ungehindert zur zweiten Pumpe 6. Selbstverständlich ist auch eine Ansteuerung in positiver Logik möglich, d. h. bei einem maximalen Stromwert ist die Saugdrossel 5 vollständig geöffnet. Im Normalbetrieb wird der Raildruck pCR in einem Regelkreis betrieben. Das Steuersignal ADV entspricht hierbei der Stellgröße. Die Saugdrossel 5, zweite Pumpe 6 und das Rail 7 entsprechen der Regelstrecke.

Die Fig. 2 besteht aus den Teilfiguren 2A bis 2D. Dargestellt ist der Startvorgang einer Brennkraftmaschine. Hierbei zeigen jeweils über der Zeit: Fig. 2A ein Zustandsdiagramm der Modi, Fig. 2B die Motordrehzahl nMOT, Fig. 2C den Raildruck pCR und Fig. 2D das Steuersignal ADV entsprechend dem Stromwert für die Saugdrossel 5. In den Fig. 2A, 2C und 2D sind zwei Fallunterscheidungen ausgeführt. Als durchgezogene Linie ist ein Signalverlauf für einen Startvorgang gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Als punktierte Linie ist der Signalverlauf gemäß der Erfindung dargestellt. In Fig. 2C sind parallel zur Abszisse ein Raildruck-Sollwert SW und ein Grenzwert dargestellt. Der Grenzwert entspricht in der Praxis einem Reglerfreigabedruck RFD. Bei dem im folgenden dargestellten Verfahren wird von einer konstanten Sollwert SW ausgegangen.

Das Verfahren gemäß dem Stand der Technik läuft folgendermaßen ab:
Zum Zeitpunkt t1 wird der Startvorgang durch Bestromung des Anlassers aktiviert. Die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine beginnt sich zu drehen. Es erfolgt jedoch noch keine Einspritzung. Ebenfalls zum Zeitpunkt t1 wird eine Zeitstufe t(BOI) gestartet und der erste Modus gesetzt. In Fig. 2A entspricht dies einem Signalpegel von Eins (MOD = 1). Nach dem Zeitpunkt t1 erhöht sich die Motordrehzahl nMOT, bis sie zum Zeitpunkt t2 eine Anlasserdrehzahl n1 erreicht. Da die zweite Pumpe 6 mechanisch mit der Kurbelwelle verbunden ist, beginnt diese mit dem Drehen der Kurbelwelle den Kraftstoff in das Rail 7 zu fördern. Hierdurch vergrößert sich der Raildruck pCR. Im Zeitraum t1 bis t3 wird das Steuersignal ADV für die Saugdrossel 5 so gewählt, dass eine maximale Kraftstoff- Förderung sich einstellt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wurde von einer negativer Ansteuer-Logik ausgegangen. Dies bedeutet, dass kleinere Stromwerte eine größere Öffnung der Saugdrossel bewirken, also eine abnehmende Drosselung. Zur maximalen Kraftstoff-Förderung wird das Steuersignal ADV auf einen ersten Stromwert i1 gesetzt. Dieser erste Stromwert i1 kann Null sein (i1 = 0). In Fig. 2D ist der erste Stromwert i1 als konstanter Wert im Zeitraum t1 bis t3 dargestellt. Der erste Stromwert i1 kann auch in Abhängigkeit der Motordrehzahl nMOT berechnet werden.

Zum Zeitpunkt t3 überschreitet der Raildruck pCR den Reglerfreigabedruck RFD, Punkt D. Als Folge hiervon wird der zweite Modus gesetzt (MOD = 2). In Fig. 2A ändert sich daher der Signalwert von Eins nach Zwei. Gleichzeitig wird das Steuersignal ADV des Drosselventils 5 auf einen zweiten Stromwert i2 gesetzt. Ab dem Zeitpunkt t3, also mit Setzen des zweiten Modus, wird der Raildruck pCR geregelt. Im Punkt D liegt eine negative Regelabweichung vor. Diese entspricht dem Unterschied des Raildrucks pCR im Punkt D zum Sollwert SW, wie in der Fig. 2C dargestellt.

Zum Zeitpunkt t4 ist die Zeitstufe t(BOI) abgelaufen, so dass die Einspritzung in die Brennräume der Brennkraftmaschine 1 beginnt. Hierdurch vergrößert sich die Drehzahl nMOT der Brennkraftmaschine. Aufgrund der entnommenen Kraftstoff-Menge verringert sich der Raildruck pCR bis er zum Zeitpunkt t5 im Punkt E dem Reglerfreigabedruck RFD unterschreitet. Als Folgereaktion wird zum Zeitpunkt t5 der erste Modus wieder gesetzt, d. h. der Signalverlauf in der Fig. 2A ändert sich auf den Wert Eins. Gleichzeitig wird das Steuersignal ADV auf den ersten Stromwert i1 zurückgesetzt. Da nunmehr die Saugdrossel 5 wieder vollständig geöffnet ist, beginnt der Raildruck pCR wieder anzusteigen bis er zum Zeitpunkt t6 im Punkt F den Reglerfreigabedruck RFD erneut übersteigt. Als Folgereaktion wird wieder der zweite Modus gesetzt und für das Steuersignal ADV wird wieder der zweite Stromwert i2 berechnet. Dieses Pendeln des Raildrucks pCR, der Modi und des Steuersignals ADV läuft weiter bis zum Zeitpunkt t8. Zum Zeitpunkt t8 erreicht die Motordrehzahl nMOT den Leerlaufwert n2. Erst ab diesem Zeitpunkt wird der zweite Modus beibehalten. Das Gesamtsystem befindet sich erst dann im eingeschwungenen Zustand.

Das Verfahren gemäß der Erfindung läuft folgendermaßen ab:
Bis zum Zeitpunkt t5 entspricht der Signalverlauf der vorhergehenden Beschreibung. Zum Zeitpunkt t5 wird jedoch der zweite Modus beibehalten. Der Signalverlauf der Fig. 2A behält im Punkt A daher die Wertigkeit 2. Der zweite Modus bleibt bis zum Zeitpunkt t8, Punkt B, gesetzt. Das Steuersignal ADV bleibt auf Grund der negativen Regelabweichung auf dem zweiten Stromwert i2. Zum Zeitpunkt t7 ist die Regelabweichung Null. Im weiteren Verlauf unterschreitet der Raildruck pCR den Raildruck-Sollwert SW. Durch die nunmehr positive Regelabweichung wird das Steuersignal ADV für die Saugdrossel 5 entsprechend dem Kurvenzug mit den Punkten G und H berechnet. Der Punkt H entspricht beispielsweise einem dritten Stromwert i3. Für den Raildruck pCR ergibt sich ein Kurvenzug mit den Punkten K und L. Zum Zeitpunkt t8 ist der Startvorgang mit Erreichen der Leerlaufdrehzahl n2 beendet.

Um bei einem Ausfall des Rail-Drucksensors 10 dennoch einen sicheren Start der Brennkraftmaschine zu garantieren, kann als Kenngröße zum Umschalten vom ersten in den zweiten Modus anstelle des Railsdrucks pCR die Motordrehzahl nMOT verwendet werden. Beispielsweise wird vom ersten in den zweiten Modus gewechselt, wenn die Motordrehzahl nMOT einen Grenzwert, die Reglerfreigabedrehzahl RGD, überschreitet. Die Reglerfreigabedrehzahl RGD ist in der Fig. 2B dargestellt.

In Fig. 3 ist ein Programmablaufplan für den Ablauf des Verfahrens im Normalbetrieb dargestellt. Bei Schritt S1 wird das Unterprogramm Normalbetrieb aufgerufen. Der Normalbetrieb liegt dann vor, wenn die Messwerte des Rail-Drucksensors 10 plausibel sind. Bei S2 wird geprüft, ob Motorstillstand vorliegt, also die Initialisierungsphase noch läuft. Wenn die Brennkraftmaschine noch nicht im Betrieb genommen ist, wird eine Schleife mit den Schritten S8 und S9 durchlaufen, d. h. es wird der erste Modus gesetzt und das Steuersignal ADV auf Null gesetzt. Ist die Brennkraftmaschine bereits in Betrieb genommen, Abfrage S2 negativ, so wird bei Schritt S3 geprüft, ob der Raildruck pCR größer als ein Grenzwert GW ist. In der Praxis entspricht dieser Grenzwert GW dem Reglerfreigabedruck (RFD), beispielsweise 650 bar. Liegt der Raildruck pCR noch unterhalb des Grenzwerts, so wird bei S6 geprüft, ob bereits der zweite Modus gesetzt ist. Ist dies nicht der Fall, wird das Ansteuersignal ADV bei S7 auf Null gesetzt und der Programmablaufplan verzweigt zum S10. Ergibt die Abfrage im Schritt S6, dass der zweite Modus bereits gesetzt ist, so verzweigt der Programmablaufplan zum Punkt A.

Übersteigt nun der Raildruck pCR den Grenzwert GW, die Abfrage S3 ist also positiv, so wird bei S4 der zweite Modus gesetzt. Danach wird bei S5 das Ansteuersignal ADV berechnet und auf den entsprechenden Stromwert, beispielsweise 12, gesetzt. Bei S10 wird geprüft, ob ein Endekriterium vorliegt. Ein Endekriterium kann beispielsweise dann vorliegen, wenn die Leerlaufdrehzahl n2 erreicht ist. Kann kein Endekriterium festgestellt werden, so verzweigt der Programmablaufplan zum Punkt C. Bei Vorliegen des Endekriteriums erfolgt bei S11 der Rücksprung ins Hauptprogramm.

In Fig. 4 ist ein Programmablaufplan für das Verfahren bei Notbetrieb dargestellt. Das Unterprogramm Notbetrieb wird dann aufgerufen, wenn die Messwerte des Rail- Drucksensor 10 nicht plausibel sind, beispielsweise bei Kurzschluss. Das Unterprogramm Notbetrieb wird auch dann aufgerufen, wenn beim Betrieb der Brennkraftmaschine vor dem Stillsetzen bereits ein fehlerhafter Rail-Drucksensor detektiert wurde. Gegenüber dem Programmablaufplan der Fig. 3 unterscheidet sich der Programmablaufplan gemäß der Fig. 4 im Schritt S3. Hier erfolgt die Abfrage nicht auf den Raildruck pCR, sondern auf die Motordrehzahl nMOT. Der weitere Ablauf entspricht dem der Fig. 3, so dass das dort Gesagte gilt.

Bezugszeichenliste

1

Brennkraftmaschine

2

Turbolader

3

Kraftstofftank

4

erste Pumpe

5

Saugdrossel

6

zweite Pumpe

7

Hochdruckspeicher (Rail)

8

Injektor

9

Drucksensor

10

Rail-Drucksensor

11

Elektronisches Steuergerät

Claims

1. Verfahren zur Steuerung und Regelung des Startvorgangs einer Brennkraftmaschine (1), bei dem mit Aktivierung des Startvorgangs ein Raildruck mit einem Grenzwert verglichen wird und in Abhängigkeit des Vergleichs ein erster oder zweiter Modus gesetzt wird, wobei im ersten Modus der Raildruck gesteuert und im zweiten Modus der Raildruck geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit erstmaligem Setzen des zweiten Modus (MOD = 2) dieser für den weiteren Startvorgang beibehalten wird.

2. Verfahren zur Steuerung und Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Modus (MOD = 1) ein Steuersignal (ADV) für ein Drucksteuermittel, insbesondere eine Saugdrossel (5), auf einen ersten Stromwert (i1) zur Voll-Förderung von Kraftstoff gesetzt wird.

3. Verfahren zur Steuerung und Regelung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stromwert (i1) auf einen konstanten Wert gesetzt wird (i1 = konst).

4. Verfahren zur Steuerung und Regelung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stromwert (i1) in Abhängigkeit einer Motordrehzahl (nMOT) berechnet wird (i1 = f(nMOT)).

5. Verfahren zur Steuerung und Regelung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stromwert (i1) nach einer Übergangsfunktion (ÜF) berechnet wird (i1 = f(ÜF)).

6. Verfahren zur Steuerung und Regelung nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raildruck (pCR) auf Plausibilität geprüft wird und mit Erkennen von nicht plausiblen Werte des Raildrucks (pCR) ein Notbetrieb aktiviert wird.

7. Verfahren zur Steuerung und Regelung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Notbetrieb die Motordrehzahl (nMOT) als maßgeblich Kenngröße für den Wechsel vom ersten in den zweiten Modus gesetzt wird.

8. Verfahren zur Steuerung und Regelung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vom ersten in den zweiten Modus gewechselt wird, wenn die Motordrehzahl (nMOT) einen Grenzwert (GW) übersteigt.