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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Ermittlung der Kraftstoffdruckwerte eines Kraftstoffhochdrucksystems
in Abhängigkeit
der Betriebszustände
einer Brennkraftmaschine.
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Bei
Verbrennungsmotoren mit Kraftstoffhochdrucksystem erfolgt aus dem
Kraftstoffdruckspeicher über
die Einspritzventile eine direkte Kraftstoffeinspritzung in die
Zylinder. Das Kraftstoffhochdrucksystem enthält neben dem Kraftstoffdruckspeicher
eine Hochdruckpumpe, die von einem Kraftstoff-Niederdruckkreislauf gespeist wird.
Durch eine Regelung des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffdruckspeicher
kann die in die Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge kontrolliert
und an die jeweiligen Betriebszustände der Brennkraftmaschine
angepasst werden. Für
eine Regelung wird der aktuelle Druckwert im Kraftstoffdruckspeicher
benötigt.
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Eine
genaue Erfassung des Kraftstoffdrucks ist somit Voraussetzung für eine optimale
Zuführung der
gewünschten
Kraftstoffmenge in die Brennräume der
einzelnen Zylinder. Die Messung der aktuellen Werte des Kraftstoffdrucks
erfolgt über
einen Kraftstoffdrucksensor. In einer Regeleinheit (ECU) wird dieser
Wert zur Regelung des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffdruckspeicher
weiterverarbeitet. Ein zu hoher oder zu niedriger mit dem Kraftstoffdrucksensor gemessener
Wert kann zur Folge haben, dass die tatsächlich in die Zylinder eingespritzte
Kraftstoffmenge von der eigentlich gewünschten Kraftstoffmenge abweicht.
Hieraus resultiert eine Abweichung des in den Zylindern herrschenden
Luft/Kraftstoffverhältnisses
von dem gewünschten
Verhältnis.
Erhöhter
Kraftstoffverbrauch, hohe Schadstoffemissionen und reduzierte Leis tungsfähigkeit
der Brennkraftmaschine können
als Folge des nicht optimalen Luft/Kraftstoffverhältnisses
auftreten.
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Die
Signale des Kraftstoffdrucksensors werden in einer Regeleinheit
weiterverarbeitet. Es erfolgt eine Mittelwertbildung der zeitlich
aufeinander folgenden Signale, um zyklische Druckschwankungen infolge
der diskontinuierlichen Förderung
der Kraftstoffpumpe und der diskontinuierlichen Einspritzung zu
berücksichtigen. Üblicherweise
wird der Mittelwert aus mehreren, z. B. zehn aufeinander folgenden Kraftstoffdruckmesswerten,
gebildet. Dieser Mittelwert repräsentiert
den Istwert des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffdruckspeicher für den Mittelungszeitraum. Der
Vergleich des Istwertes mit dem Sollwert des Kraftstoffdrucks führt zu einem
Vorgabewert für
die von der Hochdruckpumpe in den Kraftstoffdruckspeicher zu fördernden
Kraftstoffmenge.
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Im
Falle von hohen zeitlichen Änderungen des
Kraftstoffdrucks im Kraftstoffdruckspeicher, wie z. B. beim Start,
bei der Schubabschaltung oder bei dem Übergang von Teil- auf Volllast,
führt die
Mittelwertbildung für
eine fest vorgegebene Anzahl von Werten zu einer verzögerten Anpassung
des berechneten Kraftstoffdruck-Istwertes an die transienten Betriebsbedingungen
der Brennkraftmaschine, Die von dem Regler gebildete Differenz von
Ist- und Sollwert des Kraftstoffdrucks ist schlecht an den momentanen Betriebszustand
angepasst. Durch diese Differenz wird die Zufuhr von Kraftstoff,
und somit auch der Druck, im Kraftstoffdruckspeicher bestimmt. Als
Folge des schlecht an den aktuellen Betriebszustand angepassten
Drucks, ist die in den Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge ebenso
fehlerbehaftet. Hierdurch resultieren Nachteile bei der Drehmomententfaltung, dem
Verbrauch und den Schadstoffemissionen.
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DE 103 23 874 A1 offenbart
ein Verfahren zur Regelung des Kraftstoffdrucks in einem Kraftstoffdruckspeicher
einer Brennkraftmaschine, wobei der Druck über eine Hochdruckpumpe erzeugt
wird. Die Hochdruckpumpe wird über
ein Volumenstromregelventil mit Kraftstoff versorgt. In einer ersten
Betriebsart wird der Druck im Kraftstoffdruckspeicher durch den
Zufluss von Kraftstoff aus dem Volumenstromregelventil auf den Solldruck
geregelt. In einer zweiten Betriebart erfolgt die Regelung auf den
Solldruck durch den Rückfluss
von Kraftstoff aus dem Kraftstoffdruckspeicher in den Niederdruckkreis
mit Hilfe eines Regulatorventils. Die zweite Betriebsart wird bei
sehr geringen Einspritzmengen in die Zylinder, wie z. B. im Leerlauf,
verwendet. Der von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängige Solldruck
im Kraftstoffdruckspeicher wird durch einen Drucksensor überprüft.
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DE 100 29 349 C2 offenbart
eine Kraftstoffeinspritzregelanordnung für einen Motor mit Zylindereinspritzung,
die zahlreiche Sensoren zum Detektieren eines Laufzustandes eines
Motors, eine Hockdruckpumpe zum Zuführen von Kraftstoff unter Hochdruck,
ein Kraftstoffdruckstellglied zum Angleichen des Kraftstoffdrucks,
sowie eine Einspritzpulsberechnungsvorrichtung zur Berechnung einer
Einspritzpulsdauer für
einen Einspritzer auf Grundlage des mittleren Kraftstoffdrucks und
eine Kraftstoffdruckdetektionsvorrichtung zum Detektieren des auf
den Einspritzer wirkenden Kraftstoffdrucks gemäß einem vorgegebenen Detektionszyklus
enthält.
Des Weiteren beinhaltet die Kraftstoffeinspritzregelanordnung eine
Kraftstoffdruckberechnungsvorrichtung zum Berechnen des mittleren
Kraftstoffdrucks anhand der Detektionswerte, die von der Kraftstoffdruckdetektionsvorrichtung
während
eines Berechnungszyklus ausgegeben werden und eine Zyklusmodifiziervorrichtung
zum Modifizieren des Berechnungszyklus für die Kraftstoffdruckkberechnungsvorrichtung
in Ansprechen auf eine Laufgeschwindigkeit des Motors oder der Hochdruckpumpe.
Hierbei wird von der Zyklusmodifiziervorrichtung der Berechnungszyklus auf
eine Länge
festgelegt, die größer oder
gleich einem Arbeitszyklus der Hochdruckpumpe ist, um zu gewährleisten,
dass eine Wiederholungszahl für
das Detektieren des Kraftstoffdrucks in jedem Be rechnungszyklus
größer oder
gleich einer vorgegebenen Wiederholungszahl ist.
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DE 100 54 201 A1 offenbart
ein Verfahren zum Ermitteln eines Drucks in einem Kraftstoffspeicher
eines Einspritzsystems, bei dem zum Erfassen eines Druckwertes eine
vorgegebene Anzahl von Signalwerten erfasst und abgespeichert wird.
Aus der vorgegebenen Anzahl von Signalwerten werden eine Anzahl
von größten Signalwerten
ausgewählt.
Aus der Anzahl der größten Signalwerte
wird ein mittlerer Druckwert für
den Druck in einem Kraftstoffspeicher berechnet.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Ermittlung des Kraftstoffdruck-Istwertes im Kraftstoffdruckspeicher
zur Verfügung
zu stellen, das auch bei transienten Betriebszuständen der
Brennkraftmaschine eine genaue Ermittlung des Kraftstoffdruckwertes
ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine entsprechende
Vorrichtung zur Ermittlung des Kraftstoffdruck-Istwertes in einem Kraftstoffdruckspeicher
durch eine an die Betriebszustände
der Brennkraftmaschine angepasste Mittelwertbildung der Messwerte
eines im Kraftstoffdruckspeicher befindlichen Drucksensors. Hierzu
werden den Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine mehrere Bereiche zugeordnet, wobei für die Mittelwertbildung
in den Bereichen eine unterschiedliche Anzahl von Messwerten des
Kraftstoffdrucksensors verwendet wird. Dabei wird in einer Regeleinheit
die zeitliche Änderung
der Messwerte eines Kraftstoffdrucksensors erfasst. In Abhängigkeit
dieser Änderung
und/oder weiterer der Regeleinheit vorliegenden Größen, wie
z. B. Drehzahl- oder Drehmomentenänderungen, erfolgt eine Anpassung
der zur Mittelwertbildung berücksichtigten
Anzahl der auf einander folgenden Messwerte des Drucksensors. Im
Falle von transienten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine,
wie beim Start oder der Schubabschaltung, wird die Anzahl im Vergleich
zu einem stationären
Zustand verringert. Aufgrund der reduzierten Anzahl von Messwerten,
die bei der Mittelwertbildung berücksichtigt werden, ist der
berechnete Kraftstoffdruck-Istwert
besser an den aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine angepasst.
Hierdurch resultieren Vorteile hinsichtlich der Drehmomententfaltung,
des Verbrauchs und der Schadstoffemissionen. Für die Druckregelung wird ein
Vergleich zwischen Kraftstoffdruck-Istwert und Sollwert durchgeführt. Das
Ergebnis des Vergleichs dient als Vorgabe für die in den Kraftstoffdruckspeicher
zu fördernde Kraftstoffmenge.
Diese Kraftstoffmenge wird über
ein vor der Hochdruckpumpe befindliches Volumenstromregelventil
kontrolliert. Über
eine Niederdruckpumpe wird Kraftstoff aus dem Tank zum Volumenstromregelventil
gefördert.
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Beispielhaft
sei folgend eine Ausgestaltung ausgeführt, bei der die Betriebszustände der
Brennkraftmaschine zwei Bereichen zugeordnet werden. Es wird ein
stationärer
Zustand definiert, wobei in diesem Bereich Betriebszustände zusammengefasst werden,
deren zeitliche Veränderung
langsam erfolgt. Für
die diesem Bereich zugehörigen
Betriebszustände
werden für
die Berechnung des Mittelwertes der aktuelle und alle vorherigen
in einem vorgegebenen Mittelungszeitraum erhaltenen Messwerte des
Drucksensors verwendet. Weiterhin wird ein instationärer Betriebszustand
definiert, der dadurch gekennzeichnet ist, dass transiente Vorgänge im zeitlichen
Verlauf des Kraftstoffdrucks auftreten, z. B, beim Starten oder
bei einem Sollwertsprung. Für
solche transiente Betriebszustände
werden der aktuelle und der vorherige Messwert des Drucksensors
zur Berechnung des Mittelwertes herangezogen. Die Zuordnung des
aktuellen Betriebszustandes in einen Bereich erfolgt aufgrund der
Auswertung der zeitlichen Änderung
der mit einem Kraftstoffdrucksensor gemessenen Werte. Zusätzlich können auch
noch andere Größen wie
die Änderung
der Drehzahl oder des Drehmomentes für die Zuordnung berücksichtigt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird für die Umschaltung
zwischen den Bereichen eine Kennlinie mit Hysterese vorgesehen. Durch
diese Maßnahme
wird häufiges
Umschalten zwischen unterschiedlichen Bereichen vermieden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt
eine Anpassung der Samplingrate des für die Kraftstoffdruck-Messwerterfassung zuständigen A/D-Wandlers
der ECU. Im instationären
Zustand wird eine hohe Samplingrate zur Erfassung der transienten
Vorgänge
benötigt.
Im stationären
Zustand ist eine geringere Samplingrate zur Erfassung der Messwerte
ausreichend. Die Samplingrate wird erniedrigt. Hierdurch erfolgt
eine Anpassung der in der ECU für
die Erfassung und Weiterverarbeitung der Kraftstoffdruck-Messwerte
erforderlichen Rechenzeit und Speicherplatzes.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffdrucksensor und einer Vorrichtung
zur Berechnung der Kraftstoffdruckwerte in Abhängigkeit der Betriebszustände der
Brennkraftmaschine,
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2 ein
Diagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
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3 ein
Ablaufdiagramm zur Berechnung der Kraftstoffdruck-Istwerte.
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In 1 ist
ein Kraftstoffhochdruckeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine
dargestellt. Das Kraftstoffhochdruckeinspritzsystem weist einen Kraftstoffbehälter 1 auf,
aus dem Kraftstoff über
eine Niederdruckpumpe 2 und einer Zuführleitung 4 einem
Volumenstromregelventil 3 zugeführt wird. Ein Überdruckventil 5 ist
vorgesehen, um bei einem zu großen
Druck in der Zuführleitung 4 Kraftstoff
in den Kraftstoffbehälter 1 abzuführen. Das
unmittelbar an der Hochdruckpumpe 6 befindliche Volumenstromregelventil 3 stellt
den Kraftstoff für
die Hochdruckpumpe 6 bereit. Die Hochdruckpumpe 6 befördert den Kraftstoff
in den Kraftstoffdruckspeicher 7. Über mit dem Kraftstoffdruckspeicher 7 verbundene
Einspritzventile 8 gelangt der Kraftstoff in die Zylinder
der Brennkraftmaschine. Die Öffnungszeitdauern
der Einspritzventile 8, des Volumenstromregelventils, 3 und
des Regulatorventils 10 werden von einer Regeleinheit 9 gesteuert. Über ein
Regulatorventil 10 kann Kraftstoff aus dem Kraftstoffdruckspeicher 7 in
die Zuführleitung 4 abgeleitet
werden, um den Druck im Kraftstoffhochdruckspeicher 7 zu
vermindern.
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Der
Solldruck im Kraftstoffhochdruckspeicher 7 wird in Abhängigkeit
des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine vorgegeben und mit
Hilfe eines mit der Regeleinheit 9 verbundenen Kraftstoffdrucksensors 11 kontrolliert.
Das Signal des Kraftstoffdrucksensors 11 wird in der Regeleinheit 9 zur
digitalen Weiterverarbeitung abgetastet. Die zeitdiskreten Messwerte
werden dann in einem Speicher 12 der Regeleinheit 9 abgelegt.
Um zyklische Druckschwankungen infolge der diskontinuierlichen Förderung
der Hochdruckpumpe 6 und der diskontinuierlichen Einspritzvorgänge zu unterdrücken, wird
der Kraftstoffdruck-Istwert aus dem Mittelwert von einer bestimmten
Anzahl aufeinander folgender zeitdiskreten Messwerte gebildet. Üblicherweise
bleibt die Anzahl der für
die Mittelung berücksichtigten
Messwerte konstant. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht eine Anpassung
der Anzahl der zur Mittelung herangezogenen Messwerte an die Betriebszustände der Brennkraftmaschine
vor. Die Differenz zischen Soll- und Istdruck wird in der Regeleinheit 9 gebildet
und dient als Maß für die Berechnung
der dem Volumenstromregelventil 3 und dem Regulatorventil 10 zugeführten Stellsignale.
Durch die Zufuhr von über
das Volumenstromregelventil 3 an die Hochdruckpumpe 6 gelieferten
Kraftstoffes in den Kraftstoffdruckspeicher 7 wird der
Druck im Selbigen gesteigert. Damit der Druck im Kraftstoffdruckspeicher 7 nicht über den Solldruck
steigt, kann über
das Regulatorventil 10 Kraftstoff in die Zuführleitung 4 abgelassen
werden. Neben den Signalen des Kraftstoffdrucksensors 11, werden
der Regeleinheit 9 weitere Signale über den Betriebszustand der
Brennkraftmaschine, wie z. B. Drehzahl, Drehmoment oder Last, durch
ein Steuergerät 13 zugeführt. Regeleinheit 9 und
Steuereinheit 13 können
auch zu einer baulichen Einheit zusammengefasst sein. Diese weiteren
Signale können,
in Verbindung mit den Messwerten des Kraftstoffdrucksensors 11,
zur Bestimmung der für
die Mittelung berücksichtigten
Anzahl von Messwerten herangezogen werden.
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2 zeigt
ein Diagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Es ist der kontinuierliche, analoge zeitliche Verlauf des Kraftstoffdrucksensorsignals
dargestellt. Die diskreten Abtastwerte des Messsignals sind für zwei Bereiche als
Kreise eingezeichnet. Die Bereiche kennzeichnen die Länge der üblicherweise
für eine
Mittelung der diskreten Abtastwerte verwendeten Zeitabschnitte.
In diesem Beispiel werden zehn Abtastwerte pro Zeitabschnitt bei
der Berechnung des Mittelwertes verwendet. In dem Bereich der als
stationärer
Zustand bezeichnet wird, ändert
sich der Verlauf des Kraftstoffdrucks nur wenig. Aus diesem Grunde
ist die Abhängigkeit
des Mittelwertes (Kraftstoffdruck-Istwertes) von der Anzahl der
verwendeten Messwerte nur gering. Der nach der herkömmlichen
Berechnungsmethode bestimmte Kraftstoffdruck-Istwert ist ausreichend an den momentanen
Betriebszustand der Brennkraftmaschine angepasst.
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Demgegenüber resultiert
für den
instationären
Zustand, aufgrund der starken zeitlichen Änderung des Kraftstoffdrucks,
eine große
Abhängigkeit des
Mittelwertes von der Anzahl verwendeter Abtastwerte. Für die Mittelwertberechnung
nach der üblicherweise
verwendeten Methode, unter Verwendung von in diesem Beispiel zehn
Abtastwerten, folgt eine starke Abweichung des Kraftstoffdruck-Istwertes
von dem aktuellen Messwert (letzter Messwert des Zeitabschnitts).
Die Berechnung ergibt einen zu geringen Kraftstoffdruck-Istwert
P_ist übl.
Dieser zu niedrige Wert führt
zu einem Kraftstoffdruck im Kraftstoffdruckspeicher der über dem
Sollwert liegt. Entspre chend ist die den Zylindern zugeführte Kraftstoffmenge
zu hoch. Das Verbrennungsgemisch ist schlecht an den aktuellen Betriebszustand
angepasst. Erfindungsgemäß werden
dagegen für
den instationären Zustand
nicht sämtliche
zehn Abtastwerte des Zeitabschnitts zur Mittelwertbildung herangezogen,
sondern eine reduzierte Anzahl. Im dargestellten Fall lediglich
die zwei letzten Abtastwerte. Die Abweichung des so berechneten
Kraftstoffdruck-Istwertes P_ist vom aktuellen Messwert ist, im Vergleich
zu dem nach der üblichen
Methode berechneten, wesentlich geringer. Hieraus folgt, dass die
in die Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge besser an den aktuellen
Zustand der Brennkraftmaschine angepasst ist.
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In 3 ist
ein Ablaufdiagramm zur Berechnung der Kraftstoffdruck-Istwerte dargestellt.
In diesem Fall erfolgt eine Einteilung der Betriebszustände einer
Brennkraftmaschine in zwei Bereiche. Zu Beginn wird in dem Schritt
S1 der aktuell erfasste, digitalisierte Messwert des Kraftstoffdrucksensors P_Mess(i)
eingelesen. Das in Klammern gesetzte „i" bezeichnet einen in dem aktuellen Bearbeitungsdurchlauf
ermittelten oder erfassten Wert. Ein in Klammern gesetztes „i-1" bezeichnet einen
in dem vorherigen Bearbeitungsdurchlauf ermittelten oder erfassten
Wert.
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In
dem folgenden Schritt S2 erfolgt die Berechnung der zeitlichen Änderung
des erfassten Kraftstoffdrucks D_P_Mess(i) durch das Bilden der Differenz
P_Mess(i)-P_Mess(i-1) zwischen den aktuell erfassten und in dem
vorherigen Bearbeitungsdurchlauf erfassten Kraftstoffdruck.
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In
dem anschließenden
Schritt S3 wird ein Vergleich des Betrags der zeitlichen Änderung
des Kraftstoffdrucks D_P_Mess(i) mit einem Grenzwert G zwecks Zuordnung
des aktuellen Betriebszustandes der Brennkraftmaschine zu einem
Bereich durchgeführt.
Falls der Betrag der zeitlichen Änderung
des Kraftstoffdrucks größer als
der Grenzwert ausfällt, wird
der aktuelle Betriebszustand der Brennkraftmaschine dem Be reich
mit der Bezeichnung instationärer
Zustand zugewiesen. Für
den anderen Fall erfolgt eine Zuweisung in den Bereich mit der Bezeichnung stationärer Zustand.
In Klammern ist angedeutet, dass neben der zeitlichen Änderung
des Kraftstoffdrucks, mit z. B. der zeitlichen Änderung der Drehzahl D_n(i)
oder des Drehmoments D_M(i), noch andere Kriterien für die Zuweisung
herangezogen werden können.
Für die
Zuweisung können
die einzelnen Kriterien durch logische Operationen miteinander verknüpft werden.
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In
nachfolgenden Schritten S4 bzw. S5 wird der für die Regelung benötigte Istwert
des Kraftstoffdrucks P_ist(n) entsprechend der in S3 erfolgten Zuteilung
durchgeführt.
Im instationären
Zustand werden für
die Berechnung von P_ist(n) der aktuelle und der in dem vorherigen
Bearbeitungsdurchlauf erfasste Kraftstoffdruck zur Mittelwertbildung
verwendet (Schritt S4). Im stationären Zustand erfolgt die Bildung
des Mittelwertes unter Berücksichtigung
des aktuellen und der in den vorherigen neun Bearbeitungsdurchläufen erfassten
Kraftstoffdrücke
(Schritt S5). Der in Abhängigkeit
von der Zuteilung berechnete Kraftstoffdruck-Istwert wird anschließend dem
Algorithmus zur Regelung des Kraftstoffdrucks zugeführt.