DE102007048667A1

DE102007048667A1 - Vorrichtung zur Ansteuerung von elektrischen Aktoren

Info

Publication number: DE102007048667A1
Application number: DE102007048667A
Authority: DE
Inventors: Hendrick Große-Löscher; Gerhard Strasser
Original assignee: MAN Diesel SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2027-10-11
Also published as: DE102007048667B4

Abstract

Um bei einer Vorrichtung zur Ansteuerung von elektrischen Aktoren 1, insbesondere von Aktoren zur Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine oder zur Einstellung des Raildrucks eines Commonrailsystems einer Brennkraftmaschine, die eine elektrische Steuereinheit 2 umfasst, mit dieser eine dynamische Betriebszustandsänderung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von Motorlast und Motordrehzahl erfassbar und ein Steuersignal mittels Kennfelder 10 ableitbar ist, sicherzustellen, dass ein Optimum für den Einspritz- bzw. Bestromungsbeginn gefunden wird, das allen Anforderungen gerecht wird und auch der Einspritz- bzw. Bestromungsbeginn in Abhängigkeit der Motorlast und Motordrehzahl verste4 der Steuereinheit 2 an einem Summierglied 3 mit einem Stellsignal 7 eines Regelsystems 4, das ständig den Istwert 5 einer Regelgröße mit dem Sollwert 6 einer Führungsgröße hinsichtlich des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine vergleicht und in Abhängigkeit einer Regelabweichung ein Stellsignal 7 erzeugt, zusammenführbar ist und der Ausgang des Summiergliedes 3 den oder die Aktoren 1 ansteuert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung von elektrischen Aktoren, insbesondere von Aktoren zur Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine oder zur Einstellung des Raildrucks eines Commonrailsystems einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
Bei heutigen Ansteuerkonzepten für induktive Aktoren, beispielsweise für Magnetventile von Einspritzdüsen werden von einer zentralen Recheneinheit mittels Kennfelderwerte für den Ansteuerverlauf (Ansteuerbeginn und – dauer oder – ende) in Steuersignale für den Endstufenbaustein umgesetzt.
Aus der DE 10 2004 051 273 A1 ist eine Vorrichtung zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine bekannt, die eine elektrische Steuereinheit umfasst, mit dieser eine dynamische Betriebszustandsänderung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Motorlast und Motordrehzahl erfassbar und ein Steuersignal mittels Kennfelder ableitbar ist. Bekanntlich weist eine elektronische Steuereinheit Eingänge für Eingangssignale sowie Ausgänge für Ausgangssignale auf. Über die Eingänge werden die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine erfasst und verarbeitet. In Abhängigkeit der erfassten Betriebsparameter werden Ausgangssignale zum Steuern des Betriebes der Brennkraftmaschine erzeugt, die über die Ausgänge abgegeben werden. Diese Ausgangssignale steuern entsprechend der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine Elektromagnete an, die in einer Einspritzdüse integriert sind. Die Kraftstoffzufuhreinrichtung wird also dabei von der Steuereinheit mit Steuersignalen beaufschlagt, der Steuereinheit werden Ausgangssignale verschiedener Sensoren zugeliefert, womit die eine dynamische Betriebszustandsänderung der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen erfasst werden. Damit soll das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert werden, d. h. die Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine gesteuert werden.
Betriebsparameter, die wesentlichen Einfluss auf die Kraftstoffeinspritzung haben und deren Änderungen berücksichtigt werden soll, sind die Motordrehzahl und die Motorlast. Die Änderung kann beispielsweise in Form einer Differentiation nach der Zeit, Integration über die Zeit, oder einfach auch durch Quadrieren des Betriebsparameters berücksichtigt werden. Auch ist eine Berücksichtigung durch Vergleich mit Sollwerten oder mit zeitlich vorangegangenen und erfassten Werten bereits in der Fachwelt bekannt.
Auch bei Common Rail-Motoren besitzt der Bestromungsbeginn der Magnetventile entscheidenden Einfluss auf die motorische Verbrennung. Der Bestromungsbeginn der Magnetventile legt den Einspritzbeginn des Kraftstoffs in den Brennraum fest. Allgemein kann festgehalten werden, dass der Einspritzzeitpunkt entscheidende Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch, die Abgasemissionen und das Verbrennungsgeräusch besitzt. Verallgemeinert führt eine späte Kraftstoffeinspritzung zu niedrigen NO_x-Emissionen aber auch zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch. Eine Verlagerung des Einspritzbeginns nach „früh" resultiert in einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bei gleichzeitiger Erhöhung der NO_x-Emissionen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ansteuerung von elektrischen Aktoren, insbesondere von Aktoren zur Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine oder zur Einstellung des Raildrucks eines Common Railsystems einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, mit dieser ein Optimum für den Einspritz- bzw. Bestromungsbeginn gefunden werden kann, das allen Anforderungen gerecht wird und den gegenläufigen Zusammenhängen zwischen Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung, NO_x-Emissionen und erhöhtem Kraftstoffverbrauch Rechnung trägt. Um einen sicheren, wirtschaftlichen und emissionsgerechten Betrieb des Motors zu gewährleisten, muss zudem der Einspritz- bzw. Bestromungsbeginn in Abhängigkeit der Motorlast und Motordrehzahl verstellbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch dass das Steuersignal der Steuereinheit an einem Summierglied mit einem Stellsignal eines Regelsystems, das ständig Istwert einer Regelgröße mit Sollwert einer Führungsgröße hinsichtlich des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine vergleicht und in Abhängigkeit einer Regelabweichung ein Stellsignal erzeugt, zusammenführbar ist, und der Ausgang des Summiergliedes den oder die Aktoren ansteuert, wird bei einer Vorrichtung zur Ansteuerung von elektrischen Aktoren, insbesondere von Aktoren zur Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine oder zur Einstellung des Raildrucks eines Common Railsystems einer Brennkraftmaschine, die eine elektrische Steuereinheit umfasst, mit dieser eine dynamische Betriebszustandsänderung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Motorlast und Motordrehzahl erfassbar und ein Steuersignal mittels Kennfelder ableitbar ist, sichergestellt, dass die Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum der Brennkraftmaschine optimal unter Berücksichtigung von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine gewährleistet ist und zudem der Einspritz- bzw. Bestromungsbeginn in Abhängigkeit der Motorlast und Motordrehzahl verstellbar ist.
Dem gegenläufigen voranbeschriebenen Zusammenhang zwischen Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung, Kraftstoffverbrauch und NO_x-Emissionen kann Rechnung getragen werden.
Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung von elektrischen Aktoren sind im Folgenden näher beschrieben und in der Figur gezeigt.
Es zeigt die einzige Figur einen Signalflussplan einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der eine elektrische Steuereinheit 2 vorgesehen ist, mit dieser eine dynamische Betriebszustandsänderung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Motorlast und Motordrehzahl erfassbar und ein Steuersignal 14 mittels Kennfelder 10 ableitbar ist.
Das Steuersignal 14 der Steuereinheit 2 ist an einem Summierglied 3 mit einem Stellsignal 7 eines Regelsystems 4, der ständig Istwert einer Regelgröße 5 mit Sollwert 6 einer Führungsgröße hinsichtlich des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine vergleicht und in Abhängigkeit einer Regelabweichung das Stellsignal 7 erzeugt, zusammenführbar. Der Ausgang des Summiergliedes 3 steuert den oder die Aktoren 1 an.
Ein Regelkreis besteht im Allgemeinen aus der Regelstrecke und der Regeleinrichtung. Charakteristisch für die Regelung ist der geschlossene Wirkungsablauf: Der Istwert der Regelgröße (NO_x-Messwert) wird ständig mit dem Sollwert der Führungsgröße 8 NO_x-Grenzwert) verglichen. Beim Auftreten einer Störung führt die entstehende Regelabweichung zu einer analogen Stellgröße, die auf die Regelstrecke so einwirkt, dass die Störung ausgeglichen und die Regelgröße konstant gehalten wird.
Die Funktionseinheitssteuerung stellt sicher, dass zusätzlich zur Regelung der Einspritz- bzw. Bestromungsbeginn in Abhängigkeit der Motorlast oder Drehzahl, d. h. in Abhängigkeit einer dynamischen Betriebszustandsänderung der Brennkraftmaschine verstellbar ist.
Im Regelsystem 4 ist ein NO_x-Abgasmesswert für den Istwert der Regelgröße 5 und die Werte von Drehzahl und Last zur Bestimmung des Sollwertes 6 der Führungsgröße mittels Kennfelder 11 heranziehbar. Des Weiteren ist eine Auswerte-Einheit oder Controller 8 vorgesehen, der den NO_x-Abgasmesswert mit der aktuell vorhandenen Sauerstoffkonzentration im Abgas auf einen normierten NO_x-Wert umrechnet.
Das Regelsystem 4 weist weiterhin einen P und I-Regler zur Beeinflussung des Ansprechverhaltens des Regelsystems 4 auf, des Reglerparameter P und I also der Proportional- und der Integralanteil auf den jeweils gefahrenen Motorbetriebspunkt in Abhängigkeit von Motorlast und Motordrehzahl abgestimmt sind.
Der Controller nimmt die Eingangsgröße „normierter NO_x-Wert" aus gemessenem NO_x-Wert 5, sowie einem aus einem Kennfeld entnommenen NO_x-Grenzwert 6 in Form eines Sollwertes, der für den jeweils gefahrenen Motorbetriebspunkt in Abhängigkeit von Motordrehzahl und Motorlast gilt, auf und berechnet davon das Stellsignal 7.
Mit entsprechendem Motorverbau der Messtechnik ist es also möglich, die NOX-Emissionen zu erfassen. In der Regel ist der zulässige NO_x-Wert abhängig von Motortyp, Motorlast, Motordrehzahl, Einsatzort und Einsatzart. Ein NO_x-Wert ist immer an die entsprechend dem Abgas vorhandene O₂-Konzentration gebunden, neben der Festlegung, ob feuchtes oder trockenes Abgas gemessen wird. Die Sauerstoffkonzentration im Abgas ist u. a. vom Motorbetriebszustand abhängig. Um also einen Bezug zwischen zulässigem NO_x-Wert und gemessenem NO_x-Wert herzustellen ist eine Auswerte-Einheit in Form des Controllers 8 vorgesehen, die die NO_x-Emissionen mit der aktuell vorhandenen Sauerstoffkonzentration im Abgas auf einem normierten NO_x-Wert umrechnet.
In Abhängigkeit des Motorbetriebspunktes (Drehzahl/Last) werden dem Controller 8 die Reglerparameter P und I, also der Proportional- und der Integralanteil vorgegeben. Diese Werte bestimmen das Regelverhalten des Regelkreises und sind auf die jeweiligen Motorbetriebszustände abgestimmt. Der Controller 8 hat als weitere Eingangsgrößen den gemessenen und auf einen Normzustand umgerechneten NO_x-Wert 5 sowie den aus einem Kennfeld entnommenen NO_x-Grenzwert 6, der für den jeweils gefahrenen Motorbetriebspunkt (Drehzahl/Last) gilt. Ausgehend von dieser Information berechnet der Controller 8 den Bestromungsbeginn 7, der im jeweils gefahrenen Motorbetriebspunkt eingestellt werden muss, damit der Motor stets im NO_x-Grenzwert betrieben wird und somit einen möglichst geringer Brennstoffverbrauch gewährleistet ist. Natürlich müssen Sicherheitsgrenzen festgelegt werden, in denen sich der vom Gesamtsystem ausgegebene Bestromungsbeginn bewegt, damit keine Betriebszustände erreicht werden, die dem Motor Schaden zufügen könnten. Besonderes Augenmerk ist hier auf den maximalen Zünddruck und den Zündsprung zu legen. Daneben sind aber auch die Abgastemperatur, die Abgastemperatur vor der Turbine sowie die Laderdrehzahl zu beachten.
Die Steuereinheit 2 umfasst einen Geber 12 für einen Differentialanteil der dynamischen Betriebszustandsänderung in Abhängigkeit von Motordrehzahl und Motorlast und ein elektrisches Bauteil 13 mit PT₁ Dynamik.
Sowohl zwischen Steuereinheit 2 und dem Regelsystem 4 kann unabhängig voneinander umgeschaltet werden, bzw. die Steuereinheit 2 und das Regelsystem 4 kann allerdings auch zusammen betrieben werden.
Das Differenzierglied 12 ermöglicht die Übertragung von Impulsen (oder Wechselspannungen) von einer elektrischen Schaltung auf eine andere, während beispielsweise ein Integrierglied Impulse annähernd formgetreu überträgt.
Der Ausgang der Steuereinheit 2 und der Ausgang des Controllers 8 laufen in einem Summierglied 3 zusammen. Das Ergebnis des Summiergliedes 3 ist der eigentliche Ausgang 1, der den für den aktuell gefahrenen Betriebspunkt erforderlichen Bestromungsbeginn ausgibt.
Das Vorhandensein von gleichzeitig Regelung und Steuerung ist nötig, da in Abhängigkeit des verwendeten NO_x-Sensors die Möglichkeit besteht, dass die Regelung kurzzeitig oder längerfristig abgeschaltet werden muss. Dies kann darin begründet sein, dass bei einem Fehler in der Regelung 4 oder der verwendeten Messtechnik diese abgeschaltet wird und die Steuerung 2 den weiteren Motorbetrieb sicherstellt. Je nach Art der Messtechnik kann auch ein sogenanntes Spülen des Sensors notwendig sein, dass z. B. alle halbe Stunde eintritt. Dieses Spülen des Sensors gewährleistet den ordnungsgemäßen Betrieb der Messtechnik. In diesem Fall ist eine weitere elektronische Logik vorzusehen, die das Umschalten zwischen Steuerung 2 und Regelung 4 gewährleistet. Der Differentialanteil sowie das elektrische Bauteil 13 mit PT₁-Dynamik stellen sicher, dass der Regler 4 nicht sprunghaft nachzieht, nachdem von Steuerung 2 auf Regelung 4 umgeschaltet wurde (oder umgekehrt) und sich der letzte Betriebspunkt der Betriebsphase der Steuerung 2 merklich vom letzten Betriebspunkt der Betriebsphase des Reglers 4 unterscheidet.
Generell kann nicht nur der Bestromungsbeginn als Zielgröße herangezogen werden, sondern gegebenenfalls zusätzlich auch noch der Raildruck.

1: elektrischer Aktor
2: elektrische Steuereinheit
3: Summierglied
4: Regelsystem
5: Istwert einer Regelgröße
6: Sollwert einer Führungsgröße
7: Stellsignal
8: Controller
9: PI-Regler
10: Kennfelder (Steuerung)
11: Kennfelder (Regelung)
12: Geber
13: Elektrisches Bauteil
14: Steuersignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004051273 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Ansteuerung von elektrischen Aktoren 1, insbesondere von Aktoren zur Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine oder zur Einstellung des Raildrucks eines Common Railsystems einer Brennkraftmaschine, die eine elektrische Steuereinheit 2 umfasst, mit dieser eine dynamische Betriebszustandsänderung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Motorlast und der Motordrehzahl erfassbar und ein Steuersignal 14 mittels Kennfelder 10 ableitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal 14 der Steuereinheit 2 an einem Summierglied 3 mit einem Stellsignal 7 eines Regelsystems 4, dass ständig einen Istwert 5 einer Regelgröße mit einem Sollwert 6 einer Führungsgröße hinsichtlich des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine vergleicht und in Abhängigkeit einer Regelabweichung ein Stellsignal 7 erzeugt, zusammenführbar ist, und der Ausgang des Summierglieds 3 den oder die Aktoren 1 ansteuert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Regelsystem 4 ein NO_x-Abgasmesswert für den Istwert der Regelgröße 5 und die Werte von Drehzahl und Last zur Bestimmung des Sollwerts 6 der Führungsgröße mittels Kennfelder 11 heranziehbar ist, und eine Auswerte-Einheit oder Controller 8 vorgesehen ist, der den NO_x-Abgasmesswert mit der aktuell vorhandenen Sauerstoffkonzentration im Abgas auf einen normierten NO_x-Wert umrechnet.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsystem 4 einen PI-Regler 9 zur Beeinflussung des Ansprechverhaltens des Regelsystems 4 aufweist, dessen Reglerparameter P und I also der Proportional- und der Integralanteil auf den jeweils gefahrenen Motorbetriebspunkt in Abhängigkeit von Motorlast und Motordrehzahl abgestimmt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller 8 die Eingangsgrößen normierter NO_x-Wert aus gemessenem NO_x-Wert 5, sowie einem aus einem Kennfeld 11 entnommenen NO_x-Grenzwert 6 in Form eines Sollwerts, der für den jeweils gefahrenen Motorbetriebspunkt in Abhängigkeit von Drehzahl und Last gilt, aufnimmt und davon das Stellsignal 7 berechnet.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl zwischen Steuereinheit 2 und dem Regelsystem 4 unabhängig voneinander umgeschaltet werden kann, bzw. Steuereinheit 2 und Regelsystem 4 zusammen betrieben werden können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit 2 einen Geber 12 für einen Differentialanteil der dynamischen Betriebszustandsänderung in Abhängigkeit von Motordrehzahl und Motorlast und ein elektrisches Bauteil 13 mit PT1-Dynamik (Proportionalanteil und Einschwingzeit) umfasst.