DE102008017160B3 - Verfahren zum Bestimmen des effektiven Kompressibilitätsmoduls eines Einspritzsystems - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des effektiven Kompressibilitätsmoduls eines Einspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems, das ein hydraulisches System mit einem Hochdruckbereich, der mehrere Injektoren zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine versorgt, und mit einem Volumenstromregelventil zum Einstellen des dem Hochdruckbereich über eine Hochdruckpumpe zugeführten Kraftstoffstroms sowie einen Drucksensor umfasst, der den Druck im Hochdruckbereich misst. Dabei wird bei vorgegebener Beziehung zwischen dem Tastverhältnis des Ansteuerstroms des Volumenstromregelventils und dem gelieferten Kraftstoffvolumenstrom die Brennkraftmaschine in einen Zustand mit einem definierten Kraftstoff-Volumenstrom gebracht, das zugehörige bekannte Tastverhältnis des Ansteuerstroms eingestellt und der dann sich einstellende Druck des Hochdruckbereichs gemessen, dass das Tastverhältnis und somit der Kraftstoff-Volumenstrom geändert wird und die Druckänderung gemessen wird und dass aus der Gleichung dP/dt = E*V*DeltaQ der Kompressibilitätsmodul bestimmt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des effektiven Kompressibilitätsmoduls eines Einspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.
  • Bekannte Common-Rail-Einspritzanlagen umfassen ein Volumenstromregelventil (VCV-Volume Control Valve), das die Menge des Kraftstoffs regelt, der einer Hochdruckpumpe zugeführt wird und von dieser in einen Druckspeicher (Common Rail) gepumpt wird. Injektoren mit Einspritzdüsen werden von dem Common Rail versorgt und spritzen, von einem Steuergerät gesteuert, Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine.
  • Bei dieser Art von Einspritzanlage wird vorzugsweise eine Mengen-basierte Druckregelung vorgenommen, wobei die grundlegende physikalische Beziehung für jede Art dieser Druckregelung die Gleichung dP/dt = E/V·Q ist. Dabei bezeichnet P den Druck im System, E den Kompressibilitätsmodul, V das Volumen des Druckspeichers und Q den an dem Druckspeicher bzw. das Rail gelieferten Volumenstrom. Um mittels eines bestimmten Volumenstroms Q einen definierten Druckgradienten dP/dt einstellen zu können, muss folglich die Proportionalitätskonstante E/V bekannt sein. Während das Volumen V in der Regel mit hoher Genauigkeit bekannt ist, trifft dies für den E-Modul oft nicht zu. Bisher wurden für den E-Modul Kennlinien verwendet, die aus der Literatur bekannt sind und die für unterschiedliche Kraftstoffe differenzieren. Zum einen existieren jedoch nicht immer für jeden verwendeten Kraftstoff Literaturwerte, zum anderen muss aber für eine genaue Druckregelung der "effektive" Kompressibilitätsmodul des Gesamtsystems, bestehend aus Medium, d. h. Kraftstoff und der umgebenden Wand verwendet werden. Dafür liegen jedoch keine Literaturwerte (Hochdruckpumpe, Rail, Leitungen, Injektoren) vor.
  • In der DE 103 51 914 A1 ist ein Verfahren zum Vorsteuern einer Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe für eine Brennkraftmaschine dargestellt, wobei die Kompressibilität empirisch ermittelt ist und die Kompressibilitätszahl χ sich in Abhängigkeit von Druck und Temperatur aus einer Schar von Kennlinien ergibt.
  • Die DE 196 33 156 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei der die Kraftstoffzufuhr abhängig von einem zuvor bestimmten Drucksignal gesteuert wird. Die Kompressibilität des Kraftstoffes wird in Abhängigkeit von Druck und Temperatur vorzugsweise aus einem abgelegten Kennfeld ausgelesen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des effektiven Kompresibilitätsmoduls zu schaffen, mit dem der Kompressibilitätsmodul des gesamten Systems schnell und mit guter Genauigkeit gefunden wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
  • Dadurch, dass anhand der Beziehung zwischen dem Tastverhältnis des dem Volumenstromregelventil zugeführten Steuerstroms bzw. dem effektiven Strom und dem gelieferten Kraftstoffvolumenstrom des VCVs die Brennkraftmaschine in einen Zustand mit einem definierten Kraftstoffvolumenstrom gebracht wird, wobei die Beziehung zwischen dem Tastverhältnis des dem Volumenstromregelventil zugeführten Steuerstroms bzw. dem effektiven Strom und dem gelieferten Kraftstoffvolumenstrom des VCVs vorgegeben ist, danach das zugehörige bekannte Tastverhältnis des Steuerstroms eingestellt wird und der sich dann einstellende Druck des Hochdruckbereichs gemessen wird, dass das Tastverhältnis und somit der Kraftstoff-Volumenstrom anschließend geändert wird und die Druckänderung gemessen wird und dass aus der Gleichung dP/dt = E/V·ΔQ der Kompressibilitätsmodul bestimmt wird, kann der effektive Kompressionsmodul des Gesamtsystems, bestehend aus Kraftstoff und der umgebenden Wand, in einfacher Weise gefunden werden. Durch die Verwendung des erfindungsgemäß ermittelten Wertes des effektiven Kompressibilitätsmoduls kann die Leistungsfähigkeit der Druckregelung verbessert werden. Außerdem lässt sich der Vorgang der Kalibration des Raildruck-Reglers auf diese Weise vereinfachen und verkürzen.
  • Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird zusätzlich die Temperatur des Kraftstoffs gemessen und der Kompressibilitätsmodul bei verschiedenen Drücken und Temperatu ren bestimmt, wodurch ein Kennlinienfeld für den effektiven Kompressibilitätsmodul in Abhängigkeit vom Druck und der Temperatur zur Verfügung gestellt werden kann.
  • In vorteilhafter Weise kann die vorgegebene Beziehung zwischen dem Tastverhältnis des Ansteuerstroms des Volumenstromregelventils und seinem gelieferten Kraftstoffvolumenstrom dadurch bestimmt werden, dass gemäß einem ersten Schritt die Brennkraftmaschine in einen stationären Zustand mit konstantem Verbrauch gebracht wird und in einem zweiten Schritt das Tastverhältnis des Ansteuerstroms des Volumenstromregelventils so justiert wird, dass sich ein konstanter Druck im Hochdruckbereich einstellt, wodurch ein erstes Wertepaar, Tastverhältnis bzw. Strom und Volumenstrom, erstellt wird und dass die ersten und zweiten Schritte solange wiederholt werden, bis eine ausreichend genaue Kennlinie geliefert wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter Heranziehung der beigefügten Zeichnung näher erläutert, in der
  • 1 schematisch das hydraulische System einer Common-Rail-Einspritzanlage darstellt und
  • 2 die Kennlinie des Kraftstoff-Volumenstroms Q in Abhängigkeit vom Ansteuerstrom des Volumenstromregelventils bzw. dem Tastverhältnis des Stroms zeigt.
  • Das in 1 schematisch dargestellte hydraulische System einer Common-Rail-Einspritzanlage weist ein mit einem Kraftstofftank 1 verbundenes Volumenstromregelventil (VCV) auf, das üblicherweise im Niederdruckbereich der Anlage angeordnet ist und geregelten Kraftstoff zu einer nicht dargestellten Hochdruckpumpe liefert. Das VCV kann auch Bestandteil der Niederdruckseite der Hochdruckpumpe sein. Die mit Q bezeichnete Kraftstoffmenge bzw. Kraftstoff-Volumenstrom stellt die Fördermenge am Ausgang der Hochdruckpumpe dar. Die Hochdruck pumpe liefert Kraftstoff an einen Common Rail bezeichneten Druckspeicher 3.
  • Der Druckspeicher 3 ist mit Injektoren 5 verbunden, von denen zwei dargestellt sind und die Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine einspritzen. Aus dem Druckspeicher 3 mit dem Volumen V wird an die Injektoren eine Kraftstoffmenge geliefert, die sich aus dem Volumenstrom QINJ, der der einzuspritzenden Kraftstoffmenge entspricht, und der Leckagemenge QLEAK zusammensetzt. QLEAK umfasst die Dauerleckage QCN und die Schaltleckage QSL. Diese Leckagemengen fließen, wie dargestellt, wieder in den Kraftstofftank 1 zurück. In der 1 ist noch ein Druckregelventil 4 eingezeichnet, das an der Hochdruckpumpe oder am Druckspeicher 3 angeordnet sein kann und das den Druck im Druckspeicher 3, abhängig vom Lastzustand des Motors einstellt. Dabei ist der Volumenstrom über das Druckventil 4 mit QPCV bezeichnet. Der rückfließende Kraftstoff vom Druckregelventil 4 gelangt gleichfalls in den Kraftstofftank 1. Im Falle, dass kein Druckregelventil vorgesehen ist, fällt der dargestellte Zweig weg.
  • An bzw. in dem Druckspeicher 3 ist ein Drucksensor 6 vorgesehen, der mit einer Motorsteuer- und Regeleinheit (nicht dargestellt) verbunden ist. Die Motorsteuer-/Regeleinheit (Steuergerät) steuert die Injektoren 5 und das Volumenstromregelventil 2 und gegebenenfalls das Druckregelventil 4 an, wobei die weiteren für die Steuerung/Regelung der Einspritzung notwendigen Parameter von entsprechenden Sensoren geliefert werden. Zusätzlich ist auch ein nicht dargestellter Temperatursensor vorhanden, der die Temperatur des Kraftstoffs am bzw. im Druckspeicher 3 erfasst.
  • Das Volumenstromregelventil wird von einem Pulsweiten modulierten, in der Amplitude konstanten Strom angesteuert, wodurch der Kraftstoff-Zufluss in das Common Rail 3 bestimmt wird. In 2 ist der Kraftstoff-Volumenstrom Q in Abhängigkeit vom Ansteuerstrom des Volumenstromregelventils dargestellt, wobei der Ansteuerstrom der effektive, durch das Tastverhältnis bestimmte Strom ist. Daher kann die Kennlinie auch als Volumenstrom in Abhängigkeit vom Tastverhältnis angesehen werden.
  • Wenn die in 2 dargestellte Q-I-Kennlinie des VCVs bzw. der Hochdruckpumpe nicht genügend genau bekannt ist, muss sie beispielsweise auf folgende Weise ermittelt werden, wobei davon ausgegangen wird, dass der gesamte Systemverbrauch, nämlich der durch Einspritzungen, Leckagen und gegebenenfalls Druckregelventil-Volumenstrom in verschiedenen Betriebszuständen des Motors hinreichend genau bekannt ist. Zuerst wird der Motor in einen stationären Zustand, d. h. einen Zustand mit konstantem Verbrauch gebracht und das Tastverhältnis des Ansteuerstroms des VCVs wird manuell oder mit Hilfe eines entsprechenden Regelalgorithmus so justiert, dass sich ein konstanter Systemdruck einstellt. Mit dem bekannten Systemverbrauch und dem eingestellten Tastverhältnis des Ansteuerstroms ist ein Wertepaar Q, I gefunden. Durch Einstellengenügend vieler solcher Zustände, kann die gesamte Kennlinie, abhängig von allen Einflussgrößen, ermittelt werden.
  • Sobald die Kennlinie entsprechend 2 bekannt ist, kann die eigentliche Bestimmung des effektiven Kompressibilitätsmoduls (E-Moduls) auf folgende Weise durchgeführt werden. Der Motor wird wiederum in einen stationären Zustand mit einem definierten und bekannten Verbrauch Q0 gebracht, das zugehörige, aus der Kennlinie gemäß 2 bekannte Tastverhältnis des Ansteuerstroms des Volumenstromregelventils wird fest eingestellt und im System wird sich ein konstanter Druck einstellen, der mit dem Drucksensor 6 gemessen wird. Anschließend wird das Tastverhältnis des Ansteuerstroms um eine vorgegebene Menge erhöht oder erniedrigt. Dies führt zur Vergrößerung oder Verkleinerung des geförderten Volumenstroms um ΔQ. Der veränderte Zufluss in das Rail hat nun wiederum zur Folge, dass der vormals konstante Systemdruck anzusteigen bzw. abzusinken beginnt. Der entstehende Druckgradient dP/dt wird mit dem Drucksensor 6 direkt gemessen. Aus der Gleichung dP/dt = E/V·ΔQverbleibt somit der Kompressibilitätsmodul als einzige Unbekannte und kann somit aus der Gleichung leicht ermittelt werden.
  • In der Regel ist der E-Modul nicht nur abhängig vom Druck, sondern auch von der Temperatur. Zusätzlich ist daher ein Temperatursensor vorgesehen und das oben beschriebene Verfahren wird bei verschiedenen Drücken und Temperaturen wiederholt, wobei unterschiedliche stationäre Zustände des Motors eingestellt werden. Der E-Modul kann somit in einem Kennlinienfeld in Abhängigkeit von den Variablen Druck und Temperatur zusammengefasst und einem Steuergerät gespeichert werden.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Bestimmen des effektiven Kompressibilitätsmoduls eines Einspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems, das ein hydraulisches System mit einem Hochdruckbereich, der mehrere Injektoren zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine versorgt, und mit einem Volumenstromregelventil zum Einstellen des dem Hochdruckbereich über eine Hochdruckpumpe zugeführten Kraftstoffstroms sowie einen Drucksensor umfasst, der den Druck im Hochdruckbereich misst, dadurch gekennzeichnet, dass bei vorgegebener Beziehung zwischen dem Tastverhältnis des Ansteuerstroms des Volumenstromregelventils und dem gelieferten Kraftstoffvolumenstrom die Brennkraftmaschine in einen Zustand mit einem definierten Kraftstoff-Volumenstrom gebracht wird, das zugehörige bekannte Tastverhältnis des Ansteuerstroms eingestellt wird und der dann sich einstellende Druck des Hochdruckbereichs gemessen wird, dass das Tastverhältnis und somit der Kraftstoff-Volumenstrom geändert wird und die Druckänderung gemessen wird und dass aus der Gleichung dP/dt = E·V·ΔQder Kompressibilitätsmodul bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kraftstoffs gemessen wird und dass der Kompressibilitätsmodul bei verschiedenen Drücken und Temperaturen bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressibilitätsmodul in Form eines Kennlinienfeldes gespeichert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der vorgegebenen Beziehung zwischen dem Tastverhältnis des Ansteuerstroms des Volumenstromregelventils und seinem gelieferten Kraftstoffvolumenstrom a) die Brennkraftmaschine in einen stationären Zustand mit konstantem Verbrauch gebracht wird, b) das Tastverhältnis des Volumenstromregelventils so justiert wird, dass sich ein konstanter Druck im Hochdruckbereich einstellt, wodurch ein erstes Wertepaar Tastverhältnis/Q erstellt wird und die Schritte a) und b) wiederholt werden.
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