DE102008043130A1

DE102008043130A1 - Verfahren, Computerprogramm, Steuer- und Regelgerät zum Betreiben eines Kraftstoffversorgungssystems einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008043130A1
Application number: DE200810043130
Authority: DE
Inventors: Erik Hahmann; Marko Lorenz; Matthias Bitzer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2010-04-29

Abstract

Es wird ein Kraftstoffversorgungssystem für Brennkraftmaschinen vorgeschlagen, bei dem der in einer Kraftstoffleitung (16) herrschende Druck (pist) mit Hilfe eines modellbasierten Schätzalgorithmus, insbesondere einem Zustandsbeobachter (42, 44, 46) oder einem Kalman-Filter, ermittelt wird. Dadurch kann auf einen Drucksensor verzichtet werden.

Description

Stand der Technik
Aus der DE 101 58 950 C2 ist ein Kraftstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der der Kraftstoffdruck auf der Förderseite einer elektrischen Kraftstoffpumpe durch einen Sensor ermittelt wird. In Abhängigkeit der Ausgangssignale des Drucksensors wird die Förderleistung der elektrischen Kraftstoffpumpe geregelt.
Nachteilig an diesen Kraftstoffversorgungssystemen ist die Notwendigkeit, einen Drucksensor an der Förderseite der Kraftstoffpumpe vorzusehen. Dieser Drucksensor muss in das Kraftstoffversorgungssystem mechanisch integriert und über Signalleitungen mit einem Steuergerät verbunden werden. Dies alles verursacht Kosten, Montageaufwand und stellt eine potentielle Fehlerquelle dar.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes, kostengünstiges und zuverlässiges Kraftstoffversorgungssystem bereitzustellen, ohne nachteilige Auswirkungen auf dessen Betriebsverhalten.
Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffversorgungssystems einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass der in der Kraftstoffleitung herrschende Druck p_Kraftsoff mit Hilfe eines modellbasierten Schätzalgorithmus', insbesondere einem Zustandsbeobachter oder einem Kalman-Filter, ermittelt wird, kann ein Drucksensor in der Kraftstoffleitung entfallen, ohne dass die Regelgüte der Druckregelung abnimmt. Durch den Entfall des Drucksensors werden Kosten, Verkabelungsaufwand und potentielle Fehlerquellen vermieden, was sich in erhöhter Kundenzufriedenheit bei gleichzeitig verringerten Kosten widerspiegelt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der in der Kraftstoffleitung herrschende Druck in Abhängigkeit der Stromaufnahme und/oder der Leistungsaufnahme und/oder der Drehzahl der elektrischen Kraftstoffpumpe ermittelt wird.
Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn der Schätzalgorithmus einen Simulatorteil und einen Korrekturterm umfasst. Der Simulatorteil beinhaltet ein dynamisches physikalisches Modell des Kraftstoffversorgungssystem und wird als messdatengetriebener Online-Simulator verwendet. Zur Kompensation von Modellunsicherheiten und Modellungenauigkeiten wird diesem ein Korrekturterm in Analogie zu der Rückführung einer Regelung aufgeschaltet, um die durch den Simulator geschätzten Größen so zu korrigieren, dass sie gegen die entsprechenden physikalischen Werte konvergieren. Durch diese Auftrennung des Schätzalgorithmus' ist es möglich, die Simulation der in dem Kraftstoffversorgungssystem ablaufenden physikalischen Vorgänge einfacher zu gestalten, da die aufgrund der Vereinfachungen auftretenden Fehler durch den Korrekturterm umgehend wieder kompensiert werden.
Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit einer elektronisch kommutierten Kraftstoffpumpe, da bei dieser Bauart, die für den erfindungsgemäßen Beobachter erforderlichen Eingangssignale, wie zum Beispiel Drehzahl (n) und elektrischer Strom (I), ohnehin bereits vorhanden sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiter verbessert werden, wenn der Beobachter beziehungsweise Filter mit einer Parameterschätzung kombiniert wird, um die Parameter der in den Algorithmen enthaltenen Modelle in Abhängigkeit des aktuellen Arbeitspunkts und Betriebszustands online zu adaptieren und damit die jeweilige Genauigkeit zu verbessern.
Mit den weiteren Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beansprucht, deren Vorteile sich aus der Beschreibung der Ausführungsbeispiele ergeben. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Zeichnung
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschine,
2 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens mit Drucksensor,
3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Beobachter und
4, 5 Blockschaltbilder des Beobachters.
In 1 ist eine Brennkraftmaschine 10 stark vereinfacht dargestellt. Das Kraftstoffversorgungssystem der Brennkraftmaschine 10 umfasst einen Kraftstofftank 12, eine elektrische Kraftstoffpumpe 14, eine Kraftstoffleitung 16 und Einspritzventile 20.
Die elektrische Kraftstoffpumpe 14 stellt einen Druck p_Kraftstoff in der Kraftstoffleitung 16 bereit und fördert über die Kraftstoffleitung 16 Kraftstoff zu den Einspritzventilen 20. Die Einspritzventile 20 spritzen Kraftstoff in ein Saugrohr 22 der Brennkraftmaschine 10 ein. Die in dem Saugrohr 22 angedeutete Drosselklappe ist ohne Bezugszeichen dargestellt.
Bei der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 10 handelt es sich um eine nach dem Otto-Verfahren arbeitende Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung. Der von der elektrischen Kraftstoffpumpe 14 bereitgestellte Kraftstoff und der zugehörige Druck p_Kraftstoff in der Kraftstoffleitung 16 entsprechen bei diesem Ausführungsbeispiel dem Einspritzdruck der Einspritzventile 20.
Wenn es sich um eine Brennkraftmaschine 10 mit Benzindirekteinspritzung handelt, ist zwischen der elektrischen Kraftstoffpumpe 14 und den Einspritzventilen noch eine Hochdruckpumpe vorhanden. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft dann die Regelung des Drucks in der Kraftstoffleitung 16 auf der Saugseite der nicht dargestellten Hochdruckpumpe beziehungsweise der Förderseite der elektrischen Kraftstoffpumpe 14.
Entsprechendes gilt für Brennkraftmaschinen, die nach dem Dieselverfahren arbeiten, die ebenfalls Vorförderpumpe und eine Hochdruckpumpe aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ebenfalls anwendbar in Kraftstoffversorgungssystemen mit alternativen Kraftstoffen, wie zum Beispiel Ethanol, verflüssigtem Erdgas (CNG) und anderen Kraftstoffen oder Kraftstoffgemischen.
Ein Steuer- und Regelgerät 18 der Brennkraftmaschine 10 ist über Signalleitungen (ohne Bezugszeichen) mit den Einspritzventilen 20 verbunden und steuert diese so an, dass eine dem Drehmomentwunsch des Fahrers entsprechende Kraftstoffmenge q_POI eingespritzt wird. Die elektrische Kraftstoffpumpe 14 ist ebenfalls über elektrische Leitungen (ohne Bezugszeichen) mit dem Steuer- und Regelgerät 18 verbunden. Über diese Leitungen erhält das Steuer- und Regelgerät 18 Informationen über die Stromaufnahme beziehungsweise die Leistungsaufnahme der elektrischen Kraftstoffpumpe 14 und die Drehzahl n_Ist der elektrischen Kraftstoffpumpe 14. Andererseits erfolgt über diese Leitungen auch die erfindungsgemäße Ansteuerung der elektrischen Kraftstoffpumpe 14.
Bei dem in 2 dargestellten Blockschaltbild ist ein Drucksensor in der Kraftstoffleitung 16 vorhanden, dessen Ausgangssignal p_Ist in einer Additionsstelle mit dem Sollwert p_Soll zusammengeführt und dem Regler 40 als Eingangsgröße zugeführt wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 3 ist keine Rückführung des von einem Drucksensor gemessenen Drucks p_Ist vorhanden, sondern es wird ein erfindungsgemäßer Beobachter 42 eingesetzt, der aus der Ansteuerung der elektrischen Kraftstoffpumpe 14, insbesondere der Ansteuerung u beziehungsweise des Stroms I, und der Drehzahl n der Kraftstoffpumpe 14 einen Druck p_Ist schätzt. Dadurch ist es möglich, auf einen Drucksensor in der Kraftstoffleitung 16 zu verzichten. In Folge dessen verringern sich die Hardware-Kosten und die Montagekosten des erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems 38.
In 5 ist der Beobachter 42 etwas detaillierter dargestellt. Dabei wird deutlich, dass der Beobachter 42 einen Simulatorteil 44 und einen Korrekturterm 46 umfasst. Der Beobachter 42 wird in zwei Schritten entworfen. Zunächst wird ein physikalisch/dynamisches Modell Σ ^ des Kraftstoffversorgungssystems erstellt. Dieses Modell Σ ^ bildet den Simulatorteil 44 des Beobachters 42. Das Modell bzw. der Simulatorteil 44 muss einerseits genau genug die Physik wiedergeben, ist aber im Hinblick auf die Umsetzung im Steuergerät 18 und die damit verbundene Rechenzeit so einfach wie möglich auszuführen. Anschließend wird ein Korrekturterm oder Regler 46 gebildet.
Für die erfindungsgemäße Anwendung hat sich für den Entwurf des Beobachters 42, umfassend den Simulatorteil 44 und den Korrekturterm 46, ein sogenannter ”Erweiterter Luenberger Beobachter”-Ansatz als geeignet erwiesen.
Der allgemeine Algorithmus sowohl eines Zustandsbeobachters als auch des Kalman-Filters sind prinzipiell aus der Literatur bekannt (siehe zum Bespiel: Zeitz, M., The extendend Luenberger observer for nonlinear systems, Systems & Control Letters 9, pp. 149–156, 1987). Auch sind der allgemeine Algorithmus des Zustandsbeobachters und des Kalman Filters aus der Literatur bekannt, siehe obige Literaturangaben. Eine alternative Variante zur Herleitung eines geeigneten Schätzalgorithmus für den Kraftstoffdruck p_Ist ist z. B. der ”Erweiterte Kalman Filter”. Für eine detaillierte Darstellung siehe zum Beispiel Föllinger, O., Regelungstechnik – Einführung in die Methoden und ihre Anwendung, Hüthig-Verlag, 1994; Grewal, M. S. und Andrews, A. P., Kalman Filtering: Theory and Practice, Wiley-Verlag, 2001.
Wesentlichen Einfluss auf die Qualität der Zustandsschätzung sowie den Entwurf des Zustandsbeobachters des erfindungsgemäßen Verfahrens hat die Modellierung des Kraftstoffversorgungssystems. Nachfolgend wird exemplarisch ein einfaches Modell dargestellt, wobei die elektrischen Kraftstoffpumpen durch einen elektrischen Synchronmotor angetrieben wird. Alternativ sind auch andere Motortypen, wie beispielsweise ein Gleichstrommotor, denkbar. Modell für Elektrokraftstoffpumpe
Das exemplarisch angegebene nichtlineare Modell des Kraftstoffversorgungssystems lässt sich mit dem Zustandsvektor x = (i_d, I_q, ω, p)^T und dem Vektor der Eingangssignale u = (U_d, U_q, Q_mot)^T in folgender prinzipieller Struktur zusammenfassen:
Σ: x . = f(x, u), t > 0, x(0) = x₀
y = h(x), t ≥ 0
Dabei beschreibt der Vektor f() die rechten Seiten der oben angegebenen Differentialgleichungen des Modells des Kraftstoffversorgungssystems und die Variable y die Ausgangsgrößen beziehungsweise Messgrößen.
Das Messmodell h der Sensorik ist durch h(x) beschrieben. Im vorliegenden Fall werden die Drehzahl und/oder der Strom der Elektrokraftstoffpumpe 14 gemessen. Alternativ zu dem angegebenen Modell sind ebenfalls andere Modellvarianten der Hydraulik und/oder des Elektromotors durch das erfindungsgemäße Verfahren abgedeckt. Dies betrifft auch Beobachter/Filter, die auf Basis von vereinfachten Modellen, die die elektrischen Modellgleichungen für die Ströme vernachlässigen und die lediglich den mechanischen Anteil des Elektromotors sowie des Kraftstoffversorgungssystems modellmäßig erfassen. Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Verfahren Beobachter und/oder Filter, die mit Hilfe von Modellen, die durch einen Störgrößenansatz der Form dz/dt = 0 erweitert wurden, entworfen worden sind. Dabei stellt die Variable z eine unbekannte Störgröße, wie zum Beispiel eine Abweichung der eingespritzten Kraftstoffmenge von der Soll-Einspritzmenge, dar (vgl. 2 und 3).
Entsprechend dem oben beschriebenen Vorgehen erhält man dann den Beobachter 42 zur Schätzung des Drucks in folgender Form Σ ^: x ^ = f(x ^, u) + G(t)(y – ŷ), t > 0, x ^(0) = x0 ŷ = h(x ^) t ≥ 0
Das Modell wird als Kopie im Beobachter verwendet dem ein Korrekturterm G(t)·(y – ŷ) aufgeschaltet wird. Der Korrekturterm besteht aus einem Soll-Ist-Vergleich zwischen Messung y und Schätzung ŷ. Die Differenz dieser beiden Signale wird mit der Verstärkung G(t) multipliziert. Der Entwurf der Verstärkung G(t) erfolgt mit dem obigen genannten Verfahren. Die angegebenen Alternativen sind äquivalente Verfahren, die auf gleiche bzw. sehr ähnliche Strukturen des in der Erfindung beschriebenen Algorithmus führen.
In 5 ist das Gesagte in Form eines Blockdiagramms dargestellt.
Grundsätzlich wird mit dem Zeichen Π das physikalische Kraftstoffsystem,
mit dem Zeichen Σ ^ der Zustandsschätzer 42 und
mit dem Zeichen Π^–1 das inverse Modell des physikalischen Kraftstoffsystems bezeichnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10158950 C2 [0001]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Zeitz, M., The extendend Luenberger observer for nonlinear systems, Systems & Control Letters 9, pp. 149–156, 1987 [0027]
- Föllinger, O., Regelungstechnik – Einführung in die Methoden und ihre Anwendung, Hüthig-Verlag, 1994 [0027]
- Grewal, M. S. und Andrews, A. P., Kalman Filtering: Theory and Practice, Wiley-Verlag, 2001 [0027]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffversorgungssystems einer Brennkraftmaschine (10), bei dem Kraftstoff von einer elektrischen Kraftstoffpumpe (14) in eine Kraftstoffleitung (16) gefördert wird, wobei der in der Kraftstoffleitung (16) herrschende Druck (p_Kraftstoff) und/oder die Fördermenge der elektrischen Kraftstoffpumpe (14) auf einen Soll-Wert (p_Soll) gesteuert und/oder geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Kraftstoffleitung (16) herrschende Druck (p_Ist) mit Hilfe eines modellbasierten Schätzalgorithmus, insbesondere einem Zustandsbeobachter (42, 44, 46) oder einem Kalman-Filter, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schätzalgorithmus einen Simulatorteil (44) und einen Korrekturterm (46) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustands-Beobachter (42, 44, 46) als ”erweiterter Luenberger-Beobachter” ausgeführt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsbeobachter (42) auf einem Modell (Σ ^) des Kraftstoffversorgungssystems basiert, und dass das Modell (Σ ^) durch Differentialgleichungen eines Zustandsvektors (x) sowie ein Messmodell (ŷ) der Sensorik mit einem Messsignal (y) beschrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsbeobachter (42, 44, 46) in folgender Form eingesetzt wird:
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell (Σ ^, 44) des Kraftstoffversorgungssystems in dem Zustandsbeobachter (42) verwendet wird, und dass dem Modell (44) ein Korrekturterm (46) aufgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturterm (46) einen Soll-Ist-Vergleich zwischen Messung (y) und Schätzung (ŷ) sowie einen Verstärkungsfaktor (G) in der Form (G(t)(y – ŷ)) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus Signalen der elektrischen Kraftstoffpumpe (14), insbesondere der Drehzahl (n) und/oder der Stromaufnahme (I), oder der Leistungsaufnahme, ein Ersatzsignal für den in der Kraftstoffleitung (16) herrschenden Druck (p_Kraftstoff) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal eines auf der Druckseite eines Kraftstoffhochdruckpumpe angeordneten Drucksensors bei der Ermittlung des Ersatzsignals für den in der Kraftstoffleitung (16) herrschende Druck (p_Kraftstoff) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb der elektrischen Kraftstoffpumpe (14) als elektronisch kommutierter Elektromotor ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Parameterschätzung vorgesehen ist, und dass die Parameterschätzung die Parameter der in den Algorithmen enthaltenen Modelle in Abhängigkeit des aktuellen Arbeitspunkts und Betriebszustands online adaptiert.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet ist, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird.
Steuer- und/oder Regelgerät (34) zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Speicher umfasst, auf dem ein Computerprogramm nach Anspruch 12 abgespeichert ist.
Nach dem Diesel-Verfahren, dem Otto-Verfahren und/oder einem alternativen Verfahren, wie beispielsweise dem HCCI-Verfahren (HCCI = Homogeneous Charge Compression Ignition) oder dem CAI-Verfahren (CAI = Controlled Auto Ignition), arbeitende Brennkraftmaschine (10), mit Einspritzvorrichtungen (20), welche den Kraftstoff direkt oder indirekt in die Brennräume einspritzen, und mit einem Kraftstoffversorgungssystem umfassend mindestens eine elektrische Kraftstoffpumpe (14), dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Steuer- und/oder Regelgerät (18) nach Anspruch 13 umfasst.