-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines Druckwertes in dem Druckspeicher einer Kraftstoffversorgungsanlage mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
-
Aus der
DE 10 2008 043 127 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffversorgungssystems einer Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff von einer elektrischen Kraftstoffpumpe in eine Kraftstoffleitung gefördert wird, wobei der in der Kraftstoffleitung herrschende Druck und/oder die Fördermenge der elektrischen Kraftstoffpumpe auf den Soll-Wert gesteuert und/oder geregelt wird, bekannt.
-
Bei Verwendung einer Steuerung wird der in der Kraftstoffleitung und/oder eines Kraftstoffrails herrschende Druck durch eine dynamische Vorsteuerung in Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs der einzuspritzenden Kraftstoffmenge durch Ansteuerung der elektrischen Kraftstoffpumpe vorgesteuert.
-
Zur Einstellung eines bestimmten Druckwertes in dem Druckspeicher der Kraftstoffversorgungsanlage einer Verbrennungskraftmaschine ist es aus der
DE 197 31 994 A1 vorbekannt, eine Steuerung vorzusehen. Zur Verringerung der Auswirkungen von Störungen auf die zu Grunde liegende Strecke und somit auf die Einstellung des Druckwertes ist weiterhin eine Regelung vorgesehen, welche die Steuerung korrigiert. Betrachtet man das Führungs- und Störverhalten dieser Struktur, wird deutlich, dass infolge der Kopplung von Steuerung und Regelung entweder ein bestimmtes Führungsverhalten oder ein bestimmtes Störverhalten vorgegeben werden kann. Mit anderen Worten ist das Führungsverhalten der gegebenen Struktur von dem Regler abhängig, so dass der Regler nicht allein auf das Störverhalten getrimmt werden kann, was insgesamt zu einer Verschlechterung der Regelqualität sowohl hinsichtlich des Führungs- als auch des Störverhaltens führt.
-
Aufgabe
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, die Regelqualität bei der Einstellung eines bestimmten Druckwertes in dem Druckspeicher der Kraftstoffversorgungsanlage einer Verbrennungskraftmaschine zu verbessern.
-
Lösung
-
Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
-
Erfindungsgemäß wird zur Einstellung eines Druckwertes in dem Druckspeicher der Kraftstoffversorgungsanlage einer Verbrennungskraftmaschine ein Soll-Druckwert vorgegeben, ein gefilterter Soll-Druckwert sowie eine Ableitung des gefilterten Soll-Druckwertes gebildet und auf Grundlage eines inversen Streckenmodells des Druckspeichers und auf Grundlage des gefilterten Soll-Druckwertes sowie der Ableitung des gefilterten Soll-Druckwertes ein Stellwert gebildet und der Druckwert in dem Druckspeicher auf Grundlage des Stellwertes eingestellt. Dabei ist es zunächst von Vorteil, dass ein gefilterter Soll-Druckwert und die Ableitung des gefilterten Soll-Druckwertes in ein inverses Streckenmodell des Druckspeichers zur Bildung eines Stellwertes einfließen, da auf diese Weise ein realisierbares Führungsverhalten dieser Steuerung vorgegeben werden kann. Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Steuerung mit einem Regler zu kombinieren, so dass Unsicherheiten, die sich aus dem Streckenmodell des Druckspeichers ergeben und unbekannte Störungen ausgeregelt werden können. Insbesondere wird erfindungsgemäß eine Regeldifferenz auf Grundlage des gefilterten Soll-Druckwertes und einem Ist-Druckwert in dem Druckspeicher gebildet. Da der Bildung der Regeldifferenz der gefilterte Soll-Druckwert zu Grunde liegt, werden erfindungsgemäß vorteilhaft die Steuerung und die Regelung voneinander entkoppelt, so dass das Führungsverhalten durch die Steuerung unabhängig von dem Regler vorgegeben werden kann und der Regler allein auf Robustheit und Störausgleich getrimmt werden kann. Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Gesamtstellwert auf Grundlage des Stellwertes, der sich aus der Steuerung ergibt und eines Stellwertes, der sich aus der Regelung ergibt, gebildet. Die Bildung des gefilterten Soll-Druckwertes und der Ableitung des gefilterten Soll-Druckwertes erfolgt bevorzugt durch die Hintereinanderschaltung mehrerer Verzögerungsglieder erster Ordnung. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung erfolgt die Bildung des gefilterten Soll-Druckwertes und die Bildung der Ableitung des gefilterten Soll-Druckwertes mittels eines Referenzmodells, wobei das Referenzmodell neben einer Steuerung und einer Regelung Bestandteil einer Funktionsstruktur zur Einstellung eines Druckwertes in dem Druckspeicher der Kraftstoffversorgungsanlage einer Verbrennungskraftmaschine ist.
-
Ausführungsbeispiel
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel sowie den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
-
Hierbei zeigen:
- 1: eine Funktionsstruktur,
- 2: das Referenzmodell im Detail,
- 3: die Steuerung im Detail,
- 4: die Regelung im Detail.
-
Wie allgemein bekannt, verfügt eine nicht weiter dargestellte Verbrennungskraftmaschine (VKM), beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeuges, über ein Kraftstoffversorgungssystem (KV). Insbesondere verfügen Verbrennungskraftmaschinen (VKM), bei denen der Kraftstoff direkt den Brennräumen zugeführt wird, über Kraftstoffversorgungssysteme (KV) mit einem Druckspeicher (CR). Der Druckspeicher (CR) steht zu diesem Zweck über geeignete Ventile mit den Brennräumen in Verbindung. Der Druckspeicher (CR) wird von einer Hochdruckpumpe (HPmp) mit Diesel- oder Ottokraftstoff versorgt, das heißt, der über die Ventile in die Brennräume abfließende Anteil an Kraftstoff wird durch die Hochdruckpumpe (HPmp) wieder ergänzt, so dass im Idealfall der Druck (CR_p) in dem Druckspeicher (CR) konstant bleibt beziehungsweise einem bestimmten Soll-Druckwert (CR_pRef) entspricht.
-
In 1 ist eine Funktionsstruktur dargestellt, welche die für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlichen funktionellen Verknüpfungen aufweist. Diese Funktionsstruktur ist bevorzugt Bestandteil einer Vorrichtung zur Steuerung und Regelung einer Verbrennungskraftmaschine (VKM), die mindestens einen Microcontroller und Mittel zur dauerhaften und flüchtigen Speicherung von Daten umfasst, wobei die Funktionsstruktur bevorzugt als Programmcode in einem Mittel zur dauerhaften Speicherung von Daten abgelegt ist und funktionelle Verknüpfungen zu weiteren Funktionen zur Steuerung und Regelung der Verbrennungskraftmaschine (VKM) aufweist, insbesondere zu Sensoren und Aktoren. Gemäß 1 gliedert sich die Funktion zur Einstellung des Druckes (CR_p) in dem Druckspeicher (CR) in drei Subsysteme, nämlich ein Referenzmodell (1), eine Steuerung (2) und eine Regelung (3). Mittels des Referenzmodells (1) wird ein durch die Steuerung (2) realisierbares Übertragungsverhalten vorgegeben, wobei eine möglichst gute Kompensation der Streckendynamik angestrebt wird. Hierzu wird der Soll-Druckwert (CR_pRef) durch das Referenzmodell (1) gefiltert, so dass ein gefilterter Soll-Druckwert (CR_pRefFil) gebildet wird. Weiterhin wird die entsprechende, phasenrichtige Ableitung (C_pRefFilGrd) des gefilterten Soll-Druckwertes (CR_pRefFil) mittels des Referenzmodells (1) gebildet. Dem Referenzmodell (1) werden neben dem Soll-Druckwert (CR_pRef) eine Drehzahlinformation (Ck_n) und ein Ist-Druckwert (CR_p) in dem Druckspeicher (CR) zugeführt. Ferner wird mittels des Referenzmodells (1) ein gefilterter Soll-Druckwert (CR_pRefFilCtl) gebildet, welcher der Bildung einer Regeldifferenz (CR_pDiff) zu Grunde gelegt wird. Der gefilterte Soll-Druckwert (CR_pRefFilCtl) berücksichtigt insbesondere die aus der Arbeitsweise der Hochdruckpumpe (HPmp) herrührende drehzahlabhängige Totzeit sowie die Dynamik eines gegebenenfalls unterlagerten hydraulischen Stromregelkreises eines Dreiwegeventils und/oder die Dynamik eines Sensorfilters. Realisiert wird die Berücksichtigung der drehzahlabhängigen Totzeit beispielsweise derart, dass abhängig von der Drehzahl (Ck_n) der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine (VKM) und der Anzahl der Förderhübe der mit Hubkolben versehenen Hochdruckpumpe (HPmp) eine Kette von Laufzeitgliedern ausgelesen wird. Die Berücksichtigung der Dynamik eines gegebenenfalls unterlagerten hydraulischen Stromregelkreises eines Dreiwegeventils und die Dynamik eines Sensorfilters erfolgt beispielsweise durch zwei Verzögerungsglieder erster Ordnung. Die beiden Verzögerungsglieder dienen dabei als Ersatzmodell für die Dynamik des Stromregelkreises beziehungsweise zur Nachbildung der Sensorfilterdynamik. Die zugehörigen Zeitkonstanten können als Festwerte appliziert werden. Gemäß 1 werden der Steuerung (2) neben dem gefilterten Soll-Druckwert (CR_pRefFil) und der Ableitung des gefilterten Soll-Druckwertes (C_pRefFilGrd) Informationen über die Temperatur (CR_t) des Kraftstoffes in dem Druckspeicher (CR) und eine Information über einen Soll-Volumenstrom (InjVlv_volfFURef) an Kraftstoff, der über die Ventile den Brennräumen zugeführt werden soll, übergeben. Gemäß 1 wird weiterhin am Verknüpfungspunkt (4) aus dem Ist-Druckwert (CR_p) und dem gefilterten Soll-Druckwert (CR_pRefFilCtl) eine Regeldifferenz (CR_pDiff) gebildet und der Regelung (3) zugeführt. Der Regelung (3) wird weiterhin eine Information über die Temperatur (CR_t) in dem Druckspeicher (CR) und eine Information über die Drehzahl (Ck_n) der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine (VKM) zugeführt. Die Regelung (3) dient dazu, Modellunsicherheiten und unbekannte Störungen auszuregeln. Um die Wirkung der Steuerung (2) und der Regelung (3) zu entkoppeln, wird die Regeldifferenz (CR_pDiff) auf Basis des mittels des Referenzmodells (1) gefilterten Soll-Druckwertes (CR_pRefFilCtl) berechnet, wobei auf diese Weise das Führungsverhalten unabhängig von der Regelung (3) vorgegeben werden kann und die Regelung (3) allein auf Robustheit und Störausgleich getrimmt werden kann. Gemäß 1 wird mittels der Steuerung (2) ein Stellwert oder ein Stellsignal (FuHPmp_volfFuFf) und mittels der Regelung (3) ein Stellwert oder ein Stellsignal (FuHPmp_volfFuFb) gebildet, welche am Verknüpfungspunkt (5) zusammengeführt werden und gemeinsam einen Gesamtstellwert oder ein Gesamtstellsignal (FuHPmp_volfFuRef) bilden. Das Gesamtstellsignal (FuHPmp_volfFuRef) entspricht dabei bevorzugt einem Soll-Volumenstrom an Kraftstoff durch die Hochdruckpumpe (HPmp).
-
2 zeigt das Referenzmodell (1) im Detail. Das Referenzmodell (1) nimmt zunächst eine Filterung des Soll-Druckwertes (CR_pRef) vor. Das erfolgt durch zwei hintereinander geschaltete Verzögerungsglieder erster Ordnung (6, 7), deren Zeitkonstanten (CR_tiTauRefMdl1_T, CR_tiTauRefMdl2_T) abhängig von der Drehzahl (Ck_n) sind. Die Verzögerungsglieder (6, 7) liefern den von der Steuerung (2) verwendeten gefilterten Soll-Druckwert (CR_pRefFil) und die Ableitung des gefilterten Soll-Druckwertes (C_pRefFilGrd).
-
3 zeigt die Steuerung (
2) im Detail. Grundlage der Steuerung (
2) bildet der Ansatz, dass sich die Druckdynamik im Druckspeicher durch eine Differentialgleichung gemäß Gleichung (8) beschreiben läßt.
-
Dabei ist p der Druck im Druckspeicher (CR), p die Ableitung des Druckes im Druckspeicher (CR), E der Kompressionsmodul des Kraftstoffes, V das Volumen des Druckspeichers (CR), qhdp der Volumenstrom durch die Hochdruckpumpe (HPmp), qev der Volumenstrom durch die Einspritzventile und T die Temperatur des Kraftstoffes im Druckspeicher (CR).
-
Demgemäß kann eine Steuerung und Störgrößenaufschaltung gemäß Gleichung (9) beschrieben werden.
-
Dabei entspricht psoll dem durch das Referenzmodell (1) gefilterten Soll-Druckwert (CR_pRefFil). Bezüglich 3 erfolgt nun eine funktionale Verknüpfung der Größen gemäß Gleichung (9). Insbesondere wird ein Quotient aus dem Volumen (CR_Vol_C) des Druckspeichers (CR) und dem vom gefilterten Soll-Druckwert (CR_pRefFil) und der Temperatur des Kraftstoffes (CR_t) im Druckspeicher (CR) abhängigen Kompressionsmodul des Kraftstoffes (CR_pBlkMdsFu_M) gebildet. Dieser Quotient wird mit der Ableitung des gefilterten Soll-Druckwertes (C_pRefFilGrd) multipliziert. Diesem Produkt wird die Störgröße des Soll-Volumenstroms durch die Einspritzventile (InjVlv_volfFuRef) zugeschlagen beziehungsweise hinzuaddiert, so dass der Stellwert oder das Stellsignal (FuHPmp_volfFuFf) der Steuerung (2) gebildet wird.
-
Gemäß 4 ist die Regelung (3) im Detail dargestellt. Es handelt sich dabei um einen PI-Regler, dessen Parameter (CR_facGainP_M, CR_facGainI_M) in Abhängigkeit der Drehzahl (Ck_n) der Kurbelwelle und der Temperatur des Kraftstoffes (CR_t) im Druckspeicher (CR) abgelegt sind. Die Regeldifferenz (CR_pDiff) wird mit dem Parameter (CR_facGainP_M) zur Bildung des Regelanteils (FuHPmp_volfFUPCtI) multipliziert. Die Regeldifferenz (CR_pDiff) wird weiterhin mit dem Parameter (CR_facGainI_M) multipliziert und dieses Produkt wird zur Bildung des Regelanteils (FuHPmp_volfFUICtl) einer Integration unterzogen. Die beiden Regelanteile werden miteinander addiert, so dass der Stellwert oder das Stellsignal (FuHPmp_volfFuFb) der Regelung (3) gebildet wird. Der I-Anteil kann auf bestimmte Festwerte begrenzt werden, mit einem Festwert initialisiert und angehalten werden, wenn das Stellsignal (FuHPmp_volfFuFb) begrenzt wird (Anti-Wind-Up).
-
Betrachtet man nun im Rahmen einer Simulation einen Sollwertsprung von einem Druck (CR_p) in dem Druckspeicher (CR) hin zu einem bestimmten Soll-Druckwert (CR_pRef) wird deutlich, dass das Stellsignal (FuHPmp_volfFuFf) der Steuerung (2) im Vergleich zu dem Stellsignal (FuHPmp_volfFuFb) der Regelung (3) einen größeren Beitrag am Gesamtstellsignal (FuHPmp_volfFuRef) bildet, beziehungsweise den größeren Beitrag an der Einstellung eines Soll-Volumenstroms an Kraftstoff durch die Hochdruckpumpe (HPmp) leistet. Mit anderen Worten wird das Führungsverhalten hauptsächlich durch die Steuerung (2) beeinflusst.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Referenzmodell
- 2
- Steuerung
- 3
- Regelung
- 4
- Verknüpfungspunkt
- 5
- Verknüpfungspunkt
- 6
- Verzögerungsglied
- 7
- Verzögerungsglied
- Ck_n
- Drehzahl
- CR
- Druckspeicher
- CR_facGainP_M
- Parameter
- CR_facGainI_M
- Parameter
- CR_p
- Druck in dem Druckspeicher
- CR_pBlkMdsFu_M
- Kompressionsmodul des Kraftstoffes
- CR_pDiff
- Regeldifferenz
- CR_pRef
- Soll-Druckwert
- CR_pRefFil
- gefilterter Soll-Druckwert
- CR_pRefFilCtl
- gefilterter Soll-Druckwert zur Bildung einer Regeldifferenz
- C_pRefFilGrd
- Ableitung des gefilterten Soll-Druckwertes
- CR_t
- Temperatur des Kraftstoffes in dem Druckspeicher
- CR_tiTauRefMdl1_T
- Zeitkonstante
- CR_tiTauRefMdl2_T
- Zeitkonstante
- CR_Vol_C
- Volumen des Druckspeichers
- FuHPmp_volfFuFb
- Stellwert oder Stellsignal der Regelung
- FuHPmp_volfFuFf
- Stellwert oder Stellsignal der Steuerung
- FuHPmp_volfFuRef
- Gesamtstellwert oder Gesamtstellsignal, Soll-Volumenstrom an Kraftstoff durch die Hochdruckpumpe
- FuHPmp_volfFUICtl
- Regelanteil
- FuHPmp_volfFUPCtl
- Regelanteil
- HPmp
- Hochdruckpumpe
- InjVlv_volfFURef
- Soll-Volumenstrom an Kraftstoff
- VKM
- Verbrennungskraftmaschine
- KV
- Kraftstoffversorgungssystem
- p
- Druck im Druckspeicher
- p
- Ableitung des Druckes im Druckspeicher
- E
- Kompressionsmodul des Kraftstoffes
- V
- Volumen des Druckspeichers
- qhdp
- Volumenstrom durch die Hochdruckpumpe
- qev
- Volumenstrom durch die Einspritzventile
- T
- Temperatur des Kraftstoffes im Druckspeicher
- pSoll
- gefilterter Soll-Druckwert