DE102009031527B3 - Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem der Raildruck (pCR) über eine niederdruckseitige Saugdrossel (4) als erstes Druckstellglied in einem Raildruck-Regelkreis geregelt wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Raildruck-Störgröße (VDRV) zur Beeinflussung des Raildrucks (pCR) über ein hochdruckseitiges Druckregelventil (12) als zweites Druckstellglied erzeugt wird, über welches Kraftstoff aus dem Rail (6) in einen Kraftstofftank (2) abgesteuert wird, wobei die Raildruck-Störgröße (VDRV) an Hand eines korrigierten Soll-Volumenstroms des Druckregelventils (12) berechnet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Bei einer Brennkraftmaschine mit Common-Railsystem wird die Güte der Verbrennung maßgeblich über das Druckniveau im Rail bestimmt. Zur Einhaltung der gesetzlichen Emissionsgrenzwerte wird daher der Raildruck geregelt. Typischerweise umfasst ein Raildruck-Regelkreis eine Vergleichsstelle zur Bestimmung einer Regelabweichung, einen Druckregler zum Berechnen eines Stellsignals, die Regelstrecke und ein Softwarefilter zur Berechnung des Ist-Raildrucks im Rückkopplungszweig. Berechnet wird die Regelabweichung aus einem Soll-Raildruck zum Ist-Raildruck. Die Regelstrecke umfasst das Druckstellglied, das Rail und die Injektoren zum Einspritzen des Kraftstoffs in die Brennräume der Brennkraftmaschine.
  • Aus der DE 197 31 995 A1 ist ein Common-Railsystem mit Druckregelung bekannt, bei dem der Druckregler mit unterschiedlichen Reglerparametern bestückt wird. Durch die unterschiedlichen Reglerparameter soll die Druckregelung stabiler sein. Die Reglerparameter wiederum werden in Abhängigkeit von Betriebsparametern, hier: die Motordrehzahl und die Soll-Einspritzmenge, berechnet. An Hand der Reglerparameter berechnet dann der Druckregler das Stellsignal für ein Druckregelventil, über welches der Kraftstoffabfluss aus dem Rail in den Kraftstofftank festgelegt wird. Das Druckregelventil ist folglich auf der Hochdruckseite des Common-Railsystems angeordnet. Als alternative Maßnahmen zur Druckregelung sind eine elektrische Vorförderpumpe oder eine steuerbare Hochdruckpumpe in dieser Fundstelle aufgezeigt.
  • Auch die DE 103 30 466 B3 beschreibt ein Common-Railsystem mit Druckregelung, bei dem der Druckregler über das Stellsignal jedoch auf eine Saugdrossel zugreift. Über die Saugdrossel wiederum wird der Zulaufquerschnitt zur Hochdruckpumpe festgelegt. Die Saugdrossel ist folglich auf der Niederdruckseite des Common-Railsystems angeordnet. Ergänzend kann bei diesem Common-Railsystem noch ein passives Druckbegrenzungsventil als Schutzmaßnahme vor einem zu hohen Raildruck vorgesehen sein. Über das geöffnete Druckbegrenzungsventil wird dann der Kraftstoff aus dem Rail in den Kraftstofftank abgeleitet. Ein entsprechendes Common-Railsystem mit passivem Druckbegrenzungsventil ist aus der DE 10 2006 040 441 B3 bekannt.
  • Die DE 102 61 414 A1 beschreibt ebenfalls ein Common-Railsystem mit einem passiven Druckbegrenzungsventil und einem Raildruck-Regelkreis zur Regelung des Raildrucks über die niederdruckseitige Saugdrossel. Zur Verringerung der Hysterese der Saugdrossel bei geringeren Durchflussmengen ist ein Rückkopplungszweig mit Leckageventil von der Hoch- auf die Niederdruckseite vorhanden. Bei geöffnetem Leckageventil wird also Kraftstoff von der Hochdruckseite vor die Saugdrossel gefördert, wodurch der Volumenstrom der Saugdrossel oberhalb desjenigen Bereichs gehalten wird, in welchem die Hysterese der Saugdrossel eine wesentliche Rolle spielt. Das Leckageventil öffnet, sobald der Raildruck das Leerlauf-Druckniveau übersteigt.
  • Bauartbedingt treten bei einem Common-Railsystem eine Steuer- und eine Konstantleckage auf. Die Steuerleckage ist dann wirksam, wenn der Injektor elektrisch angesteuert wird, das heißt, während der Dauer der Einspritzung. Mit abnehmender Einspritzdauer sinkt daher auch die Steuerleckage. Die Konstantleckage ist immer wirksam, das heißt, auch dann, wenn der Injektor nicht angesteuert wird. Verursacht wird diese auch durch die Bauteiltoleranzen. Da die Konstantleckage mit steigendem Raildruck zunimmt und mit fallendem Raildruck abnimmt, werden die Druckschwingungen im Rail bedämpft. Bei der Steuerleckage verhält es sich hingegen umgekehrt. Steigt der Raildruck, so wird zur Darstellung einer konstanten Einspritzmenge die Einspritzdauer verkürzt, was eine sinkende Steuerleckage zur Folge hat. Sinkt der Raildruck, so wird die Einspritzdauer entsprechend vergrößert, was eine steigende Steuerleckage zur Folge hat. Die Steuerleckage führt also dazu, dass die Druckschwingungen im Rail verstärkt werden. Die Steuer- und die Konstantleckage stellen einen Verlustvolumenstrom dar, welcher von der Hochdruckpumpe gefördert und verdichtet wird. Dieser Verlustvolumenstrom führt aber dazu, dass die Hochdruckpumpe größer als notwendig ausgelegt werden muss. Zudem wird ein Teil der Antriebsenergie der Hochdruckpumpe in Wärme umgesetzt, was wiederum die Erwärmung des Kraftstoffs und eine Wirkungsgrad-Reduktion der Brennkraftmaschine bewirkt.
  • Zur Verringerung der Konstantleckage werden in der Praxis die Bauteile miteinander vergossen. Eine Verringerung der Konstantleckage hat allerdings den Nachteil, dass sich das Stabilitätsverhalten des Common-Railsystems verschlechtert und die Druckregelung schwieriger wird. Deutlich wird dies im Schwachlastbereich, weil hier die Einspritzmenge, also das entnommene Kraftstoffvolumen, sehr gering ist. Ebenso deutlich wird dies bei einem Lastabwurf von 100% nach 0% Last, da hier die Einspritzmenge auf Null reduziert wird und sich daher der Raildruck nur langsam wieder abbaut. Dies wiederum bewirkt eine lange Ausregelzeit.
  • Ausgehend von einem Common-Railsystem mit einer Raildruckregelung über eine niederdruckseitige Saugdrossel und mit verringerter Konstantleckage, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, das Stabilitätsverhalten und die Ausregelzeit zu optimieren.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
  • Das Verfahren besteht darin, dass neben der Raildruckregelung über die niederdruckseitige Saugdrossel als erstes Druckstellglied eine Raildruck-Störgröße zur Beeinflussung des Raildrucks über ein hochdruckseitiges Druckregelventil als zweites Druckstellglied erzeugt wird. Über das hochdruckseitige Druckregelventil wird Kraftstoff aus dem Rail in einen Kraftstofftank abgesteuert. Ein wesentliches Element der Erfindung besteht also darin, dass über die Steuerung des Druckregelventils eine Konstantleckage nachgebildet wird. Berechnet wird die Raildruck-Störgröße an Hand eines korrigierten Soll-Volumenstroms des Druckregelventils, welcher wiederum aus einem statischen Soll-Volumenstrom und einem dynamischen Soll-Volumenstrom berechnet wird.
  • Berechnet wird der statische Soll-Volumenstrom in Abhängigkeit einer Soll-Einspritzmenge, alternativ einem Soll-Moment, und einer Motordrehzahl über ein Soll-Volumenstrom-Kennfeld. Das Soll-Volumenstrom-Kennfeld ist in der Form ausgeführt, dass in einem Schwachlastbereich ein Soll-Volumenstrom mit einem positiven Wert, zum Beispiel 2 Liter/Minute, und in einem Normalbetriebsbereich ein Soll-Volumenstrom von Null berechnet wird. Unter Schwachlastbereich ist im Sinne der Erfindung der Bereich kleiner Einspritzmengen und damit kleiner Motorleistung zu verstehen.
  • Der dynamische Soll-Volumenstrom des Druckregelventils wird über eine dynamische Korrektur in Abhängigkeit des Soll-Raildrucks und des Ist-Raildrucks berechnet, indem eine resultierende Regelabweichung berechnet wird und indem bei einer resultierenden Regelabweichung kleiner Null der dynamische Soll-Volumenstrom auf den Wert Null gesetzt wird. Ist die resultierende Regelabweichung hingegen größer/gleich Null, so wird der dynamische Soll-Volumenstrom auf den Wert des Produkts von resultierender Regelabweichung und einem Faktor gesetzt. Mit anderen Worten: Der dynamische Soll-Volumenstrom wird maßgeblich von der Regelabweichung des Raildrucks bestimmt. Ist diese negativ und unterschreitet einen Grenzwert, also zum Beispiel bei einem Lastabwurf, wird über den dynamischen Soll-Volumenstrom der statische Soll-Volumenstrom korrigiert. Anderenfalls erfolgt keine Veränderung des statischen Soll-Volumenstroms.
  • Da der Kraftstoff stationär nur im Schwachlastbereich und in kleiner Menge abgesteuert wird, erfolgt keine signifikante Erhöhung der Kraftstofftemperatur und auch keine signifikante Verringerung des Wirkungsgrads der Brennkraftmaschine. Die erhöhte Stabilität des Raildruck-Regelkreises im Schwachlastbereich kann daran erkannt werden, dass der Raildruck im Schubbetrieb etwa konstant bleibt und bei einem Lastabwurf der Raildruck-Spitzenwert deutlich niedriger ist. Über den dynamischen Soll-Volumenstrom wird der Druckerhöhung des Raildrucks entgegengewirkt, mit dem Vorteil, dass die Ausregelzeit des Systems nochmals verbessert werden kann.
  • In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
  • 1 ein Systemschaubild,
  • 2 einen Raildruck-Regelkreis,
  • 3 ein Blockschaltbild des Raildruck-Regelkreises mit Steuerung,
  • 4 ein Blockschaltbild der dynamischen Korrektur,
  • 5 einen Stromregelkreis,
  • 6 einen Stromregelkreis mit Vorsteuerung,
  • 7 ein Soll-Volumenstrom-Kennfeld,
  • 8 ein Zeitdiagramm und
  • 9 einen Programm-Ablaufplan.
  • Die 1 zeigt ein Systemschaubild einer elektronisch gesteuerten Brennkraftmaschine 1 mit einem Common-Railsystem. Das Common-Railsystem umfasst folgende mechanische Komponenten: eine Niederdruckpumpe 3 zur Förderung von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 2, eine veränderbare, niederdruckseitige Saugdrossel 4 zur Beeinflussung des durchströmenden Kraftstoff-Volumenstroms, eine Hochdruckpumpe 5 zur Förderung des Kraftstoffs unter Druckerhöhung, ein Rail 6 zum Speichern des Kraftstoffs und Injektoren 7 zum Einspritzen des Kraftstoffs in die Brennräume der Brennkraftmaschine 1. Optional kann das Common-Railsystem auch mit Einzelspeichern ausgeführt sein, wobei dann zum Beispiel im Injektor 7 ein Einzelspeicher 8 als zusätzliches Puffervolumen integriert ist. Als Schutz vor einem unzulässig hohen Druckniveau im Rail 6 ist ein passives Druckbegrenzungsventil 11 vorgesehen, welches im geöffneten Zustand den Kraftstoff aus dem Rail 6 absteuert. Ein elektrisch ansteuerbares Druckregelventil 12 verbindet ebenfalls das Rail 6 mit dem Kraftstofftank 2. Über die Stellung des Druckregelventils 12 wird ein Kraftstoffvolumenstrom definiert, welcher aus dem Rail 6 in den Kraftstofftank 2 abgeleitet wird. Im weiteren Text wird dieser Kraftstoffvolumenstrom als Raildruck-Störgröße VDRV bezeichnet.
  • Die Betriebsweise der Brennkraftmaschine 1 wird durch ein elektronisches Steuergerät (ECU) 10 bestimmt. Das elektronische Steuergerät 10 beinhaltet die üblichen Bestandteile eines Mikrocomputersystems, beispielsweise einen Mikroprozessor, I/O-Bausteine, Puffer und Speicherbausteine (EEPROM, RAM). In den Speicherbausteinen sind die für den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 relevanten Betriebsdaten in Kennfeldern/Kennlinien appliziert. Über diese berechnet das elektronische Steuergerät 10 aus den Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen. In der 1 sind exemplarisch folgende Eingangsgrößen dargestellt: der Raildruck pCR, der mittels eines Rail-Drucksensors 9 gemessen wird, eine Motordrehzahl nMOT, ein Signal FP zur Leistungsvorgabe durch den Betreiber und eine Eingangsgröße EIN. Unter der Eingangsgröße EIN sind die weiteren Sensorsignale zusammengefasst, beispielsweise der Ladeluftdruck eines Abgasturboladers. Bei einem Common-Railsystem mit Einzelspeichern 8 ist der Einzelspeicherdruck pE eine zusätzliche Eingangsgröße des elektronischen Steuergeräts 10.
  • In 1 sind als Ausgangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 10 ein Signal PWMSD zur Ansteuerung der Saugdrossel 4 als erstes Druckstellglied, ein Signal ve zur Ansteuerung der Injektoren 7 (Spritzbeginn/Spritzende), ein Signal PWMDV zur Ansteuerung des Druckregelventils 12 als zweites Druckstellglied und eine Ausgangsgröße AUS dargestellt. Über das Signal PWMDV wird die Stellung des Druckregelventils 12 und damit die Raildruck-Störgröße VDRV definiert. Die Ausgangsgröße AUS steht stellvertretend für die weiteren Stellsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise für ein Stellsignal zur Aktivierung eines zweiten Abgasturboladers bei einer Registeraufladung.
  • In der 2 ist ein Raildruck-Regelkreis 13 zur Regelung des Raildrucks pCR dargestellt. Die Eingangsgrößen des Raildruck-Regelkreises 13 sind: ein Soll-Raildruck pCR(SL), ein Volumenstrom der den Soll-Verbrauch VVb kennzeichnet, die Motordrehzahl nMOT, die PWM-Grundfrequenz fPWM und eine Größe E1. Unter der Größe E1 sind beispielsweise die Batteriespannung und der ohmsche Widerstand der Saugdrosselspule mit Zuleitung zusammengefasst, welche in die Berechnung des PWM-Signals mit eingehen. Die Ausgangsgrößen des Raildruck-Regelkreises 13 sind der Rohwert des Raildrucks pCR, ein Ist-Raildruck pCR(IST) und ein dynamischer Raildruck pCR(DYN). Der Ist-Raildruck pCR(IST) und der dynamische Raildruck pCR(DYN) werden in der in 3 dargestellten Steuerung weiterverarbeitet.
  • Aus dem Rohwert des Raildrucks pCR wird mittels eines ersten Filters 19 der Ist-Raildruck pCR(IST) berechnet. Dieser wird dann mit dem Sollwert pCR(SL) an einem Summationspunkt A verglichen, woraus eine Regelabweichung ep resultiert. Aus der Regelabweichung ep berechnet ein Druckregler 14 seine Stellgröße, welche einem Volumenstrom VR mit der physikalischen Einheit Liter/Minute entspricht. Zum Volumenstrom VR wird an einem Summationspunkt B der berechnete Soll-Verbrauch VVb addiert. Berechnet wird der Soll-Verbrauch VVb über eine Berechnung 23, welche in der 3 dargestellt ist und in Verbindung mit dieser erklärt wird. Das Ergebnis der Addition am Summationspunkt B entspricht einem unbegrenzten Soll-Volumenstrom VSDu(SL) der Saugdrossel. Über eine Begrenzung 15 wird anschließend der unbegrenzte Soll-Volumenstrom VSDu(SL) in Abhängigkeit der Motordrehzahl nMOT limitiert. Die Ausgangsgröße der Begrenzung 15 entspricht einem Soll-Volumenstrom VSD(SL) der Saugdrossel. Dem Soll-Volumenstrom VSD(SL) wird danach über die Pumpen-Kennlinie 16 ein elektrischer Soll-Strom iSD(SL) der Saugdrossel zugeordnet. Der Soll-Strom iSD(SL) wird in einer Berechnung 17 in ein PWM-Signal PWMSD umgerechnet. Das PWM-Signal PWMSD stellt hierbei die Einschaltdauer dar und die Frequenz fPWM entspricht der Grundfrequenz. Mit dem PWM-Signal PWMSD wird dann die Magnetspule der Saugdrossel beaufschlagt. Dadurch wird der Weg des Magnetkerns verändert, wodurch der Förderstrom der Hochdruckpumpe frei beeinflusst wird. Aus Sicherheitsgründen ist die Saugdrossel stromlos offen und wird über die PWM-Ansteuerung in Richtung der Schließstellung beaufschlagt. Der Berechnung des PWM-Signals 17 kann ein Stromregelkreis unterlagert sein, wie dieser aus der DE 10 2004 061 474 A1 bekannt ist. Die Hochdruckpumpe, die Saugdrossel, das Rail und gegebenenfalls die Einzelspeicher entsprechen einer Regelstrecke 18. Damit ist der Regelkreis geschlossen. Aus dem Rohwert des Raildrucks pCR wird über ein zweites Filter 20 der dynamische Raildruck pCR(DYN) berechnet, welcher eine der Eingangsgrößen des Blockschaltbilds der 3 ist. Das zweite Filter 20 besitzt hierbei eine kleinere Zeitkonstante und einen geringeren Phasenverzug als das erste Filter 19 im Rückkopplungszweig.
  • Die 3 zeigt als Blockschaltbild den stark vereinfachten Raildruck-Regelkreis 13 der 2 und eine Steuerung 21. Über die Steuerung 21 wird die Raildruck-Störgröße VDRV erzeugt, also derjenige Volumenstrom, welchen das Druckregelventil aus dem Rail in den Kraftstofftank absteuert. Die Eingangsgrößen der Steuerung 21 sind: der Soll-Raildruck pCR(SL), der Ist-Raildruck pCR(IST), der dynamische Raildruck pCR(DYN), die Motordrehzahl nMOT und die Soll-Einspritzmenge QSL. Die Soll-Einspritzmenge QSL wird entweder über ein Kennfeld in Abhängigkeit des Leistungswunsches berechnet oder entspricht der Stellgröße eines Drehzahlreglers. Die physikalische Einheit der Soll-Einspritzmenge ist mm3/Hub. Bei einer momentenbasierten Struktur wird anstelle der Soll-Einspritzmenge QSL ein Soll-Moment MSL verwendet. Die Ausgangsgröße der Steuerung 21 entspricht der Raildruck-Störgröße VDRV.
  • An Hand der Motordrehzahl nMOT und der Soll-Einspritzmenge QSL wird über ein Soll-Volumenstrom-Kennfeld 22 (3D-Kennfeld) der statische Soll-Volumenstrom Vs(SL) für das Druckregelventil berechnet. Das Soll-Volumenstrom-Kennfeld 22 ist in der Form ausgeführt, dass im Schwachlastbereich, zum Beispiel bei Leerlauf, ein positiver Wert des statischen Soll-Volumenstroms Vs(SL) berechnet wird, während im Normalbetriebsbereich ein statischer Soll-Volumenstrom Vs(SL) von Null berechnet wird. Eine mögliche Ausführungsform des Soll-Volumenstrom-Kennfelds 22 ist in der 7 dargestellt und wird in Verbindung mit dieser näher erklärt. Ebenfalls an Hand der Motordrehzahl nMOT und der Soll-Einspritzmenge QSL wird über die Berechnung 23 der Soll-Verbrauch VVb berechnet, welcher eine Eingangsgröße des Raildruck-Regelkreises 13 ist. Der statische Soll-Volumenstrom Vs(SL) wird erfindungsgemäß durch Aufaddieren eines dynamischen Soll-Volumenstroms Vd(SL) korrigiert. Berechnet wird der dynamische Soll-Volumenstrom Vd(SL) über eine dynamische Korrektur 24. Die Eingangsgrößen der dynamischen Korrektur 24 sind der Soll-Raildruck pCR(SL), der Ist-Raildruck pCR(IST) und der dynamische Raildruck pCR(DYN). Die dynamische Korrektur 24 ist als Blockschaltbild in der 4 dargestellt und wird in Verbindung mit dieser beschrieben. Die Summe aus statischem Soll-Volumenstrom Vs(SL) und dynamischem Soll-Volumenstrom Vd(SL) entspricht einem korrigierten Soll-Volumenstrom Vk(SL), welcher über eine Begrenzung 25 nach oben auf einen maximalen Volumenstrom VMAX und nach unten auf den Wert Null begrenzt wird. Berechnet wird der maximale Volumenstrom VMAX über eine (2D-)Kennlinie 26 in Abhängigkeit des Ist-Raildrucks pCR(IST). Die Ausgangsgröße der Begrenzung 25 entspricht einem resultierenden Soll-Volumenstrom Vres(SL), welcher eine der Eingangsgrößen eines Druckregelventil-Kennfelds 27 ist. Die zweite Eingangsgröße ist der Ist-Raildruck pCR(IST). Über das Druckregelventil-Kennfeld 27 wird dem resultierenden Soll-Volumenstrom Vres(SL) und dem Ist-Raildruck pCR(IST) ein Soll-Strom iDV(SL) des Druckregelventils zugeordnet. Der Soll-Strom iDV(SL) wird über eine PWM-Berechnung 28 in die Einschaltdauer PWMDV umgerechnet, mit welcher das Druckregelventil 12 angesteuert wird. Der Umrechnung kann eine Stromregelung, Stromregelkreis 29, oder eine Stromregelung mit Vorsteuerung unterlagert sein. Die Stromregelung ist in der 5 dargestellt und wird in Verbindung mit dieser erklärt. Die Stromregelung mit Vorsteuerung ist in der 6 dargestellt und wird in Verbindung mit dieser erklärt. Mit dem PWM-Signal PWMDV wird das Druckregelventil 12 angesteuert. Der sich am Druckregelventil 12 einstellende elektrische Strom iDV wird zur Stromregelung über ein Filter 30 in einen Ist-Strom iDV(IST) umgerechnet und auf die Berechnung PWM-Signal 28 zurückgekoppelt. Das Ausgangssignal des Druckregelventils 12 entspricht der Raildruck-Störgröße VDRV, also demjenigen Kraftstoffvolumenstrom, welcher aus dem Rail in den Kraftstofftank abgesteuert wird.
  • In der 4 ist die dynamische Korrektur 24 aus 3 dargestellt. Die Eingangsgrößen sind der Soll-Raildruck pCR(SL), der Ist-Raildruck pCR(IST), der dynamische Raildruck pCR(DYN), eine konstante Regelabweichung epKON und ein konstanter Faktor fKON. Die Ausgangsgröße entspricht dem dynamischen Soll-Volumenstrom Vd(SL). Dem Soll-Raildruck pCR(SL) wird über eine Kennlinie 31 die limitierte Regelabweichung epLIM zugeordnet. Der Wert der limitierten Regelabweichung epLIM ist negativ. So wird zum Beispiel einem Soll-Raildruck pCR(SL) = 2150 bar über die Kennlinie 31 eine limitierte Regelabweichung epLIM = –100 bar zugeordnet. Über einen ersten Schalter S1 wird festgelegt, ob dessen Ausgangsgröße AG1 der limitierten Regelabweichung epLIM oder der konstanten Regelabweichung epKON entspricht. In der Schalterstellung S1 = 1 gilt AG1 = epLIM, während in der Schalterstellung S1 = 2 gilt AG1 = epKON. Die konstante Regelabweichung kann zum Beispiel auf den Wert epKON = –50 bar gesetzt sein. An einem Summationspunkt A wird die Ausgangsgröße AG1 mit der Regelabweichung ep verglichen. Berechnet wird die Regelabweichung ep an einem Summationspunkt B aus dem Soll-Raildruck pCR(SL) und dem Ist-Raildruck pCR(IST), alternativ aus dem dynamischen Raildruck pCR(DYN). Die Auswahl erfolgt über einen zweiten Schalter S2. In der ersten Stellung S2 = 1 ist der Ist-Raildruck pCR(IST) maßgeblich für die Berechnung der Regelabweichung ep. In der zweiten Stellung S2 = 2 ist hingegen der dynamische Raildruck pCR(DYN) maßgeblich für die Berechnung der Regelabweichung ep. Die am Summationspunkt A berechnete Differenz entspricht einer resultierenden Regelabweichung epRES. Über einen Komparator 32 wird die resultierende Regelabweichung epRES mit dem Wert Null verglichen. Ist die resultierende Regelabweichung epRES kleiner als Null (epRES < 0), so wird ein dritter Schalter S3 auf die Stellung S3 = 2 gesetzt. In diesem Fall ist der dynamische Soll-Volumenstrom Vd(SL) gleich Null (Vd(SL) = 0). Ist hingegen die resultierende Regelabweichung epRES größer/gleich Null (epRES ≥ 0), so wird der dritte Schalter in die Stellung S3 = 1 umgesteuert. In dieser Stellung S3 = 1 wird der dynamische Soll-Volumenstrom Vd(SL) berechnet, indem die resultierende Regelabweichung epRES mit einem Faktor f multipliziert wird. Der Faktor f wiederum wird über einen vierten Schalter S4 festgelegt. Ist der vierte Schalter in der Stellung S4 = 1, dann wird der Faktor f über eine Kennlinie 33 in Abhängigkeit des Ist-Raildrucks pCR(IST), Schalter S2 = 1, oder in Abhängigkeit des dynamischen Raildrucks pCR(DYN), Schalter S2 = 2, berechnet. Befindet sich hingegen der vierte Schalter in der Stellung S4 = 2, so wird der Faktor f auf einen konstanten Wert fKON gesetzt, zum Beispiel fKON = 0,01 Liter/(min·bar).
  • Die Funktion der dynamischen Korrektur 24 soll an Hand eines Beispiels erläutert werden. Folgende Parameter wurden zu Grunde gelegt:
    • – erster Schalter S1 = 2 mit epKON = –50 bar,
    • – zweiter Schalter S2 = 1 mit ep = pCR(SL) – pCR(IST) und
    • – vierter Schalter S4 = 2 mit f = fKON = 0,01 Liter/(min·bar).
  • Ist die Regelabweichung größer als –50 bar (ep > (–50 bar)), dann ist die resultierende Regelabweichung epRES kleiner als Null (epRES < O). Damit wird über den Komparator 32 der dritte Schalter in die Stellung S3 = 2 gesteuert, so dass der dynamische Soll-Volumenstrom Vd(SL) = 0 ist. Ist die Regelabweichung hingegen kleiner/gleich als –50 bar (ep ≤ (–50 bar)), dann ist die resultierende Regelabweichung epRES > 0. Damit steuert der Komparator 32 den dritten Schalter in die Stellung S3 = 1. Der dynamische Soll-Volumenstrom wird nunmehr zu Vd(SL) = (–50 bar – ep) 0,01 Liter/(min·bar) berechnet.
  • Eine Korrektur mittels des dynamischen Soll-Volumenstroms Vd(SL) findet also dann statt, wenn die Regelabweichung ep den Wert ep = –50 bar unterschreitet. Wird die Regelabweichung ep noch kleiner (negativer), das heißt, schwingt der Ist-Raildruck noch stärker über, so wird über den dynamischen Soll-Volumenstrom Vd(SL) der vom Druckregelventil abgesteuerte Kraftstoffvolumenstrom, also die Raildruck-Störgröße, vergrößert. Dies führt schließlich dazu, dass der Raildruck abgefangen wird.
  • Die 5 zeigt eine reine Stromregelung, welche zum Strom-Regelkreis 29 der 3 korrespondiert. Die Eingangsgrößen sind der Soll-Strom iDV(SL) für das Druckregelventil, der Ist-Strom iDV(IST) des Druckregelventils, die Batteriespannung UBAT und Reglerparameter (kp, Tn). Die Ausgangsgröße ist das PWM-Signal PWMDV, mit welchem das Druckregelventil angesteuert wird. Aus dem Soll-Strom iDV(SL) und dem Ist-Strom iDV(IST), siehe 3, wird zunächst die Strom-Regelabweichung ei berechnet. Die Strom-Regelabweichung ei ist die Eingangsgröße des Stromreglers 34. Der Stromregler 34 kann als PI- oder PI(DT1)-Algorithmus ausgeführt sein. Im Algorithmus werden die Reglerparameter verarbeitet. Diese sind unter anderem durch den Proportionalbeiwert kp und die Nachstellzeit Tn charakterisiert. Die Ausgangsgröße des Stromreglers 34 ist eine Soll-Spannung UDV(SL) des Druckregelventils. Diese wird durch die Batteriespannung UBAT dividiert und danach mit 100 multipliziert. Das Ergebnis entspricht der Einschaltdauer des Druckregelventils in Prozent.
  • Die 6 zeigt als Alternative zur 5 eine Stromregelung mit kombinierter Vorsteuerung. Die Eingangsgrößen sind der Soll-Strom iDV(SL), der Ist-Strom iDV(IST), die Reglerparameter (kp, Tn), der ohmsche Widerstand RDV des Druckregelventils und die Batteriespannung UBAT. Die Ausgangsgröße ist auch hier das PWM-Signal PWMDV, mit welchem das Druckregelventil angesteuert wird. Zunächst wird der Soll-Strom iDV(SL) mit dem ohmschen Widerstand RDV des Druckregelventils multipliziert. Das Ergebnis entspricht einer Vorsteuerspannung UDV(VS). An Hand des Soll-Stroms iDV(SL) und des Ist-Stroms iDV(IST) wird die Strom-Regelabweichung ei berechnet. Aus der Strom-Regelabweichung ei berechnet dann der Stromregler 34 als Stellgröße die Soll-Spannung UDV(SL) des Druckregelventils. Der Stromregler 34 kann auch hier entweder als PI- oder als PI(DT1)-Regler ausgeführt sein. Danach werden die Soll-Spannung UDV(SL) und die Vorsteuerspannung UDV(VS) addiert, die Summe anschließend durch die Batteriespannung UBAT geteilt und mit 100 multipliziert.
  • In der 7 ist das Soll-Volumenstrom-Kennfeld 22 dargestellt. Über dieses wird der statische Soll-Volumenstrom Vs(SL) für das Druckregelventil bestimmt. Die Eingangsgrößen sind die Motordrehzahl nMOT und die Soll-Einspritzmenge QSL. In waagerechter Richtung sind Motordrehzahlwerte von 0 bis 2000 1/min aufgetragen. In senkrechter Richtung sind die Soll-Einspritzmengenwerte von 0 bis 270 mm3/Hub aufgetragen. Die Werte innerhalb des Kennfelds entsprechen dann dem zugeordneten statischen Soll-Volumenstrom Vs(SL) in Liter/Minute. Über das Soll-Volumenstrom-Kennfeld 22 wird ein Teil des abzusteuernden Kraftstoffvolumenstroms festgelegt. Das Soll-Volumenstrom-Kennfeld 22 ist in der Form ausgeführt, dass im Normalbetriebsbereich ein statischer Soll-Volumenstrom von Vs(SL) = 0 Liter/Minute berechnet wird. Der Normalbetriebsbereich ist in der Figur doppelt gerahmt. Der einfach gerahmte Bereich entspricht dem Schwachlastbereich. Im Schwachlastbereich wird ein positiver Wert des statischen Soll-Volumenstroms Vs(SL) berechnet. Beispielsweise bei nMOT = 1000 1/min und QSL = 30 mm3/Hub wird ein statischer Soll-Volumenstrom von Vs(SL) = 1.5 Liter/Minute festgelegt.
  • Die 8 zeigt als Zeitdiagramm einen Lastabwurf von 100% auf 0% Last bei einer Brennkraftmaschine, welche ein Notstromaggregat (60 Hz-Generator) antreibt. Die 8 besteht aus den Teildiagrammen 8A bis 8D. Diese zeigen jeweils über der Zeit: die Generatorleistung P in Kilowatt in der 8A, die Motordrehzahl nMOT in 8B, den Ist-Raildruck pCR(IST) in 8C und den dynamischen Soll-Volumenstrom Vd(SL) in 8D. Als gestrichelte Linie ist in der 8C ein Verlauf des Ist-Raildrucks pCR(IST) ohne dynamische Korrektur dargestellt. Der Darstellung der 8 wurden dieselben Parameter zu Grunde gelegt, wie im zuvor beschriebenen Beispiel zur 4. Ebenfalls zu Grunde gelegt wurde ein konstanter Soll-Raildruck von pCR(SL) = 2200 bar.
  • Zum Zeitpunkt t1 wird die Last am Generator von der Leistung P = 2000 kW sprunghaft auf 0 kW abgeworfen. Die fehlende Last am Abtrieb der Brennkraftmaschine verursacht eine sich erhöhende Motordrehzahl ab dem Zeitpunkt t1. Zum Zeitpunkt t4 erreicht diese ihren Maximalwert nMOT = 1950 1/min. Da die Motordrehzahl in einem eigenen Regelkreis geregelt wird, schwingt sich die Motordrehzahl auf den ursprünglichen Anfangswert wieder ein. Auf Grund der sich erhöhenden Motordrehzahl nMOT und der daraus resultierenden Reduktion der Einspritzmenge ab dem Zeitpunkt t1, baut die Hochdruckpumpe ein höheres Druckniveau im Rail auf, so dass sich der Ist-Raildruck pCR(IST) zeitverzögert zur Motordrehzahl nMOT erhöht. Zum Zeitpunkt t2 erreicht der Ist-Raildruck pCR(IST) den Wert pCR(IST) = 2250 bar. Die Regelabweichung ep beträgt damit ep = –50 bar. Der dynamische Soll-Volumenstrom Vd(SL), welcher über die dynamische Korrektur (3: 24) berechnet wird, ist daher Vd(SL) = 0 Liter/min. Da der Ist-Raildruck pCR(IST) nach dem Zeitpunkt t2 weiter ansteigt, nimmt die Regelabweichung ep ab, das heißt, diese unterschreitet den Wert –50 bar, wodurch nun ein positiver dynamischer Soll-Volumenstrom Vd(SL) berechnet wird, siehe 8D. Zum Zeitpunkt t3 erreicht der Ist-Raildruck den Wert pCR(IST) = 2300 bar. Damit ergibt sich eine Regelabweichung von ep = –100 bar. Der daraus berechnete dynamische Soll-Volumenstrom beträgt nunmehr Vd(SL) = 0,5 Liter/min. Zum ansteigenden Ist-Raildruck pCR(IST) korrespondiert ein zunehmender dynamischer Soll-Volumenstrom Vd(SL). Zum abnehmenden Ist-Raildruck pCR(IST) korrespondiert ein abnehmender dynamischer Soll-Volumenstrom Vd(SL). Zum Zeitpunkt t7 unterschreitet der Ist-Raildruck pCR(IST) wieder den Wert pCR(IST) = 2250 bar, womit sich ein dynamischer Soll-Volumenstrom von Vd(SL) = 0 Liter/min ergibt, siehe 8D.
  • Ein Vergleich der beiden Kurven des Ist-Raildrucks pCR(IST) in der 8C mit dynamischer Korrektur (durchgezogene Linie) und ohne dynamische Korrektur (gestrichelte Linie) zeigt eine Reduktion des Überschwingens, woraus dann auch eine kürzere Ausregelzeit resultiert.
  • In der 9 ist ein Programm-Ablaufplan des Verfahrens zur Bestimmung der Raildruck-Störgröße mit Korrektur dargestellt. Zu Grunde gelegt wurden folgende Parameter:
    • – erster Schalter S1 = 1, womit die Berechnung der limitierten Regelabweichung epLIM aktiviert ist,
    • – der zweite Schalter S2 = 1, womit sich die Regelabweichung ep aus dem Soll-Raildruck pCR(SL) und dem Ist-Raildruck pCR(IST) berechnet, und
    • – der vierte Schalter S4 = 2, womit der Faktor f gleich fKON ist.
  • Bei S1 werden die Soll-Einspritzmenge QSL, die Motordrehzahl nMOT, der Ist-Raildruck pCR(IST), die Batteriespannung UBAT und der Ist-Strom iDV(IST) des Druckregelventils eingelesen. Danach wird bei S2 über das Soll-Volumenstrom-Kennfeld in Abhängigkeit der Soll-Einspritzmenge QSL und der Motordrehzahl nMOT der statische Soll-Volumenstrom Vs(SL) berechnet. Bei S3 wird die Regelabweichung ep aus dem Soll-Raildruck pCR(SL) und dem Ist-Raildruck pCR(IST) berechnet. Aus dem Soll-Raildruck wird über eine Kennlinie (4: 31) die limitierte Regelabweichung epLIM berechnet, welche negativ ist, Schritt S4. Danach wird bei S5 die resultierende Regelabweichung epRES berechnet. Die resultierende Regelabweichung epRES wiederum wird aus der Regelabweichung ep und der limitierten Regelabweichung epLIM bestimmt. Anschließend wird bei S6 geprüft, ob die resultierende Regelabweichung epRES negativ ist. Ist dies der Fall, so wird der dynamische Soll-Volumenstrom Vd(SL) bei S7 auf den Wert Null gesetzt. Ist die resultierende Regelabweichung epRES nicht negativ, so wird der dynamische Soll-Volumenstrom Vd(SL) bei S8 als Produkt des kostanten Faktors fKON und der resultierenden Regelabweichung epRES berechnet. Bei S9 wird der korrigierte Soll-Volumenstrom Vk(SL) aus der Summe des statischen Soll-Volumenstrom Vs(SL) und des dynamischen Soll-Volumenstroms Vd(SL) berechnet. Aus dem Ist-Raildruck pCR(IST) wird über eine Kennlinie (3: 26) der maximale Volumenstrom VMAX bei S10 berechnet, auf welchen der korrigierte Soll-Volumenstrom Vk(SL) dann bei S11 begrenzt wird. Das Ergebnis entspricht dem resultierenden Soll-Volumenstrom Vres(SL). Bei S12 wird in Abhängigkeit des resultierenden Soll-Volumenstroms Vres(SL) und des Ist-Raildrucks pCR(IST) der Soll-Strom iDV(SL) berechnet und bei S13 schließlich das PWM-Signal zur Ansteuerung des Druckregelventils in Abhängigkeit des Soll-Stroms iDV(SL) berechnet. Damit ist der Programmablauf beendet.
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Kraftstofftank
    3
    Niederdruckpumpe
    4
    Saugdrossel
    5
    Hochdruckpumpe
    6
    Rail
    7
    Injektor
    8
    Einzelspeicher (optional)
    9
    Rail-Drucksensor
    10
    elektronisches Steuergerät (ECU)
    11
    Druckbegrenzungsventil, passiv
    12
    Druckregelventil, elektrisch ansteuerbar
    13
    Raildruck-Regelkreis
    14
    Druckregler
    15
    Begrenzung
    16
    Pumpen-Kennlinie
    17
    Berechnung PWM-Signal
    18
    Regelstrecke
    19
    erstes Filter
    20
    zweites Filter
    21
    Steuerung
    22
    Soll-Volumenstrom-Kennfeld
    23
    Berechnung
    24
    dynamische Korrektur
    25
    Begrenzung
    26
    Kennlinie
    27
    Druckregelventil-Kennfeld
    28
    Berechnung PWM-Signal
    29
    Stromregelkreis (Druckregelventil)
    30
    Filter
    31
    Kennlinie
    32
    Komparator
    33
    Kennlinie
    34
    Stromregler

Claims (10)

  1. Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem der Raildruck (pCR) über eine niederdruckseitige Saugdrossel (4) als erstes Druckstellglied in einem Raildruck-Regelkreis (13) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Raildruck-Störgröße (VDRV) zur Beeinflussung des Raildrucks (pCR) über ein hochdruckseitiges Druckregelventil (12) als zweites Druckstellglied erzeugt wird, über welches Kraftstoff aus dem Rail (6) in einen Kraftstofftank (2) abgesteuert wird, wobei die Raildruck-Störgröße (VDRV) an Hand eines korrigierten Soll-Volumenstroms (Vk(SL)) des Druckregelventils (12) berechnet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der korrigierte Soll-Volumenstrom (Vk(SL)) aus einem statischen Soll-Volumenstrom (Vs(SL)) und einem dynamischen Soll-Volumenstrom (Vd(SL)) berechnet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der statische Soll-Volumenstrom (Vs(SL)) des Druckregelventils (12) in Abhängigkeit einer Soll-Einspritzmenge (QSL), alternativ einem Soll-Moment (MSL), und einer Motordrehzahl (nMOT) über ein Soll-Volumenstrom-Kennfeld (22) berechnet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dynamische Soll-Volumenstrom (Vd(SL)) des Druckregelventils (12) über eine dynamische Korrektur (24) in Abhängigkeit eines Soll-Raildrucks (pCR(SL)) und eines Ist-Raildrucks (pCR(IST)) berechnet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dynamische Soll-Volumenstrom (Vd(SL)) berechnet wird, indem eine resultierende Regelabweichung (epRES) des Raildrucks (pCR) berechnet wird und indem bei einer resultierenden Regelabweichung (epRES) kleiner Null (epRES < 0) der dynamische Soll-Volumenstrom (Vd(SL)) auf den Wert Null gesetzt wird (Vd(SL) = 0)) oder bei einer resultierenden Regelabweichung (epRES) größer/gleich Null (epRES ≥ 0) der dynamische Soll-Volumenstrom (Vd(SL)) auf den Wert des Produkts von resultierender Regelabweichung (epRES) und einem Faktor (f) gesetzt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die resultierende Regelabweichung (epRES) berechnet wird, indem eine Regelabweichung (ep) des Raildrucks (pCR) aus der Differenz von Soll-Raildruck (pCR(SL)) und Ist-Raildruck (pCR(IST)) berechnet wird, indem aus dem Soll-Raildruck (pCR(SL)) über eine Kennlinie (31) eine limitierte Regelabweichung (epLIM) berechnet wird und indem die Differenz der limitierten Regelabweichung (epLIM) und der Regelabweichung (ep) berechnet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor (f) in Abhängigkeit des Ist-Raildrucks (pCR(IST)) über eine Kennlinie (33) berechnet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ zum Ist-Raildruck (pCR(IST)) ein dynamischer Raildruck (pCR(DYN)) bei der Berechnung verwendet wird, wobei der Ist-Raildruck (pCR(IST)) über ein erstes Filter (19) aus dem Raildruck (pCR) berechnet wird und der dynamische Raildruck (pCR(DYN)) über ein zweites Filter (20) aus dem Raildruck (pCR) berechnet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorausgegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die limitierte Regelabweichung (epLIM) und/oder der Faktor (f) auf einen konstanten Wert (epKON, fKON) gesetzt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Raildruck-Störgröße (VDRV) über ein Druckregelventil-Kennfeld (27) berechnet wird.
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