DE102009031528B3 - 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 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.

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 jedoch der Druckregler über das Stellsignal 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 zu hohem Raildruck vorgesehen sein. Über das geöffnete Druckbegrenzungsventil wird dann der Kraftstoff aus dem Rail in den Kraftstofftank abgeleitet. Ein entsprechendes Common-Railsystem 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. Es wird über die Steuerung des Druckregelventils eine Konstantleckage nachgebildet. Berechnet wird die Raildruck-Störgröße in Abhängigkeit des Ist-Raildrucks und eines Soll-Volumenstroms des Druckregelventils über ein Druckregelventil-Kennfeld. Der Soll-Volumenstrom wiederum wird in Abhängigkeit einer Soll-Einspritzmenge und einer Motordrehzahl über ein Soll-Volumenstrom-Kennfeld berechnet. Bei einer momentenbasierten Struktur wird anstelle der Soll-Einspritzmenge ein Soll-Moment als Eingangsgröße für das Soll-Volumenstrom-Kennfeld verwendet. 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.
  • Da der Kraftstoff 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 Hochdruck-Regelkreises im Schwachlastbereich kann daran erkannt werden, dass der Raildruck im Schubbetrieb etwa konstant bleibt und bei einem Lastabwurf der Raildruck-Spitzenwert ein deutlich reduziertes Druckniveau hat.
  • In einer Ausführungsform ist zur Verbesserung der Genauigkeit noch vorgesehen, dass die Raildruck-Störgröße ergänzend mittels eines unterlagerten Stromregelkreises, alternativ mittels eines unterlagerten Stromregelkreises nebst Vorsteuerung, bestimmt wird.
  • In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
  • 1 ein Systemschaubild,
  • 2 einen Raildruck-Regelkreis,
  • 3 ein Blockschaltbild,
  • 4 einen Stromregelkreis,
  • 5 einen Stromregelkreis mit Vorsteuerung,
  • 6 ein Soll-Volumenstrom-Kennfeld,
  • 7 ein Zeitdiagramm und
  • 8 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. 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.
  • Die 2 zeigt einen Raildruck-Regelkreis 13 zur Regelung des Raildrucks pCR. Die Eingangsgrößen des Raildruck-Regelkreises 13 sind: ein Soll-Raildruck pCR(SL), ein Soll-Verbrauch V2, 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. Eine erste Ausgangsgröße des Raildruck-Regelkreises 13 ist der Rohwert des Raildrucks pCR. Eine zweite Ausgangsgröße des Raildruck-Regelkreises 13 entspricht dem Ist-Raildruck pCR(IST), welcher in einer Steuerung 14 (3) weiter verarbeitet wird. Aus dem Rohwert des Raildrucks pCR wird mittels eines Filters 20 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 15 seine Stellgröße, welche einem Volumenstrom V1 mit der physikalischen Einheit Liter/Minute entspricht. Zum Volumenstrom V1 wird an einem Summationspunkt B der berechnete Soll-Verbrauch V2 addiert. Berechnet wird der Soll-Verbrauch V2 über eine Berechnung 23, welche in der 3 dargestellt ist und in Verbindung mit dieser erklärt wird. Das Ergebnis der Addition am Summationspunkt B stellt den Volumenstrom V3 dar, welcher die Eingangsgröße einer Begrenzung 16 ist. Die Begrenzung 16 wird in Abhängigkeit der Motordrehzahl nMOT verändert. Die Ausgangsgröße der Begrenzung 16 entspricht einem Soll-Volumenstrom VSL. Liegt der Volumenstrom V3 unterhalb des Grenzwerts der Begrenzung 16, so entspricht der Wert des Soll-Volumenstroms VSL dem Wert des Volumenstroms V3. Der Soll-Volumenstrom VSL ist die Eingangsgröße einer Pumpen-Kennlinie 17. Über die Pumpen-Kennlinie 17 wird dem Soll-Volumenstrom VSL ein elektrischer Soll-Strom iSL zugeordnet. Der Soll-Strom iSL wird danach in einer Berechnung 18 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 18 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 19. Damit ist der Regelkreis geschlossen.
  • Die 3 zeigt als Blockschaltbild den stark vereinfachten Raildruck-Regelkreis 13 der 2 und die Steuerung 14. Über die Steuerung 14 wird die Raildruck-Störgröße VDRV erzeugt. Die Eingangsgrößen der Steuerung 14 sind: der Ist-Raildruck pCR(IST), die Motordrehzahl nMOT und die Soll-Einspritzmenge QSL. Die Soll-Einspritzmenge QSL wird entweder über ein Kennfeld in Abhängigkeit eines Leistungswunsches berechnet oder entspricht der Stellgröße eines Drehzahlreglers. Die physikalische Einheit der Soll-Einspritzmenge ist mm3/Hub. Bei einer momentenorientierten Struktur wird anstelle der Soll-Einspritzmenge QSL ein Soll-Moment MSL als Eingangsgröße verwendet. Eine erste Ausgangsgröße ist die Raildruck-Störgröße VDRV, also demjenigen Kraftstoffvolumenstrom, welcher vom Druckregelventil aus dem Rail in den Kraftstofftank abgesteuert wird. Eine zweite Ausgangsgröße ist der Soll-Verbrauch V2, welcher im Raildruck-Regelkreis 13 weiterverarbeitet wird. Über eine Kennlinie 21 wird dem Ist-Raildruck pCR(IST) ein maximaler Volumenstrom VMAX, Einheit: Liter/Minute, zugeordnet. Die Kennlinie 21 ist beispielhaft als ansteigende Gerade mit den Eckwerten A(0 bar; 0 L/min) und B (2200 bar; 7.5 L/min) ausgeführt. Der maximale Volumenstrom VMAX ist eine der Eingangsgrößen einer Begrenzung 24.
  • An Hand der Motordrehzahl nMOT und der Soll-Einspritzmenge QSL wird über eine Berechnung 23 der Soll-Verbrauch V2 berechnet. Ebenfalls an Hand der Motordrehzahl nMOT und der Soll-Einspritzmenge QSL wird über das Soll-Volumenstrom-Kennfeld 22 (3D-Kennfeld) ein erster Soll-Volumenstrom VDV1(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 ersten Soll-Volumenstroms VDV1(SL) berechnet wird, während im Normalbetriebsbereich ein erster Soll-Volumenstrom VDV1(SL) von Null berechnet wird. Eine mögliche Ausführungsform des Soll-Volumenstrom-Kennfelds 22 ist in der 6 dargestellt und wird in Verbindung mit dieser näher erklärt. Der erste Soll-Volumenstrom VDV1(SL) hat die physikalische Einheit Liter/Minute. Der erste Soll-Volumenstrom VDV1(SL) ist die zweite Eingangsgröße für die Begrenzung 24. Über die Begrenzung 24 wird der erste Soll-Volumenstrom VDV1(SL) auf den Wert des maximalen Volumenstroms VMAX begrenzt. Die Ausgangsgröße entspricht dem Soll-Volumenstrom VDV(SL), welchen das Druckregelventil aus dem Rail in den Kraftstofftank absteuern soll. Ist der erste Soll-Volumenstrom VDV1(SL) kleiner als der maximale Volumenstrom VMAX, so wird der Wert des Soll-Volumenstroms VDV(SL) auf den Wert des ersten Soll-Volumenstroms VDV1(SL) gesetzt. Anderenfalls wird der Wert des Soll-Volumenstroms VDV(SL) auf den Wert des maximalen Volumenstroms VMAX gesetzt. Der Soll-Volumenstrom VDV(SL) und der Ist-Raildruck pCR(IST) sind die Eingangsgrößen des Druckregelventil-Kennfelds 25. Das Druckregelventil-Kennfeld 25 stellt eine Kennfeld-Inversion dar, das heißt, das physikalische (stationäre) Verhalten des Druckregelventils wird mit diesem Kennfeld invertiert. Die Ausgangsgröße des Druckregelventil-Kennfelds 25 ist ein Soll-Strom iDV(SL), welcher anschließend über die Berechnung 26 in ein PWM-Signal PWMDV umgerechnet wird. Der Umrechnung kann eine Stromregelung, Stromregelkreis 27, oder eine Stromregelung mit Vorsteuerung unterlagert sein. Die Stromregelung ist in der 4 dargestellt und wird in Verbindung mit dieser erklärt. Die Stromregelung mit Vorsteuerung ist in der 5 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 28 in einen Ist-Strom iDV(IST) umgerechnet und auf die Berechnung PWM-Signal 26 zurückgekoppelt. Das Ausgangssignal des Druckregelventils 12 entspricht der Raildruck-Störgröße VDRV, also demjenigen Kraftstoffvolumenstrom, welcher aus dem Rail in den Kraftstofftank abgesteuert wird.
  • Die 4 zeigt eine reine Stromregelung. Die Eingangsgrößen sind der Soll-Strom iDV(SL), der Ist-Strom iDV(IST), 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 29. Der Stromregler 29 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 29 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 5 zeigt 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 29 als Stellgröße die Soll-Spannung UDV(SL) des Stromreglers. Der Stromregler 29 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, durch die Batteriespannung UBAT geteilt und mit 100 multipliziert.
  • In der 6 ist das Soll-Volumenstrom-Kennfeld 22 dargestellt. Über dieses wird der erste Soll-Volumenstrom VDV1(SL) für das Druckregelventil bestimmt. Der erste Soll-Volumenstrom VDV1(SL) und der Soll-Volumenstrom VDV(SL) sind identisch, solange der erste Soll-Volumenstrom VDV1(SL) kleiner als der maximale Volumenstrom VMAX ist (3: Begrenzung 24). 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 ersten Soll-Volumenstrom VDV1(SL) in Liter/Minute. Über das Soll-Volumenstrom-Kennfeld 22 wird der abzusteuernde Kraftstoffvolumenstrom festgelegt, also die Raildruck-Störgröße. Das Soll-Volumenstrom-Kennfeld 22 ist in der Form ausgeführt, dass im Normalbetriebsbereich ein erster Soll-Volumenstrom von VDV1(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 ersten Soll-Volumenstroms VDV1(SL) berechnet. Beispielsweise bei nMOT = 1000 1/min und QSL = 30 mm3/Hub wird ein erster Soll-Volumenstrom von VDV1(SL) = 1.5 Liter/Minute festgelegt.
  • Die 7 zeigt als Zeitdiagramm einen Lastabwurf von 100% auf 0% Last bei einer Brennkraftmaschine, welche eine Notstromaggregat (60 Hz-Generator) antreibt. Die 7 besteht aus den Teildiagrammen 7A bis 7E. Diese zeigen jeweils über der Zeit: die Motordrehzahl nMOT in 7A, die Soll-Einspritzmenge QSL in 7B, den Saugdrosselstrom iSD in 7C, den Ist-Raildruck pCR(IST) in 7D und den Soll-Volumenstrom VDV(SL) des Druckregelventils in 7E. Als gestrichelte Linie ist in den 7C und 7D der Verlauf ohne Druckregelventil dargestellt, während als durchgezogene Linien der Verlauf mit Ansteuerung des Druckregelventils dargestellt ist. Im dargestellten Zeitbereich sind die Soll-Motordrehzahl (= 1800 1/min) und der Soll-Raildruck (= 1800 bar) konstant. Die Soll-Motordrehzahl ist hierbei mit der Nenndrehzahl identisch.
  • Die 7A zeigt die Motordrehzahl nMOT, welche nach dem Abwerfen der Last, Zeitpunkt t1, zunächst ansteigt und sich anschließend wieder auf der Nenndrehzahl nMOT = 1800 1/min einpendelt (t8). Steigt die Motordrehzahl nMOT an, so fällt die Soll-Einspritzmenge QSL vom Anfangswert QSL = 300 mm3/Hub ab (7B). Zum Zeitpunkt t3 erreicht diese den Wert QSL = 0 mm3/Hub. Zum Zeitpunkt t6 schwingt die Motordrehzahl nMOT unter die Nenndrehzahl, was zu einem Ansteigen der Soll-Einspritzmenge QSL ab dem Zeitpunkt t6 führt. Ist die Motordrehzahl nMOT eingeschwungen, so ist auch die Soll-Einspritzmenge QSL eingeschwungen, und zwar auf die Leerlaufmenge von etwa QSL = 30 mm3/Hub.
  • Der Verlauf ohne Druckregelventil und Ansteuerung (gestrichelte Linien) ist wie folgt: Mit steigender Motordrehzahl nMOT und fallender Soll-Einspritzmenge QSL ab t1, steigt der Ist-Raildruck pCR(IST) an, siehe 7D. Da der Raildruck pCR geregelt wird, ergibt sich bei konstantem Soll-Raildruck pCR(SL) eine negative Regelabweichung (2: ep), so dass der Druckregler die Saugdrossel in Schließrichtung beaufschlagt. Dies geschieht über einen ansteigenden Saugdrosselstrom iSD. Zum Zeitpunkt t5 erreicht der Saugdrosselstrom iSD seinen Maximalwert iSD = 1,8 A, siehe 7C. Nun ist die Saugdrossel vollständig geschlossen. Da gleichzeitig die Soll-Einspritzmenge QSL = 0 mm3/Hub ist, erreicht der ist-Raildruck pCR(IST) zum Zeitpunkt t5 seinen Maximalwert von pCR(IST) = 2400 bar und verharrt auf diesem Druckniveau. Zum Zeitpunkt t6 steigt die Soll-Einspritzmenge QSL wieder an, so dass nunmehr der Ist-Raildruck pCR(IST) wieder fällt. Da die Raildruck-Regelabweichung weiterhin negativ ist, bleibt der Saugdrosselstrom iSD auch weiterhin auf seinem Maximalwert iSD = 1,8 A, das heißt, die Saugdrossel bleibt geschlossen. Auf Grund der geringen Einspritzmenge im Leerlauf fällt der Ist-Raildruck pCR(IST) nur sehr langsam ab. Ab dem Zeitpunkt t8 erreicht der Ist-Raildruck pCR(IST) schließlich wieder das Niveau des Soll-Raildrucks, hier: 1800 bar. Anschließend kommt es zu einem Unterschwingen des Ist-Raildrucks pCR(IST), so dass sich nun kurzzeitig eine positive Raildruck-Regelabweichung ergibt. Dies führt dazu, dass nach dem Zeitpunkt t8 der Saugdrosselstrom iSD abnimmt und sich auf einem tieferen Niveau einpendelt.
  • Der Verlauf bei Verwendung eines Druckregelventils (durchgezogene Linie) ist wie folgt: Zum Zeitpunkt t2 unterschreitet die Soll-Einspritzmenge QSL den Wert QSL = 120 mm3/Hub, wodurch über das Soll-Volumenstrom-Kennfeld (6) ein zunehmender erster Soll-Volumenstrom VDV1(SL) und ein zunehmender Soll-Volumenstrom VDV(SL) berechnet wird. Die Soll-Einspritzmenge QSL fällt nun ab bis auf QSL = 0 mm3/Hub, was zu einem Ansteigen des Soll-Volumenstroms auf VDV(SL) = 2 Liter/Minute bis zum Zeitpunkt t3 führt, siehe 7E. Bis zum Zeitpunkt t6 verharrt die Soll-Einspitzmenge auf dem Wert QSL = 0 mm3/Hub. Entsprechend bleibt der Soll-Volumenstrom auf dem Wert VDV(SL) = 2 Liter/Minute. Nach dem Zeitpunkt t6 steigt die Soll-Einspritzmenge QSL an und schwingt sich anschließend auf der Leerlaufmenge QSL = 30 mm3/Hub ein. Entsprechend fällt der Soll-Volumenstrom VDV(SL) für das Druckregelventil nach dem Zeitpunkt t6 ab und pendelt sich auf den Wert VDV(SL) = 1,5 Liter/Minute ein. Da der Soll-Volumenstrom VDV(SL) und damit der vom Druckregelventil abgesteuerte Kraftstoffvolumenstrom zum Zeitpunkt t2 ansteigt, wird der Anstieg des Ist-Raildrucks pCR(IST) verlangsamt. Zum Zeitpunkt t4 erreicht der Ist-Raildruck pCR(IST) den Spitzenwert von pCR(IST) = 2200 bar (7D). Der folgende Abfall des Ist-Raildrucks pCR(IST) erfolgt auf Grund der Absteuermenge schneller, so dass der Nenndruck (1800 bar) bereits zum Zeitpunkt t7 wieder erreicht wird. Da der Ist-Raildruck pCR(IST) vom Zeitpunkt t2 an, in Folge der Absteuerung des Kraftstoffes über das Druckregelventil, langsamer zunimmt, steigt auch der Saugdrosselstrom iSD langsamer an. Dadurch erreicht dieser später seinen Maximalwert von iSD = 1,8 A, siehe 7C. Ab dem Zeitpunkt t7 ergibt sich eine positive Raildruck-Regelabweichung, wodurch der Saugdrosselstrom iSD abfällt. Da nun im Leerlauf ein Soll-Volumenstrom von VDV(SL) = 1,5 Liter/Minute abgesteuert wird, erreicht der Saugdrosselstrom iSD im Leerlauf ein tieferes Niveau von iSD = 1,3 A.
  • Die dargestellten Diagramme zeigen, dass die Absteuerung des Kraftstoffes mit Hilfe des Druckregelventils zu einer Reduktion des Spitzenwerts des Ist-Raildrucks pCR(IST) führt. In der 7D ist dieser Druckunterschied mit dp gekennzeichnet. Durch die Absteuerung wird zudem nach einem Lastabwurf die Ausregelzeit des Ist-Raildrucks pCR(IST) reduziert. In der 7D ist die Ausregelzeit ohne Druckregelventil mit dt1 und die Ausregelzeit mit Druckregelventil mit dt2 gekennzeichnet. Insgesamt wird im Schwachlastbereich die Stabilität des Hochdruck-Regelkreises erhöht, ohne dass es hierbei zu einer signifikanten Erhöhung der Kraftstofftemperatur und Verringerung des Wirkungsgrads der Brennkraftmaschine kommt.
  • In der 8 ist ein Programm-Ablaufplan des Verfahrens zur Bestimmung der Raildruck-Störgröße dargestellt. In den Schritten S6 bis S9 ist die Ausgestaltung des Stromregelkreises mit Vorsteuerung enthalten. 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 erste Soll-Volumenstrom VDV1(SL) berechnet. Bei S3 wird an Hand des Ist-Raildrucks pCR(IST) ein maximaler Volumenstrom VMAX (3: 21) berechnet und der erste Soll-Volumenstrom VDV1(SL) auf den maximalen Volumenstrom VMAX begrenzt, S4. Ist der erste Soll-Volumenstrom VDV1(SL) kleiner als der maximale Volumenstrom VMAX, so wird der Soll-Volumenstrom VDV(SL) auf den Wert des ersten Soll-Volumenstroms VDV1(SL) gesetzt. Anderenfalls wird der Soll-Volumenstrom VDV(SL) auf den Wert des maximalen Volumenstroms VMAX gesetzt. Bei S5 wird in Abhängigkeit des Soll-Volumenstroms VDV(SL) und des Ist-Raildrucks pCR(IST) der Soll-Strom iDV(SL) berechnet. Bei S6 wird eine Vorsteuerspannung UDV(VS) berechnet, indem der Soll-Strom iDV(SL) mit dem ohmschen Widerstand RDV des Druckregelventils und der Zuleitung multipliziert wird. Bei S7 wird als Stellgröße des Stromreglers eine Soll-Spannung UDV(SL) in Abhängigkeit der Strom-Regelabweichung ei berechnet. Dann werden bei S8 die Soll-Spannung UDV(SL) für das Druckregelventil und die Vorsteuerspannung UDV(VS) addiert. Das Ergebnis wird dann bei S9 durch die Batteriespannung UBAT geteilt und mit 100 multipliziert, was der Einschaltdauer des PWM-Signals zur Ansteuerung des Druckregelventils entspricht. 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
    Steuerung
    15
    Druckregler
    16
    Begrenzung
    17
    Pumpen-Kennlinie
    18
    Berechnung PWM-Signal
    19
    Regelstrecke
    20
    Filter
    21
    Kennlinie
    22
    Soll-Volumenstrom-Kennfeld
    23
    Berechnung
    24
    Begrenzung
    25
    Druckregelventil-Kennfeld
    26
    Berechnung PWM-Signal
    27
    Stromregelkreis (Druckregelventil)
    28
    Filter
    29
    Stromregler

Claims (6)

  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 und bei dem 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, dadurch gekennzeichnet, dass die Raildruck-Störgröße (VDRV) in Abhängigkeit des Ist-Raildrucks (pCR(IST)) und eines Soll-Volumenstroms (VDV(SL)) des Druckregelventils (12) über ein Druckregelventil-Kennfeld (25) berechnet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Volumenstrom (VDV(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.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Soll-Volumenstrom-Kennfeld (22) in der Form ausgeführt ist, dass in einem Schwachlastbereich ein Soll-Volumenstrom (VDV(SL)) mit einem positiven Wert und in einem Normalbetriebsbereich ein Soll-Volumenstrom (VDV(SL)) von Null berechnet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Volumenstrom (VDV(SL)) in Abhängigkeit des Ist-Raildrucks (pCR(IST)) begrenzt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Raildruck-Störgröße (VDRV) ergänzend mittels eines unterlagerten Stromregelkreises (27) bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Raildruck-Störgröße (VDRV) ergänzend mittels eines unterlagerten Stromregelkreises (27) nebst Vorsteuerung bestimmt wird.
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