DE102009041060A1

DE102009041060A1 - Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102009041060A1
Application number: DE200910041060
Authority: DE
Inventors: Rene Dr.-Ing. Fink; Claus Dr. rer. nat. Kirchner; Ulf Dr.-Ing. Lezius; Matthias Schultalbers; Patricia Dr.-Ing. Seemann; Thomas Von Der Ohe
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2011-03-24

Abstract

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Kraftstoffpumpe, einem Kraftstoffdruckspeicher, mindestens einem Kraftstoffeinspritzventil und einem Kraftstoffdrucksensor gelöst, wobei zur Bestimmung der Dauer der Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils eine Bestimmung des Kraftstoffdruckes in dem Kraftstoffdruckspeicher erfolgt, wobei in Abhängigkeit eines gemessenen Kraftstoffdruckwertes für ein Arbeitsspiel des Zylinders eine Initialisierung eines Simulationsmodells erfolgt, wobei mittels des Simulationsmodells in Abhängigkeit von der Lage des Beginns und des Endes einer Förderung von Kraftstoff in den Brennraum eines Zylinders und in Abhängigkeit von der Lage des Beginns und des Endes einer Förderung von Kraftstoff in den Kraftstoffdurckspeicher eine Bestimmung des Kraftstoffdruckes in dem Kraftstoffdruckspeicher erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Verbrennungskraftmaschinen mit einer so genannten Direkteinspritzung können, wie allgemein bekannt, über einen gemeinsamen Kraftstoffdruckspeicher für die Zylinder einer Zylinderbank verfügen. Elektrisch angesteuerte Kraftstoffeinspritzventile entnehmen dabei dem Kraftstoffdruckspeicher Kraftstoff, um den Kraftstoff in die Brennräume einzubringen. Eine Kraftstoffpumpe wird beispielsweise durch die Nockenwelle angetrieben und fördert Kraftstoff in den Kraftstoffdruckspeicher. Sowohl die Förderung von Kraftstoff als auch Entnahme von Kraftstoff aus dem gemeinsamen Kraftstoffdruckspeicher sind diskontinuierlich ablaufende Prozesse. Als Resultat zeigen sich mit den Umdrehungen der Kurbel- beziehungsweise Nockenwelle korrelierte Druckschwingungen in den Kraftstoffleitungen stromabwärts der Kraftstoffpumpe und im gemeinsamen Kraftstoffdruckspeicher. Die elektronische Motorsteuerung berechnet die Dauer der Ansteuerung der Kraftstoffeinspritzventile in Abhängigkeit von der benötigten Kraftstoffmenge in den Brennräumen und dem herrschenden Kraftstoffdruck in dem gemeinsamen Kraftstoffdruckspeicher. In der Regel wird dazu der Kraftstoffdruck in einem festgelegten zeitsynchronen Schema abgetastet und gemittelt. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 19726757 B4 vorbekannt. Gerade bei der kontinuierlichen Berechnung eines Kraftstoffdruckmittelwertes ist der Stand der Technik unzureichend. Üblicherweise wird der Druck in dem gemeinsamen Kraftstoffdruckspeicher zeitsynchron abgetastet und in einem festen zeitsynchronen Raster gemittelt. Daraus resultiert eine Unterabtastung des Messsignals, dies verursacht Aliasing-Effekte sowie systematische Fehler bei der Bestimmung der Dauer der Ansteuerung der Kraftstoffeinspritzventile. Als Ergebnis ist die real in den Brennraum geförderte Kraftstoffmenge mit Fehlern behaftet. Daraus ergeben sich Nachteile für die Rohemissionen, die Abgasnachbehandlung und die Laufruhe der Verbrennungskraftmaschine. Außerdem werden real nicht existierende Störungen in den Regelkreis der Druckregelung des Kraftstoffversorgungssystems eingekoppelt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, das diese Nachteile nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Kraftstoffpumpe, einem Kraftstoffdruckspeicher, mindestens einem Kraftstoffeinspritzventil und einem Kraftstoffdrucksensor gelöst, wobei zur Bestimmung der Dauer der Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils eine Bestimmung des Kraftstoffdruckes in dem Kraftstoffdruckspeicher erfolgt, wobei in Abhängigkeit eines gemessenen Kraftstoffdruckwertes für ein Arbeitsspiel des Zylinders eine Initialisierung eines Simulationsmodells erfolgt, wobei mittels des Simulationsmodells in Abhängigkeit von der Lage des Beginns und des Endes einer Förderung von Kraftstoff in den Brennraum eines Zylinders und in Abhängigkeit von der Lage des Beginns und des Endes einer Förderung von Kraftstoff in den Kraftstoffdruckspeicher eine Bestimmung des Kraftstoffdruckes in dem Kraftstoffdruckspeicher erfolgt. Erfindungsgemäß wird dabei für die Simulation des Kraftstoffdruckes angenommen, dass die Ableitung des Kraftstoffdruckes über der Zeit zwischen zwei Ereigniszeitpunkten konstant ist, wobei als Ereigniszeitpunkte der Beginn einer Förderung von Kraftstoff in den Brennraum eines Zylinders, das Ende einer Förderung von Kraftstoff in den Brennraum eines Zylinders, der Beginn einer Förderung von Kraftstoff in den Kraftstoffdruckspeicher und das Ende einer Förderung von Kraftstoff in den Kraftstoffdruckspeicher gelten. Während der Simulation findet zu jedem Ereigniszeitpunkt eine Änderung der Kraftstoffdruckableitung in Abhängigkeit vom aktuellen Ereignis statt. Die resultierende Kraftstoffdruckableitung wird bis zum nächsten Ereigniszeitpunkt als konstant angenommen. Als Simulationsergebnis liegt der Verlauf des Kraftstoffdruckes in dem Kraftstoffdruckspeicher als approximierter Geradenverlauf vor. Die konstante Ableitung des Kraftstoffdruckes zwischen den Ereigniszeitpunkten wird dabei durch physikalische Zusammenhänge bestimmt. Wesentliche Einflussfaktoren für die Ableitung des Kraftstoffdruckes sind dabei insbesondere der aktuelle gemessene Kraftstoffdruck in dem Kraftstoffdruckspeicher, die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine sowie die Temperatur des Kraftstoffes. Ferner fließen Merkmale der Geometrie der Kraftstoffeinspritzventile sowie der Konstruktion der Kraftstoffhochdruckpumpe in die Bestimmung der Ableitung des Kraftstoffdruckes ein. Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, das Simulationsmodell in eine Beobachterstruktur zu integrieren, um ein Wegdriften des simulierten Kraftstoffdruckes zu vermeiden. Dabei wird der simulierte Kraftstoffdruck zyklisch gegen einen gemessenen Kraftstoffdruck abgeglichen. Auf diese Weise werden außerdem Rückschlüsse über die Güte des Simulationsmodells im jeweiligen Arbeitspunkt gezogen. Zusammengefasst ist es erfindungsgemäß von Vorteil, dass bei Beginn einer Förderung von Kraftstoff in den Brennraum eines Zylinders Informationen über den Kraftstoffdruck in dem Kraftstoffdruckspeicher vorliegen und der Kraftstoffdruck zwischen zwei Ereigniszeitpunkten als lineare Funktion angenommen wird, so dass eine gleichmäßigere Förderung von Kraftstoff in den Brennraum eines Zylinders möglich ist. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß von Vorteil, dass eine Simulation des Verlaufes des Kraftstoffdruckes in dem Kraftstoffdruckspeicher erfolgt und es möglich ist, zu Beginn eines Arbeitsspieles den Kraftstoffdruck in dem Kraftstoffdruckspeicher zu berechnen und auf diese Weise die Dauer der Ansteuerung der Kraftstoffeinspritzventile zu bestimmen. Außerdem ist erfindungsgemäß eine gleichmäßigere Regelung des Kraftstoffdruckes in dem Kraftstoffdruckspeicher möglich, da zu Beginn und zum Ende einer Förderung von Kraftstoff in den Kraftstoffdruckspeicher Informationen über den Kraftstoffdruck in dem Kraftstoffdruckspeicher vorliegen. Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, den simulierten Kraftstoffdruck in dem Kraftstoffdruckspeicher bei dem Ende eines Arbeitsspieles für Diagnosezwecke einzusetzen, wobei wenn der simulierte Kraftstoffdruck in dem Kraftstoffdruckspeicher um einen bestimmten Betrag von dem gemessenen Kraftstoffdruck abweicht, kann ein defektes Kraftstoffeinspritzventil beziehungsweise eine defekte Kraftstoffpumpe detektiert werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel sowie den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen, hierbei zeigen
1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2: eine weitere schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Wie in 1 schematisch für ein Arbeitsspiel einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Zylinder und einem Kraftstoffeinspritzventil dargestellt, bewirken eine Entnahme und eine Zufuhr von Kraftstoff in den Kraftstoffdruckspeicher Schwankungen des Kraftstoffdruckes in dem Kraftstoffdruckspeicher. Insbesondere führt die Entnahme von Kraftstoff zu einem Absinken des Kraftstoffdruckes und eine Förderung von Kraftstoff zu einem Ansteigen des Kraftstoffdruckes. Im Punkt A des Kraftstoffdruckverlaufes wird eine Einspritzung von Kraftstoff begonnen und im Punkt B beendet, so dass zwischen diesen beiden Punkten der Kraftstoffdruck abnimmt. Bis Punkt C wird weder Kraftstoff aus dem Kraftstoffdruckspeicher entnommen, noch in den Kraftstoffspeicher gefördert, so dass der Kraftstoffdruck zwischen Punkt B und Punkt C konstant bleibt. In Punkt C beginnt die Kraftstoffpumpe Kraftstoff in den Kraftstoffdruckspeicher zu fördern, so dass der Kraftstoffdruck wieder ansteigt. In Punkt D endet diese Förderung, so dass der Kraftstoffdruck ab hier wieder konstant bleibt. Gemäß 1 ist das Signal einer Bezugsmarke gezeigt. Dieses Signal zeigt den Beginn eines neuen Arbeitsspieles der Verbrennungskraftmaschine an, für das die Dauer der Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils bestimmt werden soll. So erfolgt nach Beginn eines neuen Arbeitsspieles eine Bestimmung des Kraftstoffdruckes in dem Kraftstoffdruckspeicher, beispielsweise mittels eines Drucksensors, der in dem Kraftstoffspeicher angeordnet ist. Sobald der gemessene Kraftstoffdruckwert vorliegt, wird ein Simulationsmodell gestartet. Diesem Simulationsmodell werden der gemessene Kraftstoffdruckwert, Informationen über die Lage des Beginns der Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders, Informationen über die Menge beziehungsweise Masse an Kraftstoff, die dem Brennraum zugeführt wird, bereitgestellt. Außerdem verfügt das Simulationsmodell über geometrische Daten der Kraftstoffeinspritzanlage, sowie strömungsmechanische und elektrische Kennwerte des Kraftstoffeinspritzventils. Ferner werden dem Simulationsmodell Stoffdaten des Kraftstoffes übermittelt, wie beispielsweise die Dichte oder der Kompressionsmodul, gegebenenfalls in Abhängigkeit der Temperatur des Kraftstoffes. Im weiteren Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt umgehend eine Berechnung des Anstieges einer gedachten Geraden, die zwischen dem Beginn und dem Ende der Förderung von Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders verläuft. Da zu Beginn der Simulation noch nicht bekannt ist, wie die zeitliche Lage der Beendigung der Förderung von Kraftstoff durch das Kraftstoffeinspritzventil ist, erfolgt beispielsweise zunächst auf Grundlage der Kenntnis des zuvor gemessenen Kraftstoffdruckes eine Berechnung des Kraftstoffdruckes, der sich in dem Kraftstoffdruckspeicher einstellt, wenn die Menge beziehungsweise Masse an Kraftstoff, die dem Brennraum zugeführt werden soll, aus dem Kraftstoffdruckspeicher entnommen wurde. Wie in 1 gestrichelt gezeigt, ergibt sich so zunächst ein Sprung zwischen den Punkten A und B'. Anhand dieses sprungartigen Verlaufes kann beispielsweise ein mittlerer Kraftstoffdruck p_m abgeleitet werden, der hier im einfachsten Fall in der Mitte der gestrichelt gezeichneten zwischen den Punkten A und B' liegenden Gerade liegt. Sobald dieser berechnete Wert p_m vorliegt, kann in Verbindung mit den Informationen, die dem Simulationsmodell vorliegen, also insbesondere der Durchflusscharakteristik des Kraftstoffeinspritzventils, des zuvor gemessenen Kraftstoffdruckes und Angaben über die Stoffeigenschaften des Kraftstoffes, insbesondere in Verbindung mit der allgemein bekannten Durchflussgleichung nach Bernoulli die Zeit ermittelt werden, die das Kraftstoffeinspritzventil geöffnet sein muss, um die vorgegebene Menge beziehungsweise Masse an Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders zu fördern. Gegebenenfalls sind hier Annahmen über den im Zylinder herrschenden Druck oder Messungen dazu zur Bildung eines Druckverhältnisses über dem Kraftstoffeinspritzventil erforderlich. Auf Grundlage der nun bekannten Einspritzzeit, kann jetzt die Lage der Beendigung der Förderung von Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders bestimmt werden, also die zeitliche Lage des Punktes B gemäß 1. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß nun der Anstieg der Geraden zwischen dem Beginn und dem Ende der Förderung von Kraftstoff bestimmt, so dass gemäß dieser linearen Funktion eine Bestimmung der zeitlichen Lage der Beendigung der Förderung von Kraftstoff über das Kraftstoffeinspritzventil möglich ist. Es erfolgt somit erfindungsgemäß eine diskret-ereignisorientierte Simulation, da zu Beginn der Simulation noch nicht alle Ereigniszeitpunkte, in diesem Beispiel die Lage der Beendigung der Förderung von Kraftstoff in den Brennraum, feststehen. Ausgehend von der jetzt bekannten zeitlichen Lage der Beendigung der Förderung von Kraftstoff über das Kraftstoffeinspritzventil wird erfindungsgemäß solange angenommen, dass der im Punkt B vorliegende Kraftstoffdruck konstant ist, bis ein weiteres Ereignis eintritt. Gemäß 1 tritt als nächstes Ereignis in Punkt C der Beginn einer Förderung von Kraftstoff in den Kraftstoffdruckspeicher durch die Kraftstoffpumpe ein, wobei dieser Beginn durch die Konstruktion der Kraftstoffpumpe beziehungsweise der Zuordnung der Kraftstoffpumpe zu der Verbrennungskraftmaschine beispielsweise über den Steuertrieb vorgegeben ist. Natürlich kann dieser Beginn auch aus einer Vorgabe seitens der Steuerung der Verbrennungkraftmaschine zur Ansteuerung eines Volumenstromregelventils abgeleitet sein. Auf Grundlage der vorherrschenden Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise der Drehzahl der Kraftstoffpumpe, geometrischer Daten der Kraftstoffpumpe, wie insbesondere der Anzahl der Kolben und des jeweiligen Hubvolumens, kann nun eine Bestimmung der Zeit erfolgen, die vergeht, um in dem betrachteten Arbeitsspiel wieder Kraftstoff in den Kraftstoffdruckspeicher zu fördern. Mit anderen Worten kann so bestimmt werden, welcher Kraftstoffdruck bei welcher zeitlichen Lage sich im Kraftstoffdruckspeicher einstellen wird, wenn während des betrachteten Arbeitsspieles eine Förderung von Kraftstoff in den Kraftstoffdruckspeicher erfolgt. Insofern ist bei der Förderung von Kraftstoff in den Kraftstoffdruckspeicher im Vergleich zur Förderung von Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders die Lage des Beginns und des Endes der Förderung bekannt durch die wiederum bekannte Geometrie der Kraftstoffpumpe und der Betriebsdaten, wie insbesondere der Eigenschaften des Kraftstoffes und der Antriebdrehzahl der Kraftstoffpumpe, so dass der Kraftstoffdruck im Kraftstoffdruckspeicher sowie dessen zeitliche Lage in Punkt D bestimmt werden kann. Mit anderen Worten kann eine Gerade zwischen den Punkten C und D gebildet werden beziehungsweise erfindungsgemäß angenommen werden, dass sich der Druck zwischen den beiden Ereignissen in Punkt C und D linear verhält. Wie in 1 gezeigt, bleibt dazu das Simulationsmodell noch bis nach dem Ende der Förderung von Kraftstoff in den Kraftstoffdruckspeicher aktiv. Wie in 1 weiterhin gezeigt, wird der Verlauf des Druckes nach Punkt D ebenfall wieder als konstant angesehen. Im weiteren Verlauf erfolgt dann ein neues Arbeitsspiel, eine Messung des Kraftstoffdruckes sowie eine Initialisierung des Simulationsmodells und wie beschrieben eine Bestimmung der einzelnen Punkte A bis D. In 2 ist weiterhin die erfindungsgemäß vorgesehene Einbindung des Simulationsmodells in eine Beobachterstruktur dargestellt. Demgemäß werden die Steuerzeiten betreffend die Einspritzung, also die Lage des Beginns und des Endes einer Förderung von Kraftstoff in den Brennraum eines Zylinders und die Steuerzeiten der Hochdruckpumpe, also der Beginn und das Ende einer Förderung von Kraftstoff in den Kraftstoffdruckspeicher einem Raildruckmodell, also dem Simulationsmodell, zugeführt. Ferner wird dem Raildruckmodell ein gemessener Raildruck zugeführt, der dem oben beschriebenen, zu Beginn des betrachteten Arbeitsspieles gemessenen Kraftstoffdruck entspricht und es wird ein Raildruck modelliert beziehungsweise wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben eine Simulation des Verlaufes des Kraftstoffdruckes durchgeführt. Das Kraftstoffeinspritzventil und die Kraftstoffpumpe werden mit den entsprechenden Steuerzeiten angesteuert und es wird der Kraftstoffdruck beziehungsweise der Raildruck gemessen, der im Kraftstoffrail beziehungsweise dem Kraftstoffdruckspeicher vorherrscht. Der gemessene Raildruck wird nun dem modellierten Raildruck gegenübergestellt, so dass eine Information über die Güte des Simulationsmodells vorliegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19726757 B4 [0002]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Kraftstoffpumpe, einem Kraftstoffdruckspeicher, mindestens einem Kraftstoffeinspritzventil und einem Kraftstoffdrucksensor, wobei zur Bestimmung der Dauer der Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils eine Bestimmung des Kraftstoffdruckes in dem Kraftstoffdruckspeicher erfolgt, wobei in Abhängigkeit eines gemessenen Kraftstoffdruckwertes für ein Arbeitsspiel des Zylinders eine Initialisierung eines Simulationsmodells erfolgt, wobei mittels des Simulationsmodells in Abhängigkeit von der Lage des Beginns und des Endes einer Förderung von Kraftstoff in den Brennraum eines Zylinders und in Abhängigkeit von der Lage des Beginns und des Endes einer Förderung von Kraftstoff in den Kraftstoffdruckspeicher eine Bestimmung des Kraftstoffdruckes in dem Kraftstoffdruckspeicher erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei für die Simulation des Kraftstoffdruckes angenommen wird, dass die Ableitung des Kraftstoffdruckes über der Zeit zwischen zwei Ereigniszeitpunkten konstant ist, wobei als Ereigniszeitpunkte der Beginn einer Förderung von Kraftstoff in den Brennraum eines Zylinders, das Ende einer Förderung von Kraftstoff in den Brennraum eines Zylinders, der Beginn einer Förderung von Kraftstoff in den Kraftstoffdruckspeicher und das Ende einer Förderung von Kraftstoff in den Kraftstoffdruckspeicher gelten.
Verfahren nach Patentanspruch 2, wobei während der Simulation zu jedem Ereigniszeitpunkt eine Änderung der Kraftstoffdruckableitung in Abhängigkeit vom aktuellen Ereignis stattfindet, wobei die resultierende Kraftstoffdruckableitung bis zum nächsten Ereigniszeitpunkt als konstant angenommen wird, wobei als Simulationsergebnis der Verlauf des Kraftstoffdruckes in dem Kraftstoffdruckspeicher als approximierter Geradenverlauf vorliegt.
Verfahren nach Patentanspruch 3, wobei die konstante Ableitung des Kraftstoffdruckes zwischen den Ereigniszeitpunkten durch physikalische Zusammenhänge bestimmt wird, wobei Einflussfaktoren für die Ableitung des Kraftstoffdruckes der aktuelle gemessene Kraftstoffdruck in dem Kraftstoffdruckspeicher, die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine sowie die Temperatur des Kraftstoffes, Merkmale der Geometrie der Kraftstoffeinspritzventile sowie der Konstruktion der Kraftstoffhochdruckpumpe sind.
Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 4, wobei das Simulationsmodell in eine Beobachterstruktur integriert ist, wobei der simulierte Kraftstoffdruck zyklisch gegen einen gemessenen Kraftstoffdruck abgeglichen wird, wobei Rückschlüsse über die Güte des Simulationsmodells im jeweiligen Arbeitspunkt gezogen werden.