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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen wenigstens eines Raildruck-Schließstrom-Wertepaares für ein Druckregelventil eines Common-Rail-Einspritzsystems
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Stand der Technik
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Bei Dieselmotoren sind heutzutage Common-Rail-Systeme (CRS) zur Kraftstoffeinspritzung weit verbreitet. Moderne Common-Rail-Systeme sind häufig mit einem sog. 2-Steller-Raildruck-Regler ausgestattet. In einem solchen System wird der Einspritzdruck entweder über eine Androsselung der Hochdruck-Pumpe durch ein vor der Pumpe angeordnetes Ventil (Zumesseinheit – ZME) oder über ein hochdruckseitig angeordnetes Ventil (Druckregel-Ventil – DRV) eingestellt. Die Raildruckregelung kann also prinzipiell in einem solchen System über drei verschiedene Betriebsarten (ZME, DRV und Mischbetrieb) betrieben werden. Bei Dieselfahrzeugen wird dies insbesondere genutzt, um z. B. einerseits unmittelbar nach einem Kaltstart im Winter Wärme in das Kraftstoffsystem einzubringen (DRV-Betrieb mit hoher Verlustleistung) und damit die Gefahr einer Versulzung zu minimieren und um andererseits im Warmbetrieb die Verlustleistung zu minimieren, indem nur die tatsächlich notwendige Kraftstoffmasse verdichtet wird (ZME-Betrieb). Die Umschaltung zwischen beiden Regelbetriebsarten erfordert eine genaue Kenntnis der Kennlinien beider Ventile, um Drucküber- oder -unterschwinger gering halten zu können. Insbesondere beim Druckregelventil ist nämlich der Schließstrom vom vorherrschenden Raildruck abhängig. Unter ”Kennlinie” wird im folgenden eine Anzahl von Raildruck-Schließstrom-Wertepaaren, d. h. der zu einem bestimmten vorherrschenden Raildruck zugehörige Schließstrom des Ventils, verstanden.
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Es ist bevorzugt, die DRV-Kennlinie durch eine als ”Adaptive Pressure Control Valve (APCV)” bekannte Funktionalität zu adaptieren. Hierzu wird im DRV-Betrieb bei Vorliegen(quasi-)stationärer Betriebsbedingungen der zum Einstellen des gewünschten Raildrucks notwendige Ist-Strom gemessen, und mit einem erwarteten Soll-Strom verglichen. Das Verhältnis beider Ströme wird dann als Lernwert bzw. Apdaptionswert gespeichert. Um eine hohe Genauigkeit der Adaption zu erreichen, sollte dieses Lernverfahren bei möglichst hohen Betriebsdrücken angewandt werden.
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Diese notwendigen Betriebsdrücke werden jedoch in vielen Fällen nur bei sehr hohen Motorlasten erreicht. Zusätzlich sollte aufgrund von Umweltschutzgesichtspunkten der reine DRV-Betrieb möglichst vermieden werden. Beides führt dazu, dass eine APCV-Adaption nur selten stattfindet. Auch zwingen gesetzliche Vorgaben in manchen Ländern zu einer häufigeren Bestimmung einer DRV-Kennlinie, d. h. eines oder mehrerer Raildruck-Schließstrom-Wertepaare.
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Es ist deshalb wünschenswert, ein Adpationsverfahren für ein Druckregelventil mit gesteigerter Lernhäufigkeit anzugeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Bestimmen wenigstens eines Raildruck-Schließstrom-Wertepaares für ein Druckregelventil eines Common-Rail-Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Es sei betont, dass die Erfindung auf Diesel- oder auch Ottomotoren anwendbar ist.
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Die Erfindung fußt wesentlich auf der Erkenntnis, dass während eines ZME-Regelbetriebs des Common-Rail-Einspritzsystems der Schließstrom des Druckregelventils in Abhängigkeit vom vorherrschenden Druck bestimmt werden kann, wenn der angelegte Schließstrom so lange abgesenkt wird, bis eine Veränderung im Raildruck messbar wird. Der so zu dem aktuell anliegenden Raildruck bestimmte Schließstrom kann in einen Adaptionswert für die DRV-Kennlinie umgewandelt und, beispielsweise in einem Steuergerät, abgespeichert werden.
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Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass die vorgeschlagene Funktion im ZME-Betrieb und bei jedem beliebigen Raildruck arbeitet, während bspw. die oben beschriebene APCV-Funktion auf die Kombination von DRV-Betrieb und hohem Raildruck angewiesen ist. Dadurch kann ein Adpationsverfahren für ein Druckregelventil mit gesteigerter Lernhäufigkeit bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise erfolgt das Absenken des Ansteuerstroms für das Druckregelventil moduliert, bspw. sinusförmig oder rechtförmig, moduliert, wobei der mittlere Ansteuerstrom abgesenkt wird. Grundsätzlich ist jede periodische Modulation möglich. Wird der mittlere Ansteuerstrom moduliert abgesenkt, reagiert der Raildruck hierauf nicht, solange der (raildruckabhängige) Schließstrom des DRV nicht unterschritten wird. Wird der Schließstrom des DRV unterschritten, öffnet das DRV und der Raildruck beginnt mit der Modulationsfrequenz zu schwingen. Zur Auswertung ist es möglich, das Raildrucksignal auf Grundlage der Modulationsfrequenz zu analysieren. Zeigt sich keine Reaktion des Raildrucksignals, so ist das Ventil vollständig geschlossen. Bildet sich im Raildrucksignalverlauf bspw. nur die untere Halbwelle der Modulation des Stroms ab, so liegt der DRV-Schließstrom in der unmittelbaren Umgebung des Ist-Stroms. Erscheint die Modulation komplett im Raildrucksignal, ist der Ist-Strom Strom geringer als der Schließstrom und der mittlere Raildruck sinkt ab.
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Um eine besonders genaue Bestimmung des Schließstroms zu erhalten, empfiehlt es sich, zusätzlich zur Frequenz der Modulation auch die Phasenlage auszuwerten. Aufgrund der Trägheit des Systems wird die Reaktion des Raildrucks gegenüber der Modulation des DRV-Stroms verzögert beobachtet werden. Diese Verzögerung äußert sich als konstanter Phasenversatz, der zusätzlich genutzt werden kann, um das Rauschen auf dem Raildrucksignal zu unterdrücken (sog. Lock-In- oder phasenempfindlicher Nachweis).
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Das Betreiben des Common-Rail-Einspritzsystems in einem ZME-Regelbetrieb erfolgt vorteilhafterweise bei hohen Drücken, insbesondere bei einem Raildruck größer als 1000 bar, vorzugsweise größer als 1500 bar, mehr vorzugsweise größer 2000 bar. Grundsätzlich hängt der gewünschte Betriebsdruck des Einspritzsystems von der Applikation des Motors, d. h. von den Entwicklungsvorgaben, ab. Diese Applikation zielt üblicherweise darauf, möglichst wenig Emissionen, geringen Verbrauch usw. zu realisieren. Die vorherrschenden Drücke hängen dabei vom Betriebspunkt ab, bspw. sind im Leerlauf deutlich geringere Drücke, z. B. weniger als 500 bar, zu erwarten.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt schematisch ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem, anhand dessen eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben wird,
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2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Schemas eines Zustandsautomaten, und
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3 zeigt in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen einem erfassten Raildruckverlauf und dem angelegten Ventilstrom. Ausführungsform(en) der Erfindung
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1 zeigt als schematisches Diagramm ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem 100 für einen Verbrennungsmotor 116, z. B. einen Dieselmotor. In einem teilweise angeschnitten gezeigten, mit Kühlwasser 114 gekühlten Zylinder 124 des Verbrennungsmotors 116 ist ein Kolben 126 beweglich angeordnet. Ein Injektor 109 zum Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder ist am Zylinder 124 montiert.
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Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst einen Kraftstofftank 101, der in nahezu gefülltem Zustand gezeigt ist. Angeordnet innerhalb des Kraftstofftanks 101 ist eine Vorförderpumpe 103, die durch ein Vorfilter 102 Kraftstoff aus dem Tank 101 ansaugt und mit niedrigem Druck von 1 bar bis maximal 10 bar durch eine Kraftstoffleitung 105 bis zu einem Kraftstofffilter 104 befördert. Von dem Kraftstofffilter 104 führt eine weitere Niederdruckleitung 105' zu einer Hochdruckpumpe 106, die den zugeführten Kraftstoff bis auf einen hohen Druck komprimiert, der je nach System typischerweise zwischen 100 bar und 2000 bar liegt. Die Hochdruckpumpe 106 speist den komprimierten Kraftstoff in eine Hochdruckleitung 107 und ein mit dieser verbundenes Rail 108 ein. Vom Rail 108 führt eine weitere Hochdruckleitung 107' zum Injektor 109. Die Hochdruckpumpe 106 weist eine Zumesseinheit (ZME) 113 auf.
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Ein System von Rücklaufleitungen 110 ermöglicht den Rückfluss überschüssigen Kraftstoffs aus dem Kraftstofffilter 104, der Hochdruckpumpe 106 bzw. Zumesseinheit 113, dem Injektor 109 und dem Rail 108 in den Kraftstofftank 101. Dabei ist zwischen das Rail 108 und die Rückflussleitung 110 ein Druckregelventil (DRV) 112 geschaltet, das durch Verändern der vom Rail 108 in die Rückflussleitung 110 abfließenden Kraftstoffmenge den im Rail 108 herrschenden hohen Druck auf einem konstanten Wert einregeln kann.
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Das gesamte Common-Rail-Einspritzsystem 100 wird durch ein Steuergerät 111 gesteuert, das über elektrische Leitungen 128 mit der Vorförderpumpe 103, der Hochdruckpumpe 106, der Zumesseinheit 113, dem Injektor 109, einem Drucksensor 134 am Rail 108, dem Druckregelventil 112 sowie Temperatursensoren 132, 122 am Verbrennungsmotor 116 bzw. an der Kraftstoffzulaufleitung 105 verbunden ist. Das Steuergerät steht über ein Bussystem 136 mit weiteren, nicht gezeigten Steuergeräten in Verbindung, mittels derer es auf weitere Daten wie die Umgebungstemperatur, die Fahrgeschwindigkeit oder die Motordrehzahl zurückgreifen kann.
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In 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Schemas 200 dargestellt. Das Schema 200 zeigt den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Zustandsautomaten.
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Der Zustand 201 bezeichnet das Warten auf einen stationären Raildruck. Es ist für den Ablauf des Verfahrens vorteilhaft, wenn der Raildruck im Wesentlichen stationär eingeschwungen ist. Ein absolut stationärer Betrieb, z. B. der Drehzahl oder der Einspritzmenge des Motors, ist in der Praxis nicht erforderlich, da das Druckregelventil zu Beginn des Verfahrens geschlossen ist und der ZME-Regler hiervon unabhängig betrieben werden kann. Es ist ausreichend, die Einhaltung eines zulässigen Druckfensters ± Δp für eine bestimmte Zeit ± Δt zu überwachen. Ist diese Bedingung erfüllt, geht das System entlang (1) in einem Zustand 202 über.
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Der Zustand 202 bezeichnet das Aufschalten einer Modulation. Auf den Ansteuerstrom des Druckregelventils wird hierbei eine, zweckmäßigerweise periodische, Modulation aufgeschaltet. Erfüllt der Raildruck nach Aufschalten der Modulation immer noch die Stabilitatsbedingungen gemäß Zustand 201, so wird entlang (2) in einen Zustand 203 gewechselt. Andernfalls erfolgt ein Übergang in einen Zustand 206 entlang (0).
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Der Zustand 203 bezeichnet das Absenken des mittleren Ansteuerstroms an das Druckregelventil. Dabei wird der Sollwert des mittleren Ansteuerstroms abgesenkt, was beispielsweise mit einer diskreten Schrittweite erfolgen kann, die letztendlich die Messauflösung für den Schließstrom bestimmt. Ist der DRV-Stromregler nach der Absenkung wieder stabil eingeschwungen und sind die Bedingungen gemäß Zustand 201 immer noch erfüllt, erfolgt der Übergang entlang (3) in einen Zustand 204. Andernfalls erfolgt ein Übergang entlang (0) in den Zustand 206.
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Der Zustand 204 beschreibt das Beobachten des Raildrucksignals. In diesem Zustand wird das Raildrucksignal mit hinreichend großer Auflösung erfasst. Eine Auswertung des Raildrucksignals kann dadurch erfolgen, dass das erfasste Raildrucksignal in die Phase das Modulationssignals (oder eines anderen Referenzsignals gleicher Frequenz) geschoben und anschließend mit diesem multipliziert wird. Das Ergebnis zeigt keinen Vorzeichenwechsel mehr, so dass besonders einfach ein gleitender Mittelwert, bspw. über mehrere Perioden hinweg, gebildet werden kann. Überschreitet dieser Mittelwert einen vorgegebenen Schwellwert, wird auf ein Öffnen des Druckregelventils erkannt und es folgt der Übergang in einen Zustand 205 entlang (4). Wird der Schwellwert nicht überschritten, erfolgt der Rücksprung in Zustand 203 entlang (3*), so dass der mittlere Ansteuerstrom weiter abgesenkt wird. Wird während der Beobachtung des Raildrucksignals im Zustand 204 eines der Stabilitätskriterien gemäß Zustand 201 verletzt, wird entlang (0) in den Zustand 206 übergegangen. Dieser frequenz- und phasenempfindliche Nachweis der Modulation im Raildrucksignal trägt gegenüber konventionellen Filtern, wie z. B. Bandpass, wesentlich zur Steigerung der Empfindlichkeit des Verfahrens bei.
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Der Zustand 205 beschreibt die Ermittlung eines Adaptionswertes. Dazu kann der ermittelte Schließstrom für einen zugehörigen Raildruckwert in Beziehung zu einem Sollstrom gesetzt und daraus ein Faktor bzw. Adaptionswert bestimmt werden. Mit diesem kann anschließend eine ursprüngliche DRV-Kennlinie skaliert werden. Nach erfolgreicher Berechnung des Adaptionswerts erfolgt der Übergang entlang (5) in den Zustand 206.
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Der Zustand 206 beschreibt das Ende des Verfahrens. Die Modulation des Ansteuerstroms wird beendet und es erfolgt der Rücksprung entlang (6) in den Ausgangszustand 201.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Bestimmung des Schließstroms bei möglichst hohen Raildrücken wünschenswert. Aus diesem Grund erscheint es zweckmäßig, in Zustand 201 nicht alleine auf die Stabilität des Raildrucks zu prüfen, sondern auch das Überschreiten einer Raildruck-Schwelle zu fordern. Diese Schwelle sollte sinnvollerweise nach einem erfolgreichen Lernvorgang angehoben, und, sofern innerhalb einer applizierbaren Zeit kein erfolgreicher Lernvorgang stattgefunden hat, wieder abgesenkt werden. Auf diese Weise wird erreicht, dass sowohl hinreichend oft als auch bei möglichst hohen Drücken gelernt wird.
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Auch lässt sich z. B. in Zustand 204 anstelle der Modulations-Frequenz, welche zum Gradienten des Raildrucks führt, auch die doppelte Frequenz zum phasenempfindlichen Nachweis benutzen. Als Ergebnis des oben beschriebenen Mittelungsprozesses erhält man die zweite Ableitung des Raildrucks nach dem Ansteuerstrom. Die Nutzung der doppelten Frequenz bietet eine bessere Rauschunterdrückung. Hierdurch lässt sich in einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens die Kennlinie des Stellers auch Stück für Stück nachlernen. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn die sog. Linearitätsbedingung für das DRV aufgrund z. B. konstruktiver Gegebenheiten oder aufgrund von Fertigungstoleranzen nicht mehr erfüllbar ist. Es empfiehlt es sich, die DRV-Bestromung hierbei nicht stufenweise, sondern kontinuierlich abzusenken, da bis zum Öffnen des Ventils der Gradient des Raildrucks verschwindet. Im Moment des Öffnens beginnt dann der Raildruck abzusinken und das Ausgangssignal des oben geschilderten Verfahrens wird proportional zum Gradienten des Raildruck-Verlaufs über dem Ansteuerstrom.
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In 3 ist anhand eines Diagramms 300 ein möglicher Zusammenhang zwischen einem Ansteuerstromverlauf 301 und einem erfassten Raildruckverlauf 302 dargestellt. Der Ansteuerstromverlauf I und der Raildruckverlauf P sind gegen die Zeit t aufgetragen.
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Das Verfahren beginnt damit, dass in einem Zeitraum 303 ein erster modulierter Ansteuerstrom I1 an das Druckregelventil angelegt und gleichzeitig der sich im Common-Rail ergebende Raildruck erfasst bzw. gemessen wird. In dem Zeitraum 303 sind keine Schwankungen im Raildruckverlauf 302 erkennbar. Vielmehr herrscht ein im Wesentlichen statischer Raildruck P0 vor.
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In einem anschließenden Zeitraum 304 wird der mittlere Ansteuerstrom abgesenkt, so dass ein mittlerer Ansteuerstromverlauf um einen Mittelwert I0 an das Druckregelventil angelegt wird. Gleichzeitig wird wiederum der Raildruck erfasst. In dem Zeitraum 304 ist erkennbar, dass der Raildruck periodisch absinkt, was durch die Modulation des Ansteuerstrom hervorgerufen wird. Durch die Trägheit des Systems ist eine Phasenverschiebung Φ zwischen dem Absinken des Ansteuerstroms und dem zugehörigen Absinken des Raildrucks messbar. Diese Phasenverschiebung kann zur besseren Auswertung der Messung verwendet werden.
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In einem anschließenden Zeitraum 305 wird der mittlere Ansteuerstrom weiter abgesenkt, so dass nun ein um den Mittelwert I2 modulierter Ansteuerstrom vorliegt. Im zugehörigen Raildruckverlauf ist die Modulation ebenfalls deutlich erkennbar, welche um einen Raildruckmittelwert P2 schwankt.
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Aus den Messwerten kann nun ein Raildruck-Schließstrom-Wertepaar für das zugrundeliegende Druckregelventil bestimmt werden, indem dem Raildruck P0 der Schließstrom I0 zugeordnet wird.
