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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, bei dem Kraftstoff mittels einer Hochdruckpumpe in einen Kraftstoffspeicher gefördert und mittels mindestens eines Injektors für eine Kraftstoffeinspritzung aus dem Kraftstoffspeicher entnommen wird.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Ausführung eines derartigen Verfahrens.
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Aus der
DE 10 2007 019 640 A1 ist bereits ein Verfahren und ein Steuergerät zur Steuerung der Einspritzung bei einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem Druckwerte von einem Drucksensor, die mit einer zeitlichen Verzögerung in dem Steuergerät zur Verfügung stehen, korrigiert werden. Die Korrektur erfolgt dabei in Abhängigkeit eines zweiten Druckwerts, der zu einem anderen Zeitpunkt erfasst wird als ein erster Druckwert.
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Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist die unzureichende Genauigkeit der eingespritzten Kraftstoffmenge insbesondere in einem nichtstationären Betriebsbereich des Kraftstoffeinspritzsystems. Darüberhinaus sind bei dem herkömmlichen System nachteilig mehrere Kraftstoffdruckmesswerte zu ermitteln.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Steuergerät der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine gesteigerte Präzision hinsichtlich der Kraftstoffeinspritzung insbesondere in einem nichtstationären Betriebsbereich gewährleistet ist, ohne dass für eine Kraftstoffeinspritzung mehrere Druckmesswerte erfasst werden müssen.
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Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine zeitliche Änderung des in dem Kraftstoffspeicher herrschenden Kraftstoffdrucks zwischen einem Druckmesszeitpunkt, zu dem der in dem Kraftstoffspeicher vorliegende Kraftstoffdruck, insbesondere mittels eines Drucksensors, gemessen wird, und einem nachfolgenden Einspritzzeitpunkt, zu dem Kraftstoff mittels des Injektors eingespritzt wird, unter Verwendung eines Modells ermittelt wird, das ein Betriebsverhalten der Hochdruckpumpe nachbildet.
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Die erfindungsgemäße Verwendung des Modells ermöglicht vorteilhaft, auf das Erfordernis einer mehrfachen Druckmessung für eine einzige Kraftstoffeinspritzung zu verzichten. Ferner kann durch eine geeignete Auslegung des erfindungsgemäßen Modells eine verhältnismäßig große Präzision bei der Ermittlung der zeitlichen Änderung des Kraftstoffdrucks auch in einem nichtstationären Betriebsbereichs des Kraftstoffeinspritzsystems erzielt werden. Damit ist vorteilhaft auch eine gesteigerte Präzision bei der Kraftstoffzumessung selbst gegeben, so dass das Emissionsverhalten einer das Kraftstoffeinspritzsystem enthaltenden Brennkraftmaschine verbessert wird.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens sieht vor, dass das Modell eine Mengenbilanz zum Gegenstand hat, die mindestens einen von der Hochdruckpumpe in den Kraftstoffspeicher geförderten Kraftstoffmassenstrom berücksichtigt, wodurch eine besonders präzise Aussage über die zeitliche Änderung des Kraftstoffdrucks möglich ist. Diese Mengenbilanz wird vorteilhaft zusätzlich zu dem eigentlichen Betriebsverhalten der Hochdruckpumpe modelliert.
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Einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform zufolge ist vorgeschlagen, dass ein zeitlicher Verlauf eines beziehungsweise des von der Hochdruckpumpe in den Kraftstoffspeicher geförderten Kraftstoffmassenstroms zumindest abschnittsweise approximiert wird mittels mindestens eines Polynoms, insbesondere einer Parabel, und/oder mittels einer Halbellipse. Diese Erfindungsvariante erfordert vorteilhaft einen verhältnismäßig geringen Rechenaufwand, um das Förderverhalten der Hochdruckpumpe nachzubilden.
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Das erfindungsgemäße Modell kann einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge auch dazu verwendet werden, einen zeitlichen Verlauf des Kraftstoffdrucks in dem Kraftstoffspeicher zwischen dem Druckmesszeitpunkt und dem Einspritzzeitpunkt nachzubilden. In diesem Fall ist für den gesamten betrachteten Zeitraum ein entsprechend modellierter Kraftstoffdruck von dem erfindungsgemäßen Modell verfügbar.
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Da der aktuelle Kraftstoffdruck üblicherweise in dem Zeitbereich zwischen dem Druckmesszeitpunkt und dem Einspritzzeitpunkt nicht benötigt wird, kann das erfindungsgemäße Verfahren alternativ auch nur die Bereitstellung des modellierten Kraftstoffdruckwerts zu dem Einspritzzeitpunkt vorsehen, so dass der dazwischenliegende Verlauf nicht bereitgestellt werden muss.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass das Modell ein Betriebsverhalten der Hochdruckpumpe in Abhängigkeit einer oder mehrerer der nachfolgenden Größen nachbildet:
- – Drehzahl der Brennkraftmaschine,
- – Ansteuergröße einer Zumesseinheit, mit der ein der Hochdruckpumpe eingangsseitig zugeführter Kraftstoffmassenstrom beeinflussbar ist,
- – Ansteuergröße eines Drucksteuerventils, über das der Kraftstoffdruck in dem Kraftstoffspeicher gesteuert verringerbar ist,
- – messtechnisch erfasster Kraftstoffdruck in dem Kraftstoffspeicher,
- – Zeit bzw. Kurbelwellenwinkel der Brennkraftmaschine.
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Einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge kann vorgesehen sein, dass das Modell einen Förderbeginn, zu dem die Hochdruckpumpe eine Kraftstoffförderung in den Kraftstoffspeicher startet, und/oder eine Förderdauer in Abhängigkeit einer Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder einer Ansteuergröße einer Zumesseinheit, mit der ein der Hochdruckpumpe eingangsseitig zugeführter Kraftstoffmassenstrom beeinflussbar ist, ermittelt. Eine Kraftstofftemperatur kann vorteilhaft ebenfalls berücksichtigt werden. Die vorstehend genannten Größen Drehzahl, Ansteuergröße der Zumesseinheit, Temperatur sind üblicherweise in einem das Kraftstoffeinspritzsystem steuernden Steuergerät verfügbar.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Erfindungsvariante, die einen besonders geringen messtechnischen Aufwand erfordert, sieht vor, dass in dem Zeitraum zwischen dem Druckmesszeitpunkt und dem nachfolgenden Einspritzzeitpunkt ein einziger Messwert für den Kraftstoffdruck erfasst wird, um einen nachgebildeten Kraftstoffdruck zu dem Einspritzzeitpunkt und/oder einen zeitlichen Verlauf des nachgebildeten Kraftstoffdrucks in dem Zeitraum zu ermitteln.
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Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens in Form eines Computerprogramms, das auf einem elektronischen und/oder optischen Speichermedium abgespeichert sein kann, und das von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung z. B. für eine Brennkraftmaschine oder ein Kraftstoffeinspritzsystem ausführbar ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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In der Zeichnung zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäß betriebenen Kraftstoffeinspritzsystem,
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2 ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3 einen zeitlichen Verlauf von Betriebsgrößen des Kraftstoffeinspritzsystems gemäß 1,
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4 einen zeitlichen Verlauf eines erfindungsgemäß modellierten Kraftstoffmassenstroms, und
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5 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Modells.
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Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst einen Tank 12, aus dem ein Fördersystem 14 Kraftstoff in ein Common-Rail 16 fördert. An dieses sind mehrere elektromagnetisch betätigte Einspritzventile 18a bis 18d angeschlossen, die den Kraftstoff direkt in ihnen zugeordnete Brennräume 20a bis 20d einspritzen. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 22 gesteuert beziehungsweise geregelt, die unter anderem auch die Einspritzventile 18a bis 18d ansteuert.
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Das Fördersystem 14 weist eine Hochdruckpumpe 14a auf, der eingangsseitig fakultativ eine z. B. elektrisch ansteuerbare Zumesseinheit 14b zugeordnet sein kann, mit der ein der Hochdruckpumpe 14a eingangsseitig zugeführter Kraftstoffmassenstrom beeinflussbar ist. Die Hochdruckpumpe 14a ist beispielsweise als Radialkolbenpumpe ausgebildet und kann bevorzugt direkt durch die Brennkraftmaschine 10 angetrieben werden.
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Dem Common-Rail 16 ist ein Raildrucksensor 17 zugeordnet, mittels dem das Steuergerät 22 den auch als Raildruck bezeichneten Kraftstoffdruck in dem Common-Rail 16 erfassen kann.
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Um eine möglichst präzise Ermittlung des Raildrucks und damit auch eine präzise Kraftstoffeinspritzung zu ermöglichen, sieht das erfindungsgemäße Betriebsverfahren vor, eine zeitliche Änderung des in dem Kraftstoffspeicher 16 herrschenden Kraftstoffdrucks prail zwischen einem Druckmesszeitpunkt, zu dem der in dem Kraftstoffspeicher 16 vorliegende Kraftstoffdruck prail, insbesondere mittels des Drucksensors 17 gemessen wird, und einem nachfolgenden Einspritzzeitpunkt, zu dem Kraftstoff mittels des Injektors 18a eingespritzt wird, unter Verwendung eines Modells 200 zu ermitteln, das ein Betriebsverhalten der Hochdruckpumpe 14a nachbildet.
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Dadurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass üblicherweise eine nichtverschwindende Latenzzeit besteht zwischen einer messtechnischen Raildruckerfassung zu dem Druckmesszeitpunkt und dem nachfolgenden Einspritzzeitpunkt. Während dieser Latenzzeit kann sich der Raildruck insbesondere in hochdynamischen Betriebsbereichen des Kraftstoffeinspritzsystems verhältnismäßig stark ändern, so dass sich bei herkömmlichen Systemen eine sehr ungenaue Kraftstoffzumessung ergibt, weil die Berechnung der Einspritzmenge von einem obsoleten Raildruckwert ausgeht, der stark von dem zu dem Einspritzzeitpunkt herrschenden Raildruck abweichen kann.
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Dieses Problem wird durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Modells vermieden, weil das Modell eine genaue Nachbildung des Raildrucks insbesondere zu dem tatsächlichen Einspritzzeitpunkt erlaubt. Dies erfolgt vorteilhaft auf der Basis eines einzigen Raildruckmesswerts, der wie seither zu dem Druckmesszeitpunkt erfasst wird. Unter Kenntnis des erfindungsgemäß modellbasiert erhaltenen Raildruckwerts kann eine präzise Kraftstoffzumessung erfolgen.
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Das erfindungsgemäße Modell 200 (1) ist beispielsweise in Form eines Computerprogramms implementiert, das auf einer Recheneinheit des Steuergeräts 22, beispielsweise einem Mikrocontroller oder einem digitalen Signalprozessor (DSP), abläuft.
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2 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In einem ersten Schritt 100 wird zu einem Druckmesszeitpunkt tmess, vergleiche auch 3, ein Raildruckmesswert mittels des Drucksensors 17 (1) messtechnisch erfasst. Anschließend wird in Schritt 110 (2) des erfindungsgemäßen Verfahrens das erfindungsgemäße Modell 200 ausgeführt, um eine Änderung des Raildrucks für Zeitpunkte t > tmess oder speziell t = tinj (Einspritzzeitpunkt) nachzubilden.
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Dies trägt der Tatsache Rechnung, dass das Steuergerät 22 nach der Druckmessung zu dem Zeitpunkt tmess eine nichtverschwindende Zeitdifferenz ΔT (3) erfordert, um die für die Ermittlung einer einzuspritzenden Kraftstoffmenge erforderlichen Berechnungen anzustellen. Daher ist erst nach der Wartezeit ΔT, nämlich zu dem Zeitpunkt tinj, eine Kraftstoffeinspritzung durch den Injektor 18a (1) möglich.
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Während der Wartezeit ΔT wird unter Zuhilfenahme des erfindungsgemäßen Modells 200 eine Änderung Δp des Raildrucks prail – ausgehend von dem Raildruckmesswert zu dem Zeitpunkt tmess – nachgebildet, so dass zu dem Einspritzzeitpunkt tinj ein modellierter Raildruckwert pmodinj vorliegt, der möglichst gut mit dem tatsächlichen Raildruckwert prailinj übereinstimmt. 3 zeigt zusätzlich den zeitlichen Verlauf einer Ansteuergröße U, vorliegend einer Ansteuerspannung, für den Injektor, der entsprechend zu dem Einspritzzeitpunkt tinj eine Zustandsänderung erfährt.
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Das Modell 200 ist vorteilhaft so ausgebildet, dass es einen verhältnismäßig geringen Rechenaufwand erfordert. Daher kann der modellierte Raildruckwert pmodinj üblicherweise deutlich vor dem Einspritzzeitpunkt tinj gebildet werden, so dass noch eine genaue Berechnung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge basierend auf dem modellierten Raildruckwert pmodinj vor dem Einspritzzeitpunkt tinj möglich ist.
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In dem Schritt 120 des erfindungsgemäßen Verfahrens kann schließlich unter Verwendung des modellbasiert ermittelten Raildruckwerts pmodinj die bevorstehende Einspritzung überprüft beziehungsweise korrigiert werden, beispielsweise um einer erwarteten signifikanten Änderung Δp des Raildrucks prail während des Zeitraums ΔT Rechnung zu tragen.
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Einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens zufolge hat das Modell 200 eine Mengenbilanz zum Gegenstand, die mindestens einen von der Hochdruckpumpe 14a in den Kraftstoffspeicher 16 geförderten Kraftstoffmassenstrom berücksichtigt.
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Für die Mengenbilanz des Kraftstoffspeichers 16 kann beispielsweise folgende Gleichung aufgestellt werden: ∂m_total / ∂t = ∂m_pump / ∂t – ∂m_PCV / ∂t – ∂m_inj / ∂t, wobei ∂m_total / ∂t einen Gesamtmengenstrom in dem Kraftstoffspeicher 16 repräsentiert, ∂m_pump / ∂t einen durch die Hochdruckpumpe 14a in den Kraftstoffspeicher 16 geförderten Mengenstrom repräsentiert, ∂m_PCV / ∂t einen Mengenstrom repräsentiert, der dem Kraftstoffspeicher 16 im Falle der Betätigung eines Drucksteuerventils (nicht gezeigt) entnommen wird, um den Raildruck zu senken, ∂m_inj / ∂t einen Mengenstrom repräsentiert, der dem Kraftstoffspeicher 16 im Rahmen einer Kraftstoffeinspritzung entnommen wird.
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Vereinfacht kann das erfindungsgemäße Model auch allein die Terme ∂m_total / ∂t = ∂m_pump / ∂t berücksichtigen, wenn keine Betätigung des Drucksteuerventils zu erwarten ist, und wenn zwischen dem Druckmesszeitpunk tmess, vgl. 3, und dem Einspritzzeitpunk tinj keine weitere Kraftstoffeinspritzung erfolgt. In diesem Fall bildet allein die Förderung von Kraftstoff durch die Hochdruckpumpe 14a den maßgeblichen Teil der Mengenbilanz.
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Unter Kenntnis der Schallgeschwindigkeit in dem Kraftstoff und ihrer Abhängigkeit von dem Raildruck prail kann erfindungsgemäß – ausgehend von der Mengenbilanz – auf die Raildruckänderung Δp bzw. den Raildruck pmodinj geschlossen werden.
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4 zeigt beispielhaft einen zeitlichen Verlauf eines erfindungsgemäß in dem Modell 200 eingesetzten, approximierten Kraftstoffmassenstroms dmdt, der beschreibt, wie Kraftstoff von der Hochdruckpumpe 14a in den Kraftstoffspeicher 16 gefördert wird.
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Erfindungsgemäß wird – wie aus 4 ersichtlich – ein Polynom, beispielsweise eine Parabel oder auch eine Halbellipse verwendet, um den tatsächlich von der Hochdruckpumpe 14a erzeugten Kraftstoffmassenstrom beziehungsweise seinen zeitlichen Verlauf dmdt nachzubilden. Untersuchungen der Anmelderin zufolge führt diese erfindungsgemäße Annäherung auf verhältnismäßig präzise modellierte Raildruckwerte pmod (3), während gleichzeitig verhältnismäßig geringe Anforderungen an Rechenzeitressourcen des Steuergeräts 22 gestellt werden.
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Erfindungsgemäß ist es ferner möglich, den in 4 abgebildeten Zeitverlauf dmdt, der einem gesamten Förderhub der Hochdruckpumpe 14a entspricht, auch abschnittsweise durch unterschiedliche Polynome beziehungsweise Parabelsegmente beziehungsweise Ellipsensegmente nachzubilden.
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Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass der in 4 schematisch abgebildete zeitliche Verlauf dmdt des Kraftstoffmassenstroms der Hochdruckpumpe 14a unter anderem abhängt von einer Ansteuergröße für die Zumesseinheit 14b. Dieser Zusammenhang wird vorteilhaft durch das erfindungsgemäße Modell 200 berücksichtigt, was zu einer besonders präziseren Modellierung führt. Ebenso kann die Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 und/oder eine Kraftstofftemperatur berücksichtigt werden bei der Modellierung. Damit kann besonders präzise auch ein Förderbeginn FDP sowie die Förderdauer T2 der Hochdruckpumpe 14a ermittelt werden.
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5 zeigt schematisch ein das erfindungsgemäße Modell 200 repräsentierendes Blockdiagramm. Als Eingangsgrößen werden dem Modell 200 beispielsweise die Drehzahl n der Brennkraftmaschine 10 (1), ein Ansteuerstrom IZME für die Zumesseinheit 14b (1) oder auch ein Ansteuerstrom IPCV für ein Drucksteuerventil zugeführt. Ferner können dem Modell 200 auch ein messtechnisch erfasster Raildruck prail sowie eine Zeit t beziehungsweise ein Kurbelwellenwinkel φ zugeführt werden. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Modells 200 besteht darin, dass für eine präzise Nachbildung des zeitlichen Verlaufs des Raildrucks prail eine einmalige messtechnische Erfassung des tatsächlichen Raildrucks prail zu dem Druckmesszeitpunkt tmess (3) völlig ausreichend ist.
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Am Ausgang des Modells 200 wird der modellierte Raildruckwert pmod bzw. ein entsprechender zeitlicher Verlauf erhalten.
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Je nach mechanischer und/oder hydraulischer Konfiguration des Kraftstoffeinspritzsystems und nach Konfiguration der Brennkraftmaschine 10 kann das erfindungsgemäße Modell 200 einen oder mehrere Förderhübe der Hochdruckpumpe 14a in dem Zeitraum ΔT (3), das heißt zwischen der Erfassung des Raildruckwerts und dem Einspritzzeitpunkt tinj, vorsehen. Das Modell 200 ermittelt in Abhängigkeit der vorstehend beschriebenen Eingangsgrößen und vorteilhaft unter Verwendung der Approximation der Größe dmdt gemäß 4 den modellierten Raildruck. Vorteilhaft reicht ein einziger Raildruckmesswert, erfasst zu dem Druckmesszeitpunkt tmess (3), aus um präzise den Raildruck bis hin zu dem folgenden Einspritzzeitpunkt tinj zu modellieren.
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Daraufhin kann das erfindungsgemäße Verfahren erneut ausgeführt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch bei hochdynamischen Betriebsvorgängen eine präzise Modellierung des Raildrucks prail, vergleiche den geringen Unterschied zwischen dem tatsächlichen Raildruckwert prailinj und dem modellierten Wert pmodinj zu dem Einspritzzeitpunkt tinj aus 3.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007019640 A1 [0003]
