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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mengenausgleichsregelung bei einer Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Ein Verfahren zur Mengenausgleichsregelung ist bspw. aus der
DE 33 36 028 A1 bekannt.
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Nicht alle Zylinder eines Motors erzeugen bei gleicher Einspritzdauer das gleiche Drehmoment. Dies kann an Unterschieden in der Zylinderverdichtung, Unterschieden in der Zylinderreibung oder Unterschieden in den hydraulischen Einspritzkomponenten liegen. Folge dieser Drehmomentunterschiede ist ein unrunder Motorlauf und eine Erhöhung der Motoremissionen.
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Die Mengenausgleichsregelung hat die Aufgabe, solche Unterschiede anhand der daraus resultierenden Drehzahlschwankungen zu erkennen und über eine gezielte Anpassung der Einspritzmenge des betreffenden Zylinders auszugleichen. Hierzu wird die Drehzahl nach der Einspritzung in einen bestimmten Zylinder mit einer gemittelten Drehzahl verglichen. Liegt die Drehzahl des betreffenden Zylinders zu tief, wird die Einspritzmenge erhöht; liegt sie zu hoch, muss die Einspritzmenge reduziert werden.
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Problematisch ist hierbei insbesondere die Auswertung anhand der Drehzahl. Zunächst bedingt die Drehzahlauswertung eine Antriebsstrangabhängigkeit, so dass bei Änderungen am Antriebsstrang in der Regel eine erneute Applikation erforderlich ist. Dies macht den Einsatz bei NKW-Anwendungen nahezu unmöglich, da typischerweise identische Motoren in verschiedenen Anwendungen, mit stellenweise sehr geringen Stückzahlen, eingesetzt werden. Die verschiedenen Anwendungen besitzen dabei oft unterschiedliche Antriebsstränge, so dass in der Regel eine erneute Applikation der Mengenausgleichsregelung notwendig werden würde, was zu erhöhtem Applikationsaufwand bzw. höheren Kosten führt.
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Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Lösungen ist, dass aufgrund der Antriebsstrangabhängigkeit die Applikation einer drehzahlbasierten Funktion nur am Fahrzeug erfolgen kann. Eine Applikation am Motorprüfstand oder an der Hydraulik-Prüfbank ist nicht möglich.
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Weiterhin ist bei bestimmten Anwendungen eine Adaption des Geberrads notwendig, um die Genauigkeit der Drehzahlerfassung zu verbessern. Allerdings kann die Adaption des Geberrades nur im Schubbetrieb durchgeführt werden, was die Einsatzmöglichkeit stark beschränkt. Insbesondere im NKW-Bereich bei Off-Highway-Anwendungen (z. B. Bagger, Raupen usw., aber auch Generatoren) ist ausreichender Schubbetrieb kaum gegeben. Dies schränkt den möglichen Einsatzbereich einer drehzahlbasierten Mengenausgleichsregelung sehr ein.
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Daneben bestehen Einschränkung im Drehzahl- und Mengenbereich, da der Einsatz oft nur im Leerlauf und Teillastbereich möglich ist. Auch sinkt die Genauigkeit mit steigender Zylinderanzahl.
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Auch decken Emissions- bzw. OBD-Zertifizierungszyklen für NKW (z. B. USTC) im Gegensatz zu Zertifizierungszyklen bei PKW vor allem den mittleren und hohen Lastbereich ab. Eine drehzahlbasierte Mengenausgleichsregelung funktioniert aber teilweise nicht bei höheren Drehzahlen und Lasten. Dies hat zur Folge, dass eine drehzahlbasierte Mengenausgleichsregelung eventuell in weiten Bereichen der Zyklen nicht aktiv ist und somit ein deutlich reduzierter Nutzen der Mengenausgleichsregelung vorliegt.
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Es ist daher wünschenswert, ein Verfahren zur Mengenausgleichsregelung anzugeben, das nicht auf ein Drehzahlsignal angewiesen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Mengenausgleichsregelung bei einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Mengenausgleichsregelung bei einer Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Zylindern bedient sich einer Auswertung und Regelung eines zylinderindividuellen Druckabfalls auf einen Druckabfallmittelwert oder eine vom Mittelwert abhängige Größe. Dies bietet eine Möglichkeit zur Mengenausgleichsregelung ohne Auswertung des Drehzahlsignals. Dadurch lässt sich die Mengenausgleichsregelung für einen größere Anzahl von Anwendungen einsetzen, bei denen kein drehzahlbasierter Ansatz möglich ist. In der Praxis kann es sich zur einfacheren Implementierung anbieten, die Differenz zwischen jedem zylinderindividuellen Druckabfall und der vom Mittelwert abhängigen Größe innerhalb der Regelstruktur auf Null zu regeln. Zweckmäßigerweise ist dabei die vom Mittelwert abhängige Größe der Mittelwert selbst, so dass eine besonders effektive Mengenausgleichsregelung erzielbar ist.
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Die Mittelung erfolgt zweckmäßigerweise über eine Anzahl von Verbrennungszyklen, die proportional zur Zylinderzahl der Brennkraftmaschine ist.
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Besonders vorteilhaft entfällt die Antriebsstrangabhängigkeit, so dass eine erfindungsgemäße Mengenausgleichsregelung deutlich einfacher als bisher einzusetzen ist. Insbesondere der Einsatz bei NKW wird erstmals in großem Umfang möglich. Insgesamt ist der Applikationsaufwand im Vergleich zu einer drehzahlbasierten Funktion, insbesondere für Hersteller mit Antriebsstrangvarianten, geringer.
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Die Erfindung zeigt eine Möglichkeit auf, die mit der herkömmlichen drehzahlbasierten Mengenausgleichsfunktion verknüpften Nachteile zu überwinden. Die Erfindung ist auch in bestehende Systeme relativ einfach zu implementieren, indem als Eingangsgröße für die Mengenausgleichsregelung anstatt des Drehzahlsignals ein Raildrucksignal bzw. ein davon abgeleitetes Signal verwendet wird. Die Erfindung kann sich der etablierten Regelstrukturen bzw. Regelalgorithmen bestehender drehzahlbasierter Mengenausgleichsregelungen bedienen.
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Durch den Entfall des Drehzahlsignals als Eingangsgröße benötigt das hier vorgestellte Verfahren zur Mengenausgleichsregelung auch keine Schubphasen, da auf die in der Regel benötigte Geberradadaption verzichtet werden kann. Weiterhin kann das Verfahren im gesamten Lastbereich eingesetzt werden.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass eine einsetzbare Mengenausgleichsregelung bei NKW-Anwendungen als OBD-Überwachungsfunktion für die Großmenge verwendet werden kann. Mit einem solchen Verfahren können zylinderindividuelle Abweichungen vom Mittelwert korrigiert bzw. überwacht werden.
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Vorteilhafterweise wird der durch eine Einspritzung von Kraftstoff aus einem Hochdruckspeicher in den Brennraum eines Zylinders verursachte Druckabfall in dem Hochdruckspeicher mittels eines ohnehin vorhandenen Raildrucksensors erfasst. Für das vorgestellte Verfahren ist keine zusätzliche Sensorik notwendig, da ein Raildrucksensor bspw. bei allen Applikationen mit Common-Rail-Einspritzsystemen als vorhanden vorausgesetzt werden kann. Der durch eine Einspritzung verursachte Druckabfall in dem Hochdruckspeicher wird zweckmäßigerweise durch Differenzbildung aus einer Druckmessung vor der Einspritzung. und einer Druckmessung nach der Einspritzung bestimmt. Ein besonders günstiges Nutz-/Störsignalverhältnis ergibt sich, wenn gerade zu den Zeitpunkten, zu denen der Raildruck vor und nach der Einspritzung bestimmt wird, keine weitere Förderung in den Hochdruckspeicher und/oder eine weitere Einspritzung aus dem Hochdruckspeicher stattfinden.
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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 verursacht, 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-System, anhand dessen eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben wird.
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2 zeigt einen beispielhaften Raildruckverlauf bei einer Einspritzung in einen Zylinder.
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3 zeigt schematisch eine Regelungsstruktur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 wird eine hier als Common-Rail-Motor ausgebildete Brennkraftmaschine umfassend ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem 100 und einen Verbrennungsmotor 116, z. B. einen Dieselmotor, schematisch dargestellt, wie sie der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen kann.
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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. Wenngleich hier nur ein Zylinder 124 dargestellt ist, weist eine geeignete Brennkraftmaschine wenigstens zwei Zylinder auf, um einen Mengenausgleich zwischen Zylindern bereitstellen zu können.
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Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst einen Kraftstofftank 101, der in nahezu gefülltem Zustand gezeigt ist. Innerhalb des Kraftstofftanks 101 ist eine Vorförderpumpe 103 angeordnet, 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 weist eine Zumesseinheit (ZME) 113 zum Einstellen einer Kraftstoffmenge auf. Die Hochdruckpumpe 106 speist den komprimierten Kraftstoff in eine Hochdruckleitung 107 und ein mit dieser verbundenes Rail 108 (Hochdruckspeicher), das sog. Common. Rail, ein. Vom Rail 108 führt eine weitere Hochdruckleitung 107' zum Injektor 109.
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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, den sog. Raildruck, regeln kann.
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Das gesamte Common-Rail-Einspritzsystem 100 wird durch ein Steuergerät 111 gesteuert, das über elektrische Leitungen 128 u. a. mit der Vorförderpumpe 103, der Hochdruckpumpe 106, der Zumesseinheit 113, dem Injektor 109, einem Drucksensor 134 am Rail 108, dem Druckregelventil 112 sowie Temperatursensoren 130, 132, 122 am Verbrennungsmotor 116 bzw. an der Kraftstoffzulaufleitung 105 verbunden ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Mengenausgleichsregelung basiert auf der Auswertung des Raildruckeinbruchs während einer Einspritzung. In 2 ist in einem Diagramm 200 ein beispielhafter Raildruckverlauf 201 auf der Ordinate gegen die Zeit t auf der Abszisse aufgetragen. Es ist erkennbar, dass bei einer Einspritzung etwa zum Zeitpunkt t = 0,020 der Raildruck pRail von etwa 1581 bar auf etwa 1535 bar, d. h. um Δp ≈ 46 bar, einbricht.
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Es hat sich gezeigt, dass dieser Druckabfall Δp für eine Mengenausgleichsregelung verwendet werden kann, wobei der Druckabfall Δp
i für jeden Zylinder i von N erfasst wird. Anschließend wird bevorzugterweise über die N zylinderindividuellen Druckdifferenzen hier ein Mittelwert Δ
p als mittelwertabhängige Größe gebildet anhand der Gleichung:
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Eine Mengenausgleichsregelung erfolgt bevorzugterweise so, dass die Differenz Δ(Δp)i zwischen jedem zylinderindividuellen Druckabfall Δpi und dem Mittelwert Δ p zylinderindividuell auf Null geregelt wird, mit Δ(Δp)i = Δ p – Δpi, i = 1, ..., N.
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Aufgabe einer Mengenausgleichsregelung ist es, die zylinderindividuelle Mengenabweichung Δq
i der Einspritzung q, vom Mittelwert
q zylinderindividuell auf Null zu regeln, Δq
i → 0, mit Δq
i =
q – q
i, i = 1, ..., N und
Dabei ist jedoch problematisch, dass im realen Fahrbetrieb die gemittelte Einspritzmenge
q sowie die zylinderindividuelle Einspritzmenge q
i nicht direkt bestimmt werden können, da keine entsprechende Messvorrichtung im Fahrzeug vorhanden ist. Für eine Mengenausgleichsregelung ist daher eine zur Abweichung vom Mengenmittelwert Δq
i proportionale Größe heranzuziehen, die im realen Fahrbetrieb ermittelt werden kann. Es hat sich gezeigt, dass die aus dem gemessen Raildrucksignal p
Rail berechnete zylinderindividuelle Abweichung vom Druckmittelwert Δ(Δp)
i, welche im realen Fahrbetrieb bestimmt werden kann, proportional zur zylinderindividuellen Mengenabweichung Δq
i ist.
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Zwar ist aus der
DE 10 2005 006 361 A1 bekannt, dass bei geschlossenen Systemen ein Zusammenhang zwischen Einspritzmenge und Raildruckabfall hergestellt werden kann. Das dort offenbarte Verfahren erfordert jedoch, dass sowohl ZME als auch DRV geschlossen werden, was im Normalbetrieb jedoch nicht vorkommt. Somit ist die dort offenbarte Lehre auf den hier zugrunde liegenden Anwendungsfall nicht übertragbar. Weiterhin sind in der Praxis leckagebehaftete Injektoren nicht auszuschließen, so dass in einem solchen Fall ein geschlossenes System bereits prinzipiell nicht vorliegt. Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, dass auch für die Mengenausgleichsregelung, bei deren Durchführung gerade kein geschlossenes System vorausgesetzt werden kann, dennoch das Raildrucksignal als Führungsgröße verwendet werden kann. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass nur eine relative Regelung der Einspritzmengen stattfindet. Diskrepanzen, die sich zwischen absoluter Einspritzmenge und Raildruckabfall aufgrund eines nichtgeschlossenen Systems ergeben, treten daher normalerweise für alle Einspritzungen gleich auf, so dass sie sich insgesamt ausmitteln. Es existieren beispielsweise auch Einspritzsysteme, bei denen mehrere Pumpenhübe durchgeführt werden müssen, um den von einer Einspritzung hervorgerufenen Druckabfall im Rail auszugleichen. In diesem Fall muss die Erfassung des Raildrucks nach der Einspritzung nicht unmittelbar nach der Einspritzung erfolgen, sondern kann bspw. auch zwischen Pumpenhübe gelegt werden.
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In 3 wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand eines Regelkreisschemas 300 näher dargestellt. Der Regelkreis verfügt über das eigentliche Regelglied 301, welches den Regelalgorithmus beinhaltet und als Regelausgangsgröße beispielsweise die Veränderung Δpi einer zylinderindividuellen Einspritzdauer an die Regelstrecke G abgibt. Als Regelgröße wird der Raildruck pRail, insbesondere vom Drucksensor 134, erfasst und rückgeführt.
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Der Raildruck pRail wird einem Berechnungsglied 302 zugeführt, das aus dem Raildruckverlauf (vgl. 201 gemäß 2) die zylinderindividuellen Druckabfälle Δpi bestimmt.
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Die zylinderindividuellen Druckabfälle Δpi werden zum einen einem weiteren Berechnungsglied 303 zugeführt, welches daraus den Mittelwert Δ p der erfassten zylinderindividuellen Druckabfälle Δpi bestimmt.
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Zum anderen werden die zylinderindividuellen Druckabfälle Δpi einem Differenzglied 304 zugeführt, welches die Differenz Δ(Δp)i aus dem Mittelwert 45 und den zylinderindividuellen Druckabfällen Δpi bestimmt und dem Regelglied 301 zuführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3336028 A1 [0002]
- DE 102005006361 A1 [0036]
