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Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren zum Einstellen eines Drucks in einem Speichereinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Die Erfindung betrifft außerdem ein Speichereinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine mit einer Regeleinheit zum Einstellen eines Drucks gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
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Derartige Regelverfahren und Speichereinspritzsysteme dienen einer möglichst genauen Regelung und Einstellung des Drucks von Kraftstoff für Brennkraftmaschinen. Dabei kann es sich bei dem Kraftstoff insbesondere um Diesel oder Benzin handeln und bei der Brennkraftmaschine um einen Dieselmotor oder einen Ottomotor. Je genauer der Druck auf einen vorgegebenen Wert eingestellt werden kann, umso genauer kann eine gewünschte Einspritzmenge des Kraftstoffs dosiert werden, die über Injektoren des Einspritzsystems in Brennkammern der Brennkraftmaschinen eingespritzt wird. Dabei hängt die gewünschte Einspritzmenge von einem momentanen Betriebszustand oder Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine ab, der beispielsweise durch eine Drehzahl und eine erzeugtes Drehmoment charakterisiert sein kann.
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Zur Erzeugung des Drucks umfasst das Speichereinspritzsystem, im Folgenden auch kurz als Einspritzsystem oder als System bezeichnet, eine Hochdruckpumpe, welche den Kraftstoff von einem Niederdruckbereich des Systems in einen Hochdruckbereich des Systems fördert. In dem Hochdruckbereich ist ein Druckspeicher des Einspritzsystems mit der Hochdruckpumpe sowie mit den Injektoren des Einspritzsystems hydraulisch verbunden. Der Hochdruckspeicher wird häufig auch als Common Rail oder kurz als Rail bezeichnet, insbesondere im Zusammenhang mit Dieselmotoren. Ferner umfasst das Speichereinspritzsystem mindestens einen Drucksensor zur Messung des Drucks des Kraftstoffs im Hochdruckbereich. Dieser Drucksensor kann beispielsweise direkt am Druckspeicher bzw. Rail angeordnet sein oder direkt an einer Hochdruckseite der Hochdruckpumpe.
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In dem Niederdruckbereich des Systems ist eine Vorförderpumpe angeordnet, die mit der Hochdruckpumpe hydraulisch verbunden ist und der Vorförderung von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank zur Hochdruckpumpe dient. Das System kann im Niederdruckbereich ferner einen Kraftstofffilter beinhalten, durch den der Kraftstoff hindurchgeleitet wird.
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Zur Druckregelung umfasst das Einspritzsystem mindestens ein Stellglied, wobei über eine variable Stellgröße des Stellglieds der Druck im Hochdruckbereich beeinflusst bzw. eingestellt werden kann. Bei dem Stellglied kann es sich beispielsweise um ein Volumenstromregelventil (VCV) handeln, welches dazu eingerichtet ist, einen Volumenstrom des Kraftstoffs durch eine Niederdruckleitung einzustellen, wobei diese Niederdruckleitung einen Auslass der Niederdruckpumpe mit einem Einlass der Hochdruckpumpe verbindet.
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Die Stellgröße des Volumenstromregelventils, das häufig als Schieber- oder Kugelsitz-Volumenstromregelventil ausgestaltet ist, ist dann ein Öffnungsgrad (Ventilstellung) dieses Ventils. Das Stellglied ist ferner dazu eingerichtet ein Steuersignal zu empfangen, in dem ein Wert einer Steuergröße kodiert ist, und in Abhängigkeit vom Wert dieser Steuergröße die Stellgröße des Stellglieds, also beispielsweise den Öffnungsgrad, einzustellen. Das Steuersignal kann beispielsweise ein pulsweitenmoduliertes elektrisches Signal (PWM) sein und die Steuergröße ein Tastgrad dieses Signals, wobei der Wert einer durch einen Tastgrad gegebenen Steuergröße in der Regel in % PWM angegeben wird.
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Das Einspritzsystem umfasst außerdem eine Regeleinheit, die mit dem Drucksensor und dem mindestens einen Stellglied jeweils zur Signalübertragung verbunden ist. Diese Regeleinheit ist dazu eingerichtet, einen mit dem Drucksensor gemessenen Istwert des Drucks zu verarbeiten und in Abhängigkeit dieses Istwertes und eines Sollwertes des Drucks eine Regelabweichung zu berechnen und in Abhängigkeit dieser Regelabweichung das mindestens eine Stellglied derart anzusteuern, dass der Kraftstoffdruck im Hochdruckbereich an den Sollwert angeglichen wird, die Regelabweichung also minimiert wird. Zu diesem Zweck ist in der Regeleinheit zu jedem des mindestens einen Stellglieds eine Ansteuerkennlinie hinterlegt und die Regeleinheit dazu eingerichtet, in Abhängigkeit vom gemessenen Istwert des Drucks aus der jeweiligen Ansteuerkennlinie einen Wert der Steuergröße des jeweiligen Stellglieds auszulesen bzw. zu berechnen und ein Steuersignal an das jeweilige Stellglied zu übertragen, in dem der jeweilige ausgelesene bzw. berechnete Wert der Steuergröße kodiert ist.
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Ist eines der Stellglieder beispielsweise durch ein VCV gegeben, dient dieses der Einstellung eines in die Hochdruckpumpe einströmenden Volumenstrom Q des Kraftstoffs (gemessen in Kraftstoffvolumen pro Zeit). Je nachdem ob der Volumenstrom Q kleiner, größer bzw. gleich der aus dem Hochdruckbereich abgeführten Kraftstoffmenge (zusammengesetzt aus Einspritz- und Leckagemengen) ist, fällt oder steigt der Kraftstoffdruck im Hochdruckbereich bzw. bleibt dieser auf einem konstanten Niveau.
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Für einen möglichst effizienten und schadstoffarmen Betrieb von Brennkraftmaschinen muss ein möglichst genauer und stabiler Druck des Kraftstoffs zur Verfügung gestellt werden. Bei Dieselmotoren sind derzeit Abweichungen von weniger als 20 bar erforderlich, bei Gasoline DI Systemen Abweichungen von weniger als 3 bar. Dabei werden Druckwerte bzw. Druckschwankungen üblicherweise als Mittelwerte von Einzelmesswerten des Drucks im Hochdruckbereich bestimmt, beispielsweise als Mittelwert von mehreren (z. B. 10) in Folge gemessenen Einzelmesswerten des Drucks. Dabei können die Einzelmesswerte mittels Einzelmessungen durch einen (Hoch-)Drucksensor im Hochdruckbereich gemessen werden, wobei die Einzelmessungen üblicherweise in regelmäßigen zeitlichen Abständen durchgeführt werden, die beispielsweise jeweils 1 ms betragen. Es ist absehbar, dass die Anforderungen an die Genauigkeit und Stabilität des Kraftstoffdrucks zukünftig noch weiter verschärft werden.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen bekannt, die dazu dienen, die mit den beschriebenen Verfahren und Systemen erzielbare Druckgenauigkeit und Druckstabilität des Kraftstoffs zu erhöhen. Der durch das VCV eingestellte Volumenstrom hängt insbesondere von einem an einer Zulaufseite des VCVs, also vor dem VCV anliegenden Vorförderdruck sowie von dem aktuell eingestellten Öffnungsgrad des VCVs ab. In der Druckschrift
US 6,230,688 B1 wird daher vorgeschlagen, den vor dem VCV anliegenden Vorförderdruck mittels eines zusätzlichen Drucksensors zu messen, um eine gezieltere Ansteuerung des VCV in Abhängigkeit dieses Drucks zu ermöglichen. Es ist außerdem bekannt, den Vorförderdruck mittels eines Druckbegrenzungsventils (DBV) zu begrenzen bzw. zu regulieren. Dieses Druckbegrenzungsventil ist in der Regel mit der von dem Kraftstofftank zum VCV führenden Niederdruckleitung hydraulisch verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann das DBV auch mit der Hochdruckpumpe, mit dem Kraftstofffilter oder mit der Vorförderpumpe hydraulisch verbunden sein. Außerdem ist es möglich, zur Beeinflussung und/oder Vergleichmäßigung des Vorförderdrucks Drosseln und Druckdämpfer zu verwenden, die vor dem VCV angeordnet sind und hydraulisch über Bypassleitungen bzw. über einen Niederdruckkreislauf mit dem Kraftstofftank verbunden sind, siehe etwa Druckschrift
EP 1 574 704 A2 .
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Diese zusätzlichen konstruktiven Maßnahmen verteuern jedoch die Herstellung des Einspritzsystems und erhöhen aufgrund der zusätzlichen Komponenten die Fehleranfälligkeit des Systems bzw. des Verfahrens. Außerdem wird durch die Verwendung dieser zusätzlichen Komponenten im Allgemeinen der energetischen Wirkungsgrad des Gesamtsystems verschlechtert, da über zusätzliche Rückleitungen Kraftstoff gefördert wird, der für den Betrieb nicht benötigt wird.
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Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Regelverfahren zum Einstellen eines Drucks in einem Speichereinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine vorzuschlagen, welches die oben beschriebenen Nachteile des Stands der Technik überwindet oder zumindest abmildert. Das Verfahren soll sich also durch eine möglichst hohe erzielbare Druckgenauigkeit und Druckstabilität des Kraftstoffs auszeichnen. Außerdem soll es mit einem Speichereinspritzsystem durchführbar sein, dass möglichst wenige Komponenten, wie Sensoren und Stellglieder, aufweist. Außerdem soll ein entsprechendes Speichereinspritzsystem vorgeschlagen werden, das sich zur möglichst stabilen und genauen Druckregelung eignet, dabei möglichst kostengünstig herstellbar und wenig fehleranfällig ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Druckregelverfahren und durch ein Speichereinspritzsystem gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weiterentwicklungen und bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen.
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Das erfindungsgemäße Regelverfahren zum Einstellen eines Drucks in einem Speichereinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine sieht demnach vor, dass eine Steuergröße eines zur Druckbeeinflussung eingerichteten Stellglieds des Speichereinspritzsystems in Abhängigkeit von einem Istwert des Drucks und einem vorgegebenen Sollwert des Drucks aus einer Ansteuerkennlinie des Stellgliedes ausgelesen wird und das Stellglied anschließend in Abhängigkeit von der ausgelesenen Steuergröße angesteuert wird zur Einstellung des Drucks auf den Sollwert.
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Das Speichereinspritzsystem umfasst insbesondere, wie eingangs beschrieben, eine Hochdruckpumpe, mit der Kraftstoff von einem Niederdruckbereich in einen Hochdruckbereich des Speichereinspritzsystems gefördert und der Druck des Kraftstoffs in dem Hochdruckbereich erzeugt wird. Bei dem genannten Stellglied kann es sich insbesondere um ein Volumenstromregelventil (VCV) handeln, das ebenfalls bereits eingangs beschrieben wurde und mit dem ein der Hochdruckpumpe zugeführter Volumenstrom Q des Kraftstoffs eingestellt werden kann.
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Die genannte Ansteuerkennlinie des Stellgliedes beinhaltet eine Menge von Wertepaaren, wobei jedes einzelne dieser Wertepaare einen Wert der Steuergröße des Stellglieds umfasst sowie einen Wert einer mit dem Stellglied unmittelbar einstellbaren physikalischen Größe. Diese Größe kann entweder der Druck des Kraftstoffs im Hochdruckbereich sein. Es ist aber auch möglich, dass es sich bei der genannten Größe um eine von diesem Druck verschiedene physikalische Größe handelt, einer sogenannten Zwischengröße, von deren Wert der Druck im Hochdruckbereich des Systems jedoch abhängt. Ist das Stellglied des Einspritzsystems etwa durch das genannte VCV gegeben, so ist die durch das VCV unmittelbar einstellbare Größe der Volumenstrom des Kraftstoffs durch das VCV zur Hochdruckpumpe. Von dieser Zwischengröße hängt der Druck des Kraftstoffs im Hochdruckbereich direkt ab, durch gezieltes Einstellen der Zwischengröße durch das Stellglied kann der Druck im Hochdruckbereich eingestellt werden.
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Die Steuergröße des VCV kann, wie eingangs beschrieben, ein Tastgrad eines pulsweitenmodulierten Steuersignals (PWM) sein, gemessen etwa in % PWM. Die Stellgröße des VCV ist ein Öffnungsgrad des VCV, durch welche unmittelbar der Volumenstrom des Kraftstoffs durch das VCV beeinflusst werden kann. Das VCV ist dazu eingerichtet, seinen Öffnungsgrad (seine Stellgröße) in Abhängigkeit der empfangenen Steuergröße einzustellen.
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Anhand der Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert des Drucks, also anhand der sogenannten Regelabweichung, wird zunächst der zugehörige Wert der mit dem Stellglied unmittelbar beeinflussbaren einstellbaren Größe bzw. Zwischengröße ermittelt bzw. berechnet, der zur Verringerung der Regelabweichung geeignet ist, beispielsweise ein korrigierter Wert des Volumenstroms Q. Anschließend wird der zugehörige Wert der Steuergröße aus der Ansteuerkennlinie des Stellglieds ausgelesen und das Stellglied anhand dieses Wertes der Steuergröße angesteuert zur Einstellung des Drucks auf den vorgegebenen Sollwert.
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Der vorgegebene Sollwert hängt in der Regel von einem momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine ab. Es kann vorgesehen sein, dass der aktuelle Betriebszustands bzw. Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine anhand von einem oder mehreren Betriebsparametern der Brennkraftmaschine bestimmt wird, wie beispielsweise anhand einer Motordrehzahl, einem Motordrehmoment oder einer Last der Brennkraftmaschine, und anhand dieser Betriebsparameter der Sollwert des Drucks berechnet oder aus Kennfeldern der Brennkraftmaschine ausgelesen wird.
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Für die Erfindung ist es nun entscheidend, dass eine Steigung bzw. der Gradient der Ansteuerkennlinie des Stellgliedes, also die Ableitung der Steuergröße nach der von dem Stellglied unmittelbar einstellbaren physikalischen Größe bzw. Zwischengröße, von einem Betriebszustand einer weiteren steuerbaren Komponente des Einspritzsystems abhängt.
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Diese weitere steuerbare Komponente kann beispielsweise eine Vorförderpumpe sein, mit der der Kraftstoff aus einem Tank zur Hochdruckpumpe gefördert wird. Der Betriebszustand der Vorförderpumpe lässt sich dann beispielsweise durch eine Drehzahl der Vorförderpumpe charakterisieren. Ist das Stellglied beispielsweise durch ein VCV gegeben, mit dem der Volumenstrom des Kraftstoffs von der Vorförderpumpe zur Hochdruckpumpe eingestellt werden kann, so hängt die Steigung der Ansteuerkennlinie des VCV von dem zwischen der Vorförderpumpe und dem VCV herrschenden Druck des Kraftstoffs, also dem Vorförderdruck, und damit von der Drehzahl und dem Betriebszustand der Vorförderpumpe ab.
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Je kleiner der Vorförderdruck ist, umso mehr muss der Öffnungsgrad des VCV und damit die zugehörige Steuergröße geändert werden, um eine bestimmte Änderung des Volumenstroms Q hervorzurufen. Dies ist gleichbedeutend damit, dass mit abnehmendem Vorförderdruck die Steigung Ansteuerkennlinie des VCV betraglich zunimmt. Somit ist eine betraglich große Steigung der Ansteuerlinie des VCV, hervorgerufen durch einen geringen Vorförderdruck, äquivalent zu einer nur relativ schwachen Abhängigkeit des Volumenstroms Q von der Stellgröße des VCV. Wird also der Vorförderdruck reduziert und die Steigung der Ansteuerkennlinie des VCV somit vergrößert, resultiert daraus eine geringe Sensitivität des Volumenstroms durch das VCV gegenüber der Steuergröße und somit auch eine relativ geringe Sensitivität des Drucks im Hochdruckbereich gegenüber der Steuergröße.
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Allgemein gilt also, dass wenn der Betriebszustand der weiteren steuerbaren Komponente des Systems so eingestellt wird, dass sich die Steigung der Ansteuerkennlinie des Stellglieds betraglich vergrößert, so führt dies zu einer geringeren Sensitivität der von dem Stellglied beeinflussbaren Größe bzw. Zwischengröße von der Steuergröße des Stellglieds. Da von der Größe bzw. Zwischengröße der Druck des Kraftstoffs im Hochdruckbereich (direkt oder indirekt) abhängt, verringert sich gleichzeitig auch die Sensitivität dieses Drucks gegenüber Änderungen der Steuergröße.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es nun entscheidend, dass der Betriebszustand der weiteren Komponente so eingestellt wird, dass ein Betrag der Steigung der Ansteuerkennlinie des Stellglieds oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes liegt. (Dabei bezeichnet der Betrag der Steigung den Absolutwert der Steigung.) Es ist für die Erfindung nicht entscheidend, ob die Ansteuerkennlinie steigend oder fallend ist, sondern lediglich, dass die Ansteuerkennlinie stärker fällt oder steigt als durch den vorgegebenen Schwellwert definiert.
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Auf diese Weise wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass die Sensitivität des Drucks im Hochdruckbereich gegenüber der Steuergröße des Stellgliedes (also gegenüber der Ansteuerung der Stellgliedes) auch bei sich ändernden Betriebszuständen der Brennkraftmaschine nicht zu groß wird. Auf diese Weise wird die Druckstabilität und die Regelgüte des Verfahrens verbessert. Ungenauigkeiten in der Ansteuerung des Stellglieds, Bauteilstreuungen und alterungsbedingte Veränderungen des Stellgliedes, der weiteren steuerbaren Komponente oder anderer Elemente des Einspritzsystems fallen aufgrund der somit optimierten Sensitivität des Stellglieds weniger stark ins Gewicht.
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Insbesondere im genannten Fall, dass die weitere Komponenten des Einspritzsystems durch eine Vorförderpumpe und das Stellglied durch ein VCV gegeben ist, können Bauteil- oder Alterungsbedingte Abweichungen der Vorförderpumpe von Soll- bzw. Idealwerten sowie Fertigungstoleranzen durch das hier vorgeschlagene Verfahren kompensiert bzw. ausgeglichen werden. Dabei ist also vorgesehen, dass ein mit der Vorförderpumpe erzeugter Vorförderdruck soweit abgesenkt wird, bis die Steigung der zu diesem Vorförderdruck gehörigen Ansteuerkennlinie des Volumenstromventils betraglich über dem vorgegebenen Schwellwert liegt. Der genannte untere Schwellwert der Steigung liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen (1% PWM)/(100 ml/min) und (1% PWM)/(50 ml/min), besonders bevorzugt etwa bei (1% PWM)/(70 ml/min).
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Durch die auf diese Weise optimierte Sensitivität des Stellglieds ist eine genaue und zuverlässige Druckregelung vorteilhafterweise über einen gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine (von Leerlaufdrehzahl bis zur maximalen Drehzahl) mit nur einem einzigen Stellglied, beispielsweise einem VCV, möglich. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die weitere ansteuerbare Komponente, wie beispielsweise die Vorförderpumpe, nur zur Voreinstellung des Drucks und der Sensitivität des Stellglieds verwendet wird. Diese Komponente ist daher nicht Teil des Regelkreises.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens liegt außerdem darin, dass es mit einem sehr einfachen Einspritzsystem durchgeführt werden kann. Im Fall einer Druckregelung mittels eines Volumenstromregelventils (VCV) ist die Kenntnis und somit die Messung des Vorförderdrucks nicht erforderlich. Außerdem ist das Verfahren besonders robust gegenüber Schwankungen des Vorförderdrucks. Der Vorförderdruck kann über die Drehzahl der Vorförderpumpe soweit reduziert werden, bis die Steigung der Ansteuerkennlinie des VCV betraglich oberhalb des vorgegebenen Schwellwertes liegt. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise ein Ansteuerkennfeld des VCV verwendet, wobei entlang einer ersten Achse dieses Kennfeldes die Steuergröße des VCV, entlang einer zweiten Achse des Kennfeldes der Volumenstrom durch das VCV und entlang einer dritten Achse die Drehzahl der Vorförderpumpe aufgetragen ist. Je nach aktueller Drehzahl der Vorförderpumpe wird die zugehörige Ansteuerkennlinie des VCV aus dem Ansteuerkennfeld ausgelesen. Neben der somit möglichen Einsparung von Drucksensoren im Niederdruckbereich ist es außerdem vorteilhafterweise möglich, auf weitere der eingangs erwähnten Komponenten im Niederdruckbereich zur Vergleichmäßigung und/oder Limitierung des Vorförderdrucks zu verzichten, wie Kraftstoffdrosseln, Druckbegrenzungsventile, Bypassleitungen und weiteren zum Kraftstofftank zurückführenden Niederdruckleitungen.
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Vorteilhafterweise ist es außerdem problemlos möglich, dass beispielsweise während des Betriebs der Brennkraftmaschine automatisch Änderungen oder Anpassungen an der Ansteuerkennlinie vorgenommen werden. Eine eventuell zu geringe Steigung der korrigierten bzw. angepassten Ansteuerkennlinie wird dann anschließend ebenfalls vorzugsweise automatisch korrigiert, beispielsweise durch eine entsprechende Absenkung des Vorförderdrucks. So sieht eine entsprechende Ausführung des Verfahrens vor, dass aus Adaptionswerten, die in einer Adaptionskennlinie abgelegt sind, Korrekturwerte für die in der Ansteuerkennlinie abgelegten Werte der Steuergröße berechnet werden. Bei diesen Adaptionswerten kann es sich beispielsweise um Volumenstromwerte handeln, mit denen die in den Hochdruckbereich geförderte Kraftstoffmenge korrigiert werden muss, um eine Vorsteuerung des Verfahrens zu optimieren. Anschließend werden die Werte der Steuergröße mit diesen Korrekturwerten korrigiert. Danach wird mit den korrigierten Werten der Steuergröße eine korrigierte Ansteuerkennlinie gebildet, welche zur weiteren Druckregelung verwendet wird. Derartige Korrekturen und Anpassungen von Ansteuerkennlinien oder Vorsteuerkennlinien sind im Prinzip bereits aus dem Stand der Technik bekannt. In diesem Zusammenhang sei auf die Druckschriften
DE 10 2005 058 966 B3 und
DE 10 2004 009 616 A1 verwiesen, deren Inhalt hiermit ebenfalls aufgenommen sei.
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Wie auch in diesen Druckschriften beschrieben wird, sieht eine Ausführung des Verfahrens vor, dass in der Adaptionskennlinie abgelegte Adaptionswerte automatisch aktualisiert werden, falls eine Regelabweichung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Anschließend wird die Ansteuerkennlinie mittels der somit aktualisierten Adaptionskennlinie korrigiert. In einer Ausführung des Verfahrens wird die Ansteuerkennlinie aus einer fest vorgegebenen Vorsteuerkennlinie des Stellglieds berechnet, indem diese mittels der Adaptionskennlinie korrigiert wird.
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Besonders bevorzugt wird die Ansteuerkennlinie aus einem mehrdimensionalen Ansteuerkennfeld ausgelesen und/oder wird die Adaptionskennlinie aus einem mehrdimensionalen Adaptionskennfeld ausgelesen. Dabei kann entlang von Achsen des Ansteuerkennfeldes und/oder des Adaptionskennfeldes die Steuergröße des Stellgliedes abgetragen sein, beispielsweise in der Einheit % PWM. Entlang der Achsen des Ansteuerkennfeldes und/oder des Adaptionskennfeldes können ferner ein Parameter des Betriebszustands der Brennkraftmaschine, ein Parameter des Betriebszustands der weiteren Komponente des Einspritzsystems, eine Fördermenge bzw. ein Volumenstrom des Kraftstoffs, eine Fördermengendifferenz bzw. Volumenstromdifferenz des Kraftstoffs, eine (erwartete) Einspritzmenge, eine (erwartete) Leckagemenge, eine Drehzahl der Brennkraftmaschine, eine Drehzahl der Vorförderpumpe und/oder der Vorförderdruck abgetragen sein.
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Im oben beschriebenen Beispiel, bei dem das Stellglied durch ein VCV gegeben ist, entspricht die Steigung der Ansteuerkennlinie dem Gradient der Steuergröße (beispielsweise gemessen in % PWM) des Stellgliedes in Richtung des Volumenstroms (beispielsweise gemessen in ml/min) durch das VCV. Weitere Achsen dieses Ansteuerkennfeldes sind typischerweise die Drehzahl der Vorförderpumpe sowie die Drehzahl der Brennkraftmaschine.
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Das erfindungsgemäße Speichereinspritzsystem ist dafür ausgelegt, das hier vorgeschlagene Druckregelungsverfahren oder eines der hier beschriebenen Ausführungsformen bzw. Weiterentwicklungen dieses Verfahrens durchzuführen. Dabei ergeben sich die gleichen Vorteile, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Verfahrens beschrieben worden sind.
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Demnach umfasst dieses System eine Regeleinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Steuergröße eines zur Druckbeeinflussung eingerichteten Stellglieds des Speichereinspritzsystems in Abhängigkeit von einem mit einem Drucksensor des Speichereinspritzsystems gemessenen Istwert des Drucks und einem vorgegebenen Sollwert des Drucks aus einer in der Regeleingeit gespeicherten Ansteuerkennlinie des Stellgliedes auszulesen. Die Regeleinheit ist ferner dazu eingerichtet, das Stellglied in Abhängigkeit von der ausgelesenen Steuergröße anzusteuern zur Einstellung des Drucks auf den Sollwert, wobei eine Steigung der Ansteuerkennlinie des Stellgliedes von einem Betriebszustand einer weiteren steuerbaren Komponente des Einspritzsystems abhängt.
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Dabei ist es für das erfindungsgemäße System entscheidend, dass die Regeleinheit außerdem dazu eingerichtet ist, den Betriebszustand der weiteren Komponente so einzustellen, dass ein Betrag (d. h. ein Absolutwert) die Steigung der Ansteuerkennlinie des Stellglieds oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes liegt. Hierdurch ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Druckregelungsverfahren beschriebenen Vorteile.
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Insbesondere ist es möglich, dass es sich bei dem Stellglied um ein Volumenstromregelventil (VCV) in einem Niederdruckbereich des Einspritzsystems handelt und/oder dass es sich bei der weiteren Komponente um eine Vorförderpumpe in einem Niederdruckbereich des Einspritzsystems handelt. Ferner kann die Regeleinheit dazu eingerichtet sein, einen mit der Vorförderpumpe erzeugten Vorförderdruck soweit abzusenken, bis die Steigung der zu diesem Vorförderdruck gehörigen Ansteuerkennlinie des Volumenstromventils betraglich über dem vorgegebenen Schwellwert liegt.
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Vorteilhafterweise ist es außerdem möglich, dass im Niederdruckbereich des Systems auf ein Druckbegrenzungsventil (DBV), ein Drucksensor, sowie auf Drosseln und Bypassleitungen zur Steuerung oder Vergleichmäßigung des Vorförderdrucks verzichtet werden kann. Ist beispielsweise als weitere steuerbare Komponente eine Vorförderpumpe und als Stellglied ein VCV vorgesehen, so ist es ausreichend, die Drehzahl der Vorförderpumpe so weit abzusenken, bis die Steigung der Ansteuerkennlinie des VCV oberhalb des genannten Schwellwertes liegt. Zu diesem Zweck ist in der Regeleinheit ein Ansteuerkennfeld der Vorförderpumpe gespeichert, welches vorzugsweise mindestens drei Achsen aufweist, wobei entlang der ersten Achse die Steuergröße des VCV (etwa in % PWM), entlang der zweiten Achse die durch das VCV unmittelbar beeinflussbare physikalische Größe, also der Volumenstrom durch das VCV (etwa in ml/min) abgetragen ist und entlang der dritten Achse die Drehzahl der Vorförderpumpe abgetragen ist, etwa in Umdrehungen pro Minute. Die Regeleinheit kann dann dazu eingerichtet sein, die Vorförderpumpe auf eine solche Drehzahl einzustellen, bei der der Betrag der Steigung der Ansteuerkennlinie, also die Ableitung der Steuergröße des VCV nach dem Volumenstrom, oberhalb des vorgegebenen Schwellwert liegt, also beispielsweise oberhalb (1% PWM)/(70 ml/min). Alternative Werte für den Schwellwert sind weiter oben aufgeführt.
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Die Regeleinheit kann dazu eingerichtet sein, aus in einer Adaptionskennlinie abgelegten Adaptionswerten Korrekturwerte für in der Ansteuerkennlinie abgelegte Werte der Steuergröße zu berechnen. Es kann vorgesehen sein, dass die Regeleinheit außerdem dazu eingerichtet ist, mit diesen Korrekturwerten die Werte der Steuergröße zu korrigieren und mit den korrigierten Werten der Steuergröße eine korrigierte Ansteuerkennlinie zu bilden und zur weiteren Druckregelung zu verwenden. Die Regeleinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, in der Adaptionskennlinie abgelegte Adaptionswerte automatisch zu aktualisieren, falls eine Regelabweichung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, und anschließend die Ansteuerkennlinie mittels der somit aktualisierten Adaptionskennlinie korrigiert wird. Insbesondere ist es möglich, dass die Regeleinheit dazu eingerichtet ist, die Ansteuerkennlinie aus einer fest vorgegebenen und in der Regeleinheit gespeicherten Vorsteuerkennlinie zu berechnen durch Korrigieren der Vorsteuerlinie mittels der Adaptionskennlinie.
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Wie bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurde, kann die Regeleinheit dazu eingerichtet sein, die Ansteuerkennlinie aus einem mehrdimensionalen, in der Regeleinheit gespeicherten Ansteuerkennfeld auszulesen und/oder die Adaptionskennlinie aus einem mehrdimensionalen, in der Regeleinheit gespeicherten Adaptionskennfeld auszulesen. Dabei kann entlang von Achsen des Ansteuerkennfeldes und/oder des Adaptionskennfeldes die Steuergröße des Stellgliedes, ein Parameter des Betriebszustands der Brennkraftmaschine, ein Parameter des Betriebszustands der weiteren Komponente des Einspritzsystems, eine Fördermenge, eine Fördermengendifferenz, eine Einspritzmenge, eine Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder ein Vorförderdruck abgetragen sein.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in 1 und 2 schematisch dargestellten speziellen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein Speichereinspritzsystem hier vorgeschlagener Art mit einem Stellglied zur Druckregelung und
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2 Ansteuerkennlinien des Stellgliedes des in 1 gezeigten Systems.
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In 1 ist eine spezielle Ausführungsform eines Speichereinspritzsystems 1 hier vorgeschlagener Art schematisch dargestellt, welches dazu ausgelegt ist, eine spezielle Ausführung des hier vorgeschlagenen Druckregelverfahrens durchzuführen.
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Das Speichereinspritzsystem 1 umfasst eine Regeleinheit 2, eine als Vorförderpumpe ausgestaltete weitere ansteuerbare Komponente 3, ein als Volumenstromregelventil (VCV) ausgestaltetes Stellglied 4, eine Hochdruckpumpe 5, einen Hochdruckspeicher 6, und einen oder mehrere Injektoren, von denen der Übersichtlichkeit halber nur ein einziger Injektor 7 gezeigt ist.
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Die Vorförderpumpe 3 ist dazu eingerichtet, Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 8 durch einen Kraftstofffilter 9 und das Stellglied 4 (also das VCV) zur Hochdruckpumpe 5 zu fördern. Zu diesem Zweck sind diese Komponenten über Niederdruckleitungen miteinander verbunden, welche hier als durchgezogene, einfache Linien dargestellt sind. Die Vorförderpumpe 3, der Kraftstofffilter 9, das Stellglied 4 sowie diese Niederdruckleitungen liegen innerhalb eines Niederdruckbereichs des Speichereinspritzsystems 1. In der Niederdruckleitung 10 zwischen dem Stellglied 3 und der Vorförderpumpe liegt ein Vorförderdruck vor, in der Niederdruckleitung 11 zwischen dem Stellglied 3 und der Hochdruckpumpe liegt ein weiterer, etwas geringerer Druck vor. Durch die am Stellglied 3 anliegende Druckdifferenz stellt sich ein Volumenstrom Q des Kraftstoffs durch das Stellglied 4 hindurch ein, wobei dieser Volumenstrom Q eine direkt durch das Stellglied 4 beeinflussbare Zwischengröße darstellt. Mit zunehmenden Öffnungsgrad des VCV vergrößert sich der Volumenstrom Q.
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Das Stellglied 4 ist dazu eingerichtet, ein Steuersignal von der Regeleinheit 2 zu empfangen, wobei in diesem Steuersignal eine durch einen Tastgrad des Steuersignals gegebene Steuergröße des Stellglieds 4 enthalten ist. Das Stellglied 4 ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit des Wertes dieser Steuergröße, den Öffnungsgrad, also die Stellgröße des Stellglieds 4, einzustellen. Auf diese Weise wird durch das Stellglied 4 der Volumenstrom Q des Kraftstoffs, der der Hochdruckpumpe durch die Niederdruckleitung 11 zugeführt wird, eingestellt.
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Die Hochdruckpumpe 5 ist dazu eingerichtet, den Volumenstrom Q des Kraftstoffs durch eine Hochdruckleitung 12 in den Hochdruckspeicher 6, der auch als Common-Rail bezeichnet wird, zu fördern. Mit dem Hochdruckspeicher ist der Injektor 7 (wie auch die übrigen Injektoren) über die Hochdruckleitung 13 verbunden und dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von einem Steuersignal der Regeleinheit 2 ein Einspritzmenge an Kraftstoff in eine Brennkammer (hier nicht dargestellt) einer Brennkraftmaschine 14 einzuspritzen. Somit sind die Hochdruckleitungen 12 und 13, der Hochdruckspeicher 6 sowie der Injektor 7 in einem Hochdruckbereich des Speichereinspritzsystem 1 enthalten.
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Der Druck des Kraftstoffs, genauer ein Istwert des Drucks in diesem Hochdruckbereich, wird mittels eines Drucksensors 15 gemessen, der in diesem Beispiel an dem Hochdruckspeicher 6 angeordnet ist, aber genauso gut auch an den Hochdruckleitungen 12 oder 13, oder der Hochdruckpumpe 5 angeordnet sein könnte. Der Injektor 7 ist über eine Niederdruckleitung 12 mit dem Kraftstofftank 8 verbunden zur Rückführung einer Leckage aus dem Injektor.
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Durch die Zuführung der Kraftstoffmenge Q durch die Hochdruckpumpe in den Hochdruckbereich wird der Istwert des Drucks in dem Hochdruckbereich an einen Sollwert des Drucks angenähert. Der Istwert des Drucks ist konstant, bzw. sinkt oder steigt, wenn der Volumenstrom Q der Summe aus Einspritzmenge des Injektors 7 und der Leckagemenge entspricht, bzw. kleiner oder größer ist als diese Summe. Durch gezielte Einstellung des Volumenstroms Q durch das Stellglied kann also der Istwert an den Sollwert angenähert werden.
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Die Regeleinheit 2 ist über Signalleitungen (in der 1 als gestrichelte Linien dargestellt) zum Übertragen bzw. zum Empfangen von Signalen mit der Vorförderpumpe 3, dem Stellglied 4, der Hochdruckpumpe 5, dem Drucksensor 15, einem Temperatursensor 16, dem Injektor 7 und der Brennkraftmaschine verbunden. Insbesondere ist die Regeleinheit 2 zum Empfangen und Verarbeiten entsprechender Messsignale dieser Komponenten eingerichtet, wie beispielsweise einer Drehzahl N' der Vorförderpumpe 3 und einer Drehzahl N der Hochdruckpumpe 5, dem Istwert des Drucks (gemessen durch das Druckelement 15) und einer Temperatur des Kraftstoffs (gemessen mit dem Temperatursensor 16). In einer alternativen Ausführungsform ist der Temperatursensor 16 an der Niederdruckleitung 10 im Niederdruckbereich angeordnet. Die Regeleinheit 2 ist ferner dazu eingerichtet, anhand von Temperaturmodellen aus einem lokal (beispielsweise in Leitungen 10 oder 12) mit dem Temperatursensor 16 gemessenen Temperaturwert auch Temperaturwerte in anderen Komponenten des Systems zu bestimmen, beispielsweise in dem Rail 6 oder den Injektoren 7, und diese Temperaturwerte ebenfalls bei der Druckregelung zu berücksichtigen.
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Die Regeleinheit 2 ist schließlich dazu eingerichtet, anhand der momentanen Regelabweichung (also der Differenz zwischen dem momentanen Istwert und dem Sollwert des Drucks) eine zur Verringerung der Regelabweichung notwendige Anpassung des Volumenstroms Q zu berechnen und zur Erzielung dieser Volumenstromanpassung eine entsprechenden Wert der Steuergröße des Stellglieds 4 aus einer Ansteuerkennlinie des Stellglieds auszulesen. Diese Ansteuerkennlinie wird zuvor aus einem in einem Datenspeicher 16 der Regeleinheit 2 abgelegten mehrdimensionalen Ansteuerkennfeld der des Stellgliedes 4 anhand der momentanen Drehzahl N der Brennkraftmaschine bzw. der Hochdruckpumpe 5, der momentanen Drehzahl N' der Vorförderpumpe und einer momentanen erwarteten Einspritz- und Leckagemenge des Injektors 7 und der Temperatur des Kraftstoffs ausgelesen.
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In 2 sind zwei derartige Ansteuerkennlinien 17, 17' des Stellglieds 4 schematisch dargestellt. Entlang der Ordinatenachse ist die Steuergröße des Stellglieds 4 in Einheiten des Tastgrads des Steuersignals, also in % PWM, aufgetragen. Entlang der Abszissenachse ist der zugehörige Volumenstrom Q, gemessen in ml/min, der sich durch das mit der jeweiligen Steuergröße angesteuerte Stellglied 4 einstellt (bei der momentanen Drehzahl N der Brennkraftmaschine 14 und der momentanen Drehzahl N' der Vorförderpumpe 3).
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Die beiden gezeigten, vereinfacht dargestellten Ansteuerkennlinien 17 und 17' gehören zu zwei unterschiedlichen Drehzahlen N' der Vorförderpumpe 4, wobei alle anderen Parameter beibehalten wurden. Somit beziehen sich die beiden Ansteuerkennlinien auf zwei unterschiedliche Vorförderdrücke. Die mit dem Bezugszeichen 17 versehene Ansteuerkennlinie gehört zu einer größeren Drehzahl N' der Vorförderpumpe 3 und somit zu einem größeren Vorförderdruck als die mit dem Bezugszeichen 17' bezeichnete Ansteuerkennlinie. Bei einem höheren Vorförderdruck rufen bereits kleine Änderungen des Öffnungsgrads des VCV relativ große Änderungen des Volumenstroms Q durch das VCV aus. Daher weist die zu dem größeren Vorförderdruck gehörige Ansteuerkennlinie 17 eine (betraglich) geringere Steigung auf als die zum geringeren Vorförderdruck gehörige Ansteuerkennlinie 17'. Somit verringert sich die Sensitivität des Volumenstroms Q gegenüber der Steuergröße und damit auch die Sensitivität des Drucks im Hochdruckbereich des Systems von der Steuergröße mit abnehmender Drehzahl N' der Vorförderpumpe 4. Dies hat zur Folge, dass sich die Ansteuergenauigkeit des Stellglieds 4 und die Regelgüte des Systems bei einer geringeren Drehzahl N' der Vorförderpumpe, also einem geringeren Vorförderdruck, erhöht.
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Zu diesem Zweck ist die Regeleinheit 2 dazu eingerichtet, die Drehzahl N' der Vorförderpumpe 3 so einzustellen, dass die Steigung der Ansteuerkennlinie des Stellglieds 4 oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes liegt. In diesem Ausführungsbeispiel liegt dieser Schwellwert bei (1% PWM)/(70 ml/min). In 2 liegt demnach die Steigung der Ansteuerkennlinie 17 (betraglich) unterhalb dieses Schwellwertes und die Ansteuerkennlinie 17' oberhalb dieses Schwellwertes.
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Die Regeleinheit ist außerdem dazu eingerichtet, durch Reduzieren der Drehzahl N' der Vorförderpumpe den Vorförderdruck soweit abzusenken, bis die Steigung der zu diesem Vorförderdruck gehörigen Ansteuerkennlinie des Volumenstromventils betraglich über dem vorgegebenen Schwellwert liegt.
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Es ist insbesondere nicht notwendig und auch nicht vorgesehen, dass der Vorförderdruck selbst gemessen wird oder durch weitere Komponenten eingestellt oder vergleichmäßigt wird. Daher kann im Niederdruckbereich des Systems auf ein Druckbegrenzungsventil (DBV), ein Drucksensor, sowie auf Drosseln und Bypassleitungen zur Steuerung oder Regelung der Vorförderdrucks verzichtet werden. Daher ist das gezeigte Ausführungsbeispiels besonders kostengünstig herstellbar und sehr robust.
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In der der Speichereinheit 16 der Regeleinheit 2 ist außerdem ein Adaptionskennfeld für das Ansteuerkennfeld gespeichert. Entlang Achsen des Ansteuerkennfeldes und des Adaptionskennfeldes sind die Steuergröße des Stellgliedes, die Drehzahl N der Brennkraftmaschine, die Drehzahl N' der Vorförderpumpe 3, der Volumenstrom Q des Kraftstoffs, eine erwartete Einspritzmenge, eine erwartete Leckagemenge, die Temperatur des Kraftstoffs, sowie der Vorförderdruck abgetragen. Die Regeleinheit ist ferner dazu eingerichtet, aus in Adaptionskennlinien abgelegten Adaptionswerten, welche als Volumenstromdifferenzen gegeben sind, Korrekturwerte für in der Ansteuerkennlinie abgelegte Werte der Steuergröße zu berechnen. Ferner ist die Regeleinheit dazu eingerichtet ist, mit diesen Korrekturwerten die Werte der Steuergröße zu korrigieren und mit den korrigierten Werten der Steuergröße eine korrigierte Ansteuerkennlinie zu bilden und zur weiteren Druckregelung zu verwenden. Dabei auch der Betrag der Steigung der korrigiert Ansteuerkennlinie überprüft und gegebenenfalls, d. h. falls die Steigung betraglich kleiner als der Schwellwert ist, die Drehzahl soweit abgesenkt, bis die zugehörige Ansteuerkennlinie eine hinreichend große Steigung aufweist.
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Im gezeigten Beispiel wird das jeweils aktuell verwendete Ansteuerkennfeld aus einem fest vorgegebenen und in der Speichereinheit
16 gespeicherten Vorsteuerkennfeld berechnet, indem zu den in diesem Vorsteuerkennfeld enthaltene Werte der Steuergröße Korrekturwerte aus dem Adaptionskennfeld durch die Regeleinheit
2 hinzuaddiert werden. Dabei ist die Regeleinheit 2 außerdem dazu eingerichtet, in der Adaptionskennlinie abgelegte Adaptionswerte automatisch zu aktualisieren, falls eine Regelabweichung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, und anschließend die Ansteuerkennlinie mittels der somit aktualisierten Adaptionskennlinie zu korrigieren. Für Details zur Berechnung des Ansteuerkennfeldes aus einem Vorsteuerkennfeld und einem Adaptionskennfeldes und zur fortlaufenden Optimierung des Adaptionskennfeldes sei auf die Druckschriften
DE 10 2005 058 966 B3 und
DE 10 2004 009 616 A1 verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6230688 B1 [0010]
- EP 1574704 A2 [0010]
- DE 102005058966 B3 [0029, 0058]
- DE 102004009616 A1 [0029, 0058]
