-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
-
Stand der Technik
-
Bei heutigen Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen wird Kraftstoff mit Hilfe einer Kraftstoffpumpe aus einem Kraftstoffbehälter gefördert und über Kraftstoffleitungen Einspritzventilen zugeführt. Bei Brennkraftmaschinen mit Hochdruckeinspritzung, insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung (z.B. sogenannte „Common-Rail-Systeme“), schließt sich an die Kraftstoffpumpe eine weitere Pumpe an, die einen sehr hohen Druck in einem Hochdruckbereich der Kraftstoffversorgung erzeugt. Der Hochdruckbereich steht mit den Einspritzventilen in Verbindung. Ferner ist ein Druckregelventil vorgesehen, mit dessen Hilfe der Druck im Hochdruckbereich regelbar ist.
-
Aus der
DE 195 48 278 A1 geht eine entsprechende Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-System hervor, bei der ein erstes und ein zweites Stellglied zur Beeinflussung des Kraftstoffdrucks in dem genannten Hochdruckbereich vorgesehen sind.
-
Eine genannte Common-Rail-Hochdruckregelung beruht heutzutage auf zwei Regelalgorithmen. Mittels eines ersten Regelalgorithmus‘ wird ein eigentlicher Raildruckregler betrieben, wobei der entsprechende Regelkreis über einen Raildrucksensor geschlossen ist. Die zugehörigen Steller sind eine Zumesseinheit (ZME) und ein Druckregelventil (DRV).
-
Mittels eines zweiten Regelalgorithmus‘ wird ein zweiter Regler betrieben, welcher die Bestromung eines genannten Stellglieds bzw. Stellers regelt, wobei der entsprechende Regelkreis über eine bevorzugt von einem Steuergerät des Common-Rail-Systems durchgeführte Strommessung geschlossen ist. Der zweite Regler ist bekanntermaßen als Integral-Regler (I-Regler) ausgebildet und dient insbesondere der Kompensation von unerwünschten Temperatureffekten. Dabei wird an den jeweiligen Steller, bzw. an eine Endstufe des Stellers, ein Tastverhältnis übermittelt, welches mittels einer Kennlinie vorgesteuert wird.
-
Zur Korrektur des berechneten Tastverhältnisses bei einer genannten Zumesseinheit und einem genannten Druckregelventil wird in an sich bekannter Weise eine Linearisierungskennlinie appliziert. Jedoch ist die Bedatung dieser Korrekturkennlinie häufig unzureichend, so dass die Korrektur zusätzlich anhand einer Rückmeldung der jeweiligen Applikation erfolgt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung bezieht sich auf einen genannten Stellerstromregler, der bevorzugt als Integral-Regler ausgelegt ist, und schlägt ein Verfahren zur Optimierung eines solchen Stromreglers einer hier betroffenen Hochdruckregelung eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems vor. Insbesondere wird eine adaptive Lernfunktion zur Optimierung der genannten Linearisierungskennlinie vorgeschlagen.
-
Bei der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich auf der Grundlage einer dadurch ermöglichten, nur schwach gefilterten Stromrückmessung gute Lernwerte erreichen lassen. So wird auf eine klassische Filterung der Werte weitgehend verzichtet, der Zeitpunkt der individuellen Strommessung jedoch mit den Flanken eines pulsweiten-modulierten Spannungssignals oder den Flanken eines Stromsignals synchronisiert. Für stationäre Betriebspunkte wird der dann quasistationäre Integral-Anteil des Reglers eingelernt und in die Linearisierungskennlinie mit Hilfe eines geeigneten Algorithmus‘ integriert
-
Bei einem erfindungsgemäß eingelernten System findet vorteilhaft kein Einregelvorgang mehr statt, da die Vorsteuerung den korrekten Stellerstrom unmittelbar durch ein korrektes Tastverhältnis einstellt. Die vorgeschlagene, adaptive Lernfunktion verbessert daher den vorgesteuerten Stellereingang und entlastet somit den Hochdruckregler, bei gleichzeitig verbesserter Regelung des Raildrucks. Da die genannten durch den Stellstromregler zu kompensierenden Temperatureffekte nur relativ langsam ablaufen bzw. sich nur relativ langsam ändern, ergeben sich die genannten Vorteile der Lernfunktion trotz der für das Lernen erforderlichen Zeitspanne.
-
Die Erfindung bietet ein einfach und damit kostengünstig implementierbares Verfahren, um mögliche Abweichungen bei der Bedatung der Linearisierungskennlinien sowie individuelle Komponentenstreuungen für die genannte Zumesseinheit und das Druckregelventil zu kompensieren. Das Verfahren ermöglicht eine gegenüber dem Stand der Technik erheblich genauere Zuordnung von Stellerstrom und Tastverhältnis und damit eine verbesserte Vorsteuerung des Stellerstroms bei genannten, toleranzbehafteten und/oder mangelhaft oder fehlerhaft bedateten Systemen.
-
Die Erfindung kann insbesondere bei Einspritzsystemen mit magnetbetriebenen Stellern, deren Induktivität sich herstellungsbedingt unterscheidet, mit den hierin beschriebenen Vorteilen zur Anwendung kommen.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt ein Kraftstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine mit Hochdruckeinspritzung (Common-Rail-System) gemäß dem Stand der Technik.
-
2 zeigt ein Übersichtsblockdiagramm zur Darstellung einer erfindungsgemäß modifizierten Regeleinrichtung.
-
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Flussdiagramms.
-
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand eines Blockdiagramms.
-
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
-
In 1 sind die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Komponenten eines Kraftstoffversorgungssystems einer Brennkraftmaschine mit Hochdruckeinspritzung (sog. „Common-Rail-System“) dargestellt. Ein Kraftstoffvorratsbehälter 100 steht über einen ersten Filter 105, einer regelbaren Vorförderpumpe 110 und einem zweiten Filter 115 in Verbindung. Vom zweiten Filter 115 gelangt der Kraftstoff über eine Leitung zu einem Ventil 120. Die Verbindungsleitung zwischen dem Filter 115 und dem Ventil 120 steht über ein Niederdruckbegrenzungsventil 140 mit dem Vorratsbehälter 100 in Verbindung. Das Ventil 120 steht über eine Hochdruckpumpe 125 mit einem Rail 130 in Verbindung. Das Rail 130 ist über Kraftstoffleitungen mit verschiedenen Injektoren 131 verbunden. Über ein Druckregelventil 135 ist das Rail 130 zudem mit dem Kraftstoffvorratsbehälter 100 verbindbar. Das Druckregelventil 135 ist mittels einer Spule 136 steuerbar. Die Leitungen zwischen dem Ausgang der Hochdruckpumpe 125 und dem Eingang des Druckregelventils 135 werden als Hochdruckbereich bezeichnet. In diesem Bereich steht der Kraftstoff unter hohem Druck. Der Druck im Hochdruckbereich wird mittels eines Sensors 140 erfasst.
-
Im Betrieb dieses Kraftstoffversorgungssystems wird Kraftstoff, der sich im Vorratsbehälter befindet, von der Vorförderpumpe 110 durch die Filter 105 und 115 gefördert. Ausgangsseitig der Vorförderpumpe 110 ist der Kraftstoff mit einem Druck zwischen einem und ca. 3 bar beaufschlagt. Wenn der Druck im Niederdruckbereich des Kraftstoffsystems einen vorgebbaren Druck erreicht hat, öffnet das Ventil 120 und der Eingang der Hochdruckpumpe 125 wird mit einem bestimmten Druck beaufschlagt. Dieser Druck hängt von der Ausführung des Ventils 120 ab. Üblicherweise ist das Ventil 120 so ausgestaltet, dass es bei einem Druck von ca. 1 bar die Verbindung zur Hochdruckpumpe 125 freigibt.
-
Steigt der Druck im Niederdruckbereich auf unzulässig hohe Werte an, so öffnet das Niederdruckbegrenzungsventil 140 und gibt die Verbindung zwischen dem Ausgang der Vorförderpumpe 110 und dem Vorratsbehälter 100 frei. Mittels des Ventils 120 und dem Niederdruckbegrenzungsventil 140 wird der Druck im Niederdruckbereich auf Werte zwischen ca. 1 und 3 bar gehalten.
-
Die Hochdruckpumpe 125 fördert den Kraftstoff vom Niederdruckbereich in den Hochdruckbereich. Die Hochdruckpumpe 125 baut im Rail 130 einen sehr hohen Druck auf. Dieser Druck liegt in der Größenordnung zwischen 1000 und 2000 bar. Über die Injektoren 131 kann der Kraftstoff unter hohem Druck den einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine zugemessen werden.
-
Mittels des Sensors 140 wird der Druck im Rail bzw. im gesamten Hochdruckbereich erfasst. Mittels des Druckregelventils 135, das mit einer Spule 136 ansteuerbar ist, kann der Druck im Hochdruckbereich geregelt werden. Abhängig von der an der Spule 136 anliegenden Spannung bzw. des durch die Spule 136 fließenden Stromes öffnet das Druckregelventil 135 bei unterschiedlichen Druckwerten.
-
Zur Regelung des Drucks P im Hochdruckbereich werden zwei Stellglieder eingesetzt. Dies ist zum einen die in der Fördermenge verstellbare Vorförderpumpe 110 und das Druckregelventil 135. Das Druckregelventil 135 kann auch als Druckbegrenzungsventil bezeichnet werden, da es bei einem einstellbaren Druck die Verbindung zwischen Hochdruckbereich und Niederdruckbereich freigibt.
-
Eine erfindungsgemäß modifizierte Reglerstruktur ist in 2 als Blockdiagramm dargestellt. Bereits in 1 beschriebene Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Mit 200 ist eine Steuerung bezeichnet, die eine Vorsteuerung 210 sowie eine Stromsteuerung 250 mit Signalen beaufschlagt. Das Ausgangssignal N eines Drehzahlsensors 205 wird der Steuerung 200 und der Vorsteuerung 210 zugeführt. Das Ausgangssignal PI des Drucksensors 140 gelangt zum einen zur Vorsteuerung 210 und zum anderen zu einem Verknüpfungspunkt 225. Das Ausgangssignal QSV der Vorsteuerung 210 gelangt zu einem Verknüpfungspunkt 215.
-
Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 225 liegt ein Signal PS, das dem gewünschten Solldruck im Rail 130 entspricht. Dieses Signal PS wird von der Steuerung 200 bereitgestellt. Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 225 gelangt zu einem Druckregler 220, dessen Ausgangssignal QSR wiederum zum zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 215 gelangt. Mit dem Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 215 wird eine Sollwertvorgabe 230 beaufschlagt. Diese Sollwertvorgabe gibt einen Sollwert NSE für die Drehzahl der Vorförderpumpe 110 vor. Dieser Sollwert NSE gelangt zu einem Verknüpfungspunkt 235 an dessen zweiten Eingang mit negativen Vorzeichen das Ausgangssignal NIE eines Drehzahlsensors 240 anliegt, der die Drehzahl der Vorförderpumpe 110 erfasst.Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 235 gelangt zu einem Drehzahlregler 245, der die Vorförderpumpe 110 mit einem entsprechenden Ansteuersignal UEKP beaufschlagt.
-
Das Signal PS gelangt ferner zu einer Stromsteuerung 250, die einen Sollwert IS für den Strom, der durch das Druckregelventil 135 fließt, vorgibt. Dieser Sollwert IS gelangt zu einem Verknüpfungspunkt 255, an dessen zweiten Eingang mit negativen Vorzeichen, das Ausgangssignal IDRV einer Strommessung 260 anliegt. Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 255 gelangt zu einem Stromregler 265, der das Regelventil 135 mit einem Ansteuersignal UDRV beaufschlagt. Mit dem Ausgang des Stromreglers 265 ist ein erfindungsgemäßes Lernmodul 275 (bzw. eine Lernfunktion) signal- bzw. datentechnisch verbunden, wobei der Ausgang des Lernmoduls 275 an die vor dem Verknüpfungspunkt 255 angeordnete Stromsteuerung 250 mittels einer Daten-/Signalleitung 280 rückgeführt wird, um die Stromsteuerung 250 mit dem von dem Lernmodul 275 gelieferten korrekten Stellerstrom bzw. das korrekte Tastverhältnis zu betreiben bzw. anzusteuern. Eine bevorzugte Ausgestaltung des Lernmoduls 275 ist in 3 gezeigt.
-
Die Vorförderpumpe 110 kann auch als erstes Stellglied und das Druckregelventil 135 als zweites Stellglied bezeichnet werden.
-
Im Betrieb der in 2 gezeigten Regelung gibt die Vorsteuerung 210, abhängig von der aktuellen Einspritzmenge QK, die von der Steuerung 200 bereitgestellt wird, der Motordrehzahl N der Brennkraftmaschine, und dem Druck PI im Rail 130, das Signal QSV vor. Dieses Signal ist ein Maß für die Menge, die von der Vorförderpumpe gefördert werden muss um die für die Einspritzung benötige Menge bereitzustellen. Hierbei wird die näherungsweise bekannte druckabhängige Leckage und der druck- und motordrehzahlabhängige Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe berücksichtigt, und als Vorsteuermengenstrom QSV bezeichnet. Desweiteren ermittelt der Verknüpfungspunktes 225 abhängig vom gewünschten Druck PS im Rail und dem tatsächlichen Druck PI im Rail eine Druckdifferenz. Diese Druckdifferenz zwischen dem erwarteten und dem tatsächlichen Wert wird dem Druckregler 220 zugeleitet. Dieser bestimmt ausgehend von der Abweichung zwischen dem erwarteten und dem tatsächlichen Wert einen ersten Ansteuerwert QSR. Dieser erste Ansteuerwert QSR und der zweite Ansteuerwert QSV, der von der Vorsteuerung 210 vorgegeben wird, werden im Verknüpfungspunkt 215 additiv verknüpft.
-
Abhängig von diesem Wert berechnet die Sollwertberechnung 230 einen Sollwert NSE für die Drehzahl der Vorförderpumpe 110. Diesen Drehzahlwert vergleicht der Verknüpfungspunkt 235 mit dem tatsächlichen Wert NIE der Drehzahl der Vorförderpumpe. Abhängig von der Abweichung zwischen dem erwarteten Wert NSE und dem tatsächlichen Wert NIE der Drehzahl der Vorförderpumpe 110 bestimmt der Drehzahlregler 245 ein Ansteuersignal zur Beaufschlagung des ersten Stellgliedes 110.
-
Anstelle der Vorförderpumpe 110 als Stellglied zur Beeinflussung der Fördermenge, kann alternativ auch ein anderes Stellglied im Niederdruckbereich verwendet werden. Beispielsweise ist es möglich das Ventil 140, entsprechend wie das Ventil 135, als Druckregelventil auszugestalten und zur Steuerung der Fördermenge anzusteuern. Ferner kann vorgesehen sein, dass im Niederdruckbereich ein Absperrventil angeordnet ist, mit dem der Kraftstofffluss im Niederdruckbereich steuerbar ist.
-
Durch die Überlagerung des Vorsteuerwertes QSV und des Ausgangssignals QSR des Druckreglers 220 können langfristige Druckänderungen im Rail ausgeglichen werden.
-
Aufgrund dieser Vorgehensweise ergibt sich bei konstantem Solldruck einem diesem entsprechender mittlerer Raildruck. Bei Solldruckerhöhungen stellt der Mengenregler einen zum Druckaufbau erhöhten Sollmengenstrom QSR ein, so dass der Raildruck steigt. Bei Solldruckverringerungen reduziert der Mengenregler den Sollmengenstrom QSR bis auf Null. Reicht diese Maßnahme nicht zu der geforderten Druckreduzierung aus, kommt das Druckregelventil 135 zum Einsatz.
-
Dessen Öffnungsdruck wird über den Strom durch die Spule 136 so eingestellt, dass dieses etwa bei 20 bis 50 bar über dem Solldruck öffnet.
-
Fällt nun der Druck im Rail trotz geringer Förderung durch die Vorförderpumpe 110 zu langsam ab, gibt die Steuerung 250 einen solchen Strom IS vor, dass das Druckregelventil 135 öffnet und der Druck dadurch abgebaut wird, bis ein Druckwert erreicht wird, der etwas über dem Solldruck liegt. Der Druck liegt nur kurzfristig über dem erwarteten Raildruck, da durch Leckage und Einspritzungen der Druck weiter absinkt und dann die Mengenregelung über die Vorförderpumpe 110 wieder eingreift.
-
Vorzugsweise erfolgt eine Regelung des Stroms I, der durch die Spule 136 des Ventils 135 fließt. Dadurch kann der sich durch Erwärmung ändernde Widerstand der Magnetspule 136 aufgrund wechselnder Temperaturen ausgeglichen werden.
-
3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der genannten Lernfunktion bzw. eines entsprechenden Lernmoduls 275. Bei dem zugrundeliegenden Lernverfahren wird im Stationärbetrieb oder in einem quasi-stationären Betrieb des Stromreglers der Reglerausgang des Stromreglers erfasst und eingelernt. Der so erfasste Sollwert wird einer Korrekturstruktur zugeführt, z.B. auf eine assoziative Korrekturkennlinie aufgelernt. Dadurch wird die Vorsteuerkennlinie kontinuierlich an das aktuelle Übertragungsverhalten der Stellerspule angepasst und dadurch der genannte meist relativ langsam applizierte bzw. langsam arbeitende I-Regler des Stellerstroms erheblich entlastet.
-
Gemäß dem in 3 gezeigten Block-/Flussdiagramm wird zunächst in einer Prüfschleife 300 geprüft, ob ein genannter Stationärbetrieb des Stromreglers vorliegt. Dieser Prüfschritt 300 kann z.B. durch Differenzbildung von zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangswerten des Stromreglers und Vergleich des jeweils ermittelten Differenzwerts mit einem Schwellenwert erfolgen, wobei ein stationärer Betrieb des Stromreglers immer dann vorliegt, wenn der Differenzwert den Schwellenwert unterschreitet. Wurde ein Stationärbetrieb festgestellt, wird das Ausgangssignal des Stromreglers erfasst 305 und zwischengespeichert 310. Auf der Grundlage des gespeicherten Ausgangssignals des Stromreglers wird das durch die gestrichelte Linie 315 hervorgehobene adaptive Lernverfahren sowie die entsprechende Anpassung von Lernwerten an die assoziative Korrekturkennlinie durchgeführt.
-
Das entsprechend assoziative Lernverfahren ermöglicht, unabhängig von vorgegebenen Stützstellen Information in eine bestehende Lernkennlinie einzuarbeiten. Dabei werden die Koordinaten der Stützstellen dynamisch gesetzt und verschoben, bzw. Kennlinienwerte verworfen und/oder zusammengeführt.
-
Gemäß Schritt 320 wird das gespeicherte Ausgangssignal des Stromreglers als neuer Lernwert behandelt und ein entsprechender Regelwert der Korrekturkennlinie zugeordnet. In Schritt 325 wird geprüft, ob die Differenz zwischen dem Lernwert und dem zugeordneten Regelwert der Korrekturkennlinie innerhalb eines emprisch vorgegebenen Grenzwerts liegt. Ist dies nicht der Fall, wird der aktuelle Lernwert verworfen und wieder an den Anfang der gesamten Routine zurückgesprungen. Liegt die Differenz innerhalb des Grenzwerts, wird gemäß Schritt 330 der vorliegende Regelwert der Korrekturkennlinie durch den Lernwert ersetzt.
-
In 4 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Anpassung einer hier betroffenen Korrekturkennlinie anhand eines beschriebenen Lernverfahrens dargestellt. Der bereits beschriebene Steller 400, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Druckregelventil, wird von einem Stromregler 405 getrieben, welcher wie beschrieben als I-Regler ausgebildet ist. Der Stellerstrom ist in dem Ausführungsbeispiel getaktet, wobei die Ansteuerung des Stellers 400 anhand des Tastverhältnisses erfolgt. Der Stromregler 405 wird mittels einer vorgeschalteten Regelventilkennlinie 410 bedatet.
-
Das am Ausgang des Stromreglers 405 vorliegende Steuer- bzw. Regelsignal wird an einem ersten Verknüpfungspunkt 415 abgegriffen und einem Vergleicher 420 zugeführt, welcher das anhand von 3 beschriebene Verfahren ausführt, um das Vorliegen eines stationären Zustands festzustellen. Im Falle eines festgestellten Stationärbetriebs wird das am ersten Verknüpfungspunkt 415 abgegriffene Signal einem zweiten Verknüpfungspunkt 425 zugeführt. Dort wird das abgegriffene Signal zum Einen einem Korrekturkennliniemodul 430 zugeführt, in dem das vorbeschriebene Lernverfahren zur Anpassung der Korrekturkennlinie ausgeführt wird. Zum Anderen wird das abgegriffene Signal sowie der Ausgang des Korrekturkennlinienmoduls 430 einem dritten, addierenden Verknüpfungspunkt 435 zugeführt, um das entsprechend gelernte bzw. korrigierte Signal der Regelventilkennlinie 410 zuzuführen, mittels der der Stromregler 405 entsprechend optimiert bedatet wird.
-
Das beschriebene Verfahren kann entweder in Form eines Steuerprogramms in einem bestehenden Steuergerät zur Steuerung einer Brennkraftmaschine realisiert werden oder in Form einer entsprechenden Steuereinheit.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
