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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines durch eine Hochdruckpumpe in einem Kraftstoffrail bewirkten Raildrucks für einen Brennkraftmotor gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1. Gegenstand der Erfindung sind auch ein elektronisches Steuergerät, ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
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Stand der Technik
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Hochdruckpumpen werden in Kraftstoffeinspritzanlagen für die Zufuhr von Kraftstoff verwendet. In Kraftstoffeinspritzanlagen mit Trennung von Druckerzeugung und Einspritzvorgang, wie beispielsweise Common-Rail-Einspritzanlagen, werden Hochdruckpumpen eingesetzt, um Kraftstoff zu verdichten und in das Kraftstoffrail, das einen Hochdruckspeicher darstellt, weiterzuleiten. Dazu wird die Hochdruckpumpe in der Kraftstoffeinspritzanlage zwischen dem Niederdruckbereich und dem Hochdruckbereich angeordnet.
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Der Druck in dem Kraftstoffrail wird durch einen Raildruckregler auf einen erwünschten Raildruck, den Raildruck-Sollwert, geregelt. Der Raildruckregler berechnet einen Fördervolumen-Steuerwert, mit dem die Hochdruckpumpe angesteuert wird. In einer üblichen Ausbildung des Raildruckreglers sind in diesem eine Vorsteuerungseinheit und ein PID-Regler vorgesehen. Die Vorsteuerungseinheit bestimmt auf Basis einer aktuell angeforderten Einspritzmenge, die neben einer erwünschten Steuermenge eine Leckage berücksichtigt, und eines aktuellen Druckänderungswunsches einen Vorsteuerungswert. Der PID-Regler, dem eine Raildruck-Regelabweichung als Differenz eines betriebspunktabhängigen Raildruck-Sollwertes und eines mit einem Kraftstoffraildrucksensor gemessenen Istwertes zugeführt wird, berechnet einen additiven Korrekturvolumenstrom. Der Fördervolumen-Steuerwert zur Ansteuerung der Hochdruckpumpe ergibt sich als Summe des Vorsteuerungswertes und des Korrekturvolumenstroms. Die Berechnungen des Raildruckreglers erfolgen mit einer festen Abtastrate von beispielsweise 10ms, also zeitsynchron in einem Raster mit 10ms-Abständen.
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Die Hochdruckpumpe stellt mit jedem Pumpenförderhub eine Kraftstoffmenge bereit. Die Abfolge der Pumpenförderhübe der Hochdruckpumpe folgt zeitlich aber nicht dem festen Abtastraster des Raildruckreglers, sondern wird durch den aktuellen Betriebszustand des Brennkraftmotors bestimmt. Insbesondere bei modernen Hochdruckpumpen, bei denen das Fördervolumen pro Förderhub für aufeinander folgende Förderhubvorgänge individuell vorgegeben werden kann, ergibt sich das Problem, dass für eine aktuell langsam betriebene Hochdruckpumpe der Raildruckregler pro Förderhubvorgang mehrfach das Fördervolumen berechnet, und dass eine aktuell schnell betriebene Hochdruckpumpe ungeachtet möglicher Änderungen einer Volumenentnahme durch den Brennkraftmotor aufeinander folgend mehrfach dasselbe Fördervolumen pro Förderhubvorgang fördert. Darunter leidet die Qualität und Präzision der Raildruckregelung.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren und ein elektronisches Steuergerät mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
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Das vorgestellte Verfahren zum Regeln eines durch eine Hochdruckpumpe in einem Kraftstoffrail bewirkten Raildrucks für einen Brennkraftmotor sieht vor, dass der Raildruck synchron zu einer Motordrehzahl des Brennkraftmotors der Hochdruckpumpe geregelt wird. Die Regelung des Raildrucks erfolgt also nicht in dem bekannten festen, zeitsynchronen Berechnungsraster, sondern erfolgt in einem zeitlich variablen, motordrehzahlsynchronen Berechnungsraster, dessen jeweiliges Rasterintervall sich bevorzugt von einem bis zum nächsten durchlaufenen oberen Totpunkt, bezogen auf einen einzigen Zylinder oder alle Zylinder, des Brennkraftmotors erstreckt.
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Das vorgeschlagene Verfahren überwindet die Nachteile der zeitraster-basierten Berechnung der Fördermenge bzw. der Regelung des Raildrucks und ermöglicht eine exakte Regelung des Raildrucks im Kraftstoffrail auch für den Einsatz von Hochdruckpumpen, bei denen das Fördervolumen pro Förderhub für aufeinander folgende Förderhubvorgänge individuell vorgegeben werden kann.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Raildruck-Sollwert synchron zu der Motordrehzahl berechnet wird. Außerdem ist in einer Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass ein Raildruck-Istwert synchron zu der Motordrehzahl erfasst wird.
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Ferner ist in einer Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass eine einem Zylinder des Brennkraftmotors zugeordnete Einspritzmenge synchron zu der Motordrehzahl berechnet wird.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens ist zudem vorgesehen, dass ein Fördervolumen-Steuerwert zur Ansteuerung der Hochdruckpumpe synchron zu der Motordrehzahl berechnet wird. Die Ansteuerung der Hochdruckpumpe auf Grundlage des Fördervolumen-Steuerwertes kann dabei durch eine Bestromung einer Zumesseinheit erfolgen, wobei das Fördervolumen der Hochdruckpumpe proportional zu dem Ausmaß der Bestromung ist. Die Ansteuerung der Hochdruckpumpe kann alternativ über ein verstellbares Saugventil der Hochdruckpumpe erfolgen.
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In einer Fortbildung der obigen Weiterbildung des Verfahrens ist zudem vorgesehen, dass der Fördervolumen-Steuerwert durch eine Vorsteuerungseinheit und/oder einen Regler synchron zu der Motordrehzahl berechnet wird. Die Vorsteuerungseinheit berechnet einen Vorsteuerungswert auf Grundlage einer aktuell angeforderten Einspritzmenge, die neben einer erwünschten Steuermenge eine Leckage berücksichtigen kann, und eines aktuellen Druckänderungswunsches. Der Regler hat bevorzugt die Funktionalität eines PID-Reglers und berechnet einen additiven Korrekturvolumenstrom aus einer Raildruck-Regelabweichung, die als Differenz eines synchron zur Motordrehzahl berechneten Raildruck-Sollwertes und eines mit einem Kraftstoffraildrucksensor synchron zur Motordrehzahl erfassten Istwertes berechnet wird. Der Fördervolumen-Steuerwert kann dann durch den Vorsteuerwert oder durch den additiven Korrekturvolumenstrom, die bevorzugt synchron zur Motordrehzahl berechnet worden sind, oder durch die Summe beider Werte gebildet sein und zur Ansteuerung der Hochdruckpumpe verwendet werden.
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Ferner ist in einer Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass eine dem Kraftstoffrail zugeordnete Stellvorrichtung zur Kraftstoffmengenentnahme aus dem Kraftstoffrail synchron zu der Motordrehzahl betrieben wird. Die Stellvorrichtung kann ein an dem Kraftstoffrail angebrachtes bestrombares Druckregelventil oder Druckabbauventil sein und kann auf Grundlage eines additiven Korrekturdrucks angesteuert bzw. bestromt werden, der durch einen PID-Regler mit zugeführter Raildruck-Regelabweichung bevorzugt synchron zur Motordrehzahl berechnet wird.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens ist zudem vorgesehen, dass der Raildruck genau einmal pro durchlaufener Oberer-Totpunkt-Position eines Zylinders des Brennkraftmotors geregelt wird. Für saugseitig geregelte Hochdruckpumpen, die über eine Kurbelwelle oder Nockenwelle des Brennkraftmotors angetrieben werden, entspricht dies genau einer berechnungsbasierten Regelung pro Förderhub der Hochdruckpumpe. Die zur Berechnung des Fördervolumen-Steuerwertes benötigten Größen, also die gewünschte Einspritzmenge, der Raildruck-Sollwert, die Raildruck-Regelabweichung und der Raildruck-Istwert, müssen mit derselben Häufigkeit, bezogen auf die durchlaufene Oberer-Totpunkt-Position des Zylinders, berechnet bzw. erfasst werden. Die Berechnung der Einspritzmenge und die Bereitstellung der dafür erforderlichen Kraftstoffmenge im Kraftstoffrail kann somit optimiert auf die Fördercharakteristik der Hochdruckpumpe abgestimmt werden.
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Ferner ist in einer Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass der Raildruck oberhalb einer vorgegebenen Motordrehzahl nur bei jeder zweiten durchlaufenen Oberer-Totpunkt-Position eines Zylinders des Brennkraftmotors geregelt werden kann. Dadurch kann der bei hohen Motordrehzahlen für die Regelung des Raildrucks anfallende hohe Berechnungsaufwand reduziert werden. Wie oben erwähnt, müssen die zur Berechnung des Fördervolumen-Steuerwertes benötigten Größen mit derselben Häufigkeit, bezogen auf die durchlaufene Oberer-Totpunkt-Position des Zylinders, berechnet bzw. erfasst werden.
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Eine Reduzierung der Berechnungshäufigkeit des Raildruckreglers sollte daher mit der Reduzierung der Berechnungshäufigkeit der Einspritzmengen-Sollwerte einhergehen und umgekehrt.
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Außerdem ist in einer Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass die Hochdruckpumpe mit einer Verstellvorrichtung zum pumpenförderhubindividuellen Verstellen eines Fördervolumens versehen ist. Das Fördervolumen kann somit für jeden Pumpenhub der Hochdruckpumpe individuell eingestellt werden. Dies ermöglicht, dass jedem Zylinder des Brennkraftmotors eine individuell angepasste und daher optimierte Kraftstoffmenge zur Verfügung gestellt werden kann. Gleichzeitig kann so der Raildruck im Kraftstoffrail bestmöglich auf den Raildruck-Sollwert geregelt werden.
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In einer Fortbildung der obigen Weiterbildung des Verfahrens ist zudem vorgesehen, dass die Verstellvorrichtung durch ein ansteuerbares Saugventil gebildet ist. Das ansteuerbare Saugventil ist bevorzugt ein elektrisch ansteuerbares Saugventil. Wird das Saugventil vom Motorsteuergerät angesteuert, so schließt es die Verbindung zum Niederdruck-Kreislauf, und die verbleibende Menge im Hochdruckraum der Pumpe wird nicht mehr durch das Saugventil zurück in den Niederdruckkreislauf, wie dies vor Schließen des Saugventils der Fall ist, gefördert, sondern verdichtet und über das Hochdruckventil der Einspritzanlage zur Verfügung gestellt. Zu beachten ist, dass die vorstehend beschriebe Variante des Saugventils nur eine von vielen darstellt, Das vorgestellte Verfahren ist auch für jede andere mögliche Variante des angesteuerten Saugventils möglich. Darüber hinaus kann das Verfahren auch für alle anderen Hochdruckpumpen mit elementsynchroner Fördermenge und einer Möglichkeit, diese Fördermenge zu verstellen, entsprechend angewendet werden. Elementsynchron bedeutet, dass jedem Pumpenelement eine eindeutige Fördermenge zugeordnet werden kann, und diese wiederum eindeutig einem motorischen Zylinder zuzuordnen sind. Zwei Förderhübe / Motor-OT ist auch als elementsynchron zu interpretieren, da die Überlappung der Förderhübe keine Auswirkung auf die vorliegende Erfindung hat.
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Außerdem ist in einer Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass das Regeln des Raildrucks ein Ermitteln einer Anbaulage der Hochdruckpumpe umfasst.
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Bei der zuvor erwähnten Pumpenkonstruktion, nämlich einer Hochdruckpumpe mit elementsynchroner Zumessung der Fördermenge, ist es insbesondere von Bedeutung, die geometrische Lage der Hochdruckpumpe zu kennen, um daraus auf die aktuelle Position des Kolbens der Hochdruckpumpe schließen zu können. Diese geometrische Lage wird hierin als Lage oder auch Anbaulage bezeichnet. Der Anbaulage bezeichnet hierbei insbesondere eine auf den Kurbelwinkel oder Nockenwinkel des Brennkraftmotors bezogene Winkeldifferenz zwischen der Oberer-Totpunkt-Position eines Zylinders des Brennkraftmotors und der Oberer-Totpunkt-Position des Pumpenkolbens. Nur so ist es möglich, die Ansaugphase oder Förderphase zu erkennen und zu bestimmen, wann die Umkehrpunkte des Kolbens erreicht sind. Dies ist erforderlich, um das Saugventil zum richtigen Zeitpunkt aktiv zu schließen und so die gewünschte Menge in das Kraftstoffrail zu fördern.
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Für die Anbaulageerkennung einer Hochdruckpumpe mit elementsynchroner Zumessung der Fördermenge wird ein Verfahren zur Erkennung der Anbaulage im Start mit einer Erkennung im Leerlauf kombiniert. Auf diese Weise ist es möglich, die Anbauposition der Hochdruckpumpe mit elektrischem Saugventil sehr genau zu bestimmen und über der Lebensdauer nachzuführen. Die Funktion zur Erkennung der Anbaulage der Hochdruckpumpe besteht in Ausgestaltung aus zwei Teilfunktionen. Die erste Teilfunktion dient der Erkennung der Anbaulage im Start, und die zweite Teilfunktion dient der Erkennung der Anbaulage im Motor-Leerlauf. Auf diese zwei Teilfunktionen wird nachfolgend eingegangen.
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Beim Motor-Erststart, dem die erste Teilfunktion zugeordnet ist, befindet sich die Hochdruckpumpe typischerweise in der sogenannten Vorförderung, was bedeutet, dass der gesamte Verdichtungshub der Hochdruckpumpe für den Druckaufbau der Pumpe und damit für den Druckaufbau im Hochdruckspeicher verwendet wird. Bei den derzeit in Anwendung befindlichen Nockenpumpen sind die Förderhübe der Hochdruckpumpe voneinander getrennt, d.h. zwischen zwei Förderhüben existiert immer eine Förderlücke. Eine Einkolbenpumpe hat z.B. eine Förderlücke von rund 90°. Auf Basis der bekannten Geometrie der Nockenbahn, z. B. 90° Ansaugphase und 90° Förderphase, kann nun auf Basis des gemessenen Raildrucks, da Fördermenge einen Druckanstieg bedeutet, und der bekannten Motorposition, die über eine Winkelpositionserfassung für die Programmierung der Einspritzungen bestimmt werden kann, die Anbaulage der Pumpe ermittelt werden. Da diese Erkennung jedoch nur für wenige Pumpenhübe und starke Drehzahldynamik aktiv sein kann, nämlich während des Motorstarts unter Berücksichtigung spezieller Mechanismen, ist diese erste Teilfunktion mit großen Toleranzen behaftet. Die mit der ersten Teilfunktion ermittelte Winkelposition dient jedoch als Basiswert für die zweite Teilfunktion bzw. die Adaptionsgrenze der weiteren Teilfunktion wird auf Basis der ersten Teilfunktion abgeleitet.
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Im Motor-Leerlauf, dem die zweite Teilfunktion zugeordnet ist, kann die Betriebsart des Hochdruck-Reglers in den sogenannten Zumessbetrieb geschaltet werden, d. h. es wird nur die Menge an Kraftstoff in das Hochdruck-System gefördert, die vom Motor (Einspritzmenge) sowie vom Einspritzsystem (Steuermenge, Leckage) benötigt wird, Über diese spezielle Betriebsart kann eine sehr kleine Fördermenge der Hochdruckpumpe eingestellt werden. Bei PKW-Anwendungen ist dies typischerweise weniger als 1 l/h, sodass sich die Hochdruckpumpe nahe der sogenannten Nullförderung befindet. Darüber hinaus kann durch den typischen Raildruck im Motor-Leerlauf eine Beeinträchtigung der Anbaulagenerkennung durch Wirkungsgradunterschiede der Hochdruckpumpe nahezu ausgeschlossen bzw. vernachlässigt werden.
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Da der Motor-Leerlauf ein Betriebspunkt ist, der über mehrere Motorumdrehungen stabil ist, ist es in diesem Betriebspunkt möglich, über eine Zeitdauer von mehreren stabilen Förderhüben der Hochdruckpumpe den programmierten Ansteuerbeginn des Saugventils in eine Winkelposition der Hochdruckpumpe umzurechnen. Die ermittelte Winkelposition, bei der die Fördermenge für den Motor-Leerlaufbetrieb zur Verfügung gestellt wird, kann auf Basis der ersten Teilfunktion überprüft werden und es wird auf Basis der bekannten Pumpeneigenschaften am Betriebspunkt „Motor-Leerlauf“ eine geometrische Anbaulage abgeleitet.
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Befindet sich der Hochdruck-Regler im Motor-Leerlauf im sogenannten Vollförderbetrieb der Hochdruckpumpe, dann kann analog der Vorgehensweise bei Motorstart der Förderbeginn und/oder das Förderende der Hochdruckpumpe und damit deren geometrische Anbaulage auf Basis des Drucksignals im Hochdruckspeicher bzw. im Kraftstoffrail bestimmt werden.
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Es ist ferner ein elektronisches Steuergerät vorgesehen, das zur Ausführung eines der oben vorgestellten Verfahren eingerichtet ist. Das Verfahren kann in diesem Steuergerät als Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware implementiert sein.
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Außerdem sind ein Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens auf einem Computer und ein maschinenlesbares Speichermedium mit dem darauf aufgezeichneten Computerprogramm vorgesehen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Zur Verdeutlichung des oben geschilderten Verfahrens wird nun eine Ausgestaltung mit Verweis auf beispielhafte Figuren vorgestellt.
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1 zeigt beispielhaft eine schematische Darstellung eines Kraftstoffversorgungssystems mit einem Raildruckregler zur Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens.
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2 veranschaulicht einen kurbelwinkelbezogenen Ablauf der motordrehzahlsynchronen Raildruckregelung.
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Ausführungsbeispiel der Erfindung
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1 zeigt schematisch beispielhaft ein Kraftstoffversorgungssystem mit einem Raildruckregler zur Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens. Eine Hochdruckpumpe 1 wird von einer Vorförderpumpe 6 über eine Niederdruckleitung 7 mit Kraftstoff 5 aus einem Tank 4 versorgt. Über eine Hochdruckleitung 8 pumpt die Hochdruckpumpe 1 Kraftstoff in ein Kraftstoffrail 2. Das Fördervolumen der Hochdruckpumpe 1 ist gemäß einem Fördervolumen-Steuerwert 12 eingestellt, den ein Raildruckregler 9 zur Regelung des Raildrucks im Kraftstoffrail 2 berechnet hat. Der Raildruckregler 9 ist aus einem PID-Regler 10 und einer Vorsteuerungseinheit 11 zusammengesetzt. Dem PID-Regler 9 wird eine Raildruck-Regelabweichung 13 zugeführt, die als Differenz des synchron zur Motordrehzahl berechneten Raildruck-Sollwertes ps und des synchron zur Motordrehzahl mit einem Raildrucksensor 3 erfassten Raildruck-Istwertes pi berechnet worden ist, und berechnet synchron zur Motordrehzahl einen additiven Korrekturvolumenstrom 10A. Eine synchron zur Motordrehzahl vorgenommene Berechnung bedeutet, dass diese Berechnung einmal pro durchlaufenen oberen Totpunkt des Brennkraftmotors erfolgt. Der Vorsteuerungseinheit 11 wird eine synchron zur Motordrehzahl berechnete Einspritzmenge 15 und eine erwünschter Druckänderungswert 16 zugeführt, so dass die Vorsteuerungseinheit 11 synchron zur Motordrehzahl einen Vorsteuerungswert 11A berechnet. Die Summe des additiven Korrekturvolumenstroms 10A und des Vorsteuerungswertes 11A wird als Fördervolumen-Steuerwert 12 an die Hochdruckpumpe 1 gespeist, um das Fördervolumen des aktuellen Förderhubs vorzugeben und um den Raildruck-Sollwert ps im Kraftstoffrail einzustellen.
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2 veranschaulicht einen kurbelwinkelbezogenen Ablauf der motordrehzahlsynchronen Raildruckregelung. In 2 sind Positionen des jeweiligen oberen Totpunktes 20, ein Verlauf des Pumpenhubs 21, ein Verlauf der Fördermenge 22 der Hochdruckpumpe und Zeitpunkte 23 einer jeweiligen Berechnung des Fördervolumen-Steuerwertes veranschaulicht, wobei der Kurbelwinkel [°KW] horizontal aufgezeichnet ist. Wie aus einem Vergleich der Positionen 20 des oberen Totpunktes und den jeweiligen Maxima des Pumpenhubs 21 ersichtlich, ist die Hochdruckpumpe mit einer Anbaulage 24 bzw. einem kurbelwinkelbezogenen Einbauversatz (Winkeldifferenz zwischen der Oberer-Totpunkt-Position eines Zylinders des Brennkraftmotors und der Oberer-Totpunkt-Position des Pumpenkolbens) von 45° verbaut. Eine jeweilige Berechnung 23 des Fördervolumen-Steuerwertes 12 zur Ansteuerung der Hochdruckpumpe 1 erfolgt synchronisiert, mit einem Kurbelwinkelabstand 25 zu einer zuvor durchlaufenen Oberer-Totpunkt-Position 20, mit der Abfolge der Positionen 20 des oberen Totpunktes bzw. der Motordrehzahl. Die Kurven 22 veranschaulichen jeweils den Verlauf des Fördervolumens nach der Ansteuerung der Hochdruckpumpe mit dem jeweils berechneten Fördervolumen-Steuerwert 12.
