DE102017208080A1

DE102017208080A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffhochdrucksystems

Info

Publication number: DE102017208080A1
Application number: DE102017208080.9A
Authority: DE
Inventors: Uwe Jung
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2018-04-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffhochdrucksystems eines Verbrennungsmotors, bei welchem mittels eines Kraftstoffhochdrucksensors einen Druckverlauf beschreibende Druckwerte gemessen werden, aus den gemessenen Druckwerten ein Referenzwert ermittelt wird und unter Verwendung eines Druckreglers der ermittelte Referenzwert an einen Sollwert des Druckes angepasst wird, wobei des Weiteren unter Verwendung der in einem Betrachtungszeitraum zugeführten oder abgeführten Kraftstoffmenge Druckerwartungswerte gebildet werden, die gebildeten Druckerwartungswerte mit mittels des Kraftstoffhochdrucksensors gemessenen Druckwerten verglichen werden und das Vergleichsergebnis zur Adaption einer abgespeicherten Druckkennlinie verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffhochdrucksensors inklusive der Messdatenaufbereitung als Bestandteil eines Kraftstoffhochdrucksystems.
Bei einem Kraftstoffhochdrucksystem werden Kraftstoffhochdrucksensoren und zugehörige Analog/Digital-Wandler (AD-Wandler) eingesetzt. Es sind bereits sogenannte SENT-Sensoren (Single Edge Nibble Transmission) bekannt, bei denen die beiden vorgenannten Komponenten in Form eines integrierten Bauteils vorhanden sind.
Aus Kostengründen werden im realen Betrieb Kraftstoffhochdrucksensoren und auch andere technische Bauteile mit endlicher Genauigkeit eingesetzt. Zusätzlich weisen die genannten Bauteile auch fertigungsbedingte Exemplarstreuungen auf. Des Weiteren unterliegen die genannten Bauteile im praktischen Betrieb auch einer Alterung und einer zunehmenden Kontaktkorrosion, insbesondere an vorhandenen Steckkontakten. Diese Effekte führen zu einer Ungenauigkeit der jeweils zugehörigen Bauteilkennlinie und einer Veränderung dieser Bauteilkennlinie über die Lebensdauer des jeweiligen Bauteils.
Es ist bereits bekannt, durch Exemplarstreuungen bedingte Probleme durch eine Auswahl möglichst präziser Bauteile zu reduzieren. Dies ist aber mit einem vergleichsweise hohen Bauteilausschuss verbunden.
Des Weiteren ist es bereits bekannt, zu einer Offset-Kompensation bei jedem nach einer längeren Stillstandszeit erfolgenden Motorstart einen Abgleich des mittels eines Kraftstoffhockdrucksensors gemessenen Druckwertes mit dem von einem weiterem Drucksensor, beispielsweise einem Umgebungsdrucksensor, gemessenen Druckwert vorzunehmen, sofern ein derartiger Drucksensor vorhanden ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffhochdrucksystems anzugeben, bei welchem die Zuverlässigkeit der vom Kraftstoffhochdrucksensor bereitgestellten Kraftstoffdruckwerte erhöht ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mittels des Kraftstoffhochdrucksensors einen Druckverlauf beschreibende Druckwerte gemessen, beispielsweise während eines Arbeitssegments des Verbrennungsmotors, aus den gemessenen Druckwerten ein Referenzwert, beispielsweise ein Mittelwert, ermittelt und unter Verwendung eines Druckreglers der ermittelte Referenzwert an einen Sollwert des Druckes angepasst, wobei des Weiteren unter Verwendung der während eines Betrachtungszeitraumes, beispielsweise eines Arbeitssegments, zugeführten oder abgeführten Kraftstoffmenge Druckerwartungswerte gebildet werden, die gebildeten Druckerwartungswerte mit mittels des Kraftstoffhochdrucksensors gemessenen Druckwerten verglichen werden und das Vergleichsergebnis zur Adaption einer abgespeicherten Druckkennlinie verwendet wird.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass durch eine Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens Sensorungenauigkeiten, Bauteilstreuungen und Alterungsdrift kompensiert werden können. Diese Kompensation kann bei jeder Kraftstoffzufuhr und bei jeder Kraftstoffentnahme durchgeführt werden. Vorzugsweise erfolgt die Adaption der zuletzt abgespeicherten Druckkennlinie erst beim Vorliegen einer statistisch relevanten Anzahl von Messungen und/oder langsam unter Verwendung eines Tiefpassfilters. Dadurch ergibt sich eine signifikante Robustheit des Verfahrens gegenüber Störgrößen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt
1 einen typischen Druckverlauf eines 4-Zylindermotors über 720° Kurbelwellenwinkel und
2 ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bei einem Kraftstoffhochdruckeinspritzsystem handelt es sich grundsätzlich um einen Druckkessel mit einem kontrollierten Volumenzufluss unter Verwendung einer Pumpe und einer kontrollierten Volumenentnahme durch vorgenommene Einspritzungen und gegebenenfalls durch dynamische und/oder statische Leckagen. Solange der Volumenzufluss und die Volumenentnahme im Gleichgewicht sind wird der Druck im Kraftstoffhockdrucksystem gehalten. Überwiegt der Volumenzufluss, dann steigt der Kraftstoffdruck an. Überwiegt die Volumenentnahme, dann sinkt der Kraftstoffdruck. Bei modernen Kraftstoffhochdrucksystemen erfolgt diese Bilanzierung digital und aufgeteilt auf sogenannte Segmente, welche etwa einen Motortakt des Verbrennungsmotors widerspiegeln, beispielsweise einen Arbeitstakt des Verbrennungsmotors.
Die 1 zeigt einen typischen Druckverlauf eines 4-Zylindermotors über 720° Kurbelwellenwinkel, wobei der Kraftstoffdruck auf der Ordinate und der Kurbelwellenwinkel auf der Abzisse aufgetragen ist.
Der markierte Punkt 1 stellt den Systemdruck zu Beginn eines Segments dar, der markierte Punkt 4 den Systemdruck zu Ende des Segments. Der parabelförmig verlaufende Abschnitt 2 veranschaulicht die Anhebung des Drucks bedingt durch einen Volumenzufluss aufgrund einer Pumpenförderung. Der lineare Abfall des Drucks im Abschnitt 3 veranschaulicht eine Volumenentnahme aus dem System durch ein Kraftstoffeinspritzventil. Die Bereiche 5 veranschaulichen inaktive Phasen des Systems. Der während dieser inaktiven Phase erfolgende lineare Druckabfall ist durch eine permanente Leckage verursacht. Systeme ohne eine derartige Permanentleckage zeigen während dieser inaktiven Phasen keine Druckänderung. Die in der 1 strich-punktiert gezeichnete Linie veranschaulicht exemplarisch den von einem vorhandenen digitalen Druckregler einzustellenden Sollwert des Druckes. Der Druckregler stellt durch eine geeignete Abtastung des anhand der Messwerte des Kraftstoffhochdrucksensors erstellten Druckverlaufes die Kraftstoffförderung so ein, dass das Integral des realen Druckes dem vorgegebenen Sollwert entspricht.
In dem in der 1 dargestellten Druckverlauf sind weitere Informationen enthalten, die beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Dabei wird unter anderem davon Gebrauch gemacht, dass innerhalb des Kraftstoffhochdrucksystems die geförderten und die entnommenen Kraftstoffmengen sehr präzise bekannt sind. Durch eine gemeinsame Betrachtung der genannten Kraftstoffmengen mit gezielt aufgenommenen Druckwerten aus dem in der 1 dargestellten Druckverlauf und einem anschließenden Vergleich mit jeweils zugehörigen Erwartungswerten kann in vorteilhafter Weise eine Korrektur fehlerhafter Sensormesswerte erfolgen, welche aufgrund von Bauteilstreuungen und Alterungsdrift vorliegen. Dies wird nachfolgend näher erläutert.
In einem abgeschlossenen System wie einem Kraftstoffhochdrucksystem kann eine Druckänderung dp für ein zugeführtes oder abgeführtes Kraftstoffvolumen dV mittels der folgenden Beziehung beschrieben werden: dp = B·(dV/V) .
Dabei sind B das Kompressionsmodul des verwendeten Kraftstoffs und V das Behältervolumen.
Durch diese Beziehung kann mit Hilfe des bekannten Volumens dV der Kraftstoffzufuhr bzw. der Kraftstoffentnahme eine erwartete Druckänderung, die beispielsweise zwischen den in der 1 gezeigten Punkten 6 und 7 bzw. 8 und 9 auftritt, in einfacher Weise bestimmt werden.
Bei einer toleranzbehafteten und/oder gedrifteten Druckkennlinie stimmen das zur Berechnung verwendete und das tatsächliche Kompressionsmodul nicht überein. Gleichzeitig ist der Startpunkt der Druckänderung zwischen den Punkten 6 und 7 nicht der korrekte Druck zum angenommenen Kompressionsmodul. Hierdurch ergibt sich eine deutliche Abweichung zwischen einem berechneten Druckwert und einem tatsächlichen Druckwert 7 bzw. 9. Diese Diskrepanz kann, wie in 2 exemplarisch dargestellt ist, zu einer Korrektur der im System hinterlegten nominalen Kennlinie auf die tatsächlich vorliegende Sensorerfassungscharakteristik verwendet werden. Durch diese Korrektur ist es grundsätzlich möglich, kostengünstige Sensorik mit ebenso kostengünstiger A/D-Wandlung zu verwenden, da eine höhere Toleranz mit dem beschriebenen Verfahren ausgeglichen werden kann.
Auf eine Kompensation der Messkette aufgrund langsamer Störeinflüsse wie beispielsweise Temperatureinflüsse kann verzichtet werden, da bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens derartige langsame Störungen während der Systemlaufzeit ausgeglichen werden. Gleichzeitig wird ein langzeitstabiles Verhalten sichergestellt, da auftretende Alterungseinflüsse ebenfalls kompensiert werden.
In vorteilhafter Weise findet eine Erstbefüllung des Kraftstoffhochdrucksystems mit einem Kraftstoff statt, dessen Kompressionsmodul bekannt ist und einer Tabelle entnommen werden kann oder einer Gleichung möglichst exakt entspricht. Kombiniert man dieses Verfahren mit der Erkennung eines Tankvorgangs, beispielsweise mit einer Verwendung der von einem Kraftstofffüllstandssensor erhaltenen Informationen, dann kann über die erkannte Abweichung des Kompressionsmoduls in weiten Bereichen auf die Art des getankten Kraftstoffs geschlossen werden.
Durch eine Wiederholung des nachfolgend beschriebenen Ablaufs an einem zweiten, vom ersten Druckpunkt verschiedenen Druckpunkt kann auch eine Offset-Kompensation durchgeführt werden, so dass auf den oben genannten Abgleich unter Verwendung eines Umgebungsdrucksensors verzichtet werden kann.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, durch eine entsprechende Anzahl betrachteter Druckpunkte jede beliebige Form einer Druckkennlinie zu adaptieren. Ebenfalls ist auch eine abschnittsweise Adaption möglich, beispielsweise beim Vorliegen unstetiger Druckverläufe.
Nachfolgend wird anhand des in der 2 gezeigten Diagrammes das erfindungsgemäße Verfahren exemplarisch näher erläutert. In diesem Diagramm ist auf der Ordinate der Druck p in MPa und auf der Abzisse die Signalspannung U in V aufgetragen.
Die 2 veranschaulicht den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens exemplarisch und basierend auf der zu Beginn der Korrektur im System hinterlegten und gestrichelt gezeichneten Kennlinie 1. Im Falle eines vollständig neuen Systems handelt es sich bei der Kennlinie 1 um die Nominalkennlinie des Systems, bei einem bereits im Betrieb befindlichen System um eine bereits adaptierte, im System abgespeicherte Kennlinie.
Die echte, verschobene Kennlinie 2 zu Beginn des Verfahrens ist mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Die oben beschriebene Offset-Kompensation ist bereits erfolgt. Folglich liegen im Fußpunkt der Kennlinien bei einem Druck von etwa 1 bar, der dem Umgebungsdruck entspricht, beide Kennlinien zusammen.
Der vom System beispielsweise am Punkt 8 von 1 gemessene Druckwert ist mit P_Mes_1 bezeichnet, die zugehörige Sensorspannung mit U_Mes_1. Aufgrund der fehlerbehafteten Kennlinie 1 ist der real herrschende Druck P_Rea_1.
Wird dem System nun beispielsweise eine Kraftstoffmenge dV entnommen, dann ist der erwartete Druckabfall dP_Exp_2, der sich dann einstellende Druck ist P_Exp_2 bei U_Exp_2.
Das zur Berechnung verwendete Kompressionsmodul B(p) wird einer im System hinterlegten Tabelle entnommen oder alternativ dazu durch eine zugehörige Gleichung, beispielsweise empirisch, beschrieben. Das Gesamtvolumen V ist als Konstruktionsgröße bekannt.
Es gelten die folgenden Beziehungen: P_Exp_2 = P_Mes_1 – dP_Exp_2 mit dP_Exp_2 = B(P_Mes_1)·dV/V und U_Exp_2 = U_Mes_1/P_Mes_1·P_Exp_2 .
Der reale Druckabfall durch die Entnahme von dV ist aber dP_Rea_2, da in der Realität der Drucksprung nicht von P_Mes_1, sondern von P_Rea_1 ausgeht. P_Rea_1 kann nun durch die Ermittlung des realen Kompressionsmoduls bestimmt werden. Es gilt: B(P_Rea_1) = dP_Rea_2·V/dV .
Die bereits oben genannte Tabelle wird als Look-Up-Table verwendet oder es wird die bereits oben genannte Gleichung entsprechend aufgelöst, so dass aus dem ermittelten realen Kompressionsmodul B der reale Druck P_Rea_1 bestimmt werden kann. Da dieser Druck dem Spannungswert U_Mes_1 zugeordnet ist, ergibt sich die korrigierte Kennliniensteilheit als P_Rea_1/U_Mes_1. Zur Verifizierung kann der Druck P_Mes_2 herangezogen werden. Dieser muss der zu U_Rea_2 korrespondierende Druckwert auf der korrigierten Kennlinie sein.
Ein wesentlicher Vorteil des beschriebenen Kennlinien-Adaptionsverfahrens ist, dass die beschriebene Berechnung praktisch bei jeder Kraftstoffzufuhr und jeder Kraftstoffentnahme durchgeführt werden kann. Durch die erhaltene Vielzahl von Ereignissen kann die Korrektur erst bei einer statistisch relevanten Anzahl von Messungen und/oder langsam unter Verwendung eines Tiefpassfilters durchgeführt werden. Dadurch ergibt sich eine signifikante Robustheit des Verfahrens gegenüber Störgrößen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffhochdrucksystems eines Verbrennungsmotors, bei welchem mittels eines Kraftstoffhochdrucksensors einen Druckverlauf beschreibende Druckwerte gemessen werden, aus diesen gemessenen Druckwerten ein Referenzwert ermittelt wird und unter Verwendung eines Druckreglers der ermittelte Referenzwert an einen Sollwert des Druckes angepasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung der in einem Betrachtungszeitraum zugeführten oder abgeführten Kraftstoffmenge Druckerwartungswerte gebildet werden, die gebildeten Druckerwartungswerte mit mittels des Kraftstoffhochdrucksensors gemessenen Druckwerten verglichen werden und das Vergleichsergebnis zur Adaption einer abgespeicherten Druckkennlinie verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem bekannten Druckwert ohne Verwendung eines Referenzsensors eine Offset-Kompensation von adaptierter und abgespeicherter Druckkennlinie vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bildung der Druckerwartungswerte das Kompressionsmodul des Kraftstoffs berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompressionsmodul einer hinterlegten Tabelle entnommen wird oder durch eine mathematische Beziehung beschrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckerwartungswert unter Verwendung der folgenden Beziehung ermittelt wird: P_Exp_2 = P_Mes_1 – dP_Exp2 , wobei P_Exp_2 der Druckerwartungswert, P_Mes_1 ein mittels des Kraftstoffhochdrucksensors gemessener Druckwert und dP_Exp_2 eine erwartete Druckänderung ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erwartete Druckänderung gemäß der folgenden Beziehung ermittelt wird: dP_Exp_2 = B(P_Mes_1)·dV/V , wobei d_Exp_2 die erwartete Druckänderung, B das Kompressionsmodul des Kraftstoffs, dV die zugeführte oder abgeführte Kraftstoffmenge und V das Gesamtvolumen des druckführenden Behälters ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder6, dadurch gekennzeichnet, dass für den erwarteten Drucksensorspannungswert die folgende Beziehung verwendet wird: U_Exp_2 = U_Mes_1/P_Mes_1·P_Exp_2 , wobei U_Exp_2 der erwartete Drucksensorspannungswert, P_Mes_1 ein vom Kraftstoffhochdrucksensor gemessener Druckwert und P_Exp_2 ein realer Druckwert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der reale Druckwert unter Verwendung eines realen Kompressionsmoduls ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch8, dadurch gekennzeichnet, dass das reale Kompressionsmodul gemäß der folgenden Beziehung ermittelt wird: B(P_Rea_1) = dP_Rea2·V/dV , wobei B(P_Rea_1) das reale Kompressionsmodul, dP_Rea_2 der reale Druckabfall, V das Gesamtvolumen des druckführenden Behälters und dV die zugeführte oder abgeführte Kraftstoffmenge ist.