DE102017211770B4 - Verfahren zur Druckregelung in einem Hochdruck-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, und Brennkraftmaschine zur Durchführung eines solchen Verfahrens - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Druckregelung in einem Hochdruck-Einspritzsystem (101) einer Brennkraftmaschine (1), wobei
- in Abhängigkeit von einer Hochdruck-Regelabweichung (ep) zwischen einem Ist-Hochdruck (pist) in dem Hochdruck-Einspritzsystem (101) und einem als Hochdruck-Führungsgröße verwendeten Soll-Hochdruck (psoll) eine Hochdruck-Stellgröße (V̇PI(DT1)) ermittelt wird, wobei
- die Hochdruck-Stellgröße (V̇PI(DT1)) mit einer Hochdruck-Störgröße (V̇Stoer dyn) verrechnet wird,
- wobei die Hochdruck-Störgröße (V̇Stoer dyn) in Abhängigkeit von einer Einspritzsollmenge (QSoll stat) ermittelt wird, und wobei
- aus der Einspritzsollmenge (QSoll stat) mittels eines Differentiationsglieds (139) eine dynamische Einspritzsollmenge (QSoll dyn) ermittelt wird, wobei
- die Hochdruck-Störgröße (V̇Stoer dyn) anhand der dynamischen Einspritzsollmenge (QSoll dyn) ermittelt wird, und wobei
- die Hochdruck-Störgröße (V̇Stoer dyn) aus einer Zylinderzahl z der Brennkraftmaschine (1), einer Ist-Drehzahl (nist) und der dynamischen Einspritzsollmenge (QSoll dyn) ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Druckregelung in einem Hochdruck-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
  • Kommt es im Betrieb einer Brennkraftmaschine, die ein Hochdruck-Einspritzsystem zum Einspritzen von Kraftstoff in wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine aufweist, zu einem plötzlichen Lastabwurf, beispielsweise weil ein Propeller bei einem Schiffsantrieb aus dem Wasser austaucht oder die Last bei einer Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb einer als Generator betriebenen elektrischen Maschine an einem Stromnetz - insbesondere auf Anforderung eines Stromnetzbetreibers - plötzlich abgeworfen wird, kann der Druck in dem Hochdruck-Einspritzsystem plötzlich stark und insbesondere über ein zulässiges Maß hinaus ansteigen. In diesem Fall öffnet typischerweise ein Überdruckventil des Hochdruck-Einspritzsystems, oder ein Druckregelventil spricht an, um den Druckanstieg zumindest zu begrenzen, vorzugsweise den Druck zu verringern. Bei bestimmten Anwendungen von Brennkraftmaschinen treten solche Lastabwurf-Ereignisse mit vergleichsweise hoher Häufigkeit auf, insbesondere bei Schiffsantrieben oder generatorischen Anwendungen. Dies wirkt sich besonders negativ auf die Haltbarkeit eines Überdruckventils und/oder eines Druckregelventils aus, da diese typischerweise davon abhängt, wie oft und wie lange ein solches Ventil angesprochen hat. Ein Betrieb der Brennkraftmaschine bei geöffnetem Überdruckventil oder mit offenem Druckregelventil ist nachteilig, da sich in dieser Betriebsart ein vergleichsweise niedriger Druck in dem Hochdruck-Einspritzsystem einstellt, was letztlich zu einer reduzierten Leistung der Brennkraftmaschine und zu höheren Emissionen führt.
  • Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 45 268 A1 gehen eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung einer Druckgröße einer Brennkraftmaschine hervor, wobei, ausgehend von einem Vergleich zwischen einem Ist-Wert und einem Soll-Wert, eine Stellgröße vorgebbar ist. Ausgehend von einer Betriebskenngröße ist mittels eines differenzierenden Verhalten aufweisenden Elements ein Wert zur Beeinflussung der Stellgröße vorgebbar.
  • Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 60 311 A1 gehen insbesondere ein Verfahren sowie eine Brennkraftmaschine hervor, wobei Kraftstoff bei der Brennkraftmaschine von einer elektrisch angetriebenen Kraftstoffpumpe gefördert wird, welche einlassseitig mit einem Kraftstoffbehälter und auslassseitig mit einem Druckbereich verbunden ist. Um Kraftstoff zu sparen und den Druck im Druckbereich optimal einstellen zu können, wird vorgeschlagen, dass ein Ist-Druck im Druckbereich von einem Drucksensor erfasst und die Kraftstoffpumpe wenigstens zeitweise abhängig vom Ist-Druck angesteuert wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Druckregelung in einem Hochdruck-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
  • Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zur Druckregelung in einem Hochdruck-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, bei welchem in Abhängigkeit von einer Hochdruck-Regelabweichung zwischen einem Ist-Hochdruck in dem Hochdruck-Einspritzsystem und einem als Hochdruck-Führungsgröße verwendeten Soll-Hochdruck eine Hochdruck-Stellgröße ermittelt wird, wobei die Hochdruck-Stellgröße mit einer Hochdruck-Störgröße verrechnet wird. Die Hochdruck-Störgröße wird in Abhängigkeit von einer Einspritzsollmenge ermittelt. Aus der Einspritzsollmenge wird dabei mittels eines Differentiationsglieds eine dynamische Einspritzsollmenge ermittelt, und die Hochdruck-Störgröße wird anhand der dynamischen Einspritzsollmenge ermittelt. Die Hochdruck-Störgröße wird aus einer Zylinderzahl der Brennkraftmaschine, einer Ist-Drehzahl und der dynamischen Einspritzsollmenge ermittelt. Insbesondere dadurch, dass die Hochdruck-Störgröße anhand der dynamischen Einspritzsollmenge ermittelt wird, die ihrerseits mittels eines Differentiationsglieds aus der Einspritzsollmenge ermittelt wird, kann die Hochdruck-Störgröße Änderungen der Einspritzsollmenge sehr schnell - insbesondere im Vergleich zu einer Ermittlung der Hochdruck-Störgröße auf der Grundlage der Einspritzsollmenge vor der Anwendung des Differentiationsglieds - folgen und somit auf solche Änderungen sehr schnell reagieren. Wird Last abgeworfen, reagiert die Steuerung der Brennkraftmaschine typischerweise durch schnelle Reduktion der Einspritzsollmenge, wobei diese Entwicklung in der Hochdruck-Störgröße besonders rasch und hochdynamisch abgebildet werden kann, wenn diese anhand der dynamischen, mittels des Differentiationsglieds differenzierten Einspritzsollmenge ermittelt wird. Die Druckregelung des Hochdruck-Einspritzsystems kann auf diese Weise schneller als bisher bekannt auf einen Lastabwurf oder auch eine verringerte Last reagieren, wodurch vorzugsweise ein unzulässiger Anstieg des Drucks in dem Hochdruck-Einspritzsystem verhindert werden kann, sodass es im besten Fall gar nicht erst zu einem Öffnen des Überdruckventils oder einem Ansprechen des Druckregelventils kommt. Auf diese Weise werden zum einen das Überdruckventil und/oder das Druckregelventil geschont, sodass sich deren Haltbarkeit vorteilhaft verlängert, wobei zum anderen ein Betrieb der Brennkraftmaschine mit geöffnetem Überdruckventil und/oder offenem Druckregelventil vermieden wird, wodurch ein Leistungsverlust und ein verschlechtertes Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine verhindert werden kann.
  • Das Hochdruck-Einspritzsystem weist bevorzugt einen gemeinsamen Hochdruckspeicher für eine Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren auf, wobei die Kraftstoffinjektoren eingerichtet sind, um Kraftstoff direkt in Brennräume der Brennkraftmaschine einzuspritzen. Ein solches Hochdruck-Einspritzsystem wird auch als Common-Rail-System bezeichnet. Die Druckregelung ist insbesondere eingerichtet und ausgebildet, um einen Hochdruck in dem gemeinsamen Hochdruckspeicher, mithin in dem Rail des Common-Rail-Systems, zu regeln.
  • Der für die Druckregelung verwendete Soll-Hochdruck wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens konstant gewählt. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Soll-Hochdruck in Abhängigkeit von einem momentanen Lastpunkt der Brennkraftmaschine bestimmt, besonders bevorzugt aus einem Kennfeld ausgelesen, wobei der Lastpunkt der Brennkraftmaschine insbesondere definiert ist aus einem Wertepaar eines momentan durch die Brennkraftmaschine aufzubringenden Soll-Drehmoments und einer momentanen Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine. Zusätzlich oder alternativ kann der Soll-Hochdruck in Abhängigkeit von der momentanen Einspritzsollmenge ermittelt werden.
  • Die Hochdruck-Stellgröße ist eine Größe, die geeignet ist, um den Ist-Hochdruck zu beeinflussen. Durch Veränderung der Hochdruck-Stellgröße kann somit der Ist-Hochdruck verändert und insbesondere dem Soll-Hochdruck angeglichen oder zumindest angenähert werden, sodass die Hochdruck-Regelabweichung reduziert wird.
  • Das Verrechnen der Hochdruck-Stellgröße mit der Hochdruck-Störgröße, das heißt insbesondere das Aufschalten der Hochdruck-Störgröße auf die Druckregelung, führt in für sich genommen bekannter Weise zu einem dynamischeren Verhalten der Druckregelung, da diese bereits auf Veränderungen der Hochdruck-Störgröße reagieren kann, bevor sich diese tatsächlich in einer für ein Ansprechen der Druckregelung hinreichenden Weise in der Hochdruck-Regelabweichung niederschlagen.
  • Die Einspritzsollmenge wird vor der Anwendung des Differentiationsglieds auch als statische Einspritzsollmenge bezeichnet. Diese statische Einspritzsollmenge ist eine Eingangsgröße des Differentiationsglieds, welches als Ausgangsgröße die dynamische Einspritzsollmenge aufweist. Die dynamische Einspritzsollmenge stellt dabei insbesondere ein Signal dar, welches Änderungen in der statischen Einspritzsollmenge in besonders ausgeprägter Weise, insbesondere als Signalüberhöhungen, abbildet, sodass die anhand der dynamischen Einspritzsollmenge ermittelte Hochdruck-Störgröße ihren Wert bei einer Änderung des Wertes der statischen Einspritzsollmenge schneller ändert, als wenn die Hochdruck-Störgröße anhand der statischen Einspritzsollmenge ermittelt würde.
  • Unter einem Differentiationsglied wird eine Recheneinrichtung, eine Signalverarbeitungseinrichtung und/oder ein Algorithmus verstanden, die/der aus einem Eingangssignal ein Ausgangssignal ermittelt, wobei das Ausgangssignal zumindest auch einen Anteil aufweist, der auf einer Differentiation des Eingangssignals beruht. Hierdurch werden Änderungen in dem Eingangssignal in dem Ausgangssignal auf besonders prägnante Weise abgebildet.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Differentiationsglied ein (PD)T1-Glied verwendet wird. Ein solches aus der Regelungstechnik für sich genommen bekanntes Glied weist neben einem Proportional-Anteil und einer Verzögerungszeit T1 auch einen differentiellen Anteil auf. Ein solches (PD)T1-Glied ist besonders geeignet, um aus einem Eingangssignal ein dynamischeres, Änderungen des Eingangssignals prägnant abbildendes Ausgangssignal zu erzeugen. Insbesondere durch die Verwendung eines solchen (PD)T1-Gliedes kann somit die Dynamik der Druckregelung bei dessen Anwendung auf die Einspritzsollmenge deutlich erhöht werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Hochdruck-Stellgröße ein Kraftstoff-Sollvolumenstrom verwendet wird, wobei als Hochdruck-Störgröße ein Kraftstoffsollverbrauch ermittelt wird. Der als Hochdruck-Stellgröße verwendete Kraftstoff-Sollvolumenstrom beschreibt insbesondere einen Volumenstrom, der entlang eines Kraftstoff-Förderpfads aus einem Kraftstoff-Reservoir, beispielsweise einem Tank, in den gemeinsamen Hochdruckspeicher gefördert werden soll, um den Soll-Hochdruck zu erreichen oder aufrechtzuerhalten. Es ist offensichtlich, dass der Kraftstoffsollverbrauch der Brennkraftmaschine, das heißt insbesondere die Kraftstoffmenge, welche über die Injektoren dem gemeinsamen Hochdruckspeicher entnommen wird, den Hochdruck in dem gemeinsamen Hochdruckspeicher maßgeblich beeinflusst. Wird dieser Kraftstoffsollverbrauch als Hochdruck-Störgröße der Druckregelung aufgeschaltet, kann diese besonders dynamisch und schnell bereits auf Änderungen im Kraftstoffsollverbrauch reagieren, noch bevor sich diese in relevanter Weise in der Hochdruck-Regelabweichung abbilden. Diese Vorgehensweise entspricht in für sich genommen bekannter Weise in etwa einer Vorsteuerung des Druckregelkreises mit dem Kraftstoffsollverbrauch.
  • Es ist auch ohne weiteres offensichtlich, dass die Einspritzsollmenge eine wichtige Größe für die Ermittlung des Kraftstoffsollverbrauchs ist. Wird der Kraftstoffsollverbrauch nun anhand der dynamischen Einspritzsollmenge anstelle der statischen Einspritzsollmenge ermittelt, kann dieser besonders schnell und flexibel auf Änderungen der Einspritzsollmenge reagieren.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hochdruck-Störgröße selbst keinem Differentiationsglied unterworfen wird. Einer solchen Vorgehensweise bedarf es nicht, wenn die Hochdruck-Störgröße auf der Grundlage der dynamischen Einspritzsollmenge ermittelt wird. Die Hochdruck-Störgröße folgt dann bereits hochdynamisch der dynamischen Einspritzsollmenge und bedarf nicht ihrerseits nochmals einer Dynamisierung durch ein weiteres Differentiationsglied. Es ist aber grundsätzlich auch nicht ausgeschlossen, dass die Hochdruck-Störgröße selbst nochmals einem Differentiationsglied unterworfen wird, um das Verfahren gegebenenfalls noch dynamischer zu gestalten.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einspritzsollmenge als Ausgangsgröße einer Drehzahlregelung der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Dabei kann die Einspritzsollmenge selbst als Drehzahl-Stellgröße der Drehzahlregelung ermittelt werden, oder sie kann anhand einer unmittelbar aus einem Drehzahlregler resultierenden Drehzahl-Stellgröße zur direkten Ansteuerung der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Beispielsweise ist es möglich, dass ein Drehzahlregler in Abhängigkeit einer Drehzahl-Regelabweichung zwischen einer momentanen Ist-Drehzahl und einer vorbestimmten Soll-Drehzahl ein Soll-Moment, das auch als Drehzahlregler-Moment bezeichnet wird, ermittelt, mit dem Aktoren der Brennkraftmaschine jedoch nicht unmittelbar angesteuert werden können. Daher wird aus dem Soll-Moment bevorzugt - insbesondere in Abhängigkeit von weiteren Größen - die Einspritzsollmenge ermittelt, mittels welcher dann insbesondere die Injektoren der Brennkraftmaschine angesteuert werden.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Hochdruck-Störgröße, insbesondere also der Kraftstoffsollverbrauch, aus einer Brennraumzahl oder Zylinderzahl der Brennkraftmaschine, einer momentanen Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine und der dynamischen Einspritzsollmenge ermittelt wird. Da die Einspritzsollmenge insbesondere die mittels eines Injektors in einen Brennraum der Brennkraftmaschine einzubringende Kraftstoffmenge repräsentiert, ergibt sich der Kraftstoffsollverbrauch aus der Einspritzsollmenge in Verbindung mit der Anzahl der Brennräume, mithin der Zylinderzahl der Brennkraftmaschine, sowie der momentanen Ist-Drehzahl, insbesondere als Produkt der Einspritzsollmenge, vorzugsweise der dynamischen Einspritzsollmenge, mit der Zylinderzahl und der momentanen Ist-Drehzahl, sowie vorzugsweise wenigstens einem zusätzlichen Faktor. Ein solcher Faktor kann insbesondere eine Umrechnung zwischen verschiedenen, für die betrachteten Größen verwendeten Einheiten und/oder eine Aufteilung der Brennräume der Brennkraftmaschine in verschiedene Brennraumgruppen berücksichtigen; letzteres insbesondere dann, wenn zur Druckregelung für alle Brennraumgruppen dieselbe Hochdruck-Störgröße verwendet wird.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass anhand der Hochdruck-Stellgröße eine Saugdrossel in einem Kraftstoff-Förderpfad des Hochdruck-Einspritzsystems angesteuert wird. Über die Saugdrossel kann insbesondere der Kraftstoff-Volumenstrom von dem Kraftstoff-Reservoir in den gemeinsamen Hochdruckspeicher beeinflusst werden. Bevorzugt wird dabei aus dem Kraftstoff-Sollvolumenstrom ein elektrischer Sollstrom zur Ansteuerung der Saugdrossel ermittelt, wobei dieser elektrische Sollstrom als StromFührungsgröße einem der Druckregelung unterlagerten Stromregler zugeführt wird. Dieser ermittelt vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Strom-Regelabweichung zwischen einem momentanen Ist-Strom und dem Sollstrom eine Sollspannung als Stellgröße der Stromregelung für die Saugdrossel, wobei dann bevorzugt anhand der Sollspannung ein pulsweitenmoduliertes Signal für die Ansteuerung der Saugdrossel berechnet wird. Die Saugdrossel wird mit dem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert, und es wird der dabei durch die Saugdrossel fließende Ist-Strom gemessen, welcher - vorzugsweise nach einer Filterung - dem Stromregler als Ist-Größe zur Ermittlung der Strom-Regelabweichung zugeführt wird.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine wenigstens zwei Brennraumgruppen aufweist, wobei für jede Brennraumgruppe der wenigstens zwei Brennraumgruppen ein separates Hochdruck-Einspritzsystem vorgesehen ist, wobei für jedes Hochdruck-Einspritzsystem der wenigstens zwei separaten Hochdruck-Einspritzsysteme eine separate Druckregelung durchgeführt wird, und wobei dieselbe Hochdruck-Störgröße für die wenigstens zwei separaten Druckregelungen der wenigstens zwei separaten Hochdruck-Einspritzsysteme verwendet wird. Die separate Druckregelung für jedes separate Hochdruck-Einspritzsystem einer Brennraumgruppe ermöglicht es, flexibel auf Abweichungen, Fehler oder Probleme zu reagieren, die nur bei einer der wenigstens zwei Brennraumgruppen auftreten. Die Verwendung derselben Hochdruck-Störgröße für alle Brennraumgruppen ermöglicht eine besonders zeitnahe, rasche Reaktion auf einen Lastabwurf und eine effiziente, einfache Durchführung des Verfahrens, wobei die Bedingungen des Lastabwurfs für alle Brennraumgruppen gleich sind und zur gleichen Zeit auftreten, sodass die Verwendung einer selben, gemeinsamen Hochdruck-Störgröße gerechtfertigt ist.
  • Bei den Brennraumgruppen handelt es sich insbesondere um Zylinderbänke der Brennkraftmaschine. Dabei ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine zwei Zylinderbänke aufweist und insbesondere als V-Motor ausgebildet ist. Es ist beispielsweise aber auch möglich, dass die Brennkraftmaschine drei Zylinderbänke aufweist und dann bevorzugt als W-Motor ausgebildet ist.
  • Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die eingerichtet ist zur Durchführung einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens. Insbesondere weist die Brennkraftmaschine vorzugsweise eine Steuereinrichtung, insbesondere ein Steuergerät auf, welches eingerichtet ist zur Durchführung einer solchen Ausführungsform des Verfahrens. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
  • Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Sie weist ein Hochdruck-Einspritzsystem zur Direkteinspritzung von Kraftstoff in wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine auf, wobei es möglich ist, dass die Brennkraftmaschine für eine Mehrzahl von Brennraumgruppen jeweils separate Hochdruck-Einspritzsysteme aufweist. Das wenigstens eine Hochdruck-Einspritzsystem ist insbesondere als Common-Rail-System ausgebildet.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem Hochdruck-Einspritzsystem;
    • 2 eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden Verfahrens zur Druckregelung in einem einzelnen Hochdruck-Einspritzsystem;
    • 3 eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden Verfahrens zur Druckregelung in zwei separaten Hochdruck-Einspritzsystemen einer zwei Brennraumgruppen aufweisenden Brennkraftmaschine;
    • 4 eine schematische Detaildarstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Druckregelung in einem Hochdruck-Einspritzsystem;
    • 5 eine weitere schematische Detaildarstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Druckregelung in einem einzelnen Hochdruck-Einspritzsystem;
    • 6 eine schematische Detaildarstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Druckregelung in zwei separaten Hochdruck-Einspritzsystemen einer Brennkraftmaschine mit zwei Brennraumgruppen;
    • 7 eine schematische Darstellung von sich bei der Durchführung einer Ausführungsform des Verfahrens zur Druckregelung ergebenden Effekten, und
    • 8 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Druckregelung in einem Hochdruck-Einspritzsystem in Form eines Flussdiagramms.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Hochdruck-Einspritzsystem 101, das bevorzugt als Common-Rail-System ausgebildet ist und im Folgenden auch als Common-Rail-System bezeichnet wird.
  • Das dargestellte Common-Rail-System umfasst dabei folgende mechanische Komponenten: Einen Kraftstoff-Förderpfad 102 mit einer Niederdruckpumpe 3 zur Förderung von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 2, einer veränderbaren Saugdrossel 4 zur Beeinflussung des durchströmenden Kraftstoff-Volumenstroms, einer Hochdruckpumpe 5 zur Förderung des Kraftstoffs unter Druckerhöhung, außerdem einen auch als Rail bezeichneten gemeinsamen Hochdruckspeicher 6 zum Speichern des Kraftstoffs, und Injektoren 7 zum Einspritzen des Kraftstoffs in Brennräume 103 der Brennkraftmaschine 1. Optional kann das Common-Rail-System auch mit Einzelspeichern ausgeführt sein, wobei dann zum Beispiel im Injektor 7 ein Einzelspeicher 8 als zusätzliches Puffervolumen integriert ist. Als Schutz vor einem unzulässig hohen Druckniveau im Rail 6 ist ein passives Druckbegrenzungsventil 11 vorgesehen, welches zum Beispiel bei einem Raildruck von 2400 bar öffnet und im geöffneten Zustand den Kraftstoff aus dem Rail 6 in den Kraftstofftank 2 ab steuert.
  • Die Betriebsweise der Brennkraftmaschine 1 wird durch ein elektronisches Steuergerät 10 (ECU) bestimmt. Das elektronische Steuergerät 10 beinhaltet die üblichen Bestandteile eines Mikrocomputersystems, beispielsweise einen Mikroprozessor, I/O-Bausteine, Puffer und Speicherbausteine (EEPROM, RAM). In den Speicherbausteinen sind die für den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 relevanten Betriebsdaten in Kennfeldern/Kennlinien appliziert. Über diese berechnet das elektronische Steuergerät 10 aus Eingangsgrößen Ausgangsgrößen. In 1 sind exemplarisch folgende Eingangsgrößen dargestellt: Ein Raildruck pCR, der mittels eines Rail-Drucksensors 9 gemessen wird, eine Motordrehzahl nist , ein Signal FP zur Leistungsvorgabe durch einen Betreiber der Brennkraftmaschine 1, optional ein Einzelspeicherdruck pE, und eine Eingangsgröße EIN. Unter der Eingangsgröße EIN sind weitere Sensorsignale zusammengefasst, beispielsweise ein Ladeluftdruck eines Abgasturboladers. In 1 sind als Ausgangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 10 ein erstes Signal PWM zur Ansteuerung der Saugdrossel 4, ein zweites Signal ve zur Ansteuerung der Injektoren 7 (Spritzbeginn/Spritzende) und eine Ausgangsgröße AUS dargestellt. Die Ausgangsgröße AUS steht stellvertretend für weitere Stellsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise für ein Stellsignal zur Aktivierung eines zweiten Abgasturboladers bei einer Registeraufladung.
  • Aus der deutschen Patentschrift DE 10 2008 036 299 B3 ist ein Common-Rail-System bekannt, welches aus zwei separaten Rails besteht. Jedem Rail ist eine Hochdruckpumpe zugeordnet, welche Kraftstoff unter Druckerhöhung in das jeweilige Rail fördert. Jedes Rail wird wiederum durch ein Druckbegrenzungsventil vor unzulässig hohen Raildrücken geschützt.
  • 3 zeigt ein Blockschaltbild zweier solcher Druckregelkreise 105, 105'. Beide Druckregelkreise 105, 105' sind identisch aufgebaut. Der obere Druckregelkreis 105 beschreibt einen A-seitigen Hochdruckregelkreis für ein erstes Rail einer ersten Zylinderbank A, der untere Druckregelkreis 105' beschreibt einen B-seitigen Hochdruckregelkreis für ein zweites Rail einer zweiten Zylinderbank B. Im Folgenden wird der A-seitige Hochdruckregelkreis beschrieben, wobei dessen Beschreibung auch sinngemäß auf den B-seitigen Hochdruckregelkreis zutrifft. Dabei sind gleiche und funktionsgleiche Elemente bei dem B-seitigen Hochdruckregelkreis mit gestrichenen Bezugszeichen versehen, die vom Betrag her den Bezugszeichen entsprechen, die jeweils den zugeordneten gleichen und funktionsgleichen Elementen des A-seitigen Hochdruckregelkreises zugeordnet sind.
  • Beide Druckregelkreise 105, 105' haben einen selben Soll-Hochdruck pSoll als Führungsgröße. Die Differenz zwischen dem Soll-Hochdruck pSoll und einem Ist-Hochdruck pist A , der bevorzugt der Raildruck pCR ist, ergibt eine Hochdruck-Regelabweichung ep A . Ein Hochdruckregler 107 berechnet aus der Hochdruck-Regelabweichung ep A in Abhängigkeit verschiedener Reglerparameter, z. B. einem Proportionalbeiwert kpHD A , eine Hochdruck-Stellgröße V̇PI(DT1)A. Die Hochdruck-Stellgröße V̇PI(DT1)A wird mit einer Hochdruck-Störgröße, hier einer dynamischen Störgröße V̇Stoer dyn addiert, was einer Störgrößenaufschaltung entspricht. Eine Summe V Unbeg A stellt einen unbegrenzten Sollvolumenstrom dar. Dieser wird anschließend in einem ersten Begrenzer 109 in Abhängigkeit der Motordrehzahl nist begrenzt. Der begrenzte Sollvolumenstrom V̇Soll A ist die Eingangsgröße einer Pumpenkennlinie 111. Ausgangsgröße der Pumpenkennlinie 111 ist ein elektrischer Saugdrossel-Sollstrom ISoll A , welcher in der Folge in einen Stromregler 113 eingeht, der aus dem Saugdrossel-Sollstrom ISoll A und einem gefilterten Ist-Strom IIst A eine Sollspannung USoll A als Führungsgröße für die Stromregelung der Saugdrossel 4 ermittelt, welche dann in einem ersten Berechnungsglied 115 in eine Einschaltdauer PWMA eines pulsweitenmodulierten PWM-Signals umgerechnet wird. Mit dem PWM-Signal wird eine Magnetspule der Saugdrossel 4 beaufschlagt. Dadurch wird der Weg eines Magnetkerns verändert, wodurch der Förderstrom der Hochdruckpumpe 5 frei beeinflusst wird. Eine Regelstrecke 117 des Druckregelkreises 105 besteht aus Saugdrossel 4, Hochdruckpumpe 5 und Rail 6. Ausgangsgröße der Regelstrecke 117 sind gemessene Hochdruck-Rohwerte pRoh A , welche durch ein Hochdruckfilter 119 gefiltert werden. Das Hochdruckfilter 119 kann z. B. einem PT1-Algorithmus entsprechen. Ausgangsgröße des Hochdruckfilters 119 ist der gefilterte Ist-Hochdruck pist A , der mit dem Soll-Hochdruck pSoll zu der Hochdruck-Regelabweichung ep A verrechnet wird. Eine weitere Ausgangsgröße der Regelstrecke 117 ist der gemessene, momentane Ist-Strom IRoh A , der durch ein Stromfilter 121 gefiltert wird. Das Stromfilter 121 kann ebenfalls einem PT1 -Algorithmus entsprechen. Ausgangsgröße des Stromfilters 121 ist der gefilterte Ist-Strom IIst A , welcher wiederum als Eingangsgröße in den Stromregler 113 eingeht.
  • Aus der Motordrehzahl nist , einer Brennraum- oder Zylinderzahl z der Brennkraftmaschine 1, einer Einspritzsollmenge QSoll stat und zwei Faktoren f1 und f2 wird durch Multiplikation in einem Rechenglied 123 ein statischer Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer stat berechnet, welcher einer statischen Hochdruck-Störgröße der beiden Druckregelkreise 105, 105' entspricht. Der erste Faktor f1 hängt dabei davon ab, in welcher physikalischen Einheit die Motordrehzahl nist , die Einspritzsollmenge Qsoll stat und der Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer stat gegeben sind. Ist die Einheit der Motordrehzahl nist [1/min], der Einspritzsollmenge Qsoll stat [mm3/Hub] und des Kraftstoffsollverbrauchs V̇Stoer stat [mm3/s], so hat der erste Faktor f1 den Wert 1/120. Der zweite Faktor f2 hat vorzugsweise den Wert 0.5, da die Injektoren 7 je zur Hälfte an eines der beiden Rails angeschlossen sind und jedem Rail dadurch der halbe Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer stat zugeordnet werden kann. Der statische Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer stat wird anschließend durch ein erstes Differentiationsglied 125, hier ein (PD)T1 -Glied, verstärkt. Ausgangsgröße dieses ersten Differentiationsglieds 125 ist ein dynamische Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer dyn, welcher der dynamischen Störgröße V̇Stoer dyn der beiden Druckregelkreise 105, 105' entspricht und den Ausgangsgrößen der beiden Hochdruckregler 107, 107' additiv aufgeschaltet wird.
  • 2 zeigt einen Druckregelkreis 105 für eine Brennkraftmaschine 1 mit einfachem Rail. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insoweit auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Auch in diesem Fall wird der dynamische Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer dyn dem Ausgang des Hochdruckreglers 107 V̇PI(DT1) als Hochdruck-Störgröße additiv aufgeschaltet. Der dynamische Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer dyn wird auch in diesem Fall aus dem statischen Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer stat mit Hilfe des ersten Differentiationsglieds 125, hier eines (PD)T1 -Algorithmusses, ermittelt. Der statische Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer stat wird wiederum aus der Motordrehzahl nist , der Zylinderzahl z, der Einspritzsollmenge QSoll stat und dem ersten Faktor f1 durch Multiplikation berechnet. Im Falle eines einfachen Rails wird der Kraftstoffsollverbrauch nicht in zwei Störgrößen wie bei getrennten Rails aufgeteilt, so dass der in 3 gezeigte zweite Faktor f2 nun den neutralen Wert 1 hat und daher nicht dargestellt wird. Damit entspricht der statische Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer stat der statischen Hochdruck-Störgröße und der dynamische Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer dyn der dynamischen Hochdruck-Störgröße des Druckregelkreises 105.
  • 4 zeigt einen Drehzahlregelkreis 127, der im Rahmen einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Druckregelung verwendet wird. Eine momentane Ist-Drehzahl nist wird von einer Soll-Drehzahl nSoll subtrahiert, was eine Drehzahl-Regelabweichung e ergibt. Diese Drehzahl-Regelabweichung e ist eine Eingangsgröße eines Drehzahlreglers 129, hier eines PI(DT1)-Reglers. Der Drehzahlregler 129 hat als weitere Eingangsgrößen unter anderem einen Proportionalbeiwert kpDrz und als Ausgangsgröße ein Drehzahlregler-Moment MSoll PI(DT1) . Dieses wird mit einem Lastsignal-Moment MSoll Load addiert, wobei das Lastsignal-Moment MSoll Load eine Störgröße darstellt. Durch diese Störgrößenaufschaltung kann ein Anlagensignal zur Verbesserung der Dynamik des Drehzahlregelkreises 127 eingesetzt werden. Die Summe aus dem Drehzahlregler-Moment MSoll PI(DT1) und dem Lastsignal-Moment MSoll Load wird anschließend in einem zweiten Begrenzer 131 nach unten auf ein minimales Soll-Moment MSoll Min und nach oben auf ein maximales Soll-Moment MSoll Max begrenzt. Zum derart begrenzten Soll-Moment MSoll wird schließlich ein Reibmoment MSoll Reibung addiert, woraus sich ein korrigiertes Soll-Moment Mkorr ergibt. Dieses ist neben weiteren Größen wie der Motordrehzahl nist Eingangsgröße einer Motorsteuerung 133. Ausgangsgröße der Motorsteuerung 133 ist die statische Einspritzsollmenge QSoll stat . Diese wird in die Brennräume 103 der Brennkraftmaschine 1 eingespritzt, wobei die Brennkraftmaschine 1 selbst, insbesondere mit ihren Brennräumen 103 und einer Kurbelwelle, hier eine Drehzahl-Regelstrecke 135 darstellt. Rohwerte nraw der Motordrehzahl werden erfasst und mit Hilfe eines Drehzahlfilters 137 in die momentane Ist-Drehzahl nist umgerechnet.
  • Wird die Last der Brennkraftmaschine 1 schlagartig abgeworfen, z. B. bei einem Motor mit Generatoranwendung, so steigt die Motordrehzahl nist sehr schnell an. Als Folge ergibt sich eine negative Drehzahl-Regelabweichung e, welche bei konstanter Soll-Drehzahl nSoll betragsmäßig immer größer wird. Dies führt dazu, dass das Soll-Moment MSoll und schließlich die statische Einspritzsollmenge QSoll stat sehr schnell kleiner werden, wodurch der Anstieg der Motordrehzahl nist abgebremst wird. Dabei fällt der Anstieg der Motordrehzahl nist umso geringer aus, je schneller die Einspritzsollmenge QSoll stat abfällt.
  • Entsprechend der in den 2 und 3 dargestellten Vorgehensweise wird der Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer stat durch Multiplikation aus der Motordrehzahl nist und der statischen Einspritzsollmenge QSoll stat berechnet. Bei einem Lastabwurf kommt es, wie oben beschrieben, zu einem Ansteigen der Motordrehzahl nist und einem Abfallen der statischen Einspritzsollmenge QSoll stat . Dabei fällt die statische Einspritzsollmenge QSoll stat wesentlich stärker ab, als die Motordrehzahl nist ansteigt: Bei einem Generator-Motor steigt die Motordrehzahl nist im Falle eines vollständigen Lastabwurfs aus Volllast um ca. 10 % bis 15 % an, während die statische Einspritzsollmenge QSoll stat um ca. 95 % abfällt. Dies führt dazu, dass der statische Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer stat bei einem Lastabwurf insgesamt abfällt. Dieses Verhalten wird durch Anwendung eines (PD)T1 -Algorithmusses entsprechend den 2 und 3 verstärkt, so dass der dynamische Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer dyn, welcher dem Druckregelkreis 105 als Störgröße aufgeschaltet wird, stärker abfällt als der statische Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer stat. Dadurch wird die Dynamik des Druckregelkreises 105 verstärkt, der Sollvolumenstrom V̇Soll im Falle eines einfachen Rails entsprechend 2 bzw. die Sollvolumenströme V̇Soll A und V̇Soll B im Falle getrennter Rails entsprechend 3 werden schneller verkleinert, so dass es zu einem geringeren Ansteigen des Raildrucks pist (einfaches Rail) bzw. pist A und pist B (getrennte Rails) kommt.
  • Nachteilig bei dieser Vorgehensweise ist, dass das Abfallen des statischen Kraftstoffsollverbrauchs V̇Stoer stat nach dem Abwerfen der Last verzögert wird, weil die Motordrehzahl nist , welche in die Berechnung des statischen Kraftstoffsollverbrauchs V̇Stoer stat multiplikativ eingeht, zunächst ansteigt. Als Folge wird auch das Abfallen des dynamischen Kraftstoffsollverbrauchs V̇Stoer dyn unmittelbar nach dem Lastabwurf verzögert. Dies hat zur Folge, dass das Potenzial zur Bekämpfung des Raildruckanstiegs nach einem Lastabwurf, insbesondere einem vollständigen Lastabwurf, nur zum Teil ausgeschöpft wird.
  • Erfindungsgemäß wird nun die Berechnung der Störgröße dahingehend verbessert, dass im Falle eines Lastabwurfs, insbesondere eines vollständigen Lastabwurfs, ein schnelleres Abfallen der Störgröße, d. h. des dynamischen Kraftstoffsollverbrauchs V̇Stoer dyn, erreicht wird, mit dem Ziel, den Anstieg des Raildrucks zu minimieren. Dadurch wird das Kraftstoffrail vor unzulässig hohen Raildrücken geschützt und ein Öffnen des Überdruckventils wird verhindert.
  • Die Erfindung stellt ein Verfahren bereit, welches die Dynamik eines Druckregelkreises 105 im Falle von Lastabwürfen verbessert, und zwar insbesondere nicht nur bei Common-Rail-Systemen mit mechanischem Überdruckventil, sondern auch bei Common-Rail-Systemen mit elektrisch ansteuerbarem Druckregelventil oder bei Common-Rail-Systemen, welche sowohl ein mechanisches Überdruckventil als auch ein elektrisches Druckregelventil verbaut haben. Die Erfindung soll bei solchen Common-Rail-Systemen verhindern, dass es zum Ansprechen des mechanischen und/oder des oder der elektrisch ansteuerbaren Druckregelventile kommt. Dadurch wird das mechanische Überdruckventil bzw. das oder die elektrisch ansteuerbaren Druckregelventile geschützt und deren Haltbarkeit verlängert, da die Haltbarkeit eines Überdruck- bzw. Druckregelventils davon abhängt, wie oft und wie lange dieses angesprochen hat.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Druckregelung in einem Hochdruck-Einspritzsystem ist insbesondere vorgesehen, dass in Abhängigkeit von der Hochdruck-Regelabweichung ep zwischen dem Ist-Hochdruck pist und dem Soll-Hochdruck psoll die Hochdruck-Stellgröße V̇PI(DT1) ermittelt wird, wobei diese mit der Hochdruck-Störgröße V̇Stoer dyn verrechnet wird, wobei die Hochdruck-Störgröße V̇Stoer dyn in Abhängigkeit von der - insbesondere statischen - Einspritzsollmenge QSoll stat ermittelt wird, wobei allerdings aus der statischen Einspritzsollmenge QSoll stat mittels eines Differentiationsglieds eine dynamische Einspritzsollmenge QSoll dyn ermittelt wird, und wobei die Hochdruck-Störgröße V̇Stoer dyn anhand der dynamischen Einspritzsollmenge QSoll dyn ermittelt wird.
  • 5 zeigt die Berechnung der Hochdruck-Störgröße entsprechend einer Ausführungsform des Verfahrens für einen Druckregelkreis 105 mit einfachem Rail. Hierbei wird auf die statische Einspritzsollmenge QSoll stat ein zweites Differentiationsglied 139, hier ein (PD)T1 -Glied 141 oder ein (PD)T1 -Algorithmus, angewandt, und nicht auf den statischen Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer stat, der insoweit gar nicht berechnet wird. Die statische Einspritzsollmenge QSoll stat ist damit Eingangsgröße des zweiten Differentiationsglieds 139, Ausgangsgröße desselben ist die dynamische Einspritzsollmenge QSoll dyn . Charakteristische Größen des (PD)T1-Glieds 141 sind eine Vorhaltzeit TV und eine Verzögerungszeit T1 . Aus der Motordrehzahl nist , der Zylinderzahl z, der dynamischen Einspritzsollmenge QSoll dyn und dem ersten Faktor f1 wird durch Multiplikation in dem Rechenglied 123 der dynamische Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer dyn berechnet und dem Druckregelkreis 105 als Hochdruck-Störgröße additiv aufgeschaltet. Der erste Faktor f1 hängt dabei davon ab, in welcher physikalischen Einheit die Motordrehzahl nist , die dynamische Einspritzsollmenge QSoll dyn und der dynamische Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer dyn gegeben sind. Ist die Einheit der Motordrehzahl nist [1/min], der dynamischen Einspritzsollmenge QSoll dyn [mm3/Hub] und des dynamischen Kraftstoffsollverbrauchs V̇Stoer dyn [mm3/s], so hat der erste Faktor f1 wiederum den Wert 1/120.
  • Wird die Hochdruck-Störgröße V̇Stoer dyn des Druckregelkreises 105 auf diese Art und Weise berechnet, kann eine wesentlich höhere Dynamik der Hochdruck-Störgröße V̇Stoer dyn erreicht werden, d. h. im Falle eines Lastabwurfs kann ein schnelleres Abfallen der Hochdruck-Störgröße V̇Stoer dyn erreicht werden. Dadurch wird das Ansteigen des Raildrucks im Falle des Lastabwurfs reduziert, und das Rail wird wirksam vor zu großer Belastung geschützt und ein Öffnen des Überdruckventils oder ein Ansprechen des Druckregelventils zuverlässig verhindert.
  • Wichtig ist dabei die Anwendung des Differentiationsglieds 139, insbesondere (PD)T1 -Algorithmusses, auf die Einspritzsollmenge QSoll stat . Dadurch wird die hochdynamische Einspritzsollmenge QSoll dyn erzeugt, welche anschließend zur Berechnung der Hochdruck-Störgröße V̇Stoer dyn herangezogen wird. Der Einfluss der ansteigenden Motordrehzahl nist auf diese Berechnung wird somit minimiert. Die Multiplikation der Motordrehzahl nist mit der dynamischen Einspritzsollmenge QSoll dyn sowie den konstanten Werten der Zylinderzahl z und des ersten Faktors f1 führt zur hochdynamischen Hochdruck-Störgröße V̇Stoer dyn des Druckregelkreises 105, welche im Falle eines Lastabwurfs sehr schnell abfällt. Dadurch ergibt sich ein sehr schnell abfallender Sollvolumenstrom V̇Soll als Stellgröße des Druckregelkreises 105. Bei stromlos offener Saugdrossel 4, d. h. einer Saugdrossel 4, welche in Schließrichtung betätigt wird, wird mit Hilfe der Pumpenkennlinie 111 bei einem abfallenden Sollvolumenstrom V̇Soll ein ansteigender elektrischer Sollstrom ISoll und damit eine ansteigende PWM-Einschaltdauer PWM berechnet. Insgesamt ermöglicht das Verfahren also ein schnelleres Ansteigen der PWM-Einschaltdauer und damit ein schnelleres Schließen der Saugdrossel 4. Damit wird ein starkes Ansteigen des Raildrucks wirksam verhindert und die Brennkraftmaschine 1 geschützt. Im Vergleich zu der Vorgehensweise gemäß den 2 und 3 wird der Anstieg des Raildrucks um 40 bar bis 60 bar reduziert.
  • 6 zeigt die Berechnung der Hochdruck-Störgröße V̇Stoer dyn gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens für Druckregelkreise 105, 105' zweier getrennter Kraftstoffrails. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei wird die Einspritzsollmenge QSoll stat wiederum durch das zweite Differentiationsglied 139, insbesondere einen (PD)T1-Algorithmus, verstärkt, so dass sich die hochdynamische Einspritzsollmenge QSoll dyn ergibt. Die Störgröße V̇Stoer dyn, welche beiden Druckregelkreisen 105, 105' additiv aufgeschaltet wird, ist das Produkt aus der Motordrehzahl nist , der Zylinderzahl z, der dynamischen Einspritzsollmenge QSoll dyn . sowie den beiden Faktoren f1 und f2 . Für die Faktoren f1 und f2 gilt dasselbe wie bereits in Zusammenhang mit den 3 und 5 beschrieben, d. h. der erste Faktor f1 hängt davon ab, welche physikalischen Einheiten für die Motordrehzahl nist , die dynamische Einspritzsollmenge QSoll dyn , sowie die Störgröße V̇Stoer dyn verwendet werden. Der zweite Faktor f2 hat vorzugsweise den Wert 0.5, da bei getrennten Rails im allgemeinen eine identische Anzahl von Injektoren 7 an jedes der beiden Rails angeschlossen ist, und die Störgröße V̇Stoer dyn deshalb beiden Rails zu gleichen Teilen zugeordnet wird.
  • Die Hochdruck-Störgröße V̇Stoer dyn wird jeweils dem Ausgang des Druckreglers 107, 107', d. h. den Signalen V̇PI(DT1) A bzw. V̇PI(DT1)B additiv aufgeschaltet. Die sich hieraus ergebende Summe wird in Abhängigkeit der Motordrehzahl nist begrenzt, so dass sich die Sollvolumenströme V̇Soll A bzw. V̇Soll B als Stellgrößen der Druckregelkreise 105, 105' ergeben. Der Sollvolumenstrom V̇Soll A , V̇Soll B ist jeweils Eingangsgröße der Pumpenkennlinie 111, 111'. Ausgangsgröße der Pumpenkennlinie 111, 111' ist der elektrische Sollstrom ISoll A , ISoll B . Aus dem elektrischen Sollstrom ISoll A , ISoll B wird schließlich die Einschaltdauer PWMA , PWMB des PWM-Signals, mit welchem die jeweilige Saugdrossel beaufschlagt wird, berechnet.
  • Dadurch dass das zweite Differentiationsglied 139 auf die Einspritzsollmenge QSoll stat und nicht, wie gemäß den 2 und 3, das erste Differentiationsglied 125 auf den statischen Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer stat angewandt wird, wird auch im Falle getrennter Kraftstoffrails bei einem Lastabwurf eine schnellere Verkleinerung der Störgröße V̇Stoer dyn erreicht. Dadurch wird der Sollvolumenstrom V̇Soll A, V̇Soll B schneller reduziert und - bei stromlos offener Saugdrossel 4 - d. h. einer Saugdrossel 4, welche in Schließrichtung betätigt wird, der Sollstrom ISoll A , ISoll B schneller erhöht. Als Folge steigt die Einschaltdauer PWMA , PWMB des PWM-Signals, mit welchem die Saugdrossel 4 beaufschlagt wird, schneller an, so dass die Saugdrossel 4 schneller schließt. Dadurch wird ein Überschwinger des Raildrucks verkleinert und der Motor wirksam vor Überdruck geschützt. Vor allem kann dadurch verhindert werden, dass ein mechanisches Überdruckventil öffnet oder ein elektrisch ansteuerbares Druckregelventil anspricht bzw. geöffnet wird.
  • Der Vollständigkeit wegen wird angemerkt, dass den getrennten Kraftstoffrails bevorzugt jeweils eine separate Saugdrossel 4 zugeordnet ist, wobei diese separaten Saugdrosseln 4 durch die separaten Druckregelkreise 105, 105' separat angesteuert werden.
  • Das hier vorgeschlagene Verfahren ermöglicht es, das dynamische Verhalten des Druckregelkreises 105, 105' zu verbessern. Dies gilt sowohl, wie beschrieben, für den Fall einer Lastabschaltung, als auch für den Fall einer Lastaufschaltung. Bei einer Lastaufschaltung führt die Anwendung des Verfahren dazu, dass die Hochdruck-Störgröße V̇Stoer dyn des Druckregelkreises 105, 105' und damit der Sollvolumenstrom V̇Soll, V̇Soll A und V̇Soll B, schneller ansteigt. Als Folge wird der Sollstrom ISoll , bzw. ISoll A und ISoll B , sowie die Einschaltdauer PWM, bzw. PWM A und PWMB - im Falle einer stromlos offenen Saugdrossel 4 - schneller verkleinert. Dies führt dazu, dass die Saugdrossel 4 schneller geöffnet wird und der Raildruck deshalb weniger stark abfällt, was günstig für das Emissionsverhalten und den Wirkungsgrad und damit die Dynamik des Motors ist.
  • 7 verdeutlicht die sich bei Anordnung des hier vorgeschlagenen Verfahrens ergebenden Vorteile in Form von fünf Zeitdiagrammen. Das erste Zeitdiagramm bei a) zeigt die Verbrauchsleistung P der Brennkraftmaschine 1, das zweite Zeitdiagramm bei b) die Motordrehzahl nist , das dritte Zeitdiagramm bei c) die Einspritzsollmenge QSoll , das vierte Zeitdiagramm bei d) die Hochdruck-Störgröße V̇Stoer, und das fünfte Zeitdiagramm bei e) den Raildruck pist , jeweils aufgetragen gegen die Zeit t.
  • Zu einem ersten Zeitpunkt t1 wird die Verbrauchsleistung P der Brennkraftmaschine 1, z. B. im Falle einer Generator-Anwendung, schlagartig vom Anfangswert PStart auf den Wert 0 kW reduziert, d. h. die Motorlast wird schlagartig vollständig abgeworfen. Die Motordrehzahl nist , dargestellt im zweiten Zeitdiagramm, steigt als Folge dieses Lastabwurfs an, ausgehend von einem Anfangswert nStart . Im dritten Zeitdiagramm sind zwei Kurven dargestellt. Die durchgezogene Kurve zeigt die statische Einspritzsollmenge QSoll stat als Stellgröße des Drehzahlregelkreises 127 entsprechend 4. Die punktierte Kurve zeigt die dynamische Einspritzsollmenge QSoll dyn entsprechend den 5 und 6, d. h. die statische Einspritzsollmenge QSoll stat ist die Eingangsgröße, und die dynamische Einspritzsollmenge QSoll dyn ist die Ausgangsgröße des (PD)T1-Glieds 141. Man erkennt, dass die Einspritzsollmengen QSoll stat und QSoll dyn nach dem Abwerfen der Last kleiner werden, wobei die dynamische Einspritzsollmenge QSoll dyn . wesentlich schneller abnimmt als die statische Einspritzsollmenge QSoll stat . Die statische Einspritzsollmenge QSoll stat erreicht zu einem vierten Zeitpunkt t4 den Wert 0 mm3/Hub, die dynamische Einspritzsollmenge QSoll dyn bereits zu einem früheren, dritten Zeitpunkt t3 . Die dynamische Einspritzsollmenge QSoll dyn kann dabei auch negative Werte annehmen, vereinfachungshalber wird aber ein Verlauf im positiven Bereich dargestellt. Das vierte Zeitdiagramm zeigt insgesamt drei Kurven. Die durchgezogene Kurve stellt den statischen Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer stat entsprechend den 2 und 3 dar. Dieser wird berechnet als Produkt aus der Motordrehzahl nist , der Zylinderzahl z, der statischen Einspritzsollmenge QSoll stat , dem ersten Faktor f1 und, im Falle getrennter Rails, dem zweiten Faktor f2 . Dieser statische Kraftstoffsollverbrauch V̇Stoer stat hat nach dem Abwerfen der Last, also nach dem ersten Zeitpunkt t1 , einen abfallenden Verlauf. Die gestrichelte Kurve stellt die Hochdruck-Störgröße V̇Stoer dyn (nE) der Druckregelkreise (105,105') entsprechend den 2 und 3 dar. Da die gestrichelte Kurve die Aus- und die durchgezogene Kurve die Eingangsgröße des ersten Differentiationsglieds 125 ist, fällt die gestrichelte Kurve, ausgehend von einem Anfangswert V̇Start, schneller ab als die durchgezogene Kurve. Die punktierte Kurve zeigt die Hochdruck-Störgröße V̇Stoer dyn (E) der Druckregelkreise 105, 105' im Sinne des hier vorgeschlagenen Verfahrens, d. h. für den Fall, dass diese berechnet wird, indem zuvor das zweite Differentiationsglied 139 auf die statische Einspritzsollmenge QSoll stat angewandt wird. Man erkennt, dass die punktierte Kurve schneller abfällt als die gestrichelte Kurve, d. h. die Hochdruck-Störgröße fällt schneller ab, wenn diese mit dem vorgeschlagenen Verfahren berechnet wird als gemäß den 2 und 3. Das fünfte Zeitdiagramm zeigt wiederum drei Kurven. Die durchgezogene Kurve zeigt den Verlauf des Raildrucks pist , wenn eine statische Störgröße V̇Stoer statdem Druckregelkreis 105, 105' additiv aufgeschaltet wird, ohne zusätzliche Verstärkung durch ein Differentiationsglied. Man erkennt, dass der Raildruck pist zu einem zweiten Zeitpunkt t2 , und damit zeitverzögert zur Motordrehzahl nist , ansteigt und zu einem fünften Zeitpunkt t5 seinen Maximalwert erreicht. Die gestrichelte Kurve zeigt den Verlauf des Raildrucks pist , wenn die Hochdruck-Störgröße V̇Stoer dyn der Druckregelkreise 105, 105' entsprechend den 2 und 3 berechnet wird, d.h. wenn die statische Hochdruck-Störgröße V̇Stoer stat durch das erste Differentiationsglied 125 verstärkt und den Druckregelkreisen 105, 105' als dynamische Hochdruck-Störgröße V̇Stoer dyn additiv aufgeschaltet wird. Man erkennt, dass der Raildruck in diesem Fall nicht so stark ansteigt und sein Maximalwert um den Wert dp1 (nE) kleiner ist. Die punktierte Kurve zeigt den Verlauf des Raildrucks, wenn die Hochdruck-Störgröße V̇Stoer dyn der Druckregelkreise 105, 105' entsprechend dem hier vorgeschlagenen Verfahren berechnet wird, d. h. wiederum für den Fall, dass sie berechnet wird, indem zuvor das zweite Differentiationsglied 139 auf die statische Einspritzsollmenge QSoll stat angewandt wird. Man erkennt, dass der Maximalwert des Raildrucks pist in diesem Fall im Vergleich zur Vorgehensweise gemäß den 2 und 3 zusätzlich um den Wert dp2 (E) abgesenkt werden kann. Wie oben beschrieben, beträgt dp2 (E) in der Praxis 40 bar bis 60 bar.
  • 8 stellt eine Ausführungsform des Verfahrens für den Fall eines einfachen Kraftstoffrails in Form eines Flussdiagramms dar. In einem ersten Schritt S1 werden die Rohwerte pRoh des Raildrucks erfasst und durch das Hochdruckfilter 119 gefiltert. In einem zweiten Schritt S2 wird der Soll-Hochdruck pSoll berechnet. In einem dritten Schritt S3 wird die Hochdruck-Regelabweichung ep als Differenz von Soll-Hochdruck pSoll und gefiltertem Ist-Hochdruck pist berechnet. In einem vierten Schritt S4 wird die Hochdruck-Stellgröße V̇PI(DT1) als Ausgangsgröße des Hochdruckreglers 107 berechnet. In einem fünften Schritt S5 wird die dynamische Einspritzsollmenge QSoll dyn berechnet, indem auf die Stellgröße des Drehzahlregelkreises 127, der statischen Einspritzsollmenge QSoll stat , insbesondere ein (PD)T1 -Algorithmus angewandt wird. In einem sechsten Schritt S6 wird die Hochdruck-Störgröße V̇Stoer dyn des Druckregelkreises 105 als Produkt der Motordrehzahl nist , der Zylinderzahl z, der dynamischen Einspritzsollmenge QSoll dyn und dem ersten Faktor f1 berechnet. In einem siebten Schritt S7 wird der unbegrenzte Sollvolumenstrom V̇Unbeg als Summe der Ausgangsgröße V̇PI(DT1) des Hochdruckreglers 107 und der Hochdruck-Störgröße V̇Stoer dyn berechnet (Störgrößenaufschaltung). In einem achten Schritt S8 wird die Einschaltdauer PWM des PWM-Signals, mit welchem die Saugdrossel 4 beaufschlagt wird, berechnet. Dieser achte Schritt S8 umfasst insbesondere die drehzahlabhängige Begrenzung des unbegrenzten Sollvolumenstroms V̇Unbeg, die Berechnung des Saugdossel-Sollstroms ISoll , die Berechnung der Saugdrossel-Sollspannung USoll als Stellgröße des Saugdrosselstrom-Regelkreises, sowie die Berechnung der Einschaltdauer PWM des PWM-Signals aus der Saugdrossel-Sollspannung USoll . Damit ist der Programmablauf beendet.
  • Das hier vorgeschlagene Verfahren hat insbesondere folgende Vorteile:
    • - Die Dynamik des Druckregelkreises 105, 105' bei Laständerungen wird signifikant gesteigert.
    • - Bei Lastabwürfen wird der Überschwinger des Raildrucks deutlich reduziert. Dadurch wird das Rail vor zu großen Drücken und damit zu großer Belastung geschützt. Gleichzeitig wird ein Öffnen des mechanischen Überdruckventils oder ein Ansprechen des elektrisch ansteuerbaren Druckregelventils verhindert, wodurch das Überduckventil bzw. das Druckregelventil geschützt und die Aktivierung des Hochdruckregler-Notbetriebs verhindert wird. Im Hochdruckregler-Notbetrieb wird die Brennkraftmaschine 1 bei offenem Überdruckventil oder offenem Druckregelventil betrieben. In dieser Betriebsart stellt sich ein niedriger Raildruck ein, was eine reduzierte Motorleistung bei höheren Emissionen zur Folge hat.
    • - Dadurch, dass ein Öffnen des mechanischen Überdruckventils oder ein Ansprechen des elektrisch ansteuerbaren Druckregelventils beim Lastabwurf verhindert wird, kann die Brennkraftmaschine 1 bei Anlagen mit hochdynamischem Lastverhalten überhaupt erst eingesetzt werden. Dies sind insbesondere Schiffsantriebe mit ständig aus- und eintauchenden Propellern, sowie Generator-Anwendungen.
    • - Wird eine Last aufgeschaltet, schwingt der Raildruck weniger stark unter. Dadurch wird der Wirkungsgrad sowie das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine 1 verbessert.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Druckregelung in einem Hochdruck-Einspritzsystem (101) einer Brennkraftmaschine (1), wobei - in Abhängigkeit von einer Hochdruck-Regelabweichung (ep) zwischen einem Ist-Hochdruck (pist) in dem Hochdruck-Einspritzsystem (101) und einem als Hochdruck-Führungsgröße verwendeten Soll-Hochdruck (psoll) eine Hochdruck-Stellgröße (V̇PI(DT1)) ermittelt wird, wobei - die Hochdruck-Stellgröße (V̇PI(DT1)) mit einer Hochdruck-Störgröße (V̇Stoer dyn) verrechnet wird, - wobei die Hochdruck-Störgröße (V̇Stoer dyn) in Abhängigkeit von einer Einspritzsollmenge (QSoll stat) ermittelt wird, und wobei - aus der Einspritzsollmenge (QSoll stat) mittels eines Differentiationsglieds (139) eine dynamische Einspritzsollmenge (QSoll dyn) ermittelt wird, wobei - die Hochdruck-Störgröße (V̇Stoer dyn) anhand der dynamischen Einspritzsollmenge (QSoll dyn) ermittelt wird, und wobei - die Hochdruck-Störgröße (V̇Stoer dyn) aus einer Zylinderzahl z der Brennkraftmaschine (1), einer Ist-Drehzahl (nist) und der dynamischen Einspritzsollmenge (QSoll dyn) ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Differentiationsglied (139) ein (PD)T1-Glied (141) verwendet wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Hochdruck-Stellgröße (V̇PI(DT1)) ein Kraftstoff-Sollvolumenstrom verwendet wird, wobei als Hochdruck-Störgröße (V̇Stoer dyn) ein Kraftstoffsollverbrauch ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Störgröße (V̇Stoer dyn) selbst keinem Differentiationsglied unterworfen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzsollmenge (QSoll stat) als Ausgangsgröße einer Drehzahlregelung (127) der Brennkraftmaschine (1) ermittelt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Hochdruck-Stellgröße (V̇PI(DT1)) eine Saugdrossel (4) in einem Kraftstoff-Förderpfad (102) des Hochdruck-Einspritzsystems (101) angesteuert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) wenigstens zwei Brennraumgruppen aufweist, wobei für jede Brennraumgruppe ein separates Hochdruck-Einspritzsystem (101) vorgesehen ist, wobei für jedes Hochdruck-Einspritzsystem (101) eine separate Druckregelung durchgeführt wird, und wobei dieselbe Hochdruck-Störgröße (V̇Stoer dyn) für die wenigstens zwei separaten Druckregelungen der Hochdruck-Einspritzsysteme (101) verwendet wird.
  8. Brennkraftmaschine (1), eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7.
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