DE102019129320A1 - Verfahren zur volumenstrombasierten pumpensynchronen Raildruckregelung für ein Kraftstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines durch eine Hochdruckpumpe (1) in einem Kraftstoffspeicher (4) bewirkten Raildrucks (p7Soll)für ein Kraftstoffversorgungssystem (100) einer Brennkraftmaschine, wobei eine kurbelwinkelbezogene oder nockenwinkelbezogene feste Winkeldifferenz der Brennkraftmaschine zwischen einer Oberen-Totpunkt-Position eines Zylinderkolbens eines Zylinders der Brennkraftmaschine und einer Oberen-Totpunkt-Position des Pumpenkolbens der Hochdruckpumpe (1) des Kraftstoffversorgungssystems (100) bei der Zumessung des Fördervolumens der Hochdruckpumpe (1) berücksichtigt wird.Es ist vorgesehen, dass wiederkehrend pumpensynchron je Segment, das einer Umdrehung einer Kurbelwelle und somit der Bewegung des Pumpenkolbens der Hochdruckpumpe (1) von der Oberen-Totpunkt-Position des Pumpenkolbens zur nächsten Oberen-Totpunkt-Position entspricht, eine Diskretisierung einer Regelabweichung (Δp7) des Raildrucks (p7) im Kraftstoffspeicher (4) vorgenommen und von der diskreten Regelabweichung (Δp7) ausgehend eine volumenbezogene diskrete Volumen-Regeldifferenz (ΔVRail) berechnet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines durch eine Hochdruckpumpe in einem Kraftstoffspeicher bewirkten Raildrucks für ein Kraftstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine, wobei eine kurbelwinkelbezogene oder nockenwinkelbezogene feste Winkeldifferenz der Brennkraftmaschine zwischen einer Oberen-Totpunkt-Position eines Zylinderkolbens eines Zylinders der Brennkraftmaschine und einer Oberen-Totpunkt-Position des Pumpenkolbens der Hochdruckpumpe des Kraftstoffversorgungssystems bei der Zumessung des Fördervolumens der Hochdruckpumpe berücksichtigt wird.
• Aus der Druckschrift DE 10 2016 204 386 A1 ist bereits ein Verfahren zum Regeln eines durch eine Hochdruckpumpe in einem Kraftstoffrail bewirkten Raildrucks für einen Brennkraftmotor bekannt, bei dem 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. 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.
• Das bekannte Kraftstoffversorgungssystem umfasst einen Raildruckregler zur Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens. Eine Hochdruckpumpe wird von einer Vorförderpumpe über eine Niederdruckleitung mit Kraftstoff aus einem Tank versorgt. Über eine Hochdruckleitung pumpt die Hochdruckpumpe Kraftstoff in ein Kraftstoffrail. Das Fördervolumen der Hochdruckpumpe ist gemäß einem Fördervolumen-Steuerwert eingestellt, den ein Raildruckregler zur Regelung des Raildrucks im Kraftstoffrail berechnet hat. Der Raildruckregler ist aus einem PID-Regler und einer Vorsteuerungseinheit zusammengesetzt. Dem PID-Regler wird eine Raildruck-Regelabweichung zugeführt, die als Differenz des synchron zur Motordrehzahl berechneten Raildruck-Sollwertes und des synchron zur Motordrehzahl mit einem Raildrucksensor erfassten Raildruck-Istwertes berechnet worden ist, und berechnet synchron zur Motordrehzahl einen additiven Korrekturvolumenstrom. Eine synchron zur Motordrehzahl vorgenommene Berechnung bedeutet, dass diese Berechnung einmal pro durchlaufenen oberen Totpunkt des Brennkraftmotors erfolgt.
• Der Vorsteuerungseinheit wird eine synchron zur Motordrehzahl berechnete Einspritzmenge und eine erwünschter Druckänderungswert zugeführt, so dass die Vorsteuerungseinheit synchron zur Motordrehzahl einen Vorsteuerungswert berechnet. Die Summe des additiven Korrekturvolumenstroms und des Vorsteuerungswertes wird als Fördervolumen-Steuerwert an die Hochdruckpumpe gespeist, um das Fördervolumen des aktuellen Förderhubs vorzugeben und um den Raildruck-Sollwert ps im Kraftstoffrail einzustellen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Raildruckregelung zu verbessern.
• Ausgangspunkt der Erfindung ist es, dass es bei einer klassischen zeitsynchronen Raildruckregelung, die im 10ms Abtastraster arbeitet, je nach Motordrehzahl zu Unter- oder Überabtastungen des motorsynchronen Pumpenevents kommt. Dadurch kommt es in nachteiliger Weise zu Druckschwingungen in Form von Schwebungen sowie Aliasing, die selbst in stationären Betriebspunkten nicht vollständig ausgeregelt werden können.
• Insbesondere negativ wirken sich dieser Effekte bei modernen Hochdruckpumpen aus, bei denen das Fördervolumen von einem Förderhub zum (nächsten im kompletten Stellbereich) beeinflusst wird. Abhilfe schafft bisher nur einen extrem geringe Kreisverstärkung, womit der klassische zeitsynchrone Raildruckregler, insbesondere in dynamischen Druckänderungssituationen dem nachfolgend erläuterten Verfahren gemäß der Erfindung weit unterlegen ist.
• Gemäß den vorhergehenden Ausführungen ist bereits ein Verfahren zum Regeln eines durch eine Hochdruckpumpe in einem Kraftstoffspeicher bewirkten Raildrucks für ein Kraftstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei eine kurbelwinkelbezogene oder nockenwinkelbezogene feste Winkeldifferenz der Brennkraftmaschine zwischen einer Oberen-Totpunkt-Position eines Zylinderkolbens eines Zylinders der Brennkraftmaschine und einer Oberen-Totpunkt-Position des Pumpenkolbens der Hochdruckpumpe des Kraftstoffversorgungssystems bei der Zumessung des Fördervolumens der Hochdruckpumpe berücksichtigt wird.
• Erfindungsgemäß ist jetzt vorgesehen, dass wiederkehrend pumpensynchron je Segment, das einer Umdrehung einer Kurbelwelle und somit der Bewegung des Pumpenkolbens der Hochdruckpumpe von der Oberen-Totpunkt-Position des Pumpenkolbens zur nächsten Oberen-Totpunkt-Position entspricht, eine Diskretisierung einer Regelabweichung des Raildrucks im Kraftstoffspeicher vorgenommen und von der diskreten Regelabweichung ausgehend eine volumenbezogene diskrete Volumen-Regeldifferenz berechnet wird.
• Bevorzugt wird die volumenbezogene diskrete Volumen-Regeldifferenz als Eingangsgröße einem Regelbaustein für die Hochdruckpumpe und einem Regelbaustein für ein dem Kraftstoffspeicher zugeordnetes Druckregelventil zugeführt, wobei die diskrete Volumen-Regeldifferenz mit einem Vorsteuer-Baustein verknüpft wird, wodurch pumpensynchron je Segment die Stellgrößen für die Hochdruckpumpe und das Druckregelventil in einem Ausgabe-Baustein berechnet und den Stellgliedern der Hochdruckpumpe und des Druckregelventils zur volumenbasierten Einstellung des Raildrucks zugeführt werden.
• Ferner bevorzugt wird die diskrete Regelabweichung als Differenz aus dem diskretisierten Ist-Raildrucks und dem diskretisierten Soll-Raildruck berechnet, indem eine diskretisierte Druckinformation eines Raildruck-Sensor des aktiv erfassten pumpensynchronen Segmentes mit dem diskretisierten Soll-Raildruck des um ein Arbeitsspiel vorhergehenden pumpensynchronen Segmentes verglichen wird, um die diskrete Regeldifferenz zu bestimmen.
• Erfindungsgemäß wird der Soll-Raildruck zu einem Zeitpunkt diskretisiert wird, der mit einem Triggerstartsignal festgelegt wird, das wiederkehrend zu Beginn eines pumpensynchronen Segmentes ausgegeben wird. Vorgesehen ist, dass der Ist-Raildruck innerhalb des durch das Triggerstartsignal gestarteten Segmentes wiederkehrend erfasst und diskretisiert wird.
• Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass der Ist-Raildruck, der innerhalb des pumpensynchronen Segmentes wiederkehrend erfasst wird, als
• - in dem Segment maximaler Ist-Raildruck und
• - in dem Segment minimaler Ist-Raildruck und
• - in dem Segment berechneter Mittelwert
diskretisiert und wahlweise mit dem diskretisierten Soll-Raildruck zur Bestimmung der diskreten Regelabweichung verglichen wird.
• Vorgesehen ist ferner bevorzugt, dass für die Regelung als Ist-Wert der erfasste minimale diskrete Druck oder der erfasste maximale diskrete Druck oder der diskrete Mittelwert zum Vergleich mit dem diskreten Soll-Raildruck verwendet wird, wobei je nach Systemanforderung bei einem Druckaufbau der maximale diskrete Druck und bei einem Druckabbau der minimale diskrete Druck verwendet wird, um Regelschwingungen zu reduzieren beziehungsweise Über- oder Unterschwinger zu vermeiden.
• Ein besonderer Aspekt der Erfindung sieht ferner vor, dass die diskrete Regelabweichung in die volumenstrombasierte diskrete Volumen-Regeldifferenz umgerechnet wird, wobei zusätzlich eine Kraftstoff-Dauerleckage des Hochdrucksystems des Kraftstoffversorgungssystems durch Addition berücksichtigt.
• Die druckbasierte diskretisierte Regeldifferenz Δp_Rail wird in vorteilhafter Weise in eine volumenstrombasierte Volumen-Regeldifferenz ΔV_Rail umgerechnet, wobei bei der Umrechnung das druck - und temperaturabhängige spezifische Elastizitätsmodul E des jeweiligen Kraftstoffs und das Raumvolumen V_H des Kraftstoff-Hochdrucksystems des Kraftstoffversorgungssystems gemäß der Umrechnungsformel $$\Delta V_{\text{Rail}}=\frac{V_H}{E\left(p,T\right)}\ast \Delta p_{\text{Rail}}$$

  

  berücksichtigt wird.
• Bei der pumpensynchronen segmentweise wiederkehrenden Umrechnung der druckbasierten diskreten Regelabweichung in die volumenbezogene diskrete Volumen-Regeldifferenz werden,
• a) die Kraftstoff-Einspritzmengen der Injektoren und
• b) die Kraftstoff-Schaltleckagen der Injektoren und
• d) ein Druckänderungswunsch bezüglich des Soll-Raildrucks des Kraftstoffspeichers berücksichtigt,
wobei ferner
• c) die Kraftstoff-Dauerleckage des Hochdrucksystems des Kraftstoffversorgungssystems durch eine pumpensynchrone segmentweise wiederkehrende separate Umrechnung mit einer Z-Transformation ermittelt und der volumenbezogenen diskreten Volumen-Regeldifferenz hinzugefügt wird.
• Das dem Verfahren zugehörige Kraftstoffversorgungssystem ist zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet, wobei das Kraftstoffversorgungssystem zu der Ermittlung einer diskreten Eingangsgröße für einen Regler-Baustein für die Hochdruckpumpe und zur Ermittlung einer diskreten Eingangsgröße für einen Regler-Baustein für ein dem Kraftstoffspeicher zugeordnetes Druckregelventil folgende weitere Bausteine umfasst,
• - einen Sollwertvorgabe-Baustein des Raildrucks und eine zugehörigen Sollwert-Diskretisierungs-Baustein und
• - einen Istwert-Signalerfassungs-Baustein des Raildruck und einen Istwert-Diskretisierungs-Baustein,
• - sowie einen Regelfehler-Berechnungs-Baustein und
• - einen Umrechnungs-Baustein umfasst, der aus einer druckbasierten diskretisieren Regeldifferenz eine Umrechnung in eine volumenstrombasierte Regeldifferenz vornimmt,
• - wobei der Umrechnungs-Baustein mit einer Regler-Zustandsmaschine verknüpft ist, welche die diskrete Eingangsgröße für den Regler-Baustein der Hochdruckpumpe und die diskreten Eingangsgröße für den Regler-Baustein des Druckregelventils ausgibt,
• - wobei die Regler-Bausteine mit einem Vorsteuer-Baustein verknüpft sind, wodurch mittels des Vorsteuer-Bausteins und der aufgeschalteten Regler-Bausteine pumpensynchron je Segment die Stellgrößen für die Hochdruckpumpe und das Druckregelventil einem Ausgabe-Baustein zugeführt und berechnet werden, und den Stellgliedern der Hochdruckpumpe und des Druckregelventils zur volumenbasierten Einstellung des Raildrucks zugeführt werden.
• In vorteilhafter Weise wird die Brennkraftmaschine mit einem beliebigen flüssigen Kraftstoff oder Kraftstoffgemisch betrieben, wodurch sich in vorteilhafter Weise die Linearisierung der Umrechnung von Druckdifferenz in Volumenstromdifferenz durch ein physikalisch anderes Elastizitätsmodul an den jeweiligen Kraftstoff anpassen lässt. Dadurch ist das erläuterte Verfahren und die Ausgestaltung des Kraftstoffversorgungssystems nicht nur für Dieselmotoren, die insbesondere als Common-Rail Dieselmotoren ausgeführt sind, sondern auch für Ottomotoren, die ein ottomotorisches - fremdgezündetes - Brennverfahren verwenden, anwendbar und einsetzbar.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffversorgungssystems, das mit einer volumenstrombasierten pumpensynchronen Regelstruktur zur Raildruckregelung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird;
• 2 die volumenstrombasierte pumpensynchrone Regelstruktur zur Raildruckregelung, die in einem elektronischen Steuergerät mit einem Mikroprozessor abgelegt und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
• Die 1 zeigt ein Kraftstoffversorgungssystem 100, das mit einer volumenstrombasierten pumpensynchronen Raildruckregelung gemäß 2 betrieben wird.
• Eine Hochdruckpumpe 1 wird von einer Vorförderpumpe 2 über eine Niederdruckleitung 2.1 mit Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 3 versorgt. In der Niederdruckleitung 2.1 ist eine Filtereinheit 5 und ein Duo-Sensor 6, der Druck p6 und Temperatur T6 vor der Hochdruckpumpe 1 in der Niederdruckleitung 2.1 misst, angeordnet.
• Über eine Hochdruckleitung 14 pumpt die Hochdruckpumpe 1 Kraftstoff in einen Kraftstoffspeicher, insbesondere in ein Kraftstoff-Rail 4. Das Kraftstoff-Rail 4 umfasst einen Raildruck-Sensor 7, der den Raildruck p7 im Kraftstoff-Rail 4 erfasst.
• Das Kraftstoff-Rail 4 umfasst ferner ein Druckregelventil 8, welches innerhalb des Verfahrens einen vorgebbaren Volumenstrom V8 über eine Rücklaufleitung 8.2.1 in die Niederdruckleitung 2.1 aus dem Kraftstoff-Rail 4 absteuert.
• Zwischen dem Kraftstoff-Rail 4 und den Injektoren 9n; (n= 1, 2, 3...) 91, 92, 93, 94 sind die Injektorleitungen 4.9 dargestellt, über welche die Injektoren 9n mit Kraftstoff versorgt werden.
• Die Injektoren 9n weisen Leckageleitungen auf, die in eine gemeinsame Rücklaufleitung 9.3 münden. Die Rücklaufleitung 9.3 mündet in eine Hochdruckpumpen-Rücklaufleitung 1.3 der Hochdruckpumpe 1, die zum Kraftstofftank 3 zurückführt.
• Ein Steuergerät S1, insbesondere ein Motorsteuergerät ist über Steuerleitungen (ohne Bezugszeichen) direkt mit dem Duo-Sensor 6, der Hochdruckpumpe 1, dem Druckregelventil 8, dem Raildruck-Sensor 7 und den Injektoren 91, 92, 93, 94 und im Ausführungsbeispiel indirekt über ein Steuergerät S2 mit der als Niederdruckpumpe ausgelegten Vorförderpumpe 2 verbunden.
• Die 2 zeigt die volumenstrombasierte pumpensynchrone Regelstruktur zur Raildruckregelung, die in einem elektronischen Steuergerät, insbesondere dem Steuergerät S1 abgelegt ist, das zur Ausführung eines der oben vorgestellten Verfahren eingerichtet ist. Das Steuergerät S1 und das Steuergerät S2 werden über ein Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens betrieben, wobei auf dem Computer ein maschinenlesbares Speichermedium mit dem darauf aufgezeichneten Computerprogramm vorgesehen sind.
• Die volumenstrombasierte pumpensynchrone Regelstruktur zur Raildruckregelung wird anhand der 2 nachfolgend detailliert erläutert.
• Die Grundidee des nachfolgend erläuterten Verfahrens für die zukünftigen Dieselmotoren, die als Common-Rail Dieselmotoren ausgeführt sind, besteht darin, dass ein benötigter Raildruck bis zu 2700 bar mit der Hochdruckpumpe 1 durch einen vorgebbaren Volumenstrom im Rail 4 erzeugt wird.
• Bei positiver Mengenbilanz, das heißt ansteigendem Volumenstrom im Rail 4 steigt der Druck im Rail 4 an. Der Raildruck-Sensor 7 gibt dem Regelkreis bestehend aus einem Vorsteuerungs-Modell, einem Regler und einem Stellglied der Hochdruckpumpe 1 die entsprechende Druckinformation.
• Die Eingangsgröße des Verfahrens zum Betrieb des erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems 100 ist erfindungsgemäß ein bestimmter Volumenstrom, welcher der Hochdruckpumpe 1 zugeführt oder durch das Druckregelventil 8 abgeführt wird.
• Der Gegenstand der Erfindung besteht somit darin, dass die komplette Hochdruckregelung mithin die Raildruck-Hochdruckregelung innerhalb des Rails 4 des Kraftstoffversorgungssystems 100, von einer zeitbasierten zyklischen Berechnung eines Raildruckreglers zur Regelung des Raildrucks im Rail 4 auf eine an das Motorsegment der Brennkraftmaschine angelehnte volumenstrombasierte und pumpensynchrone diskrete Berechnung zur Raildruckregelung (in einem Zweisteller-Konzept Druckregelventil-Ansteuerung und Hochdruckpumpen-Ansteuerung) umgestellt wird.
• Dazu ist es erfindungsgemäß notwendig die zu beachtenden Volumenströme und das zugehörige Modell der erfindungsgemäßen Regelstruktur diskret zu beschreiben.
• Dazu wird die Druckinformation p7_ist vom Raildruck-Sensor 7 eines motorsynchronen/pumpensynchronen Segmentes mit dem Soll-Raildruck p7 _Soll des vorhergehenden motorsynchronen/pumpensynchronen Segmentes (man spricht von dem verzögerten Soll-Raildruck) verglichen, um die diskrete Regeldifferenz Δp7 zu bestimmen.
• Diese Druckdifferenz Δp7 wird über das Elastizitätsmodul E des Kraftstoffs und über die mittels des Duo-Sensors 6 ermittelte Kraftstofftemperatur T6 in eine Volumendifferenz umgerechnet und als Eingangsgröße ΔV_Rail in einer Regelstrecke verarbeitet.
• Diese Volumendifferenz ΔV_Rail wird mit Hilfe der digitalen Zumesseinheit (nicht dargestellt), die bevorzugt im Pumpenraum der Hochdruckpumpe 1 angeordnet ist oder durch Ansteuerung des Druckregelventils 8 als Eingangsgröße der Regelstrecke zugeführt und die Steller der Hochdruckpumpe 1 oder des Druckregelventils 8 werden angesteuert, wobei die Diskretisierung, das heißt die Berechnung Volumendifferenz ΔV_Rail für jedes Motorsegment pumpensynchron variiert werden kann.
• Dazu wird eine Volumenbilanz erstellt, die physikalisch den sich einstellenden Druck p7 _Ist im Rail 4 beschreibt.
• Bei der Volumenbilanz der volumenstrombasierten segmentsynchronen Berechnung, wird von einem volumenkonstanten Raumvolumen V_H des Hochdrucksystems ausgegangen, in dem sich druckabhängig eine bestimmtes Volumen an Kraftstoff befindet, der grundsätzlich über die Hochdruckpumpe 1 zugeführt und über das Druckregelventil 1 abgeführt wird.
• Das Raumvolumen V_H des Hochdrucksystem des Kraftstoffversorgungssystems 100 umfasst das Raumvolumen des Rails 4, das Raumvolumen der Injektorleitungen 4.9 zu den Injektoren 9n, das Raumvolumen in den Injektoren 9n bis zur Drosselstelle innerhalb der Injektoren 9n, die Zuleitung 1.4 der Hochdruckpumpe 1 zum Rail 4 ab dem Rückschlagventil in der Zuleitung 4.9 und das Totvolumen der Hochdruckpumpe 1 (Totvolumen = Raumvolumen zwischen OT des Kolbens der Hochdruckpumpe 1 und dem Rückschlagventil in der Zuleitung zum Rail 4).
• Ausgehend von dem Raumvolumen V_H des Hochdrucksystems des Kraftstoffversorgungssystems 100 wird aus dem Hochdrucksystem segmentsynchron ein Gesamt-Volumen V_Ges-Ab abgenommen, welches sich insgesamt
1. a) aus den Kraftstoff-Einspritzmengen V_9n über die Injektoren 91, 92, 93, 94 und
2. b) den Kraftstoff-Schaltleckagen V_SLeck der Injektoren 91, 92, 93, 94 sowie der
3. c) der Kraftstoff-Dauerleckage V_DLeck des Hochdrucksystems des Kraftstoffversorgungssystems 100
zusammensetzt.
• Die Volumina a) und b) werden eventbezogen abgenommen, während c) die Kraftstoff-Dauerleckage V_DLeck des Hochdrucksystems über eine Z-Transformation diskretisiert wird. Das heißt, es findet eine Umrechnung der zeitlich nicht eventbezogenen Dauerleckage V_DLeck des Hochdrucksystems in ein eventbezogenes segmentsynchrones diskretes Volumen statt. Mit anderen Worten, es findet eine eventbezogene Diskretisierung der Dauerleckage V_DLeck des Hochdrucksystems statt, sodass die Volumina a), b), c) entsprechend als aus dem Hochdrucksystems als abgenommenes Gesamt-Volumen V_Ges-Ab addiert werden können.
• Hinzu kommt d) der sogenannte Last- und/oder drehzahlabhängige Änderungswunsch des Raildrucks, der sogenannte Druckänderungswunsch (auch als dynamischer Volumenstromanteil bezeichnet) innerhalb des Rails 4, der durch Zuführung von Kraftstoffvolumen (Druckerhöhung) über die Hochdruckpumpe 1 als V_{Δp-Rail-Vorgabe} oder durch Abführung von Kraftstoffvolumen (Druckabsenkung) über das Druckregelventil 8 innerhalb der Volumenbilanz als V_{Δp-Rail-Vorgabe} berücksichtigt wird.
• Je nachdem, ob der Druckänderungswunsch eine Druckerhöhung oder Druckabsenkung betrifft, wird
• • bei einer Druckerhöhung ein segmentsynchrones Volumen V_Zu zu dem Gesamt-Volumen V_Ges-Ab addiert oder
• • bei einer Druckabsenkung wird ein segmentsynchrones Volumen V_Ges-Ab von dem Gesamt-Volumen V_Ges-Ab subtrahiert
• Die Hochdruckpumpe 1 weist in bekannter Weise und vorteilhafter Weise eine feste Zuordnung des Pumpen-OT segmentsynchron/zylindersynchron alle 180° Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine zu den Zylinderkolben-OT's der Zylinderkolben (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine auf, wobei die Motordrehzahl mit der Hochdruckpumpendrehzahl übereinstimmt. Zwischen dem Pumpen-OT und den Zylinderkolben-OT's kann ein gewisser fester Offset vorhanden sein, der jedoch bekannt ist und bei der festen Zuordnung entsprechend berücksichtigt werden kann.
• Diese feste Zuordnung ermöglicht es die volumenstrombasierte und pumpensynchrone diskrete Berechnung zur Raildruckregelung auf diese Synchronität zu stützen und zu diskretisieren. Das heißt, man gewinnt nur eine diskrete Teilmenge aus einer kontinuierlichen Daten- oder Informationsmenge, wodurch eine Vereinfachung bei der Berechnung der Größen innerhalb der Regelstrecke erreicht wird.
• Die erfindungsgemäße Berechnung erfolgt über ein Triggerstartsignal nsync (vergleiche 2), wobei die Berechnung segmentsynchron/zylindersynchron alle 180° Kurbelwinkel durchgeführt wird, wobei die Berechnung der Größen der Regelstrecke für jeden der Zylinder beziehungsweise der zugehörigen Injektoren 9n, welche in dies Zylinder einspritzen getrennt durchgeführt wird.
• Gemäß der 2 umfasst die volumenstrombasierte pumpensynchrone Regelstruktur zur Raildruckregelung der Hochdruckpumpe 1 einen Signalerfassung-Baustein B1 zur Signalerfassung des Raildrucks p7 mittels des Raildruck-Sensors 7.
• Erfindungsgemäß erfolgt die Erfassung des Raildrucks p7 zeitsynchron innerhalb des Bausteins B1 zur Signalerfassung des Raildrucks p7 in einem Messraster in ms-Schritten, wobei innerhalb des Segmentes innerhalb des Bausteins B2, der als Istwert-Diskretisierungs-Baustein bezeichnet wird, segmentsynchron diskret ein Ist-Wert p7_Ist als minimaler Druck p_7ISt-min und als maximaler Druck p_7Ist-max erfasst und abgespeichert werden, wobei aus diesen Drücken P_7Ist-min, P_7Ist-max ferner als Ist-Wert p7_Ist ein Mittelwert p7_Ist-50% der Drücke _P7Ist-min, P_7lst-max innerhalb des Segmentes berechnet und ebenfalls abgespeichert wird.
• Gemäß der 2 umfasst die volumenstrombasierte pumpensynchrone Regelstruktur zur Raildruckregelung der Hochdruckpumpe 1 einen Sollwertvorgabe-Baustein A1 zur Sollwertvorgabe des Raildrucks p7 _Soll die in Form von Kennfelddaten im Computerprogram des Motorsteuergerätes abgelegt sind, der aus dem jeweiligen applizierten Brennverfahren rührt und vorgegeben ist.
• Dieser Soll-Raildruck p7 _Soll wird von einem derzeitigen beliebigen Vorgabe Zeitraster erfindungsgemäß ebenfalls diskretisiert, das heißt es erfolgt eine Umrechnung aus den Zeit „scheiben‟ in die Segment „scheibe‟, zum Zeitpunkt nsync dem (Triggerstartsignal), das heißt mit Beginn der Berechnung.
• Das heißt explizit, dass der erste in der Segmentscheibe vorliegende Wert innerhalb des Zeitrasters als Soll-Raildruck p7_soll „eingefroren“ und somit diskretisiert wird. Diese Diskretisierung findet im Sollwert-Diskretisierungs-Baustein A2 statt.
• Dadurch, dass Soll-Raildruck p7_soll zum Zeitpunkt nsync mit dem Beginn einer Zeitscheibe des Segmentes „eingefroren“ wird, liegt, der aus dem vorhergehenden Segment gewünschte Soll-Raildruck p7_soll (Ende des vorhergehendes Segmentes = Start nächstes Segment zum Zeitpunkt nsync) diskretisiert vor, und wird mit der Druckinformation p7_Ist vom Raildruck-Sensor 7 aus dem aktuellen, das heißt dem nachfolgenden Segment innerhalb eines Arbeitsspieles diskretisiert und verglichen, wodurch eine diskrete Regeldifferenz Δp7 je Segment (segmentsynchron) bestimmt werden kann. Diese Vorgehensweise ist notwendig, weil das System stets einen zeitlichen Verzug aufweist. Der Stellwert einer Vorsteuerung erzeugt eine Volumenstromerhöhung in das Rail nachdem die Pumpe gefördert hat. Deshalb wird der zur Differenzbildung herangezogene Sollwert p7 _Soll um genau ein Arbeitsspiel verzögert und mit dem Ist-Wert p7_Ist des darauffolgenden Arbeitsspieles verglichen.
• Wie oben erläutert steht als diskreter Ist-Wert p7_Ist der minimale Druck p_7min oder der maximale ruck p_7max oder der Mittelwert p7_50% zur Verfügung.
• In vorteilhafter Weise besteht innerhalb der Regelung die Möglichkeit (Auswahl mehrerer diskreter Signale aus dem Sollwert-Diskretisierungs-Baustein A2) für die Regelung als Ist-Wert p7_Ist den minimalen diskreten Druck p_7Ist-min oder den maximalen diskreten Druck p_7Ist-max oder den diskreten Mittelwert p7_Ist-50% zu verwenden, um den gewählten Wert mit dem diskreten Soll-Raildruck p7 _Soll zu vergleichen, wodurch je nach Systemanforderung bei einem Druckaufbau der Wert p7_Ist-max und bei einem Druckabbau der Wert p7_Ist-min verwendet wird, um Regelschwingungen zu reduzieren beziehungsweise Über- oder Unterschwinger zu vermeiden. Die entsprechende druckbezogene Berechnung erfolgt im Regelfehler-Berechnungs-Baustein A2/B2 (vergleiche 2) in den die diskretisierten Soll-Raildruck-Werte p7 _Soll und die diskretisierten Ist-Raildruck-Werte p7_Ist eingehen und segmentsynchron verglichen und als Regelfehler berechnet ausgegeben und abgespeichert werden.
• An dieser Stelle der Regelfehler-Berechnung erfolgt weiter erfindungsgemäß in einem Umrechnungs-Baustein A2', B2' aus der druckbasierten diskretisieren Regeldifferenz Δp7 = Δp_Rail eine Umrechnung in eine volumenstrombasierte Regeldifferenz ΔV_Rail, das heißt eine Volumenstromdifferenz unter Auflösung einer Differentialgleichung, wobei E das druck- und temperaturabhängige spezifische Elastizitätsmodul des jeweiligen Kraftstoffs ist und V_H , wie zuvor erläutert, das Raumvolumen des Kraftstoff-Hochdrucksystems des Kraftstoffversorgungssystems 100 sind. $$\Delta V_{\text{Rail}}=\frac{V_H}{E\left(p,T\right)}\ast \Delta p_{\text{Rail}}$$

  
• Diese Umrechnung in den segmentsynchronen Volumenfehler ΔV_Rail hat den Vorteil, dass die nichtlinearen Kraftstoffeigenschaften des Kraftstoffs bei der Regelung berücksichtigt werden.
• Die nichtlinearen Eigenschaften des Kraftstoffs hinsichtlich Druck und Temperatur und Kompressibilität werden in druckbasierten Systemen nicht abgebildet, worin ein wesentlicher Vorteil des vorliegenden Verfahrens zu sehen ist, da diese Nichtlinearitäten durch die Umrechnung in den segmentsynchronen Volumenfehler ΔV_Rail berücksichtigt werden.
• Dadurch ist eine exakte Versteuerung und Regelung mit geringsten Regelfehlern auch in hochdynamischen Fahrsituationen möglich, wodurch sich entscheidende Vorteile hinsichtlich Brennstabilität und Emissionen ergeben.
• Als Zwischenzusammenfassung liegt somit gegenüber dem Stand der Technik eine Änderung in der Erfassung der Größen durch die Segmentierung in den Bausteinen A1, B1 und die Diskretisierung in den Bausteinen A2, B2 und eine Umrechnung von druckbasierten Größen auf volumenstrombasierte Größen in den Bausteinen A2/B2 sowie A2'/B2' vor.
• Als Eingangsgröße für einen Regler-Baustein C, C1, C8 steht somit erfindungsgemäß eine diskrete Volumen Regeldifferenz ΔV_Rail zur Verfügung, die direkt für die volumenstrombasierenden Stellglieder E1, E8 (Hochdruckpumpe 1 und Druckregelventil 8) verwendet wird.
• Der Regler-Baustein C, C1, C8 umfasst als Teil-Baustein eine Regler-Zustandsmaschine C, die je nach Anforderung den Druck volumenstrombasierend/volumenstrombasiert, das heißt in Abhängigkeit der diskreten im Umrechnungs-Baustein A2'/B2' ermittelten Volumen-Regeldifferenz ΔV_Rail erhöht oder verringert, und die darüber entscheidet, ob eine Regeleingriff über einen PID-Regler-Baustein C1 der Hochruckpumpe 1 (vergleiche 2) „druckerhöhend“ oder über einen PID-Regler-Baustein C8 des Druckregelventils 8 „druckerniedrigend“ erfolgen soll.
• Die Struktur umfasst zudem gemäß 2 einen Vorsteuer-Volumenstromwert-Baustein D als Störungsregler für die segmentsynchrone volumenstrombasierte Vorsteuerung (Führungsgröße mit Störgrößenkompensation) des Kraftstoffversorgungssystem, dessen Führungsgröße mit dem PID-Regler-Baustein C1 der Hochruckpumpe 1 und dem PID-Regler-Baustein C8 des Druckregelventils 8 zusammengeführt ist, sodass die PID-Regler-Bausteine C1, C8 nur die Regelschwankungen des Kraftstoffversorgungssystems ausgleichen müssen.
• Dem Vorsteuer-Volumenstromwert-Baustein D gehen als Vorsteuergrößen die unter a) bis d) genannten segmentsynchronen Volumenströmen in Addition zu, sodass in dem Vorsteuer-Volumenstromwert-Baustein D bereits die Führung der Regelstrecke gewährleistet ist.
• Die durch die PID-Regler-Bausteine C1, C8 ausgeregelten Werte des Störungsreglers des Vorsteuer-Volumenstromwert-Bausteins D werden (vergleiche 2) einem Ausgabe-Baustein E zugeführt, der die Stellglieder E1 und E8 der Hochdruckpumpe 1 und des Druckregelventils 8 elektrisch ansteuert und die Stellglieder E1 und E8 nach Bedarf über die Regelstrecke pumpensegmentsynchron volumenbasiert verstellt.
• Bezugszeichenliste

100

Kraftstoffversorgungssystem

1

Hochdruckpumpe

2

Vorförderpumpe

3

Kraftstofftank

4

Kraftstoffspeicher, Rail

ΔV_Rail

Volumen-Regeldifferenz, diskrete Regelabweichung

5

Filtereinheit

6

Duo-Sensor (p, T)

T6

Kraftstofftemperatur

7

Raildruck-Sensor

p7

Raildruck

p7_Ist

Ist-Raildruck

p7_Ist-max

Ist-Raildruck (diskretisiert Max)

p7_Ist-min

Ist-Raildruck (diskretisiert Min)

p7_Ist-50%

Ist-Raildruck (diskretisiert Mittelwert)

p7_Soll

Soll-Raildruck (diskretisiert)

Δp7 = Δp_Rail

diskrete Regelabweichung (druckbezogen)

E

Elastizitätsmodul

8

Druckregelventil

V8

abgesteuerter Volumenstrom über Rücklaufleitung 8.1

9n

Injektoren (n-ter Injektor)

91

erster Injektor

92

zweiter Injektor

93

dritter Injektor

94

vierter Injektor

1.4

Hochdruckleitung zwischen 1 und 4

2.1

Niederdruckleitung zwischen 2 und 1

4.9

Injektorleitungen zwischen 4 und 9n

8.2.1

Rücklaufleitung zwischen 8 und 2.1

9.3

Leckagerücklaufleitung zwischen 9n und 3

1.3

HDP-Rücklaufleitung zwischen 1 und 3

S1

erstes Steuergerät

S2

zweites Steuergerät

V_Ges

Gesamt-Volumen (V_9n + V_DLeck + V_SLeck+ V_{Δp-Rail-Vorgabe} )

V_9n

Einspritzvolumen des jeweiligen n-ten Injektors 9n

V_DLeck

Dauerleckagevolumenstrom des Hochdruck-Kraftstoffversorgungssystems

V_SLeck

Schaltleckagevolumenstrom der Injektoren 9n

V_{Δp-Rail-Vorgabe}

Druckänderungswunsch systembedingt

V_ZU

zugeführtes Volumen in Abhängigkeit des Druckänderungswunsches Druckerhöhung

V_Ges-Ab

abgeführtes Volumen in Abhängigkeit des Druckänderungswunsches Druckabsenkung

V_H

konstantes Raumvolumen des Hochdruck-Kraftstoffversorgungssystems

nsync

Startzeitpunkt der Berechnung

A1

Sollwertvorgabe-Baustein des Raildrucks p7_Soll

A2

Sollwert-Diskretisierungs-Baustein

B1

Istwert-Signalerfassungs-Baustein Raildruck p7_Ist

B2

Istwert-Diskretisierungs-Baustein

A2/B2

Regelfehler-Berechnungs-Baustein

A2'/B2'

Umrechnungs-Baustein

C

Zustandsmaschine Regler-Baustein

C1

Regel-Baustein der Hochdruckpumpe

C8

Regel-Baustein des Druckregelventils

D

Vorsteuer-Baustein

E

Ausgabe-Baustein

E1

Stellgliedausgabe Hochdruckpumpe

E8

Stellgliedausgabe Druckregelventil

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102016204386 A1 [0002]

Claims (11)

1. Verfahren zum Regeln eines durch eine Hochdruckpumpe (1) in einem Kraftstoffspeicher (4) bewirkten Raildrucks (p7_Soll) für ein Kraftstoffversorgungssystem (100) einer Brennkraftmaschine, wobei eine kurbelwinkelbezogene oder nockenwinkelbezogene feste Winkeldifferenz der Brennkraftmaschine zwischen einer Oberen-Totpunkt-Position eines Zylinderkolbens eines Zylinders der Brennkraftmaschine und einer Oberen-Totpunkt-Position des Pumpenkolbens der Hochdruckpumpe (1) des Kraftstoffversorgungssystems (100) bei der Zumessung des Fördervolumens der Hochdruckpumpe (1) berücksichtigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass wiederkehrend pumpensynchron je Segment, das einer Umdrehung einer Kurbelwelle und somit der Bewegung des Pumpenkolbens der Hochdruckpumpe (1) von der Oberen-Totpunkt-Position des Pumpenkolbens zur nächsten Oberen-Totpunkt-Position entspricht, eine Diskretisierung einer Regelabweichung (Δp₇) des Raildrucks (p7) im Kraftstoffspeicher (4) vorgenommen und von der diskreten Regelabweichung (Δp₇) ausgehend eine volumenbezogene diskrete Volumen-Regeldifferenz (ΔV_Rail) berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die volumenbezogene diskrete Volumen-Regeldifferenz (ΔV_Rail) als Eingangsgröße einem Regelbaustein (C1) für die Hochdruckpumpe (1) und einem Regelbaustein (C8) für ein dem Kraftstoffspeicher (4) zugeordnetes Druckregelventil (8) zugeführt wird, wobei die diskrete Volumen-Regeldifferenz (ΔV_Rail) mit einem Vorsteuer-Baustein (D) verknüpft wird, wodurch pumpensynchron je Segment die Stellgrößen für die Hochdruckpumpe (1) und das Druckregelventil (8) in einem Ausgabe-Baustein (E8) berechnet und den Stellgliedern (E1, E8) der Hochdruckpumpe (1) und des Druckregelventils (8) zur volumenbasierten Einstellung des Raildrucks (p7_Soll) zugeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die diskrete Regelabweichung (Δp₇) als Differenz aus dem diskretisierten Ist-Raildrucks (p7_Ist) und dem diskretisierten Soll-Raildruck (p7_Soll) berechnet wird, indem eine diskretisierte Druckinformation (p7_Ist) eines Raildruck-Sensor (7) des aktiv erfassten pumpensynchronen Segmentes mit dem diskretisierten Soll-Raildruck (p7_Soll) des um ein Arbeitsspiel vorhergehenden pumpensynchronen Segmentes verglichen wird, um die diskrete Regeldifferenz (Δp7) zu bestimmen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Raildruck (p7_Soll) zu einem Zeitpunkt diskretisiert wird, der mit einem Triggerstartsignal (nsync) festgelegt wird, das wiederkehrend zu Beginn eines pumpensynchronen Segmentes ausgegeben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Raildruck (p7_Ist) innerhalb des durch das Triggerstartsignal (nsync) gestarteten Segmentes wiederkehrend erfasst und diskretisiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Raildruck (p7_Ist), der innerhalb des pumpensynchronen Segmentes wiederkehrend erfasst wird, als • in dem Segment maximaler Ist-Raildruck (p7_Ist-max) und • in dem Segment minimaler Ist-Raildruck (p7_Ist-min) und • in dem Segment berechneter Mittelwert (p7_Ist-50%) diskretisiert und wahlweise mit dem diskretisierten Soll-Raildruck (p7_Soll) zur Bestimmung der diskreten Regelabweichung (Δp₇) verglichen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Regelung als Ist-Wert (p7_Ist) der erfasste minimale diskrete Druck (p_7Ist-min) oder der erfasste maximale diskrete Druck (p_7Ist-max) oder der diskrete Mittelwert (p7_Ist-50%) zum Vergleich mit dem diskreten Soll-Raildruck (p7_Soll) verwendet wird, wobei je nach Systemanforderung bei einem Druckaufbau der maximale diskrete Druck (p_7Ist-max) und bei einem Druckabbau der minimale diskrete Druck (p_Ist-min) verwendet wird, um Regelschwingungen zu reduzieren beziehungsweise Über- oder Unterschwinger zu vermeiden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die diskrete Regelabweichung (Δp₇) in die volumenstrombasierte diskrete Volumen-Regeldifferenz (ΔV_Rail) umgerechnet wird, wobei zusätzlich eine Kraftstoff-Dauerleckage (V_DLeck) des Hochdrucksystems des Kraftstoffversorgungssystems durch Addition berücksichtigt.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die druckbasierte diskretisierte Regeldifferenz (Δp7 = Δp_Rail) in eine volumenstrombasierte Volumen-Regeldifferenz (ΔV_Rail) umgerechnet wird, wobei bei der Umrechnung das druck - und temperaturabhängige spezifische Elastizitätsmodul (E) des jeweiligen Kraftstoffs und das Raumvolumen (V_H)des Kraftstoff-Hochdrucksystems des Kraftstoffversorgungssystems (100) gemäß der Umrechnungsformel $\Delta V_{\text{Rail}}=\frac{V_H}{E\left(p,T\right)}\ast \Delta p_{\text{Rail}}$

   

   berücksichtigt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der pumpensynchronen segmentweise wiederkehrenden Umrechnung der druckbasierten diskreten Regelabweichung (Δp₇) in die volumenbezogene diskrete Volumen-Regeldifferenz (ΔV_Rail), a) die Kraftstoff-Einspritzmengen (V_9n) der Injektoren (9n) und b) die Kraftstoff-Schaltleckagen (V_SLeck) der Injektoren (9n) und d) ein Druckänderungswunsch (V_{Δp-Rail-Vorgabe}) bezüglich des Soll-Raildrucks (p7_Soll) des Kraftstoffspeichers (4) berücksichtigt werden, wobei c) die Kraftstoff-Dauerleckage (V_DLeck) des Hochdrucksystems des Kraftstoffversorgungssystems (100) durch eine pumpensynchrone segmentweise wiederkehrende separate Umrechnung mit einer Z-Transformation ermittelt und der volumenbezogenen diskreten Volumen-Regeldifferenz (ΔV_Rail) hinzugefügt wird.
11. Kraftstoffversorgungssystem (100) eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffversorgungssystem (100) zur Ermittlung einer • diskreten Eingangsgröße für einen Regler-Baustein (C1) für die Hochdruckpumpe (1) und zur Ermittlung einer diskreten Eingangsgröße für einen Regler-Baustein (C8) für ein dem Kraftstoffspeicher (4) zugeordnetes Druckregelventil (8) folgende weitere Bausteine umfasst, • einen Sollwertvorgabe-Baustein (A1) des Raildrucks (p7_Soll) und eine zugehörigen Sollwert-Diskretisierungs-Baustein (A2) und • einen Istwert-Signalerfassungs-Baustein (B1) des Raildruck (p7_Ist) und einen Istwert-Diskretisierungs-Baustein (B2), • sowie einen Regelfehler-Berechnungs-Baustein (A2/B2) und • einen Umrechnungs-Baustein (A2'/B2') umfasst, der aus einer druckbasierten diskretisieren Regeldifferenz (Δp7 = Δp_Rail) eine Umrechnung in eine volumenstrombasierte Regeldifferenz (ΔV_Rail) vornimmt, wobei • der Umrechnungs-Baustein (A2'/B2') mit einer Regler-Zustandsmaschine (C) verknüpft ist, welche die diskrete Eingangsgröße für den Regler-Baustein (C1) der Hochdruckpumpe (1) und die diskreten Eingangsgröße für den Regler-Baustein (C8) des Druckregelventils (8) ausgibt, • wobei die Regler-Bausteine (C1, C8) mit einem Vorsteuer-Baustein (D) verknüpft sind, wodurch mittels des Vorsteuer-Bausteins (D) und der aufgeschalteten Regler-Bausteine (C1, C8) pumpensynchron je Segment die Stellgrößen für die Hochdruckpumpe (1) und das Druckregelventil (8) einem Ausgabe-Baustein (E8) zugeführt und berechnet werden, und den Stellgliedern (E1, E8) der Hochdruckpumpe (1) und des Druckregelventils (8) zur volumenbasierten Einstellung des Raildrucks (p7_Soll) zugeführt werden.

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