DE102022211462A1

DE102022211462A1 - Verfahren zur Adaption eines Kondensatormodells für einen Ausgangskondensator eines Gleichspannungswandlers, Kraftstoffeinspritzsystem, Recheneinheit und Computerprogramm

Info

Publication number: DE102022211462A1
Application number: DE102022211462.0A
Authority: DE
Inventors: Markus Amler; Alexander Schenk zu Schweinsberg; Werner Hess; Klaus Joos
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-10-28
Filing date: 2022-10-28
Publication date: 2024-05-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Adaption eines Kondensatormodells (10) für einen Ausgangskondensator eines Gleichspannungswandlers (110), eine Recheneinheit (100) und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung sowie ein Kraftstoffeinspritzsystem. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Modellieren eines ersten Werts der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (110) mittels des Kondensatormodells (10), ein Ermitteln des ersten Werts der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (110) anhand einer gemessenen Spannung des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils (120); ein Berechnen eines Adaptionswerts basierend auf einem Vergleich des ersten modellierten Ausgangsspannungswerts mit dem ersten ermittelten Ausgangsspannungswert des Gleichspannungswandlers (110); und ein Anpassen des Kondensatormodells (10) mittels des berechneten Adaptionswerts.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Adaption eines Kondensatormodells für einen Ausgangskondensator eines Gleichspannungswandlers, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung sowie ein Kraftstoffeinspritzsystem.
Hintergrund der Erfindung
Um die Emissionen eines Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung weiter zu reduzieren, kann die benötigte Kraftstoffmenge in ausgewählten Betriebspunkten mittels mehrerer aufeinanderfolgender Einspritzungen (Mehrfacheinspritzung) in die Zylinder des Verbrennungsmotors eingebracht werden. Dazu ist in jedem Zylinder mindestens ein Kraftstoffeinspritzventil angebracht, das den Kraftstoff mit hohem Druck in den Brennraum einspritzt.
Zur Betätigung des Kraftstoffeinspritzventils wird dieses bei jeder Einspritzung mit einem vorbestimmten Ansteuerprofil angesteuert. Zum Öffnen des Ventils kann eine Boostspannung angelegt werden, welche einen entsprechenden Booststromverlauf in dem Kraftstoffeinspritzventil zur Folge hat, der die benötigte Öffnungskraft bewirkt. Die Boostspannung kann durch einen im Motorsteuergerät befindlichen DC/DC-Wandler (Gleichspannungswandler) bereitgestellt werden.
DE 198 13 138 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Magnetventils zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor mittels einer mit elektronischen Schaltmitteln und wenigstens einem Booster-Kondensator ausgestatteten Ansteuerschaltung. Die Spannung des Booster-Kondensators wird nach jeder teilweisen oder völligen Entladung desselben auf einen die Öffnungsgeschwindigkeit des Einspritzventils und damit die Einspritzzeit beeinflussenden gewünschten Wert nachgeladen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Adaption eines Kondensatormodells für einen Ausgangskondensator eines Gleichspannungswandlers, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung sowie ein Kraftstoffeinspritzsystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Der Gleichspannungswandler mit dem Ausgangskondensator stellt elektrische Energie zur Betätigung mindestens eines Kraftstoffeinspritzventils bereit. Bevorzugt ist der Gleichspannungswandler ein Hochsetzsteller (Boost Converter).
Werden Mehrfacheinspritzungen in einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern eingebracht, so können sich die Einspritzzeiten einzelner Zylinder überlappen, d.h. es kann erforderlich sein, mehrere Kraftstoffeinspritzventile gleichzeitig anzusteuern. Dies kann zur Folge haben, dass der Booster-Kondensator (Ausgangskondensator) des DC/DC-Wandlers nicht mehr auf die gewünschte Boostspannung (Ausgangsspannung) nachgeladen werden kann und diese demzufolge absinkt. Um eine reduzierte Boostspannung in der Vorsteuerung der Kraftstoffeinspritzung berücksichtigen zu können, kann diese für zukünftige Ansteuerungen der Kraftstoffeinspritzventile prädiziert werden. Dazu kann beispielsweise eine Energiebilanz aus zu- und abfließenden Energien am Ausgangskondensator des Gleichspannungswandlers in einem Kondensatormodell abgebildet werden. Dieses kann beispielsweise in der Motorsteuerung des Verbrennungsmotors enthalten sein. Da der Ausgangskondensator jedoch Alterungseffekten unterliegt und dadurch seine Kapazität abnimmt, reduziert sich die Genauigkeit eines solchen Kondensatormodells über der Lebensdauer des Gleichspannungswandler.
Die Erfindung stellt nun eine Möglichkeit vor, ein Kondensatormodell für einen Ausgangskondensator eines Gleichspannungswandlers einfach und zuverlässig an zeitliche Veränderungen anzupassen bzw. zu adaptieren.
Bei dem mindestens einen Kraftstoffeinspritzventil handelt es sich vorzugsweise um ein elektromagnetisch betätigtes Hochdruckeinspritzventil, das Kraftstoff mit einem Druck von mehreren hundert bis wenigen tausend bar einspritzt.
Insbesondere wird das mindestens eine Kraftstoffeinspritzventil von einer Ansteuerschaltung mit einem vorbestimmten Ansteuerprofil angesteuert. Die Ansteuerschaltung ist bevorzugt in einer Recheneinheit angeordnet, die insbesondere das Motorsteuergerät sein kann.
Besonders bevorzugt ist der Gleichspannungswandler in der Ansteuerschaltung enthalten. Das vorbestimmte Ansteuerprofil kann in der Recheneinheit gespeichert sein. Dabei kann das vorbestimmte Ansteuerprofil eine Vielzahl von Ansteuerprofilen umfassen. Alternativ können Parameter in der Recheneinheit gespeichert sein, anhand derer eine Vielzahl unterschiedlicher Ansteuerprofile erzeugt werden kann. Das Ansteuerprofil kann Parameter zur Ansteuerung des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils sowie Parameter zum Ein- und Ausschalten des Gleichspannungswandlers enthalten. Die Parameter zur Ansteuerung des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils können beispielsweise Spannungs- und Stromwerte sowie Ein- und Ausschaltzeitpunkte der Bestromung des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils umfassen.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, das vorzugsweise die Motorsteuerung sein kann, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren, wie nachfolgend beschrieben, durchzuführen.
Das Kondensatormodell kann insbesondere die aktuell im Ausgangskondensator des Gleichspannungswandlers gespeicherte Energie mittels einer Bilanzierung der zu- und abgeführten Energien bestimmen. Dem Ausgangskondensator zugeführt wird insbesondere vom Gleichspannungswandler erzeugte Energie (Nachladungsenergie) und vom Ausgangskondensator abgegeben wird die Energie für die Ansteuerung des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils während einer Boostdauer (Boostenergie). Bei der Boostdauer handelt es sich vorzugsweise um eine Zeitdauer, in der eine Boostspannung an das mindestens eine Kraftstoffeinspritzventil angelegt wird.
Zudem kann zusätzlich eine Abschaltenergie berücksichtigt werden, die aus dem Abschaltvorgang des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils resultiert. Der aufgrund des Abschaltvorgangs fließende Strom kann zurück in den Ausgangskondensator geleitet und somit als dem Kondensator zugeführte Energie in der Bilanz berücksichtigt werden.
Zur Prädiktion/Modellierung der zur Verfügung stehenden Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers für eine zukünftige Einspritzung kann das Kondensatormodell zunächst die aktuell vorliegende Energie im Ausgangskondensator z.B. anhand einer aktuell ermittelten Ausgangspannung berechnen. Des Weiteren kann das Modell die Boostenergie, die Nachladungsenergie und die Abschaltenergie der nachfolgenden Ansteuerung des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils beispielsweise anhand des vorbestimmten Ansteuerprofils zur Ansteuerung des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils vorausberechnen.
Das Kondensatormodell ermöglicht es, geeignete Anpassungen der Einspritzparameter vorzunehmen, wenn eine reduzierte Ausgangsspannung prädiziert wird. Durch diese Anpassungen kann die Genauigkeit der Vorsteuerung der Kraftstoffeinspritzung deutlich verbessert werden.
Die Genauigkeit des Kondensatormodells ist insbesondere von einem korrekten Wert für die Kapazität des Kondensators abhängig. Diese unterliegt über der Lebensdauer des Motorsteuergeräts einem Alterungsprozess und verändert dabei seine Kapazität.
Die Erfindung ermöglicht es, den Kapazitätswert des Kondensatormodells an den realen Kapazitätswert des Ausgangskondensators des Gleichspannungswandlers anzupassen und damit die Genauigkeit des Modells über der Lebensdauer des Motorsteuergeräts aufrechtzuerhalten.
Im Einzelnen wird in einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ein erster Wert der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers mittels des Kondensatormodells modelliert. In einem zweiten Schritt wird der erste Wert der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers anhand einer gemessenen Spannung des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils ermittelt. Dies bedeutet, dass ein erster einzelner Wert des Ausgangsspannungsverlaufs des Gleichspannungswandlers zum einen mit dem Kondensatormodell und zum anderen mit einer entsprechenden Spannungsmessung bestimmt wird. Mit anderen Worten modelliert das Kondensatormodell den ersten Ausgangsspannungswert zu einem Zeitpunkt, an dem dieser auch gemessen wird. Bei der Spannungsmessung kann es sich um eine direkte Messung des Ausgangsspannungswerts des Gleichspannungswandlers handeln, der an das mindestens eine Kraftstoffeinspritzventil angelegt wird. Insbesondere kann die gemessene Spannung auch eine indirekte Größe sein, anhand derer Rückschlüsse auf die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandler gezogen werden können.
Basierend auf einem Vergleich des ersten modellierten Ausgangsspannungswerts mit dem ersten ermittelten Ausgangsspannungswert des Gleichspannungswandlers wird in einem dritten Schritt ein Adaptionswert berechnet. Dies bedeutet, dass der modellierte Ausgangsspannungswert mit dem gemessenen Spannungswert verglichen und anhand eines Unterschieds/einer Abweichung zwischen den beiden Werten ein Adaptionswert für das Kondensatormodell berechnet wird.
Mittels des berechneten Adaptionswerts wird dann in einem vierten Schritt das Kondensatormodell angepasst. Mit anderen Worten werden ein oder mehrere Parameter des Kondensatormodells derart angepasst, dass der erste modellierten Ausgangsspannungswert mit dem ersten ermittelten Ausgangsspannungswert (zumindest besser) übereinstimmt.
Gemäß einer Ausführungsform werden die oben beschriebenen vier Schritte ausgeführt, wenn ein zweiter modellierter Wert der Ausgangsspannung kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert ist. Vorzugsweise bestimmt das Kondensatormodell den zweiten modellierten Wert der Ausgangsspannung vor dem ersten modellierten Wert der Ausgangsspannung.
Bei dem zweiten modellierten Wert der Ausgangsspannung kann es sich beispielsweise um einen Wert handeln, den das Kondensatormodell zur Prädiktion der aktuell vorliegenden Ausgangsspannung berechnet. Dabei kann das Kondensatormodell insbesondere eine prädizierte Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers für einen Ansteuerbeginn einer nachfolgenden Ansteuerung des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils vorausberechnen. Dieser vorausberechnete Spannungswert zum Ansteuerbeginn der nachfolgenden Ansteuerung kann mit einem Schwellwert verglichen und die Adaption des Kondensatormodells eingeleitet werden, wenn der prädizierte Spannungswert den vorbestimmten Schwellwert unterschreitet. Dadurch ist gewährleistet, dass die Adaption durchgeführt wird, wenn eine vorbestimmte Abweichung der Ausgangsspannung von der Soll-Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers vorhanden ist. Dadurch kann die Genauigkeit der Adaption erhöht werden, wie im Folgenden näher erläutert wird.
Gemäß einer Ausführungsform werden die oben beschriebenen Schritte eins bis drei in einer Vielzahl von Ansteuerungen des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils ausgeführt. Dies bedeutet, dass eine Vielzahl von Adaptionswerten jeweils basierend auf einem Vergleich des ersten modellierten Ausgangsspannungswerts mit dem ersten ermittelten Ausgangsspannungswert berechnet wird. Aus der Vielzahl von Adaptionswerten kann ein Rechenwert, z.B. (arithmetischer, geometrischer usw.) Mittelwert, Median o.ä., gebildet werden, der dann zur Anpassung des Kondensatormodells verwendet werden kann. Dadurch kann wiederum die Genauigkeit der Adaption erhöht werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die gemessene Spannung eine Abschaltspannung (auch als Löschspannung bezeichnet), die an einem Ansteuerende einer Ansteuerung des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils angelegt wird, um den Stromfluss durch die Spule rasch zu löschen bzw. auf null zu bringen. Insbesondere werden in diesem Fall der erste modellierte Ausgangsspannungswert und der erste ermittelte/gemessene Ausgangsspannungswert am Ansteuerende einer Bestromung des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils bestimmt. Das Ansteuerende markiert insbesondere einen Zeitpunkt, an dem die Bestromung des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils abgeschaltet wird. Zur Messung der Abschaltspannung kann vorzugsweise bereits eine Schaltung in der Motorsteuerung vorliegen, beispielsweise um den Schließzeitpunkt des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils und/oder die Rückspeisung der Abschaltenergie in den Gleichspannungswandler zu bestimmen. Daher ist es vorteilhaft, diese bereits vorhandene Schaltung auch zur Ermittlung der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers zu nutzen. Dies ist möglich, da die Abschaltspannung der negativen Boostspannung entspricht, wenn sie auch vom DC/DC-Wandler mit Boostkondensator erzeugt wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein vorbestimmter Kapazitätswert des Kondensatormodells mittels des berechneten Adaptionswerts angepasst. Der vorbestimmte Kapazitätswert kann insbesondere der Kapazität des Ausgangskondensators eines in der Motorsteuerung verwendeten Gleichspannungswandlers im Neuzustand entsprechen.
Das Kondensatormodell kann dabei insbesondere die aktuell im Ausgangskondensator des Gleichspannungswandlers gespeicherte Energie mittels einer Bilanzierung der zu- und abgeführten Energien bestimmen. Dem Ausgangskondensator zugeführt wird insbesondere die vom Gleichspannungswandler erzeugte Energie (Nachladungsenergie E_DC), und vom Ausgangskondensator abgegeben wird die Energie für die Ansteuerung des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils während einer Boostdauer (Boostenergie E_boost).
Es gilt somit: $E_{C} = E_{D C} - E_{b o o s t}$
wobei E_C eine im Ausgangskondensator gespeicherte Energie bezeichnet.
Zudem kann zusätzlich eine Abschaltenergie berücksichtigt werden, die aus dem Löschen der Spulenenergie des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils resultiert. Der dabei fließende Strom kann zurück in den Ausgangskondensator geleitet und somit als dem Kondensator zugeführte Energie in der Bilanz berücksichtigt werden.
Zur Prädiktion der zur Verfügung stehenden Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers für eine zukünftige Einspritzung berechnet das Kondensatormodell die aktuell vorliegende Energie im Ausgangskondensator z.B. gemäß nachfolgender Gleichung (2). Des Weiteren werden die Boostenergie, die Nachladungsenergie und die Abschaltenergie beispielsweise anhand eines vorbestimmten Ansteuerprofils zur Ansteuerung des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils vorausberechnet.
Für die im Ausgangskondensator gespeicherte Energie E_C gilt: $E_{C} = \frac{1}{2} \cdot C \cdot U_{B o o s t}^{2}$
wobei C die Kapazität des Ausgangskondensators und U_boost die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers bezeichnet.
Basierend auf den Gleichungen (1) und (2) kann dann die Ausgangsspannung U_boost des Gleichspannungswandlers prädiziert/modelliert werden.
Wie bereits oben erläutert, kann das Kondensatormodell einen vorbestimmten Wert für die Kapazität C umfassen, welcher z.B. der Kapazität des Ausgangskondensators im Neuzustand entspricht. Dieser Wert kann z.B. in der Motorsteuerung gespeichert sein und nun mittels des berechneten Adaptionswerts angepasst werden. Die Adaption der Kapazität C kann z.B. direkt durch Verwendung der gemessenen Spannung in Gleichung (2) erfolgen. Allerdings ist dies für eine Berechnung in einem Motorsteuergerät wegen der benötigten Bestimmung der Quadratwurzel weniger vorteilhaft.
Bevorzugt wird daher eine Linearisierung des Kondensatormodells um die Soll-Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers durchgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Adaptionswert dann einen Quotienten aus einer Differenz zwischen dem ersten modellierten Ausgangsspannungswert und einem Sollwert der Ausgangsspannung, und einer Differenz zwischen dem ersten ermittelten Ausgangsspannungswert und dem Sollwert der Ausgangsspannung.
Linearisiert man Gleichung (2) für das Kondensatormodell um die Soll-Ausgangsspannung U_S des Gleichspannungswandlers, so erhält man $E_{C_{m}} = E_{C} (U_{S}) + (\frac{d}{d U} E_{C} |_{U = U S}) \cdot Δ U_{m} = E_{C} (U_{S}) + C_{m} \cdot U_{S} \cdot Δ U_{m}$
mit $Δ U_{m} = U_{S} - U_{m}$
wobei F_Cm die modellierte, im Ausgangskondensator gespeicherte Energie, C_m den vorbestimmten Kapazitätswert des Kondensatormodells und U_m die modellierte Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers bezeichnen.
Die gleiche Linearisierung kann unter Verwendung der gemessenen Ausgangsspannung U_mess aufgestellt werden $E_{C_{m e s s}} = E_{C} (U_{S}) + C_{a d a p} \cdot U_{S} \cdot Δ U_{m e s s}$
mit $Δ U_{m e s s} = U_{S} - U_{m e s s}$
wobei E_Cmess die im Ausgangskondensator gespeicherte Energie gemäß U_mess und C_adap den anhand von U_mess angepassten Kapazitätswert des Ausgangskondensators bezeichnen.
Da das Kondensatormodell insbesondere anhand der gemessenen Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers adaptiert wird, gilt $E_{C_{m}} \overset{!}{=} E_{C_{m e s s}}$
Durch Gleichsetzen der Gleichungen (3) und (4) folgt damit: $C_{a d a p} = C_{m} \cdot \frac{Δ U_{m}}{Δ U_{m e s s}} = C_{m} \cdot F_{a d a p}$
Insbesondere kann somit der vorbestimmte Kapazitätswert des Kondensatormodells C_m mittels eines Adaptionsfaktors F_adap angepasst werden, wobei dieser ein Quotient aus einer Differenz zwischen dem ersten modellierten Ausgangsspannungswert und einem Sollwert der Ausgangsspannung ΔU_m, und einer Differenz zwischen dem ersten ermittelten/gemessenen Ausgangsspannungswert und dem Sollwert der Ausgangsspannung ΔU_mess. ist. Dadurch kann die Genauigkeit des Kondensatormodells während der Lebensdauer des Motorsteuergeräts aufrechterhalten werden.
Ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzsystem umfasst mindestens ein Kraftstoffeinspritzventil, mindestens einen Gleichspannungswandler und eine oben beschriebene erfindungsgemäße Recheneinheit. Der mindestens eine Gleichspannungswandler ist vorzugsweise ein Hochsetzsteller (Boost Converter).
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Schließlich ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm wie oben beschrieben. Geeignete Speichermedien bzw. Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Ein solcher Download kann dabei drahtgebunden bzw. kabelgebunden oder drahtlos (z.B. über ein WLAN-Netz, eine 3G-, 4G-, 5G- oder 6G-Verbindung, etc.) erfolgen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der beiliegenden Zeichnungen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1a und 1b zeigen schematisch einen Spannungsverlauf und einen Stromverlauf in einem Kraftstoffeinspritzventil, wie sie bei einer Ausführungform der Erfindung auftreten können;
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Adaption eines Katalysatormodells anhand eines Flussdiagramms; und
3 zeigt schematisch ein Kondensatormodell, wie es in einer Ausführungform der Erfindung verwendet werden kann, in einem Steuergerät eines Verbrennungsmotors.

Ausführungsform(en) der Erfindung
Die 1a und 1b zeigen schematisch einen Spannungsverlauf U_inj und einen Stromverlauf I_inj über der Zeit t in einem Kraftstoffeinspritzventil, wie sie bei einer Ausführungform der Erfindung auftreten können. Die Verläufe können beispielsweise anhand eines in der Motorsteuerung gespeicherten Ansteuerprofils vorbestimmt/erzeugt werden.
Zum Öffnen des Kraftstoffeinspritzventils wird ab dem Beginn der Ansteuerung (Ansteuerbeginn t_{i_on}) während einer Boostdauer t_boost eine Boostspannung U_boost an das Kraftstoffeinspritzventil angelegt (siehe 1a). Diese entspricht einer von einem Gleichspannungswandler bereitgestellten Ausgangsspannung.
Das Anlegen der Boostspannung führt zum Ansteigen des Stroms I_inj durch das Kraftstoffeinspritzventil auf einen Booststrom I_Boost (siehe 1b). Dadurch wird das Kraftstoffeinspritzventil geöffnet.
Üblicherweise bereits während des Öffnungsvorgangs wird die angelegte Spannung U_inj auf ein niedrigeres Niveau abgesenkt, das vorzugsweise dem Niveau der Fahrzeugversorgungsspannung (Batteriespannung) U_bat entspricht (siehe 1a). Dies führt zu einem Anzugsstrom I_inial nach Ablauf einer Zeit t_initial. Spätestens jetzt ist Ventil üblicherweise vollständig geöffnet. Im Anschluss kann daher durch Taktung der Batteriespannung U_bat der Strom I_inj auf einen Haltestrom I_hold abgesenkt werden (siehe 1b). Dieser ist ausreichend, um das Kraftstoffeinspritzventil in einer geöffneten Position zu halten. Zum Schließen des Ventils wird die Spannungsversorgung nach Ablauf der Ansteuerdauer t_i zum Zeitpunkt t_{i_off} auf einen Wert U_off umgeschaltet (siehe 1a). Durch ein solches sog. Schnelllöschen der Spulenenergie kann ein schnelles Schließen der Ventilnadel erreicht werden. Der dabei fließende Strom kann zurück in den Ausgangskondensator geleitet werden. Man kann erkennen, dass der Betrag der negativen Spannung U_off am Ansteuerende t_{i_off} dem Betrag der Boostspannung U_boost am Ansteuerbeginn t_{i_on} entspricht (U_off.=- U_boost). Somit kann die Höhe der Boostspannung am Ansteuerbeginn der Bestromung mittels einer Messung der Höhe der Abschaltspannung U_off am Ansteuerende t_{j_off} ermittelt werden.
Abhängig von der Ansteuerdauer t_i können dem Kraftstoffeinspritzventil auch nur Teile des dargestellten Ansteuerprofils vorgegeben werden, wobei bei jeder Art der Ansteuerung eine Boostspannung U_boost angelegt werden kann, um einen Booststrom I_boost.zu erzeugen und das Kraftstoffeinspritzventil zu öffnen. Ebenso findet der Abschaltvorgang des Kraftstoffeinspritzventils bei jeder Ansteuerung statt.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Adaption eines Kondensatormodells anhand eines Flussdiagramms.
Zu Beginn wird in einem Schritt S200 ein Wert der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers an einem Ansteuerbeginn einer nachfolgenden Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils modelliert (zweiter modellierter Wert der Ausgangsspannung). Ist dieser zweite modellierte Wert der Ausgangsspannung U_{boost_2} kleiner als ein Schwellwert U_threshold, so wird im nachfolgenden Schritt S201 ein Wert der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers an einem Ansteuerende der nachfolgenden Ansteuerung modelliert (erster modellierter Wert der Ausgangsspannung). Anderenfalls erfolgt weiterhin die übliche Vorausberechnung der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers durch das Kondensatormodell an dem jeweils nachfolgenden Ansteuerbeginn (Schritt 200).
In Schritt S202 wird die Abschaltspannung am Ansteuerende der nachfolgenden Ansteuerung ermittelt, z.B. gemessen. Diese entspricht der negativen Boostspannung zum Ansteuerbeginn und kann daher zur Ermittlung der Abschaltspannung des Gleichspannungswandlers verwendet werden. Somit liegt nun ein erster modellierter Ausgangsspannungswert und ein erster ermittelter/gemessener Ausgangsspannungswert des Gleichspannungswandlers vor. Anhand eines Vergleichs der beiden Werte wird in Schritt S203 ein Adaptionswert berechnet.
Die Schritte S201 bis S203 werden für eine Anzahl n_{adap_s} nachfolgender Ansteuerungen wiederholt. Ist die Anzahl der Wiederholungen n_adap größer als n_{adap_s}, so werden in Schritt S205 die berechneten Adaptionswerte gemittelt und das Kondensatormodell wird mittels des gemittelten Adaptionswerts angepasst. Insbesondere wird ein vorbestimmter Kapazitätswert des Kondensatormodells mittels des berechneten gemittelten Adaptionswerts angepasst. Danach wird die Adaption beendet.
3 zeigt schematisch ein Kondensatormodell, bei dem die Erfindung verwendet werden kann. Das Kondensatormodell 10 ist in einer Recheneinheit 100 implementiert, die zweckmäßigerweise das Motorsteuergerät ist. Das Motorsteuergerät 100 ist mit einer Anzahl Kraftstoffeinspritzventile bzw. Injektoren 120 eines Verbrennungsmotors 130 verbunden, um diese anzusteuern, d.h. zu öffnen und zu schließen. Dazu weist das Motorsteuergerät 100 u.a. elektrische Leistungsmittel 110 umfassend eine oder mehrere Endstufe(n), Gleichspannungswandler und Boostkondensator(en) auf. Der oder die Gleichspannungswandler ist bzw. sind zweckmäßigerweise ein Hochsetzsteller (Boost Converter) und weisen den bzw. die Boostkondensator(en) als Ausgangskondensator(en) auf.
Das Kondensatormodell kann insbesondere die aktuell im Ausgangskondensator des Gleichspannungswandlers gespeicherte Energie mittels einer Bilanzierung der zu- und abgeführten Energien bestimmen/modellieren/prädizieren. Dabei enthält das Kondensatormodell vorzugsweise die nachfolgend beschriebenen Annahmen/Modellvorstellungen.
Der modellierte Ausgangskondensator 10 ist symbolhaft durch zwei parallele Platten 10a dargestellt und beinhaltet zu einem beliebigen Zeitpunkt die Energie Ec.
Dem Ausgangskondensator wird während der Boostdauer zur Betätigung mindestens eines Kraftstoffeinspritzventils die Boostenergie E_boost entnommen.
Nach dem Einschalten des Gleichspannungswandlers, das noch während der Boostdauer oder direkt danach erfolgen kann, wird diesem die Nachladungsenergie E_DC aus dem Gleichspannungswandler zugeführt. Die Nachladungsenergie E_DC kann dem Ausgangskondensator so lange zugeführt werden, bis eine Soll-Ausgangsspannung am Gleichspannungswandler vorliegt und/oder bis zu einem Ansteuerbeginn einer nachfolgenden Einspritzung.
Als weitere Energiezufuhr kann in der Energiebilanz eine Abschaltenergie E_{inj_off} des Kraftstoffeinspritzventils berücksichtigt werden. Der aufgrund des Abschaltvorgangs fließende Strom kann zurück in den Ausgangskondensator geleitet und somit als dem Kondensator zugeführte Energie in der Bilanz berücksichtigt werden.
Zur Prädiktion der zur Verfügung stehenden Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers für eine zukünftige Einspritzung wird die aktuell vorliegende Energie im Ausgangskondensator z.B. gemäß Gleichung (2) berechnet. Des Weiteren können die Boostenergie, die Nachladungsenergie und die Abschaltenergie beispielsweise anhand eines vorbestimmtes Ansteuerprofils vorausberechnet werden.
Durch Subtraktion der prädizierten Boostenergie E_boost und Addition der prädizierten Nachladungs- und Abschaltenergien E_DC, E_{inj_off} von der aktuell gespeicherten Energie Ec kann eine im Ausgangskondensator gespeicherte Energie Ec zu einem zukünftigen Zeitpunkt ermittelt werden, aus der dann z.B. mittels Gleichung (2) die prädizierte Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers ermittelt werden kann.
Dies ermöglicht es geeigneten Anpassungen der Einspritzparameter vorzunehmen, wenn eine reduzierte Ausgangsspannung prädiziert wird. Durch diese Anpassungen kann die Genauigkeit der Vorsteuerung der Kraftstoffeinspritzung deutlich verbessert werden.
Die Genauigkeit des Kondensatormodells ist dabei insbesondere von einem korrekten Wert für die Kapazität des Kondensators 10 abhängig. Diese unterliegt über der Lebensdauer des Motorsteuergeräts einem Alterungsprozess und verändert dabei seine Kapazität.
Um die Genauigkeit des Kondensatormodells dauerhaft aufrechtzuerhalten, wird daher die Kapazität des Ausgangskondensators 10 über der Zeit angepasst/ adaptiert. Dazu wird ein Ausgangsspannungswert des Gleichspannungswandlers anhand einer gemessenen Spannung des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils ermittelt und mit einem zum selben Zeitpunkt modellierten Ausgangsspannungswert verglichen. Basierend auf diesem Vergleich wird ein Adaptionswert berechnet, anhand dessen das Kondensatormodell angepasst wird.
Mit dem berechneten Adaptionswert wird insbesondere ein vorbestimmter Kapazitätswert des Kondensatormodells angepasst. Dazu kann beispielsweise ein Adaptionsfaktor gemäß der Gleichung (6) bestimmt werden, mit dem der vorbestimmter Kapazitätswert multipliziert werden kann. Dadurch kann die modellierte Ausgangsspannung in regelmäßigen Abständen an eine gemessene Ausgangsspannung angepasst werden und somit der Alterung des Kondensators Rechnung getragen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19813138 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Adaption eines Kondensatormodells für einen Ausgangskondensator (10) eines Gleichspannungswandlers (110), der elektrische Energie zur Betätigung mindestens eines Kraftstoffeinspritzventils (120) bereitstellt, umfassend die Schritte: (1) Modellieren eines ersten Werts der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (110) mittels des Kondensatormodells, (2) Ermitteln des ersten Werts der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (110) anhand einer gemessenen Spannung des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils; (3) Berechnen eines Adaptionswerts basierend auf einem Vergleich des ersten modellierten Ausgangsspannungswerts mit dem ersten ermittelten Ausgangsspannungswert des Gleichspannungswandlers (110); und (4) Anpassen des Kondensatormodells mittels des berechneten Adaptionswerts.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte (1) bis (4) ausgeführt werden, wenn ein zweiter modellierter Wert der Ausgangsspannung kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schritte (1) bis (3) in einer Vielzahl von Ansteuerungen des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils (120) ausgeführt werden und das Kondensatormodell mittels eines Rechenwerts der berechneten Adaptionswerte angepasst wird .
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die gemessene Spannung eine Abschaltspannung ist, die an einem Ansteuerende einer Ansteuerung des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils (120) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein vorbestimmter Kapazitätswert des Kondensatormodells (10) mittels des berechneten Adaptionswerts angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Adaptionswert einen Quotienten aus einer Differenz zwischen dem ersten modellierten Ausgangsspannungswert und einem Sollwert der Ausgangsspannung, und einer Differenz zwischen dem ersten ermittelten Ausgangsspannungswert und dem Sollwert der Ausgangsspannung umfasst.
Recheneinheit (100), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Kraftstoffeinspritzsystem umfassend mindestens ein Kraftstoffeinspritzventil (120), mindestens einen Gleichspannungswandler (110) und eine Recheneinheit (100) nach Anspruch 7.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 9.