DE19727765C2

DE19727765C2 - Kraftstoffeinspritzsystem und Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung eines Innenverbrennungsmotors

Info

Publication number: DE19727765C2
Application number: DE19727765A
Authority: DE
Inventors: Gregory Weber; James H Ross; Michael J Ruth; Prakash Bedapudi; David A Bolis; Stephen M Holl; Keith L Musser; Daniel D Wilhelm; David A Olson; Jeffrey P Seger
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1996-07-01
Filing date: 1997-07-01
Publication date: 2002-02-07
Anticipated expiration: 2017-07-02
Also published as: GB2314946B; DE19727765A1; GB9712941D0; CN1079493C; GB2314946A; US5771861A; JP3377409B2; JPH1068349A; CN1180788A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem und ein Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung eines Innenverbrennungsmotors. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftstoffsteuersystem, das mit existierenden Motorsteuerarchitekturen vereinbar ist und das Kraftstoffeinspritzvolumen unter Verwendung einer Verstärkungsumschaltung steuert, um eine stabile und dennoch gut ansprechende Steuerung bzw. Regelung des Krafttstoffflusses zur Verfügung zu stellen.

Generell sind Innenverbrennungsmotoren mit Kraftstoffeinspritzvorrichtungen gut bekannt. Bei solchen Motoren sind die genaue Menge an einzuspritzendem Kraftstoff und das Timing bzw. die Zeitpunkteinstellung für die Kraftstoffeinspritzung bezüglich der Position der Motorkolben entscheidende Bestimmungsgrößen bei der Steuerung jedes Kraftstoffeinspritzsystems. Folglich ist es wichtig, die Zeitpunkteinstellung der Kraftstoffeinspritzung zu steuern. Es ist entsprechend wichtig, die Menge an eingespritztem Kraftstoff genau zu steuern. Die vorliegende Erfindung sieht ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zur Steuerung der Menge an Kraftstoff, die in jeden Zylinder eingespritzt wird, vor.

Viele konventionelle Steuersysteme für elektrische Kraftstoffinjektoren schalten den Kraftstoffinjektor an und aus durch Beaufschlagung desselben mit elektrischen Pulsen, die eine vorbestimmte Pulsbreite aufweisen. Bei solchen Systemen wird die Pulsbreite auf der Basis der Motorrotationsgeschwindigkeit, des Einlaßkrümmerdrucks, der Kraftstofftemperatur und anderer Parameter des Motorzustands bestimmt. Die be stimmte Pulsbreite korrespondiert zu der exakten Menge an Kraftstoff, die für den un ter den detektierten Bedingungen arbeitenden Motor erforderlich ist. Solche Systeme können Gleichungen verwenden oder Ziel- bzw. Sollwerte in einer Nachschlagetabelle benutzen, die die Motorsignale in projizierte Kraftstoffeinspritzantriebsdaten übersetzt. Eine Rückkopplung wird dann dadurch bereitgestellt, daß die projizierten Kraftstoffeinspritzdaten mit den aktuellen Kraftstoffeinspritzdaten verglichen werden, um eine Anpassung der Kraftstoffzuführung zu unterstützen, um den Kraftstoff bedarf des Motors zu decken. Mit der Zeit ändern eine Verschlechterung und Abnut zung die Kraftstoffbedarfseigenschaften des Motors. Bei einem gegebenen Satz von Betriebsbedingungen kann daher eine größere oder kleinere Menge an Kraftstoff als diejenige erforderlich sein, die unter identischen Bedingungen erforderlich ist, wenn der Motor neu ist. Außerdem können eine Abnutzung des Kraftstoff-(Zuführ)-Systems und sich verschlechternde Komponenten die Menge an bei einer bestimmten Kraftstoffinjektoreinstellung zugeführtem Kraftstoff ändern. Daher gestattet eine rückgekoppelte Steuerung bzw. Regelung des Kraftstoffinjektorsteuersystems diese Änderungen im Echtzeitbetrieb bzw. Echtzeitmodus zu kompensieren.

Ein derartiges Kraftstoffzuführsystem, das eine rückgekoppelte Steuerung verwen det, ist in der US 5,237,975 A offenbart. Systeme dieser Art steuern die Menge des an den jeweiligen Zylindern zugeführten Kraftstoffes primär durch Variierung der Zeitpunkteinstel lung der Injektorbetätigung. Die Druckschrift offenbart weiter ein rückgekoppeltes Steuerverfahren zur Beibehaltung eines konstanten Ziel- bzw. Solldruckes in der zu den Injektoren führenden Kraftstoffleitung. Dieses Steuerverfahren paßt tatsächlich den aktuellen Differenzdruck zwischen dem Eingangskrümmer und der Kraft stoff(sammel)leitung auf einen gewünschten Differenzdruck an, wodurch ein konstanter Kraftstoffleitungsdruck beibehalten wird.

Die Anmelderin hat ein Druck-Zeit-(PT)-Kraftstoffeinspritzsystem entwickelt, das den Kraftstoffleitungsdruck ändert, um die Menge an in die Dosierkammer des Injektors dosiertem Kraftstoff zu steuern. Die Zeitpunkteinstellung bzw. das Timing des Öff nens eines Einlaßkanals zu der Injektordosierkammer wird durch die Bewegung eines Injektorplungerkolbens gesteuert. Diese zeitliche Steuerung des Öffnens beeinflußt die Menge an dosiertem bzw. zugemessenem Kraftstoff jedoch nur sekundär. Der Druck in der Kraftstoffleitung ist die primäre Bestimmungsgröße für die Menge an eingespritztem Kraftstoff.

Bei Systemen dieses Typs wurde erkannt, daß eine rückgekoppelte Steuerung des Kraftstoffflusses zu den Kraftstoffinjektoren unter Verwendung des gewünschten Kraftstoffleitungsdrucks als Ziel- bzw. Sollgröße viele Nachteile aufweist. Erstens wird der Fluß an Kraftstoff in die Leitung durch an ein Betätigungsorgan, wie ein Magnetventil, ausgegebene Signale gesteuert. Jedes Betätigungsorgan hat, wenn es in einen Motor eingebaut ist, etwas unterschiedliche funktionale Eigenschaften auf grund von Variationen in dem durch Betätigungsspulen erzeugten Feld und auf grund anderer durch Herstellungstoleranzen bedingter Variationen. So wird eine glei che, zwei verschiedenen Betätigungsorganen zugeführte Menge an Strom generell zu verschiedenen Mengen an eingespritztem Kraftstoff führen. Daher kann eine von der Rückkopplungsschleife durch Vergleich des aktuellen Differenzdrucks mit dem gewünschten Differenzdruck bestimmte Abweichung in Abhängigkeit vom Betäti gungsorgan variieren.

Es wurde auch festgestellt, daß eine druckabhängige Steuerung extrem empfindlich für Änderungen des Betätigungsorgans ist, da der Druck nichtlinear mit dem dem Be tätigungsorgan zugeführten elektronischen Kraftstoffsteuersignal zusammenhängt. Dieser nichtlineare Zusammenhang resultiert darin, daß der Betrieb einer Kraftstoff steuereinheit mit geschlossenem Regelkreis von den sich ändernden Druckmessun gen abhängig ist, wodurch eine instabile Kraftstoffsteuerung bei Druckänderungen verursacht wird. Die Verwendung der Drucksteuerung erfordert auch zwei Umwand lungstabellen. Der vorausgesagte Kraftstofffluß muß in einen Druckwert umgewan delt werden, um die Druckvergleiche zur Steuerung ausführen zu können, und der Druckwert muß dann in einen elektrischen Strom konvertiert werden, um die Kraft stoffsteuereinheit zu betätigen bzw. ein Betätigungsorgan anzusteuern. Da die Kom bination dieser Abbildungen für stabile Verstärkungsfestlegungen linear sein muß, müssen die Umwandlungen zusammen sorgfältig kalibriert werden, damit ein linearer Zusammenhang erhalten wird. Wenn die Kalibrierung die zwei Abbildungen nicht richtig harmonisiert, wird ein fehlerhaftes Verhalten resultieren und die Geschwindig keitsstabilität kann nachteilig beeinflußt werden. Daher wurde festgestellt, daß bei solchen Systemen ein Bedarf für ein neues Kraftstoffsteuerverfahren basierend auf ei nem Kraftstoffsteuersignal, das linearer von einer Steuervariablen, wie der Menge an eingespritztem Kraftstoff, abhängt, besteht.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffsteuersystemen werden generell entweder die Motorgeschwindigkeit oder eine Gaspedalstellung (ein Drehmoment) zur Bestimmung des gewünschten Kraftstoffeinspritivolumens verwendet. Wenn die Kraftstoffzuführung unter Verwendung der Motorgeschwindigkeit gesteuert wird, muß die Druckrückkopplungssteuereinheit eine niedrige Verstärkung aufweisen, da sonst die Rückkopplungsschleife destabilisiert werden wird und die Geschwindig keitsstabilität nachteilig beeinflußt werden kann. Wenn die Verstärkung jedoch zu niedrig ist, spricht das Kraftstoffsteuersystem nicht genau auf Änderungen bzw. Übergänge an. Dementsprechend wurde festgestellt, daß ein Bedarf für eine Steu ereinheit besteht, die angepaßte Verstärkungslevel sowohl für einen Geschwindigkeitssteuer modus als auch für einen Drehmomentsteuermodus zur Verfügung stellen kann.

Allgemein ausgedrückt besteht offensichtlich ein Bedarf an einem Kraftstoffsteuersy stem, das eine stabile, effektiv rückgekoppelte Steuerung des Druckes in der Kraft stoffleitung bereitstellt, um dadurch die Rate der Kraftstoffeinspritzung bzw. die Kraftstoffeinspritzmenge zu steuern. Weiter besteht ein Bedarf an einem Kraftstoff steuersystem, das zwischen die Verstärkung bestimmenden Modi umschalten kann, um eine stabilere und robustere Kraftstoffsteuerung zu erhalten.

Die US 5,237,975 A offenbart ein Kraftstoffeinspritzsystem für einen Innenverbren nungsmotor mit einer Sammelleitung, an die eine Vielzahl von Kraftstoffinjektoren angeschlossen ist. Die Sammelleitung wird durch eine Kraftstoffpumpe direkt - also ohne Zwischenschaltung eines Ventils o. dgl. - mit Hochdruckkraftstoff versorgt. Der Druck in der Kraftstoffsammelleitung wird auf einen möglichst konstanten Wert gere gelt. Hierzu wird der Differenzdruck zwischen dem Kraftstoffdruck in der Sammel leitung und einem Ansaugkrümmer erfaßt und mit einem gewünschten Kraftstoffdruck verglichen. Abhängig davon wird, insbesondere mittels eines Proportional-Integral- Reglers, der Antrieb der Kraftstoffpumpe derart geregelt, daß sich der gewünschte Kraftstoffdruck in der Sammelleitung einstellt. Der Druck in der Sammelleitung wird also auf einen möglichst konstanten Wert bzw. möglichst konstanten Differenzdruck geregelt.

Die DE 31 22 553 A1 offenbart ein Kraftstoffeinspritzsystem, bei dem mehrere Kraft stoffinjektoren jeweils über ein separates Druckregelventil an eine Förderpumpe ange schlossen sind. In jedem Kraftstoffinjektor werden der Kraftstoffeinspritzdruck und der Öffnungshub eines Nadelventils mittels Sensoren erfaßt. Eine Regeleinrichtung wertete die Meßsignale aus und steuert die Druckregelventile derart, daß ein ge wünschter Einspritzdruck in den Kraftstoffinjektoren erreicht wird. Der Kraffstoffein spritzdruck wird also auf einen gewünschten Sollwert geregelt. Die Kraftstoffein spritzmenge wird dann durch Variation des Einspritzbeginns und der Einspritzdauer geregelt. Eine auch bei Ausfall der Rückkopplung arbeitende Vorsteuerung ist nicht vorgesehen.

Die DE 41 05 740 A1 betrifft eine Regeleinrichtung für ein Kraftstoffeinspritzsystem. Die Regeleinrichtung weist einen Proportional-Integral-Regler auf. Ferner ist auch eine Vorsteuerung vorgesehen, die auch bei Ausfall des Reglers arbeitet. Die Re geleinrichtung ist insbesondere zur Regelung des Einspritzbeginns vorgesehen, jedoch nicht zur Regelung einer Kraftstoffeinspritzmenge bzw. -zuführmenge bei variablem Kraftstoffdruck in einer gemeinsamen Kraftstoffleitung.

Die DE 37 04 942 A1 betrifft ein Verfahren zum Dosieren von Brennstoff für eine Gemisch verdichtende Brennkraftmaschine. Der Druck in einer Kraftstoffzuführung wird auf einen Sollwert geregelt. Die Druckschrift offenbart weder ein Kraftstoffein spritzsystem mit Kraftstoffinjektoren zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume eines Innenverbrennungsmotors noch eine Kraftstoffmengenregelung bei variablem Kraftstoffdruck.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffeinspritzsystem für einen Innenverbrennungsmotor und ein Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffein spritzung zu schaffen, die eine stabile, gut ansprechende Steuerung bzw. Regelung der zugeführten bzw. eingespritzten Kraftstoffmenge ermöglichen, wobei die Steuerung insbesondere mit üblichen, bei einer Vielzahl von Innenverbrennungsmotoren einge setzten Steueraufbauten kompatibel und gegenüber Abweichungen der Betriebseigen schaften von Komponenten des Innenverbrennungsmotors tolerant ist.

Die vorgenannte Aufgabe wird durch ein Kraftstoffeinspritzsystem gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Vorzugsweise detektiert ein elektronisches Steuermodul (ECM) eines Motors Motor betriebsparameter, wie die Motorgeschwindigkeit, eine Stellung des Gaspedals, die Temperatur u. dgl., um eine gewünschte Kraftstoffflußrate bzw. Kraftstoffeinspritz menge bei herrschenden Betriebsbedingungen zu bestimmen. Das Signal für die ge wünschte Kraftstoffzufuhr wird dann in einen Schätzwert des einem Betätigungsorgan zuzuführenden Stroms unter Verwendung einer "Kraftstoff zu Strom"-Tabelle in einer mitgekoppelten Anordnung bzw. Steuerung umgewandelt.

Der Betätigungsstrom steuert das Betätigungsorgan bzw. ein Betätigungssteuerventil, um die gewünschte Menge an Kraftstoff in eine Kraftstoff(sammel)leitung einzu spritzen bzw. einströmen zu lassen. Der angelegte Betätigungsstrom wird weiter unter Verwendung eines Proportional-Integral-Reglers (PI-Reglers) bzw. einer proportional und integral rückgekoppelten Kraftstoffsteuereinheit angepaßt, dessen bzw. deren Ausgangssignal mit dem mitgekoppelten Schätzwert kombiniert wird, um das gewünschte Kraftstoffflußratenziel bzw. den gewünschten Kraftstoffflußratensoll wert zu erreichen. Der Differenzdruck zwischen der Kraftstoff(sammel)leitung und ei nem Ansaug- bzw. Einlaßkrümmer wird erfaßt und in einen korrespondierenden, de dektierten Kraftstoffflußwert unter Verwendung einer in der ECM gespeicherten "Druck zu Kraftstofffluß"-Nachschlagetabelle konvertiert. Ein Komparator bestimmt die Differenz zwischen dem detektierten Kraftstoffflußwert und dem gewünschten Kraftstofffluß, und diese Differenz wird als ein Fehlersignal dem PI-Regler zugeführt. Der PI-Regler erzeugt ein Korrekturstromsignal, das mit dem geschätzten Stromsignal (von der mitgekoppelten Schaltung) kombiniert wird, um das Betätigungsorgan zu steuern bzw. anzusteuern. Die rückgekoppelte Steuereinheit bzw. der PI-Regler schaltet vorzugsweise zwischen zumindest zwei verschiedenen Verstärkungsfestle gungsmoden um, wobei ein Modus einen aggressiven Satz von Verstärkungsfaktoren und der andere Modus einen weniger aggressiven Satz von Verstärkungsfaktoren aufweist. Vorzugsweise wird die höhere Verstärkung verwendet, wenn das Kraft stoffflußsteuersystem das Drehmoment verwendet, um den Motorbetrieb zu steuern, und der weniger aggressive Modus wird verwendet, wenn die Motorgeschwindig keit als Basis zur Steuerung des Motors dient.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß ein verbessertes Kraftstofffluß steuersystem zur Verfügung gestellt wird, das eine rückgekoppelte Steuerung einer Rate der Kraftstoffeinspritzung in den Zylindern vorsieht, um eine Ziel- bzw. Sollrate zu erreichen.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß ein Kraftstoffflußsteu ersystem bereitgestellt wird, das verschiedene Verstärkungsfaktoren für verschiedene Modi des Motorbetriebs vorsieht, wobei insbesondere eine relativ niedrige Verstär kung bei einem Geschwindigkeitssteuermodus und eine aggressivere bzw. höhere Verstärkung bei einem Drehmomentsteuermodus vorgesehen ist. Vorzugsweise wer den dementsprechend sowohl die den integralen Anteil und/oder die den proportio nalen Anteil betreffende Verstärkung bei einem PI-Regler im Regelkreis in Abhängig keit vom Betriebsmodus des Motors geändert.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß ein Kraftstofffluß steuersystem für einen Innenverbrennungsmotor bereitgestellt wird, bei dem das elek trische Kraftstoffsteuersignal linear mit der Menge an zu den Kraftstoffinjektoren flie ßendem Kraftstoff in Zusammenhang steht.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß ein Kraftstoffzuführ steuersystem zur Verfügung gestellt wird, bei dem der Kraftstofffluß reguliert wird, in dem eine erfaßte Kraftstoffeinspritzrate auf eine gewünschte Einspritzrate unter Ver wendung einer rückgekoppelten Steuerschleife zur Übereinstimmung gebracht wird.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß ein Kraftstoffflußsteu ersystem zur Verfügung gestellt wird, bei dem die Verstärkung der Kraftstoffsteuer einheit durch Umschalten zwischen verschiedenen Steuermodi, die zur Bestimmung des Kraftstoffflusses in den Motor verwendet werden, bestimmt wird.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnung eines bevorzug ten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Zustandsdiagramm, das das Umschalten zwischen einem Motorge schwindigkeitssteuer- und einem Drehmomentsteuermodus gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt,

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform einer Steuer schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Motors, von Kraftstoffzuführorganen und Sen soren, die durch die Schaltung nach Fig. 2 gesteuert werden,

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Leitungskompensators, der in der Schaltung nach Fig. 2 verwendet wird, und

Fig. 5 ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines PI-Reg lers, der in Fig. 2 gezeigt ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft generell ein Kraftstoffeinspritzsystem und ein Ver fahren zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung eines Innenverbrennungsmotors durch direktes Steuern der Kraftstoffzumeßrate bzw. -menge unter Verwendung einer Mitkopplungs/Rückkopplungs-Steuereinheit. Die Zumeßratensteuerung bzw. Men gensteuerung wird verwendet, um einen Kraftstoffsammelleitungsdruck zu variieren, um eine gewünschte Menge an Kraftstoff bei jedem Zyklus Dosierkammern von Kraftstoffinjektoren des Motors zuzuführen. Der Druck in der Kraftstoffsammellei tung ist die primäre Bestimmungsgröße für die Menge an eingespritztem Kraftstoff, wobei die Rückkopplungs-Steuereinheit aber die Volumenrate bzw. die Volumen menge der Einspritzung auf einen gewünschten Wert steuert, anstatt einen ge wünschten Druck in der Kraftstoffsammelleitung zu etablieren.

Der Motor wird vorzugsweise durch ein elektronisches Steuermodul (ECM) gesteuert, das die gewünschten Kraftstoffraten bzw. -mengen basierend auf einer Gaspedal stellung, der Motorgeschwindigkeit, einer Leerlaufgeschwindigkeitsregeleinstellung und einer Regeleinstellung für die maximale Drehzahl und anderen Faktoren be stimmt. Aus Gründen, die später detaillierter beschrieben werden, wurde festgestellt, daß es wünschenswert ist, mehrere Betriebsmodi für die Motorkraftstoffsteuerung zu definieren. Es wird ersichtlich werden, daß die programmierte Wirkungsweise bzw. Funktion des Kraftstoffsteuersystems in Abhängigkeit von dem vorherrschenden Be triebsmodus des Motors variiert.

Fig. 1 ist ein Statusübergangsdiagramm, das die Betriebsmodi des elektronischen Steuermoduls der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie nachfolgend detaillierter erläu tert werden wird, wird der Betriebsstatus des elektronischen Steuermoduls verwendet, um Verstärkungseinstellungen bei der Kraftstoffsteuereinheit festzulegen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, weist das bei der vorliegenden Erfindung verwendete Motor steuersystem vorzugsweise sechs Zustände auf einen Anlaßdiagnosezustand 100, ei nen Startzustand 102, einen Stoppzustand 104, einen Geschwindigkeitssteuerzustand 106, einen Drehmomentsteuerzustand 108 und einen Abschaltzustand 110. Der Steu eralgorithmus zur Bestimmung des Betriebszustandes des Kraftstoffsteuersystems ist in einem Speicher der ECM gespeichert und wird durch einen Mikroprozessor oder einen ähnlichen Mikrocontroller in der ECM ausgeführt.

Der Steueralgorithmus hat eine Vielzahl von Eingangsvariablen zur Bestimmung des Betriebszustands des Kraftstoffsteuersystems: den endgültigen Kraftstoffzuführwert, die mittlere Motorgeschwindigkeit, den Kraftstoffzuführungs-Steuerzustand, die mi nimale Kraftstoffzuführung und Motordiagnosen. Der Anlaßdiagnosezustand 100 wird nach Einschalten der Energieversorgung der ECM ausgeführt. Der Startzustand 102 wird ausgeführt, wenn sich der Kraftstoffzuführungssteuerzustand in einem An laß- bzw. Drehzustand befindet. Der Abschaltzustand 110 wird aktiviert, wenn der Motor abgeschaltet wird, jedoch noch nicht angehalten hat, während der Stoppzu stand 104 aktiv ist, wenn der Motor angehalten hat. Der Geschwindigkeitssteuerzu stand 106 wird durch das Kraftstoffsteuersystem ausgeführt, wenn die Kraftstoffzu führung durch einen Motorgeschwindigkeitsregler gesteuert wird, wie einen Leer laufgeschwindigkeitsregler oder einen Regler für die maximale Drehzahl. Der Dreh momentsteuerzustand 108 wird ausgeführt, wenn die Kraftstoffzuführung durch et was anderes als den Geschwindigkeitsregler, wie ein Gaspedal, ein AFC (eine Luft/ Kraftstoff-Steuerung) oder eine Drehmomentkurve, gesteuert wird. Daher sind, anders als wenn der Motor gestoppt und, gestartet wird, die beiden Betriebszustände des Kraftstoffsteuersystems, die die Verstärkungseinstellung der Kraftstoffsteuereinrich tung festlegen, der Geschwindigkeitssteuerzustand 106 und der Drehmomentsteuer zustand 108.

Das Kraftstoffsteuersystem umfaßt einen Timer bzw. eine Zeitmeßeinrichtung, um fest zustellen, wenn der Übergang zu dem Anlaßdiagnosezustand 100 (durch einen Über gang G in Fig. 1 gekennzeichnet) auszuführen ist. Die Zeitmeßeinrichtung wird beim Anlassen gestartet und inkrementiert weiter, bis sie ein oberes Kalibrationszeitlimit er reicht, zu welchem Zeitpunkt ihr Ausgangssignal eingefroren bzw. konstantgehalten wird. Wenn die Diagnosen noch nicht ausgeführt worden sind, dann wird der An laßdiagnosezustand aktiviert. Nachdem die Anlaßdiagnosen durchgeführt worden sind, was durch die Motordiagnoseeingabevariablen angezeigt wird, die einen "fertig zum Starten"-Anzeigewert geben, wird das Kraftstoffsteuersystem in den Stoppstatus 104 in einem Übergang H umgeschaltet.

Nachdem sich der Motor in einem Drehzustand befindet und die Anlaßdiagnosen vollendet worden sind oder wenn der Motor bereits läuft, wird der Startzustand 102 in dem Kraftstoffsteuersystem in einem Übergang F aktiviert. Wenn der Motorge schwindigkeitsregler die Kraftstoffzuführung steuert und die endgültige Kraftstoffzu führung größer als eine vorbestimmte minimale Kraftstoffzufuhr ist, wird das Kraft stoffsteuersystem in den Geschwindigkeitssteuerzustand 106 in einem Übergang A umgeschaltet.

Wenn sich der Kraftstoffzuführungssteuerzustand nicht in einem Drehzustand befin det und die Motorgeschwindigkeitsregler den Motorbetrieb nicht steuern, dann wird das Kraftstoffsteuersystem in den Drehmomentsteuerzustand 108 in einem Übergang B umschalten. Das Kraftstoffsteuersystem wird auch in den Drehmomentsteuerzu stand 108 in einen Übergang B umschalten, wenn der endgültige Kraftstoffzufüh rungseingabewert dem minimalen Kraftstoffzuführungseingabewert entspricht. In ei nem Übergang C wird das Kraftstoffsteuersystem zurück in den Startzustand 102 schalten, immer dann, wenn der Kraftstoffzuführungssteuerzustand dem Kraftstoffzu führungsdrehzustand entspricht. Wenn ein Abschalten des Motors initiiert worden ist, wird das Kraftstoffsteuersystem in den Abschaltzustand 110 in einem Übergang D umschalten. Wenn der Motor vollständig angehalten hat, wird das Kraftstoffsteuersy stem in den Stoppzustand 104 in einem Übergang E umschalten.

In Fig. 2 ist ein Kraftstoffsteuersystem 200 dargestellt, das die Rate bzw. Menge an in einen Innenverbrennungsmotor einzuspritzendem Kraftstoff steuert. Die Komponen ten des Kraftstoffsteuersystems 200 umfassen eine "Kraftstoff zu Strom"-Tabelle 202, einen Leitungskompensator 204, einen Addierer 206, einen Proportional-Integral- Regler (PI-Regler) 208, einen Addierer 210, eine Stromsteuerung 212, einen Fehler kompensationsschalter 214, eine "Druck zu Kraftstoff"-Tabelle 216, einen Addierer 218 und eine Druckanpassung 220. Das Kraftstoffzuführsystem bzw. -steuersystem 200 ist mit einem elektronischen Steuermodul 222 verbunden und erhält von diesem ein Kraftstoffsignal 226. Das Kraftstoffsteuersystem 200 ist so angeschlossen, daß es eine rückgekoppelte Steuerung bzw. Regelung für einen Motor 224 bildet.

Das elektronische Steuermodul 222 führt die konventionellen Funktionen aus, wobei durch Sensoren der Motor überwacht und der Betrieb gesteuert wird, die Geschwin digkeit geregelt wird, Pedalsignale aufgenommen werden, passende Betriebsparame ter unter Verwendung programmierter Algorithmen berechnet werden und Steuerausgangssignale erzeugt werden, um einen gewünschten Motorbetrieb über einen Bereich von Betriebsbedingungen bzw. Betriebszuständen zu erreichen. Das we sentliche Ausgangssignal des elektronischen Steuermoduls 222 bezüglich der Kraft stoffsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Kraftstoffsignal (Kraftstoff mengeneinspritzsignal) 226; die anderen, üblichen Steuerausgangssignale und Ein gangssignale des elektronischen Steuermoduls 222 sind in der Zeichnung wegge lassen.

Das elektronische Steuermodul 222 stellt das Kraftstoffsignal 226 als eine gewünsch te Kraftstoffrate bzw. -menge in Einheiten von Kubikmillimetern an in jeden Zylinder bei einem Einspritzvorgang einzuspritzendem Kraftstoff zur Verfügung. Das vor schlagsgemäße Kraftstoffsteuersystem 200 weicht von einem üblichen Kraftstoff steuersystem dadurch ab, daß anstatt einer Konvertierung dieser gewünschten Kraft stoffmenge in einen Druck und Steuerung, um diesen Druck zu erhalten, das Kraft stoffsteuersystem 200 die gewünschte Kraftstoffmenge direkt als ein Steuerziel bzw. unmittelbar als Sollwert verwendet. Das Kraftstoffsteuersystem 200 steuert dann ge nau die Kraftstoffeinspritzung, in den Motor 224, um das spezifizierte Kraftstoffsi gnalziel zu erreichen.

Zur Veranschaulichung werden die Komponenten des Kraftstoffsteuersystems 200 in diskreter Form dargestellt. Jedoch werden gemäß der bevorzugten Ausführungsform die Funktionen des Kraftstoffsteuersystems 200, wie unten beschrieben, in Firmware bzw. als vom Hersteller in Festwertspeichern installierte Software als Teil des elek tronischen Steuermoduls 222 verwirklicht.

Fig. 3 zeigt die Merkmale bzw. Komponenten des Motors 224, die an das Kraftstoff steuersystem 200 angeschlossen sind. Wie in Fig. 3 gezeigt, umfaßt der Motor 224 eine Vielzahl von Brennkammern 302, die jeweils mit einem Einlaßventil 304 und ei nem Kraftstoffinjektor 306 versehen sind. Das Einlaßventil 304 ist mit einem Mo toreinlaßkrümmer 324 verbunden, der mit einem Einlaßkrümmersensor 326 versehen ist. Der Kraftstoffinjektor 306 kann z. B. ein Hochdruckinjektor mit offener Düse sein. Jeder der Vielzahl von Kraftstoffinjektoren 306 ist an eine gemeinsame Kraft stoffleitung (Sammelleitung) 308 angeschlossen. Ein unterer Plungerkolben 310 und ein oberer Plungerkolben 312 werden gesteuert, um eine Einspritzkammer 314 zur Kraftstoffleitung 308 für eine definierte Zeitdauer mit bestimmtem Timing bzw. mit Einstellung des spezifischen Zeitpunkts während jedes Einspritzzyklus zu öffnen. Die Menge an in die Einspritzkammer 314 bei jedem Einspritzzyklus eintretendem Kraft stoff hängt von der Differenz zwischen dem Druck in der Kraftstoffleitung 308 und dem Gasdruck in der Brennkammer 302 ab, der durch den Einlaßkrümmerdruck be stimmt ist. So kann die Menge an einzuspritzendem bzw. eingespritztem Kraftstoff durch Steuerung des Drucks in der Kraftstoffleitung 308 gesteuert werden.

Der Druck in der Kraftstoffleitung 308 wird durch eine Pumpe 316 mit einem zuge ordneten (nicht dargestellten) Druckregler aufgebaut. Die Pumpe 316 ist von der Kraftstoffleitung 308 durch ein stromgesteuertes, vorzugsweise lineares Betätigungs ventil 318 o. dgl. getrennt, das die Kraftstoffleitung 308 in Abhängigkeit von dem ei nem Anschluß 322 des Ventils 318 zugeführten Strom selektiv unter Druck setzt. Ein Drucksensor 320 ist angeschlossen, um den Druck in der Kraftstoffleitung 308 zu detektieren. Der Anschluß 322 ist angeschlossen, um ein Ausgangssignal der (in Fig. 2 gezeigten) Stromsteuerung 212 aufzunehmen. Ein den detektierten Druck ausgebender Ausgang des Kraftstoffleitungsdrucksensors 320 ist an den positiven Eingang des (in Fig. 2 dargestellten) Addierers 218 angeschlossen, wobei ein den detektierten Einlaß druck ausgebender Ausgang des Einlaßsensors 326 über die (in Fig. 2 dargestellte) Druckanpassung 220 an den negativen Eingang des Addierers 218 angeschlossen ist. Der Motor 224 weist viele andere Komponenten und Sensoren auf, wie einen Motor geschwindigkeitssensor und andere Sensoren, die an das elektronische Steuermodul 222 angeschlossen sind. Diese anderen Komponenten sind üblich und zur Vereinfa chung weggelassen.

Die Mittel zur Verwirklichung der Steuerung der Kraftstoffeinspritzung, um ein be stimmtes Volumen an Kraftstoff den Injektoren 306 für jeden Einspritzvorgang zur Verfügung zu stellen, werden nun im Detail unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird das Kraftstoffsignal 226 zu der "Kraftstoff zu Strom"- Tabelle 202, zu dem Fehlerkompensationsschalter 214 und zu dem Addierer 206 übertragen.

Die "Kraftstoff zu Strom"-Tabelle 202 erzeugt zusammen mit dem nachgeschalteten Leitungskompensator 204 eine als offener Regelkreis mitgekoppelte Schätzung eines passenden Betätigungsstroms zur Erzeugung einer gewünschten Bewegung des vor zugsweise linearen Betätigungsorgans bzw. Betätigungsventils 318, das den Kraft stoffleitungsdruck steuert. Diese Schätzung stellt eine schnelle Antwort zur Verfü gung bzw. spricht schnell an, sie kann jedoch den erforderlichen Strom aufgrund der Drift des Motors und der hydromechanischen Komponenten nicht genau festlegen. Die "Kraftstoff zu Strom"-Tabelle 202 bildet daher die Soll-Kraftstoffzuführung auf einen Soll-Strom ab, der eine Näherung des erforderlichen Stroms darstellt. Insbeson dere erzeugt die "Kraftstoff zu Strom"-Tabelle 202 ein Ausgangssignal in Einheiten des Stroms basierend auf Eingabesignalen von (1) gewünschten Kubikmillimetern an Kraftstoff pro Einspritzvorgang (Kraftstoffsignal 226) und (2) mittlerer Motorge schwindigkeit, die von dem elektronischen Steuermodul 222 erhalten wird. Ein Flä cheninterpolationsalgorithmus wird verwendet, um den Ausgangswert basierend auf den zwei Eingabewerten aus den Tabellenwerten zu bestimmen. Beispielwerte für ei ne "Kraftstoff zu Strom"-Tabelle 202, die für einen Stromerzeugungsmotor des Typs QSK-19 der Anmelderin geeignet ist, sind in Tabelle A gezeigt.

Das Ausgangssignal der "Kraftstoff zu Strom"-Tabelle 202 wird dem Leitungskom pensator 204 zugeführt. Der Leitungskompensator 204 ist ein Digitalfilter, das das generell langsame Ansprechverhalten des Kraftstoffdrucks auf Änderungen des Be tätigungsstroms bei Übergangszuständen kompensiert. Der Leitungskompensator 204 inkrementiert tatsächlich die hochfrequente Antwort des Ausgangssignals der "Kraftstoff zu Strom"-Tabelle 202, indem eine "steady state"-Verstärkung von 1,0 und eine hochfrequente Verstärkung von etwa 2,0 bereitgestellt werden. Wenn die Ände rungsgeschwindigkeit des Kraftstoffzuführsignals groß ist, wird die resultierende Än derung bei der berechneten Stromschätzung größer gemacht. Folglich wird der Stromwert, wenn ein hohes Motordrehmoment gewünscht wird, das Betätigungsor gan über einen Punkt öffnen, der den gewünschten Kraftstoffdruck unter "steady state"-Bedingungen bzw. im stationären Zustand erzeugen würde. Wenn der Kraft stoffleitungsdruck den gewünschten Level erreicht und der Motor sich an seinen neuen Soll-Betriebszustand angepaßt hat, wird der "steady state"-Verstärkungsfaktor bzw. statische Verstärkungsfaktor im Leitungskompensator 204 vorherrschen und das Betätigungsorgan wird seine Öffnung auf einen Punkt reduzieren, der den ge wünschten Kraftstoffdruck im stationären Zustand erzeugt.

Fig. 4 ist ein Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Leitungskompensa tors 204. Wie in Fig. 4 dargestellt, wird das Ausgangssignal der "Kraftstoff zu Strom"- Tabelle 202 dem Leitungskompensator 204 zugeführt und insbesondere einem Inte grator 402 und einem Addierer 404. Der Ausgang des Integrators 402 ist an einen Addierer 406 angeschlossen, dessen Ausgang mit einem Multiplizierer 408 verbun den ist. Der Multiplizierer 408 stellt vorzugsweise eine Hochfrequenzverstärkung von 1,7 zur Verfügung. Der Ausgang des Multiplizierers 408 ist an einen subtrahie renden Eingang eines Addierers 410 angeschlossen.

Der Ausgang des Addierers 410 stellt den Ausgang des Leitungskompensators 204 dar und ist an den (in Fig. 2 gezeigten) Addierer 210 angeschlossen. Der Ausgang des Addierers 410 ist auch an einen Integrator 412 angeschlossen. Der Ausgang des Integrators 412 ist an einen subtrahierenden Eingang dies Addierers 406, einen addi tiven Eingang des Addierers 410 und einen subtrahierenden Eingang des Addierers 404 angeschlossen.

Der Ausgang des Addierers 404 ist an einen Multiplizierer 414 angeschlossen. Der Multiplizierer 414 hat eine Verstärkung von 2,1, wobei dies die Summe aus der hoch frequenten bzw. Übergangs-Verstärkung des Multiplizierers 408 und einer Filterkon stanten von 0,4 ist. Der Ausgang des Multiplizierers 414 ist an einen additiven Ein gang des Addierers 410 angeschlossen.

Bezugnehmend auf Fig. 2, das Ausgangssignal des Leitungskompensators 204 wird einem Eingang des Addierers 210 zusammen mit dem Ausgangssignal des PI-Reglers 208 zugeführt. Der PI-Regler 208 stellt einen Rückkopplungssteuereingang zur Ver fügung, der die von der mitgekoppelten Berechnung der "Kraftstoff zu Strom"-Tabel le 202 und dem Leitungskompensator 204 bereitgestellte "Schätzung des erforderli chen Betätigungsstroms" anpaßt. Der PI-Regler 208 und sein rückgekoppelter Re gelkreis haben den Effekt, daß Variationen des zum Öffnen verschiedener Betäti gungsventile auf die gleiche Position erforderlichen Stroms kompensiert werden.

Das Ausgangssignal der Stromsteuerung 212 ist ein pulsbreitenmoduliertes Signal mit einem Einschaltzyklus bzw. -verhältnis, der bzw. das einen gewünschten totalen ef fektiven Strom erzeugt, der die Soll-Kraftstoffzuführrate bzw. die erforderliche Kraftstoffzuführmenge erzeugt. Die Stromsteuerung 212 bildet den pulsbreitenmodelierten Treiberschaltkreis zur Ausführung dieser Funktion und kompensiert zusätzlich vor zugsweise Änderungen der Batteriespannung und/oder der Umgebungstemperatur. Änderungen der Batteriespannung könnten ansonsten das erforderliche Einschalt- bzw. Tastverhältnis des dem Betätigungsorgan bzw. dem Betätigungsventil zuzufüh renden Stroms beeinflussen. Insbesondere wenn die Batteriespannung abfällt, muß das Tastverhältnis erhöht werden, um den gleichen effektiven Strom dem Betätigungsor gan unter der Annahme zuzuführen, daß der Widerstand des Betätigungsorgans kon stant ist. Änderungen der Umgebungstemperatur tendieren dazu, den effektiven Wi derstand des Betätigungsorgans in einer nicht linearen Art zu ändern, was in einer Va riation des für das Ausgangssignal erforderlichen Tastverhältnisses resultiert. Das Vorsehen der Stromsteuerung 212 eliminiert im wesentlichen diese nicht linearen Faktoren, so daß die rückgekoppelte Regelschleife des Kraftstoffsteuersystems 200 diese Faktoren nicht kompensieren muß. Das Verhältnis von erforderlichem Strom zu erforderlichem Tastverhältnis ist eine bekannte lineare Funktion. Eine Näherung des Widerstands des Betätigungsorgans wird durch Multiplikation der Steigung dieser li nearen Funktion mit der Batteriespannung erhalten, um eine normierte Steigung bzw. einen normierten Widerstandswert zu erzeugen. Bei niederen Stromwerten wird diese Art der Widerstandsberechnung unterdrückt und ein Standardwert verwendet, weil diese Berechnungen bei niederen Stromwerten ungenau werden. Außerdem wird die Widerstandsberechnung stark gefiltert, um Rauschen zu reduzieren. Außerdem wird der berechnete Widerstandswert, wenn Strom zugeführt wird, sofort fehlerhaft, da der Strom der Spannung bei dem Tastverhältnisschritt nacheilt. Aus diesem Grund wird der berechnete Widerstand durch den Filterprozeß bzw. den Filtervorgang auch ge schwindigkeitslimitiert bzw. in seiner Änderungsgeschwindigkeit begrenzt. Auf diese Weise wird ein gewünschtes pulsbreitenmoduliertes Stromausgangssignal dem Motor 224 zur Verfügung gestellt.

Der bevorzugte Aufbau des Rückkopplungskreises für den PI-Regler 208 (ein schließlich des Einlaßsensors 326, des Drucksensors 320, der Druckanpassung 220, des Addierers 218, der "Druck zu Kraftstoff"-Tabelle 216 und des Schalters 214) wird nun im Detail beschrieben. Der von dem (in Fig. 3 dargestellten) Sensor 326 gemes sene Einlaßdruck wird von der Druckanpassung 220 angepaßt, bevor er dem Addierer 218 zugeführt wird, wo er von dem Wert des detektierten Leitungsdrucks, der von dem (in Fig. 3 gezeigten) Drucksensor 320 bestimmt wird, subtrahiert wird, um ei nen Differenzdruckwert als Eingangssignal für die "Druck zu Kraftstoff"-Tabelle 216 zur Verfügung zu stellen.

Die Verwendung dieses Druckunterschieds stellt einen wesentlichen Vorteil bei der vorliegenden Erfindung dar. Es wurde festgestellt, daß die Menge an eingespritztem Kraftstoff von der Differenz zwischen dem Kraftstoffleitungsdruck und dem Einlaß krümmerdruck abhängt und nicht von dem Kraftstoffleitungsdruck allein. Aufgrund der Eigenschaften eines Injektors mit offener Düse muß der Kraftstoffdosier- bzw. Kraftstoffzumeß-Druck gegen den Zylinderdruck arbeiten, wenn zugemessen bzw. dosiert wird. Der Zylinderdruck steht in einem engen Zusammenhang zu dem Einlaß krümmerdruck während des Abschnitts des Hubs, wenn die Kraftstoffdosierung in den Injektor auftritt. Diese Abhängigkeit bleibt während der Motorübergänge und bei Zuständen niedrigen Umgebungsdrucks (bei einem Betrieb in großer Höhe) gül tig. Dies bedeutet, daß der Kraftstoffdruck, der erforderlich ist, uni eine gewünschte Kraftstoffzuführrate zu erhalten, als Funktion der Höhe variiert. Durch Verwendung der differentiellen Druckmessung für die rückgekoppelte Steuerung kompensiert die vorliegende Erfindung die Auswirkungen von Übergangsladedruckänderungen und der Höhe auf die bei einem bestimmten Leitungsdruck eingespritzte Menge an Kraft stoff.

Die Druckanpassung 220 wandelt das Ausgangssignal des Sensors 326 entweder von einem Meßdruckablesewert oder einem absoluten Druckablesewert in Abhän gigkeit vom Typ des verwendeten Sensors in einen Schätzwert des absoluten Einlaß krümmerdrucks in Einheiten von Pfund pro inch² oder eine korrespondierende SI- Einheit um. Die Druckanpassung 220 kompensiert auch Ausfälle des Drucksensors 326 durch Verwendung eines Schätzwerts des Verstärkungsdrucks, wenn der Druck sensor 326 nicht richtig arbeitet. In diesem Fall wird eine interne Nachschlagetabelle der Druckanpassung 220 verwendet, um den geschätzten Wert zur Verfügung zu stellen. Die Eingangswerte dieser Nachschlagetabelle sind die Motorgeschwindigkeit und die aktuelle Kraftstoffrate, wodurch eine Schätzung des Verstärkungsdrucks bzw. Ladedrucks im stationären Zustand bestimmt wird.

Die "Druck zu Kraftstoff"-Tabelle 216 bildet den gemessenen differentiellen Kraft stoffleitungssdruck bzw. die Druckdifferenz auf die Kraftstoffzuführungsrate bzw. Kraftstoffzuführmenge ab. Die "Druck zu Kraftstoff"-Tabelle 216 erzeugt ein Aus gangssignal in Einheiten von Kubikmillimetern an Kraftstoff pro Einspritzvorgang basierend auf Eingangssignalen (1) des Differenzdrucks zwischen der Kraftstoff leitung und dem Motoreinlaßkrümmer und (2) der mittleren Motorgeschwindigkeit, die von dem elektronischen Steuermodul 222 erhalten wird. Ein Flächeninterpola tionsalgorithmus wird verwendet, um basierend auf zwei Eingangswerten den Aus gangswert aus den Tabellenwerten zu bestimmen. Beispielswerte für die "Druck zu Kraftstoff"-Tabelle 216, die zu einem Stromerzeugungsmotor des Typs QSK-19 der Anmelderin passen, sind in Tabelle B gezeigt.

Die Werte dieser beiden Tabellen A und B werden durch empirisches Aufzeichnen der erforderlichen Leitungsdrücke und Taktzyklen für den Betrieb des bestimmten Motors festgelegt. Diese Daten werden vorzugsweise zusammen mit konstanten Ein stellungen der Motorgeschwindigkeit und des Einspritzzeitpunkts gesammelt, um die Anzahl der Variablen in den Daten zu minimieren. Auf diese Art können für jeden gewünschten Motor geeignete Umwandlungstabellen erzeugt werden.

Das Ausgangssignal der "Druck zu Kraftstoff"-Tabelle 216 wird durch den Schalter 214 zu dem Addierer 206 übertragen. Der Schalter 214 ist normalerweise so einge stellt, daß das Ausgangssignal der Tabelle 216 zu dem Addierer 206 passieren kann. Vorzugsweise werden die Funktion und die Ausgangssignale des Kraftstoffleitungs drucksensors 320 und des Einlaßkrümmerdrucksensors 326 überwacht, um festzu stellen, wenn einer der Sensoren fehlerhaft ist. Im Falle eines Ausfalls einer der Druck sensoren unterbricht der Schalter 214 die Verbindung des Ausgangs der "Druck zu Kraftstoff"-Tabelle 216 zu dem Addierer 206 und verbindet stattdessen das Kraft stoffsignal 226 mit dem subtrahierenden Eingang des Addierers 206. In diesem Fall erzeugt der Addierer 206 ein Null-Ausgangssignal und der PI-Regler 208 wird auf Null gesetzt. Der PI-Regler läßt dann seinen vorhandenen Wert auf einen vorgegebe nen Wert übergehen, und dieser Wert wird ohne Änderungen aufgrund des durch die Betätigung des Schalters 214 bereitgestellten Nullfehlersignals verwendet.

Der Aufbau und die Funktion der bevorzugten Ausführungsform des PI-Reglers 208 ist im Blockdiagramm von Fig. 5 dargestellt. Ein Eingang 510 nimmt das Ausgangssi gnal des (in Fig. 2 dargestellten) Addierers 206 auf und ist an einen Fehlerbegrenzer 512 angeschlossen. Der Ausgang des Fehlerbegrenzers 512 ist an einen Integralver stärkungsmultiplizierer 514 und einen Proportionalverstärkungsmultiplizierer 516 an geschlossen. Der Ausgang des Proportionalverstärkungsmultiplizierers 516 ist an ei nen Addierer 518 angeschlossen. Der Ausgang des Addierers 518 ist über einen Schalter 520 mit dem Kraftstoffzuführungsstrom-Abweichungsausgang 522 verbun den. Der Ausgang des Addierers 518 ist auch an einen Geschwindigkeitsbegrenzer 524 angeschlossen, dessen Ausgang mit dem Schalter 520 verbunden ist. Der Schal ter 520 verbindet den Kraftstoffzuführungsstrom-Abweichungsausgang 522 selektiv mit dem Ausgang des Addierers 518 oder dem durch den Geschwindigkeitsbegrenzer 524 in der Geschwindigkeit bzw. der Änderungsgeschwindigkeit begrenzten Aus gang des Addierers 518. Der Kraftstoffzuführungsstrom-Abweichungsausgang 522 stellt das Ausgangssignal des PI-Reglers 208 zur Verfügung und ist an den (in Fig. 2 gezeigten) Addierer 210 angeschlossen.

Der Schalter 520 wird aktiviert, um den Geschwindigkeitsbegrenzer 524 in den Schaltkreis zu schalten, wenn die Änderungsgeschwindigkeit des Ausgangssignals des Addierers 518 eine vorbestimmte Geschwindigkeit überschreitet. Diese Funktio nalität verbessert die Stabilität der Funktion bzw. des Betriebs.

Der Ausgang des Integralverstärkungsmultiplizierers 514 ist an einen Eingang eines Addieres 526 angeschlossen. Der Ausgang des Addierers 526 ist mit einem Begrenzer 528 verbunden. Der Ausgang des Begrenzers 528 ist an den Addierer 518 und auch über einen Integrator 530 an den Addierer 526 angeschlossen.

Der PI-Regler 208 ist eine rückgekoppelte Steuereinheit, die eine Stromabweichung erzeugt, die die Differenz zwischen dem geschätzten (vom Ausgang des in Fig. 2 dar gestellten Kompensators 204 genommenen) Strom, der erforderlich ist, um die ge wünschte Kraftstoffrate zu erhalten, und den tatsächlich erforderlichen Strom dar stellt. Das Kraftstoffsignal 226 wird als Referenzeingang bzw. Sollgröße des Reglers 208 verwendet, und der geschätzte, durch die "Druck zu Kraftstoff"-Tabelle 216 erzeugte Kraftstoffzuführungswert bildet den Rückkopplungseingang bzw. die Ist- Größe des Reglers 208.

Bezeichnenderweise weisen beide, der Proportionalverstärkungsmultiplizierer 516 und der Integralverstärkungsmultiplizierer 514 Steuereingänge zur selektiven Variie rung ihrer Verstärkungsfaktoren in Abhängigkeit vom Motorbetriebszustand auf. Dies stellt eine Verstärkungsfaktor-Vorgabeeigenschaft zur Verfügung, die einen op timalen Betrieb des Motors sowohl im reglerbegrenzten (geschwindigkeitsgesteuer ten) Modus als auch im gaspedalgesteuerten (drehmomentgesteuerten) Modus ge stattet. Die von den Multiplizierern 514 und 516 verwendeten Verstärkungsfaktoren werden durch den Steuerzustand des Motors festgelegt.

Wenn sich der Motor nicht in einem Regler-Modus sondern in dem drehmomentge steuerten Modus befindet, wird vorzugsweise ein agressiverer Satz von Verstär kungsfaktoren implementiert. Wenn der Betrieb von einem Regler bestimmt wird (ge schwindigkeitsgesteuerter Modus), sollte eine weniger agressive Verstärkung implem entiert werden.

Im Start-, Abschalt-, Stopp- und Diagnosezustand werden "Startzustands"-Verstär kungsfaktoren verwendet, wie 0,0010 A/mm³/Hub für den Proportionalverstärkungs faktor und 0,00001 A/mm³/Hub für den Integralverstärkungsfaktor. In dem Drehmo ment (Kraftstoff) gesteuerten Modus können z. B. ein Proportionalverstärkungsfak tor von 0,0005 A/mm³/Hub und ein Integralverstärkungsfaktor von 0,00005 A/mm³/Hub verwendet werden. Exemplarische Verstärkungswerte für den geschwindig keitsgesteuerten Modus sind 0,0005 A/mm³/Hub für die Proportionalverstärkung und 0,00001 A/mm³/Hub für die Integralverstärkung. Es ist ersichtlich, daß der Inte gralverstärkungswert für den drehmomentgesteuerten Modus etwa 5 mal größer als der im geschwindigkeitsgesteuerten Modus verwendete Wert sein kann.

Wenn der Motor zwischen den Modi umschaltet, erfolgt die Änderung der Verstär kung rampenartig, um eine plötzliche Änderung der Kraftstoffzuführung zu vermei den. Ein inkrementeller Verstärkungswert wird gebildet, und die Verstärkungsfakto ren werden während jedes Motorhubs um diesen inkrementellen Verstärkungsfaktor wert geändert, bis die neuen Verstärkungswerte erreicht sind. Zum Beispiel kann der Proportionalverstärkungsfaktor in Schritten von 0,00010 A/mm³/Hub zu einem ge wünschten Wert rampenartig verändert werden, während der Integralverstärkungs faktor in Schritten von 0,00001 A/mm³/Hub rampenartig verändert werden kann.

Diese Verstärkungseinstellmöglichkeit bildet einen bedeutenden Vorteil. Durch Un tersuchung relevanter Systeme wurde festgestellt, daß der Leitungsdruck beim ge schlossenen Regelkreis den stationären Zustandswert zu langsam für die gewünsch ten Betriebszwecke erreicht. Daher ist eine vernünftig hohe Verstärkung erforderlich, um den Übergängen während des Motorbetriebs genau zu folgen. Wenn der Motor jedoch in dem Geschwindigkeitssteuerzustand arbeitet, tendiert die Steuerschleife bzw. der Regelkreis dazu, bei hohen Verstärkungen destabil zu werden. In diesem Modus hängt der Motorsteuerungsbetrieb von der dedektierten Motorgeschwindig keit ab, und die Motorgeschwindigkeit wird innerhalb des Kraftstoffsteuersystems 200 zusätzlich dazu verwendet, die primäre Steuerungsrückkopplung (um das Sy stem 200 herum) zu dem elektronischen Steuermodul zu bilden. Es wurde festgestellt, daß der begrenzte Level der Verstärkung, der für den Geschwindigkeitssteuermodus angepaßt ist, niedriger als derjenige ist, der für den Drehmomentsteuermodus wün schenswert ist. Durch Vorsehen zweier verschiedener Verstärkungen für diese zwei verschiedenen Modi ist es möglich, die Stabilität im Geschwindigkeitssteuermodus beizubehalten und auch einen Motorbetrieb zu erzeugen, der schnell auf Änderun gen bzw. Übergänge im Drehmomentsteuermodus anspricht.

Wenn ein festliegendes Betätigungsorgan bzw. Betätigungsventil 318 oder ein Sen sorfehler festgestellt werden, wie ein Fehler in den Sensoren 320 oder 326, wird der Integratorwert X1 (der das Ausgangssignal des Begrenzers 528 darstellt) sofort auf einen Standardwert zurückgesetzt. Das Ausgangssignal 522 wird auch auf einen Standardwert, z. B. null, zurückgesetzt, wobei das Ausgangssignal 522 vorzugsweise aber rampenartig auf den Standardwert durch den Geschwindigkeitsbegrenzer 524 geändert wird.

Die erfindungsgemäße direkte Steuerung bzw. Verwendung der Kraftstoffflußrate als Zielwert bzw. Sollgröße anstatt der Steuerung auf einen gewünschten Kraftstoff druck führt zu vielen wesentlichen Vorteilen. Erstens stellt dieses Verfahren eine An sprechzeit des Regelkreises zur Verfügung, die näherungsweise unabhängig von der Last ist, was die Genauigkeit erhöht. Zweitens ist eine Kalibrierung des Systems nicht besonders empfindlich hinsichtlich der Linearität der Zusammensetzung der Nach schlagetabellen, wie dies bei rückgekoppelten Steuersystemen der Fall ist, die den Druck als Ziel- bzw. Sollgröße verwenden. So wird ein verbessertes System und Ver fahren zur Steuerung des Kraftstoffflusses bzw. der Kraftstoffzuführung bei einem Innenverbrennungsmotor offenbart.

Die Tabelle A gibt den geschätzten Strom zur Ansteuerung des Betätigungsventils 318 in Abhängigkeit von der gewünschten Kraftstoffeinspritzmenge pro (Injektor-) Hub und der Motordrehzahl an.

Die Tabelle B gibt die geschätzte tatsächliche Kraftstoffeinspritzmenge pro (Injektor-) Hub in Abhängigkeit von dem (Differenz-)Druck und der Motordrehzahl an.

In der Tabelle B sind die (Differenz-)Drücke in psi (pound/inch²) angegeben. Diese Druckwerte lassen sich durch Multiplikation mit dem Faktor 6894,76 in die SI-Einheit N/m² (Pa) umwandeln.

Bezugszeichenliste

100

Anlaßdiagnosezustand

102

Startzustand

104

Stoppzustand

106

Geschwindigkeitssteuerzustand

108

Drehmomentsteuerzustand

110

Abschaltzustand

200

Kraftstoffsteuersystem

202

"Kraftstoff zu Strom"-Tabelle

204

Leitungskompensation

206

Addierer

208

PI-Regler

210

Addierer

212

Stromsteuerung

214

Schalter

218

Addierer

220

Druckanpassung

222

Elektronisches Steuermodul

224

Motor

226

Kraftstoffsignal

302

Brennraum

304

Einlaßventil

306

Injektor

308

Kraftstoffleitung

310

Unterer Plungerkolben

312

Oberer Plungerkolben

314

Einspritzkammer

316

Pumpe

318

Gesteuertes lineares Betätigungsventil

320

Drucksensor

322

Anschluß

324

Motoreinlaßkrümmer

326

Sensor

402

Integrator

404

Addierer

406

Addierer

408

Multiplizierer

410

Addierer

412

Integrator

414

Multiplizierer

510

Eingang

512

Fehlerbegrenzer

514

Integralverstärkungsmultiplizierer

516

Proportionalverstärkungsmultiplizierer

518

Addierer

520

Schalter

522

Ausgang

524

Geschwindigkeitsbegrenzer

526

Addierer

528

Begrenzer

530

Integrierer

Claims

1. Kraftstoffeinspritzsystem (200) für einen Innenverbrennungsmotor (224) wobei das Kraftstoffeinspritzsystem (200) aufweist:
eine gemeinsame Kraftstoffleitung (308);
mehrere Kraftstoffinjektoren (306), die an die Kraftstoffleitung (308) ange schlossen sind und jeweils eine zeitweise zur Kraftstoffleitung (308) öffenbare Einspritzkammer (314) und mindestens einen zugeordneten, hin- und herbe wegbaren Plungerkolben (310) aufweisen, so daß die Kraftstoffmenge, die in jede Einspritzkammer (314) bei jedem Einspritzzyklus eintritt, primär vom Kraftstoffdruck in der Kraftstoffleitung (308) und sekundär von der Öffnungszeit abhängt;
ein durch ein Stromsteuersignal steuerbares Betätigungsmittel zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr zu der Kraftstoffleitung (308) bzw. zur Verbindung einer Kraft stoffpumpe (316) mit der Kraftstoffleitung (308);
ein Berechnungsmittel zur Aufnahme einer Vielzahl von Betriebszustandssigna len, die einen Betriebsstatus des Innenverbrennungsmotors (224) anzeigen, und zur Erzeugung eines Kraftstoffsignals (226), das eine gewünschte Menge an durch die Kraftstoffinjektoren (306) einzuspritzendem Kraftstoff darstellt, basie rend auf den Betriebszustandssignalen;
ein erstes Umwandlungsmittel, das mit dem Berechnungsmittel zur Erzeugung eines geschätzten Stromsignals in Abhängigkeit vom Kraftstoffsignal (226) und insbesondere von einem Betriebszustandssignal, wie der mittleren Motorge schwindigkeit, verbunden ist;
ein Druckdetektionsmittel, das mit der Kraftstoffleitung (308) zur Detektion des Kraftstoffdrucks in der Kraftstoffleitung (308) und zur Erzeugung eines zu dem Kraftstoffdruck korrespondierenden Kraftstoffleitungsdrucksignals verbunden ist;
ein zweites Umwandlungsmittel, das mit dem Druckdetektionsmittel zur Erzeu gung eines geschätzten Kraftstoffmengensignals, das eine geschätzte aktuelle Kraftstoffzuführmenge zu einem der Kraftstoffinjektoren (306) darstellt, in Abhängigkeit vom Kraftstoffleitungsdrucksignal und insbesondere von einem Be triebszustandssignal, wie der mittleren Motorgeschwindigkeit, verbunden ist;
ein Vergleichsmittel, das mit dem zweiten Umwandlungsmittel und dem Berech nungsmittel zur Erzeugung eines Kraftstoffmengenfehlersignals, das der Diffe renz zwischen dem geschätzten Kraftstoffmengensignal und dem Kraftstoffsi gnal (226) entspricht, verbunden ist;
ein Reglermittel zur Erzeugung eines Abweichungs-Stromsignals basierend auf dem Kraftstoffmengenfehlersignal; und
ein Anpassungsmittel zur Erzeugung des Stromsteuersignals für das Betäti gungsmittel durch Kombination des Abweichungs-Stromsignals mit dem ge schätzten Stromsignal.

2. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reg lermittel einen Proportional-Integral-Regler (208) umfaßt, insbesondere wobei die Verstärkung in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Innenverbrennungsmotors (224) veränderbar ist.

3. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Umwandlungsmittel eine "Kraftstoff zu Strom"-Tabelle (202) umfaßt, insbeson dere zur Erzeugung des geschätzten Stromsignals in Abhängigkeit vom Kraftstoffsi gnal (226) und von der mittleren Motorgeschwindigkeit.

4. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß das erste Umwandlungsmittel einen Leitungskompensator (204) als Digitalfilter zur Modifizierung des geschätzten Stromsignals aufweist.

5. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß das zweite Umwandlungsmittel eine "Druck zu Kraftstoff"-Tabelle (216) umfaßt, insbesondere zur Erzeugung des geschätzten Kraftstoffmengensignals in Abhängigkeit von dem Kraftstoffleitungsdrucksignal bzw. einem Druckdifferenzwert, der aus dem Kraftstoffleitungsdrucksignal und einem vorzugsweise angepaßten Ein laßdruck des Innenverbrennungsmotors (224) gebildet ist, und von der mittleren Mo torgeschwindigkeit.

6. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Einlaßsensor (326) zur Erfassung des Einlaßdrucks des Innen verbrennungsmotors (224) und insbesondere eine Druckanpassung (220) zur Anpas sung des Einlaßdrucks vorgesehen sind, wobei ein Differenzdruckwert für das zweite Umwandlungsmittel aus dem Kraftstoffleitungsdrucksignal und dem ggf. angepaßten Einlaßdruck bestimmbar ist.

7. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Aus fall des Einlaßsensors (326) der Einlaßdruck von der Druckanpassung (220), insbe sondere mittels einer internen Nachschlagetabelle, abschätzbar ist.

8. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kraftstoffinjektoren (306) jeweils mit offener Düse ausgebildet sind.

9. Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung eines Innenverbrennungsmotors mit mehreren Kraftstoffinjektoren, die an eine gemeinsame Kraftstoffleitung zur Ver sorgung mit Kraftstoff angeschlossen sind, wobei ein elektrisch angesteuertes Betäti gungsmittel die Kraftstoffzufuhr zu der Kraftstoffleitung steuert, wobei basierend auf einem Kraftstoffsignal, das die gewünschte Menge an von jedem Kraftstoffinjektor bei jedem Einspritzzyklus einzuspritzenden Kraftstoff darstellt, ein elektrisches Stromsi gnal zur Ansteuerung des Betätigungsmittels berechnet wird, wobei in Abhängigkeit vom Kraftstoffdruck in der Kraftstoffleitung eine geschätzte Menge bestimmt wird, die die aktuelle Kraftstoffeinspritzmenge jedes Kraftstoffinjektors bei jedem Ein spritzzyklus darstellt, wobei die Differenz zwischen der geschätzten Menge und dem Kraftstoffsignal zur Korrektur des elektrischen Stromsignals in einer Rückkopplung verwendet wird, wobei der Druck in der Kraftstoffleitung variiert wird, um die ge wünschte Menge an Kraftstoff jedem Kraftstoffinjektor zuzuführen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Proportional-Inte gral-Regler zur Bildung eines Regelkreises verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstär kung, vorzugsweise die proportionale Verstärkung und/oder die integrale Verstärkung, der Rückkopplung in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Innenverbrennungsmo tors modifiziert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auch eine detektierte mittlere Motorgeschwindigkeit zur Bestimmung der geschätzten Menge und/oder zur Berechnung des elektrischen Stromsignals verwendet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen dem Kraftstoffdruck in der Kraftstoffleitung und dem Druck in einem Ansaugkrümmer des Innenverbrennungsmotors verwendet wird, um die ge schätzte Menge zu bestimmen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Ansaug krümmer mittels eines Einlaßsensors erfaßt oder insbesondere mittels einer Nach schlagetabelle in Abhängigkeit von Motorparametern abgeschätzt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine "Kraftstoff zu Strom"-Tabelle zur Berechnung des Stromsignals verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine "Druck zu Kraftstoff"-Tabelle zur Bestimmung der geschätzten Menge verwendet wird.