DE19735938B4

DE19735938B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19735938B4
Application number: DE19735938A
Authority: DE
Inventors: Christof Hammel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-08-19
Filing date: 1997-08-19
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2017-08-20
Also published as: DE19735938A1; FR2767561B1; JP4250227B2; JPH11117797A; FR2767561A1; GB2328526A; GB9817584D0; GB2328526B

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-System, wobei ein Sollwert für einen Druck in einem Druckspeicher vorgegeben wird und mit einem Istwert verglichen wird, daß ausgehend von diesem Vergleich ein Regler eine Größe zur Bildung eines Ansteuersignals für einen Steller vorgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelstrecke linearisiert ist und der Regler eine Größe vorgibt, die der zum Druckaufbau und/oder zum Druckabbau erforderlichen Kraftstoffmenge entspricht.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine sind aus der DE 195 48 278 bekannt. Dort werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Drucks in einem Common-Rail-System, das bei einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird, beschrieben. Bei diesem System wird die Stellgröße für das Druckregelventil direkt über einen üblichen PI-Regler erzeugt. Da die Regelstrecke stark nichtlinear ist, ist die Auslegung des Reglers schwierig.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine eine einfache Regelstruktur bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Vorteile der Erfindung
Durch die Linearisierung der Regelstrecke wird die Auslegung der Regelparameter vereinfacht.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 2 eine schematische Darstellung des Druckregelventils, 3 ein Kennfeld und 4 ein Blockdiagramm der Reglerstruktur.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 sind die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Bauteile eines Kraftstoffversorgungssystems einer Brennkraftmaschine mit Hochdruckeinspritzung dargestellt. Das dargestellte System wird üblicherweise als Common-Rail-System bezeichnet.
Mit 100 ist ein Kraftstoffvorratsbehälter bezeichnet. Dieser steht über ein ersten Filter 105 und einer Vorförderpumpe 110 mit einem zweiten Filtermittel 115 in Verbindung. Vom zweiten Filtermittel 115 gelangt der Kraftstoff über eine Leitung zu einem Ventil 120. Die Verbindungsleitung zwischen dem Filtermittel 115 und dem Ventil 120 steht über ein Niederdruckbegrenzungsventil 145 mit dem Vorratsbehälter 100 in Verbindung. Das Ventil 120 steht über eine Hochdruckpumpe 125 mit einem Rail 130 in Verbindung. Das Rail wird auch als Druckspeicher bezeichnet und steht über Kraftstoffleitungen mit verschiedenen Injektoren 131 in Kontakt. Über ein Druckregelventil 135 ist das Rail 130 mit dem Kraftstoffvorratsbehälter 110 verbindbar. Das Druckregelventil 135 ist mittels einer Spule 136 steuerbar.
Die Leitungen zwischen dem Ausgang der Hochdruckpumpe 125 und dem Eingang des Druckregelventils 135 werden als Hochdruckbereich bezeichnet. In diesem Bereich steht der Kraftstoff unter hohem Druck. Der Druck im Hochdruckbereich wird mittels eines Sensors 140 erfaßt. Die Leitungen zwischen dem Tank 100 und der Hochdruckpumpe 125 werden als Niederdruckbereich bezeichnet.
Diese Einrichtung arbeitet wie folgt: Der Kraftstoff, der sich im Vorratsbehälter befindet, wird von der Vorförderpumpe 110 durch die Filtermittel 105 und 115 gefördert. Ausgangsseitig der Vorförderpumpe 110 ist der Kraftstoff mit einem Druck zwischen einem und ca. 3 bar beaufschlagt. Wenn der Druck im Niederdruckbereich des Kraftstoffsystems einen vorgebbaren Druck erreicht hat, öffnet das Ventil 120 und der Eingang der Hochdruckpumpe 125 wird mit einem bestimmten Druck beaufschlagt. Dieser Druck hängt von der Ausführung des Ventils 120 ab. Üblicherweise ist das Ventil 120 so ausgestaltet, daß es bei einem Druck von ca. 1 bar die Verbindung zur Hochdruckpumpe 125 freigibt.
Steigt der Druck im Niederdruckbereich auf unzulässig hohe Werte an, so öffnet das Niederdruckbegrenzungsventil 145 und gibt die Verbindung zwischen dem Ausgang der Vorförderpumpe 110 und dem Vorratsbehälter 100 frei. Mittels des Ventils 120 und dem Niederdruckbegrenzungsventil 145 wird der Druck im Niederdruckbereich auf Werte zwischen ca. 1 und 3 bar gehalten.
Die Hochdruckpumpe 125 fördert den Kraftstoff vom Niederdruckbereich in den Hochdruckbereich. Die Hochdruckpumpe 125 baut im Rail 130 einen sehr hohen Druck auf. Üblicherweise werden bei Systemen für fremdgezündete Brennkraftmaschinen Druckwerte von etwa 30 bis 100 bar und bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen Druckwerte von etwa 1000 bis 2000 bar erzielt. Über die Injektoren 131 kann der Kraftstoff unter hohem Druck den einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine zugemessen werden.
Mittels des Sensors 140 wird der Druck im Rail bzw. im gesamten Hochdruckbereich erfaßt. Mittels des Druckregelventils 135, das mit einer Spule 136 ansteuerbar ist, kann der Druck im Hochdruckbereich geregelt werden. Abhängig von der an der Spule 136 anliegenden Spannung bzw. des durch die Spule 136 fließenden Stromes öffnet das Druckregelventil 135 bei unterschiedlichen Druckwerten.
Als Vorförderpumpe 110 werden üblicherweise Elektrokraftstoffpumpen mit einem Gleichstrom-Motor (DC-Motoren) oder einem elektrisch komutierten Gleichstrom-Motoren (EC-Motoren) eingesetzt. Für höhere Fördermengendurchsätze, die insbesondere bei Nutzkraftfahrzeugen erforderlich sind, können auch mehrere parallel geschaltete Vorförderpumpen eingesetzt werden. In diesem Fall werden wegen der höheren Lebensdauer und höheren Verfügbarkeit vorzugsweise EC-Motoren verwendet.
Zur Regelung des Druckes P im Hochdruckbereich können auch weitere Stellglieder eingesetzt werden. Dies sind beispielsweise eine in der Fördermenge verstellbare elektrische Vorförderpumpe 110 oder eine steuerbare Hochdruckpumpe 125. Zusätzlich zum Druckregelventil 135 kann auch ein Druckbegrenzungsventil vorgesehen sein, das bei einem vorgegebenen Druckwert die Verbindung zwischen Hochdruckbereich und Niederdruckbereich freigibt.
Im Folgenden sind mit Q . jeweils die Mengendurchsätze bzw. die Mengenänderungen bezeichnet. Dies sind die Mengen, die innerhalb eines bestimmten Zeitraums fließen. Von der Hochdruckpumpe 125 wird in einem bestimmten Zeitraum der Fördermengendurchsatz Q .P in das Rail 130 gefördert. Über das Druckregelventil 135 wird der Regelmengendurchsatz Q .DRV in den Niederdruckbereich abgelassen. Der Druckaufbaumengendurchsatz Q .R steht für den Druckaufbau zur Verfügung. Über die Injektoren 131 gelangt der Zumessmengendurchsatz Q .I zu den Injektoren 131. Die Menge Q .I setzt sich zusammen aus der eingespritzten Kraftstoffmenge Q .K, der Leckagemenge und einer Steuermenge der Injektoren. Die Leckagemenge und die Steuermenge gelangen wieder zurück in den Niederdruckbereich. Die eingespritzte Kraftstoffmenge gelangt in die Brennräume der Brennkraftmaschine.
In 2 ist das Druckregelventil sowie das Rail 130 schematisch dargestellt. Mit P ist der Druck im Rail, mit I der Spulenstrom im Druckregelventil und mit X die Ankerposition bezeichnet.
Eine Kugel 200 wird von einem Anker 210 auf den Ventilsitz gedrückt. Auf den Anker wird von einer Spule 220, die von dem Strom I durchflossen wird, eine Kraft ausgeübt. Ferner ist eine Feder 230 vorgesehen, die die Kugel 200 in den Ventilsitz drückt. Die Kraft auf den Anker und damit auf die Kugel, mit der diese in den Ventilsitz gedrückt wird, wird durch die verschiedene Größen bestimmt. Dies ist zum einen die Magnetkraft FM, die abhängig ist von dem Strom I, der durch die Spule fließt und der Ankerposition X. Ferner wirkt in die gleiche Richtung die Federkraft FF, die abhängig ist von der Position X des Ankers. Gegen diesen Kräfte wirkt eine Druckkraft FP, die als Funktion F vom Druck P im Rail 130 und der Ankerposition X bzw. als Funktion F des Regelmengendurchsatzes Q .DRV und der Ankerposition X dargestellt werden kann.
Im stationären Zustand ist die resultierende Kraft durch zwei Größen bestimmt. Die übrigen Größen stellen sich entsprechend ein. Für die Ankerkraft FA gilt: FA1 = FM + FF = F(I, X) FA2 = FM + FF = F(P, X) FA3 = FM + FF = (Q .DRV, X)
Die Ankerkraft kann abhängig vom Strom I und der Position X des Ankers als Kraft FA1 dargestellt werden. Desweiteren kann die Ankerkraft als Kraft FA2 abhängig vom Druck P und der Position X des Ankers dargestellt werden. Ebenso kann diese Ankerkraft als FA3 abhängig von dem Regelmengendurchsatz Q .DRV und der Position X des Ankers dargestellt werden.
In der 3 sind diese Kräfte als Kennlinien eingezeichnet. Die Kraft FA1 ist als Kennlinienschar mit durchgezogenen Linien mit dem Parameter Strom I über der Ankerposition X aufgetragen. Die Kraft FA2 ist als Parameterschar mit dem Parameter Druck P als gestrichelte Linien dargestellt. Die Ankerkraft FA3 ist als Parameterschar mit dem Parameter Regelmengendurchsatz Q .DRV als punktierte Linienschar aufgetragen.
Im stationären Zustand gilt die Beziehung: Q .DRV = Q .P – Q .I
Im instationären Fall, das heißt beim Druckaufbau oder beim Druckabbau gilt die Beziehung: Q .DRV = Q .P – Q .I – Q .R.
Der Druckaufbaumengendurchsatz Q .R führt zum Druckaufbau im Rail.
Die Zeitkonstanten des Magnetkreises und des Ankers sind so klein, daß stets gilt FA1 = FA2 = FA3. Mittels der in 3 dargestellten Kennlinienschar läßt sich der Druckaufbaumengendurchsatz Q .R bestimmen. Durch den Raildruck P und den Ankerstrom I ist die Ankerkraft FA und die Ankerposition X eindeutig bestimmt. Damit liegt die Kennlinie FA3 und damit die Menge Q .DRV fest. Es gilt die Beziehung: Q .R = Q .P – Q .I – Q .DRV
Der Regelmengendurchsatz Q .DRV ist eine Funktion des Druckes P und des Stroms I. Der Druckaufbaumengendurchsatz Q .R ist abhängig von der Differenz zwischen dem Fördermengendurchsatz und dem Zumessmengendurchsatz Q .P – Q .I, Druck P und Strom I. Diese Abhängigkeit repräsentiert das nichtlineare Verhalten der Regelstrecke. Erfindungsgemäß wird dieser Abhängigkeit ein dreidimensionales Kennfeld vorgeschaltet, so daß sich durch die Hintereinanderschaltung ein linearer Zusammenhang ergibt.
Eine entsprechende Reglerstruktur ist in 4 dargestellt. Mit 400 ist der eigentliche Druckregler bezeichnet. Dieser liefert eine Stellgröße
R an ein Kennfeld 410. Das Kennfeld beaufschlagt die Regelstrecke 436 mit einem Signal I. Dies bedeutet die Spule 136 wird abhängig von der Regelabweichung zwischen dem Sollwert PS und dem Istwert P mit einem Strom I beaufschlagt.
Als weitere Eingangsgröße gelangen zu dem Kennfeld das Ausgangssignal P des Drucksensors 140 sowie das Ausgangssignal eines Verknüpfungspunktes 415. Am ersten Eingang des Verknüpfungspunktes 415 liegt die Größe Q .P und am zweiten Eingang mit negativen Vorzeichen die Größe Q .I. Die Größe Q .P wird von einer Q .P-Vorgabe 420 und die Größe Q .I von der Q .I-Vorgabe 430 bereitgestellt.
Dem Regler 400 wird als Eingangssignal die Regelabweichung, die von dem Verknüpfungspunkt 440 gebildet wird, zugeleitet. An einem Eingang des Verknüpfungspunktes 440 liegt mit negativem Vorzeichen der tatsächliche Wert P für den Druck, am zweiten Eingang mit positivem Vorzeichen der Sollwert PS einer Sollwertvorgabe 450. Das Kennfeld beaufschlagt das Druckregelventil mit einem Strom I.
Diese Einrichtung arbeitet nun wie folgt. Die Q .P-Vorgabe berechnet ausgehend von der Drehzahl N und einer Konstanten K1 dem Fördermengendurchsatz Q .P, die der Pumpenförderleistung entspricht, gemäß der Formel: Q .P = K1·N
Die Q .I-Vorgabe 430 berechnet den Zumessmengendurchsatz Q .I ausgehend von dem einzuspritzenden Kraftstoffmengendurchsatz Q .K der Steuermengendurchsatz für die Injektoren plus einer Leckagemenge gemäß der Formel: Q .I = Q .K + A·Q .K.
Dabei wird davon ausgegangen, daß die Summe der Steuermenge und der Leckagemenge ein fester Prozentsatz A der einzuspritzenden Kraftstoffmengendurchsatz Q .k ist. Zur Berechnung der Zumessmengendurchsatz Q .I wird der Einspritzmengendurchsatz Q .K um einen bestimmten Prozentsatz A erhöht, welcher der Steuermenge und der Leckagemenge entspricht. Mit der Differenz dieser beiden Signale Q .P und Q .I wird das Kennfeld 410 beaufschlagt. Desweiteren wird das Kennfeld mit dem Drucksignal P beaufschlagt.
Der Druckregler 400 gibt abhängig von der Regelabweichung zwischen dem Sollwert PS und dem Istwert P eine Größe vor, die der zum Druckaufbau und/oder zum Druckabbau erforderlichen Kraftstoffmenge entspricht. Diese Größe wird als Mengendurchsatz Q .R1, der zum Druckaufbau erforderlich ist, bezeichnet. In dem Kennfeld 410 ist abhängig von dem aktuellen Druck P, dem Fördermengendurchsatz
P und dem Zumessmengendurchsatz Q .I, der Strom I abgelegt, der erforderlich ist, um bei den gegebenen Betriebsparametern der für den Druckaufbau vom Regler gewünschte Mengendurchsatz Q .R1 bereitzustellen. Dabei beinhaltet das Kennfeld die Abhängigkeit fL: I = fL(Q .R1, Q .P – Q .I, P)
Mit dem entsprechenden Strom I wird die Regelstrecke 436 beaufschlagt. Abhängig von dem Strom I, der durch die Spule 136 des Druckregelventils fließt, dem Druck P im Rail, und dem Fördermengendurchsatz Q .P und dem Zumessmengengendurchsatz Q .I stellt sich gemäß der folgenden Abhängigkeit der tatsächliche Mengendurchsatz Q .R2 ein: Q .R2 = fS(Q .P – Q .I, I, P)
Der funktionale Zusammenhang fS der obigen Größen ist nichtlinear. Wird dieser Abhängigkeit die Abhängigkeit fL vorgeschaltet so gilt Q .R1 ist gleich Q .R2. Damit ist die Nichtlienarität der Strecke beseitigt.
Der Druckaufbaumengendurchsatz Q .R wird als Stellgröße für den Druckregelkreis verwendet. Die Regelstrecke wird durch das Kennfeld 410 linearisiert. Mit dem Druckaufbaumengendurchsatz Q .R als Stellgröße ergibt sich eine lineare Regelstrecke; diese stellt im vorliegenden Fall einen Integrator dar. Beim Druckabbau nimmt die Größe Druckaufbaumengendurchsatz Q .R negative Werte an.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-System, wobei ein Sollwert für einen Druck in einem Druckspeicher vorgegeben wird und mit einem Istwert verglichen wird, daß ausgehend von diesem Vergleich ein Regler eine Größe zur Bildung eines Ansteuersignals für einen Steller vorgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelstrecke linearisiert ist und der Regler eine Größe vorgibt, die der zum Druckaufbau und/oder zum Druckabbau erforderlichen Kraftstoffmenge entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler einen Druckaufbaumengendurchsatz (Q .R) vorgibt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stellgröße zur Beaufschlagung eines Stellgliedes abhängig von der Größe, die der zum Druckaufbau und oder Druckabbau erforderlichen Kraftstoffmenge entspricht, vorgebbar ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße abhängig von weiteren Größen, wie einem Fördermengendurchsatz (Q .P), einem Zumessmengendurchsatz (Q .I) und/oder dem Druck (P) vorgebbar ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zumessmengendurchsatz (Q .I) ausgehend von dem in die Brennkraftmaschine einzuspritzende Kraftstoffmengendurchsatz (Q .K) vorgebbar ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fördermengendurchsatz (Q .P) wenigstens ausgehend von der Drehzahl (N) vorgebbar ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckaufbaumengendurchsatz ausgehend von einer Regelabweichung vorgebbar ist.
Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-System, wobei ein Sollwert für einen Druck in einem Druckspeicher vorgegeben wird und mit einem Istwert verglichen wird, daß ein Regler ausgehend von diesem Vergleich eine Größe zur Bildung eines Ansteuersignals für einen Steller vorgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelstrecke linearisiert ist und der Regler eine Größe vorgibt, die der zum Druckaufbau und/oder zum Druckabbau erforderlichen Kraftstoffmenge entspricht.