EP2358987B1 - Steuerung- und regelungsverfahren für eine brennkraftmaschine mit einem common-railsystem - Google Patents

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EP2358987B1
EP2358987B1 EP09749024A EP09749024A EP2358987B1 EP 2358987 B1 EP2358987 B1 EP 2358987B1 EP 09749024 A EP09749024 A EP 09749024A EP 09749024 A EP09749024 A EP 09749024A EP 2358987 B1 EP2358987 B1 EP 2358987B1
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EP
European Patent Office
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pwm
pressure
rail pressure
setpoint
pcr
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Armin DÖLKER
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Rolls Royce Solutions GmbH
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MTU Friedrichshafen GmbH
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    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
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    • F02D41/3836—Controlling the fuel pressure
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    • F02D41/1477—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the regulation circuit or part of it,(e.g. comparator, PI regulator, output)
    • F02D41/1479—Using a comparator with variable reference

Definitions

  • the invention relates to a control and regulating method for an internal combustion engine having a common rail system, in which the rail pressure is controlled in normal operation and is changed with detection of a load shedding from the control to the control mode, wherein in the control mode, the PWM signal for acting on the controlled system is temporarily set to a higher than normal operation PWM value.
  • a high pressure pump delivers fuel from a fuel tank into a rail.
  • the inlet cross section to the high pressure pump is determined by a variable suction throttle.
  • injectors via which the fuel is injected into the combustion chambers of the internal combustion engine. Since the quality of the combustion depends crucially on the pressure level in the rail, this is regulated.
  • the high pressure control circuit includes a pressure regulator, the suction throttle with high pressure pump and the rail as a controlled system and a filter in the feedback branch. In this high-pressure control circuit, the pressure level in the rail corresponds to the controlled variable.
  • the measured pressure values of the rail are converted via the filter into an actual rail pressure and compared with a desired rail pressure.
  • the resulting deviation is then converted via the pressure regulator into a control signal for the suction throttle.
  • the actuating signal corresponds to z. B. a volume flow with the unit liters / minute.
  • the control signal is designed as a PWM signal with a constant frequency, for example 50 Hz.
  • the high-pressure control circuit described above is from the DE 103 30 466 B3 known.
  • a passive pressure relief valve which opens at a rail pressure of 1950 bar, protects the common rail system against an inadmissibly high rail pressure. For example, if the internal combustion engine is operated stationary at a constant rail pressure of 1800 bar and there is a complete load shedding, the period is 37.5 ms until the response of the pressure relief valve.
  • control mode the PWM signal for controlling the suction throttle is temporarily set via a staircase function to an increased PWM value, whereby the closing process of the intake throttle is accelerated and less fuel is conveyed into the rail. After expiry of the time-controlled staircase function, it is then returned to the control mode.
  • a load shedding is detected by the fact that the actual rail pressure exceeds a fixed limit. The illustrated method has been proven in a full load shedding, ie the generator load is reduced from 100% to 0%.
  • partial load shedding occurs when only individual electrical loads are deactivated. Under unfavorable circumstances, pressure oscillations can occur in the rail, which are caused by the fact that several times in a sequence from control to control mode with temporary PWM default is changed.
  • the invention is based on the object to optimize the pressure control at a partial load drop.
  • the optimization consists in calculating the limit value for activating the temporary PWM specification as a function of the gradient of a power-determining signal.
  • the power-determining signal in this case corresponds to either a desired speed, a desired torque or a desired injection quantity.
  • the target speed may also correspond to an accelerator pedal position.
  • the target torque is used as a measure of the size of the load shedding the gradient. The faster this decreases, the more load was dropped.
  • the invention is thus based on the recognition that at a load shedding first a drop in the power-determining signal takes place and only with a time delay, the rail pressure increases.
  • the limit value is determined via its own characteristic, which is designed in such a way that a lower limit value is set in the case of a complete load shedding, whereas a higher limit value is set in the case of a partial load shedding.
  • the inventive method is complementary to that from the DE 10 2005 029 138 B3 provided known method.
  • the advantage is that the cause of the vibrations of the rail pressure is eliminated at a partial load drop.
  • the rail pressure thus shows a more even course.
  • Both a complete load shedding and a partial load shedding unintentional opening of the passive pressure relief valve is prevented at the same time stable rail pressure.
  • the implementation of the invention is almost cost neutral.
  • the FIG. 1 shows a system diagram of an electronically controlled internal combustion engine 1 with a common rail system.
  • the internal combustion engine 1 drives an emergency generator, not shown.
  • the common rail system comprises as mechanical components a low-pressure pump 3 for conveying fuel from a tank 2, a suction throttle 4 for influencing the Volume flow, a high-pressure pump 5, a rail 6 and injectors 8 for injecting fuel into the combustion chambers of the internal combustion engine. 1
  • the internal combustion engine 1 is controlled via an electronic engine control unit 9 (ECU).
  • ECU electronic engine control unit 9
  • the illustrated input variables of the electronic engine control unit 9 are the rail pressure pCR, which is detected via a pressure sensor 7, the engine speed nMOT and a size ON.
  • the size ON is representative of the other input signals, for example for the oil or the fuel temperature.
  • the illustrated outputs of the electronic engine control unit 9 are a PWM signal PWM for controlling the intake throttle 4, an injection-indicative signal INJ for driving the injectors 8 and a size OFF.
  • Injection signal INJ stands for injection start, injection duration and injection end.
  • the size OFF is representative of the other control signals for controlling the internal combustion engine 1, for example, a control signal for controlling an EGR valve.
  • the illustrated common rail system can of course also be designed as a common rail system with individual memories. In this case, the individual memory is integrated in the injector 8, in which case the individual accumulator pressure pE is another input signal of the electronic engine control unit
  • the FIG. 2 shows the high-pressure control loop for regulating the rail pressure as a block diagram.
  • the input variable of the control loop is a nominal rail pressure pCR (SL).
  • the output quantity corresponds to the raw value of the rail pressure pCR.
  • a first actual rail pressure pCR1 (IST) is determined via a first filter 15. This is compared with the desired rail pressure pCR (SL) at a summation point A, resulting in a control deviation ep.
  • a pressure regulator 10 calculates a manipulated variable.
  • the manipulated variable corresponds to a volume flow qV1 whose physical unit is liters / minute.
  • the calculated nominal consumption is added to the volume flow qV1.
  • the volume flow qV1 is then limited via a boundary 11.
  • the limitation 11 can be speed-dependent, input variable nMOT.
  • the output variable of the limitation 11 is a volume flow qV2. If the value of the volume flow qV1 lies in the permissible range, then the value of the volume flow qV2 is equal to the value of the volume flow qV1.
  • the volume flow qV2 is converted into a PWM signal PWM1.
  • the PWM signal PWM1 represents the switch-on duration and the frequency fPWM corresponds to the frequency, for example 50 Hz. The conversion of the operating voltage and the pilot fuel pressure are taken into account.
  • the PWM signal PWM1 is the first input of a switch 13.
  • the second input of the switch 13 is a PWM signal PWM2.
  • the switch 13 is controlled via a function block 17 by means of a control signal SZ.
  • the output signal PWM of the switch 13 corresponds either to the signal PWM1 or to the signal PWM2.
  • the solenoid of the suction throttle is applied.
  • the high-pressure pump, the intake throttle and the rail correspond to a controlled system 14. From the rail, a consumption volume flow qV3 is discharged via the injectors. This closes the control loop.
  • This control loop is supplemented by the temporary PWM specification, which comprises a second filter 16 for calculating a second actual rail pressure pCR2 (IST) and the function block 17 for determining the actuating signal SZ.
  • the second filter 16 has a much smaller time constant than the first filter 15.
  • the functional block 17 is in the FIG. 3 and will be explained in connection with this.
  • the input variables of the function block 17 are a desired torque MSL, a target injection quantity QSL and the target rotational speed nSL.
  • the power-determining signal therefore corresponds either to the setpoint torque MSL or the desired injection quantity QSL or the setpoint speed nSL.
  • an accelerator pedal position can also be used.
  • the switch 13 In control mode, the switch 13 is in the position a.
  • the PWM signal for acting on the controlled system 14 is determined by the pressure regulator 10. If the second actual rail pressure pCR2 (IST) exceeds a limit, the function block 17 changes the signal level of the control signal SZ, whereby the switch 13 is reversed to the position b. In the position b, a PWM value PWM2 which is increased compared to the normal mode is temporarily output via the PWM preset 18. In other words, it is changed from the control mode to the control mode.
  • the temporary PWM specification can-as shown-be implemented in a stepped manner with a first and a second time step of, for example, 10 ms each. After this period then switches the switch 13 back to position a. Thus, the control mode is set again.
  • the FIG. 3 shows the function block 17 for determining the actuating signal SZ, with which the position of the switch 13 is determined.
  • the input variables are the setpoint torque MSL, the set injection quantity QSL and the setpoint speed nSL.
  • the output variable is the actuating signal SZ.
  • a signal S1 determines which of the three input signals is used to determine the limit value (selection 19). Also via the signal S1 is determined which of the three characteristics 21 is activated.
  • the further description is made by way of example on the basis of the setpoint torque MSL.
  • the gradient GRAD of the setpoint torque MSL is determined, and a limit value GW is assigned to the gradient GRAD via the characteristic curve 21.
  • the characteristic 21 is in the FIG. 4 and is explained in connection with this.
  • the limit value GW and the second actual rail pressure pCR2 (IST) are compared with one another. If the second actual rail pressure pCR2 (IST) exceeds the limit value GW, the control signal SZ is set, whereby the switch 13 changes to the position b. In position b, the temporary PWM specification, ie the control mode, is activated.
  • the abscissa shows the gradient GRAD in Nm / s.
  • the limit value GW is plotted in bar.
  • the characteristic curve 21 consists of an abscissa-parallel, first straight line section 22, a second straight line section 23 with a positive slope and an abscissa-parallel, third straight line section 24.
  • the basic idea of the invention is to design the limit value GW variably via the characteristic curve 21. If a high load is dropped during load shedding, the result is a very high negative gradient GRAD (GRAD ⁇ -60000 Nm / s) of the setpoint torque MSL.
  • a mean gradient GRAD (-60000 ⁇ GRAD ⁇ -25000 Nm / s), which is assigned via the second straight section 23, a corresponding limit.
  • the FIG. 5 shows a load shedding as a time diagram.
  • the FIG. 5 consists of the subfigures 5A to 5C.
  • the FIG. 5A shows the course of the target torque MSL over time.
  • the FIG. 5B shows the course of the target rail pressure pCR (SL) as a dot-dash line and the course of the rail pressure pCR (raw values) over time.
  • the FIG. 5C shows the course of the PWM signal PWM over time.
  • the solid line indicates a course according to the prior art
  • the dashed line indicates a course according to the invention. Further consideration was based on load shedding from 100% load to 50% load.
  • the setpoint torque MSL is reduced from 10,000 Nm to 5000 Nm after time t1. Since the desired rail pressure pCR (SL) is calculated via a characteristic map as a function of the setpoint torque MSL and the actual rotational speed, the setpoint rail pressure pCR (SL) decreases after the time t1 from 1800 bar to 1750 bar (FIG. Fig. 5B ). The rail pressure pCR increases after load shedding. Due to the increasing, negative control deviation ( Fig. 2 : ep) the pressure controller calculates an increasing PWM signal in the time range t1 / t2 in the FIG. 5C , Due to the increasing PWM signal PWM, the suction throttle is actuated in the closing direction.
  • the temporary PWM boost is activated by first increasing the PWM signal to 100% and then to 50% duty cycle during the passage of two time stages.
  • the rail pressure pCR drops again, to about 1650 bar.
  • the control deviation therefore increases up to approximately 100 bar. If the rail pressure pCR drops below the setpoint rail pressure pCR (SL), then the time steps of the temporary PWM increase have already expired so that the control mode is reactivated. As a result of the resulting positive control deviation decreases the PWM duty cycle after the time t3 to the minimum value of 4%.
  • the gradient GRAD is calculated from the course of the setpoint torque MSL.
  • Characteristic curve 21 assigns a limit value of 1900 bar to the calculated gradient GRAD in this example. This limit is in the FIG. 5B drawn as time axis parallel line 26.
  • the rail pressure pCR remains below this limit, so that the temporary PWM increase is not activated. It is therefore left in control mode. Due to the initially increasing control deviation, a maximum PWM value of 22% is output, that is to say the suction throttle is completely closed. Like in the FIG. 5B is shown, the rail pressure pCR (dashed line) approaches the target rail pressure pCR (SL) this time without vibrations.
  • the FIG. 6 shows a reduced program flowchart of the method.
  • the control mode is activated.
  • the nominal rail pressure pCR (SL) and the first actual rail pressure pCR1 (IST) are read in and at S2 the control deviation ep is calculated.
  • the gradient GRAD of the power-determining signal is calculated.
  • the power-determining signal corresponds either to the setpoint torque MSL, the desired injection quantity QSL or the setpoint speed nSL.
  • the setpoint torque MSL and the desired injection quantity QSL correspond to the manipulated variable of a speed control loop.
  • a variable limit GW determines a variable limit GW.
  • query result S7 it is queried whether the second actual rail pressure pCR2 (IST) is greater than / equal to the second actual rail pressure pCR2 (IST). If this is not the case, query result S7: no, the control mode remains activated at S9 and the PWM signal still corresponds to the value PWM1. Then the program sequence is ended.
  • query result S7 yes, the control mode is changed at S8 and the temporary PWM increase is activated while the PWM signal PWM corresponds to the signal PWM2. Thereafter, the program sequence is ended.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Steuerungs- und Regelungsverfahren für eine Brennkraftmaschine mit einem Common-Railsystem, bei dem im Normalbetrieb der Raildruck geregelt wird und mit Erkennen eines Lastabwurfs vom Regelungs- in den Steuerungsbetrieb gewechselt wird, wobei im Steuerungsbetrieb das PWM-Signal zur Beaufschlagung der Regelstrecke temporär auf einen gegenüber dem Normalbetrieb erhöhten PWM-Wert gesetzt wird.
  • Bei einem Common-Railsystem fördert eine Hochdruckpumpe den Kraftstoff aus einem Kraftstofftank in ein Rail. Der Zulaufquerschnitt zur Hochdruckpumpe wird über eine veränderliche Saugdrossel festgelegt. Am Rail angeschlossen sind Injektoren über welche der Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Da die Güte der Verbrennung entscheidend vom Druckniveau im Rail abhängt, wird dieses geregelt. Der Hochdruck-Regelkreis umfasst einen Druckregler, die Saugdrossel mit Hochdruckpumpe und das Rail als Regelstrecke sowie ein Filter im Rückkopplungszweig. In diesem Hochdruck-Regelkreis entspricht das Druckniveau im Rail der Regelgröße. Die gemessenen Druckwerte des Rails werden über das Filter in einen Ist-Raildruck gewandelt und mit einem Soll-Raildruck verglichen. Die sich hieraus ergebende Regelabweichung wird dann über den Druckregler in ein Stellsignal für die Saugdrossel gewandelt. Das Stellsignal entspricht z. B. einem Volumenstrom mit der Einheit Liter/Minute. Elektrisch ist das Stellsignal als PWM-Signal mit konstanter Frequenz, zum Beispiel 50 Hz, ausgeführt. Der zuvor beschriebene Hochdruck-Regelkreis ist aus der DE 103 30 466 B3 bekannt.
  • Auf Grund der hohen Dynamik ist ein Lastabwurf regelungstechnisch ein schwer beherrschbarer Vorgang, da nach einem Lastabwurf der Raildruck mit einem Druckgradienten von bis zu 4000 bar/Sekunde ansteigen kann. Über ein passives Druckbegrenzungsventil, welches bei einem Raildruck von 1950 bar öffnet, wird das Common-Railsystem vor einem unzulässig hohen Raildruck geschützt. Wird beispielsweise die Brennkraftmaschine stationär bei einem konstanten Raildruck von 1800 bar betrieben und es erfolgt ein vollständiger Lastabwurf, so beträgt der Zeitraum 37.5 ms bis zum Ansprechen des Druckbegrenzungsventils.
  • Zur Verbesserung der Sicherheit der Druckregelung schlägt die DE 10 2005 029 138 B3 vor, dass nach Erkennen eines Lastabwurfs vom Regelungs- in den Steuerungsbetrieb gewechselt wird. Im Steuerungsbetrieb wird das PWM-Signal zur Ansteuerung der Saugdrossel temporär über eine Treppenfunktion auf einen erhöhten PWM-Wert gesetzt, wodurch der Schließvorgang der Saugdrossel beschleunigt wird und weniger Kraftstoff in das Rail gefördert wird. Nach Ablauf der zeitgesteuerten Treppenfunktion wird dann wieder in den Regelungsbetrieb zurückgekehrt. Erkannt wird ein Lastabwurf daran, dass der Ist-Raildruck einen festen Grenzwert übersteigt. Das dargestellte Verfahren hat sich bei einem vollständigen Lastabwurf, d. h. die Generatorlast wird von 100 % auf 0 % verringert, bewährt.
  • In der Praxis wurde jedoch festgestellt, dass bei einem Teillastabwurf das Verfahren noch nicht optimal ist. Ein Teillastabwurf liegt dann vor, wenn nur einzelne elektrische Verbraucher deaktiviert werden. Unter ungünstigen Umständen können Druckschwingungen im Rail auftreten, welche dadurch verursacht werden, dass mehrfach nacheinander vom Regelungs- in den Steuerungsbetrieb mit temporärer PWM-Vorgabe gewechselt wird.
  • Ausgehend von der in der DE 10 2005 029 138 B3 beschrieben temporären PWM-Vorgabe, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die Druckregelung bei einem Teillastabwurf zu optimieren.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale. In den Unteransprüchen sind die Ausgestaltungen dargestellt.
  • Die Optimierung besteht darin, dass der Grenzwert zur Aktivierung der temporären PWM-Vorgabe in Abhängigkeit des Gradienten eines leistungsbestimmenden Signals berechnet wird. Das leistungsbestimmende Signal entspricht hierbei entweder einer Soll-Drehzahl, einem Soll-Moment oder einer Soll-Einspritzmenge. Die Soll-Drehzahl kann auch einer Fahrpedalstellung entsprechen. Als Maß für die Größe des Lastabwurfs wird der Gradient beispielsweise des Soll-Moments verwendet. Je schneller dieses abnimmt, desto mehr Last wurde abgeworfen. Die Erfindung basiert also auf der Erkenntnis, dass bei einem Lastabwurf zuerst ein Absinken des leistungsbestimmenden Signals erfolgt und erst zeitverzögert der Raildruck ansteigt. Bestimmt wird der Grenzwert über eine eigene Kennlinie, welche in der Form ausgeführt ist, dass bei einem vollständigen Lastabwurf ein niederer Grenzwert eingestellt wird, während hingegen bei einem Teillastabwurf ein höherer Grenzwert eingestellt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist als Ergänzung für das aus der DE 10 2005 029 138 B3 bekannte Verfahren vorgesehen. Von Vorteil ist, dass die Ursache für die Schwingungen des Raildrucks bei einem Teillastabwurf beseitigt ist. Der Raildruck zeigt damit einen gleichmäßigeren Verlauf. Sowohl bei einem vollständigen Lastabwurf als auch bei einem Teillastabwurf wird ein unbeabsichtigtes Öffnen des passiven Überdruckventils bei gleichzeitig stabilem Raildruck verhindert. Als reine Softwarelösung, d. h. zusätzliche Sensoren oder Änderungen am elektronischen Motorsteuergerät sind nicht erforderlich, ist die Umsetzung der Erfindung nahezu kostenneutral.
  • In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
    • Figur 1
    ein Systemschaubild,
    Figur 2
    einen Hockdruck-Regelkreis als Blockschaltbild,
    Figur 3
    ein Blockschaltbild zur Bestimmung eines Ansteuersignals,
    Figur 4
    eine Kennlinie zur Bestimmung des Grenzwerts,
    Figur 5
    einen Lastabwurf als Zeitdiagramm und
    Figur 6
    einen Programm-Ablaufplan.
  • Die Figur 1 zeigt ein Systemschaubild einer elektronisch gesteuerten Brennkraftmaschine 1 mit einem Common-Railsystem. Die Brennkraftmaschine 1 treibt ein nicht dargestelltes Notstromaggregat an. Das Common-Railsystem umfasst als mechanische Komponenten eine Niederdruckpumpe 3 zur Förderung von Kraftstoff aus einem Tank 2, eine Saugdrossel 4 zur Beeinflussung des Volumenstroms, eine Hochdruckpumpe 5, ein Rail 6 und Injektoren 8 zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine 1.
  • Gesteuert wird die Brennkraftmaschine 1 über ein elektronisches Motorsteuergerät 9 (ECU). In der Figur 1 sind als Eingangsgrößen des elektronischen Motorsteuergeräts 9 der Raildruck pCR, welcher über einen Drucksensor 7 erfasst wird, die Motordrehzahl nMOT und eine Größe EIN dargestellt. Die Größe EIN steht stellvertretend für die weiteren Eingangssignale, beispielsweise für die Öl- oder die Kraftstofftemperatur. Die dargestellten Ausgangsgrößen des elektronischen Motorsteuergeräts 9 sind ein PWM-Signal PWM zur Ansteuerung der Saugdrossel 4, ein die Einspritzung kennzeichnendes Signal INJ zur Ansteuerung der Injektoren 8 und eine Größe AUS. Das die Einspritzung kennzeichnende Signal INJ steht für einen Spritzbeginn, eine Spritzdauer und ein Spritzende. Die Größe AUS steht stellvertretend für die weiteren Stellsignale zur Steuerung der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise ein Stellsignal zur Ansteuerung eines AGR-Ventils. Das dargestellte Common-Railsystem kann selbstverständlich auch als Common-Railsystem mit Einzelspeichern ausgeführt sein. In diesem Fall ist der Einzelspeicher im Injektor 8 integriert, wobei dann der Einzelspeicherdruck pE ein weiteres Eingangssignal des elektronischen Motorsteuergeräts 9 ist.
  • Die Figur 2 zeigt den Hochdruck-Regelkreis zur Regelung des Raildrucks als Blockschaltbild. Die Eingangsgröße des Regelkreises ist ein Soll-Raildruck pCR(SL). Die Ausgangsgröße entspricht dem Rohwert des Raildrucks pCR. Aus dem Rohwert des Raildrucks pCR wird über ein erstes Filter 15 ein erster Ist-Raildruck pCR1(IST) bestimmt. Dieser wird mit dem Soll-Raildruck pCR(SL) an einem Summationspunkt A verglichen, woraus eine Regelabweichung ep resultiert. Aus der Regelabweichung ep berechnet ein Druckregler 10 eine Stellgröße. Die Stellgröße entspricht einem Volumenstrom qV1, dessen physikalische Einheit Liter/Minute ist. Optional ist vorgesehen, dass zum Volumenstrom qV1 der berechnete Sollverbrauch addiert wird. Der Volumenstrom qV1 wird dann über eine Begrenzung 11 limitiert. Die Begrenzung 11 kann drehzahlabhängig ausgeführt sein, Eingangsgröße nMOT. Die Ausgangsgröße der Begrenzung 11 ist ein Volumenstrom qV2. Liegt der Wert des Volumenstroms qV1 im zulässigen Bereich, so ist der Wert des Volumenstroms qV2 gleich dem Wert des Volumenstroms qV1. Über eine Berechnung 12 wird der Volumenstrom qV2 in ein PWM-Signal PWM1 umgerechnet. Das PWM-Signal PWM1 stellt hierbei die Einschaltdauer dar und die Frequenz fPWM entspricht der Frequenz, zum Beispiel 50 Hz. Mitberücksichtigt werden bei der Umrechnung die Schwankungen der Betriebsspannung und des Kraftstoffvordrucks. Das PWM-Signal PWM1 ist die erste Eingangsgröße eines Schalters 13. Die zweite Eingangsgröße des Schalters 13 ist ein PWM-Signal PWM2. Angesteuert wird der Schalter 13 über einen Funktionsblock 17 mittels eines Stellsignals SZ. Das Ausgangssignal PWM des Schalters 13 entspricht je nach Stellung des Schalters 13 entweder dem Signal PWM1 oder dem Signal PWM2. Mit dem PWM-Signal PWM wird dann die Magnetspule der Saugdrossel beaufschlagt. Dadurch wird der Weg des Magnetkerns verändert, wodurch der Förderstrom der Hochdruckpumpe frei beeinflusst wird. Die Hochdruckpumpe, die Saugdrossel und das Rail entsprechen einer Regelstrecke 14. Aus dem Rail wird über die Injektoren ein Verbrauchsvolumenstrom qV3 abgeführt. Damit ist der Regelkreis geschlossen.
  • Ergänzt wird dieser Regelkreis durch die temporäre PWM-Vorgabe, welche ein zweites Filter 16 zur Berechnung eines zweiten Ist-Raildrucks pCR2(IST) und den Funktionsblock 17 zur Festlegung des Stellsignals SZ umfasst. Das zweite Filter 16 besitzt eine wesentlich kleinere Zeitkonstante als das erste Filter 15. Der Funktionsblock 17 ist in der Figur 3 dargestellt und wird in Verbindung mit dieser erläutert. Die Eingangsgrößen des Funktionsblocks 17 sind ein Soll-Moment MSL, eine Soll-Einspritzmenge QSL und die Soll-Drehzahl nSL. Das leistungsbestimmende Signal entspricht daher entweder dem Soll-Moment MSL oder der Soll-Einspritzmenge QSL oder der Soll-Drehzahl nSL. Anstelle der Soll-Drehzahl nSL kann auch eine Fahrpedalstellung verwendet werden. Im Regelungsbetrieb befindet sich der Schalter 13 in der Stellung a. In der Stellung a wird das PWM-Signal zur Beaufschlagung der Regelstrecke 14 vom Druckregler 10 bestimmt. Übersteigt der zweite Ist-Raildruck pCR2(IST) einen Grenzwert, so ändert der Funktionsblock 17 den Signalpegel des Stellsignals SZ, wodurch der Schalter 13 in die Stellung b umgesteuert wird. In der Stellung b wird über die PWM-Vorgabe 18 temporär ein gegenüber dem Normalbetrieb erhöhter PWM-Wert PWM2 ausgegeben. Mit anderen Worten: Es wird vom Regelungsbetrieb in den Steuerungsbetrieb gewechselt. Die temporäre PWM-Vorgabe kann - wie dargestellt - treppenförmig mit einer ersten und einer zweiten Zeitstufe von jeweils zum Beispiel 10 ms ausgeführt sein. Nach Ablauf dieses Zeitraums wechselt dann der Schalter 13 zurück in Stellung a. Damit ist wieder der Regelungsbetrieb gesetzt.
  • Die Figur 3 zeigt den Funktionsblock 17 zur Festlegung des Stellsignals SZ, mit welchem die Stellung des Schalters 13 bestimmt wird. Die Eingangsgrößen sind das Soll-Moment MSL, die Soll-Einspritzmenge QSL und die Soll-Drehzahl nSL. Die Ausgangsgröße ist das Stellsignal SZ. Über ein Signal S1 wird festgelegt, welches der drei Eingangssignale zur Bestimmung des Grenzwerts verwendet wird (Auswahl 19). Ebenfalls über das Signal S1 wird festgelegt, welche der drei Kennlinien 21 aktiviert ist. Die weitere Beschreibung erfolgt beispielhaft an Hand des Soll-Moments MSL. Über eine Berechnung 20 wird der Gradient GRAD des Soll-Moment MSL bestimmt und über die Kennlinie 21 dem Gradienten GRAD ein Grenzwert GW zugeordnet. Die Kennlinie 21 ist in der Figur 4 dargestellt und wird in Verbindung mit dieser erklärt. Über einen Vergleicher 25 werden der Grenzwert GW und der zweite Ist-Raildruck pCR2(IST) miteinander verglichen. Übersteigt der zweite Ist-Raildruck pCR2(IST) den Grenzwert GW, so wird das Stellsignal SZ gesetzt, wodurch der Schalter 13 in die Stellung b wechselt. In der Stellung b ist die temporäre PWM-Vorgabe, also der Steuerungsbetrieb, aktiviert.
  • In der Figur 4 ist eine der drei Kennlinien 21, hier für das Soll-Moment als Eingangsgröße, dargestellt. Auf der Abszisse ist der Gradient GRAD in Nm/s aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Grenzwert GW in bar aufgetragen. Die Kennlinie 21 besteht aus einem abszissenparallelen, ersten Geradenabschnitt 22, einem zweiten Geradenabschnitt 23 mit positiver Steigung und einem abszissenparallelen, dritten Geradenabschnitt 24. Grundgedanke der Erfindung ist es, den Grenzwert GW über die Kennlinie 21 variabel zu gestalten. Wird bei einem Lastabwurf eine hohe Last abgeworfen, so ergibt sich ein sehr hoher negativer Gradient GRAD (GRAD < -60000 Nm/s) des Sollmoments MSL. Über den ersten Geradenabschnitt 22 wird daher ein Grenzwert GW berechnet, der nur wenig oberhalb des maximalen stationären Raildrucks von 1800 bar liegt, hier: 1840 bar. Hierdurch wird verhindert, dass die temporäre PWM-Erhöhung zu spät aktiviert wird und das passive Druckbegrenzungsventil bei einem Raildruck von 1950 bar anspricht. Wird hingegen bei einem Lastabwurf eine kleine bis mittlere Last abgeworfen, so ergibt sich ein kleiner negativer Gradient GRAD (0>GRAD>-25000 Nm/s) des Soll-Moments MSL. Über den dritten Geradenabschnitt 24 wird daher ein Grenzwert von GW=1970 bar berechnet, so dass ein Auslösen der temporären PWM-Erhöhung ohne Wirkung bleibt. Wird eine mittlere Last abgeworfen, so ergibt sich ein mittlerer Gradient GRAD (-60000<GRAD<-25000 Nm/s), welchem über den zweiten Geradenabschnitt 23 ein entsprechender Grenzwert zugeordnet wird. Beispielsweise wird einem Gradient GRAD= -43000 Nm/s über den Arbeitspunkt A auf dem zweiten Geradenabschnitt 23 ein Grenzwert von GW=1900 bar zugewiesen.
  • Die Figur 5 zeigt einen Lastabwurf als Zeitdiagramm. Die Figur 5 besteht aus den Teilfiguren 5A bis 5C. Die Figur 5A zeigt den Verlauf des Soll-Moments MSL über der Zeit. Die Figur 5B zeigt den Verlauf des Soll-Raildrucks pCR(SL) als strichpunktierte Linie sowie den Verlauf des Raildrucks pCR (Rohwerte) über der Zeit. Die Figur 5C zeigt den Verlauf des PWM-Signals PWM über der Zeit. In der Figur 5B und der Figur 5C kennzeichnet die durchgezogene Linie einen Verlauf nach dem Stand der Technik, während hingegen die gestrichelte Linie einen Verlauf gemäß der Erfindung kennzeichnet. Der weiteren Betrachtung wurde ein Lastabwurf von 100 % Last auf 50 % Last zu Grunde gelegt.
  • Der Ablauf des Verfahrens nach dem Stand der Technik ist folgendermaßen:
  • Das Soll-Moment MSL wird nach dem Zeitpunkt t1 von 10000 Nm auf 5000 Nm reduziert. Da der Soll-Raildruck pCR(SL) über ein Kennfeld in Abhängigkeit des Soll-Moments MSL und der Ist-Drehzahl berechnet wird, verringert sich der Soll-Raildruck pCR(SL) nach dem Zeitpunkt t1 von 1800 bar auf 1750 bar (Fig. 5B). Der Raildruck pCR steigt nach dem Lastabwurf an. Auf Grund der zunehmenden, negativen Regelabweichung (Fig. 2: ep) berechnet der Druckregler ein zunehmendes PWM-Signal im Zeitbereich t1/t2 in der Figur 5C. Durch das zunehmende PWM-Signal PWM wird die Saugdrossel in Schließrichtung betätigt. Zum Zeitpunkt t2 übersteigt der Raildruck pCR den festen Grenzwert GW=1840 bar, wodurch vom Regelungs- in den Steuerungsbetrieb gewechselt wird. Im Steuerungsbetrieb ist die temporäre PWM-Erhöhung aktiviert, indem das PWM-Signal während dem Ablauf von zwei Zeitstufen zunächst auf 100 % und dann auf 50 % Einschaltdauer erhöht wird. Als Folge der temporären PWM-Erhöhung fällt der Raildruck pCR wieder, und zwar bis auf ungefähr 1650 bar. Die Regelabweichung steigt daher bis auf ungefähr 100 bar an. Fällt der Raildruck pCR unter den Soll-Raildruck pCR(SL), so sind die Zeitstufen der temporären PWM-Erhöhung bereits abgelaufen, so dass der Regelungsbetrieb wieder aktiviert ist. In Folge der sich ergebenden positiven Regelabweichung sinkt die PWM-Einschaltdauer nach dem Zeitpunkt t3 auf den Minimalwert von 4 % ab. Die Saugdrossel ist nunmehr wieder vollständig geöffnet, so dass der Raildruck pCR stark ansteigt. Da der Soll-Raildruck pCR(SL) bei 50 % Last nur 50 bar unterhalb des Soll-Raildrucks bei 100 % Last liegt, erreicht der Raildruck pCR beim Überschwingen (Zeitraum t4/t5) wieder den Grenzwert GW mit 1840 bar. Es wird daher zum Zeitpunkt t5 erneut in den Steuerungsbetrieb gewechselt und die temporäre PWM-Erhöhung aktiviert. Als Folge fällt der Raildruck pCR wieder ab. Wie aus der Figur 5B an Hand des Raildrucks pCR (durchgezogene Linie) deutlich sichtbar ist, verursacht das mehrfache Aktivieren der temporären PWM-Erhöhung entsprechende Druckschwingungen des Raildrucks pCR.
  • Der Ablauf des Verfahrens nach der Erfindung ist folgendermaßen:
  • Aus dem Verlauf des Soll-Moments MSL wird der Gradient GRAD berechnet. Über die Kennlinie 21 wird dem berechneten Gradienten GRAD in diesem Beispiel ein Grenzwert von 1900 bar zugeordnet. Dieser Grenzwert ist in der Figur 5B als zeitachsenparallele Linie 26 eingezeichnet. Der Raildruck pCR bleibt unterhalb dieses Grenzwerts, so dass die temporäre PWM-Erhöhung nicht aktiviert wird. Es wird daher im Regelungsbetrieb verblieben. Auf Grund der anfänglich zunehmenden Regelabweichung wird ein maximaler PWM-Wert von 22 % ausgegeben, das heißt, die Saugdrossel ist vollständig geschlossen. Wie in der Figur 5B dargestellt ist, nähert sich der Raildruck pCR (gestrichelte Linie) dem Soll-Raildruck pCR(SL) diesmal ohne Schwingungen an.
  • Die Figur 6 zeigt einen reduzierten Programm-Ablaufplan des Verfahrens. Zu Beginn des Verfahrens ist der Regelungsbetrieb aktiviert. Bei S1 werden der Soll-Raildruck pCR(SL) und der erste Ist-Raildruck pCR1 (IST) eingelesen und bei S2 die Regelabweichung ep berechnet. An Hand der Regelabweichung ep bestimmt der Druckregler seine Stellgröße, welche in das PWM-Signal PWM1 umgesetzt wird, S3. Mit diesem wird dann die Regelstrecke beaufschlagt, da der Schalter (Fig. 2: 13) sich in der Stellung a befindet. Es gilt daher PWM=PWM1, S4. Bei S5 wird der Gradient GRAD des leistungsbestimmenden Signals berechnet. Das leistungsbestimmende Signal entspricht entweder dem Soll-Moment MSL, der Soll-Einspritzmenge QSL oder der Soll-Drehzahl nSL. Das Soll-Moment MSL und die Soll-Einspritzmenge QSL entsprechen der Stellgröße eines Drehzahl-Regelkreises. Bei S6 wird dann über die ausgewählte Kennlinie (Fig. 4: 21) ein variabler Grenzwert GW bestimmt. Danach wird bei S7 abgefragt, ob der zweite Ist-Raildruck pCR2(IST) größer als der/gleich dem zweiten Ist-Raildruck pCR2(IST) ist. Ist dies nicht der Fall, Abfrageergebnis S7: nein, bleibt bei S9 der Regelungsbetrieb aktiviert und das PWM-Signal entspricht nach wie vor dem Wert PWM1. Dann wird der Programmablauf beendet. Wurde hingegen bei S7 festgestellt, dass der zweite Ist-Raildruck pCR2(IST) größer als der/gleich dem Grenzwert GW ist, Abfrageergebnis S7: ja, so wird bei S8 in den Steuerungsbetrieb gewechselt und die temporäre PWM-Erhöhung aktiviert, während der das PWM-Signal PWM dem Signal PWM2 entspricht. Danach wird der Programmablauf beendet.
    • Bezugszeichen
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Tank
    3
    Niederdruckpumpe
    4
    Saugdrossel
    5
    Hochdruckpumpe
    6
    Rail
    7
    Drucksensor (Rail)
    8
    Injektor
    9
    elektronisches Motorsteuergerät (ECU)
    10
    Druckregler
    11
    Begrenzung
    12
    Berechnung PWM-Signal
    13
    Schalter
    14
    Regelstrecke
    15
    erstes Filter
    16
    zweites Filter
    17
    Funktionsblock
    18
    PWM-Vorgabe
    19
    Auswahl
    20
    Berechnung
    21
    Kennlinie
    22
    erster Geradenabschnitt
    23
    zweiter Geradenabschnitt
    24
    dritter Geradenabschnitt
    25
    Vergleicher
    26
    Grenzwert

Claims (4)

  1. Steuerungs- und Regetungsverfahren für eine Brennkraftmaschine (1) mit einem Common-Railsystem, bei dem im Normalbetrieb der Raildruck (pCR) geregelt wird, indem eine Regelabweichung (ep) des Raildrucks (pCR) berechnet wird und ein PWM-Signal (PWM) zur Ansteuerung einer Saugdrossel (4) als Teil der Regelstrecke (14) über einen Druckregler (10) an Hand der Regelabweichung (ep) festgelegt wird, wobei ein zunehmendes PWM-Signal (PWM) die Saugdrossel (4) in Schließrichtung betätigt, wodurch der Förderstrom einer Hochdruckpumpe (5) verringert wird, bei dem ein Lastabwurf erkannt wird, wenn der Raildruck (pCR) einen Grenzwert (GW) übersteigt und bei dem mit Erkennen eines Lastabwurfs der Raildruck (pCR) gesteuert wird, indem das PWM-Signal (PWM) über eine PWM-Vorgabe (18) temporär auf einen gegenüber dem Normalbetrieb erhöhten PWM-Wert (PWM2) gesetzt wird.
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Grenzwert (GW) zur Aktivierung der temporären PWM-Vorgabe in Abhängigkeit des Gradienten (GRAD) eines leistungsbestimmenden Signals berechnet wird, wobei das leistungsbestimmende Signal entweder einem Soll-Moment (MSL), einer Soll-Einspritzmenge (QSL) oder einer Soll-Drehzahl (nSL) entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Grenzwert (GW) über eine auswählbare Kennlinie (21) bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Soll-Moment (MSL) oder die Soll-Einspritzmenge (QSL) als Stellgröße in einem Drehzahl-Regelkreis bestimmt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Soll-Drehzahl (nSL) einer Fahrpedalstellung entspricht.
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