EP2491238A1 - Verfahren zur steuerung und regelung einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur steuerung und regelung einer brennkraftmaschine

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EP2491238A1
EP2491238A1 EP10768696A EP10768696A EP2491238A1 EP 2491238 A1 EP2491238 A1 EP 2491238A1 EP 10768696 A EP10768696 A EP 10768696A EP 10768696 A EP10768696 A EP 10768696A EP 2491238 A1 EP2491238 A1 EP 2491238A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
rail
rail pressure
volume flow
pressure control
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10768696A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Armin DÖLKER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rolls Royce Solutions GmbH
Original Assignee
MTU Friedrichshafen GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a method for controlling and regulating a
  • low-pressure-side suction throttle is controlled as the first pressure actuator in a rail pressure control loop and simultaneously the rail pressure is acted upon via a high-pressure side pressure control valve as a second pressure actuator with a rail pressure disturbance by a pressure control valve volume flow is removed from the rail into a fuel tank via the high pressure side pressure control valve.
  • a rail pressure control loop comprises a reference junction for determining a control deviation, a pressure regulator for calculating a control signal, the controlled system and a
  • the controlled system comprises the pressure actuator, the rail and the injectors for injecting the fuel into the combustion chambers of the internal combustion engine.
  • DE 103 30 466 B3 shows a corresponding common rail system in which the pressure regulator accesses via the control signal to a suction throttle arranged on the low pressure side. In turn, the inlet cross-section to the high-pressure pump and thus the delivered fuel volume are determined via the suction throttle.
  • a common Railsystem with pressure control of the rail pressure via a low-pressure suction throttle is also known as the first pressure actuator.
  • a high-pressure side pressure control valve is provided as a second pressure actuator, via which a pressure control valve volume flow is diverted from the rail into the fuel tank.
  • the actual rail pressure is a significant input variable.
  • a defective rail pressure sensor or an error in the signal detection of the rail pressure therefore causes a false actual rail pressure and causes a faulty control of both the suction throttle as the first pressure actuator and the pressure control valve as a second pressure actuator.
  • An error protection in case of failure of the rail pressure sensor is not shown in the specified reference.
  • the invention is therefore based on the object to make a common rail system with a rail pressure control via a low-pressure suction throttle as the first pressure actuator and a high-pressure side pressure control valve as the second pressure actuator safer.
  • Suction choke can be controlled depending on the same default size.
  • Default quantity corresponds to a desired emergency operating volume flow, which is calculated via an emergency operating characteristic map as a function of a desired injection quantity and the engine speed.
  • the central procedure of the invention thus consists in that after failure of the rail pressure sensor is switched in a first step to the emergency operating map for calculating the nominal emergency operating volume flow, in a second step, the pressure regulator is deactivated and in a third step, the target emergency operating flow as authoritative manipulated variable of the rail pressure control loop and is set as the authoritative setpoint for the pressure control valve.
  • the emergency operating map is designed in such a way that a pressure control valve volume flow is removed from the rail into the fuel tank in the entire operating range of the internal combustion engine. In practice, the case may occur that after a failure of the rail pressure sensor, the rail pressure increases. The reason for this is a high pressure pump, which at the upper tolerance limit, so more promotes. But since the pressure control valve at constant
  • FIG. 1 shows a system diagram
  • FIG. 2 shows a rail pressure control loop
  • FIG. 3 shows a functional block of the rail pressure control loop
  • FIG. 4 shows the rail pressure control loop with control
  • FIG. 5 shows an injector map
  • FIG. 6 shows a current control circuit
  • FIG. 7 shows a state diagram
  • FIG. 8 shows a time diagram
  • FIG. 9 shows a program flowchart (pressure control valve)
  • FIG. 1 shows a system diagram of an electronically controlled
  • the common rail system comprises the following mechanical components: a low-pressure pump 3 for
  • Fuel volume flow a high-pressure pump 5 to promote the fuel with pressure increase, a rail 6 for storing the fuel and injectors 7 for injecting the fuel into the combustion chambers of the internal combustion engine 1.
  • the common rail system can also be designed with individual memories, in which case Example in the injector 7 a single memory 8 as an additional buffer volume
  • a passive pressure relief valve 11 is provided, which abgrest the fuel from the rail 6 into the fuel tank 2 in the open state.
  • controllable pressure control valve 12 also connects the rail 6 with the
  • Fuel tank 2 On the position of the pressure control valve 12 is a
  • the operation of the internal combustion engine 1 is determined by an electronic control unit (ECU) 10.
  • the electronic control unit 10 includes the usual
  • Components of a microcomputer system such as a microprocessor, I / O devices, buffers and memory devices (EEPROM, RAM).
  • EEPROM electrically erasable programmable read-only memory
  • RAM random access memory
  • Memory chips are the relevant for the operation of the internal combustion engine 1 operating data applied in maps / curves. About this calculates the
  • the electronic control unit 10 from the input variables the output variables.
  • the following input variables are shown by way of example in FIG. 1: the rail pressure pCR, which is measured by means of a rail pressure sensor 9, an engine speed nMOT, a signal FP for output specification by the operator and an input variable EIN.
  • the other sensor signals are summarized, for example, the charge air pressure of an exhaust gas turbocharger.
  • the output variables of the electronic control unit 10 are a PWM signal PWMSD for controlling the suction throttle 4 as the first pressure actuator, a signal ve for controlling the injectors 7 (injection start / injection end), a PWM signal PWMDV for Control of the pressure control valve 12 as a second pressure actuator and a
  • the PWM signal PWMDV defines the position of the pressure regulating valve 12 and thus the pressure regulating valve volume flow VDRV as a rail pressure disturbance variable.
  • the output variable AUS is representative of the others
  • FIG. 2 shows a rail pressure control loop 13 for controlling the rail pressure pCR
  • the input variables of the rail pressure control circuit 13 are: a target rail pressure pCR (SL), a target consumption Wb, a signal RDD, a quantity E, the engine speed n OT, the PWM fundamental frequency fPWM and a quantity E1.
  • the size E has the value zero in normal operation while in the emergency mode the size E corresponds to the nominal emergency operating volume flow VNB (SL). Under the size E1, for example, the battery voltage and the ohmic resistance of Saugdrosselspule are combined with supply, which are included in the calculation of the PWM signal.
  • the signal RDD is set when a defective rail pressure sensor is detected.
  • Output variables of the rail pressure control loop 13 are the raw value of the rail pressure pCR, an actual rail pressure pCR (IST) and a dynamic rail pressure pCR (DYN).
  • the actual rail pressure pCR (IST) and the dynamic rail pressure pCR (DYN) are further processed in the control shown in FIG.
  • a pressure regulator 14 calculates its control variable, which corresponds to a regulator volume flow VR with the physical unit liters / minute.
  • the calculated nominal consumption Wb is added to a summation point B.
  • the target consumption Wb is calculated via a calculation 30, which is shown in FIG. 4 and explained in connection therewith.
  • the result of the addition at the summation point B corresponds to a total volume flow VS.
  • the sum volume flow VS becomes the quantity E, here: 0
  • the unlimited nominal volumetric flow VSDu (SL) for the intake throttle is then limited via a limit 16 as a function of the engine speed nMOT.
  • the output variable of the limitation 16 corresponds to a desired volume flow VSD (SL) of the suction throttle.
  • a corresponding desired electric current iSD (SL) of the suction throttle is assigned via the pump characteristic curve 17, a corresponding desired electric current iSD (SL) of the suction throttle.
  • the desired current iSD (SL) is converted in a calculation 18 into a PWM signal PWMSD for controlling the intake throttle.
  • the PWM signal PWMSD represents the duty cycle and the frequency fPWM corresponds to the fundamental frequency. With the PWM signal PWMSD then the solenoid of the suction throttle is applied. In the figure 3, the suction throttle and the
  • High-pressure pump combined in a unit 19.
  • PWM signal PWMSD the path of the magnetic core of the suction throttle is changed, whereby the flow rate of the high-pressure pump is freely influenced.
  • the suction throttle is normally open and is acted upon by the PWM control in the direction of the closed position.
  • the calculation of the PWM signal 18 may be subordinated to a current control loop with the controlled variable iHD, a filter 20 and the actual variable iHD (IST).
  • Output variable of the function block 15 is the actual volume flow VHDP conveyed by the high-pressure pump.
  • This volume flow VHDP see FIG. 2, is conveyed into the rail 6.
  • the pressure level in the rail 6 is detected via the rail pressure sensor and the actual rail pressure pCR (IST) is calculated via the first filter 21 and the dynamic rail pressure pCR (DYN) is calculated via a second filter 22.
  • the second filter 22 in this case has a smaller time constant and a lower phase delay than the first filter 21. Thus, the rail pressure control loop is closed.
  • the signal RDD is set, whereby the switch SR1 changes to position 2 and the regulator volume flow VR is set as no longer determinative.
  • the quantity E is set from the value zero to the value of the nominal emergency operating volume flow VNB (SL), which is calculated via an emergency operating characteristic map.
  • the emergency operating map is explained in more detail in connection with FIG.
  • the unlimited nominal volumetric flow VSDu (SL) of the intake throttle is therefore calculated from the sum of the nominal consumption Wb and the size E, here: the setpoint Emergency operating volume flow VNB (SL).
  • the conversion of the unlimited nominal volumetric flow VSDu (SL) into the control signal for the intake throttle takes place via the function block 15 as described above.
  • FIG. 2 shows a possible supplement for the case of a defective rail pressure sensor.
  • the switch SR1 changes to a position 3, whereby now the total volume flow VS is calculated from the desired consumption Wb and a leakage volume flow VLKG.
  • the leakage volume flow VLKG is determined via a leakage map 23 as a function of a desired injection quantity Q (SL) and the engine speed nMOT.
  • the desired injection quantity Q (SL) can either be calculated via a characteristic map as a function of the power requirement or corresponds to the manipulated variable of a speed controller.
  • the unlimited nominal volumetric flow VSDu (SL) for the intake throttle is then calculated from the sum of the leakage volumetric flow VLKG, the desired fuel consumption Wb and the nominal emergency operating volumetric flow VNB (SL).
  • the conversion into the drive signal for the suction throttle then takes place via the function block 15 as described above
  • FIG. 4 shows a block diagram of the greatly simplified rail pressure control loop 13 (FIG. 2, FIG. 3) and a control 24.
  • the control valve 24 sets the pressure regulating valve volume flow VDRV as a rail pressure disturbance variable.
  • the inputs of the controller 24 are: the engine speed nMOT, the target injection amount Q (SL) or a target torque MSL, the signal RDD, the size E1 for the calculation of the PWM signal PWMDV, and a quantity E2.
  • the size E2 includes the desired rail pressure pCR (SL), the actual rail pressure pCR (IST) and the dynamic rail pressure pCR (DYN).
  • the desired injection quantity Q (SL) is determined either via a characteristic map as a function of
  • Required power is calculated or corresponds to the manipulated variable of a speed controller.
  • the physical unit of the target injection amount Q (SL) is mm 3 / stroke.
  • the target torque MSL is used instead of the target injection quantity Q (SL).
  • the outputs of the controller 24 are the
  • Engine speed nMOT, the target injection amount Q (SL) and the size E2 is calculated by a calculation 25, a target volume flow VDV (SL) for the pressure control valve.
  • the calculation 25 summarizes the calculation of a static volume flow (VSTAT), a dynamic volume flow (VDYN), the addition of the two volume flows and the limitation as a function of the actual rail pressure pCR (IST). Also on the basis of the engine speed nMOT and the target injection quantity Q (SL) is on the
  • the desired volume flow VDV (SL) of the pressure regulating valve is an input variable of a pressure regulating valve characteristic map 26.
  • the second input quantity represents the actual rail pressure pCR (IST), since the switch SR4 is in the position 1.
  • a desired current iDV (SL) of the pressure regulating valve is then calculated and, via a PWM calculation 27, into the duty cycle PWMDV
  • Pressure control valve 12 adjusting electric current iDV is converted to current control via a filter 28 in an actual current iDV (IST) and fed back to the calculation PWM signal 27.
  • the output signal of the pressure regulating valve 12 corresponds to the
  • Pressure control valve volume flow VDRV so that the fuel flow, which is diverted from the rail in the fuel tank.
  • the signal RDD is set, causing the switches SR2, SR3 and SR4 to change to position 2.
  • the nominal emergency operating volume flow VNB (SL) is an input variable of the pressure control valve characteristic map 26. The set emergency operating volume flow is calculated
  • VNB (SL) via an emergency operating map 31 as a function of the desired injection quantity Q (SL) and the engine speed nMOT.
  • the emergency operating map 31 is designed in the form that in the entire operating range of the internal combustion engine, a pressure control valve volume flow VDRV greater than zero (VDRV> 0 liters / minute) from the rail in the
  • the setpoint emergency operating volume flow VNB (SL) is both the default value for the high-pressure-side pressure control valve 12 and for the low-pressure-side suction throttle in the rail pressure control loop 13.
  • the second input variable of the pressure control valve characteristic diagram 26 is now the setpoint -Railtik pCR (SL), since the switch SR4 occupies the position 2.
  • the setpoint current iDV (SL) for the pressure regulating valve is therefore calculated via the pressure regulating valve characteristic map 26 as a function of the setpoint rail pressure pCR (SL) and of the setpoint emergency operating volume flow VNB (SL).
  • Pressure control valve volume flow VDRV then takes place as described above.
  • the setpoint high pressure pCR (SL) is one of the two input variables of the pressure control valve characteristic map 26 in emergency mode. If the actual rail pressure pCR (IST) exceeds the setpoint rail pressure pCR (SL), an excessively high setpoint current iDV ( SL). Consequently, the actual diverted volume flow VDRV is greater than the desired emergency operating volume flow VNB (SL). Thus, the rail pressure control loop is held a smaller volume flow than actually on the pressure control valve
  • FIG. 5 shows an injector map via which the energization duration of an injector is calculated.
  • the input variables are the desired rail pressure pCR (SL), the actual rail pressure pCR (IST), the signal RDD and the target injection quantity Q (SL).
  • the output quantity is the energization time BD.
  • the switch SR5 is in position 1, that is, the pressure pINJ is identical to the actual rail pressure pCR (IST).
  • the current flow duration BD is then calculated via the injector map 32 as a function of the pressure pINJ, ie the actual rail pressure pCR (IST), and the desired injection quantity Q (SL). If the rail pressure sensor fails, the signal RDD is set, whereby the switch SR5 changes to position 2.
  • the energization duration BD is calculated as a function of the desired injection quantity Q (SL) and the target rail pressure pCR (SL). If the actual rail pressure pCR (IST) fluctuates after the rail pressure sensor has failed at a lower pressure level than the set rail pressure pCR (SL), too little fuel is injected. As a result, the speed of the internal combustion engine decreases. In a speed control of the internal combustion engine then the speed controller will calculate a larger target injection quantity Q (SL) as a manipulated variable to keep the speed at the target speed.
  • FIG. 6 shows the current control circuit 29 from FIG. 4.
  • the input variables are the desired current iDV (SL) of the pressure regulating valve, a quantity E3, a quotient 100 / UBAT and a temporary PWM signal PWMt.
  • the output variable is the pressure control valve volume flow VDRV.
  • the current control circuit 29 is formed from a current regulator 33, a switch SR6, the pressure regulating valve 12 as a controlled system and the filter 28 in the feedback branch. As a manipulated variable, the current controller 33 outputs a regulator voltage UR, which multiplies the quotient 100 / UBAT to give the PWM signal PWMR. This is an input of switch SR6. The other two inputs to switch SR6 are zero and the temporary PWM is PWMt.
  • the temporary PWM signal PWMt is implemented in such a way that an increased PWM value, for example 80%, is output in a time-controlled manner.
  • the output signal of the switch SR6 corresponds to the PWM signal PWMDV, with which the pressure regulating valve 12 is driven.
  • the adjusting the pressure regulating valve 12 electric current iDV is measured and calculated via the filter 28, the actual current iDV (IST), which then to the current controller 33rd
  • FIG. 7 shows a state diagram for the various functional states and the corresponding transitions.
  • the reference numeral 34 denotes a
  • Standstill function the reference numeral 35, the operating function and the reference numeral 36, the protective function.
  • Pressure control valve is calculated.
  • the setpoint current iDV (SL) of the pressure regulating valve is calculated as a function of the actual rail pressure pCR (IST) and of the setpoint volume flow VDV (SL) via the pressure regulating valve characteristic map.
  • the check as to whether the protective function is enabled takes place by means of a flag, which is referred to in the further description as a flag.
  • the marker prevents oscillation between the operating and protective functions.
  • the switch SR6 (FIG. 6) is in the position 2 in which the PWM signal PWMDV for controlling the pressure regulating valve is calculated as a function of the setpoint current iDV (SL) of the pressure regulating valve.
  • the setpoint current iDV (SL) is calculated as a function of the setpoint rail pressure pCR (SL) and the setpoint emergency operating volume flow VNB (SL).
  • FIG. 8 shows a time diagram by means of which the behavior of the high-pressure control in the event of a failure of the rail pressure sensor is shown.
  • FIG. 8 consists of the partial diagrams 8A to 8D. These show in each case over time: the signal RDD in FIG. 8A, a volume flow V of the pressure regulating valve in FIG. 8B, the rail pressure pCR in FIG. 8C and that of the high-pressure pump
  • target consumption Wb is shown as a dashed line in FIG. 8D.
  • the following conditions apply:
  • the high-pressure pump used has a lower flow rate than one
  • Comparison pump which is characterized by the pump characteristic, and at
  • the regulator volumetric flow rate calculated by the pressure regulator is set to the value of zero liters / minute, that is, the switch SR1 in FIG. 2 has the position 2.
  • a defect occurs in the rail pressure sensor, that is, in FIG. 8A, the signal RDD is set to the value one and changed to the emergency mode in that the switches SR2, SR3 and SR4 each change to position 2.
  • the target emergency operating volume flow VNB (SL) is set as the default value for the pressure control valve.
  • the actual rail pressure pCR (IST) initially decreases in FIG. 8C.
  • the pressure regulating valve volumetric flow VDRV which is diverted via the pressure regulating valve is actually smaller than the nominal emergency operating volumetric flow VNB (SL), since the pressure regulating valve characteristic map (FIG. 4: 26) has the setpoint pressure after the rail pressure sensor has failed.
  • Rail pressure pCR (SL) as input and this is now greater than the actual rail pressure pCR (IST).
  • the actual rail pressure pCR (IST) and the pressure control valve volume flow VDRV settle at a new level, which is lower than the corresponding setpoints.
  • the pressure control valve volume flow VDRV is 0.25 liters / minute less than the nominal emergency operating volume flow VNB (SL).
  • IST actual rail pressure pCR
  • SL target rail pressure pCR
  • FIG. 9 is a program flowchart for calculating the PWM signal
  • Switch SR2 to SR4 take the position one. After transition from the
  • Position 2 that is, the PWM signal PWMDV is calculated.
  • a static volume flow VSTAT is calculated as a function of the desired injection quantity and the engine speed and a dynamic volume flow VDYN as a function of the target rail pressure and the actual rail pressure or the dynamic rail pressure.
  • VDV (SL) of the pressure control valve is set.
  • the steps S3 to S5 are described in the
  • Pressure control valve map on the basis of the actual rail pressure pCR (IST) and the target volume flow VDV (SL) of the pressure control valve, the target current iDV (SL) for the
  • the PWM signal PWMDV for controlling the pressure regulating valve is then determined at S12. This completes the program in emergency mode.
  • FIG. 10 shows a program flowchart for calculating the PWM signal PWMSD of the suction throttle.
  • the program flow was the
  • the regulator volumetric flow VR becomes
  • Control value of the pressure regulator calculated from the control deviation ep.
  • Control deviation ep is determined from the difference between setpoint rail pressure pCR (SL) and actual rail pressure pCR (IST). Subsequently, it is checked at S2 whether the rail pressure sensor is defective. If this is not the case, query result S2: no, then the program part is run through with S3 and S4. Otherwise the program part with S5 to S7.
  • the normal operation is set in S3 and then the unlimited nominal volumetric flow VSDu (SL) for the intake throttle is calculated from the sum of regulator volumetric flow VR and nominal consumption Wb at S4. Thereafter, the unlimited volumetric flow VSDu (SL) is limited as a function of the engine speed at S8. The result corresponds to the nominal volume flow VSD (SL), which is indicated by the pump characteristic at
  • the unlimited volumetric flow VSDu (SL) is limited as a function of the engine speed at S8.
  • the result corresponds to the nominal volume flow VSD (SL), which is assigned a setpoint current iSD (SL) via the pump characteristic curve at S9.
  • the PWM signal PWMSD is calculated from the setpoint current iSD (SL) at S10. This completes the program sequence for emergency operation.
  • ECU electronice control unit
  • Pressure control valve electrically controllable

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem im Normalbetrieb der Raildruck (pCR) über eine niederdruckseitige Saugdrossel (4) als erstes Druckstellglied in einem Raildruck-Regelkreis geregelt wird sowie gleichzeitig der Raildruck (pCR) über ein hochdruckseitiges Druckregelventil (12) als zweites Druckstellglied mit einer Raildruck-Störgröße beaufschlagt wird, indem über das hochdruckseitige Druckregelventil (12) ein Druckregelventil-Volumenstrom (VDRV) aus dem Rail (6) in einen Kraftstofftank (2) abgesteuert wird, und bei dem mit Erkennen eines defekten Rail-Drucksensors (9) in einen Notbetrieb gewechselt wird, in welchem das hochdruckseitige Druckregelventil (12) und die niederdruckseitige Saugdrossel (4) in Abhängigkeit derselben Vorgabegröße angesteuert werden.

Description

Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer
Brennkraftmaschine, bei dem im Normalbetrieb der Raildruck über eine
niederdruckseitige Saugdrossel als erstes Druckstellglied in einem Raildruck-Regelkreis geregelt wird und gleichzeitig der Raildruck über ein hochdruckseitiges Druckregelventil als zweites Druckstellglied mit einer Raildruck-Störgröße beaufschlagt wird, indem über das hochdruckseitige Druckregelventil ein Druckregelventil-Volumenstrom aus dem Rail in einen Kraftstofftank abgesteuert wird.
Bei einer Brennkraftmaschine mit Common-Railsystem wird die Güte der Verbrennung maßgeblich über das Druckniveau im Rail bestimmt. Zur Einhaltung der gesetzlichen Emissionsgrenzwerte wird daher der Raildruck geregelt. Typischerweise umfasst ein Raildruck-Regelkreis eine Vergleichsstelle zur Bestimmung einer Regelabweichung, einen Druckregler zum Berechnen eines Stellsignals, die Regelstrecke und ein
Softwarefilter im Rückkopplungszweig zur Berechnung des Ist-Raildrucks aus den Rohwerten des Raildrucks. Berechnet wird die Regelabweichung aus einem Soll- Raildruck zum Ist-Raildruck. Die Regelstrecke umfasst das Druckstellglied, das Rail und die Injektoren zum Einspritzen des Kraftstoffs in die Brennräume der Brennkraftmaschine. So zeigt beispielweise die DE 103 30 466 B3 ein entsprechendes Common-Railsystem, bei dem der Druckregler über das Stellsignal auf eine niederdruckseitig angeordnete Saugdrossel zugreift. Über die Saugdrossel wiederum wird der Zulaufquerschnitt zur Hochdruckpumpe und damit das geförderte Kraftstoffvolumen festgelegt.
Aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2009 031 527.6 ist ebenfalls ein Common- Railsystem mit Druckregelung des Raildrucks über eine niederdruckseitige Saugdrossel als erstes Druckstellglied bekannt. Ergänzend ist bei diesem Common-Railsystem ein hochdruckseitiges Druckregelventil als zweites Druckstellglied vorgesehen, über welches ein Druckregelventil-Volumenstrom aus dem Rail in den Kraftstofftank abgesteuert wird. Über die Ansteuerung des Druckregelventils wird eine Konstantleckage mit zum Beispiel 2 Liter/Minute im Schwachlastbereich nachgebildet. Im Normalbetriebsbereich hingegen wird kein Kraftstoff aus dem Rail abgesteuert. Bestimmt wird der Druckregelventil- Volumenstrom an Hand eines Soll-Volumenstroms mit einem statischen und einem dynamischen Anteil. Bei der Berechnung des dynamischen Anteils und bei der
Berechnung des Stellsignals für den Raildruck-Regelkreis ist der Ist-Raildruck eine maßgebliche Eingangsgröße. Ein defekter Rail-Drucksensor oder ein Fehler in der Signalerfassung des Raildrucks verursacht daher einen falschen Ist-Raildruck und bewirkt eine fehlerhafte Ansteuerung sowohl der Saugdrossel als erstes Druckstellglied als auch des Druckregelventils als zweites Druckstellglied. Eine Fehlerabsicherung bei Ausfall des Rail-Drucksensors ist bei der angegebenen Fundstelle nicht aufgezeigt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Common-Railsystem mit einer Raildruckregelung über eine niederdruckseitige Saugdrossel als erstem Druckstellglied und einem hochdruckseitigen Druckregelventil als zweitem Druckstellglied sicherer zu gestalten.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Wurde ein defekter Rail-Drucksensor erkannt, so erfolgt ein Wechsel in einen Notbetrieb, in welchem das hochdruckseitige Druckregelventil und die niederdruckseitige
Saugdrossel in Abhängigkeit derselben Vorgabegröße angesteuert werden. Die
Vorgabegröße wiederum entspricht einem Soll-Notbetriebsvolumenstrom, welcher über ein Notbetriebskennfeld in Abhängigkeit einer Soll-Einspritzmenge und der Motordrehzahl berechnet wird. Der zentrale Verfahrensablauf der Erfindung besteht also darin, dass nach Ausfall des Rail-Drucksensors in einem ersten Schritt auf das Notbetriebskennfeld zur Berechnung des Soll-Notbetriebsvolumenstroms umgeschaltet wird, in einem zweiten Schritt der Druckregler deaktiviert wird und in einem dritten Schritt der Soll- Notbetriebsvolumenstrom als maßgebliche Stellgröße des Raildruck-Regelkreises und als maßgeblicher Sollwert für das Druckregelventil gesetzt wird. Das Notbetriebskennfeld ist in der Form ausgeführt, dass im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ein Druckregelventil-Volumenstrom aus dem Rail in den Kraftstofftank abgesteuert wird. In der Praxis kann der Fall eintreten, dass nach einem Ausfall des Rail-Drucksensors der Raildruck ansteigt. Ursache hierfür ist eine Hochdruckpumpe, welche an der oberen Toleranzgrenze, also mehr, fördert. Da aber das Druckregelventil bei konstanter
Vorgabegröße mit zunehmendem Raildruck einen größeren Druckregelventil- Volumenstrom in den Tank absteuert, wird dem Druckanstieg im Rail entgegen gewirkt. Indem also dieselbe Vorgabegröße sowohl für das Druckregelventil als auch für den Raildruck-Regelkreis im Notbetrieb zur Anwendung kommt, wird die Betriebssicherheit entscheidend verbessert. Im Notbetrieb stellt sich im eingeschwungenen Zustand zwar eine Abweichung des Ist- zum Soll-Raildruck ein, in der Praxis ist diese Abweichung jedoch sehr gering, typischerweise kleiner 50 bar bei 2400 bar Soll-Raildruck. Die geringe Abweichung gestattet eine hohe Motorleistung auch im Notbetrieb. Ein weiterer positiver Effekt des geringen Druckunterschieds besteht darin, dass die Emissionen im Notbetrieb nur wenig von den Emissionen im Normalbetrieb abweichen.
Ergänzend ist vorgesehen, dass im Notbetrieb dem Soll-Notbetriebsvolumenstrom als Stellgröße des Raildruck-Regelkreises ein Leckage-Volumenstrom überlagert wird, welcher über ein Leckage-Kennfeld in Abhängigkeit der Soll-Einspritzmenge und der Motordrehzahl berechnet wird. Über das Leckage-Kennfeld wird eine präzisere
Anpassung erreicht.
In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 ein Systemschaubild,
Figur 2 einen Raildruck-Regelkreis,
Figur 3 einen Funktionsblock des Raildruck-Regelkreises,
Figur 4 den Raildruck-Regelkreis mit Steuerung,
Figur 5 ein Injektorkennfeld,
Figur 6 einen Stromregelkreis,
Figur 7 ein Zustandsdiagramm,
Figur 8 ein Zeitdiagramm,
Figur 9 einen Programm-Ablaufplan (Druckregelventil) und
Figur 10 einen Pogramm-Ablaufplan (Saugdrossel). Die Figur 1 zeigt ein Systemschaubild einer elektronisch gesteuerten
Brennkraftmaschine 1 mit einem Common-Railsystem. Das Common-Railsystem umfasst folgende mechanische Komponenten: eine Niederdruckpumpe 3 zur
Förderung von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 2, eine veränderbare,
niederdruckseitige Saugdrossel 4 zur Beeinflussung des durchströmenden
Kraftstoff-Volumenstroms, eine Hochdruckpumpe 5 zur Förderung des Kraftstoffs unter Druckerhöhung, ein Rail 6 zum Speichern des Kraftstoffs und Injektoren 7 zum Einspritzen des Kraftstoffs in die Brennräume der Brennkraftmaschine 1. Optional kann das Common-Railsystem auch mit Einzelspeichern ausgeführt sein, wobei dann zum Beispiel im Injektor 7 ein Einzelspeicher 8 als zusätzliches Puffervolumen
integriert ist. Als Schutz vor einem unzulässig hohen Druckniveau im Rail 6 ist ein passives Druckbegrenzungsventil 11 vorgesehen, welches im geöffneten Zustand den Kraftstoff aus dem Rail 6 in den Kraftstofftank 2 absteuert. Ein elektrisch
ansteuerbares Druckregelventil 12 verbindet ebenfalls das Rail 6 mit dem
Kraftstofftank 2. Über die Stellung des Druckregelventils 12 wird ein
Kraftstoffvolumenstrom definiert, welcher aus dem Rail 6 in den Kraftstofftank 2 abgeleitet wird und daher eine Raildruck-Störgröße darstellt. Im weiteren Text wird dieser Kraftstoffvolumenstrom als Druckregelventil-Volumenstrom VDRV bezeichnet.
Die Betriebsweise der Brennkraftmaschine 1 wird durch ein elektronisches Steuergerät (ECU) 10 bestimmt. Das elektronische Steuergerät 10 beinhaltet die üblichen
Bestandteile eines Mikrocomputersystems, beispielsweise einen Mikroprozessor, I/O-Bausteine, Puffer und Speicherbausteine (EEPROM, RAM). In den
Speicherbausteinen sind die für den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 relevanten Betriebsdaten in Kennfeldern/Kennlinien appliziert. Über diese berechnet das
elektronische Steuergerät 10 aus den Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen. In der Figur 1 sind exemplarisch folgende Eingangsgrößen dargestellt: der Raildruck pCR, der mittels eines Rail-Drucksensors 9 gemessen wird, eine Motordrehzahl nMOT, ein Signal FP zur Leistungsvorgabe durch den Betreiber und eine Eingangsgröße EIN. Unter der
Eingangsgröße EIN sind die weiteren Sensorsignale zusammengefasst, beispielsweise der Ladeluftdruck eines Abgasturboladers.
In Figur 1 sind als Ausgangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 10 ein PWM-Signal PWMSD zur Ansteuerung der Saugdrossel 4 als erstes Druckstellglied, ein Signal ve zur Ansteuerung der Injektoren 7 (Spritzbeginn/Spritzende), ein PWM-Signal PWMDV zur Ansteuerung des Druckregelventils 12 als zweites Druckstellglied und eine
Ausgangsgröße AUS dargestellt. Über das PWM-Signal PWMDV wird die Stellung des Druckregelventils 12 und damit der Druckregelventil-Volumenstrom VDRV als Raildruck- Störgröße definiert. Die Ausgangsgröße AUS steht stellvertretend für die weiteren
Stellsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 1 , beispielsweise für ein Stellsignal zur Aktivierung eines zweiten Abgasturboladers bei einer
Registeraufladung.
In der Figur 2 ist ein Raildruck-Regelkreis 13 zur Regelung des Raildrucks pCR
dargestellt. Die Eingangsgrößen des Raildruck-Regelkreises 13 sind: ein Soll-Raildruck pCR(SL), ein Soll-Verbrauch Wb, ein Signal RDD, eine Größe E, die Motordrehzahl n OT, die PWM-Grundfrequenz fPWM und eine Größe E1. Die Größe E besitzt den Wert Null im Normalbetrieb während hingegen im Notbetrieb die Größe E dem Soll- Notbetriebsvolumenstrom VNB(SL) entspricht. Unter der Größe E1 sind beispielsweise die Batteriespannung und der ohmsche Widerstand der Saugdrosselspule mit Zuleitung zusammengefasst, welche in die Berechnung des PWM-Signals mit eingehen. Das Signal RDD wird dann gesetzt, wenn ein defekter Rail-Drucksensor erkannt wird. Die
Ausgangsgrößen des Raildruck-Regelkreises 13 sind der Rohwert des Raildrucks pCR, ein Ist-Raildruck pCR(IST) und ein dynamischer Raildruck pCR(DYN). Der Ist-Raildruck pCR(IST) und der dynamische Raildruck pCR(DYN) werden in der in Figur 4 dargestellten Steuerung weiterverarbeitet.
Die weitere Beschreibung erfolgt zunächst für den Normalbetrieb, bei dem sich der Schalter SR1 in der Stellung 1 befindet und die Größe E den Wert Null hat. Aus dem Rohwert des Raildrucks pCR wird mittels eines ersten Filters 21 der Ist-Raildruck pCR(IST) berechnet. Dieser wird dann mit dem Sollwert pCR(SL) an einem
Summationspunkt A verglichen, woraus eine Regelabweichung ep resultiert. Aus der Regelabweichung ep berechnet ein Druckregler 14 seine Stellgröße, welche einem Regler-Volumenstrom VR mit der physikalischen Einheit Liter/Minute entspricht. Zum Regler-Volumenstrom VR wird an einem Summationspunkt B der berechnete Soll- Verbrauch Wb addiert. Berechnet wird der Soll-Verbrauch Wb über eine Berechnung 30, welche in der Figur 4 dargestellt ist und in Verbindung mit dieser erklärt wird. Das Ergebnis der Addition am Summationspunkt B entspricht einem Summenvolumenstrom VS. An einem Punkt C wird zum Summenvolumenstrom VS die Größe E, hier: 0
Liter/Minute, addiert. Das Ergebnis entspricht einem unbegrenzten Soll-Volumenstrom VSDu(SL) der Saugdrossel, welcher eine Eingangsgröße des Funktionsblocks 15 ist. Die Erklärung des Funktionsblocks 15 erfolgt nunmehr gemeinsam mit der Figur 3.
Der unbegrenzte Soll-Volumenstrom VSDu(SL) für die Saugdrossel wird dann über eine Begrenzung 16 in Abhängigkeit der Motordrehzahl nMOT limitiert. Die Ausgangsgröße der Begrenzung 16 entspricht einem Soll-Volumenstrom VSD(SL) der Saugdrossel.
Diesem wird über die Pumpenkennlinie 17 ein entsprechender elektrischer Soll-Strom iSD(SL) der Saugdrossel zugeordnet. Der Soll-Strom iSD(SL) wird in einer Berechnung 18 in ein PWM-Signal PWMSD zur Ansteuerung der Saugdrossel umgerechnet. Das PWM-Signal PWMSD stellt hierbei die Einschaltdauer dar und die Frequenz fPWM entspricht der Grundfrequenz. Mit dem PWM-Signal PWMSD wird dann die Magnetspule der Saugdrossel beaufschlagt. In der Figur 3 sind die Saugdrossel und die
Hochdruckpumpe in einer Einheit 19 zusammengefasst. Durch das PWM-Signal PWMSD wird der Weg des Magnetkerns der Saugdrossel verändert, wodurch der Förderstrom der Hochdruckpumpe frei beeinflusst wird. Aus Sicherheitsgründen ist die Saugdrossel stromlos offen und wird über die PWM-Ansteuerung in Richtung der Schließstellung beaufschlagt. Der Berechnung des PWM-Signals 18 kann ein Stromregelkreis mit der Regelgröße iHD, einem Filter 20 und der Ist-Größe iHD(IST) unterlagert sein. Die
Ausgangsgröße des Funktionsblocks 15 ist der tatsächliche von der Hochdruckpumpe geförderte Volumenstrom VHDP. Dieser Volumenstrom VHDP, siehe Figur 2, wird in das Rail 6 gefördert. Das Druckniveau im Rail 6 wird über den Rail-Drucksensor erfasst und über das erste Filter 21 der Ist-Raildruck pCR(IST) und über ein zweite Filter 22 der dynamische Raildruck pCR(DYN) berechnet. Das zweite Filter 22 besitzt hierbei eine kleinere Zeitkonstante und einen geringeren Phasenverzug als das erste Filter 21. Damit ist der Raildruck-Regelkreis geschlossen.
Wird nun ein defekter Rail-Drucksensor erkannt, so ist eine korrekte Berechnung der Regelabweichung ep und des Regler-Volumenstroms VR nicht mehr möglich. Daher wird in einem ersten Schritt das Signal RDD gesetzt, wodurch der Schalter SR1 in die Stellung 2 wechselt und der Regler-Volumenstrom VR als nicht mehr bestimmend gesetzt ist. In einem zweiten Schritt wird die Größe E vom Wert Null auf den Wert des Soll- Notbetriebsvolumenstroms VNB(SL) gesetzt, welcher über ein Notbetriebskennfeld berechnet wird. Das Notbetriebskennfeld wird in Verbindung mit der Figur 4 näher erklärt. Der unbegrenzte Soll-Volumenstrom VSDu(SL) der Saugdrossel berechnet sich daher aus der Summe des Soll-Verbrauchs Wb und der Größe E, hier: des Soll- Notbetriebsvolumenstroms VNB(SL). Die Umrechnung des unbegrenzten Soll- Volumenstroms VSDu(SL) in das Ansteuersignal für die Saugdrossel erfolgt wie zuvor beschrieben über den Funktionsblock 15.
In der Figur 2 ist eine mögliche Ergänzung für den Fall eines defekten Rail-Drucksensors dargestellt. Bei defektem Rail-Drucksensor wechselt der Schalter SR1 in eine Stellung 3, wodurch sich nunmehr der Summen-Volumenstrom VS aus dem Soll-Verbrauch Wb und einem Leckage-Volumenstrom VLKG berechnet. Bestimmt wird der Leckage- Volumenstrom VLKG über ein Leckage-Kennfeld 23 in Abhängigkeit einer Soll- Einspritzmenge Q(SL) und der Motordrehzahl nMOT. Die Soll-Einspritzmenge Q(SL) wiederum kann entweder über ein Kennfeld in Abhängigkeit des Leistungswunsches berechnet werden oder entspricht der Stellgröße eines Drehzahlreglers. Der unbegrenzte Soll-Volumenstrom VSDu(SL) für die Saugdrossel berechnet sich dann aus der Summe des Leckage-Volumenstroms VLKG, des Soll-Verbrauchs Wb und des Soll- Notbetriebsvolumenstroms VNB(SL). Die Umrechnung in das Ansteuersignal für die Saugdrossel erfolgt dann wie zuvor beschrieben über den Funktionsblock 15. Die
Ergänzung über das Leckage-Kennfeld 23 bietet den Vorteil einer besseren
Systemanpassung bei Ausfall des Rail-Drucksensors.
Die Figur 4 zeigt als Blockschaltbild den stark vereinfachten Raildruck-Regelkreis 13 (Figur 2, Figur 3) und eine Steuerung 24. Über die Steuerung 24 wird als Raildruck- Störgröße der Druckregelventil-Volumenstrom VDRV eingestellt. Die Eingangsgrößen der Steuerung 24 sind: die Motordrehzahl nMOT, die Soll-Einspritzmenge Q(SL) oder ein Soll-Moment MSL, das Signal RDD, die Größe E1 für die Berechnung des PWM-Signals PWMDV und eine Größe E2. Unter der Größe E2 sind der Soll-Raildruck pCR(SL), der Ist-Raildruck pCR(IST) und der dynamische Raildruck pCR(DYN) zusammengefasst. Die Soll-Einspritzmenge Q(SL) wird entweder über ein Kennfeld in Abhängigkeit des
Leistungswunsches berechnet oder entspricht der Stellgröße eines Drehzahlreglers. Die physikalische Einheit der Soll-Einspritzmenge Q(SL) ist mm3/Hub. Bei einer
momentenbasierten Struktur wird anstelle der Soll-Einspritzmenge Q(SL) das Soll- Moment MSL verwendet. Die Ausgangsgrößen der Steuerung 24 sind der
Druckregelventil-Volumenstrom VDRV, der Soll-Verbrauch Wb und die Größe E. Der Soll-Verbrauch Wb und die Größe E sind Eingangsgrößen des Raildruck-Regelkreises 13. Die weitere Beschreibung erfolgt zunächst für den Normalbetrieb, bei dem sich die Schalter SR2, SR3 und SR4 jeweils in der Stellung 1 befinden. An Hand der
Motordrehzahl nMOT, der Soll-Einspritzmenge Q(SL) und der Größe E2 wird über eine Berechnung 25 ein Soll-Volumenstrom VDV(SL) für das Druckregelventil berechnet. In der Berechnung 25 sind die Berechnung eines statischen Volumenstroms (VSTAT), eines dynamischen Volumenstroms (VDYN), die Addition der beiden Volumenströme und die Begrenzung in Abhängigkeit des Ist-Raildrucks pCR(IST) zusammengefasst. Ebenfalls an Hand der Motordrehzahl nMOT und der Soll-Einspritzmenge Q(SL) wird über die
Berechnung 30 der Soll-Verbrauch Wb berechnet, welcher eine Eingangsgröße des Raildruck-Regelkreises 13 ist. Der Soll-Volumenstrom VDV(SL) des Druckregelventils ist eine Eingangsgröße eines Druckregelventil-Kennfelds 26. Die zweite Eingangsgröße stellt der Ist-Raildruck pCR(IST) dar, da der Schalter SR4 in der Stellung 1 ist. In Abhängigkeit der beiden Eingangsgrößen wird dann ein Soll-Strom iDV(SL) des Druckregelventils berechnet und über eine PWM-Berechnung 27 in die Einschaltdauer PWMDV
umgerechnet, mit welcher das Druckregelventil 12 angesteuert wird. Der Umrechnung kann eine Stromregelung, Stromregelkreis 29 unterlagert sein. Der sich am
Druckregelventil 12 einstellende elektrische Strom iDV wird zur Stromregelung über ein Filter 28 in einen Ist-Strom iDV(IST) umgerechnet und auf die Berechnung PWM-Signal 27 zurückgekoppelt. Das Ausgangssignal des Druckregelventils 12 entspricht dem
Druckregelventil-Volumenstrom VDRV, also demjenigen Kraftstoffvolumenstrom, welcher aus dem Rail in den Kraftstofftank abgesteuert wird.
Wird nun ein defekter Rail-Drucksensor erkannt, so wird das Signal RDD gesetzt, wodurch die Schalter SR2, SR3 und SR4 in die Stellung 2 wechseln. In der Stellung 2 des Schalters SR2 ist der Soll-Notbetriebsvolumenstrom VNB(SL) eine Eingangsgröße des Druckregelventil-Kennfelds 26. Berechnet wird der Soll-Notbetriebsvolumenstrom
VNB(SL) über ein Notbetriebskennfeld 31 in Abhängigkeit der Soll-Einspritzmenge Q(SL) und der Motordrehzahl nMOT. Das Notbetriebskennfeld 31 ist in der Form ausgeführt, dass im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ein Druckregelventil- Volumenstrom VDRV größer Null (VDRV > 0 Liter/Minute) aus dem Rail in den
Kraftstofftank abgesteuert wird. Unter Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ist der Drehzahlbereich zwischen der Startdrehzahl (Leerlaufdrehzahl) bis zur Abregeldrehzahl oder zwischen einem Leerlaufmoment und dem Maximalmoment zu verstehen. Der Soll- Notbetriebsvolumenstrom VNB(SL) ist jetzt auch eine Eingangsgröße des Raildruck- Regelkreises 13, da der Schalter SR3 die Stellung 2 einnimmt und damit die Größe E dem Soll-Notbetriebsvolumenstrom VNB(SL) entspricht (E=VNB(SL)). Mit anderen Worten: Bei defektem Rail-Drucksensor ist der Soll-Notbetriebsvolumenstrom VNB(SL) sowohl die Vorgabegröße für das hochdruckseitige Druckregelventil 12 als auch für die niederdruckseitige Saugdrossel im Raildruck-Regelkreis 13. Die zweite Eingangsgröße des Druckregelventil-Kennfelds 26 ist jetzt der Soll-Raildruck pCR(SL), da der Schalter SR4 die Stellung 2 einnimmt. Der Soll-Strom iDV(SL) für das Druckregelventil wird über das Druckregelventil-Kennfeld 26 daher in Abhängigkeit des Soll-Raildrucks pCR(SL) und des Soll-Notbetriebsvolumenstroms VNB(SL) berechnet. Die Umsetzung in den
Druckregelventil-Volumenstrom VDRV erfolgt dann wie zuvor beschrieben.
Fördert die Hochdruckpumpe an der oberen Toleranzgrenze, so steigt im Notbetrieb der Raddruck zunächst an. Der Soll-Hochdruck pCR(SL) ist im Notbetrieb eine der beiden Eingangsgrößen des Druckregelventil-Kennfelds 26. Überschreitet nun der Ist-Raildruck pCR(IST) den Soll-Raildruck pCR(SL), so wird ein zu großer Soll-Strom iDV(SL) berechnet. Folglich ist der tatsächliche abgesteuerte Volumenstrom VDRV größer als der Soll-Notbetriebsvolumenstrom VNB(SL). Damit wird dem Raildruck-Regelkreis ein kleinerer Volumenstrom vorgehalten, als über das Druckregelventil tatsächlich
abgesteuert wird. Dadurch wird der Druckerhöhung im Rail entgegengewirkt.
Die Figur 5 zeigt ein Injektorkennfeld über welches die Bestromungsdauer eines Injektors berechnet wird. Die Eingangsgrößen sind der Soll-Raildruck pCR(SL), der Ist-Raildruck pCR(IST), das Signal RDD und die Soll-Einspritzmenge Q(SL). Die Ausgangsgröße ist die Bestromungsdauer BD. Im Normalbetrieb befindet sich der Schalter SR5 in der Stellung 1 , das heißt, der Druck pINJ ist identisch mit dem Ist-Raildruck pCR(IST). Über das Injektorkennfeld 32 wird dann in Abhängigkeit des Drucks pINJ, also dem Ist- Raildruck pCR(IST), und der Soll-Einspritzmenge Q(SL) die Bestromungsdauer BD berechnet. Fällt der Rail-Drucksensor aus, so wird das Signal RDD gesetzt, wodurch der Schalter SR5 in die Stellung 2 wechselt. Nunmehr wird die Bestromungsdauer BD in Abhängigkeit der Soll-Einspritzmenge Q(SL) und des Soll-Raildrucks pCR(SL) berechnet. Pendelt sich der Ist-Raildruck pCR(IST) nach Ausfall des Rail-Drucksensors auf einem niedrigeren Druckniveau als dem Soll-Raildruck pCR(SL) ein, so wird zu wenig Kraftstoff eingespritzt. Als Folge davon sinkt die Drehzahl der Brennkraftmaschine. Bei einer Drehzahlregelung der Brennkraftmaschine wird dann der Drehzahlregler eine größere Soll-Einspritzmenge Q(SL) als Stellgröße berechnen um die Drehzahl auf der Soll- Drehzahl zu halten. Die Figur 6 zeigt den Stromregelkreis 29 aus der Figur 4. Die Eingangsgrößen sind der Soll-Strom iDV(SL) des Druckregelventils, eine Größe E3, ein Quotient 100/UBAT und ein temporäres PWM-Signal PWMt. Die Ausgangsgröße ist der Druckregelventil- Volumenstrom VDRV. Gebildet wird der Stromregelkreis 29 aus einem Stromregler 33, einem Schalter SR6, dem Druckregelventil 12 als Regelstrecke und dem Filter 28 im Rückkopplungszweig. Als Stellgröße gibt der Stromregler 33 eine Regler-Spannung UR aus, welche mit dem Quotienten 100/UBAT multipliziert das PWM-Signal PWMR ergibt. Dieses ist eine Eingangsgröße des Schalters SR6. Die beiden anderen Eingangssignale des Schalters SR6 sind der Wert Null und das temporäre PWM-Signal PWMt. Das temporäre PWM-Signal PWMt ist in der Form ausgeführt, dass zeitstufengesteuert ein erhöhter PWM-Wert, zum Beispiel 80%, ausgegeben wird. Über den Schalter SR6 werden verschiedene Funktionszustände dargestellt. Befindet sich der Schalter in der Stellung SR6=1 , so ist eine Stillstandfunktion gesetzt. In der Stellung SR6=2 ist eine Betriebsfunktion gesetzt und in der Stellung SR5=3 ist eine Schutzfunktion gesetzt. Die Schutzfunktion wird dann gesetzt, wenn der dynamische Raildruck pCR(DYN) einen Maximalwert übersteigt. Das Ausgangssignal des Schalters SR6 entspricht dem PWM- Signal PWMDV, mit welchem das Druckregelventil 12 angesteuert wird. Der sich am Druckregelventil 12 einstellende elektrische Strom iDV wird gemessen und über das Filter 28 der Ist-Strom iDV(IST) berechnet, welcher dann auf den Stromregler 33
zurückgekoppelt wird. Damit ist der Stromregelkreis 29 geschlossen.
Die Figur 7 zeigt ein Zustandsdiagramm für die verschiedenen Funktionszustände und die entsprechenden Transitionen. Das Bezugszeichen 34 kennzeichnet eine
Stillstandfunktion, das Bezugszeichen 35 die Betriebsfunktion und das Bezugszeichen 36 die Schutzfunktion. Die Stillstandfunktion 34 ist dann gesetzt, wenn ein Motorstillstand erkannt wird. Bei gesetzter Stillstandfunktion 34 ist das Druckregelventil (DRV) nicht aktiviert, da der Schalter SR6 (Fig. 6) in der Stellung 1 ist und daher ein PWM-Wert von Null ausgegeben wird. Es gilt also PWMDV=0 %.
Bei fehlerfreiem Rail-Drucksensor (RDD=0) erfolgt ein Wechsel von der Stillstandfunktion 34 in die Betriebsfunktion 35, wenn der Ist-Raildruck pCR(IST) einen Startwert pSTART, zum Beispiel pSTART=800 bar, übersteigt, eine verifizierte Motordrehzahl erkannt wird und kein defekter Rail-Drucksensor (RDD=0) vorliegt. Beim Übergang wechselt der Schalter SR6 (Fig. 6) in die Stellung 2, in welcher das PWM-Signal PWMDV zur Ansteuerung des Druckregelventils in Abhängigkeit des Soll-Stroms iDV(SL) des
Druckregelventils berechnet wird. Bei fehlerfreiem Rail-Drucksensor wird der Soll-Strom iDV(SL) des Druckregelventils in Abhängigkeit des Ist-Raildrucks pCR(IST) und des Soll- Volumenstroms VDV(SL) über das Druckregelventil-Kennfeld berechnet. Der Wechsel zurück in die Stillstandfunktion 34 erfolgt, wenn ein Motorstillstand erkannt wird (BKM=0). Wird bei gesetzter Betriebsfunktion 35 erkannt, dass der dynamische Raildruck pCR(DYN) einen maximalen Druckwert pMAX übersteigt, so wird geprüft, ob erstens die Schutzfunktion 36 freigegeben ist und zweitens der Rail-Drucksensor fehlerfrei ist (RDD=0). Die Prüfung, ob die Schutzfunktion freigegeben ist, erfolgt an Hand eines Flags, welches in der weiteren Beschreibung als Merker bezeichnet wird. Über den Merker wird ein Pendeln zwischen der Betriebs- und der Schutzfunktion unterbunden. Beim Wechsel in die Schutzfunktion 36 wird der Schalter SR6 in die Stellung SR6=3 umgesteuert. In dieser Stellung wird das PWM-Signal PWMDV temporär auf einen Maximalwert gesetzt, zum Beispiel PWMt=80%. Es gilt PWMDV=PWMt. Diese
Zeitfunktion kann auch als zeitgesteuerte Treppenfunktion mit unterschiedlichen Werten, zum Beispiel Wert 1 PWMt=80% und Wert 2 PWMt=60%, ausgeführt sein. Ist eine Zeitstufe t1 abgelaufen, dann wird die Schutzfunktion 36 zurückgesetzt und die
Betriebsfunktion 35 wieder gesetzt. Der Schalter SR6 wechselt dann wieder zurück in die Stellung 2 (SR6=2). Freigegeben wird die Schutzfunktion 36 erst dann wieder, wenn der dynamische Raildruck pCR(DYN) den maximalen Druckwert pMAX um einen
Hysteresewert unterschreitet.
Wird ein defekter Rail-Drucksensor erkannt, so kann der Ist-Raildruck pCR(IST) nicht mehr sensiert werden. In diesem Fall wird nur dann aus der Stillstandfunktion 34 in die Betriebsfunktion 35 gewechselt, wenn die Motordrehzahl nMOT eine Startdrehzahl nSTART übersteigt. Bei gesetzter Betriebsfunktion 35 befindet sich der Schalter SR6 (Fig. 6) in der Stellung 2, in welcher das PWM-Signal PWMDV zur Ansteuerung des Druckregelventils in Abhängigkeit des Soll-Stroms iDV(SL) des Druckregelventils berechnet wird. Der Soll-Strom iDV(SL) wird jetzt hingegen in Abhängigkeit des Soll- Raildrucks pCR(SL) und des Soll-Notbetriebsvolumenstroms VNB(SL) berechnet.
Zugleich wird der Soll-Notbetriebsvolumenstrom VNB(SL) als Vorgabegröße für die niederdruckseitige Saugdrossel im Raildruck-Regelkreis gesetzt. Der Wechsel zurück in die Stillstandfunktion 34 erfolgt, wenn ein Motorstillstand erkannt wird (BKM=0). Bei gesetzter Betriebsfunktion 35 wird ein Wechsel in die Schutzfunktion 36 unterbunden, da die Fehlerfreiheit des Rail-Drucksensors gegeben sein muss. Die Figur 8 zeigt ein Zeitdiagramm, an Hand dessen das Verhalten der Hochdruckregelung bei Ausfall des Rail-Drucksensors dargestellt ist. Die Figur 8 besteht aus den Teildiagrammen 8A bis 8D. Diese zeigen jeweils über der Zeit: das Signal RDD in der Figur 8A, einen Volumenstrom V des Druckregelventils in Figur 8B, den Raildruck pCR in der Figur 8C und den von der Hochdruckpumpe
geförderten Volumenstrom VHDP in der Figur 8D. In der Figur 8B ist als
durchgezogene Linie der Soll-Notbetriebsvolumenstrom VNB(SL) und als gestrichelte Linie der tatsächliche vom Druckregelventil abgesteuerte Druckregelventil- Volumenstrom VDRV eingezeichnet. In der Figur 8C ist als durchgezogene Linie der Soll-Raildruck pCR(SL) und als gestrichelt Linie der Ist-Raildruck pCR(IST)
eingezeichnet. In der Figur 8D ist zusätzlich der Soll-Verbrauch Wb als gestrichelte Linie dargestellt. Beim dargestellten Fallbeispiel gelten folgende Voraussetzungen:
die verwendete Hochdruckpumpe hat eine geringere Förderleistung als eine
Vergleichspumpe, welche durch die Pumpenkennlinie charakterisiert ist, und bei
Ausfall des Rail-Drucksensors wird der vom Druckregler berechnete Regler- Volumenstrom auf den Wert Null Liter/Minute gesetzt, das heißt, der Schalter SR1 in der Figur 2 hat die Stellung 2.
Vor dem Zeitpunkt t1 liegt keine Raildruck-Regelabweichung vor. Der Ist-Raildruck pCR(IST) entspricht daher dem Soll-Raildruck pCR(SL), siehe Figur 8C. Da keine
Regelabweichung vorliegt, wird von der Hochdruckpumpe lediglich der Soll-Verbrauch von Wb=1 Liter/Minute gefördert, siehe Figur 8D. Zum Zeitpunkt t1 tritt ein Defekt am Rail-Drucksensor auf, das heißt, in der Figur 8A wird daher das Signal RDD auf den Wert Eins gesetzt und in den Notbetrieb gewechselt, indem die Schalter SR2, SR3 und SR4 jeweils in die Stellung 2 wechseln. Nunmehr wird der Soll-Notbetriebsvolumenstrom VNB(SL) als Vorgabegröße für das Druckregelventil gesetzt. Berechnet wird der Soll- Notbetriebsvolumenstrom VNB(SL) über das Notbetriebskennfeld. Im vorliegenden Beispiel wird über das Notbetriebskennfeld ein Soll-Notbetriebsvolumen von VNB(SL)=2 Liter/Minute absteuert (Fig. 8B). Da die Hochdruckpumpe zu wenig Kraftstoff fördert, sinkt der Ist-Raildruck pCR(IST) in Figur 8C zunächst ab. Dies hat zur Folge, dass der über das Druckregelventil abgesteuerte Druckregelventil-Volumenstrom VDRV tatsächlich kleiner wird als der Soll-Notbetriebsvolumenstrom VNB(SL), denn das Druckregelventil- Kennfeld (Fig. 4: 26) hat nach Ausfall des Rail-Drucksensors den Soll-Raildruck pCR(SL) als Eingangsgröße und dieser ist nun größer als der Ist-Raildruck pCR(IST). Nach einem Einschwingvorgang pendeln sich der Ist-Raildruck pCR(IST) und der Druckregelventil- Volumenstrom VDRV auf einem neuen Niveau ein, welches tiefer als die entsprechenden Sollwerte liegt. Da mit Ausfall des Rail-Drucksensors zum Zeitpunkt t1 der Soll- Notbetriebsvolumenstrom VNB(SL) auch die Eingangsgröße für den Raildruck-Regelkreis wird, erhöht sich der von der Hochdruckpumpe geförderte Volumenstrom VHDP um den Betrag des Soll-Notbetriebsvolumenstroms VNB(SL), hier: 2 Liter/Minute. In Figur 8D nimmt daher der Volumenstrom VHDP auf den Wert VHDP=3 Liter/Minute zu. Im eingeschwungenen Zustand ist der Druckregelventil-Volumenstrom VDRV um 0.25 Liter/Minute kleiner als der Soll-Notbetriebsvolumenstrom VNB(SL). Für den Ist-Raildruck pCR(IST) ergibt sich ein Druckniveau, welches um 50 bar unterhalb des Soll-Raildrucks pCR(SL) liegt, siehe Figur 8C.
In der Figur 9 ist ein Programm-Ablaufplan zur Berechnung des PWM-Signals
PWMDV des Druckregelventils dargestellt. Bei S1 wird geprüft, ob ein defekter Rail- Drucksensor vorliegt. Ist dies nicht der Fall, Abfrageergebnis S1 : nein, so wird der Programmteil S2 bis S7 durchlaufen. Bei defektem Rail-Drucksensor wird der
Programmteil S8 bis S11 durchlaufen. Wurde bei S1 ein fehlerfreier Rail- Drucksensor festgestellt, so wird bei S2 der Normalbetrieb gesetzt, indem die
Schalter SR2 bis SR4 die Stellung Eins einnehmen. Nach Übergang aus der
Stillstand- in die Betriebsfunktion wechselt dann noch der Schalter SR6 in die
Stellung 2, das heißt, das PWM-Signal PWMDV wird berechnet. Bei S3 werden ein statischer Volumenstrom VSTAT in Abhängigkeit der Soll-Einspritzmenge und der Motordrehzahl und ein dynamischer Volumenstrom VDYN in Abhängigkeit des Soll- Raildrucks sowie des Ist-Raildrucks oder des dynamischen Raildrucks berechnet.
Anschließend werden bei S4 diese Volumenströme addiert. Das Ergebnis entspricht einem unbegrenzten Soll-Volumenstrom VDVu(SL). Bei S5 wird dieser in
Abhängigkeit des Ist-Raildrucks pCR(IST) begrenzt und als Soll-Volumenstrom
VDV(SL) des Druckregelventils gesetzt. Die Schritte S3 bis S5 werden in der
Berechnung 25, siehe Figur 4, durchgeführt. Bei S6 wird ein neuer Wert des Ist- Raildrucks pCR(IST) eingelesen. Im Anschluss wird bei S7 über das
Druckregelventil-Kennfeld an Hand des Ist-Raildrucks pCR(IST) und des Soll- Volumenstroms VDV(SL) des Druckregelventils der Soll-Strom iDV(SL) für das
Druckregelventil berechnet. In Abhängigkeit des Soll-Stroms iDV(SL) wird dann das PWM-Signal PWMDV bei S12 berechnet. Damit ist der Programmablauf im
Normalbetrieb beendet. Wurde bei S1 ein defekter Rail-Drucksensor erkannt, Abfrageergebnis S1 : ja, so ist eine fehlerfreie Steuerung des Druckregelventils nicht mehr möglich. Daher wird in
58 der Notbetrieb gesetzt, indem die Schalter SR2, SR3 und SR4 in die Stellung 2 wechseln. Nunmehr ist das Notbetriebskennfeld bestimmend. Bei S9 wird über das Notbetriebskennfeld in Abhängigkeit der Soll-Einspritzmenge Q(SL) und der
Motordrehzahl nMOT der Soll-Notbetriebsvolumenstrom VNB(SL) berechnet. Danach wird bei S10 der Soll-Raildruck pCR(SL) eingelesen und bei S1 1 über das
Druckregelventil-Kennfeld der Soll-Strom iDV(SL) in Abhängigkeit des Soll-Raildrucks pCR(SL) und des Soll-Notbetriebsvolumenstroms VNB(SL) berechnet. An Hand des Soll-Stroms iDV(SL) wird dann bei S12 das PWM-Signal PWMDV zur Ansteuerung des Druckregelventils bestimmt. Damit ist der Programmablauf im Notbetrieb beendet.
In der Figur 10 ist ein Programm-Ablaufplan zur Berechnung des PWM-Signals PWMSD der Saugdrossel dargestellt. Dem Programm-Ablauf wurde die
Ausführungsform zu Grunde gelegt, bei der im Notbetrieb ein Leckage- Volumenstrom berechnet wird. Bei S1 wird der Regler-Volumenstrom VR als
Stellgröße des Druckreglers aus der Regelabweichung ep berechnet. Die
Regelabweichung ep bestimmt sich aus der Differenz von Soll-Raildruck pCR(SL) und Ist-Raildruck pCR(IST). Anschließend wird bei S2 geprüft, ob der Rail- Drucksensor defekt ist. Ist dies nicht der Fall, Abfrageergebnis S2: nein, so wird der Programmteil mit S3 und S4 durchlaufen. Anderenfalls der Programmteil mit S5 bis S7.
Wurde bei S2 die Fehlerfreiheit des Rail-Drucksensors festgestellt, so wird in S3 der Normalbetrieb gesetzt und anschließend bei S4 der unbegrenzte Soll-Volumenstrom VSDu(SL) für die Saugdrossel aus der Summe von Regler-Volumenstrom VR und Soll-Verbrauch Wb berechnet. Danach wird der unbegrenzte Soll-Volumenstrom VSDu(SL) in Abhängigkeit der Motordrehzahl bei S8 begrenzt. Das Ergebnis entspricht dem Soll-Volumenstrom VSD(SL), welchem über die Pumpenkennlinie bei
59 ein Soll-Strom iSD(SL) zugeordnet wird. Aus dem Soll-Strom iSD(SL) wiederum wird bei S10 das PWM-Signal PWMSD berechnet. Damit ist der Programmablauf für den Normalbetrieb beendet. Wurde hingegen bei S2 ein defekter Rail-Drucksensor erkannt, so wird bei S5 in den Notbetrieb gewechselt. Im Notbetrieb wird zunächst bei S6 der Leckage- Volumenstrom VLKG an Hand der Soll-Einspritzmenge Q(SL) und der Motordrehzahl nMOT berechnet. Bei S7 wird der unbegrenzte Soll-Volumenstrom VSDu(SL) der Saugdrossel aus der Summe des Leckage-Volumenstroms VLKG, des Soll- Verbrauchs Wb und des Soll-Notbetriebsvolumenstroms VNB(SL) berechnet.
Danach wird der unbegrenzte Soll-Volumenstrom VSDu(SL) in Abhängigkeit der Motordrehzahl bei S8 begrenzt. Das Ergebnis entspricht dem Soll-Volumenstrom VSD(SL), welchem über die Pumpenkennlinie bei S9 ein Soll-Strom iSD(SL) zugeordnet wird. Aus dem Soll-Strom iSD(SL) wiederum wird bei S10 das PWM- Signal PWMSD berechnet. Damit ist der Programmablauf für den Notbetrieb beendet.
Bezugszeichen
Brennkraftmaschine
Kraftstofftank
Niederdruckpumpe
Saugdrossel
Hochdruckpumpe
Rail
Injektor
Einzelspeicher (optional)
Rail-Drucksensor
elektronisches Steuergerät (ECU)
Druckbegrenzungsventil, passiv
Druckregelventil, elektrisch ansteuerbar
Raildruck-Regelkreis
Druckregler
Funktionsblock
Begrenzung
Pumpenkennlinie
Berechnung PWM-Signal
Einheit (Saugdrossel und Hochdruckpumpe) Filter (Strom)
erstes Filter
zweites Filter
Leckage-Kennfeld
Steuerung
Berechnung (Soll-Volumenstrom Druckregelventil) Druckregelventil-Kennfeld
Berechnung PWM-Signal
Filter
Stromregelkreis (Druckregelventil)
Berechnung (Soll-Verbrauch)
Notbetriebskennfeld
Injektorkennfeld Strom regier Stillstandfunktion Betriebsfunktion Schutzfunktion

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem im Normalbetrieb der Raildruck (pCR) über eine niederdruckseitige Saugdrossel (4) als erstes Druckstellglied in einem Raildruck-Regelkreis (13) geregelt wird sowie gleichzeitig der Raildruck (pCR) über ein hochdruckseitiges Druckregelventil (12) als zweites Druckstellglied mit einer Raildruck-Störgröße beaufschlagt wird, indem über das hochdruckseitige Druckregelventil (12) ein Druckregelventil-Volumenstrom (VDRV) aus dem Rail (6) in einen Kraftstofftank (2) abgesteuert wird, und bei dem mit Erkennen eines defekten Rail-Drucksensors (9) in einen Notbetrieb gewechselt wird, in welchem das hochdruckseitige Druckregelventil (12) und die
niederdruckseitige Saugdrossel (4) in Abhängigkeit derselben Vorgabegröße angesteuert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorgabegröße einem Soll-Notbetriebsvolumenstrom (VNB(SL)) entspricht, welcher über ein Notbetriebskennfeld (31) in Abhängigkeit einer Soll- Einspritzmenge (Q(SL)) und der Motordrehzahl (nMOT) berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Notbetriebskennfeld (31) in der Form ausgeführt wird, dass im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine (1) ein Druckregelventil-Volumenstrom (VDRV) aus dem Rail (6) in den Kraftstofftank (2) abgesteuert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass im Notbetrieb ein PWM-Signal (PWMDV) zur Ansteuerung des
Druckregelventils (12) in Abhängigkeit des Soll-Notbetriebsvolumenstroms
(VNB(SL)) und des Soll-Raildrucks (pCR(SL)) berechnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Normalbetrieb eine Schutzfunktion zur temporären Erhöhung des PWM- Signals (PWMDV) des Druckregelventils (12) gesetzt wird, wenn der Raildruck (pCR) einen Grenzwert übersteigt, und dass im Notbetrieb die Schutzfunktion verriegelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei gesetzter Schutzfunktion ein erneutes Setzen der Schutzfunktion unterbunden wird, wenn bei gesetzter Schutzfunktion ein defekter Rail-Drucksensor (9) erkannt wird und in den Notbetrieb gewechselt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Notbetrieb dem Soll-Notbetriebsvolumenstrom (VNB(SL)) als Stellgröße des Raildruck-Regelkreises (13) ein Soll-Verbrauch (Wb) aufaddiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass optional zusätzlich ein Leckage-Volumenstrom (VLKG) aufaddiert wird, welcher über ein Leckage-Kennfeld (23) in Abhängigkeit der Soll-Einspritzmenge (Q(SL)) und der Motordrehzahl (nMOT) berechnet wird.
9. Verfahren nach einem der vorausgegangen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Soll-Einspritzmenge (Q(SL)) bei einer drehzahlbasierten Struktur über einen Drehzahlregler als dessen Stellgröße berechnet wird.
10. Verfahren nach einem der vorausgegangen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Einspritzmenge (Q(SL)) einem Soll-Moment bei einer momentenbasierten Struktur entspricht.
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