WO2011000479A1 - Verfahren zur regelung des raildrucks in einem common-rail einspritzsystem einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur regelung des raildrucks in einem common-rail einspritzsystem einer brennkraftmaschine Download PDF

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Armin DÖLKER
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Definitions

  • the invention relates to a method for controlling and regulating a
  • 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.
  • Controller parameters are calculated as a function of operating parameters, here: the engine speed and the desired injection quantity.
  • the pressure regulator calculates the actuating signal for a pressure regulating valve, via which the fuel outflow from the rail into the fuel tank is determined.
  • the pressure control valve is thus arranged on the high pressure side of the common rail system.
  • an electric prefeed pump or a controllable high-pressure pump are shown in this reference.
  • Pressure relief valve may be provided as a protective measure against too high a rail pressure. The fuel is then discharged from the rail into the fuel tank via the opened pressure relief valve.
  • a corresponding common rail system with a passive pressure relief valve is known from DE 10 2006 040 441 B3.
  • a common rail system has a control and a
  • the control leakage is effective when the injector is electrically energized, that is, during the duration of the injection. As the injection duration decreases, so does the control leakage.
  • the constant leakage is always effective, that is, even if the injector is not activated. This is also caused by the component tolerances. Since the constant leakage with rising
  • Raildruck increases and decreases with falling rail pressure, the pressure oscillations are damped in the rail. In contrast, the tax leakage is reversed. If the rail pressure increases, the injection duration is shortened to represent a constant injection quantity, which results in a sinking control leakage. If the rail pressure drops, the injection duration is increased accordingly, which results in an increasing control leakage. The tax leakage thus leads to the pressure vibrations in the rail to be amplified.
  • the control and constant leakage represent a loss volume flow, which is promoted and compressed by the high-pressure pump.
  • Leakage volume flow means that the high-pressure pump must be designed to be larger than necessary.
  • part of the drive energy of the high pressure pump is converted into heat, which in turn causes the heating of the fuel and an efficiency reduction of the internal combustion engine.
  • the components are shed in practice.
  • a reduction in the constant leakage has the disadvantage that the stability behavior of the common rail system deteriorates and the pressure control becomes more difficult.
  • the injection quantity ie the extracted fuel volume
  • the injection quantity is very low.
  • the invention is based on the object to optimize the stability behavior and the settling time.
  • the method consists in that in addition to the rail pressure control over the
  • Low-pressure-side suction throttle as the first pressure actuator, a rail pressure disturbance for influencing the rail pressure via a high-pressure side pressure control valve is generated as a second pressure actuator.
  • fuel is removed from the rail in a fuel tank, the position of which is determined by a PWM signal. Furthermore, the method is that when set
  • the PWM signal is calculated as a function of a resulting setpoint volumetric flow and, when the protective function is set, the PWM signal is temporarily set to a maximum value.
  • the protective function temporarily deactivates a higher fuel volume flow from the rail, which reduces the increase in rail pressure and protects the rail from pressure peaks. An unwanted response of the passive pressure relief valve is thus also prevented and limited to the actual emergencies.
  • the protective function is set when a dynamic rail pressure exceeds a maximum pressure value and the protective function is enabled.
  • the maximum pressure value is chosen so that the rail pressure in stationary operation does not reach this pressure value.
  • the dynamic rail pressure is calculated from the raw values of the rail pressure via a fast filter.
  • the protection function is reset and thus the normal function is set when a specified time period has expired. Shuttling between the functions is prevented by the fact that the protective function remains locked after the change from the protective function back to the normal function.
  • the resulting setpoint volume flow is calculated from a static and a dynamic setpoint volume flow.
  • the static setpoint volume flow is calculated as a function of a desired injection quantity and the engine speed via a setpoint volume flow characteristic map.
  • a setpoint torque is used instead of the desired injection quantity.
  • Constant leakage is simulated via the static setpoint volumetric flow, in that the fuel is only diverted in the low load range and in a small amount. It is advantageous that no significant increase in the fuel temperature and no significant reduction in the efficiency of the internal combustion engine occur. The increased stability of the
  • Rail pressure control circuit in the low load range can be recognized, for example, that the rail pressure remains approximately constant during overrun.
  • the dynamic setpoint volume flow is calculated via a dynamic correction as a function of a setpoint rail pressure and the actual rail pressure or the control deviation derived therefrom. If the control deviation is negative, for example, during a load shedding, the static setpoint volume flow is corrected via the dynamic setpoint volume flow. Otherwise, there is no change in the static setpoint volume flow.
  • the increase in pressure of the rail pressure is counteracted by the dynamic set volume flow, with the advantage that the settling time of the system can be further improved.
  • FIG. 1 shows a system diagram
  • FIG. 2 shows a rail pressure control loop
  • FIG. 4 is a block diagram of a calculation
  • FIG. 5 shows a current regulator
  • FIG. 6 shows a nominal volume flow characteristic diagram
  • FIG. 7 shows a diagram of the functional states
  • FIG. 8 shows a first subroutine
  • FIG. 9 shows a second subroutine
  • FIG. 10 shows a third subroutine
  • Figure 11 is a first timing diagram
  • Figure 12 is a second timing diagram.
  • 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 in the open state.
  • Pressure control valve 12 also connects the rail 6 to the fuel tank 2. About the position of the pressure control valve 12, a fuel flow is defined, which is derived from the rail 6 in the fuel tank 2. In the text below, this fuel volume flow is referred to as rail pressure disturbance variable VDRV.
  • 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 individual storage pressure pE is an additional input of the electronic control unit 10.
  • a signal PWMSD for controlling the suction throttle 4 as first pressure actuator a signal ve for controlling the injectors 7 (start of injection / injection end), a signal PWMDV for
  • Output variable OFF is representative of the further control signals for controlling and regulating the internal combustion engine 1, for example for a control signal for activating a second exhaust gas turbocharger in a register charging.
  • FIG. 2 shows a rail pressure control loop 13 for controlling the rail pressure pCR.
  • the input variables of the rail pressure control loop 13 are: a desired rail pressure pCR (SL), a volume flow which characterizes the desired consumption Wb, the
  • the 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.
  • Volume flow VR is added at a summation point B, the calculated target consumption Wb.
  • the target consumption Wb is calculated by means of a calculation 22, which is shown in FIG. 3 and explained in connection therewith.
  • the result of the addition at summation point B corresponds to an unlimited nominal volume flow VSDu (SL) of the suction throttle.
  • About a limit 15 is then the
  • the output variable of the limit 15 corresponds to a nominal volume flow VSD (SL) of the suction throttle.
  • the desired volume flow VSD (SL) is then assigned to the intake throttle via the pump characteristic curve 16, a desired electric current iSD (SL).
  • the desired current iSD (SL) is converted in a calculation 17 into the PWM signal PWMSD.
  • the PWM signal PWMSD represents the duty cycle and the frequency fPWM corresponds to the fundamental frequency.
  • the solenoid of the suction throttle is applied. As a result, the path of the magnetic core is changed, whereby the flow rate of the high-pressure pump is influenced freely.
  • the suction throttle is normally open and is on the
  • the calculation of the PWM signal 17 may be subordinated to a current control loop, as this from the
  • the second filter 20 in this case has a smaller time constant and a lower phase delay than the first filter 19 in the feedback path.
  • FIG. 3 shows a block diagram of the greatly simplified rail pressure control circuit 13 of FIG. 2 and a controller 21.
  • the rail pressure disturbance variable VDRV is generated, that is to say the volume flow which the pressure control valve discharges from the rail into the fuel tank.
  • the inputs of the controller 21 are: the SoII rail pressure pCR (SL), the actual rail pressure pCR (IST), the dynamic rail pressure pCR (DYN), the engine speed nMOT and a target injection amount QSL.
  • the desired injection quantity QSL is either calculated via a characteristic map as a function of the power requirement or corresponds to the manipulated variable of a speed controller.
  • the physical unit of the target injection quantity QSL is mm 3 / stroke.
  • a desired torque MSL can be used as an alternative to the desired injection quantity QSL.
  • the output quantities are the target consumption Wb, which is fed to the rail pressure control loop 13, and the rail pressure disturbance VDRV.
  • the calculation 22 determines a resulting desired volume flow Vres (SL) from a static and a dynamic component.
  • the calculation 22 is shown in FIG. 4 as a block diagram and will be explained in connection therewith.
  • the resulting desired volume flow Vres (SL) and the actual rail pressure pCR (IST) are the input variables of a pressure control valve characteristic map 23, via which a desired current iDV (SL) of the pressure control valve is calculated.
  • the desired current iDV (SL) in turn is the reference variable for a current control loop 24.
  • the current control loop 24 is formed by a current regulator 25, a switch S1, the pressure regulating valve 12 as a controlled system and a filter 26 in the feedback branch.
  • the current regulator 25 is shown in FIG. 5 and will be explained in connection therewith.
  • the current controller 25 outputs a PWM signal PWMR, which is an input variable of the switch S1.
  • the two other input signals of the switch S1 are the value zero and a temporary PWM signal PWMt.
  • the calculation 22 is shown as a block diagram.
  • the input variables are the desired rail pressure pCR (SL), the actual rail pressure pCR (IST), the dynamic rail pressure pCR (DYN), the engine speed nMOT and the desired injection quantity QSL, alternatively the setpoint torque MSL.
  • the output variables are the nominal consumption Wb and the
  • the nominal static volume flow Vs (SL) for the pressure regulating valve is calculated via a nominal volume flow characteristic map 27 (3D characteristic map).
  • the desired volume flow characteristic map 27 is designed in such a way that in the low load range, for example at idle, a positive value of the static setpoint volumetric flow Vs (SL) is calculated, while in the normal operating range a static setpoint volumetric flow Vs (SL) of Zero is calculated.
  • the concrete embodiment of the desired volume flow characteristic map 27 is shown in FIG. 6 and will be explained in more detail in connection with this.
  • the desired consumption Wb is calculated via the calculation 28, which is an input of the rail pressure control loop 13.
  • the nominal static volumetric flow Vs (SL) is determined by Adding up a dynamic nominal volume flow Vd (SL) corrected.
  • the dynamic setpoint volume flow Vd (SL) is calculated via a dynamic correction 29 as a function of the control deviation.
  • the control deviation is calculated from the difference between the setpoint rail pressure pCR (SL) and the actual rail pressure pCR (IST). Alternatively, the control deviation can also be calculated from the difference between the desired rail pressure pCR (SL) and the dynamic rail pressure pCR (DYN).
  • a dynamic set flow rate Vd (SL) of zero liters / minute is output. If, on the other hand, the control deviation is negative, for example during a load shedding, an increasingly greater dynamic setpoint volume flow Vd (SL) is calculated if the control deviation falls below a limit value. In short: the pressure control valve then controls an increasing fuel flow into the fuel tank.
  • the sum of the static setpoint volume flow Vs (SL) and the dynamic setpoint volume flow Vd (SL) corresponds to a corrected setpoint volume flow Vk (SL) 1, which reaches above a limit 30 up to a maximum volume flow VMAX and down to the value zero is limited.
  • the maximum volume flow VMAX is calculated via a (2D) characteristic curve 31 as a function of the actual rail pressure pCR (IST).
  • the output of the limit 30 then corresponds to the resulting desired volume flow Vres (SL).
  • FIG. 5 shows the current regulator 25 from FIG. 3.
  • the input variables are the desired current iDV (SL) for the pressure regulating valve, the actual current iDV (IST) of the
  • the output is the PWM signal PWMR. From the desired current iDV (SL) and the actual current iDV (IST), the current control deviation ei is first calculated.
  • the controller 32 can be embodied as a PI or PI (DTI) algorithm.
  • the algorithm processes the controller parameters.
  • the output of the regulator 32 is a target voltage UDV (SL) of the pressure regulating valve. This is divided by the battery voltage UBAT and then multiplied by 100. The result corresponds to the duty cycle of the PWM signal PWMR in percent.
  • a feedforward control may be present, which from the desired current iDV (SL) and the ohmic resistance of the pressure regulating valve a Calculated voltage component, which is then added to the desired voltage UDV (SL).
  • FIG. 6 shows the solenoid volume flow characteristic 27. This determines the nominal static volumetric flow Vs (SL) for the pressure control valve.
  • the input variables are the engine speed nMOT and the target injection quantity QSL. In the horizontal direction, engine speed values are plotted from 0 to 2000 rpm. In the vertical direction, the nominal injection quantity values from 0 to 270 mm 3 / stroke are plotted. The values within the map then correspond to the
  • the normal operating range is doubly framed in the figure.
  • the simple framed area corresponds to the low load area.
  • FIG. 7 shows in a diagram the various functional states which are realized via the switch S1 (FIG. 3).
  • the reference numeral 33 is a diagram the various functional states which are realized via the switch S1 (FIG. 3).
  • Normal function and the reference numeral 35 denotes the protective function.
  • the standstill function is set when a motor standstill is detected.
  • Normal function 34 is the PWM signal PWMDV for controlling the
  • PWMt 60%, to be executed. If a time step t1 has expired, then the
  • Protective function 35 is reset and the normal function 34 is set.
  • the protective function 35 is released again only when the dynamic rail pressure pCR (DYN) falls below the maximum pressure value pMAX by a hysteresis value pHY.
  • FIG. 8 shows a first subroutine UP1 which shows the transition from standstill to normal. At S1 it is checked if a
  • Engine stall is present. An engine stall is detected when the engine speed nMOT falls below a limit speed of, for example, 80 rpm for a certain period of time, for example 2.5 seconds. Is that the case,
  • Vres (SL) resulting desired volume flow Vres (SL) is calculated, S4. If the check at S2 shows that the actual rail pressure pCR (IST) is less than the starting value pSTART,
  • Query result S2 no, then in S5 the function of the switch S1 is used to check which function is currently set. If the normal function is set, query result S5: yes, then the program sequence continues at S4. Otherwise, a PWM signal PWMDV with the value zero is output at S6 and the program sequence ends.
  • FIG. 9 shows a second subroutine UP2 which shows the transition from the normal function to the protective function.
  • the state of the flag is checked. The marker prevents oscillation between the normal and the protective function. If the flag is equal to zero, then the program part is run through with the steps S2 to S6. Otherwise, the program part is run through with steps S7 to S9. If it is determined at S1 that the flag is equal to zero, then it is checked at S2 whether the dynamic rail pressure pCR (DYN) is greater than / equal to a maximum pressure value pMAX. This is not the case,
  • query result S1 no, the pressure level of the dynamic rail pressure pCR (DYN) is checked at S7. If the dynamic rail pressure pCR (DYN) has fallen below the maximum pressure value pMAX by at least one specific hysteresis value pHY, query result S7: yes, the flag is set to zero at S8, whereby the protective function is released again. If the result of the query at S7 is negative, the program sequence at S9 is continued with the calculation of the PWM signal PWMDV as a function of the resulting setpoint volume flow Vres (SL) and then the program sequence is ended.
  • FIG. 10 shows a third subroutine UP3, which shows the transition from the protective function to the normal function.
  • the time t is increased by dt.
  • the program sequence is finished. Otherwise, the flag is set to zero at S7, whereby the protective function is enabled again. Thereafter, the program sequence is ended.
  • FIG. 11 shows the starting process of a first time diagram
  • FIG. 11 consists of the partial diagrams 11A to 11E. These show in each case over time: the engine speed nMOT in FIG. 11A, the actual rail pressure pCR (ACT) in FIG. 11B, the PWM signal PWMDV with which the pressure regulating valve 11, and the position of the switch S1 in FIG. 11E.
  • the rail pressure disturbance VDRV corresponds to the volume flow which the pressure regulating valve from the rail diverts into the fuel tank.
  • FIG. 12 shows in a second time diagram the transition from the
  • FIG. 12 consists of the partial diagrams 12A to 12E. These show in each case over time: the dynamic rail pressure pCR (DYN) in FIG. 12A, the PWM signal PWMDV, with which the
  • FIG. 12A shows a profile of the dynamic rail pressure pCR (DYN) without a protective function.
  • the overshoot of the dynamic rail pressure pCR (DYN) is significantly reduced by means of the protective function. In the figure this is with the
  • a PWM signal in positive logic was used for the control of the pressure regulating valve, that is, in the case of a positive value of the PWM signal PWMDV, the pressure regulating valve is acted upon in the opening direction (increasing opening cross section).
  • the control analogous to the intake throttle can also run in negative logic.
  • PWM value of PWMDV O
  • the pressure regulating valve is then completely opened.
  • the inventive method can be used in addition to the known method of Schnellbestromung the suction throttle in a load shedding (DE 10 2005 029 138 B3);
  • Fuel tank 34 normal function
  • ECU electronice control unit
  • Pressure control valve electrically controllable

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem der Raildruck (pCR) über eine niederdruckseitige Saugdrossel (4) als erstes Druckstellglied in einem Raildruck-Regelkreis geregelt wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Raildruck-Störgröße (VDRV) zur Beeinflussung des Raildrucks (pCR) über ein hochdruckseitiges Druckregelventil (12) als zweites Druckstellglied erzeugt wird, über welches Kraftstoff aus dem Rail (6) in den Kraftstofftank (2) abgesteuert und dessen Stellung über ein PWM-Signal (PWMDV) bestimmt wird, indem bei gesetzter Normalfunktion das PWM-Signal (PWMDV) in Abhängigkeit eines resultierenden Soll-Volumenstroms berechnet wird und indem bei gesetzter Schutzfunktion das PWM-Signal (PWMDV) temporär auf einen Maximalwert gesetzt wird.

Description

VERFAHREN ZUR REGELUNG DES RAILDRUCKS IN EINEM COMMON-RAIL EINSPRITZSYSTEM EINER BRENNKRAFTMASCHINE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer
Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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. 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.
Aus der DE 197 31 995 A1 ist ein Common-Railsystem mit Druckregelung bekannt, bei dem der Druckregler mit unterschiedlichen Reglerparametern bestückt wird. Durch die unterschiedlichen Reglerparameter soll die Druckregelung stabiler sein. Die
Reglerparameter wiederum werden in Abhängigkeit von Betriebsparametern, hier: die Motordrehzahl und die Soll-Einspritzmenge, berechnet. An Hand der Reglerparameter berechnet dann der Druckregler das Stellsignal für ein Druckregelventil, über welches der Kraftstoffabfluss aus dem Rail in den Kraftstofftank festgelegt wird. Das Druckregelventil ist folglich auf der Hochdruckseite des Common-Railsystems angeordnet. Als alternative Maßnahmen zur Druckregelung sind eine elektrische Vorförderpumpe oder eine steuerbare Hochdruckpumpe in dieser Fundstelle aufgezeigt.
Auch die DE 103 30 466 B3 beschreibt ein Common-Railsystem mit Druckregelung, bei dem der Druckregler über das Stellsignal jedoch auf eine Saugdrossel zugreift. Über die Saugdrossel wiederum wird der Zulaufquerschnitt zur Hochdruckpumpe festgelegt. Die Saugdrossel ist folglich auf der Niederdruckseite des Common-Railsystems angeordnet. Ergänzend kann bei diesem Common-Railsystem noch ein passives
Druckbegrenzungsventil als Schutzmaßnahme vor einem zu hohen Raildruck vorgesehen sein. Über das geöffnete Druckbegrenzungsventil wird dann der Kraftstoff aus dem Rail in den Kraftstofftank abgeleitet. Ein entsprechendes Common-Railsystem mit passivem Druckbegrenzungsventil ist aus der DE 10 2006 040 441 B3 bekannt.
Bauartbedingt treten bei einem Common-Railsystem eine Steuer- und eine
Konstantleckage auf. Die Steuerleckage ist dann wirksam, wenn der Injektor elektrisch angesteuert wird, das heißt, während der Dauer der Einspritzung. Mit abnehmender Einspritzdauer sinkt daher auch die Steuerleckage. Die Konstantleckage ist immer wirksam, das heißt, auch dann, wenn der Injektor nicht angesteuert wird. Verursacht wird diese auch durch die Bauteiltoleranzen. Da die Konstantleckage mit steigendem
Raildruck zunimmt und mit fallendem Raildruck abnimmt, werden die Druckschwingungen im Rail bedämpft. Bei der Steuerleckage verhält es sich hingegen umgekehrt. Steigt der Raildruck, so wird zur Darstellung einer konstanten Einspritzmenge die Einspritzdauer verkürzt, was eine sinkende Steuerleckage zur Folge hat. Sinkt der Raildruck, so wird die Einspritzdauer entsprechend vergrößert, was eine steigende Steuerleckage zur Folge hat. Die Steuerleckage führt also dazu, dass die Druckschwingungen im Rail verstärkt werden. Die Steuer- und die Konstantleckage stellen einen Verlustvolumenstrom dar, welcher von der Hochdruckpumpe gefördert und verdichtet wird. Dieser
Verlustvolumenstrom führt aber dazu, dass die Hochdruckpumpe größer als notwendig ausgelegt werden muss. Zudem wird ein Teil der Antriebsenergie der Hochdruckpumpe in Wärme umgesetzt, was wiederum die Erwärmung des Kraftstoffs und eine Wirkungsgrad- Reduktion der Brennkraftmaschine bewirkt.
Zur Verringerung der Konstantleckage werden in der Praxis die Bauteile miteinander vergossen. Eine Verringerung der Konstantleckage hat allerdings den Nachteil, dass sich das Stabilitätsverhalten des Common-Railsystems verschlechtert und die Druckregelung schwieriger wird. Deutlich wird dies im Schwachlastbereich, weil hier die Einspritzmenge, also das entnommene Kraftstoffvolumen, sehr gering ist. Ebenso deutlich wird dies bei einem Lastabwurf von 100% nach 0% Last, da hier die Einspritzmenge auf Null reduziert wird und sich daher der Raildruck nur langsam wieder abbaut. Dies wiederum bewirkt eine lange Ausregelzeit. Ausgehend von einem Common-Railsystem mit einer Raildruckregelung über eine niederdruckseitige Saugdrossel und mit verringerter Konstantleckage, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, das Stabilitätsverhalten und die Ausregelzeit zu optimieren.
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.
Das Verfahren besteht darin, dass neben der Raildruckregelung über die
niederdruckseitige Saugdrossel als erstes Druckstellglied eine Raildruck-Störgröße zur Beeinflussung des Raildrucks über ein hochdruckseitiges Druckregelventil als zweites Druckstellglied erzeugt wird. Über das hochdruckseitige Druckregelventil wird Kraftstoff aus dem Rail in einen Kraftstofftank abgesteuert, wobei dessen Stellung über ein PWM- Signal bestimmt wird. Ferner besteht das Verfahren darin, dass bei gesetzter
Normalfunktion das PWM-Signal in Abhängigkeit eines resultierenden Soll- Volumenstroms berechnet wird und bei gesetzter Schutzfunktion das PWM-Signal temporär auf einen Maximalwert gesetzt wird. Über die Schutzfunktion wird kurzzeitig ein höherer Kraftstoffvolumenstrom aus dem Rail abgesteuert, wodurch der Anstieg des Raildrucks reduziert und das Rail vor Druckspitzen geschützt wird. Ein ungewolltes Ansprechen des passiven Druckbegrenzungsventils wird damit ebenfalls unterbunden und auf die tatsächlichen Notfälle begrenzt.
Gesetzt wird die Schutzfunktion dann, wenn ein dynamischer Raildruck einen maximalen Druckwert übersteigt und die Schutzfunktion freigegeben ist. Der maximale Druckwert ist hierbei so gewählt, dass der Raildruck im stationären Betrieb diesen Druckwert nicht erreicht. Der dynamische Raildruck wird aus den Rohwerten des Raildrucks über ein schnelles Filter berechnet. Die Schutzfunktion wird wieder zurückgesetzt und damit die Normalfunktion gesetzt, wenn eine vorgegebene Zeitstufe abgelaufen ist. Ein Pendeln zwischen den Funktionen wird dadurch unterbunden, dass nach dem Wechsel von der Schutzfunktion zurück zur Normalfunktion die Schutzfunktion verriegelt bleibt.
Freigegeben wird diese erst dann wieder, wenn der dynamische Raildruck den maximalen Druckwert um einen Hysteresewert unterschreitet. In einer Ausführung wird vorgeschlagen, dass bei gesetzter Normalfunktion diese zurückgesetzt und eine Stillstandfunktion gesetzt wird, wenn ein Motorstillstand erkannt wird, wobei bei gesetzter Stillstandfunktion ein PWM-Signal von Null ausgegeben wird. Der Wechsel von der Stillstandfunktion in die Normalfunktion erfolgt dann, wenn der Ist- Raildruck einen Startwert übersteigt und eine verifizierte Motordrehzahl erkannt wird, das heißt, wenn gleichzeitig die Brennkraftmaschine als drehend erkannt wird. Von Vorteil ist, dass beim Motorstart der Raildruck zuverlässig aufgebaut wird.
Berechnet wird der resultierende Soll-Volumenstrom aus einem statischen und einem dynamischen Soll-Volumenstrom. Der statische Soll-Volumenstrom wiederum wird in Abhängigkeit einer Soll-Einspritzmenge und der Motordrehzahl über ein Soll- Volumenstrom-Kennfeld berechnet. Bei einer momentenorientierten Struktur wird anstelle der Soll-Einspritzmenge ein Soll-Moment verwendet. Über den statischen Soll- Volumenstrom wird eine Konstantleckage nachgebildet, indem der Kraftstoff nur im Schwachlastbereich und in kleiner Menge abgesteuert wird. Von Vorteil ist, dass keine signifikante Erhöhung der Kraftstofftemperatur und auch keine signifikante Verringerung des Wirkungsgrads der Brennkraftmaschine auftreten. Die erhöhte Stabilität des
Raildruck-Regelkreises im Schwachlastbereich kann zum Beispiel daran erkannt werden, dass der Raildruck im Schubbetrieb etwa konstant bleibt. Der dynamische Soll- Volumenstrom wird über eine dynamische Korrektur in Abhängigkeit eines Soll-Raildrucks und des Ist-Raildrucks bzw. der daraus abgeleiteten Regelabweichung berechnet. Ist die Regelabweichung negativ, als zum Beispiel bei einem Lastabwurf, wird über den dynamischen Soll-Volumenstrom der statische Soll-Volumenstrom korrigiert. Anderenfalls erfolgt keine Veränderung des statischen Soll-Volumenstroms. Über den dynamischen Soll-Volumenstrom wird der Druckerhöhung des Raildrucks entgegengewirkt, mit dem Vorteil, dass die Ausregelzeit des Systems nochmals verbessert werden kann.
In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 ein Systemschaubild,
Figur 2 einen Raildruck-Regelkreis,
Figur 3 ein Blockschaltbild des Raildruck-Regelkreises mit Steuerung,
Figur 4 ein Blockschaltbild einer Berechnung,
Figur 5 einen Stromregler,
Figur 6 ein Soll-Volumenstrom-Kennfeld, Figur 7 ein Diagramm der Funktionszustände,
Figur 8 ein erstes Unterprogramm,
Figur 9 ein zweites Unterprogramm,
Figur 10 ein drittes Unterprogramm,
Figur 11 ein erstes Zeitdiagramm und
Figur 12 ein zweites Zeitdiagramm.
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 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. Im weiteren Text wird dieser Kraftstoffvolumenstrom als Raildruck-Störgröße 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. Bei einem Common-Railsystem mit
Einzelspeichern 8 ist der Einzelspeicherdruck pE eine zusätzliche Eingangsgröße des elektronischen Steuergeräts 10.
In Figur 1 sind als Ausgangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 10 ein Signal PWMSD zur Ansteuerung der Saugdrossel 4 als erstes Druckstellglied, ein Signal ve zur Ansteuerung der Injektoren 7 (Spritzbeginn/Spritzende), ein Signal PWMDV zur
Ansteuerung des Druckregelventils 12 als zweites Druckstellglied und eine
Ausgangsgröße AUS dargestellt. Über das Signal PWMDV wird die Stellung des
Druckregelventils 12 und damit die Raildruck-Störgröße VDRV 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 Volumenstrom der den Soll-Verbrauch Wb kennzeichnet, die
Motordrehzahl nMOT, die PWM-Grundfrequenz fPWM und eine Größe E1. 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. 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 3 dargestellten Steuerung weiterverarbeitet.
Aus dem Rohwert des Raildrucks pCR wird mittels eines ersten Filters 19 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 Volumenstrom VR mit der physikalischen Einheit Liter/Minute entspricht. Zum
Volumenstrom VR wird an einem Summationspunkt B der berechnete Soll-Verbrauch Wb addiert. Berechnet wird der Soll-Verbrauch Wb über eine Berechnung 22, welche in der Figur 3 dargestellt ist und in Verbindung mit dieser erklärt wird. Das Ergebnis der Addition am Summationspunkt B entspricht einem unbegrenzten Soll-Volumenstrom VSDu(SL) der Saugdrossel. Über eine Begrenzung 15 wird anschließend der
unbegrenzte Soll-Volumenstrom VSDu(SL) in Abhängigkeit der Motordrehzahl nMOT limitiert. Die Ausgangsgröße der Begrenzung 15 entspricht einem Soll-Volumenstrom VSD(SL) der Saugdrossel. Dem Soll-Volumenstrom VSD(SL) wird danach über die Pumpen-Kennlinie 16 ein elektrischer Soll-Strom iSD(SL) der Saugdrossel zugeordnet. Der Soll-Strom iSD(SL) wird in einer Berechnung 17 in das PWM-Signal PWMSD 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. Dadurch wird der Weg des Magnetkerns 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 17 kann ein Stromregelkreis unterlagert sein, wie dieser aus der
DE 10 2004 061 474 A1 bekannt ist. Die Hochdruckpumpe, die Saugdrossel, das Rail und gegebenenfalls die Einzelspeicher entsprechen einer Regelstrecke 18. Damit ist der Regelkreis geschlossen. Aus dem Rohwert des Raildrucks pCR wird über ein zweites Filter 20 der dynamische Raildruck pCR(DYN) berechnet, welcher eine der
Eingangsgrößen des Blockschaltbilds der Figur 3 ist. Das zweite Filter 20 besitzt hierbei eine kleinere Zeitkonstante und einen geringeren Phasenverzug als das erste Filter 19 im Rückkopplungszweig.
Die Figur 3 zeigt als Blockschaltbild den stark vereinfachten Raildruck-Regelkreis 13 der Figur 2 und eine Steuerung 21. Über die Steuerung 21 wird die Raildruck-Störgröße VDRV erzeugt, also derjenige Volumenstrom, welchen das Druckregelventil aus dem Rail in den Kraftstofftank absteuert. Die Eingangsgrößen der Steuerung 21 sind: der SoII- Raildruck pCR(SL), der Ist-Raildruck pCR(IST), der dynamische Raildruck pCR(DYN), die Motordrehzahl nMOT und eine Soll-Einspritzmenge QSL. Die Soll-Einspritzmenge QSL wird entweder über ein Kennfeld in Abhängigkeit des Leistungswunsches berechnet oder entspricht der Stellgröße eines Drehzahlreglers. Die physikalische Einheit der Soll- Einspritzmenge QSL ist mm3/Hub. Alternativ zur Soll-Einspritzmenge QSL kann ein Soll- Moment MSL verwendet werden. Die Ausgangsgrößen sind der Soll-Verbrauch Wb, welcher auf den Raildruck-Regelkreis 13 geführt wird, und die Raildruck-Störgröße VDRV. Über die Berechnung 22 wird ein resultierender Soll-Volumenstrom Vres(SL) aus einem statischen und einem dynamischen Anteil bestimmt. Die Berechnung 22 ist in der Figur 4 als Blockschaltbild dargestellt und wird in Verbindung mit dieser erklärt. Der resultierende Soll-Volumenstrom Vres(SL) und der Ist-Raildruck pCR(IST) sind die Eingangsgrößen eines Druckregelventil-Kennfelds 23, über welches ein Soll-Strom iDV(SL) des Druckregelventils berechnet wird. Der Soll-Strom iDV(SL) wiederum ist die Führungsgröße für einen Stromregelkreis 24. Gebildet wird der Stromregelkreis 24 aus einem Stromregler 25, einem Schalter S1 , dem Druckregelventil 12 als Regelstrecke und einem Filter 26 im Rückkopplungszweig. Der Stromregler 25 ist in der Figur 5 dargestellt und wird in Verbindung mit dieser erklärt. Als Stellgröße gibt der Stromregler 25 ein PWM-Signal PWMR aus, welches eine Eingangsgröße des Schalters S1 ist. Die beiden anderen Eingangssignale des Schalters S1 sind der Wert Null und ein temporäres 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 S1 werden verschiedene Funktionszustände dargestellt. Befindet sich der Schalter in der Stellung S1=1 , so ist eine Stillstandfunktion gesetzt. In der Stellung S1 =2 ist eine Normalfunktion gesetzt und in der Stellung S1=3 ist eine Schutzfunktion gesetzt. Das Ausgangssignal des Schalters S1 entspricht dann 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 26 der Ist-Strom iDV(IST) berechnet, welcher dann auf den Stromregler 25 zurückgekoppelt wird. Damit ist der Stromregelkreis 24 geschlossen.
In der Figur 4 ist die Berechnung 22 als Blockschaltbild dargestellt. Die Eingangsgrößen sind der Soll-Raildruck pCR(SL), der Ist-Raildruck pCR(IST), der dynamische Raildruck pCR(DYN), die Motordrehzahl nMOT und die Soll-Einspritzmenge QSL, alternativ das Soll-Moment MSL. Die Ausgangsgrößen sind der Soll-Verbrauch Wb und der
resultierende Soll-Volumenstrom Vres(SL). An Hand der Motordrehzahl nMOT und der Soll-Einspritzmenge QSL wird über ein Soll-Volumenstrom-Kennfeld 27 (3D-Kennfeld) der statische Soll-Volumenstrom Vs(SL) für das Druckregelventil berechnet. Das Soll- Volumenstrom-Kennfeld 27 ist in der Form ausgeführt, dass im Schwachlastbereich, zum Beispiel bei Leerlauf, ein positiver Wert des statischen Soll-Volumenstroms Vs(SL) berechnet wird, während im Normalbetriebsbereich ein statischer Soll-Volumenstrom Vs(SL) von Null berechnet wird. Die konkrete Ausführungsform des Soll-Volumenstrom- Kennfelds 27 ist in der Figur 6 dargestellt und wird in Verbindung mit dieser näher erklärt. Ebenfalls an Hand der Motordrehzahl nMOT und der Soll-Einspritzmenge QSL wird über die Berechnung 28 der Soll-Verbrauch Wb berechnet, welcher eine Eingangsgröße des Raildruck-Regelkreises 13 ist. Der statische Soll-Volumenstrom Vs(SL) wird durch Aufaddieren eines dynamischen Soll-Volumenstroms Vd(SL) korrigiert. Berechnet wird der dynamische Soll-Volumenstrom Vd(SL) über eine dynamische Korrektur 29 in Abhängigkeit der Regelabweichung. Die Regelabweichung wiederum berechnet sich aus der Differenz des Soll-Raildrucks pCR(SL) zum Ist-Raildruck pCR(IST). Alternativ kann die Regelabweichung auch aus der Differenz des Soll-Raildrucks pCR(SL) zum dynamischen Raildruck pCR(DYN) berechnet werden. Bei einer Regelabweichung größer/gleich Null wird ein dynamischer Soll-Volumenstrom Vd(SL) von Null Liter/Minute ausgegeben. Ist die Regelabweichung hingegen negativ, also zum Beispiel bei einem Lastabwurf, so wird, wenn die Regelabweichung einen Grenzwert unterschreitet, ein zunehmend größerer dynamischer Soll-Volumenstrom Vd(SL) berechnet. Kurz: das Druckregelventil steuert dann einen größer werdenden Kraftstoffvolumenstrom in den Kraftstofftank ab.
Die Summe aus statischem Soll-Volumenstrom Vs(SL) und dynamischem Soll- Volumenstrom Vd(SL) entspricht einem korrigierten Soll-Volumenstrom Vk(SL)1 welcher über eine Begrenzung 30 nach oben auf einen maximalen Volumenstrom VMAX und nach unten auf den Wert Null begrenzt wird. Berechnet wird der maximale Volumenstrom VMAX über eine (2D-) Kennlinie 31 in Abhängigkeit des Ist-Raildrucks pCR(IST). Die Ausgangsgröße der Begrenzung 30 entspricht dann dem resultierenden Soll- Volumenstrom Vres(SL).
Die Figur 5 zeigt den Stromregler 25 aus der Figur 3. Die Eingangsgrößen sind der Soll-Strom iDV(SL) für das Druckregelventil, der Ist-Strom iDV(IST) des
Druckregelventils, die Batteriespannung UBAT und Reglerparameter (kp, Tn). Die Ausgangsgröße ist das PWM-Signal PWMR. Aus dem Soll-Strom iDV(SL) und dem Ist-Strom iDV(IST) wird zunächst die Strom-Regelabweichung ei berechnet. Die
Strom-Regelabweichung ei ist die Eingangsgröße des Reglers 32. Der Regler 32 kann als PI- oder PI(DTI )-Algorithmus ausgeführt sein. Im Algorithmus werden die Reglerparameter verarbeitet. Diese sind unter anderem durch den
Proportionalbeiwert kp und die Nachstellzeit Tn charakterisiert. Die Ausgangsgröße des Reglers 32 ist eine Soll-Spannung UDV(SL) des Druckregelventils. Diese wird durch die Batteriespannung UBAT dividiert und danach mit 100 multipliziert. Das Ergebnis entspricht der Einschaltdauer des PWM-Signals PWMR in Prozent.
Optional kann auch eine Vorsteuerung vorhanden sein, welche aus dem Soll-Strom iDV(SL) und dem ohmschen Widerstand des Druckregelventils eine Spannungskomponente berechnet, welche dann zur Soll-Spannung UDV(SL) addiert wird.
In der Figur 6 ist das Soli-Volumenstrom-Kennfeld 27 dargestellt. Über dieses wird der statische Soll-Volumenstrom Vs(SL) für das Druckregelventil bestimmt. Die Eingangsgrößen sind die Motordrehzahl nMOT und die Soll-Einspritzmenge QSL. In waagerechter Richtung sind Motordrehzahlwerte von 0 bis 2000 1/min aufgetragen. In senkrechter Richtung sind die Soll-Einspritzmengenwerte von 0 bis 270 mm3/Hub aufgetragen. Die Werte innerhalb des Kennfelds entsprechen dann dem
zugeordneten statischen Soll-Volumenstrom Vs(SL) in Liter/Minute. Über das Soll- Volumenstrom-Kennfeld 27 wird ein Teil des abzusteuernden
Kraftstoffvolumenstroms festgelegt. Das Soll-Volumenstrom-Kennfeld 27 ist in der Form ausgeführt, dass im Normalbetriebsbereich ein statischer Soll-Volumenstrom von Vs(SL)= 0 Liter/Minute berechnet wird. Der Normalbetriebsbereich ist in der Figur doppelt gerahmt. Der einfach gerahmte Bereich entspricht dem Schwachlastbereich. Im Schwachlastbereich wird ein positiver Wert des statischen Soll-Volumenstroms Vs(SL) berechnet. Beispielsweise bei nMOT=1000 1/min und QSL=30 mm3/Hub wird ein statischer Soll-Volumenstrom von Vs(SL)=1.5 Liter/Minute festgelegt.
Die Figur 7 zeigt in einem Diagramm die verschiedenen Funktionszustände, welche über den Schalter S1 (Fig. 3) verwirklicht werden. Das Bezugszeichen 33
kennzeichnet die Stillstandfunktion, das Bezugszeichen 34 kennzeichnet die
Normalfunktion und das Bezugszeichen 35 kennzeichnet die Schutzfunktion. Die Stillstandfunktion ist dann gesetzt, wenn ein Motorstillstand erkannt wird. Bei gesetzter Stillstandfunktion ist das Druckregelventil nicht aktiviert, da der Schalter S1 sich in der Stellung 1 befindet und daher ein PWM-Wert von Null ausgegeben wird. Es gilt also PWMDV=O. Übersteigt der Ist-Raildruck pCR(IST) einen Startwert pSTART, zum Beispiel pSTART=800 bar, und liegt eine verifizierte Motordrehzahl nMOT vor (BKM=I), d. h. wird die Brennkraftmaschine als drehend erkannt, so wird die Stillstandfunktion zurückgesetzt und die Normalfunktion 34 gesetzt. Beim
Übergang wechselt der Schalter S1 in die Position S1=2. Bei gesetzter
Normalfunktion 34 wird das PWM-Signal PWMDV zur Ansteuerung des
Druckregelventils in Abhängigkeit des resultierenden Soll-Volumenstroms Vres(SL) berechnet. Es gilt also PWMDV=f(Vres(SL)). Der Wechsel zurück in die
Stillstandfunktion 33 erfolgt, wenn ein Motorstillstand erkannt wird (BKM=O). Wird bei gesetzter Normalfunktion 34 erkannt, dass der dynamische Raildruck pCR(DYN) einen maximalen Druckwert pMAX übersteigt, so wird geprüft, ob die Schutzfunktion 35 freigegeben ist. Dies erfolgt an Hand eines Flags, welches in der weiteren
Beschreibung als Merker bezeichnet ist. Über den Merker wird ein Pendeln zwischen der Normal- und der Schutzfunktion unterbunden. Ist ergänzend die Schutzfunktion 35 freigegeben (MERKER=O), so wird die Normalfunktion 34 zurückgesetzt und die Schutzfunktion 35 gesetzt. Mit dem Funktionswechsel wird der Schalter S1 in die Stellung S1=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 35 zurückgesetzt und die Normalfunktion 34 gesetzt. Der Schalter S1 wechselt seine Stellung von S1=3 in S1 =2. Freigeben wird die Schutzfunktion 35 erst dann wieder, wenn der dynamische Raildruck pCR(DYN) den maximalen Druckwert pMAX um einen Hysteresewert pHY unterschreitet.
In der Figur 8 ist ein erstes Unterprogramm UP1 dargestellt, welches den Übergang von der Stillstand- in die Normalfunktion zeigt. Bei S1 wird geprüft, ob ein
Motorstillstand vorliegt. Ein Motorstillstand wird erkannt, wenn die Motordrehzahl nMOT während einer bestimmten Zeitspanne, zum Beispiel 2.5 Sekunden lang, eine Grenzdrehzahl von zum Beispiel 80 1/min unterschreitet. Ist dies der Fall,
Abfrageergebnis S1 : ja, so wird bei S7 der Schalter S1 in die Stellung S1=1 umgesteuert, bei S8 ein PWM-Signal mit dem Wert Null ausgegeben (PWMDV=O) und der Programmablauf beendet. Damit gilt die Stillstandfunktion als gesetzt. Wurde eine verifizierte Motordrehzahl nMOT erkannt, Abfrageergebnis S1 : nein, so wird bei S2 geprüft, ob der Ist-Raildruck pCR(IST) größer/gleich als ein Startwert pSTART ist, zum Beispiel pSTART=800 bar. Ist dies der Fall, Abfrageergebnis S2: ja, so wird der Schalter S1 in die Stellung S1=2 verbracht. Damit gilt die Normalfunktion als gesetzt. In der Normalfunktion wird das PWM-Signal PWMDV in Abhängigkeit des
resultierenden Soll-Volumenstroms Vres(SL) berechnet, S4. Ergibt die Prüfung bei S2, dass der Ist-Raildruck pCR(IST) kleiner als der Startwert pSTART ist,
Abfrageergebnis S2: nein, so wird im Anschluss bei S5 an Hand der Stellung des Schalters S1 geprüft, welche Funktion aktuell gesetzt ist. Ist die Normalfunktion gesetzt, Abfrageergebnis S5: ja, so wird der Programmablauf bei S4 fortgesetzt. Anderenfalls wird bei S6 ein PWM-Signal PWMDV mit dem Wert Null ausgegeben und der Programmablauf beendet.
In der Figur 9 ist ein zweites Unterprogramm UP2 dargestellt, welches den Übergang von der Normalfunktion zur Schutzfunktion zeigt. Bei S1 wird der Zustand des Merkers geprüft. Über den Merker wird ein Pendeln zwischen der Normal- und der Schutzfunktion unterbunden. Ist der Merker gleich Null, so wird der Programmteil mit den Schritten S2 bis S6 durchlaufen. Anderenfalls wird der Programmteil mit den Schritten S7 bis S9 durchlaufen. Wurde bei S1 festgestellt, dass der Merker gleich Null ist, dann wird bei S2 geprüft, ob der dynamische Raildruck pCR(DYN) größer/gleich als ein maximaler Druckwert pMAX ist. Ist dies nicht der Fall,
Abfrageergebnis S2: nein, wird bei S6 das PWM-Signal PWMDV weiterhin in
Abhängigkeit des resultierenden Soll-Volumenstroms Vres(SL) berechnet und der Programmablauf beendet. Ergibt die Abfrage bei S2, dass der dynamische Raildruck pCR(DYN) den maximalen Druckwert pMAX überschritten hat, so wird bei S3 der Merker auf den Wert 1 gesetzt, wodurch ein erneutes Setzen der Schutzfunktion unterbunden wird. Danach wird bei S4 die Schutzfunktion gesetzt, indem der Schalter S1 in die Stellung S1=3 verbracht wird und indem bei S5 das PWM-Signal PWMDV auf den Wert PWMt gesetzt wird. Das temporäre PWM-Signal PWMt kann zum Beispiel auf einen Wert von PWMt=80% gesetzt sein. Anschließend wird der
Programmablauf beendet.
Wurde bei S1 festgestellt, dass der Merker nicht Null ist und damit die Schutzfunktion nicht freigegeben ist, Abfrageergebnis S1 : nein, so wird bei S7 das Druckniveau des dynamischen Raildrucks pCR(DYN) geprüft. Hat der dynamische Raildruck pCR(DYN) den maximalen Druckwert pMAX um mindestens einen bestimmten Hysteresewert pHY unterschritten, Abfrageergebnis S7: ja, so wird bei S8 der Merker auf den Wert Null gesetzt, wodurch die Schutzfunktion wieder freigegeben wird. Ist das Abfrageergebnis bei S7 negativ, so wird der Programmablauf bei S9 mit der Berechnung des PWM-Signals PWMDV in Abhängigkeit des resultierenden Soll- Volumenstroms Vres(SL) fortgesetzt und dann der Programmablauf beendet.
In der Figur 10 ist ein drittes Unterprogramm UP3 dargestellt, welches den Übergang von der Schutzfunktion zur Normalfunktion zeigt. Bei S1 wird die Zeit t um dt erhöht. Danach wird bei S2 geprüft, ob die Zeit t größer/gleich als die Zeitstufe t1 ist. Ist dies nicht der Fall, so bleibt bei S8 das PWM-Signal PWMDV weiterhin vom temporären PWM-Signal PWMt bestimmt. Anschließend wird der Programmablauf beendet. Wurde bei S2 festgestellt, dass die Zeit t größer/gleich als die Zeitstufe t1 ist, Abfrageergebnis S2: ja, so wird bei S3 die Zeit t wieder auf den Wert Null gesetzt. Im Anschluss wird bei S4 das PWM-Signal PWMDV in Abhängigkeit des resultierenden Soll-Volumenstroms Vres(SL) berechnet und bei S5 der Schalter S1 in die Stellung S1 =2 verbracht, wodurch die Normalfunktion als gesetzt gilt. Bei S6 wird geprüft, ob der dynamische Raildruck pCR(DYN) den maximalen Druckwert pMAX mindestens um den Hysteresewert pHY unterschritten hat. Ist dies nicht der Fall, dann ist der Programmablauf beendet. Anderenfalls wird bei S7 der Merker auf den Wert Null gesetzt, wodurch die Schutzfunktion wieder freigegeben ist. Danach wird der Programmablauf beendet.
Die Figur 11 zeigt in einem ersten Zeitdiagramm den Startvorgang einer
Brennkraftmaschine mit anschließendem Stopp. Die Figur 11 besteht aus den Teildiagrammen 11A bis 11 E. Diese zeigen jeweils über der Zeit: die Motordrehzahl nMOT in Figur 11 A, den Ist-Raildruck pCR(IST) in Figur 11 B, das PWM-Signal PWMDV, mit welchem das Druckregelventil angesteuert wird, in Figur 11 C, die Raildruck-Störgröße VDRV in Figur 11 D und die Stellung des Schalters S1 in Figur 11 E. Die Raildruck-Störgröße VDRV entspricht demjenigen Volumenstrom, welchen das Druckregelventil aus dem Rail in den Kraftstofftank absteuert.
Die Motordrehzahl nMOT steigt zunächst auf die Leerlaufdrehzahl nMOT=600 1/min (Figur 11A). Sobald eine verifizierte Motordrehzahl erkannt wird, das heißt, sobald sich die Kurbelwelle dreht, ist eine Bedingung für den Übergang aus der
Stillstandfunktion in die Normalfunktion erfüllt. Der Ist-Raildruck pCR(IST) steigt nach dem Starten der Brennkraftmaschine ebenfalls an. Überschreitet der Ist-Raildruck pCR(IST) den Startwert von pSTART=800 bar zum Zeitpunkt t1 , so ist die zweite notwendige Bedingung erfüllt. Jetzt wird die Stillstandfunktion zurückgesetzt und die Normalfunktion gesetzt, indem ebenfalls zum Zeitpunkt t1 der Schalter S1 von S1=1 in die Stellung S1=2 verbracht wird. Nunmehr ist das Druckregelventil aktiviert. Bei diesem Beispiel nimmt damit das PWM-Signal den Wert PWMDV=5% an, siehe Fig. 11 C. Über das Druckregelventil wird als Raildruck-Störgröße VDRV ein
Volumenstrom von 1.5 Liter/min abgesteuert. Der Ist-Raildruck pCR(IST) schwingt sich anschließend auf den Leerlaufwert von pCR(IST)=700 bar ein. Der Schalter S1 behält dabei seine Stellung S1=2 unverändert bei, auch dann, wenn der Ist-Raildruck pCR(IST) den Startwert pSTART=800 bar zum Zeitpunkt t2 wieder unterschreitet (Fig. 11 B). Das PWM-Signal hat weiterhin den Wert PWMDV=5% und es wird weiterhin ein Volumenstrom von 1.5 Liter/min abgesteuert. Zum Zeitpunkt t3 wird ein Motorstopp ausgelöst. Die Motordrehzahl nMOT und der Ist-Raildruck pCR(IST) fallen beide auf den Wert Null ab. Zum Zeitpunkt t4 wird dann ein Motorstillstand erkannt. Dies hat zur Folge, dass die Normalfunktion zurückgesetzt wird und die Stillstandfunktion stattdessen gesetzt wird, das heißt, der Schalter S1 wechselt in der Figur 11 E seine Stellung von S1 =2 auf S1 =1. Nunmehr wird das PWM-Signal PWMDV nicht mehr berechnet, sondern auf den Wert Null gesetzt. Es wird daher kein Kraftstoffvolumenstrom mehr abgesteuert, womit dann VDRV den Wert 0 Liter/min annimmt.
Die Figur 12 zeigt in einem zweiten Zeitdiagramm den Übergang von der
Normalfunktion zur Schutzfunktion. Die Figur 12 besteht aus den Teildiagrammen 12A bis 12E. Diese zeigen jeweils über der Zeit: den dynamischen Raildruck pCR(DYN) in Figur 12A, das PWM-Signal PWMDV, mit welchem das
Druckregelventil angesteuert wird, in der Fig. 12B, die Raildruck-Störgröße VDRV entsprechend dem abgesteuerten Volumenstrom in der Fig. 12C, die Stellung des Schalters S1 in der Fig. 12D und den Wert des Merkers in der Figur 12E.
Zum Zeitpunkt t1 kommt es zu einem Lastabwurf, beispielsweise weil die
Generatorlast abgeschaltet wird, wodurch der dynamische Raildruck pCR(DYN) ausgehend von einem Anfangswert pCR(DYN)=2200 bar ansteigt. Zum Zeitpunkt t2 erreicht der dynamische Raildruck pCR(DYN) den maximalen Druckwert pMAX=2320 bar. Da der Merker bisher den Wert Null hatte, war die Schutzfunktion freigegeben, weshalb das PWM-Signal PWMDV nun temporär auf den Wert
PWMDV=PMWt=I 00% gesetzt wird, indem der Schalter S1 von der Stellung S1=2 in die Stellung S1 =3 umgesteuert wird. Mit anderen Worten: die Normalfunktion wird zurückgesetzt und die Schutzfunktion gesetzt. Bei gesetzter Schutzfunktion wird jetzt über das Druckregelventil als Raildruck-Störgröße VDRV ein Volumenstrom von 4 Liter/min in den Kraftstofftank abgesteuert. Gleichzeitig wird bei gesetzter
Schutzfunktion der Merker auf den Wert 1 gesetzt (Fig. 12E), wodurch die
Schutzfunktion verriegelt ist. Zum Zeitpunkt t3 ist die Zeitstufe t1 abgelaufen. Mit Ablauf der Zeitstufe t1 wird die Schutzfunktion zurückgesetzt und die Normalfunktion aktiviert, indem der Schalter S1 von der Stellung S1=3 in die Stellung S1 =2 umgesteuert wird. Der abgesteuerte Volumenstrom nimmt folglich den Wert 0 Liter/min an. Zum Zeitpunkt t4 unterschreitet der dynamische Raildruck pCR(DYN) den maximalen Druckwert pMAX=2320 bar um einen Hysteresewert pHY=70 bar. Damit wechselt der Merker vom Wert 1 auf den Wert 0, wodurch die Schutzfunktion wieder freigegeben ist.
In der Figur 12A ist als Vergleich eine gestrichelte Linie eingezeichnet, welche einen Verlauf des dynamischen Raildrucks pCR(DYN) ohne Schutzfunktion zeigt. Wie zu erkennen ist, reduziert sich das Überschwingen des dynamischen Raildrucks pCR(DYN) mittels der Schutzfunktion deutlich. In der Figur ist dies mit dem
Bezugszeichen dp gekennzeichnet.
In der Figurenbeschreibung wurde für die Ansteuerung des Druckregelventils ein PWM-Signal in positiver Logik verwendet, das heißt, bei einem positiven Wert des PWM-Signals PWMDV wird das Druckregelventil in Öffnungsrichtung (zunehmender Öffnungsquerschnitt) beaufschlagt. Selbstverständlich lässt sich die Ansteuerung analog zur Saugdrossel auch in negativer Logik ausführen. In diesem Fall ist dann bei einem PWM-Wert von PWMDV=O das Druckregelventil vollständig geöffnet.
Zusammenfassend ergeben sich für das erfindungsgemäße Verfahren folgende Vorteile:
- Ein Überschwingen des Raildrucks, hier: dynamischer Raildruck, bei
Laständerung am Abtrieb der Brennkraftmaschine wird deutlich reduziert;
- Das verringerte Überschwingen bewirkt eine kürzere Ausregelzeit und damit eine kürzere Reaktionszeit;
- Das mechanische System, insbesondere das Rail, wird vor Druckspitzen
wirkungsvoll geschützt;
- Ein öffnen des passiven Druckbegrenzungsventils wird auf die wirklichen Notfälle begrenzt;
- Das erfindungsgemäße Verfahren kann ergänzend zum bekannten Verfahren der Schnellbestromung der Saugdrossel bei einem Lastabwurf verwendet werden (DE 10 2005 029 138 B3);
- Der Druckaufbau des Raildrucks beim Startvorgang erfolgt ungehindert. Bezugszeichen
Brennkraftmaschine 33 Stillstandfunktion
Kraftstofftank 34 Normalfunktion
Niederdruckpumpe 35 Schutzfunktion
Saugdrossel
Hochdruckpumpe
Rail
Injektor
Einzelspeicher (optional)
Rail-Drucksensor
elektronisches Steuergerät (ECU)
Druckbegrenzungsventil, passiv
Druckregelventil, elektrisch ansteuerbar
Raildruck-Regelkreis
Druckregler
Begrenzung
Pumpen-Kennlinie
Berechnung PWM-Signal
Regelstrecke
erstes Filter
zweites Filter
Steuerung
Berechnung
Druckregelventil-Kennfeld
Stromregelkreis (Druckregelventil)
Stromregler
Filter
Soll-Volumenstrom-Kennfeld
Berechnung Soll-Verbrauch
dynamische Korrektur
Begrenzung
Kennlinie
Regler

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem der Raildruck (pCR) über eine niederdruckseitige Saugdrossel (4) als erstes
Druckstellglied in einem Raildruck-Regelkreis (13) geregelt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Raildruck-Störgröße (VDRV) zur Beeinflussung des Raildrucks (pCR) über ein hochdruckseitiges Druckregelventil (12) als zweites Druckstellglied erzeugt wird, über welches Kraftstoff aus dem Rail (6) in den Kraftstofftank (2) abgesteuert und dessen Stellung über ein PWM-Signal (PWMDV) bestimmt wird, indem bei gesetzter Normalfunktion (34) das PWM-Signal (PWMDV) in Abhängigkeit eines resultierenden Soll-Volumenstroms (Vres(SL)) berechnet wird und indem bei gesetzter Schutzfunktion (35) das PWM-Signal (PWMDV) temporär auf einen Maximalwert (PWMt) gesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schutzfunktion (35) gesetzt wird, wenn ein dynamischer Raildruck
(pCR(DYN)) einen maximalen Druckwert (pMAX) übersteigt und die Schutzfunktion freigegeben ist (MERKER=O).
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass nach Ablauf einer Zeitstufe (t1) das temporäre PWM-Signal beendet wird, die Schutzfunktion (35) zurückgesetzt und die Normalfunktion (34) wieder gesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei gesetzter Normalfunktion (34) die Schutzfunktion (35) wieder freigegeben wird, wenn der dynamische Raildruck (pCR(DYN)) den maximalen Druckwert (pMAX) um mindestens einen Hysteresewert (pHY) unterschreitet.
5. Verfahren nach einem der vorausgegangen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei gesetzter Normalfunktion (34) diese zurückgesetzt und eine
Stillstandfunktion (33) gesetzt wird, wenn ein Motorstillstand erkannt wird, wobei bei gesetzter Stillstandfunktion (33) das PWM-Signal (PWMDV) mit einem Wert Null ausgegeben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stillstandfunktion (33) zurückgesetzt und die Normalfunktion (34) gesetzt wird, wenn der Ist-Raildruck pCR(IST) den Startwert (pSTART) übersteigt und eine verifizierte Motordrehzahl (nMOT) erkannt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der resultierende Soll-Volumenstrom (Vres(SL)) aus einem statischen Soll- Volumenstrom (Vs(SL)) und einem dynamischen Soll-Volumenstrom (Vd(SL)) berechnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der statische Soll-Volumenstrom (Vs(SL)) des Druckregelventils (12) in Abhängigkeit einer Soll-Einspritzmenge (QSL) und einer Motordrehzahl (nMOT) über ein Soll-Volumenstrom-Kennfeld (27) berechnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der dynamische Soll-Volumenstrom (Vd(SL)) des Druckregelventils (12) über eine dynamische Korrektur (29) in Abhängigkeit eines Soll-Raildrucks (pCR(SL)) und eines Ist-Raildrucks (pCR(IST)) oder des dynamischen Raildrucks (pCR(DYN)) berechnet wird.
10. Verfahren nach einem der vorausgegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Ist-Raildruck (pCR(IST)) über ein erstes Filter (19) aus dem Raildruck (pCR) berechnet wird und der dynamische Raildruck (pCR(DYN)) über ein zweites Filter (20) aus dem Raildruck (pCR) berechnet wird.
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