Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer Druckgrösse einer Brennkraftmaschine

Abstract

 Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung einer Druckgröße einer Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem ausgehend von einem Vergleich zwischen einem Istwert und einem Sollwert eine Stellgröße vorgebbar ist. Ausgehend von einer Betriebskenngröße, ist mittels eines differenzierenden Verhalten aufweisenden Elements ein Wert zur Beeinflussung der Stellgröße vorgebbar.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer Druckgröße einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

[0002] Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer Druckgröße einer Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der DE 19731995 bekannt. Dort wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Raildrucks bei einem Common Rail-System beschrieben. Ausgehend von dem Vergleich zwischen einem Istwert und einem Sollwert für den Raildruck ist eine Stellgröße zur Ansteuerung eines entsprechenden Stellgliedes, beispielsweise eines Druckregelventils und/oder einer gesteuerten Hochdruckpumpe vorgebbar.

[0003] Dieser Regelung des Raildrucks kommt in Common Rail-Systemen heutzutage eine immer größere Bedeutung zu, da die Regelgüte Auswirkungen auf die Dauerhaltbarkeit der Hydraulikkomponenten hat. Verschärfte Abgasnormen erfordern zudem immer höhere Drücke und geringere Abgasemissionen, die vor allem beim Beschleunigen auftreten. Besondere Anforderungen treten insbesondere bei sportlicher Fahrweise auf, da es hier häufig zu dynamischen Betriebszuständen unter extremen Einsatzbedingungen kommt.

[0004] Der Raildruck muß ständig dem jeweiligen Fahrzustand angepasst werden. Dies dient der optimalen Verbrennung und damit auch der Wirtschaftlichkeit und dem Komfort.

[0005] Problematisch ist die Regelung in dynamischen Fahrzuständen. Da die Fördermenge der Pumpe von der Einspritzmenge und der Drehzahl, insbesondere der Förderpumpe abhängt, wirken sich Veränderungen dieser Parameter negativ auf die Regelung aus. Zudem muß das Druckniveau des überschüssigen Railinhaltes möglichst schnell angepasst werden. Desweiteren besteht eine Totzeit zwischen dem Reglerausgang und der Änderung der Förderleistung.

[0006] Zur Entlastung des Integrators in der Regelung ist das Fördermengenkennfeld mit den bekannten Parametern vorgesehen. Dieses arbeitet korrekt für den stationären Betrieb. Systemtoleranzen werden durch den Integrator korrigiert. Änderungen am statischen System führen zu zeitlich begrenzten Abweichungen des Istwertes vom Sollwert. Es gilt, diese Abweichungen so gering wie möglich zu halten.

[0007] Besonders problematisch ist, dass dynamische Änderungen durch einen PI-Regler nicht ausgeglichen werden können. Der parallel geschaltete D-Anteil verhindert ein Überschwingen des Integrators. Der nachgeschaltete D-Anteil soll die Totzeit versteuern. Leider wirken sich große Änderungen der Einspritzmenge oder der Pumpendrehzahl weiterhin störend auf die Druckregelung aus.

[0008] Es gilt nun die Regelung des Raildrucks, insbesondere in dynamischen Zuständen weiter zu verbessern. Dadurch, dass ausgehend von wenigstens einer Betriebskenngröße mittels eines Elements, das differenzierendes Verhalten aufweist, ein Wert vorgebbar ist, mit dem die Stellgröße beeinflusst werden kann, ist eine wesentlich genauere Regelung in dynamischen Betriebszuständen möglich. Durch diese Vorsteuerung, abhängig von verschiedenen Betriebszuständen mittels eines differenzierenden Anteils, ist eine sehr präzise Regelung des Raildrucks auch in dynamischen Zuständen möglich. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zeichnung

[0009] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung dargestellt und Ausführungsformen erläutert.

[0010] Es zeigen:

Figur 1

ein Blockdiagramm eines Common Rail-Systems,

Figur 2

ein Blockdiagramm der wesentlichen Elemente der Regelung und

Figur 3

ein Flussdiagramm zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

[0011] In Figur 1 sind für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Bauteile eines Kraftstoffversorgungssystems einer Brennkraftmaschine mit Hochdruckeinspritzung dargestellt. Das dargestellte System wird üblicherweise als Common-Rail-System bezeichnet.

[0012] Mit 100 ist ein Kraftstoffvorratsbehälter bezeichnet. Dieser steht über einen ersten Filter 105, eine Vorförderpumpe 110 mit einem zweiten Filtermittel 115 in Verbindung. Vom zweiten Filtermittel 115 gelangt der Kraftstoff über eine Leitung zu einer Hochdruckpumpe 125. Die Verbindungsleitung zwischen dem Filtermittel 115 und der Hochdruckpumpe 125 steht über ein Niederdruckbegrenzungsventil 145 mit dem Vorratsbehälter 100 in Verbindung. Die Hochdruckpumpe 125 steht mit einem Rail 130 in Verbindung. Das Rail 130 wird auch als Speicher bezeichnet und steht über Kraftstoffleitungen mit verschiedenen Injektoren 131 in Kontakt. Über ein Druckregelventil 135 ist das Rail 130 mit dem Kraftstoffvorratsbehälter 100 verbindbar. Das Druckregelventil 135 ist mittels einer Spule 136 steuerbar. Die Hochdruckpumpe beinhaltet ein Stellelement mit dem die von der Hochdruckpumpe 125 geförderte Kraftstoffmenge beeinflusst wird. Dieses Stellelement ist in der Hochdruckpumpe oder vor der Hochdruckpumpe angeordnet und bestimmt die Kraftstoffmenge, die der Hochdruckpumpe zugeführt und damit in den Hochdruckbereich gefördert wird.

[0013] Die Leitungen zwischen dem Ausgang der Hochdruckpumpe 125 und dem Eingang des Druckregelventils 135 werden als Hochdruckbereich bezeichnet. In diesem Bereich steht der Kraftstoff unter hohem Druck. Der Druck im Hochdruckbereich wird mittels eines Sensors 140 erfasst. Die Leitungen zwischen dem Tank 100 und der Hochdruckpumpe 125 werden als Niederdruckbereich bezeichnet.

[0014] Eine Steuerung 160 beaufschlagt die Hochdruckpumpe 125 mit einem Ansteuersignal AP, die Injektoren 131 mit einem Ansteuersignal A und/oder das Druckregelventil 135 mit Ansteuersignal AV. Die Steuerung 160 verarbeitet verschiedene Signale verschiedener Sensoren 165, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine und/oder des Kraftfahrzeugs, daß die Brennkraftmaschine antreibt, charakterisieren. Ein solcher Betriebszustand ist beispielsweise die Drehzahl N der Brennkraftmaschine.

[0015] Diese Einrichtung arbeitet wie folgt: Der Kraftstoff, der sich im Vorratsbehälter befindet, wird von der Vorförderpumpe 110 durch die Filtermittel 105 und 115 gefördert.

[0016] Steigt der Druck im Niederdruckbereich auf unzulässig hohe Werte an, so öffnet das Niederdruckbegrenzungsventil 145 und gibt die Verbindung zwischen dem Ausgang der Vorförderpumpe 110 und dem Vorratsbehälter 100 frei.

[0017] Die Hochdruckpumpe 125 fördert die Kraftstoffmenge Q1 vom Niederdruckbereich in den Hochdruckbereich. Die geförderte Kraftstoffmenge wird dabei durch das Signal AP bestimmt, mit dem das Stellelement in der Hochdruckpumpe beaufschlagt wird. Dies bedeutet die Hochdruckpumpe ist saugseitig geregelt.

[0018] Die Hochdruckpumpe 125 baut im Rail 130 einen sehr hohen Druck auf. Üblicherweise werden bei Systemen für fremdgezündete Brennkraftmaschinen Druckwerte von etwa 30 bis 100 bar und bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen Druckwerte von etwa 1000 bis 2000 bar erzielt. Über die Injektoren 131 kann der Kraftstoff unter hohem Druck den einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine zugemessen werden.

[0019] Mittels des Sensors 140 wird der Druck P im Rail bzw. im gesamten Hochdruckbereich erfaßt. Mittels der steuerbaren Hochdruckpumpe 125 und/oder des Druckregelventils 135 wird der Druck im Hochdruckbereich geregelt.

[0020] In Figur 2 ist die erfindungsgemäße Regelung des Raildrucks detailierter dargestellt. Diese ist vorzugsweise in der Steuerung 160 enthalten. Bereits in Figur 1 beschriebene Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Einem Kennfeld 200 werden verschiedene Signale von verschiedenen Sensoren bzw. Signale, die intern in der Steuerung 160 vorliegen, zugeführt. Dies sind insbesondere ein Signal bezüglich der Drehzahl N und ein Signal QK, das die eingespritzte Kraftstoffmenge charakterisiert. Als Drehzahl wird vorzugsweise die Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder die Drehzahl der Hochdruckpumpe verwendet.

[0021] Mit dem Ausgangssignal des Kennfeldes 200 wird ein Verknüpfungspunkt 205 beaufschlagt, der wiederum einen Verknüpfungspunkt 206 und einen differenzierenden ersten Anteil 215 beaufschlagt. Mit dem Ausgangssignal des ersten differenzierenden Anteils wird der zweite Eingang des Verknüpfungspunktes 206 beaufschlagt. Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 206 gelangt über eine Begrenzung 210 zu dem Stellglied 125. In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei dem Stellglied um die gesteuerte Hochdruckpumpe. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass andere Stellglieder angesteuert werden, mit denen der Raildruck beeinflussbar ist, dies kann beispielsweise das Druckregelventil 135 sein.

[0022] Das Ausgangssignal P des Drucksensors 140 gelangt zu einem Verknüpfungspunkt 225, an dessen zweiten Eingang das Ausgangssignal S einer Sollwertgabe 220 anliegt, die einen Sollwert S für den Raildruck bereitstellt. Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 225, das der Regelabweichung entspricht, gelangt zu einem Proportionalanteil 230, einem Integralanteil 232 und zu einem differenzierenden Anteil 238 eines Raildruckreglers. Mit dem Ausgangssignal des Proportionalanteils 230 und des Integralanteils 232 wird ein Verknüpfungspunkt 234 beaufschlagt, der wiederum einen Verknüpfungspunkt 236 beaufschlagt. Das Ausgangssignal des differenzierenden Anteils 238 gelangt über den Verknüpfungspunkt 240 zu dem Verknüpfungspunkt 236. Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 236 gelangt zu dem Verknüpfungspunkt 205. Die Elemente 225 bis 240 bilden einen Druckregler und das Kennfeld 200 beinhaltet im Wesentlichen eine Vorsteuerung.

[0023] Die Steuerung 160 stellt ferner einen Wert einer oder mehrerer Betriebskenngrößen bereit, der zu einem zu einem differenzierenden Verhalten aufweisenden Element 260 und zu einem Fensterkomparator 270 gelangt. Das Ausgangssignal des Fensterkomparators 270 gelangt an einen Schalteingang eines Schaltmittels 265. Das Ausgangssignal des differenzierenden Elements 260 gelangt zum einen zu einem PT1-Glied 275 und zu dem Schaltmittel 265. Das Ausgangssignal des PT1-Gliedes 275 gelangt ebenfalls zu dem Schaltmittel 265. Mit dem Ausgangssignal des Schaltmittels 265 wird der zweite Eingang des Verknüpfungspunktes 240 beaufschlagt. Die Elemente 260 bis 275 bilden gemeinsam eine dynamische Vorsteuerung 250.

[0024] Ausgehend von verschiedenen Betriebszuständen sind in dem Kennfeld 200 Vorsteuerwerte abgelegt, mit denen die Stellgröße für das Stellglied 125 beeinflusst werden kann. Diese Beeinflussung erfolgt im Verknüpfungspunkt 205. Die Vorsteuerung bewirkt eine Dynamikverbesserung der eigentlichen Regelung. Ausgehend von dem Vergleich zwischen dem Sollwert und dem Istwert P bestimmt der Regler, bestehend aus den Anteilen 230, 232 und 238 einen Wert zur Beeinflussung der Stellgröße. Das Ausgangssignal des Reglers und das Ausgangssignal der Vorsteuerung werden in dem Verknüpfungspunkt 205 vorzugsweise additiv verknüpft.

[0025] Die Verknüpfung der Ausgangssignale der verschiedenen Anteile 230, 232 und 238 erfolgt vorzugsweise in den Verknüpfungspunkten 234 und 236. Alternativ können diese auch zu einem Verknüpfungspunkt zusammen gefasst werden.

[0026] Diese so gebildete Stellgröße gelangt zu einem ersten differenzierenden Anteil 215, der, ausgehend von der Stellgröße durch Differentiation einen weiteren Korrekturwert bildet, mit dem die Stellgröße im Verknüpfungspunkt 206 derart beeinflusst wird, dass sich die Dynamik verbessert. Der so korrigierte Wert gelangt dann zu dem Begrenzer 210. Dieser begrenzt die Stellgröße auf physikalisch mögliche und/oder zulässige Werte.

[0027] Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Vorsteuerung und der erste D-Anteil 215 nicht ausreichen, um im dynamischen Betrieb eine optimale Regelung gewährleisten zu können. Deshalb ist erfindungsgemäß die dynamische Vorsteuerung 250 vorgesehen. Diese dynamische Vorsteuerung bildet, ausgehend von einer geeigneten Betriebskenngröße, einen weiteren Korrekturwert zur Beeinflussung der Stellgröße. Hierzu wird vorzugsweise das differenzierende Element 260 verwendet. Als Größe wird dabei die Differenz zweier Werte der Betriebskenngrößen ermittelt, die zwischen zwei aufeinander folgenden Einspritzungen vorliegen. Vorzugsweise werden als Betriebskenngrößen zur Bildung der dynamischen Vorsteuerung Werte verwendet, die die einzuspritzende Kraftstoffmenge charakterisieren. Besonders geeignet ist hierbei eine Größe bezüglich des Fahrerwunsches bzw. eine Momentengröße, die den Fahrerwunsch charakterisiert. Dadurch können sehr früh bevorstehende Änderungen der Einspritzmenge bzw. des Fahrerwunsches für die Raildruckregelung erfasst werden. Zusätzlich kann auch noch die Pumpendrehzahl herangezogen werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Werte zweier aufeinander folgenden Einspritzungen verwendet werden und zur Steuerung der Einspritzung der Mengenwunsch verzögert weitergeleitet wird, d.h. dass der Mengenwunsch zur Steuerung der Menge erst dann verarbeitet wird, wenn die Vorsteuerung diese Änderung schon erkannt und eine entsprechende Korrektur der Stellgröße vorgenommen hat. Dies bedeutet, die dynamische Vorsteuerung 250 ändert die Stellgröße bereits bevor die Steuerung der Einspritzmenge die Einspritzmenge erhöht.

[0028] Erkennt der D-Anteil 260 eine wesentliche Änderung der Betriebskenngröße, gibt er einen entsprechenden Korrekturwert für die Stellgröße vor. Die Vorgabe dieser Korrekturgröße erfolgt lediglich bei entsprechenden Änderungen der Betriebskenngröße. Dies wird durch den Fensterkomparator 270 gewährleistet. Lediglich wenn die Änderungen größer als ein Schwellwert SW sind, gibt der Fensterkomparator 270 ein Signal an das Schaltmittel 265, das das Ausgangssignal des differenzierenden Elements 260 zur Wirkung kommt. Ist das Signal kleiner als der Schwellenwert SW, so wird der Wert 0 weitergegeben. Mittels des PT1-Gliedes wird gewährleistet, dass nicht abrupt von dem Ausgangssignal des differenzierenden Elementes auf 0 umgeschaltet wird. Erfindungsgemäß wird bei einer Umschaltung auf den Wert 0 das bisherige Ausgangssignal des differenzierenden Elements 260 mittels einer vorgegebenen Funktion, die durch das PT1-Glied festgelegt wird, auf 0 zurück geführt.

[0029] Desweiteren ist vorgesehen, dass bei einem Vorzeichenwechsel am Eingang der differenzierenden Elements 260 dessen Wert sofort gelöscht und ein neuer Ausgangswert in der korrekten Vorsteuerrichtung berechnet wird.

[0030] Die erfindungsgemäße Vorgehensweise wurde bisher am Beispiel der Kraftstoffmenge bzw. einer diese Größe charakterisierende Menge beschrieben. Diese Vorgehensweise ist auch auf andere Betriebskenngrößen anwendbar. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung auf die Drehzahl der Brennkraftmaschine bzw. auf eine die Drehzahl der Brennkraftmaschine charakterisierende Größe. Als solche Größe wird beispielsweise die Drehzahl der Hochdruckpumpe verwendet.

[0031] Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist in Figur 3 näher erläutert.

[0032] In einem ersten Schritt 300 wird die einzuspritzende Kraftstoffmenge QK ermittelt. Im anschließenden Schritt 310 wird die Differenz QKD zwischen dem aktuellen Wert der Kraftstoffmenge QK und dem, bei der vorhergehenden Einspritzung berechneten Wert QKA ermittelt. Im Schritt 320 wird der Betrag QKDB dieser Größe bestimmt. Die sich anschließende Abfrage 330 überprüft, ob der Wert QKDB größer als ein Schwellenwert SW ist. Ist dies der Fall, so wird das Schaltmittel 265 so angesteuert, dass in Schritt 340 das differenzierende Element 260 Durchgriff auf die Stellgröße besitzt. Ist dies nicht der Fall, so wird in Schritt 350 das Schaltmittel 265 derart angesteuert, dass das PT1-Glied Durchgriff auf die Stellgröße besitzt. Dabei ist vorgesehen, dass der Startwert des PT1-Gliedes derart initialisiert wird, dass es den bisherigen Wert des D-Anteiles übernimmt.

[0033] Eine sich anschließende Abfrage 360 überprüft, ob bei der vorhergehenden Zumessung ein Vorzeichenwechsel bei dem Signal QKD aufgetreten ist. Ist dies der Fall, so wird in Schritt 365 der Wert des differenzierenden Elements 260 neu initialisiert. Ist dies nicht der Fall, so wird zum normalen Programmablauf übergegangen, wobei die Kraftstoffzumessung mit dem im vorhergehenden Schritt berechneten Wert QKA in Schritt 370 durchgeführt wird.

[0034] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass neben einer statischen Vorsteuerung, die durch das Kennfeld 200 realisiert wird, einem Regler, der ausgehend von einem Soll-Ist-Vergleich eine Stellgröße vorgibt, zusätzlich eine dynamische Vorsteuerung vorgesehen ist. Alternativ kann auch die statische Vorsteuerung 200 weggelassen werden. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass diese dynamische Vorsteuerung nur im Großsignalbereich wirkt, d.h., dass die Vorsteuerung nur in ersten Betriebszuständen zur Korrektur der Stellgröße verwendet wird. Diese ersten Betriebszustände liegen vor, wenn sich die Betriebskenngröße um mehr als einen vorgegebenen Wert SW ändert.

[0035] Besonders vorteilhaft ist ferner, dass eine Initialisierung des Differenzierens des Verhalten aufweisenden Elements 260 vorgesehen ist, die derart erfolgt, dass keine ungewollten Sprünge bei der Stellgröße austreten und der gespeicherte Wert nicht die Dynamik in der falschen Richtung stört. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das differenzierende Element 260 im Kleinsignalbereich abgeschaltet ist. Dies wird mit dem Schaltmittel 265 in Verbindung mit dem Fensterkomparator 260 realisiert. Erfolgt eine solche Abschaltung, wird der bestehende Ausgangswert des differenzierenden Element 260 mittels des PT1-Gliedes 265 auf 0 zurück geführt. Dadurch können Sprünge im Ausgangssignal vermieden werden. Ändert sich das Vorzeichen am Eingang, dann wird der Speicher im D-Anteil sofort gelöscht und ein neuer Ausgangswert in der korrekten Vorsteuerrichtung berechnet. Dadurch wird vermieden, dass der Wert des D-Anteils dynamikhemmend wirkt.

[0036] Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Betriebskenngrößen die Einspritzmenge, eine die Einspritzmenge charakterisierende Größe, die Pumpendrehzahl, eine die Pumpendrehzahl charakterisierende Größe oder eine dieser Größe entsprechende Größe wie beispielsweise Motordrehzahl als Betriebskenngröße verwendet werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Regelung einer Druckgröße einer Brennkraftmaschine, bei dem ausgehend von einem Vergleich zwischen einem Istwert und einem Sollwert eine Stellgröße vorgebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in ersten Betriebszuständen, ausgehend von einer Betriebskenngröße, mittels eines differenzierenden Verhalten aufweisenden Elements ein Wert zur Beeinflussung der Stellgröße vorgebbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 2, dass die ersten Betriebszustände vorliegen, wenn sich die Betriebskenngröße um mehr als ein Schwellenwert ändert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Druckgröße den Raildruck in ein Common Rail-System charakterisiert.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße zur Beeinflussung eines Stellgliedes dient, dass die Fördermenge einer Hochdruckpumpe beeinflusst.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Vorzeichenwechsel der Änderung der Betriebskenngröße der Wert neu berechnet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zweiten Betriebszuständen der Wert mittels eines PT1-Verhaltens aufweisenden Elements auf 0 geführt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Betriebszustände vorliegen, wenn sich die Betriebskenngröße um weniger als den Schwellenwert ändern.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Betriebskenngröße um eine Größe handelt, die die eingespritzte Kraftstoffmenge, das vom Fahrer gewünschte Moment, die Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder die Drehzahl der Hochdruckpumpe charakterisiert.

9. Vorrichtung zur Regelung einer Druckgröße einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Regler ausgehend von einem Vergleich zwischen einem Istwert und einem Sollwert eine Stellgröße vorgibt, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die in ersten Betriebszuständen, ausgehend von einer Betriebskenngröße, mittels eines differenzierenden Verhalten aufweisenden Elements ein Wert zur Beeinflussung der Stellgröße vorgeben.

Zeichnung