[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Annäherung eines gespeicherten
Vorsteuerkennfeldes eines Druckregelventils einer Common-Rail Pumpe an das effektive
Vorsteuerkennfeld des Druckregelventils.
[0002] Bei Common-Rail Systemen wird üblicherweise der Systemdruck in dem Rail durch ein
Druckregelventil eingestellt. Das Druckregelventil gewährleistet eine hinreichend
genaue Einstellbarkeit des Druckes bei einem stationären Betrieb. Für transiente Übergänge
ist eine schnelle Dynamik gefordert, damit ein neuer Betriebszustand möglichst schnell
und mit möglichst geringen Abweichungen vom vorgegebenen Sollwert erreicht wird.
[0003] Bei Druckregelventilen kann im Wesentlichen der Druck in dem Rail durch eine Magnetkraft
eingestellt werden. Zur Druckregelung wird daher üblicherweise ein PI-Regler mit einer
druckabhängigen Vorsteuerung verwendet.
[0004] Aus Stabilitätsgründen ist die Geschwindigkeit, mit welcher eine Druckregelung vorgenommen
wird begrenzt. Um möglichst geringe Abweichungen vom Solldruck zu erzielen, kommt
einem genauen Vorsteuerkennfeld eine hohe Bedeutung zu: je genauer dieses ist, desto
geringer werden die Abweichungen vom Solldruck zum Systemdruck. Der Begriff "Vorsteuerkennfeld"
umfasst den Begriff "Vorsteuerkennlinie".
[0005] Heutzutage wird das Vorsteuerkennfeld normalerweise in einer eindimensionalen Tabelle
hinterlegt. Zur Adaption müssen zunächst stationäre Betriebszustände erkannt werden.
Wenn ein stationärer Betriebszustand in der Nähe einer Stützstelle der Tabelle liegt,
wird er für die Adaption dieses Punktes der Tabelle verwendet.
[0006] Durch die Filterung von nicht-stationären Betriebszuständen und Messungen, die nicht
in der Nähe einer Stützstelle liegen, ergibt sich eine langsame und ungenaue Adaption.
[0007] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine beschleunigte und
verbesserte Adaption des Vorsteuerkennfeldes eines Druckregelventils vornehmen zu
können.
[0008] Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 bzw. 7 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Das dynamische Systemverhalten kann deutlich verbessert werden. Zudem können die Fertigungstoleranzen
für PCV-Ventile vergrößert werden.
[0009] Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Annäherung eines gespeicherten Vorsteuerkennfeldes
eines Druckregelventils einer Common-Rail-Pumpe an das effektive Vorsteuerkennfeld
des Druckregelventils. Dazu bildet das gespeicherte Vorsteuerkennfeld einen Solldruck
in dem Rail auf einen Steuerstrom des Druckregelventils ab. In einem Verfahrensschritt
wird der Steuerstrom des Druckventils bestimmt. Dieser kann direkt aus dem Vorsteuerkennfeld
herausgelesen werden oder gemessen werden. In einem weiteren Verfahrensschritt wird
der Druck im Rail gemessen. Der gemessene Druck und der Steuerstrom bilden einen Messpunkt.
In einem werteren Verfahrensschritt wird das gespeicherte Vorsteuerkennfeld mittels
eines Regressionsverfahrens unter Einbezug dieses Messpunktes angepasst.
[0010] Durch eine wiederholte Ermittlung von Messpunkten und iterieren des Regressionsverfahrens
kann das gespeicherte Vorsteuerkennfeld noch genauer an das effektive Vorsteuerkennfeld
angenähert werden.
[0011] Wird das Vorsteuerkennfeld als analytische Funktion gespeichert, so lässt sich das
Regressionsverfahren besonders schnell durchführen. Das effektive Kennfeld kann beispielsweise
durch Polynome angenähert werden. Polynome dritten Grades weisen den Vorteil auf,
dass sie wenig Speicherplatz benötigen, schnell prozessierbar sind und bereits gute
Näherungen an das effektive Kennfeld ermöglichen. Das Vorsteuerkennfeld kann auch
als eine Summe von analytischen Funktionen, eine Summe von finiten Elementen, eine
Summe von B-spline-Funktionen oder eine Summe einer abschnittsweise linearen Funktionen
gespeichert sein. Ebenso ist es auch möglich, das Kennfeld als Tabelle zu speichern.
[0012] Die Verwendung eines Regressionsverfahrens ermöglicht es, das Vorsteuerkennfeld auch
während eines nicht-stationären Zustandes der Common-Rail-Pumpe anzupassen. Die Messungen
des Druckes brauchen im Gegensatz zum Stand der Technik nicht mehr gefiltert zu werden.
Dadurch wird das Vorsteuerkennfeld genauer, das Druckregelventil kann auch in transienten
Zuständen präziser angesteuert werden.
[0013] Um das Verfahren durchzuführen wird ein Motorsteuergerät vorgeschlagen, welches einen
ersten Datenspeicherbereich, einen zweiten Datenspeicherbereich und einen Prozessor
umfasst. Im ersten Datenspeicherbereich kann ein Vorsteuerkennfeld gespeichert werden,
welches einen Solldruck auf einen Steuerstrom des Druckregelventils abbildet, während
im zweiten Datenspeicherbereich ein gemessener Druck gespeichert werden kann. Der
Prozessor ist derart programmiert, dass er ein in dem ersten Datenspeicherbereich
gespeichertes Vorsteuerkennfeld mittels eines Regressionsverfahrens unter Einbezug
eines im zweiten Datenspeicherbereich gespeicherten Messpunktes anpasst.
[0014] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
Dabei zeigen:
- Figur 1A
- Solldruckverlauf und gemessener Druckverlauf bei transienten Bedingungen im Prüfstand
nach dem Stand der Technik;
- Figur 1B
- Verteilung der Regelabweichungen des gemessenen Druckes vom Solldruck nach dem Stand
der Technik;
- Figur 2A
- ursprüngliches Vorsteuerkennfeld;
- Figur 2B
- angepasstes Vorsteuerkennfeld;
- Figur 3A
- Testprozedur und den gemessener Systemdruck für das ursprüngliche Vorsteuerkennfeld;
- Figur 3B
- Testprozedur und den gemessenen Systemdruck für das angepasste Vorsteuerkennfeld;
- Figur 4
- ursprüngliche Vorsteuerkennfeld zu Beginn der Testprozedur und das angepasstes Vorsteuerkennfeld;
- Figur 5A
- Solldruck und effektiver Druck während einer Testfahrt;
- Figur 5B
- Differenz zwischen Solldruck und effektivem Druck während der Testfahrt.
[0015] Figur 1A zeigt den Solldruckverlauf 10 und einen im Prüfstand gemessenen Druckverlauf
12 im Rail eines Common-Rail-Systems mit Druckregelventil, dessen Vorsteuerkennfeld
nach dem Stand der Technik angesteuert wird. Auf der Abszisse ist die Zeit t in Sekunden
s aufgetragen, auf der Ordinate der Druck p in Megapascal MPa. Im Common-Rail-System
ist ein stabiler Regler implementiert, welcher sicherstellt, dass sich das System
jeweils asymptotisch an Betriebspunkte annähert. In stationären Zuständen ist in dieser
Auflösung kaum ein Unterschied zwischen Solldruck und gemessenem Druck im Rail erkennbar.
Bei transienten Bedingungen ist die Abweichung von Solldruck 10 und gemessenem Druck
12 ersichtlich.
[0016] Figur 1B zeigt die Verteilung der Regelabweichungen dp des gemessenen Druckes 12
vom Solldruck 10 für die in Figur 1A gemessenen Druckverläufe. Auf der Abszisse ist
die Regelabweichung dp in Megapascal aufgetragen, während die Ordinate die Häufigkeit
n einer Regelabweichung angibt. Die Analyse der Messdaten zeigt, dass sich die Regelabweichungen
um die Gleichgewichtslage verteilen. Das Gesamtsystem verhält sich wie ein Attraktor,
bei dem Betriebszustände umso wahrscheinlicher sind, je näher sie am Gleichgewichtszustand
liegen.
[0017] Die Annäherung eines gespeicherten Vorsteuerkennfelds an das effektive Vorsteuerkennfeld
eines Druckregelventils wurde zunächst an einem Systemprüfstand unter reproduzierbaren
Bedingungen getestet. Die Figuren 2A, 2B, 3A und 3B beziehen sich auf ein erstes Ausführungsbeispiel,
welches im Prüfstand getestet wurde.
[0018] Figur 2A zeigt dabei ein ursprüngliches Vorsteuerkennfeld, welches einen Solldruck
p in dem Rail auf einen Steuerstrom I des Druckregelventils abbildet. Die Abszisse
stellt den Solldruck p in Megapascal dar und die Ordinate den Strom I, mit welchem
das Druckregelventil angesteuert wird. Der Strom I ist in Pulsweitenmodulation aufgetragen,
wobei ein Wert von 100 einem Gleichstrom entsprechen würde. Das Vorsteuerkennfeld
wurde als Polynom dritten Grades in der Motorsteuerung gespeichert:

[0019] Ein ungenaues Vorsteuerkennfeld wie in Figur 2A führt zu großen Korrekturtermen des
PI-Reglers und als Konsequenz dazu, dass die tatsächliche Bestromung des Druckregelventils
stark von dem Vorsteuerkennfeld abweicht. Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird
ein momentan gemessener Strom am Druckregelventil mit dem zugehörigen Druck zur Korrektur
des Vorsteuerkennfeldes verwendet. Das Vorsteuerkennfeld wird als Anwendungsbeispiel
durch obiges Polynom approximiert. Der tatsächliche Zustand (Strom/Druck) wird durch
ein Regressionsverfahren verwendet, um die Parameter a
0, a
1, a
2, a
3 des Polynoms zu modifizieren. Durch iterative Wiederholung des Verfahrens passt sich
so der Verlauf des Polynoms optimal an das tatsächliche Vorsteuerkennfeld des Druckregelventils
an.
[0020] Messdaten für den Systemdruck und die Bestromung des Druckregelventils können in
zufälliger Folge gesammelt werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist keine Filterung
von Daten notwendig. Insbesondere können auch Daten von nicht-stationären Zuständen
verwendet werden und Daten, welche sich nicht in der Nähe einer Stützstelle des gespeicherten
Vorsteuerkennfeldes befinden.
[0021] Um das Regressionsverfahren durchzuführen, kann beispielsweise das Vorsteuerkennfeld
durch charakteristische Punkte repräsentiert werden. Für ein Polynom dritten Grades
bedarf es beispielsweise vier charakteristischer Punkte. Diese Punkte werden vorteilhafterweise
durch einen D-optimalen Versuchsplan ausgewählt. Ein gemessener Wert wird dann zu
den charakteristischen Punkten hinzugefügt. Mit diesen Punkten wird das Vorsteuerkennfeld
neu ermittelt und wiederum auf die charakteristischen Punkte reduziert. Das Gewicht
des gemessenen Wertes kann zusätzlich durch einen Multiplikationsfaktor modifiziert
werden, wodurch die Konvergenzgeschwindigkeit erhöht werden kann. Für ein Polynom
dritten Grades kann das Regressionsverfahren auf das Lösen eines linearen 4x4-Gleichungssystems
reduziert werden. Dies ist analytisch möglich und kann daher problemlos in einer Motorsteuerung
realisiert werden. Auch muss der Datenspeicher lediglich vier charakteristische Punkte
und einen Messwert aufnehmen können.
[0022] Figur 2B zeigt das angepasste Vorsteuerkennfeld, welches nach 100 Iterationen aus
dem Vorsteuerkennfeld von Figur 2A hervorgeht. Für jede Iteration wurde das Vorsteuerkennfeld
mittels eines Regressionsverfahrens angepasst. Ein Messpunkt umfasst dabei eine Messung
des Druckes p in dem Rail und den Strom I, mit welchem das Druckregelventil angesteuert
wird. Der Druck p ist auf der Abszisse in Megapascal MPa und der Strom I auf der Ordinate
in Pulsweitenmodulation PWM aufgetragen.
[0023] Das ursprüngliche Vorsteuerkennfeld von Figur 2A und das angepasste Vorsteuerkennfeld
von Figur 2B wurden mittels einer einheitlichen Testprozedur darauf getestet, wie
rasch und präzise der Raildruck eines Common-Rail-Systems angepasst wird. Dazu wurde
eine transiente Testprozedur definiert, welche 55 Sekunden dauert und welche aus einer
Reihe von zeitlich vorgegebenen Sprüngen des Solldruckes in dem Rail besteht. Während
der Testprozedur waren beide Vorsteuerkennfelder fest, wurden also nicht adaptiert.
Während des Ablaufs der Testprozeduren wurde der Systemdruck im Rail gemessen.
[0024] Figur 3A zeigt den zeitlichen Verlauf des Solldrucks 10 und des gemessenen Systemdrucks
12 für das ursprüngliche Vorsteuerkennfeld von Figur 2A. Auf der Abszisse ist die
Zeit in Sekunden aufgetragen, auf der Ordinate der Druck in Megapascal. Die Standardabweichung
zwischen Solldruck 10 und Systemdruck 12 beträgt 3.2 Megapascal. In stationären Zuständen
ist in dieser Auflösung kaum ein Unterschied zwischen Solldruck und gemessenem Druck
im Rail erkennbar. Bei transienten Bedingungen ist die Abweichung von Solldruck 10
und gemessenem Druck 12 ersichtlich.
[0025] Figur 3B zeigt den zeitlichen Verlauf des Solldrucks 10 und den gemessenen Systemdrucks
12 für das angepasste Vorsteuerkennfeld von Figur 2B. Auf der Abszisse ist die Zeit
in Sekunden aufgetragen, auf der Ordinate der Druck in Megapascal. Die Standardabweichung
zwischen Solldruck und Systemdruck beträgt nur noch 1.5 Megapascal. Auch bei transienten
Übergängen zeigt ist auf der Figur 3B praktisch keine Abweichung des Systemdrucks
12 vom Solldruck 10 erkennbar.
[0026] Die Figuren 4, 5A und 5B beziehen sich auf ein zweites Ausführungsbeispiel, welches
in einem Fahrzeug auf der Strasse getestet wurde. Dazu wurde eine Testprozedur mit
einer online-Adaption im Fahrzeug durchgeführt. Die Testprozedur dauerte 2 Minuten.
[0027] Figur 4 zeigt das ursprüngliche Vorsteuerkennfeld 14 zu Beginn der Testprozedur und
das angepasste Vorsteuerkennfeld 16. Auf der Abszisse ist der Solldruck p aufgetragen,
während die Ordinate den Strom I darstellt, mit welchem das Druckregelventil anzusteuern
ist. Einzelne Messpunkte 18, mit welchen das Vorsteuerkennfeld iterativ angepasst
wurde, sind ebenfalls erkennbar. Das angepasste Kennfeld ging nach 120 Sekunden aus
200 Iterationen hervor.
[0028] Dabei wurde dasselbe Verfahren angewendet wie im Beispiel nach Figur 2A/2B. Da es
sich im Fahrzeug aber nicht um dasselbe Druckregelventil handelt wie im Prüfstandsbeispiel,
ergibt sich als Endergebnis der Iteration ein etwas anders verlaufendes Vorsteuerkennfeld.
[0029] Figur 5A zeigt den Solldruck 10 in Megapascal MPa, welcher sich durch die Testfahrt
des Fahrzeugs ergab sowie den effektiven Druck 12 in dem Rail. Auf der Abszisse ist
die Zeit t in Sekunden aufgetragen, auf der Ordinate der Druck p in Megapascal MPa.
[0030] Figur 5B zeigt die Differenz dp zwischen Solldruck und effektivem Druck in Megapascal
MPa während der Testfahrt. Auf der Abszisse ist die Zeit in Sekunden aufgetragen,
auf der Ordinate die Druckdifferenz in Megapascal. Es ist ersichtlich, dass nach etwa
60 Sekunden Fahrt das Vorsteuerkennfeld deutlich besser angepasst ist, als zu Beginn
der Fahrt. Die Differenz dp zwischen Solldruck und effektivem Druck ist in der zweiten
Hälfte der Testprozedur deutlich geringer als in der ersten Hälfte.
1. Verfahren zur Annäherung eines gespeicherten Vorsteuerkennfeldes eines Druckregelventils
einer Common-Rail Pumpe an das effektive Vorsteuerkennfeld des Druckregelventils,
wobei das gespeicherte Vorsteuerkennfeld einen Solldruck in dem Rail auf einen Steuerstrom
des Druckregelventils abbildet, das Verfahren umfassend die Verfahrensschritte:
A Messen des Druckes in dem Rail;
B Bestimmen des Steuerstroms des Druckregelventils; gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt
C Anpassen des gespeicherten Vorsteuerkennfeldes mittels eines Regressionsverfahrens
unter Einbezug des in Schritt A gemessenen Druckes und der in Schritt B gemessenen
Steuerstroms.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verfahrensschritte A, B und C iteriert werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das gespeicherte Vorsteuerkennfeld eine analytische Funktion, eine Summe von analytischen
Funktionen, ein Polynom, insbesondere ein Polynom dritten Grades, eine Summe von finiten
Elementen, eine Summe von B-spline-Funktionen, eine Summe einer abschnittsweise linearen
Funktionen oder eine Tabelle ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verfahrensschritt B und/oder der Verfahrensschritt C während eines nicht-stationären
Zustandes der Common-Rail-Pumpe vorgenommen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Regressionsverfahren durch ein Motorsteuergerät ausgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Regressionsverfahren ungefilterte Messungen von Schritt A und Schritt B verwendet.
7. Motorsteuergerät zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8
umfassend
- einen ersten Datenspeicherbereich für ein Vorsteuerkennfeld, welches einen Solldruck
auf einen Steuerstrom des Druckregelventils abbildet,
- einen zweiten Datenspeicherbereich für einen Messpunkt, insbesondere einen gemessenen
Druck,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Motorsteuergerät einen Prozessor umfasst, welcher derart programmiert ist, dass
er ein in dem ersten Datenspeicherbereich gespeichertes Vorsteuerkennfeld mittels
eines Regressionsverfahrens unter Einbezug eines im zweiten Datenspeicherbereich gespeicherten
Messpunktes anpasst.
8. Motorsteuergerät nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Motorsteuergerät einen Prozessor umfasst, welcher derart programmiert ist, dass
der zweite Datenspeicherbereich mit einem neuen Messpunkt beschrieben und das Regressionsverfahren
iteriert wird.
9. Motorsteuergerät nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das gespeicherte Vorsteuerkennfeld eine analytische Funktion, eine Summe von analytischen
Funktionen, ein Polynom, insbesondere ein Polynom dritten Grades, eine Summe von finiten
Elementen, eine Summe von B-spline-Funktionen, eine Summe einer abschnittsweise linearen
Funktionen oder eine Tabelle ist.
10. Motorsteuergerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Motorsteuergerät einen Prozessor umfasst, welcher derart programmiert ist, dass
der Verfahrensschritt B und/oder der Verfahrensschritt C während eines nicht-stationären
Zustandes der Common-Rail-Pumpe vorgenommen wird.
11. Motorsteuergerät nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Motorsteuergerät einen Prozessor umfasst, welcher derart programmiert ist, dass
das Regressionsverfahren ungefilterte Messungen von Schritt A und Schritt B verwendet.