DE102007037037B3 - Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine mit Common-Railsystem nebst Einzelspeichern, bei dem aus einer Soll-Drehzahl (nSL), welche die Führungsgröße für einen äußeren Regelkreis (11) zur Drehzahl-Regelung darstellt, sowie einer Ist-Drehzahl (nIST) eine Drehzahl-Regelabweichung (dn) berechnet wird, aus der Drehzahl-Regelabweichung (dn) über einen Drehzahlregler (13) aer (SD(SOLL)) festgelegt wird, welche die Führungsgröße für einen inneren Regelkreis (12) zur zylinderindividuellen Spritzdauer-Regelung darstellt, bei dem aus der Soll-Spritzdauer (SD(SOLL)) und einer Ist-Spritzdauer eine Spritzdauer-Regelabweichung berechnet wird, aus der Spritzdauer-Regelabweichung über einen Spritzdauerregler als Folgeregler eine Stellgröße bestimmt wird und bei dem aus der Stellgröße und der Soll-Spritzdauer eine Spritzdauer zur Ansteuerung der Injektoren berechnet wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine, bei dem über einen äußeren drehzahlbasierten Regelkreis und einen inneren spritzdauerbasierten Regelkreis über einen Spritzdauerregler eine Stellgröße berechnet wird und die Stellgröße mit der Soll-Spritzdauer zur Ansteuerung der Injektoren verknüpft wird.
- Die Regelung einer Brennkraftmaschine, beispielsweise als Generatorantrieb, erfolgt meist in einer drehzahlbasierten oder momentenbasierten Regelkreisstruktur. Verursacht durch Toleranzen in der Signalkette und den Einspritzvorrichtungen werden unterschiedliche Kraftstoffmengen in die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt, wodurch unterschiedliche Momentenbeiträge der Zylinder bewirkt werden. Zur Erzielung eines stabilen Regelkreises ist es daher erforderlich, dass die Regelgröße gefiltert wird. Ein drehzahlbasierter Regelkreis für eine Brennkraftmaschine mit Common-Railsystem ist beispielsweise aus der
DE 103 02 263 B3 bekannt. - Daneben ist aus der
DE 103 15 881 B4 noch bekannt, an Hand der Stellgröße des drehzahlbasierten Regelkreises, hier: eine Soll-Einspritzmenge, und eines Ist-Raildrucks die Spritzdauer über ein Kennfeld zu berechnen. - Eine ergänzende Maßnahme besteht in der so genannten Laufruheregelung. So ist beispielsweise aus der
EP 1 283 951 B1 ein Verfahren zum Einstellen von zylinderspezifischen Einspritzmengenprofilen bekannt, bei dem eine Streuung der Einspritzmengen anhand eines Drehzahlsignals festgestellt wird. Danach wird ein Korrekturwert zur Anpassung der in die Zylinder zuzuführenden Einspritzmengen an einen Durchschnittswert festgelegt und der Intervallbeginn, also der Spritzbeginn, und gleichzeitig das Intervallende des Ansteuerintervalls, also das Spritzende, des jeweiligen Zylinders um den Korrekturwert verändert. - Auch die
EP 1 736 659 A2 offenbart eine Laufruheregelung, bei der aus dem Kurbelwellen-Drehzahlsignal durch Filterung über einen Bandpass mit variabler Mittenfrequenz ein Momentensignal gewonnen und zur Zylindergleichstellung verwendet wird. - In der Praxis ist die regelungstechnische Abstimmung einer Brennkraftmaschine aufwendig, da diese eine nicht lineare Regelstrecke darstellt. Zudem muss eine Fehlerabsicherung, beispielsweise bei Ausfall der Regelgrößen-Erfassung, vorhanden sein.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Regelverfahren zur zylinderindividuellen Regelung zu entwerfen, welches einfach abstimmbar ist und eine hohe Betriebssicherheit aufweist.
- Die Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Die Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
- Die einfache Abstimmbarkeit wird über ein Regelverfahren für einen kaskadierten Drehzahl-Regelkreis als äußerer Regelkreis und einen Spritzdauer-Regelkreis als innerer Regelkreis erreicht, da Störungen nicht mehr die gesamte Regelstrecke durchlaufen und Nichtlinearitäten im ersten Streckenteil durch den Folgeregler im inneren Regelkreis linearisiert werden. Konkret besteht das Regelverfahren darin, dass aus einer Soll-Drehzahl, welche die Führungsgröße für den äußeren Regelkreis zur Drehzahl-Regelung darstellt, sowie einer Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine eine Drehzahl-Regelabweichung berechnet wird, aus welcher ein Drehzahlregler als Führungsregler ein Soll-Moment berechnet. Aus dem Soll-Moment wiederum wird eine Soll-Spritzdauer festgelegt. Die Soll-Spritzdauer entspricht der Führungsgröße für den inneren Regelkreis zur zylinderindividuellen Spritzdauer-Regelung. Aus der Soll-Spritzdauer und einer Ist-Spritzdauer wird eine Spritzdauer-Regelabweichung berechnet, aus welcher dann über einen Spritzdauerregler als Folgeregler ein Stellsignal bestimmt wird. Aus dem Stellsignal wiederum und der Soll-Spritzdauer wird dann die Spritzdauer zur zylinderindividuellen Ansteuerung der Injektoren berechnet.
- Über die Verknüpfung des Stellsignals mit der Soll-Spritzdauer wird eine hohe Betriebsicherheit erreicht, da, zum Beispiel bei Ausfall der Ist-Spritzdauererfassung oder des Spritzdauerreglers, ein Weiterbetrieb der Brennkraftmaschine auf der Grundlage der Soll-Spritzdauer möglich ist. Ebenfalls zur Erhöhung der Betriebssicherheit trägt die Bewertung der über den Spritzdauerregler berechneten Stellgröße bei. Ist der Wert der Stellgröße zulässig, so erfolgt kein weiterer Eingriff. Anderenfalls wird die Stellgröße auf eine Obergrenze limitiert und eine Wartungsempfehlung generiert.
- Zur Verbesserung der Dynamik des inneren Regelkreises und zur Kompensation von alterungsbedingten Veränderungen der Regelstrecken, beispielsweise Drift der Injektoren, ist eine Vorsteuerung zur Bestimmung eines Vorsteuerwerts vorgesehen. Mit dem Vorsteuerwert wird der Spritzdauerregler im Sinne einer Korrektur beaufschlagt.
- Berechnet wird der Vorsteuerwert über eine Kennlinie in Abhängigkeit der Soll-Spritzdauer und des Raildrucks. Bestückt wird die Kennlinie mit den Werten der über den Spritzdauerregler berechneten Stellgröße.
- In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, die Ist-Spritzdauer aus einem Spritzende und einem virtuellen Spritzbeginn zu berechnen. Berechnet wird der virtuelle Spritzbeginn, indem ein Einzelspeicherdruck während eines Messintervalls erfasst und gespeichert wird, an Hand des gespeicherten Einzelspeicher-Druckverlaufs das Spritzende aus einer signifikanten Änderung des Kraftstoff-Drucks bestimmt wird und in Abhängigkeit des Spritzendes über eine mathematische Funktion der virtuelle Spritzbeginn berechnet wird. Von Vorteil ist hierbei die Funktionssicherheit, da in der Praxis die Bestimmung des tatsächlichen Spritzbeginns aus dem Raildrucksignal auf Grund sich überlagernden Druckschwingungen im Rail fehlerbehaftet ist. Bekanntermaßen sind dem Raildruck die Förderfrequenz der Niederdruckpumpe, der Hochdruckpumpe und die Einspritzfrequenz eingeprägt.
- In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
-
1 ein Systemschaubild, -
2 ein Blockschaltbild der Kaskadenregelung und -
3 den inneren Regelkreis als Blockschaltbild. - Die
1 zeigt ein Systemschaubild einer elektronisch gesteuerten Brennkraftmaschine1 . Bei dieser wird der Kraftstoff über ein Common-Railsystem eingespritzt. Dieses umfasst folgende Komponenten: eine Niederdruckpumpe3 zur Kraftstoff-Förderung aus einem Kraftstofftank2 , eine Saugdrossel4 zur Festlegung eines Volumenstroms, eine Hochdruckpumpe5 zur Förderung des Kraftstoffs unter Druckerhöhung in ein Rail6 , Einzelspeicher7 zum Zwischenspeichern des Kraftstoffs und Injektoren8 zum Einspritzen des Kraftstoffs in die Brennräume der Brennkraftmaschine1 . - Das Common-Railsystem mit Einzelspeichern unterscheidet sich von einem konventionellen Common-Railsystem darin, dass der einzuspritzende Kraftstoff aus dem Einzelspeicher
7 entnommen wird, wobei die Energie für eine Einspritzung aus der Kraftstoff-Volumenelastizität des Kraftstoffs im Einzelspeicher resultiert. Die Zulaufleitung vom Rail6 zum Einzelspeicher7 ist in der Praxis so ausgelegt, dass eine Rückkoppelung von Störfrequenzen in das Rail6 gedämpft wird. Während der Einspritzpause fließt gerade soviel Kraftstoff aus dem Rail6 nach, dass der Einzelspeicher7 zu Beginn der Einspritzung wieder gefüllt ist. Zu Beginn der Einspritzung entspricht daher der Druck im Einzelspeicher7 dem Raildruck pCR. Der hydraulische Widerstand des Einzelspeichers7 und der Zulaufleitung sind aufeinander abgestimmt, d. h. die Verbindungsleitung vom Rail6 zum Einzelspeicher7 besitzt einen möglichst hohen hydraulischen Widerstand. Bei einem konventionellen Common-Railsystem ohne Einzelspeicher soll der hydraulische Widerstand zwischen dem Rail6 und dem Injektor8 hingegen möglichst gering sein um eine ungehinderte Einspritzung zu erreichen. - Die Betriebsweise der Brennkraftmaschine
1 wird durch ein elektronisches Motorsteuergerät (ECU)10 festgelegt. Das elektronische Motorsteuergerät10 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 Brennkraftmaschine1 relevanten Betriebsdaten in Kennfeldern/Kennlinien appliziert. Über diese berechnet das elektronische Motorsteuergerät10 aus den Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen. In1 sind exemplarisch folgende Eingangsgrößen dargestellt: der Raildruck pCR, der mittels eines Rail-Drucksensors9 gemessen wird, eine Drehzahl nMOT der Brennkraftmaschine1 , Drucksignale pE der Einzelspeicher7 und eine Eingangsgröße EIN. Unter der Eingangsgröße EIN sind beispielsweise eine Leistungsanforderung, der Ladeluftdruck eines Turboladers und die Temperaturen der Kühl-/Schmiermittel sowie des Kraftstoffs zusammengefasst. - In
1 sind als Ausgangsgrößen des elektronischen Motorsteuergeräts10 ein Signal PWM zur Ansteuerung der Saugdrossel4 , ein die Spritzdauer kennzeichnendes Signal SD zur zylinderindividuellen Ansteuerung der einzelnen Injektoren8 und eine Ausgangsgröße AUS dargestellt. Die Ausgangsgröße AUS steht stellvertretend für die weiteren Stellsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine1 . - Die
2 zeigt ein Blockschaltbild der Kaskadenregelung. Die darin dargestellten Elemente repräsentieren Programme, Programmteile oder Programmschritte des Regelverfahrens. Die Eingangsgröße der Kaskadenregelung ist die Soll-Drehzahl nSL, welche die Führungsgröße ist und einen Leistungswunsch repräsentiert. Die Ausgangsgröße der Kaskadenregelung entspricht den Rohwerten der Drehzahl nMOT. Die Kaskadenregelung besteht aus einem äußeren Regelkreis11 zur Drehzahlregelung und einem inneren Regelkreis12 zur Spritzdauerregelung. Der äußere Regelkreis11 umfasst einen Drehzahlregler13 als Führungsregler, eine Einheit Motormanagement20 und eine erste Regelstrecke14 . Der innere Regelkreis12 ist in3 dargestellt und wird in Verbindung mit dieser beschrieben. Aus der Soll-Drehzahl nSL und einer Ist-Drehzahl nIST bestimmt sich die Regelabweichung dn, Punkt A. Der Drehzahlregler13 berechnet aus der Regelabweichung dn ein Soll-Moment MSL. In der Praxis ist der Drehzahlregler zum Beispiel als PIDT1-Regler ausgeführt. Aus dem Soll-Moment MSL wird über das Motormanagement20 dann eine Soll-Spritzdauer SD(SOLL) berechnet. In der Einheit Motormanagement20 sind neben der Umrechnung optional ergänzende Wirkungsgrad-Kennfelder und Begrenzungsfunktionen vorgesehen. Die Soll-Spritzdauer SD(SOLL) ist die Führungsgröße für den inneren Regelkreis12 . Die Ausgangsgröße des inneren Regelkreises12 , hier: eine Ist-Spritzdauer SD(IST), stellt die Eingangsgröße der ersten Regelstrecke14 dar. Die erste Regelstrecke14 umfasst die Brennkraftmaschine, die Niederdruckpumpe, die Saugdrossel und die Hochdruckpumpe. Die Ausgangsgröße der ersten Regelstrecke14 , also die Regelgröße, entspricht den Rohwerten der Drehzahl nMOT, welche beispielsweise an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine erfasst wird. Aus den Rohwerten der Drehzahl nMOT wird über ein Drehzahlfilter19 die Ist-Drehzahl nIST berechnet und zum Punkt A zurückgeführt. Damit ist der Regelkreis geschlossen. - In der
3 ist der innere Regelkreis12 als Blockschaltbild dargestellt, wobei auch hier die darin dargestellten Elemente Programme, Programmteile oder Programmschritte des Regelverfahrens repräsentieren. Die Eingangsgrößen des inneren Regelkreises12 sind der Raildruck pCR und die Soll-Spritzdauer SD(SOLL) als Führungsgröße. Die Ausgangsgröße des inneren Regelkreises12 entspricht der Ist-Spritzdauer SD(IST). Die Elemente des inneren Regelkreises12 sind ein Spritzdauerregler15 als Folgeregler, eine Bewertung16 , eine Vorsteuerung17 und eine zweite Regelstrecke18 , welche zumindest die Leistungsendstufe des elektronischen Motorsteuergeräts und den Injektor umfasst. Zur zylinderindividuellen Steuerung der Injektoren sind so viele innere Regelkreise parallel angeordnet wie Injektoren vorhanden sind. An einem Summationspunkt B wird die Soll-Spritzdauer SD(SOLL) mit der Ist-Spritzdauer SD(IST) verglichen, woraus sich die Spritzdauer-Regelabweichung dSD ergibt. Die Ist-Spritzdauer SD(IST) ist über einen Spritzbeginn und ein Spritzende definiert. Auf Grund des im Rail vorliegenden Frequenzgemisches und der damit verbundenen Druckschwankungen ist die Bestimmung des tatsächlichen Spritzbeginns an Hand des Raildrucks kritisch, da eine Fehlinterpretation möglich ist. Daher ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Ist-Spritzdauer SD(IST) aus einem Spritzende und einem virtuellen Spritzbeginn berechnet wird. Der virtuelle Spritzbeginn wiederum wird berechnet, indem der zylinderbezogene Einzelspeicherdruck pE während eines Messintervalls, zum Beispiel einem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine (720° Kurbelwellenwinkel), erfasst und gespeichert wird. An Hand des gespeicherten Einzelspeicher-Druckverlaufs kann das Spritzende als signifikante Änderung des Kraftstoff-Drucks zweifelsfrei erkannt werden. In Abhängigkeit des Spritzendes wird dann über eine mathematische Funktion der virtuelle Spritzbeginn berechnet. Aus derDE 103 44 181 A1 ist eine entsprechende mathematische Funktion zur Berechnung eines virtuellen Spritzbeginns bekannt. - Aus der Spritzdauer-Regelabweichung dSD und einem Vorsteuerwert VS berechnet der Spritzdauerregler
15 ein Signal S1. Der Spritzdauerregler15 umfasst zumindest einen I-Anteil. Der Vorsteuerwert VS wird über die Vorsteuerung17 mittels einer Kennlinie in Abhängigkeit der Soll-Spritzdauer SD(SOLL) und des Raildrucks pCR berechnet. Die in der Vorsteuerung17 enthaltene Kennlinie wird mit den Werten der Stellgröße SG bestückt und mit diesen Werten aktualisiert. Diese Vorgehensweise bietet den Vorteil, dass der Verstellbereich der Stellgröße im vollen Umfang erhalten bleibt, da alterungsbedingte Abweichungen, zum Beispiel Injektordrift, nicht über eine bleibende Spritzdauer-Regelabweichung dSD ausgeglichen werden. Die Vorsteuerung17 wirkt korrigierend auf den Spritzdauerregler15 ein, zum Beispiel auf dessen I-Anteil. Das vom Spritzdauerregler15 berechnete Signal S1 wird über die Bewertung16 auf Zulässigkeit geprüft. Das Ausgangssignal der Bewertung16 entspricht der Stellgröße SG. Ist der Wert des Signals S1 zulässig, erfolgt kein weiterer Eingriff. Damit ist SG gleich S1. Anderenfalls wird das Signal S1 auf einen Grenzwert limitiert und eine Wartungsempfehlung generiert. In diesem Fall entspricht dann SG diesem Grenzwert. An einem Punkt C wird zur Stellgröße SG die Soll-Spritzdauer SD(SOLL) addiert. Das Ausgangssignal entspricht der Spritzdauer SD, welches die Eingangsgröße der zweiten Regelstrecke18 darstellt. Die Ausgangsgröße der zweiten Regelstrecke18 , also die Hilfsregelgröße, entspricht der Ist-Spritzdauer SD(IST), welche auf den Punkt B zurückgeführt ist. Damit ist der innere Regelkreis12 geschlossen. - Die Blockschaltbilder der
2 und3 besitzen folgende Funktionalität:
Aus einem Leistungswunsch wird über den Drehzahlregler13 (Führungsregler) das Soll-Moment MSL und hieraus die Soll-Spritzdauer SD(SOLL) berechnet, aus welcher der Spritzdauerregler15 (Folgeregler) dann die zylinderindividuelle Stellgröße bestimmt. Über den Spritzdauerregler15 werden Nichtlinearitäten im ersten Streckenteil linearisiert. Die zweite Regelstrecke18 wird mit dem Signal der Spritzdauer SD beaufschlagt, dessen Wert im Normalbetrieb sich aus dem Wert der Stellgröße SG und der Soll-Spritzdauer SD(SOLL) berechnet. Wird nun eine Anomalie in der Erfassung der Hilfsregelgröße, hier: Ist-Spritzdauer SD(IST), oder des Spritzdauerreglers15 detektiert, so wird der Spritzdauerregler15 deaktiviert und in den Steuerungsbetrieb gewechselt. In diesem Fall wird die zweite Regelstrecke18 nur noch mit der Soll-Spritzdauer SD(SOLL) beaufschlagt. Damit ist ein Weiterbetrieb gewährleistet. - Zusammenfassend ergeben sich aus der Beschreibung für die Erfindung folgende Vorteile:
- – Ermöglicht wird eine zylinderindividuelle Spritzdauerregelung, bei der die Injektoren die gleiche Kraftstoffmenge einspritzen;
- – Auch bei Ausfall der Ist-Spritzdauererfassung oder des Spritzdauerreglers ist ein Weiterbetrieb möglich;
- – Alterungsbedingte Abweichungen können festgestellt werden, zu Diagnosezwecken weiterverarbeitet werden und bei gleich bleibendem Stellbereich der Stellgröße des Spritzdauerreglers ausgeglichen werden;
- – Der Mehrabstimmungsaufwand der Kaskadenregelung ist vertretbar, da der innere Regelkreis die Nichtlinearitäten ausgleicht.
-
- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Kraftstofftank
- 3
- Niederdruckpumpe
- 4
- Saugdrossel
- 5
- Hochdruckpumpe
- 6
- Rail
- 7
- Einzelspeicher
- 8
- Injektor
- 9
- Rail-Drucksensor
- 10
- elektronisches Motorsteuergerät (ECU)
- 11
- äußerer Regelkreis
- 12
- innerer Regelkreis
- 13
- Drehzahlregler (Führungsregler)
- 14
- erste Regelstrecke
- 15
- Spritzdauerregler (Folgeregler)
- 16
- Bewertung
- 17
- Vorsteuerung
- 18
- zweite Regelstrecke
- 19
- Drehzahlfilter
- 20
- Motormanagement
Claims (6)
- Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine (
1 ) mit Common-Railsystem nebst Einzelspeichern (7 ), bei dem aus einer Soll-Drehzahl (nSL), welche die Führungsgröße für einen äußeren Regelkreis (11 ) zur Drehzahl-Regelung darstellt, sowie einer Ist-Drehzahl (nIST) eine Drehzahl-Regelabweichung (dn) berechnet wird, aus der Drehzahl-Regelabweichung (dn) über einen Drehzahlregler (13 ) als Führungsregler ein Soll-Moment (MSL) bestimmt wird, aus dem Soll-Moment (MSL) eine Soll-Spritzdauer (SD(SOLL)) festgelegt wird, welche die Führungsgröße für einen inneren Regelkreis (12 ) zur zylinderindividuellen Spritzdauer-Regelung darstellt, bei dem aus der Soll-Spritzdauer (SD(SOLL)) und einer Ist-Spritzdauer (SD(IST)) eine Spritzdauer-Regelabweichung (dSD) berechnet wird, aus der Spritzdauer-Regelabweichung (dSD) über einen Spritzdauerregler (15 ) als Folgeregler eine Stellgröße bestimmt wird und bei dem aus der Stellgröße und der Soll-Spritzdauer (SD(SOLL)) eine Spritzdauer (SD) zur Ansteuerung der Injektoren (8 ) berechnet wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Vorsteuerung (
17 ) ein Vorsteuerwert (VS) zur Korrektur des Spritzdauerreglers (15 ) berechnet wird. - Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsteuerwert (VS) über ein Kennlinie zumindest in Abhängigkeit der Soll-Spritzdauer (SD(SOLL)) und des Raildrucks (pCR) berechnet wird, wobei die Kennlinie mit Werten der über den Spritzdauerregler (
15 ) berechneten Stellgröße bestückt wird. - Verfahren nach einem der vorausgegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße auf Zulässigkeit bewertet wird und bei Nichtzulässigkeit diese auf eine Obergrenze limitiert wird und eine Wartungsempfehlung generiert wird.
- Verfahren nach einem der vorausgegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Spritzdauer (SD(IST)) aus einem Spritzende und einem virtuellen Spritzbeginn berechnet wird.
- Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der virtuelle Spritzbeginn berechnet wird, indem ein Einzelspeicherdruck (pE) während eines Messintervalls erfasst und gespeichert wird, an Hand des gespeicherten Einzelspeicher-Druckverlaufs ein Spritzende aus der signifikanten Änderung des Kraftstoff-Drucks bestimmt wird und in Abhängigkeit des Spritzendes über eine mathematische Funktion der virtuelle Spritzbeginn berechnet wird.
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