DE102010031002A1 - Verfahren zum Regeln des Drucks in einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher einer Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung zeigt ein Verfahren zum Regeln des Drucks in einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher einer Brennkraftmaschine, wobei Kraftstoff von einer Vorförderpumpe an ein Mengenregelventil bereitgestellt und der durch das Mengenregelventil zugemessene Kraftstoff von einer Hochdruckpumpe in den Kraftstoff-Hochdruckspeicher gefördert wird, wobei der Druck in dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher durch eine Ansteuerung des Mengenregelventils geregelt wird, wobei in die Regelung auch der Vordruck vor der Hochdruckpumpe eingeht.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Drucks in einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher einer Brennkraftmaschine.
- Stand der Technik
- Wenngleich die Erfindung im Folgenden vornehmlich unter Bezugnahme auf Common-Rail-Systeme (CRS) beschrieben wird, ist sie auf die Druckregelung in allen Arten von Kraftstoff-Hochdruckspeichern gerichtet.
- Bei Dieselmotoren sind heutzutage Common-Rail-Systeme zur Kraftstoffeinspritzung weit verbreitet. Moderne Common-Rail-Systeme sind häufig mit einem sog. 2-Steller-Raildruck-Regler ausgestattet. In einem solchen System wird der Raildruck entweder über eine Androsselung der Hochdruckpumpe durch ein vor der Hochdruckpumpe angeordnetes Ventil (Zumesseinheit – ZME) oder über ein hochdruckseitig angeordnetes Ventil (Druckregel-Ventil – DRV) eingestellt. Die Raildruckregelung kann also prinzipiell in einem solchen System über drei verschiedene Betriebsarten (ZME, DRV und Mischbetrieb) betrieben werden. Bei Dieselfahrzeugen wird dies insbesondere genutzt, um z. B. einerseits unmittelbar nach einem Kaltstart im Winter Wärme in das Kraftstoffsystem einzubringen (DRV-Betrieb mit hoher Verlustleistung) und damit die Gefahr einer Versulzung zu minimieren und um andererseits im Warmbetrieb die Verlustleistung zu minimieren, indem nur die tatsächlich notwendige Kraftstoffmasse verdichtet wird (ZME-Betrieb).
- Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Raildruckregelung im ZME-Betrieb bei gewissen baulichen Ausgestaltungen nicht optimal arbeitet.
- Es ist daher wünschenswert, die Qualität der Raildruckregelung im ZME-Betrieb zu verbessern.
- Offenbarung der Erfindung
- Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Regeln des Drucks in einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
- Vorteile der Erfindung
- Bei der Druckregelung mittels der geförderten Kraftstoffmenge (bspw. ZME-Betrieb) wird als Steuergröße üblicherweise ein Ansteuerstrom für ein Mengenregelventil (Zumesseinheit) ausgegeben, der die Öffnung des Ventils und damit den Volumenstrom beeinflusst. Dieser Ansteuerstrom wird – üblicherweise anhand eines linearen Zusammenhangs – aus einem Soll-Volumenstrom bestimmt, welcher vom Regler ausgegeben wird. Die Erfinder haben erkannt, dass der Volumenstrom darüber hinaus jedoch auch merklich vom Vordruck im sog. Niederdruckbereich vor der Hochdruckpumpe abhängt. Dieser Vordruck wird im Wesentlichen von einer Vorförderpumpe, bspw. einer Elektrokraftstoffpumpe (EKP), erzeugt. Eine Bestimmung des Ansteuerstroms nur anhand des Soll-Volumenstroms ist daher nicht optimal. Die Qualität der Raildruckregelung kann maßgeblich verbessert werden, wenn auch der Vordruck berücksichtigt wird.
- In den Fällen, in denen die EKP direkt am Bordnetz angeschlossen und/oder in denen ein sog. ESM (Energy Smart Management) eingesetzt wird, wird die Qualität der Druckregelung maßgeblich von der Bordspannung beeinflusst. Bei Schwankungen der Bordspannung schwankt in diesen Fällen nämlich auch der Vordruck (Niederdruck), der von der EKP erzeugt wird, so dass in der Folge auch der einer bestimmten Ventilöffnung entsprechende Volumenstrom und damit auch der Druck im Hochdruckspeicher selbst schwanken, so dass ein ständiger Regeleingriff notwendig ist. Zur Verminderung dieser Schwankung schlägt die Erfindung vor, bei der Druckregelung auch den Vordruck zu berücksichtigen. Durch die erfindungsgemäße Lösung werden die Druckschwankungen im Hochdruckspeicher, die durch Schwanklungen im Vordruck hervorgerufen werden, minimiert. In der Folge kann der Kraftstoffverbrauch verringert werden, eine Umweltbelastung sinkt.
- Der Vordruck kann in die Regelung insbesondere dadurch eingehen, dass er bei einer Vorsteuerung, insbesondere additiv oder multiplikativ zu einem Vorsteuerwert, berücksichtigt wird. Eine Vorsteuerung an sich ist bei der Raildruckregelung bekannt und wird dort üblicherweise auf Grundlage von Rollenprüfstandsmessungen kalibriert. Dabei wird üblicherweise die Stellgröße, bspw. der Ansteuerstrom für das Mengenregelventil, gemäß einer mathematischen Vorschrift, bspw. additiv, mit einem berechneten Vorsteuerwert beaufschlagt. Da die Vorsteuerung einen wesentlichen Teil der Regelung übernimmt, entfaltet die Berücksichtung des Vordrucks an dieser Stelle besondere Vorteile. Während des Betriebs müssen dann nämlich nur mehr kleine Abweichungen des Drucks vom Regler, bspw. einem PI-Regler, ausgeglichen werden.
- Ebenso zweckmäßig kann der Vordruck auch bei der Bestimmung des Ansteuerstroms aus dem Soll-Volumenstrom, bspw. durch entsprechende Verschiebung eines Kennfelds, berücksichtigt werden.
- Der Vordruck kann bspw. gemessen oder anderweitig bestimmt werden. Besonders zweckmäßig wird der Vordruck anhand einer an der Vorförderpumpe anliegenden Spannung bestimmt. Dies kann besonders vorteilhaft auch fahrzeugspezifisch erfolgen, indem der Zusammenhang zwischen der an der Vorförderpumpe anliegenden Spannung und dem Vordruck fahrzeugspezifisch bestimmt wird.
- Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
- Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
- Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
- Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
- Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt schematisch ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem, anhand dessen eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben wird, -
2 zeigt anhand einer Regelungsstruktur eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, -
3 zeigt anhand einer weiteren Regelungsstruktur eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und -
4 zeigt anhand einer weiteren Regelungsstruktur eine dritte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. - Ausführungsform(en) der Erfindung
-
1 zeigt schematisch ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem100 für einen Verbrennungsmotor116 , z. B. einen Dieselmotor. In einem teilweise angeschnitten gezeigten, mit Kühlwasser114 gekühlten Zylinder124 des Verbrennungsmotors116 ist ein Kolben126 beweglich angeordnet. Ein Injektor109 zum Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder ist am Zylinder124 montiert. - Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst einen Kraftstofftank
101 , der in nahezu gefülltem Zustand gezeigt ist. Innerhalb des Kraftstofftanks101 ist eine hier als Elektrokraftstoffpumpe (EKP) ausgebildete Vorförderpumpe103 angeordnet, die durch ein Vorfilter102 Kraftstoff aus dem Tank101 ansaugt und mit niedrigem Druck von 1 bar bis maximal 10 bar durch eine Kraftstoffleitung105 bis zu einem Kraftstofffilter104 befördert. Von dem Kraftstofffilter104 führt eine weitere Niederdruckleitung105' zu einer Hochdruckpumpe106 , die den zugeführten Kraftstoff bis auf einen hohen Druck komprimiert, der je nach System typischerweise zwischen 100 bar und 2000 bar liegt. Die Hochdruckpumpe106 speist den komprimierten Kraftstoff in eine Hochdruckleitung107 und ein mit dieser verbundenes Rail108 (Hochdruckspeicher) ein. Vom Rail108 führt eine weitere Hochdruckleitung107' zum Injektor109 . Die Hochdruckpumpe106 ist mit einer Zumesseinheit (ZME)113 ausgestattet, die eine Kraftstoffmenge vorgibt, die von der Hochdruckpumpe106 gefördert wird. - Ein System von Rücklaufleitungen
110 ermöglicht den Rückfluss überschüssigen Kraftstoffs aus dem Kraftstofffilter104 , der Hochdruckpumpe106 bzw. Zumesseinheit113 , dem Injektor109 und dem Rail108 in den Kraftstofftank101 . Dabei ist zwischen das Rail108 und die Rückflussleitung110 ein Druckregelventil (DRV)112 geschaltet, das durch Verändern der vom Rail108 in die Rückflussleitung110 abfließenden Kraftstoffmenge den im Rail108 herrschenden hohen Druck auf einen konstanten Wert einregeln kann. - Das gesamte Common-Rail-Einspritzsystem
100 wird durch ein Steuergerät111 gesteuert, das über elektrische Leitungen128 mit der Vorförderpumpe103 , der Hochdruckpumpe106 , der Zumesseinheit113 , dem Injektor109 , einem Drucksensor134 am Rail108 , dem Druckregelventil112 sowie Temperatursensoren130 ,132 ,122 am Verbrennungsmotor116 bzw. an der Kraftstoffzulaufleitung105 verbunden ist. Das Steuergerät steht über ein Bussystem136 mit weiteren, nicht gezeigten Steuergeräten in Verbindung, mittels derer es auf weitere Daten, wie die Umgebungstemperatur, die Fahrgeschwindigkeit oder die Motordrehzahl, zurückgreifen kann. - In
2 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand eines Regelkreisschemas dargestellt. Im Stand der Technik wird bei der Raildruckregelung üblicherweise ein Soll-Kraftstoff-Volumenstrom dV in das Rail vom Regler ausgegeben und anschließend anhand eines linearen Zusammenhangs in einen Zumesseinheit-Ansteuerstrom IZME umgerechnet. Gemäß der hier dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird dieser lineare Zusammenhang durch einen Zusammenhang ersetzt, in den auch der Vordruck pV eingeht. Dieser Zusammenhang ist schematisch durch einen Block200 gekennzeichnet. Der mathematische Zusammenhang200 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der für einen bestimmten Volumenstrom dV berechnete Ansteuerstrom IZME auch vom herrschenden Vordruck pV abhängt. - Gemäß der in
1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird der Vordruck pV anhand der Bordspannung UB im Kraftfahrzeug bestimmt. Die Bestimmung erfolgt anhand eines Zusammenhangs, der durch einen Block210 dargestellt wird. Der Block210 kann vorzugsweise fahrzeugspezifisch ausgebildet sein, sodass in der Regelung jeweils der fahrzeugspezifische Zusammenhang zwischen Bordspannung UB und Vordruck pV hinterlegt wird. - Der Zusammenhang zwischen erwünschtem Volumenstrom, herrschendem Vordruck und sich ergebendem Ansteuerstrom kann insbesondere anhand von Prüfstandsmessungen bestimmt werden.
- In
3 ist anhand eines weiteren Regelkreisschemas eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wird der Vordruck pV bei einer Vorsteuerung berücksichtigt. Bei dieser Vorsteuerung wird üblicherweise der Volumenstrom dV vorgesteuert. Dieser vorgesteuerte Volumenstrom dV kann, beispielsweise wie in2 dargestellt, weiterverarbeitet und, vorzugsweise unter Berücksichtigung des Vordrucks pV, in einen Ansteuerstrom IZME umgerechnet werden. Vorzugsweise setzt die Berücksichtigung des Vordrucks pV bei der Vorsteuerung auf einer bekannten Vorsteuerung auf, wie sie beispielsweise von der Anmelderin eingesetzt wird. Bei einer solchen üblichen Vorsteuerung wird ein Vorsteuerwert dVPC für den Volumenstrom dV in das Rail anhand von bestimmten Systemgrößen, wie z. B. einer Motorendrehzahl und einer Einspritzmenge, bestimmt. Auf diese Weise kann zeitnah die durch eine Einspritzung verlorengegangene Kraftstoffmenge im Hochdruckspeicher nachgefördert werden. - In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist nun vorgesehen, diesen Vorsteuerwert dVPC über ein Addierglied
300 additiv mit einem Offset-Volumenstrom dVO zu beaufschlagen. Der Offset-Volumenstrom dVO wiederum wird über einen durch einen Block210 repräsentierten mathematischen Zusammenhang zweckmäßigerweise aus dem Soll-Raildruck pR und der Bordspannung UB bestimmt. - Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Berücksichtigung des Vordrucks anhand der Bordspannung bei der Vorsteuerung ist in
4 anhand eines weiteren Regelkreisschema dargestellt. Das Regelkreisschema gemäß4 entspricht grundsätzlich dem Regelkreisschema gemäß3 , wobei jedoch der Volumenstrom-Vorsteuerwert dVPC multiplikativ mit einem Korrekturfaktor xdV über ein Glied400 beaufschlagt wird. - Der Faktor xdV wird vorzugsweise anhand eines durch einen Block
410 dargestellten mathematischen Zusammenhangs aus der Bordspannung UB bestimmt. Der Faktor xdV bewegt sich zweckmäßigerweise bei einer normalen Bordspannung bei 1, steigt bei sinkender Bordspannung an und sinkt bei steigender Bordspannung ab. Beispielsweise kann sich der Faktor xdV zwischen 0,8 bei maximaler Bordspannung und 1,2 bei minimaler Bordspannung bewegen. - In
5 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand eines Regelkreisschemas dargestellt, wobei der vom Regler ausgegebene Soll-Volumenstrom dV vorgesteuert wird. Die Vorsteuerung erfolgt wie auch bei den Ausführungsformen gemäß den3 und4 mit einem Vorsteuerwert dVPC, der gemäß der hier dargestellten Ausführungsform der Erfindung in Abhängigkeit vom Vordruck verändert wird. - Wie es anmelderseitig verwirklicht wird, wird der Vorsteuerwert dVPC auf Grundlage eines Zusammenhangs
500 u. a. aus einer Einspritzmenge q und einer Motorendrehzahl n bestimmt. In bevorzugter Ausführungsform wird der Vorsteuerwert dVPC additiv mit einem Produkt dVO aus einem Offset-Volumenstrom dVO' und einem Korrekturfaktor xdV beaufschlagt. - Der Offset-Volumenstrom dVO' bestimmt sich auf Grundlage eines Zusammenhangs
530 vorzugweise aus der Motorendrehzahl n und der Einspritzmenge q. - Der Korrekturfaktor xdV wird anhand eines Zusammenhangs
510 aus der Batteriespannung UB, welche, wie hier dargestellt, vorzugsweise unter Verwendung eines PT1-Filters520 geglättet wird, und dadurch auch in Abhängigkeit vom Vordruck pV bestimmt. Wie oben beschrieben, ist der Vordruck pV nämlich von der Bordspannung UB abhängig. - Die in den
2 bis5 dargestellten mathematischen Zusammenhänge können insbesondere durch Formeln oder Gleichungen darstellbare Zusammenhänge oder auch Kennfelder sein, die beispielsweise durch Messungen bestimmt werden. - Durch die Erfindung kann die Qualität der Raildruckregelung erhöht werden, wenn der Vordruck vor der Hochdruckpumpe beispielsweise von der Bordspannung abhängt.
Claims (10)
- Verfahren zum Regeln des Drucks in einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher (
180 ) einer Brennkraftmaschine, wobei Kraftstoff von einer Vorförderpumpe (103 ) an ein Mengenregelventil (113 ) bereitgestellt und der durch das Mengenregelventil (113 ) zugemessene Kraftstoff von einer Hochdruckpumpe (106 ) in den Kraftstoff-Hochdruckspeicher (108 ) gefördert wird, wobei der Druck in dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher (108 ) durch eine Ansteuerung des Mengenregelventils (113 ) geregelt wird, wobei in die Regelung auch der Vordruck (pV) vor der Hochdruckpumpe (106 ) eingeht. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vordruck (pV) auf Grundlage einer an einer Elektrokraftstoffpumpe (
106 ) als Vorförderpumpe anliegenden Spannung (UB) bestimmt wird. - Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Zusammenhang (
410 ;510 ) zwischen der an der Elektrokraftstoffpumpe (106 ) anliegenden Spannung (UB) und dem von der Elektrokraftstoffpumpe (106 ) bereitgestellten Vordruck (pV) fahrzeugspezifisch berücksichtigt wird. - Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Vordruck (pV) in eine Vorsteuerung eingeht.
- Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein berechneter Vorsteuerwert (dVPC) mit einem vordruckabhängigen Wert (xdV) multipliziert und/oder zu einem vordruckabhängigen Wert (dVO) addiert wird.
- Verfahren nach Anspruch 5, wobei der vordruckabhängige Wert (dVO) in Abhängigkeit von einer Motorendrehzahl (n) und/oder einer Einspritzmenge (q) bestimmt wird.
- Verfahren nach Anspruch 6, wobei der vordruckabhängige Wert (dVO) als Produkt aus einem ersten Wert (dVO'), welcher in Abhängigkeit von der Motorendrehzahl (n) und der Einspritzmenge (q) bestimmt wird, und einem zweiten Wert (xdV), welcher in Abhängigkeit von dem Vordruck (pV) bestimmt wird, bestimmt wird.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Druck in dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher (
108 ) durch eine gesteuerte Bestromung des Mengenregelventils (113 ) mit einem Ventil-Ansteuerstrom (IZME) geregelt wird - Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Ventil-Ansteuerstrom (IZME) aus einem Soll-Volumenstrom (dV) bestimmt und der Vordruck (pV) bei der Bestimmung berücksichtigt wird.
- Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
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