DE102010031002A1

DE102010031002A1 - Verfahren zum Regeln des Drucks in einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010031002A1
Application number: DE102010031002A
Authority: DE
Inventors: Marc Merigault; Geraud Devos
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-07-06
Filing date: 2010-07-06
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2030-07-07
Also published as: US20120006302A1; FR2962495A1; ITMI20111173A1; DE102010031002B4

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-Kraftstoffeinspritzsystem 100 für einen Verbrennungsmotor 116, z. B. einen Dieselmotor. In einem teilweise angeschnitten gezeigten, mit Kühlwasser 114 gekühlten Zylinder 124 des Verbrennungsmotors 116 ist ein Kolben 126 beweglich angeordnet. Ein Injektor 109 zum Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder ist am Zylinder 124 montiert.
Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst einen Kraftstofftank 101, der in nahezu gefülltem Zustand gezeigt ist. Innerhalb des Kraftstofftanks 101 ist eine hier als Elektrokraftstoffpumpe (EKP) ausgebildete Vorförderpumpe 103 angeordnet, die durch ein Vorfilter 102 Kraftstoff aus dem Tank 101 ansaugt und mit niedrigem Druck von 1 bar bis maximal 10 bar durch eine Kraftstoffleitung 105 bis zu einem Kraftstofffilter 104 befördert. Von dem Kraftstofffilter 104 führt eine weitere Niederdruckleitung 105' zu einer Hochdruckpumpe 106, die den zugeführten Kraftstoff bis auf einen hohen Druck komprimiert, der je nach System typischerweise zwischen 100 bar und 2000 bar liegt. Die Hochdruckpumpe 106 speist den komprimierten Kraftstoff in eine Hochdruckleitung 107 und ein mit dieser verbundenes Rail 108 (Hochdruckspeicher) ein. Vom Rail 108 führt eine weitere Hochdruckleitung 107' zum Injektor 109. Die Hochdruckpumpe 106 ist mit einer Zumesseinheit (ZME) 113 ausgestattet, die eine Kraftstoffmenge vorgibt, die von der Hochdruckpumpe 106 gefördert wird.
Ein System von Rücklaufleitungen 110 ermöglicht den Rückfluss überschüssigen Kraftstoffs aus dem Kraftstofffilter 104, der Hochdruckpumpe 106 bzw. Zumesseinheit 113, dem Injektor 109 und dem Rail 108 in den Kraftstofftank 101. Dabei ist zwischen das Rail 108 und die Rückflussleitung 110 ein Druckregelventil (DRV) 112 geschaltet, das durch Verändern der vom Rail 108 in die Rückflussleitung 110 abfließenden Kraftstoffmenge den im Rail 108 herrschenden hohen Druck auf einen konstanten Wert einregeln kann.
Das gesamte Common-Rail-Einspritzsystem 100 wird durch ein Steuergerät 111 gesteuert, das über elektrische Leitungen 128 mit der Vorförderpumpe 103, der Hochdruckpumpe 106, der Zumesseinheit 113, dem Injektor 109, einem Drucksensor 134 am Rail 108, dem Druckregelventil 112 sowie Temperatursensoren 130, 132, 122 am Verbrennungsmotor 116 bzw. an der Kraftstoffzulaufleitung 105 verbunden ist. Das Steuergerät steht über ein Bussystem 136 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 I_ZME umgerechnet. Gemäß der hier dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird dieser lineare Zusammenhang durch einen Zusammenhang ersetzt, in den auch der Vordruck p_V eingeht. Dieser Zusammenhang ist schematisch durch einen Block 200 gekennzeichnet. Der mathematische Zusammenhang 200 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der für einen bestimmten Volumenstrom dV berechnete Ansteuerstrom I_ZME auch vom herrschenden Vordruck p_V abhängt.
Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird der Vordruck p_V anhand der Bordspannung U_B im Kraftfahrzeug bestimmt. Die Bestimmung erfolgt anhand eines Zusammenhangs, der durch einen Block 210 dargestellt wird. Der Block 210 kann vorzugsweise fahrzeugspezifisch ausgebildet sein, sodass in der Regelung jeweils der fahrzeugspezifische Zusammenhang zwischen Bordspannung U_B und Vordruck p_V 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 p_V bei einer Vorsteuerung berücksichtigt. Bei dieser Vorsteuerung wird üblicherweise der Volumenstrom dV vorgesteuert. Dieser vorgesteuerte Volumenstrom dV kann, beispielsweise wie in 2 dargestellt, weiterverarbeitet und, vorzugsweise unter Berücksichtigung des Vordrucks p_V, in einen Ansteuerstrom I_ZME umgerechnet werden. Vorzugsweise setzt die Berücksichtigung des Vordrucks p_V bei der Vorsteuerung auf einer bekannten Vorsteuerung auf, wie sie beispielsweise von der Anmelderin eingesetzt wird. Bei einer solchen üblichen Vorsteuerung wird ein Vorsteuerwert dV_PC 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 dV_PC über ein Addierglied 300 additiv mit einem Offset-Volumenstrom dV_O zu beaufschlagen. Der Offset-Volumenstrom dV_O wiederum wird über einen durch einen Block 210 repräsentierten mathematischen Zusammenhang zweckmäßigerweise aus dem Soll-Raildruck p_R und der Bordspannung U_B 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 gemäß 4 entspricht grundsätzlich dem Regelkreisschema gemäß 3, wobei jedoch der Volumenstrom-Vorsteuerwert dV_PC multiplikativ mit einem Korrekturfaktor x_dV über ein Glied 400 beaufschlagt wird.
Der Faktor x_dV wird vorzugsweise anhand eines durch einen Block 410 dargestellten mathematischen Zusammenhangs aus der Bordspannung U_B bestimmt. Der Faktor x_dV 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 x_dV 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 den 3 und 4 mit einem Vorsteuerwert dV_PC, der gemäß der hier dargestellten Ausführungsform der Erfindung in Abhängigkeit vom Vordruck verändert wird.
Wie es anmelderseitig verwirklicht wird, wird der Vorsteuerwert dV_PC auf Grundlage eines Zusammenhangs 500 u. a. aus einer Einspritzmenge q und einer Motorendrehzahl n bestimmt. In bevorzugter Ausführungsform wird der Vorsteuerwert dV_PC additiv mit einem Produkt dV_O aus einem Offset-Volumenstrom dV_O' und einem Korrekturfaktor x_dV beaufschlagt.
Der Offset-Volumenstrom dV_O' bestimmt sich auf Grundlage eines Zusammenhangs 530 vorzugweise aus der Motorendrehzahl n und der Einspritzmenge q.
Der Korrekturfaktor x_dV wird anhand eines Zusammenhangs 510 aus der Batteriespannung U_B, welche, wie hier dargestellt, vorzugsweise unter Verwendung eines PT1-Filters 520 geglättet wird, und dadurch auch in Abhängigkeit vom Vordruck p_V bestimmt. Wie oben beschrieben, ist der Vordruck p_V nämlich von der Bordspannung U_B abhängig.
Die in den 2 bis 5 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

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 (p_V) vor der Hochdruckpumpe (106) eingeht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vordruck (p_V) auf Grundlage einer an einer Elektrokraftstoffpumpe (106) als Vorförderpumpe anliegenden Spannung (U_B) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Zusammenhang (410; 510) zwischen der an der Elektrokraftstoffpumpe (106) anliegenden Spannung (U_B) und dem von der Elektrokraftstoffpumpe (106) bereitgestellten Vordruck (p_V) fahrzeugspezifisch berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Vordruck (p_V) in eine Vorsteuerung eingeht.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein berechneter Vorsteuerwert (dV_PC) mit einem vordruckabhängigen Wert (x_dV) multipliziert und/oder zu einem vordruckabhängigen Wert (dV_O) addiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der vordruckabhängige Wert (dV_O) in Abhängigkeit von einer Motorendrehzahl (n) und/oder einer Einspritzmenge (q) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der vordruckabhängige Wert (dV_O) als Produkt aus einem ersten Wert (dV_O'), welcher in Abhängigkeit von der Motorendrehzahl (n) und der Einspritzmenge (q) bestimmt wird, und einem zweiten Wert (x_dV), welcher in Abhängigkeit von dem Vordruck (p_V) 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 (I_ZME) geregelt wird
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Ventil-Ansteuerstrom (I_ZME) aus einem Soll-Volumenstrom (dV) bestimmt und der Vordruck (p_V) bei der Bestimmung berücksichtigt wird.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.