DE19548278A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine nach der Gattung der Hauptansprüche.
Bei Kraftfahrzeugen mit einer Brennkraftmaschine wird der Kraftstoff mit Hilfe einer Elektrokraftstoffpumpe, bzw. mit einer mechanischen Kraftstoffpumpe aus einem Kraftstoffbehälter gefördert und über Kraftstoffleitungen den Einspritzventilen zugeführt. Bei Brennkraftmaschinen mit Hochdruckeinspritzung, insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung, schließt sich an die Elektrokraftstoffpumpe eine weitere Pumpe an, die einen sehr hohen Druck in einem Hochdruckbereich der Kraftstoffversorgung erzeugt. Der Hochdruckbereich steht mit den Einspritzventilen in Verbindung. Ferner ist ein Druckregelventil vorgesehen, mit dessen Hilfe der Druck im Hochdruckbereich regelbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine eine kostengünstige und schnell arbeitende Regelung des Drucks im Hochdruckbereich zu erzielen.
Vorteile der Erfindung
Mit der beschriebenen Vorgehensweise ist eine kostengünstige Möglichkeit zur Regelung des Drucks im Hochdruckbereich einer Kraftstoffzumeßeinrichtung möglich. Desweiteren kann der Druck sehr schnell auf sich ändernde Vorgabewerte angepaßt werden.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 2 ein detaillierteres Blockdiagramm der Regeleinrichtung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Fig. 1 sind die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Bauteile eines Kraftstoffversorgungssystems einer Brennkraftmaschine mit Hochdruckeinspritzung dargestellt. Das dargestellte System wird üblicherweise als Common-Rail-System bezeichnet.
Mit 100 ist ein Kraftstoffvorratsbehälter bezeichnet. Dieser steht über ein ersten Filter 105, einer regelbaren Vorförderpumpe 110 und einem zweiten Filtermittel 115 in Verbindung. Vom zweiten Filtermittel 115 gelangt der Kraftstoff über eine Leitung zu einem Ventil 120. Die Verbindungsleitung zwischen dem Filtermittel 115 und dem Ventil 120 steht über ein Niederdruckbegrenzungsventil 140 mit dem Vorratsbehälter 100 in Verbindung. Das Ventil 120 steht über eine Hochdruckpumpe 125 mit einem Rail 130 in Verbindung. Das Rail steht über Kraftstoffleitungen mit verschiedenen Injektoren 131 in Kontakt. Über ein Druckregelventil 135 ist das Rail 130 mit dem Kraftstoffvorratsbehälter 110 verbindbar. Das Druckregelventil 135 ist mittels einer Spule 136 steuerbar.
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.
Diese Einrichtung arbeitet wie folgt: Der Kraftstoff, der sich im Vorratsbehälter befindet, wird von der Vorförderpumpe 110 durch die Filtermittel 105 und 115 gefördert. Ausgangsseitig der Vorförderpumpe 110 ist der Kraftstoff mit einem Druck zwischen einem und ca. 3 bar beaufschlagt. Wenn der Druck im Niederdruckbereich des Kraftstoffsystems einen vorgebbaren Druck erreicht hat, öffnet das Ventil 120 und der Eingang der Hochdruckpumpe 125 wird mit einem bestimmten Druck beaufschlagt. Dieser Druck hängt von der Ausführung des Ventils 120 ab. Üblicherweise ist das Ventil 120 so ausgestaltet, daß es bei einem Druck von ca. 1 bar die Verbindung zur Hochdruckpumpe 125 freigibt.
Steigt der Druck im Niederdruckbereich auf unzulässig hohe Werte an, so öffnet das Niederdruckbegrenzungsventil 140 und gibt die Verbindung zwischen dem Ausgang der Vorförderpumpe 110 und dem Vorratsbehälter 100 frei. Mittels des Ventils 120 und dem Niederdruckbegrenzungsventil 140 wird der Druck im Niederdruckbereich auf Werte zwischen ca. 1 und 3 bar gehalten.
Die Hochdruckpumpe 125 fördert den Kraftstoff vom Niederdruckbereich in den Hochdruckbereich. Die Hochdruckpumpe 125 baut im Rail 130 einen sehr hohen Druck auf. Dieser Druck liegt in der Größenordnung zwischen 1000 und 2000 bar. Über die Injektoren 131 kann der Kraftstoff unter hohem Druck den einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine zugemessen werden.
Mittels des Sensors 140 wird der Druck im Rail bzw. im gesamten Hochdruckbereich erfaßt. Mittels des Druckregelventils 135, das mit einer Spule 136 ansteuerbar ist, kann der Druck im Hochdruckbereich geregelt werden. Abhängig von der an der Spule 136 anliegenden Spannung bzw. des durch die Spule 136 fließenden Stromes öffnet das Druckregelventil 135 bei unterschiedlichen Druckwerten.
Als Vorförderpumpe 110 werden üblicherweise Elektrokraftstoffpumpen mit einem Gleichstrom-Motor (DC-Motoren) oder einem elektrisch komutierten Gleichstrom- Motoren (EC-Motoren) eingesetzt. Für höhere Fördermengen, die insbesondere bei Nutzkraftfahrzeugen erforderlich sind, können auch mehrere parallel geschaltete Vorförderpumpen eingesetzt werden. In diesem Fall werden wegen der höheren Lebensdauer und höheren Verfügbarkeit vorzugsweise EC-Motoren verwendet.
Zur Regelung des Druckes P im Hochdruckbereich werden zwei Stellglieder eingesetzt. Dies ist zum einen die in der Fördermenge verstellbare elektrische Vorförderpumpe 110 und das Druckregelventil 135. Das Druckregelventil 135 kann auch als Druckbegrenzungsventil bezeichnet werden, da es bei einem einstellbaren Druck die Verbindung zwischen Hochdruckbereich und Niederdruckbereich freigibt.
Die Reglerstruktur ist in Fig. 2 als Blockdiagramm dargestellt. Bereits in Fig. 1 beschriebene Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Mit 200 ist eine Steuerung bezeichnet, die eine Vorsteuerung 210 sowie eine Stromsteuerung 250 mit Signalen beaufschlagt. Das Ausgangssignal N eines Drehzahlsensors 205 wird der Steuerung 200 und der Vorsteuerung 210 zugeführt. Das Ausgangssignal PI des Drucksensors 140 gelangt zum einen zur Vorsteuerung 210 und zum anderen zu einem Verknüpfungspunkt 225. Das Ausgangssignal QSV der Vorsteuerung 210 gelangt zu einem Verknüpfungspunkt 215.
Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 225 liegt ein Signal PS, das dem gewünschten Solldruck im Rail 130 entspricht. Dieses Signal PS wird von der Steuerung 200 bereitgestellt. Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 225 gelangt zu einem Druckregler 220, dessen Ausgangssignal QSR wiederum zum zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 215 gelangt. Mit dem Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 215 wird eine Sollwertvorgabe 230 beaufschlagt. Diese Sollwertvorgabe gibt einen Sollwert NSE für die Drehzahl der Vorförderpumpe 110 vor. Dieser Sollwert NSE gelangt zu einem Verknüpfungspunkt 235 an dessen zweiten Eingang mit negativen Vorzeichen das Ausgangssignal NIE eines Drehzahlsensors 240 anliegt, der die Drehzahl der Vorförderpumpe 110 erfaßt. Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 235 gelangt zu einem Drehzahlregler 245, der die Vorförderpumpe 110 mit einem entsprechenden Ansteuersignal UEKP beaufschlagt.
Das Signal PS gelangt ferner zu einer Stromsteuerung 250, die ein Sollwert IS für den Strom, der durch das Druckregelventil 135 fließt, vorgibt. Dieser Sollwert IS gelangt zu einem Verknüpfungspunkt 255, an dessen zweiten Eingang mit negativen Vorzeichen, das Ausgangssignal IDRV einer Strommessung 160 anliegt. Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 255 gelangt zu einem Stromregler 265, der das Regelventil 135 mit einem Ansteuersignal UDRV beaufschlagt.
Die Vorförderpumpe 110 kann auch als erstes Stellglied und das Druckregelventil 135 als zweites Stellglied bezeichnet werden.
Diese Einrichtung arbeitet nun wie folgt: Abhängig von der aktuellen Einspritzmenge QK, die von der Steuerung 200 bereitgestellt wird, der Motordrehzahl N der Brennkraftmaschine, und dem Druck PI im Rail 130 gibt die Vorsteuerung 210 das Signal QSV vor. Dieses Signal ist ein Maß für die Menge, die von der Vorförderpumpe gefördert werden muß um die für die Einspritzung benötige Menge bereitzustellen. Hierbei wird die näherungsweise bekannte druckabhängige Leckage und der druck- und motordrehzahlabhängige Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe berücksichtigt, und als Vorsteuermengenstrom QSV bezeichnet. Desweiteren ermittelt der Verknüpfungspunktes 225 abhängig vom gewünschten Druck PS im Rail und dem tatsächlichen Druck PI im Rail eine Druckdifferenz. Diese Druckdifferenz zwischen dem erwarteten und dem tatsächlichen Wert wird dem Druckregler 220 zugeleitet. Dieser bestimmt ausgehend von der Abweichung zwischen dem erwarteten und dem tatsächlichen Wert einen ersten Ansteuerwert QSR. Dieser erste Ansteuerwert QSR und der zweite Ansteuerwert QSV, der von der Vorsteuerung 210 vorgegeben wird, werden im Verknüpfungspunkt 215 additiv verknüpft.
Abhängig von diesem Wert berechnet die Sollwertberechnung 230 einen Sollwert NSE für die Drehzahl der Vorförderpumpe 110. Diesen Drehzahlwert vergleicht der Verknüpfungspunkt 235 mit dem tatsächlichen Wert NIE der Drehzahl der Vorförderpumpe. Abhängig von der Abweichung zwischen dem erwarteten Wert NSE und dem tatsächlichen Wert NIE der Drehzahl der Vorförderpumpe 110 bestimmt der Drehzahlregler 245 ein Ansteuersignal zur Beaufschlagung des ersten Stellgliedes 110.
Insbesondere bei der Verwendung von EC-Motoren, die einen Positionssensor für die elektrische Komutierung besitzen, kann dieser als Drehzahlsensor für die Drehzahl NIE ausgewertet werden.
Bei einer vereinfachten Ausführungsform kann der Drehzahlregelkreis weggelassen werden. In diesem Fall erfolgt lediglich eine Steuerung der Vorförderpumpe. Dies bedeutet die Sollwertvorgabe 230 gibt unmittelbar das Ansteuersignal UEKP für die Vorförderpumpe 110 aus.
Anstelle der Vorförderpumpe 110 als Stellglied zur Beeinflussung der Fördermenge, kann alternativ auch ein anderes Stellglied im Niederdruckbereich verwendet werden. Beispielsweise ist es möglich das Ventil 140, entsprechend wie das Ventil 135, als Druckregelventil auszugestalten und zur Steuerung der Fördermenge anzusteuern. Ferner kann vorgesehen sein, daß im Niederdruckbereich ein Absperrventil angeordnet ist, mit dem der Kraftstofffluß im Niederdruckbereich steuerbar ist.
Durch die Überlagerung des Vorsteuerwertes QSV und des Ausgangssignals QSR des Druckreglers 220 können langfristige Druckänderungen im Rail ausgeglichen werden.
Aufgrund dieser Vorgehensweise ergibt sich bei konstantem Solldruck einem diesem entsprechender mittlerer Raildruck. Bei Solldruckerhöhungen stellt der Mengenregler einen zum Druckaufbau erhöhten Sollmengenstrom QSR ein, so daß der Raildruck steigt. Bei Solldruckverringerungen reduziert der Mengenregler den Sollmengenstrom QSR bis auf Null. Reicht diese Maßnahme nicht zu der geforderten Druckreduzierung aus, kommt das Druckregelventil 135 zum Einsatz. Dessen Öffnungsdruck wird über den Strom durch die Spule 136 so eingestellt, daß dieses etwa bei 20 bis 50 bar über dem Solldruck öffnet.
Fällt nun der Druck im Rail trotz geringer Förderung durch die Vorförderpumpe 110 zu langsam ab, gibt die Steuerung 250 einen solchen Strom IS vor, daß das Druckregelventil 135 öffnet und der Druck dadurch abgebaut wird, bis ein Druckwert erreicht wird, der etwas über dem Solldruck liegt. Der Druck liegt nur kurzfristig über dem erwarteten Raildruck, da durch Leckage und Einspritzungen der Druck weiter absinkt und dann die Mengenregelung über die Vorförderpumpe 110 wieder eingreift.
Vorzugsweise erfolgt eine Regelung des Stroms I, der durch die Spule 136 des Ventils 135 fließt. Dadurch kann der sich durch Erwärmung ändernde Widerstand der Magnetspule 136 aufgrund wechselnder Temperaturen ausgeglichen werden.
Bei Systemfehlern kann das Druckregelventil 135 als Notventil zum schnellen Absenken des Druckes P im Rail verwendet werden.
Diese Vorgehensweise bietet die folgenden Vorteile: Bedingt durch die kleineren notwendigen Fördermengen benötigt die Hochdruckpumpe eine niedere Antriebsleistung. Daraus folgt wiederum eine Kraftstoffersparnis. Bedingt durch die geringen Rücklaufmengen erfolgt eine verminderte Aufheizung des Kraftstoffes. Da das Druckregelventil 135 fast ständig geschlossen ist, kann die Leckageerkennung vereinfacht werden. Desweiteren ergibt sich eine verbesserte Regeldynamik beim Druckabbau. Insbesondere im Fehlerfall ist ein schneller Druckabbau möglich.

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit Hochdruckeinspritzung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-System, wobei wenigstens eine Pumpe den Kraftstoff von einem Niederdruckbereich in einen Hochdruckbereich fördert und der Kraftstoffdruck im Hochdruckbereich mit einem Drucksensor erfaßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein erstes und ein zweites Stellglied zur Beeinflussung des Kraftstoffdrucks mit Ansteuersignalen beaufschlagbar sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Stellglied die Fördermenge beeinflußt und insbesondere als Elektrokraftstoffpumpe ausgebildet ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von wenigstens der einzuspritzenden Kraftstoffmenge ein erstes Ansteuersignal für das erste Stellglied vorgebbar ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Stellglied den Kraftstoffdruck unmittelbar beeinflußt und insbesondere als Druckregelventil ausgebildet ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von einem Vergleich zwischen einem Istwert und einem Sollwert für den Kraftstoffruck ein zweites Ansteuersignal für das zweite Stellglied vorgebbar ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von dem ersten und dem zweiten Ansteuersignal ein Sollwert für eine Regelung der Drehzahl des ersten Stellgliedes vorgebbar ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von einem Sollwert für den Kraftstoffdruck ein Sollwert für eine Regelung des Stroms, der durch das zweite Stellglied fließt, vorgebbar ist.
8. Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit Hochdruckeinspritzung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-System, wobei wenigstens eine Pumpe den Kraftstoff von von einem Niederdruckbereich in einen Hochdruckbereich fördert, ein Drucksensor den Kraftstoffdruck im Hochdruckbereich erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein erstes und ein zweites Stellglied zur Beeinflussung des Kraftstoffdruckes vorgesehen sind.
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