DE19735561A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Steuern einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen Ansprüche.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer
Brennkraftmaschine sind aus der DE 195 48 278 bekannt. Dort
werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des
Drucks in einen Druckspeicher bei einem Common-Rail-System
beschrieben. Üblicherweise wird bei solchen
Common-Rail-Systemen die Ansteuerdauer der Injektoren
abhängig von der einzuspritzenden Kraftstoffmenge und dem
Druck im Speicher vorgegeben. Hierzu wird der Druck im
Speicher drehzahlsynchron erfaßt. Die Druckregelung erfolgt
in einem festen Zeitraster. Hierzu wird der bereits
drehzahlsynchron erfaßte Raildruck zeitsynchron abgetastet.
Dies kann unter ungünstigen Betriebszuständen zu erheblichen
Totzeiten bei der Druckregelung führen. Dies führt dazu, daß
der Druckregler sehr langsam appliziert werden muß. Dies ist
im Hinblick auf eine schnelle Störgrößenausregelung eine
unerwünschte Randbedingung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer
Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art die Totzeit im
Druckregelkreis zu minimieren. Diese Aufgabe wird durch die
in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale
gelöst.
Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise kann die Totzeit
beim Druckregelkreis wesentlich verringert werden.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen Fig. 1
ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2
den Druck über der Zeit t aufgetragen, Fig. 3 eine
detaillierte Darstellung der Druckerfassung und Fig. 4 und
Fig. 5 jeweils ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
In Fig. 1 sind die für das Verständnis der Erfindung
erforderlichen Bauteile einer Ausführungsform eines
Kraftstoffversorgungssystems einer Brennkraftmaschine mit
Hochdruckeinspritzung dargestellt. Das dargestellte System
wird üblicherweise als Common-Rail-System bezeichnet und ist
nur beispielhaft dargestellt.
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 stehe über ein Niederdruckbegrenzungsventil 145
mit dem Vorratsbehälter 100 in Verbindung. Das Ventil 120
steht über eine Hochdruckpumpe 125 mit einem Rail 130 in
Verbindung. Das Rail wird auch als Speicher bezeichnet und
steht über Kraftstoffleitungen mit verschiedenen Injektoren
131 in Kontakt. Über ein Druckregelmittel, insbesondere 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. Die Leitungen
zwischen dem Tank 100 und der Hochdruckpumpe 125 werden als
Niederdruckbereich bezeichnet.
Mit 150 ist eine Steuerung bezeichnet. Diese beaufschlagt
die Injektoren 131 mit Ansteuersignalen A und steuert die
Spule 136 des Druckregelventils 135 an. Hierzu wird das
Ausgangssignal P des Drucksensors 140 und verschiedene
Ausgangssignale weiterer Sensoren 160, wie beispielsweise
eines Drehzahlsensors, ausgewertet.
Die Steuerung 150 umfaßt eine Druckberechnung 151, der das
Ausgangssignal des Drucksensors 140 zugeleitet wird. Die
Druckberechnung 151 beaufschlagt eine Mengenberechnung 152
und einen Verknüpfungspunkt 154 mit Signalen. Am zweiten
Eingang des Verknüpfungspunktes 154 steht das Ausgangssignal
PS einer Sollwertvorgabe 153. Die Sollwertvorgabe
verarbeitet das Ausgangssignal N eines Drehzahlsensors 160
sowie der Mengenberechnung 152. Die Mengenberechnung
beaufschlagt die Injektoren mit Ansteuersignalen A und die
Druckberechnung mit einem Signal QK, das anzeigt, daß eine
Einspritzung erfolgt. Mit dem Ausgangssignal des
Verknüpfungspunktes 154 wird ein Druckregler 155
beaufschlagt, der wiederum die Spule 136 des
Druckregelventils ansteuert.
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 145 und
gibt die Verbindung zwischen dem Ausgang der Vorförderpumpe
110 und dem Vorratsbehälter 100 frei. Mittels des Ventils
120 und dem Niederdruckbegrenzungsventil 145 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. Üblicherweise werden bei Systemen für fremdgezündete
Brennkraftmaschinen Druckwerte von etwa 30 bis 100 bar und
bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen Druckwerte von etwa
1000 bis 2000 bar erzielt. 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.
Zur Regelung des Druckes P im Hochdruckbereich können auch
weitere Stellglieder eingesetzt werden. Dies ist sind eine
in der Fördermenge verstellbare elektrische Vorförderpumpe
110 oder eine steuerbare Hochdruckpumpe 125. Zusätzlich zum
Druckregelventil 135 kann auch ein Druckbegrenzungsventil
vorgesehen sein, das bei einem vorgegebenen Druck die
Verbindung zwischen Hochdruckbereich und Niederdruckbereich
freigibt.
Die Druckerfassung 151 bereitet das Signal, das vom
Drucksensor 140 bereitgestellt wird, auf und stellt es zum
einen der Mengenberechnung 152 und zum anderen dem
Vergleichspunkt 154 zur Druckregelung zur Verfügung. Die
Mengenberechnung 152 berechnet abhängig vom Druck P und der
gewünschten einzuspritzenden Kraftstoffmenge die
Ansteuersignale A zur Beaufschlagung der Injektoren 131.
Die Sollwertvorgabe 153 berechnet ausgehend von
verschiedenen Betriebsparametern wie beispielsweise der
Drehzahl N der Brennkraftmaschine und der einzuspritzenden
Kraftstoffmenge einen Sollwert PS für den Kraftstoffdruck im
Speicher 130. Dieser Sollwert PS wird im Verknüpfungspunkt
154 mit dem Istwert PI, der von der Druckerfassung 151
bereitgestellt wird, verglichen. Abhängig von diesem
Vergleich berechnet der Druckregler 155 das Ansteuersignal
zur Beaufschlagung des Druckregelventils.
Die Berechnung der Ansteuersignale abhängig vom Druck P
erfolgt vor jeder Einspritzung. Diese Berechnung erfolgt
also drehzahlabhängig mit variablem Zeitabstand. Der Abstand
zwischen diesen Berechnungen hängt stark von der Drehzahl
ab. Die Berechnung des Ansteuersignals für das
Druckregelventil im Druckregler 155 erfolgt in einem festen
Zeittakt. Dieser Zeittakt ist so gewählt, daß der Regler
umgehend auf sich ändernde Sollwerte PS reagieren kann und
sich der neue Sollwert möglichst schnell einstellen kann.
Erfindungsgemäß wird der Druck zur Istwerterfassung
zeitsynchron mit einem sehr kleinen Zeittakt von ca.
vorzugsweise 10 ms erfaßt. Die Druckwerte werden in einem
vorgebenen, vorzugsweisen festen Zeitabständen erfaßt.
Parallel hierzu erfolgt die winkelsynchrone oder
drehzahlsynchrone Auswertung des Drucks zur Berechnung des
Ansteuersignals A. Problematisch hierbei ist nun, daß wie in
Fig. 2 dargestellt, der Druck P während der Einspritzung
sehr stark schwankt.
In Fig. 2 ist der Druck P über der Zeit t aufgetragen. Zu
den Zeitpunkten t1, t2 und t3 beginnt jeweils eine
Einspritzung. Dies führt dazu, daß der Druck rasch abfällt
und anschließend wieder auf seinen ursprünglichen Wert
ansteigt. Zu den Zeitpunkten t1', t2' und t3' endet jeweils
die Einspritzung.
Die Schwankungen dem Drucks während der Einspritzung können
von der Druckregelung nicht ohne weiteres ausgeglichen
werden. Werden diese Schwankungen bei der Istwerterfassung
berücksichtigt, so führt dies dazu, daß das Ausgangssignal
des Druckreglers unerwünschten starken Schwankungen
unterliegt. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, daß
während der Einspritzung, das heißt, zwischen den Zeiträumen
t1 und t1', sowie t2 und t2' sowie t3 und t3' keine
Druckwerte für die Druckregelung erfaßt werden.
Die Zeitpunkte der zeitsynchronen Druckerfassung, bei denen
die Druckerfassung zur Druckregelung erfolgt, sind in der
Fig. 2 mit Kreisen markiert. Die Zeitpunkte zur
winkelsynchronen Druckerfassung, bei denen die
Druckerfassung erfolgt, um die Ansteuersignale A für die
Injektoren zu berechnen, sind mit Kreuzen markiert.
Bei dem dargestellten Beispiel wird bei der Druckerfassung
unmittelbar vor der Einspritzung der Wert sowohl zur
Druckregelung als auch zur Steuerung der Injektoren A
verwendet.
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform zur Realisierung dieser
Vorgehensweise dargestellt. Bereits in Fig. 1 beschriebene
Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet.
Die Elemente 400, 410 und 420 stellen die wesentlichen
Elemente der Druckerfassung 151 dar, die den Wert PI
bereitstellen. Das Ausgangssignal P des Drucksensors 140
gelangt über ein erstes Schaltmittel 400 zu einem
Wechselschaltmittel 420. Das Ausgangssignal des
Wechselschaltmittels 420 gelangt als Istwert PI zum
Verknüpfungspunkt 154.
Das Schaltmittel 400 wird von einem Taktgeber 410 mit einer
vorgegebenen Taktfrequenz angesteuert. Bei jedem Takt wird
das Schaltmittel 400 geschlossen und sein Eingang an den
Ausgang weitergeleitet. Das Schaltmittel 420 ist in der
Regel in seinem beschlossenen Zustand. Dies bedeutet, in
durch den Taktgenerator 410 vorgegebenen Zeitabständen wird
das Signal P das Sensors 140 als Istwert PI dem
Verknüpfungspunkt 154 weitergegeben.
Liefert die Mengensteuerung 152 ein Signal A, das eine
Einspritzung anzeigt, so wird das Schaltmittel 420 in seine
zweite Position geschaltet. Dies bewirkt, daß das
Ausgangssignal des Schaltmittels 420 auf seinem alten Wert
bleibt. Das Signal QK liegt zwischen den Zeitpunkten t1 und
t1' sowie t2 und t2' und t3, t3' an.
In Fig. 4 ist eine Ausführungsform anhand eines
Flußdiagrammes dargestellt. In einem ersten Schritt 500 wird
ein Zeitzähler t auf 0 gesetzt. Im anschließenden Schritt
510 wird der Zeitzähler t um einen bestimmten Wert Δt
erhöht. Die Abfrage 520 überprüft, ob der Zeitzähler t
größer als ein Wert St ist. Dieser Wert St bestimmt den
Abstand zwischen der Meßwerterfassung. Ist dies nicht der
Fall, so erfolgt erneut Schritt 510. Ist dies der Fall,
überprüft die Abfrage 530, ob ein Ansteuersignal A für die
Injektoren vorliegt. Ist dies nicht der Fall, so wird im
Schritt 540 der Wert P2 erfaßt und als Istwert PI verwendet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn jeweils noch eine
gleitende Mittelwertbildung über wenigstens zwei
zeitsynchron erfaßte Druckwerte erfolgt. Dies bedeutet, daß
neben dem in Schritt 540 aktuell erfaßten Wert P2 wird
zusätzlich der alte Wert P1, der im vorhergehenden
Programmdurchlauf erfaßt wurde, berücksichtigt. Den zur
Druckregelung verwendete Wert P berechnet sich im Schritt
550 durch Mittelwertbildung aus den Werten P1 und P2.
Anschließend wird in Schritt 560 der alte Wert P1 mit dem
neuen Wert P2 überschrieben. Dies ist beispielhaft in Fig.
4 mit gestrichelt eingezeichneten Blöcken dargestellt.
Vorteilhaft ist es, wenn eine Mittelung über mehr als zwei
Meßwerte erfolgt.
Zur Erfassung des Drucks zur Bereitstellung an die
Mengenberechnung wird wie folgt vorgegangen: In einem ersten
Schritt 600 wird ein Winkelwert W auf 0 gesetzt. Im
anschließenden Schritt 610 wird der Winkelwert W um ΔW
erhöht. Anschließend überprüft die Abfrage 620, ob der
Winkel W größer als ein Schwellwert SW ist. Dieser
Schwellwert SW ist so gewählt, daß er der Umdrehung der
Kurbelwelle seit der letzten Berechnung entspricht. Ist dies
nicht der Fall, so folgt erneut Schritt 610. Ist dies der
Fall, wird in Schritt 630 der Druckwert P erfaßt und an die
Mengenberechnung weitergegeben. Der Schwellwert SW ist so
gewählt, daß diese winkelsynchrone Erfassung der Druckwerte
unmittelbar vor dem Beginn und/oder vor dem Ende der
Einspritzung erfolgt. Vorzugsweise wird der Schwellwert
abhängig von den Betriebsbedingungen entsprechend
vorgegeben.
Claims (6)
1. Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine,
insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit einem
Common-Rail-System, wobei wenigstens eine Pumpe den
Kraftstoff von einem Niederdruckbereich in einen
Druckspeicher fördert, daß Druckwerte, die den
Kraftstoffdruck im Druckspeicher kennzeichnen, mit einem
Drucksensor erfaßt werden, wobei ausgehend von den erfaßten
Druckwerten und einem Sollwert ein Ansteuersignal für ein
Druckregelmittel vorgebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
die Druckwerte in vorgegebenen Zeitabständen erfaßt werden,
wobei während einer Einspritzung von Kraftstoff keine
Druckwerte erfaßt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ferner eine winkelsynchrone Erfassung von Druckwerten
erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die winkelsynchrone Erfassung der
Druckwerte unmittelbar vor Beginn und/oder vor Ende der
Einspritzung erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die bei der winkelsynchronen Erfassung
ermittelten Druckwerte zur Steuerung der Einspritzung
verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß eine gleitende Mittelwertbildung über
jeweils wenigstens zwei erfaßte Druckwerte erfolgt.
6. Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine,
insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit einem
Common-Rail-System, wobei wenigstens eine Pumpe den
Kraftstoff von einem Niederdruckbereich in einen
Druckspeicher fördert, mit einem Drucksensor, der
Druckwerte, die den Kraftstoffdruck im Druckspeicher
kennzeichnen, erfaßt, mit einem Druckregeler, der ausgehend
von den erfaßten Druckwerten und einem Sollwert ein
Ansteuersignal für ein Druckregelmittel vorgibt, dadurch
gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die die
Druckwerte in vorgegebenen Zeitabständen erfassen, wobei
während einer Einspritzung von Kraftstoff keine Druckwerte
erfaßt werden.
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