DE19857971A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-System, beschrieben. Wenigstens eine Pumpe fördert Kraftstoff in einen Speicher. Es werden Druckwerte, die den Kraftstoffdruck im Speicher charakterisieren, erfaßt und zur Steuerung der Einspritzung von Kraftstoff verwendet. Ausgehend von wenigstens zwei gemessenen Druckwerten wird ein berechneter Druckwert bestimmt, der zur Steuerung der Einspritzung von Kraftstoff verwendet wird.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung 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 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Druckes in einem Druckspeicher eines Common-Rail-Systems (CR-System) beschrieben. Üblicherweise wird bei solchen CR- 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.

Des weiteren ist aus der DE 197 35 561 bekannt, daß der Druckwert in festen Zeitabständen abgetastet wird. Bei der Steuerung der eingespritzten Kraftstoffmenge ergeben sich nur dann genaue Mengenwerte, wenn der Druck des Kraftstoffs bei Beginn der Einspritzung bekannt ist. Eine Ungenauigkeit der Druckmessung kann zu einem Mengenfehler und damit zu einem verschlechterten Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine führen.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art die Mengenfehler zu reduzieren und damit das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteile der Erfindung

Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise kann ein Druckwert zur Verfügung gestellt werden, der dem tatsächlichen Druck bei Beginn der Einspritzung sehr nahe kommt. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen sowie Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zeichnung

Die Erfindung wird in der nachstehend, anhand einer Zeichnung dargestellten Ausführungsform erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 verschiedene über der Zeit aufgetragene Signale und

Fig. 3 ein Flußdiagramm der erfindungsgemäßen Vorgehensweise.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

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. Diese steht mit einer Vorförderpumpe 110 in Verbindung. Von der Vorförderpumpe gelangt der Kraftstoff über eine Leitung zu einem Zumeßventil 120. Die Verbindungsleitung zwischen der Vorförderpumpe und dem Zumeßventil 120 steht über ein Niederdruckbegrenzungsventil 145 mit dem Vorratsbehälter 100 in Verbindung. Das Zumeßventil 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 Druckbegrenzungsventil 135 ist das Rail 130 mit dem Kraftstoffvorratsbehälter 110 verbindbar. Das Zumeßventil 120 ist mittels einer Spule 136 steuerbar.

Die Leitungen zwischen dem Ausgang der Hochdruckpumpe 125 und dem Eingang des Druckbegrenzungsventils 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 Zumeßventils 120 an. Hierzu wird das Ausgangssignal P des Drucksensors 140 und verschiedene Ausgangssignale weiterer Sensoren 160, wie beispielsweise eines Drehzahlsensors, ausgewertet.

Die Steuerung 150 umfaßt einen Filter 151, dem das Ausgangssignal PE des Drucksensors 140 zugeleitet wird. Das Filter 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 das Ausgangssignal QK der Mengenberechnung 152.

Die Mengenberechnung beaufschlagt die Injektoren mit Ansteuersignalen A und die Sollwertvorgabe 153 mit dem Signal QK, das anzeigt, welche Einspritzmenge zugemessen werden soll. Mit dem Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 154 wird ein Druckregler 155 beaufschlagt, der wiederum die Spule 136 des Zumeßventils 120 ansteuert.

Diese Einrichtung arbeitet wie folgt: Der Kraftstoff, der sich im Vorratsbehälter befindet, wird von der Vorförderpumpe 110 gefördert.

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.

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 200 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 Zumeßventils 120, 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 stellt das Zumeßventil 120 unterschiedliche Fördermengen der Hochdruckpumpe zur Verfügung.

Zur Regelung des Druckes P im Hochdruckbereich können auch weitere Stellglieder eingesetzt werden. Dies sind alternativ zum Zumeßventil 120 eine in der Fördermenge verstellbare elektrische Vorförderpumpe 110 oder ein Druckbegrenzungsventil 135, das ebenfalls mittels einer Spule steuerbar ist.

Die Berechnung der Ansteuersignale A abhängig vom Druck P erfolgt vor jeder Einspritzung. Diese Berechnung erfolgt drehzahlabhängig mit variablem Zeitabstand. Der Abstand zwischen diesen Berechnungen hängt stark von der Drehzahl ab. Die Berechnung des Ansteuersignals für das Zumeßventil 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.

Das Filter 151 bereitet das Sensorsignal, 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 QK einen Sollwert PS für den Kraftstoffdruck im Speicher 130. Dieser Sollwert PS wird im Verknüpfungspunkt 154 mit dem Istwert PI, der von dem Filter 151 bereitgestellt wird, verglichen. Abhängig von diesem Vergleich berechnet der Druckregler 155 das Ansteuersignal zur Beaufschlagung des Druckregelventils.

Der Druck im Speicher schwankt sehr stark. Diese Schwankungen sind zum einen durch die Einspritzung und zum anderen durch die Druckerzeugung verursacht. Die Druckwerte, die zur Mengenberechnung und/oder zur Druckregelung benötigt werden, werden in bestimmten festen Zeitabständen abgetastet. Dies führt dazu, daß die Druckwerte, die zur Mengenberechnung verwendet werden, stark schwanken. Stark schwankende Druckwerte haben stark schwankenden Mengenwerte zur Folge. Ferner weicht der bei der Druckerfassung ermittelte Druckwert stark von dem Druck bei der Einspritzung ab. Dies führt zu einer ungenauen Einspritzung.

In Fig. 2 sind verschiedene Signale über Zeit aufgetragen. Mit senkrechten Markierungen sind die Impulse eines nicht dargestellten Inkrementrades aufgetragen. Diese treten in bestimmten Winkelabständen der Kurbelwelle bzw. der Nockenwelle auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Abstand zwischen zwei Einspritzungen in zwei Inkremente aufgeteilt, wobei jeweils ein Inkrementimpuls im Bereich der Einspritzung und ein Inkrementimpuls zwischen zwei Einspritzimpulsen auftritt.

Der Verlauf des Drucks P im Speicher ist mit einer durchgezogenen Linie aufgetragen. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um ein gefiltertes Signal. Zum Zeitpunkt tE beginnt die Einspritzung. Dies hat zur Folge, daß der Druck sehr rasch abfällt. Anschließend steigt der Druck wieder an. Unmittelbar bei Beginn der Einspritzung nimmt der Druck den Wert PA an.

Die Messung des Druckes erfolgt zu den mit Kreuzen gekennzeichneten Zeitpunkten t-n, t-n+1, . . . t0, bei denen die Druckwerte P(m-n), P(m-n+1), . . . P(m) erfaßt werden. Die Druckerfassung erfolgt vorzugsweise in festen Zeitabständen, wobei diese so gewählt sind, daß zwischen zwei Einspritzungen wenigstens zwei vorzugsweise drei oder mehr Druckmeßwerte auftreten.

Bei Auftreten des Inkrementimpulses, der zwischen den beiden Einspritzungen liegt, wird die Berechnung der Ansteuersignale für die Injektoren initialisiert und anschließend durchgeführt. Dieser Zeitpunkt ist mit einem kleinen senkrechten Pfeil markiert. Der Bereich, in dem die Berechnung der Ansteuersignale erfolgt, ist mit einer schraffierten Fläche gekennzeichnet.

Bei dieser Berechnung wird zum einen ein Signal berechnet, das den Einspritzbeginn kennzeichnet. Hierbei handelt es sich um eine Größe, die den Abstand AB zwischen dem Beginn der Einspritzung, der mit einem gezackten Pfeil markiert ist, und dem oberen Totpunkt O, der zum Zeitpunkt tOT auftritt, angibt. Des weiteren wird die Dauer AD der Ansteuerung bestimmt. Sowohl die Dauer der Ansteuerung AD, als auch der Zeitraum AB sind mit einem Doppelpfeil markiert. Ferner ist mit einem Doppelpfeil der Abstand K zwischen dem oberen Totpunkt tOT und dem Beginn der Berechnung der Ansteuersignale markiert.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Reduzierung des Meßfehlers der Druckwert PA zu Beginn der Einspritzung geschätzt, wobei die Schätzung, ausgehend von mehreren älteren Meßwerten P(m-n), P(m-n+1), . . . P(m) erfolgt. Die Meßwerte werden vorzugsweise bei steigendem Druck erfaßt. Das heißt mit der Erfassung der Meßwerte wird nach dem oberen Totpunkt der vorherigen Einspritzung begonnen. Dies bedeutet ausgehend von wenigstens zwei Druckmesswerten, die im Zeitraum zwischen der vorherigen Einspritzung und der aktuellen Einspritzung, das heißt der zu berechnenden Einspritzung, auftreten, der Druckwert PA zu Beginn zu berechnenden Einspritzung geschätzt wird. Dies bedeutet, daß ausgehend von wenigstens zwei gemessenen Druckwerten ein berechneter Druckwert PA bestimmt wird, der den Kraftstoffdruck im Speicher bei Beginn der Einspritzung charakterisiert, bestimmt wird. Dieser so bestimmte Druckwert PA wird zur Steuerung der Einspritzung von Kraftstoff verwendet.

Zur Schätzung wird vorzugsweise eine sogenannte Ausgleichsfunktion verwendet. Dies bedeutet, ausgehend von verschiedenen Meßwerten zu verschiedenen Zeitpunkten wird vorzugsweise eine Ausgleichsgerade bestimmt, von der die verschiedenen Meßwerte nur geringfügig abweichen.

Diese Gerade gibt den Zusammenhang zwischen dem Druck P und der Zeit t an. Mittels dieser Geraden kann dann der Druckwert PA zum Zeitpunkt tE der Einspritzung bestimmt werden. Hierzu ist es erforderlich, daß der Zeitpunkt tE bekannt ist. Der Zeitpunkt tE ergibt sich aus dem Abstand K zwischen der Berechnung der Ansteuersignale zum Zeitpunkt t0 und dem oberen Totpunkt tOT. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um einen bekannten Winkelwert, da die Berechnung der Ansteuersignale mit Auftreten eines Inkrementimpulses beginnt und der obere Totpunkt ebenfalls mit einem Inkrementimpuls zusammenfällt.

Der Abstand zwischen den beiden Inkrementimpulsen entspricht einer bekannten Winkelgröße, um die sich die Kurbelwelle bzw. Nockenwelle zwischen den Inkrementimpulsen dreht. Unter Verwendung der momentanen Drehzahl der Brennkraftmaschine wird diese Größe in eine Zeit umgerechnet, die dem Abstand zwischen dem oberen Totpunkt tOT und dem Zeitpunkt t0, bei dem die Ansteuersignale berechnet werden, angibt.

Wird dieser Abstand K um den Wert AB vermindert, der den Abstand zwischen dem Beginn der Einspritzung tE und dem oberen Totpunkt tOT angibt, verringert, so ist der Abstand K zwischen dem Beginn der Berechnung der Einspritzdaten und dem Beginn der Einspritzung bekannt. Ausgehend von der Größe K-AB und der Geradengleichung für den Druck wird dann der Druck PA bestimmt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn anstelle einer Ausgleichsgeraden eine andere Funktion verwendet wird, die dem Druckverlauf so angenähert wird, daß nur geringe Abweichungen zwischen den Meßwerten und den Funktionswerten auftreten. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Funktion verwendet wird, die den Verlauf des Drucks auch während der Einspritzung annähert.

In Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise anhand eines Flußdiagramms dargestellt. In einem ersten Schritt 300 wird der aktuelle Druckwert P(m) erfaßt. Die anschließende Abfrage 310 überprüft, ob der Zeitpunkt t0 erreicht ist. Der Zeitpunkt t0 ist erreicht, wenn der Abstand zwischen dem oberen Totpunkt kleiner als der Wert K ist. Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß überprüft wird, ob ein Inkrementimpuls aufgetreten ist.

Liegt diese Bedingung nicht vor, so wird in Schritt 360 der Druckwert P(m-1) mit dem Druckwert P(m) und der Druckwert P(m-2) mit dem Druckwert P(m-1) und der Druckwert P(m-n) mit dem Druckwert P(m-n+1) überschrieben.

Erkennt die Abfrage 310, daß der Zeitpunkt t0 erreicht ist, so wird in Schritt 320 der Ansteuerbeginn AB für die nächstfolgende Einspritzung berechnet. Anschließend, in Schritt 330 wird dann der Zeitpunkt tE, bei dem die Einspritzung voraussichtlich beginnt, ausgehend von dem Zeitpunkt tOT, bei dem der obere Totpunkt auftritt und dem Ansteuerbeginn AB bestimmt. Im anschließenden Schritt 340 wird dann der Druckwert PA beim Einspritzbeginn als Funktion F der verschiedenen Druckwerte P(m), P(m-1), P(m-n) und dem Abstand zwischen dem Zeitpunkt t0 und dem Zeitpunkt tE, bei dem die Einspritzung erfolgt, bestimmt. Dieser berechnete Druckwert PA dient im Schritt 350 zur Berechnung der Ansteuerdauer AD. Die abhängig von dem berechneten Druckwert und weiteren Größen K vorgegeben wird. Dies bedeutet, unter Verwendung dieses Wertes PA wird das Ansteuersignal A zur Steuerung der Einspritzung von Kraftstoffmenge bestimmt.

Ferner kann dieser Druckwert PA als Istwert des Druckreglers 155 verwendet werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-System, wobei wenigstens eine Pumpe Kraftstoff in einen Speicher fördert, wobei Druckwerte, die den Kraftstoffdruck im Speicher charakterisieren, erfaßt und zur Steuerung der Einspritzung von Kraftstoff verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von wenigstens zwei gemessenen Druckwerten ein berechneter Druckwert bestimmt wird, der zur Steuerung der Einspritzung von Kraftstoff verwendet wird.

2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der berechnete Druckwert den Kraftstoffdruck im Speicher bei Beginn der Einspritzung charakterisiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der berechnete Druckwert mittels einer Ausgleichsfunktion, ausgehend von den gemessenen Druckwerten bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessenen Druckwerte zwischen der vorherigen und der aktuellen Einspritzung erfaßt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der berechnete Druckwert, ausgehend von den gemessenen Druckwerten einem Signal, das den Einspritzbeginn charakterisiert, und der Drehzahl vorgebbar ist.

6. Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-System, wobei wenigstens eine Pumpe Kraftstoff in einen Speicher fördert, mit Mitteln, die Druckwerte, die den Kraftstoffdruck im Speicher charakterisieren, erfassen und zur Steuerung der Einspritzung von Kraftstoff verwenden, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die ausgehend von wenigstens zwei gemessenen Druckwerten ein berechneter Druckwert bestimmen, der zur Steuerung der Einspritzung von Kraftstoff verwenden.