DE69505393T2

DE69505393T2 - Dynamisches elektronisches regelungssystem zur steuerung des einspritzdruckes eines einspritzleitungssystems

Info

Publication number: DE69505393T2
Application number: DE69505393T
Authority: DE
Inventors: Pierpaolo Antonioli; Alberto Pisoni
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 1994-07-22
Filing date: 1995-07-21
Publication date: 1999-05-12
Anticipated expiration: 2015-07-22
Also published as: WO1996003577A1; DE69505393D1; EP0772736A1; US5720262A; EP0772736B1; JPH10503567A; ITTO940609A1; IT1266892B1; ES2125033T3; ITTO940609A0

Description

Die Erfindung betrifft ein dynamisches elektronisches Steuersystem zum Steuern des Einspritzdrucks eines Einspritzleitungssystems.

STAND DER TECHNIK

Es sind Steuersysteme bekannt, die zum Steuern des Einspritzdrucks von Kraftstoffzufuhrsystemen vorgesehen sind, wobei eine Pumpe Kraftstoff unter hohem Druck (1000-1300 bar) einer Hauptleitung zuführt, die eine Anzahl von Auslässen aufweist, welche mit den entsprechenden Einspritzventilen in Verbindung stehen.
Solche Zufuhrsysteme weisen auch einen Druckregler auf, der zwischen dem Pumpenauslaß und dem Hauptleitungseinlaß angeordnet ist sowie mit einer Kraftstoffrückleitung verbunden ist.
Bekannte Steuersysteme sind mit einer elektronischen Steuereinheit versehen, die mit einem ersten Signal, das von einem Druckfühler an der Hauptleitung erzeugt wird, und einem zweiten Signal, das einen optimalen Bezugsdruck repräsentiert, versorgt wird und die Eingabesignale verarbeitet, um ein Signal für den Druckreglerantrieb zu erzeugen.
Insbesondere sind bekannte Steuersysteme mit einem proportionalen, Integralregler P. I. versehen, der mit einem Fehlersignal e(t) versorgt wird, das die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal repräsentiert sowie das Antriebssignal u(t) gemäß einem Ausdruck der folgenden Art
u(t) = Kp · e(t) + Ki · e(v)dv
erzeugt, worin e(t) den Fehler, u(t) das Antriebssignal sowie Kp und Ki die Proportionalitätskonstante bzw. die Integralkonstante des P. I.-Reglers bedeuten.
Die Einspritzdrucksteuersysteme des vorgenannten Typs bieten nur eine ungefähre Steuerung, die unter bestimmten Betriebsbedingungen des Kraftstoffzufuhrsystems unwirksam ist.
Darüber hinaus sind solche bekannten Systeme auch instabil.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System anzugeben, das so eingerichtet ist, daß es die vorgenannten Nachteile, die in typischer Weise mit den bekannten Systemen verbunden sind, überwindet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein dynamisches Steuersystem zum Steuern des Einspritzdrucks eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Verbrennungsmotors angegeben, wobei das Einspritzsystem
mindestens eine Pumpe für die Zufuhr von Kraftstoff unter Druck zu einer Leitung, die eine Anzahl von Auslässen aufweist, die mit entsprechenden Einspritzventilen des Motors in Verbindung stehen, und
mindestens einen Druckregler, der zwischen dem Auslaß der Pumpe und dem Einlaß der genannten Leitung angeordnet ist, aufweist, wobei der Druckregler mit mindestens, einer Kraftstoffrückleitung verbunden ist und wobei
das Steuersystem
einen Druckfühler, der an der genannten Leitung angeordnet ist und ein erstes Signal (Pmis) erzeugt, das mit dem Kraftstoffdruck in der genannten Leitung in Beziehung steht,
eine Vorrichtung zum Erzeugen eines zweiten Signals (Prif), das mit einem Optimaldruck in Beziehung steht, und
eine elektronische Steuervorrichtung, die mit dem ersten und dem zweiten Signal versorgt wird sowie ein Ausgangssignal (U(z)) für den Antrieb des Druckreglers erzeugt, aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuervorrichtung mit einem Regler ausgerüstet ist, an den ein digitales Fehlersignal (Err(z)) geliefert wird und der das genannte Antriebssignal (U(z)) erzeugt,
wobei das digitale Fehlersignal (Err(z)) proportional zur Differenz zwischen dem genannten ersten und dem genannten zweiten Signal ist,
und wobei der Regler eine geprüfte Datenübertragungsfunktion
R(z) = U(z)/Err(z) des Typs
zur Verfügung stellt, worin
z = eine digitale Variable,
a = einen numerischen Koeffizienten und
Kc = einen proportionalen numerischen Koeffizienten
bedeuten.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Eine bevorzugte, nicht einschränkende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 ein dynamisches elektronisches Einspritzdrucksteuersystem gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung und
Fig. 2 ein Funktionsblockdiagramm, das den physikalischmathematischen Betrieb des Steuersystems gemäß der vorliegenden-Erfindung erläutert.

BESTE ART UND WEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Bezugsnummer 1 in Fig. 1 bezeichnet ein dynamisches elektronisches Einspritzdrucksteuersystem, das einem Einspritzsystem 4 eines Verbrennungsmotors 6 (schematisch dargestellt), insbesondere einem Dieselmotor, zugeordnet ist.
Das Einspritzsystem 4 weist eine elektrische Förderpumpe 8 auf, deren Einlaß durch eine Zufuhrleitung 10 mit einem Kraftstofftank 12 und deren Auslaß 8a über eine Hochdruckversorgungsleitung 15 (1000-1300 bar) mit dem Einlaß 17a einer bekannten Hauptleitung 17 verbunden ist.
Die Hauptleitung 17 ist mit einer Anzahl von Auslässen 19ä, 19b, 19c, 19d versehen, die mit entsprechenden Einspritzventilen 21a, 21b, 21c, 21d des Motors 6 verbunden sind (gemeinsame Hauptleitung).
Das Einspritzsystem 4 umfaßt auch einen Druckregler 24, der entlang der Hochdruckleitung 15 angeordnet ist und vorzugsweise aus einem Zweiwegemagnetventil besteht, das von einer elektronischen Steuereinheit 27 gesteuert wird. Insbesondere weist das Magnetventil 24 eine elektrische Spule 30 (schematisch dargestellt) für ein axiales Verstellen eines Verschlusses 26 (auch schematisch dargestellt) auf.
Der Druckregler 24 steht auch mit einer ersten Kraftstoffrückleitung (Bypass) 28, die im Tank 12 endet, in Verbindung. Das Einspritzsystem 4 ist auch mit einer zweiten Kraftstoffrückleitung 29, die Einlässe aufweist, welche mit Rücklaufauslässen der Einspritzventile 21a-21d verbunden sind, und mit einem mit dem Tank 12 verbundenen Auslaß 29a ausgerüstet.
Die elektronische Steuereinheit 27 wird von einer elektrischen Batterie 34 gespeist, welche auch die verschiedenen elektrischen Vorrichtungen (nicht dargestellt) versorgt, die mit dem Motor 6 zusammenarbeiten.
Die Steuereinheit 27 erhält eine Anzahl von Informationssignalen N, die dem Motor entnommen werden (zum Beispiel bezüglich Motordrehzahl, Druck im Ansaugrohr (nicht dargestellt), Stellung des Gaspedals (nicht dargestellt) usw.), und erzeugt eine Anzahl von Steuersignalen Tj zum Steuern der Einspritzventile 21a-21d, nachdem die Signale dekodiert und durch einen Hauptstromkreis 32 verstärkt worden sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Kontrolleinheit 27 ein erstes Drucksignal Pmis, das durch einen Druckfühler 38 an der Hauptleitung 17 erzeugt worden ist, und ein zweites Signal Prif, das einen optimalen Bezugsdruck repräsentiert, zum Beispiel von einer elektronischen Anordnung (nicht dargestellt) erhalten oder manuell eingegeben, zugeführt. Die Steuereinheit 27 weist einen Additionsknoten 40 mit einem Additionseingang (+) und einem Subtraktionseingang (-) auf, denen jeweils Signale Prif und Pmis zugeführt werden, die durch Wechselstrom/Gleichstrom-Abtasteinheiten 42a, 42b (schematisch dargestellt) digitalisiert worden sind.
Der Additionsknoten 40 hat einen Ausgang 40u, durch den ein digitales Fehlersignal Err(z) dem Eingang 50a einer Reglerschaltung 50 zugeführt wird, die auch einen Ausgang 50b aufweist, der ein digitales Signal U(z) für den Antrieb des Magnetventils 24 erzeugt und über eine elektrische Leitung 51 mit einer (nicht dargestellten) Steuerschaltung des Magnetventils 24 verbunden ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung stellt die Reglerschaltung 50 eine Übertragungsfunktion R(z) zur Verfügung, die durch das Verhältnis zwischen dem Ausgangssignal U(z) und dem Eingangssignal Err(z) der Art
definiert ist, worin
z = eine digitale Variable,
a = einen berechenbaren numerischen Koeffizienten und
Kc = einen proportionalen numerischen Koeffizienten mit einem Wert zwischen einer Untergrenze Kc-min und einer Obergrenze Kc-max
bedeuten.
Insbesondere wird der Koeffizient Kc gemäß dem Ausdruck
berechnet, worin
- Kt die Proportionalitätskonstante, welche die Kraft (Find), die auf den Verschluß 26 des Riegels 24 wirkt, mit dem Strom 11 durch die Spule 30 in Beziehung setzt, d. h.
Find = Kt · I1, [3]
- SDüse den Querschnitt der Düse (nicht dargestellt) des Reglers 24, aus welcher der unter Druck stehende Kraftstoff austritt,
- Vbatt die Spannung der Batterie 34,
- RL den schädlichen Widerstand der Spule 30 des Druckreglers 24,
- T die Prüfzeit der Steuereinheit 27 und
- fc die Frequenz, bei der das Produkt R(z) G(z) aus der Übertragungsfunktion R(z) des Reglers 50 und der Übertragungsfunktion G(z) des Eingabe/Ausgabe-Systems, das die Pumpe 8, die Hauptleitung 17 und das Magnetventil 24 umfaßt, einen Gewinn der Einheit ergibt, bedeuten.
Der numerische Koeffizient "a" wird gemäß dem Ausdruck
berechnet, worin
- Ku ein Proportionalitätskoeffizient,
- T die Prüfzeit der Steuereinheit 27,
- XVerschluß,Differenz die Position des Verschlusses 26 des Reglers 24, bei der Kraftstoff der Rückleitung (dem Bypass) 28 zugeführt wird,
- PKraftstoff,Differenz den Kraftstoffdruck in der Hauptleitung 17 und
- CHauptleitung die hydraulische Kapazität der
- Hauptleitung 17
bedeuten.
Eine explizite Darstellung von [1] gibt die Formel, die durch die Reglerschaltung 50 physikalisch erfüllt wird, d. h.
worin i den Prüfzeitpunkt sowie Kc und a wie oben definiert sind.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird nun eine grobe Beschreibung davon gegeben, wie der Ausdruck [1] erhalten wurde.
Das physikalische System, bestehend aus der Pumpe 8, der Hauptleitung 17 und dem Magnetventil 24, kann als ein Eingabe/Ausgabe-System mit geprüften (abgetasteten) Daten dargestellt werden, wobei das Steuersignal des Magnetventils 24 (Signal U(z)) als die Eingabe und das Drucksignal Pmis(z) als die Ausgabe anzusehen ist. Dieses Eingabe/Ausgabe-System wurde mittels einer Anzahl von Zustandsgleichungen als Modell dargestellt, die miteinander kombiniert wurden, um zu einer Gesamtübertragungsfunktion G(z) zu gelangen, die als das Ver hältnis zwischen der Ausgabe und der Eingabe, d. h. als G(z) = Pmis(z)/U(z), definiert ist.
Das Einspritzsystem 4 und das Steuersystem 1 bilden ein Rückkopplungssystem 90 (Fig. 2), das schematisch durch einen ersten Block 100, der die Übertragungsfunktion R(z) des Reglers 50 definiert, und durch einen zweiten Block 110, der an seinem Eingang mit dem Ausgang des ersten Blocks 100 verbunden ist und das durch die Übertragungsfunktion G(z) beschriebene physikalische Eingabe/Ausgabe-System repräsentiert, dargestellt werden kann.
Der erste Block 100 weist auch einen Eingang auf, der mit einem Additionsknoten 120 verbunden ist, zu dem das Bezugsdrucksignal Prif(z) und das Rückkopplungssignal Pmis(z) vom Ausgang des Blocks 110 geführt werden.
Eine Reihe von Kontrollspezifikationen wurde für die Berechnung von [1] eingerichtet.
(a) Der Sprungwiedergabefehler des Systems 90 muß im wesentlichen Null sein, d. h. wenn das System 90 durch einen Sprung Prif(z) angeregt wird, muß es unmittelbar ansprechen, und die Akzsgabe des Systems Pmis(z) muß nach einem raschen Übergangszustand den Wert eines stationären Zustands annehmen;
(b) Die Einschwingzeit Ts des Systems 90 muß weniger als eine vorgegebene Anzahl an Sekunden sein, z. B. 0,5 (die Einschwingzeit Ts ist als diejenige Zeit definiert, die vergeht, bis im Anschluß an eine Anregungsstufe die Ausgabe (Pmis) eines gesteuerten Systems von 10 auf 90% des Werts des stationären Zustands gelangt - siehe A. ISIDORI, Control Systems, SIDEREA, ROME 1979, Seite 114);
(c) Der maximale Überschuß s der Ausgabe des Systems 90 muß weniger als ein Prozentwert, z. B. 5%, sein.
Der Überschuß s ist als die maximale Menge definiert, durch welche die Antwort des Systems von dem Wert des stationären Zustands abweicht (siehe A. ISIDORI, Control Systems, SIDEREA, ROME 1979, Seite 114)
Eine Übereinstimmung mit der Bedingung (a) bedeutet, daß, wie durch Systemtheoriestudien gezeigt wurde (z. B. A. ISIDORI, Control Systems, SIDERERA, ROME 1979), die Übertragungsfunktion R(z) einen Pol im Ursprung haben muß, d. h. mindestens einen Block C1 des Typs
C1 = (z)/(z - 1) [6]
aufweisen muß.
Was die Spezifikation (b) betrifft, so ist es wichtig, sich daran zu erinnern, daß die Einschwingzeit Ts zum Durchlaßbereich Bp des Systems 90 in der Konfiguration des geschlossenen Kreislaufs durch die empirische Gleichung (A. ISIDORI, Control Systems, SIDEREA, ROME 1979, Seite 119)
Bp · Ts = 3 [7]
in Beziehung steht, worin Ts die Einschwingzeit und Bp der Durchlaßbereich des Systems in der Konfiguration des geschlossenen Kreislaufs bedeuten.
Die Gleichung [7] erlaubt es, daß der Durchlässigkeitsbereich Bp des Systems in der Konfiguration des geschlossenen Kreislaufs nach dem Erreichen der Einschwingzeit Ts erhalten wird.
Die Obergrenze des Durchlaßbereichs des Systems ist definiert als das Zweifache der Frequenz, bei der die Übertragungsfunk tion R(z) G(z) die Nullachse dB in einem Bode-Diagramm schneidet, so daß dann, wenn Bp erreicht ist, fc = 1/2Bp.
Nach dem Berechnen des Durchlaßbereichs Bp gemäß der Gleichung [7], wird der Gewinn Kc des Systems für das Erreichen des berechneten Durchlässigkeitsbereichs im schlechtestmöglichen Fall berechnet.
Die Spezifikation (b) ergibt somit einen Minimalwert Kc-min des Gewinns Kc der Regelschaltung 50.
Der Gewinn der Regelschaltung 50 ergibt auch eine Obergrenze Kc-max die gemäß dem Ausmaß, bis zu dem das System 90 durch Lärm beeinträchtigt wird, definiert ist. Insbesondere ist die definierte Obergrenze Kc-max jene, oberhalb welcher eine Störung in der Ausgabemenge (Pmis(z)) zu einer verschlechterten Stabilität des Systems führt.
Der Überschuß s steht durch die Gleichung (siehe A. ISIDORI, Control Systems, SIDEREA, ROME 1979, Seite 119)
1 + s = 0,85 Mr [8]
mit dem Resonanzmodul Mr in der Konfiguration des geschlossenen Kreislaufs in Beziehung.
Beispielsweise ist bei s = 5% bei der Frequenz fc ein minimaler Phasenspielraum von etwa 60º erforderlich.
Da das System 90 in der Konfiguration des offenen Kreislaufs (R(z) · G(z)) natürlich eine Phase aufweist, die in der Nähe des Wertes (-180º) liegt, bei dem Instabilität eintritt, muß der Regler 50 R(z) mit einem Block C2 zur Einführung der erforderlichen Phasenverschiebung (in dem Beispiel etwa 60º) versehen sein, d. h. mit einem Block der Art
Die Zusammensetzung von [6] und [9] sowie die Proportionalitätskonstante Kc, wie oben definiert, ergeben die Übertragungsfunktion R(z).
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der obigen Beschreibung ersichtlich. Insbesondere weist das beschriebene System einen Regler 50 auf, der eine Übertragungsfunktion R(z) erfüllt, die mittels eines Modells des physikalischen Systems (Block 110) berechnet wird, das die Leistung des Einspritzsystems simuliert, so daß das System 1 zu einem zuverlässigen Reproduzieren der Kontrollspezifikationen führt.
Das System 1 weist auch einen großen Stabilitätsspielraum und einen breiten Durchlässigkeitsbereich auf.
Die Stabilität des Systems 1 besteht im gesamten Bereich, d. h. das System 1 bleibt stabil ohne Rücksicht auf Veränderungen in den Parametern des physikalischen Systems.
Alle Koeffizienten (a, Kc), die in dem erfindungsgemäßen System eingesetzt werden, werden direkt berechnet. Somit wird ein zeitaufwendiges (und kostenintensives) Experimentieren vermieden, das für die Bestimmung der Koeffizienten gemäß dem Stand der Technik erforderlich ist.

Claims

1. Dynamisches Steuersystem zum Steuern des Einspritzdrucks eines Kraftstoffeinspritzsystems (4) eines Verbrennungsmotors, wobei das Einspritzsystem (4) mindestens eine Pumpe (8) für die Zufuhr von Kraftstoff unter Druck zu einer Leitung (17), die eine Anzahl von Auslässen (19a, 19b, 19c, 19d) aufweist, die mit entsprechenden Einspritzventilen (21a, 21b, 21c, 21d) des genannten Motors (6) in Verbindung stehen, und mindestens einen Druckregler (24), der zwischen dem Auslaß (8a) der Pumpe (8) und dem Einlaß (17a) der Leitung (17) angeordnet ist,

aufweist, wobei der Druckregler (24) mit mindestens einer Kraftstoffrückleitung (28) verbunden ist, und wobei

das Drucksteuersystem (1)

einen Druckfühler (38), der an der Leitung (17) angeordnet ist und ein erstes Signal (Pmis) erzeugt, das mit dem Kraftstoffdruck in der Leitung (17) in Beziehung steht, eine Vorrichtung zum Erzeugen eines zweiten Signals (Prif), das mit einem Optimaldruck in Beziehung steht, und

eine elektronische Steuervorrichtung (27), die mit dem ersten und dem zweiten Signal versorgt wird sowie ein Ausgangssignal U(z) für den Antrieb des Druckreglers (24) erzeugt, aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuervorrichtung (27) mit einem Regler (50, 100) ausgerüstet ist, an den ein digitales Fehlersignal Err(z) geliefert wird und der das Antriebssignal U(z) erzeugt,

wobei das digitale Fehlersignal Err(z) proportional zur Differenz zwischen dem genannten ersten und dem zweiten Signal ist,

und wobei der Regler (50, 100) eine geprüfte Datenübertragungsfunktion R(z) = U(z) /Err(z) des Typs

zur Verfügung stellt, worin

z = eine digitale Variable,

a = einen numerischen Koeffizienten und

Kc = einen proportionalen numerischen Koeffizienten bedeuten.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der proportionale numerische Koeffizient Kc gemäß dem Ausdruck

berechnet wird, worin

- Kt die Proportionalitätskonstante, welche die Kraft (Find), die auf den Verschluß (26) des Druckreglers (24) wirkt, mit dem Strom (11) durch die Spule (30) des Reglers (24) in Beziehung setzt,

- SDüse den Querschnitt der Düse des Reglers (24), aus welcher der unter Druck stehende Kraftstoff austritt,

- Vbatt die Spannung der Batterie (34), welche die elektronische Steuerung (27) versorgt,

- RL- den schädlichen Widerstand der Spule (30) des Reglers (24)

- T die Prüfzeit der elektronischen Steuerung (27) und

- fc die Frequenz, bei der das Produkt R(z) · G(z) aus der Ubertragungsfunktion R(z) des Reglers (50) und der Übertragungsfunktion G(z) des Eingabe/Ausgabe- Systems, das die Pumpe (8), die Leitung (17) und den Druckregler (24) umfaßt, einen Einheitsgewinn ergibt, bedeuten.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der numerische Koeffizient gemäß dem Ausdruck XVerschluß, Differenz 1

berechnet wird, worin

- Ku ein Proportionalitätskoeffizient;

- T die Prüfzeit der elektronischen Steuerung (27);

- XVerschluß, Differenz die Position des Verschlusses (26) des Reglers (24), bei der Kraftstoff der Rückleitung (28) zugeführt wird;

- PKraftstoff, Differenz den Kraftstoffdruck in der Leitung (17) und

- CLeitung die hydraulische Kapazität der Leitung (17) bedeuten.

4. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (50, 100) die Formel

erfüllt, in der i den Prüfzeitpunkt, a einen numerischen Koeffizienten und Kc einen proportionalen numerischen Koeffizienten bedeuten.