DE102007060006B3

DE102007060006B3 - Kraftstoffdruckregelsystem

Info

Publication number: DE102007060006B3
Application number: DE102007060006A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Adler; Uwe Jung; Hui Li; Michael Wirkowski; Hong Dr. Zhang
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2027-12-14
Also published as: WO2009074379A2; WO2009074379A3; CN101896709B; US8424508B2; US20100258083A1; CN101896709A

Abstract

Es wird ein Kraftstoffdruckregelsystem für eine Brennkraftmaschine, mit einem Druckspeicher (6), der Kraftstoff unter Druck bevorratet und der Brennräume (8) der Brennkraftmaschine mit Kraftstoff versorgende Injektoren (7) speist, einer Hochdruckpumpe (9), die einen Kraftstoffmengenstrom dem Druckspeicher (6) zuführt, einem ersten Ventil (PCV), über das Kraftstoff aus dem Druckspeicher (6) abführbar ist, und einem zweiten Ventil (VCV) zur Drosselung des Kraftstoffmengenstroms, bereitgestellt, wobei ein erster Regelkreis (16) mit dem ersten Ventil (PCV) als Stellglied zur Regelung des Drucks im Druckspeicher (6) und ein zweiter Regelkreis (17) mit dem zweiten Ventil (VCV) als Stellglied zur Regelung des Drucks im Druckspeicher (6) vorgesehen sind, und wobei die beiden Regelkreise (16, 17) als Kaskadenregler (15) ausgebildet sind mit dem ersten Regelkreis (16) als Führungsregler und dem zweiten Regelkreis (17) als Folgeregler.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffdruckregelsystem für eine Brennkraftmaschine, mit einem Druckspeicher, der Kraftstoff unter Druck bevorratet und der Brennräume der Brennkraftmaschine mit Kraftstoff versorgende Injektoren speist, einer Hochdruckpumpe, die einen Kraftstoffmengenstrom dem Druckspeicher zuführt, einem ersten Ventil, über das Kraftstoff aus dem Druckspeicher abführbar ist, und einem zweiten Ventil zur Drosselung des Kraftstoffmengenstroms.
Bei einem solchen Kraftstoffdruckregelsystem, das häufig bei Common Rail Einspritzsystemen eingesetzt wird, werden sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit und die Leistung der Regelung des Drucks im Druckspeicher gestellt. Eine schnelle und genaue Regelung wird durch Verwendung des ersten Ventils als Stellglied im Regelkreis erreicht. Nachteilig hierbei ist es, dass dann eine bedarfsgerechte Förderung des Kraftstoffs nicht mehr realisierbar ist, so dass sich entsprechende Verlustleistungen ergeben, die zu einem unerwünschten Mehrverbrauch der Brennkraftmaschine führen.
Um die Verlustleistungen zu reduzieren, kann die Regelung mit dem ersten Ventil als Stellglied durch eine langsamere Regelung mit dem zweiten Ventil als Stellglied ersetzt werden. Dies führt aber nachteilig zu einer langsameren und damit ungenaueren Regelung.
In der Offenlegungsschrift DE 196 12 412 A1 wird beispielsweise ein Stellsignal für eine der Hochdruckpumpe zugeordnete Fördermengen-Begrenzungseinrichtung vom Fluidmengendurchsatz in der Ablaufleitung eines Druckbegrenzungsventils abgeleitet. Je mehr Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich abgesteuert wird, desto stärker wird die Kraftstofffördermenge der Hochdruckpumpe reduziert, weil der abgeleitete Kraftstoff an einer Staudrossel einen Druckabfall erzeugt, aus dem eine Stellgröße für das Kraftstoffmengensteuerventil abgeleitet wird. Dadurch ergibt sich eine Kraftstoffdruckregelung mit einem Saugdrosselventil als Ventil zur Drosselung des Kraftstoffmengenstroms und einem Druckbegrenzungsventil als Stellglied zur Regelung des Drucks.
In der DE 198 02 583 A1 dagegen ist eine Kaskadenregelung offenbart. Dort wird als Folgeregelkreis zum Druckregelkreis mit PI-Charakteristik eine unterlagerte Stromregelung für den elektrischen Strom durch das Druckstellglied offenbart um Temperaturdriften zu verhindern.
Eine kombinierte Volumenstrom und Druckregelung ist auch in Dokument DE 103 23 874 A1 offenbart. Die beiden Regelungen werden dabei je nach Betriebsart umgeschaltet.
In Dokument DE 10 2006 018 164 B3 dagegen ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine offenbart, wobei ein erster Steuerwert für ein Volumenstromsteuerventil bei geschlossenem Drucksteuerventil abhängig von der Soll-Fördermenge bestimmt wird. Eine Abweichung dieses Steuerwerts für das Volumenstromsteuerventil wird dann abhängig von einer Druckabweichung im Kraftstoffspeicher bestimmt. Ein zweiter Steuerwert für das Volumenstromsteuerventil wird dann abhängig von dieser Abweichung so bestimmt, dass eine gewisse Mindest-Kraftstoffmenge durch das Drucksteuerventil abgeleitet wird, wodurch die Funktionsfähigkeit des Druckregelkreises aufrecht erhalten wird. Hierbei handelt es sich im weitesten Sinne um eine zeitdiskret realisierte Regelung, die jedoch das vollständige Schließen des Druckstellglieds zur Initialisierung voraussetzt.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Kraftstoffdruckregelsystem der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine schnelle und genaue Regelung des Drucks im Druckspeicher bei gleichzeitig äußerst geringen Verlustleistungen möglich ist.
Die Aufgabe wird bei einem Kraftstoffdruckregelsystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein erster Regelkreis mit dem ersten Ventil als Stellglied zur Regelung des Drucks im Druckspeicher und ein zweiter Regelkreis mit dem zweiten Ventil als Stellglied zur Regelung des Drucks im Druckspeicher bereitgestellt werden, wobei die beiden Regelkreise als Kaskadenregler ausgebildet sind mit dem ersten Regelkreis als Führungsregler und mit dem zweiten Regelkreis als Folgeregler.
Die gewünschte bedarfsgerechte Regelung des Kraftstoffmengenstroms wird mittels dem Folgeregler verwirklicht, wodurch die unerwünschten Verlustleistungen minimiert werden. Gleichzeitig bleibt die schnelle und genaue Regelung des Drucks im Druckspeicher aufgrund des Führungsreglers, der die eigentliche Druckregelung bewirkt, erhalten.
Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffdruckregelsystem kann für den Folgeregler ein Vorsteuerwert vorgegeben sein, der so gewählt ist, dass der durch den Folgeregler bedingte Kraftstoffmengenstrom, der dem Druckspeicher zugeführt wird, ausreicht, um im Druckspeicher einen Druck größer als den Solldruck zu gewährleisten. Damit wird eine Unterversorgung eines Einspritzsystems, in dem das erfindungsgemäße Kraftstoffdruckregelsystem eingesetzt wird, mit Kraftstoff vermieden.
Der Vorsteuerwert kann durch den Folgeregler eingeregelt werden, so dass die gewünschte bedarfsgerechte Förderung gewährleistet werden kann.
Der Folgeregler kann insbesondere derart ausgebildet werden, dass die Ausregelgeschwindigkeit unterschiedlich groß ist in Abhängigkeit der Richtung der Abweichung vom Solldruck. Wenn der Druck im Druckspeicher den Sollwert unterschreitet, ist eine schnelle Reaktion gewünscht.
Daher wird die Ausregelgeschwindigkeit des Folgereglers bevorzugt so eingestellt, dass sie für den Fall, wenn der Druck im Druckspeicher geringer als der Solldruck ist, größer ist als für den Fall, bei dem der Druck im Druckspeicher größer oder gleich dem Solldruck ist.
Das erfindungsgemäße Kraftstoffdruckregelsystem kann als Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere als Common Rail Einspritzsystem weitergebildet werden. Ferner kann das erfindungsgemäße Kraftstoffdruckregelsystem beispielsweise für Diesel-Brennkraftmaschinen eingesetzt werden. Bei den Diesel-Brennkraftmaschinen kann es sich insbesondere um Motoren für PKW oder LKW handeln.
Der Druck im Druckspeicher kann in diesem Fall bis zu 1800 bar betragen und es ist eine Regelung des Drucks im Bereich von 200–1800 bar möglich.
Die Brennkraftmaschine kann eine Benzin-Brennkraftmaschine, insbesondere für PKW oder LKW sein. In diesem Fall ist der Druck im Druckspeicher in der Regel deutlich geringer und liegt eher im Bereich von 200–600 bar.
Es wird ferner ein Kraftstoffdruckregelverfahren für eine Brennkraftmaschine mit einem Druckspeicher, der Kraftstoff unter Druck bevorratet und der Brennräume der Brennkraftmaschine mit Kraftstoff versorgende Injektoren speist, einer Hochdruckpumpe, die einen Kraftstoffmengenstrom dem Druckspeicher zuführt, einem ersten Ventil, über das Kraftstoff aus dem Druckspeicher abführbar ist, und einem zweiten Ventil zur Drosselung des Kraftstoffmengenstroms bereitgestellt, wobei ein erster Regelkreis mit dem ersten Ventil als Stell glied zur Regelung des Drucks im Druckspeicher und ein zweiter Regelkreis mit dem zweiten Ventil als Stellglied zur Regelung des Drucks im Druckspeicher so vorgesehen werden, dass die beiden Regelkreise einen Kaskadenregler bilden mit dem ersten Regelkreis als Führungsregler und dem zweiten Regelkreis als Folgeregler.
Mit einem solchen Kraftstoffdruckregelverfahren kann eine bedarfsgerechte Förderung des Kraftstoffs bei gleichzeitig schneller und genauer Regelung des Drucks im Druckspeicher realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffdruckregelverfahren kann für den Folgeregler ein Vorsteuerwert vorgegeben werden, der so gewählt wird, dass der durch den Folgeregler bedingte Kraftstoffmengenstrom ausreicht, um im Druckspeicher einen Druck größer als den Solldruck zu erzielen. Damit wird eine Unterversorgung des Druckspeichers und somit eines Einspritzsystems, in dem das erfindungsgemäße Kraftstoffdruckregelsystem eingesetzt wird, mit Kraftstoff vermieden.
Der Folgeregler kann den Vorsteuerwert einregeln, um eine möglichst bedarfsgerechte Förderung zu realisieren.
Der Folgeregler kann ferner derart gestaltet werden, dass die Ausregelgeschwindigkeit unterschiedlich groß ist in Abhängigkeit der Richtung der Abweichung vom Solldruck. So kann insbesondere die Ausregelgeschwindigkeit für den Fall, dass der Druck im Druckspeicher geringer als der Solldruck wird, größer sein als für den Fall, bei dem der Druck im Druckspeicher größer oder gleich dem Solldruck wird.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Kraftstoffdruckregelsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Kaskadenreglers 15.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Kraftstoffdruckregelsystem 1 eine Vorförderpumpe 2 und eine Hauptdruckpumpe 3, die über eine Leitung 4 miteinander verbunden sind. In der Leitung 4 ist ein Mengenstromventil VCV angeordnet.
Der Ausgang der Hauptdruckpumpe 3 (also die Hochdruckseite) ist über eine Leitung 5 mit einem Druckspeicher 6 einer Brennkraftmaschine verbunden. Der Druckspeicher 6 ist seinerseits mit vier Injektoren 7 verbunden, die dazu dienen, die Brennräume 8 (von denen in 1 zur Vereinfachung der Darstellung nur einer eingezeichnet ist) mit Kraftstoff unter hohem Druck (dem Druck im Druckspeicher 6) zu speisen. Somit ist das Kraftstoffdruckregelsystem 1 als Kraftstoffeinspritzsystem ausgebildet.
Die beiden Pumpen 2 und 3 bilden eine Hochdruckpumpe 9, die den Kraftstoff aus einem Tank 10 in den Druckspeicher 6 fördert, so dass dort ein vorbestimmter Druck vorliegt.
Das Kraftstoffdruckregelsystem 1 weist ferner ein Druckbegrenzungsventil PCV auf, das die Ausgangsseite der Hauptdruckpumpe 3 mit dem Tank 10 verbindet und dadurch den Druck im Druckspeicher 6 verringern kann.
Ferner umfasst das Kraftstoffdruckregelsystem 1 eine Steuereinheit 11, die die beiden Ventile VCV und PCV ansteuert (wie durch die Leitung 12 und 13 angedeutet ist) und der der im Druckspeicher 6 vorliegende Ist-Druck mitgeteilt wird, wie durch die Leitung 14 angedeutet ist.
Zur Regelung des Drucks des Kraftstoffs im Druckspeicher 6 wird mittels der Steuereinheit 11 sowie der beiden Ventile VCV und PCV ein Kaskadenregler 15 verwirklicht.
Wie am besten aus 2 ersichtlich ist, umfasst der Kaskadenregler 15 einen PCV-Führungsregler 16 (mit dem Druckbegrenzungsventil PCV als Stellglied) sowie einen VCV-Folgeregler 17 (mit dem Mengenstromventil VCV als Stellglied).
Die eigentliche Druckregelung für den Druckspeicher 6 erfolgt durch den PCV-Führungsregler 16, der in der in 2 gezeigten Ausführungsform einen P-Regler 18 und einen I-Regler 19 umfasst. Der VCV-Folgeregler 17 ist so relativ zum PCV-Führungsregler 16 angeordnet, dass man von einer Ineinanderschachtelung des VCV-Folgereglers 17 in den PCV-Führungsregler 16 sprechen kann.
Bei dem Kaskadenregler 15 wird die Stellung des Mengenstromventils VCV in Abhängigkeit der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine sowie einer individuellen Kennlinienadaption voreingestellt. Um eine Unterversorgung des Einspritzsystems mit Kraftstoff zu vermeiden, wird das Mengenstromventil VCV um einen zusätzlichen Offset O_pre geöffnet.
Dieser Offset O_pre wird durch den VCV-Folgeregler 17 eingeregelt. Das entsprechende Ansteuersignal für das Ventil VCV wird in 2 als O_s bezeichnet. Der Ist-Offset wird mit O_ist bezeichnet.
Aufgrund der Ausbildung als Kaskadenregler 15 reagiert der PCV-Führungsregler 16 auf eine Reduzierung des Kraftstoffmengenstroms, der dem Druckspeicher 6 zugeführt wird, aufgrund einer entsprechenden Ansteuerung des Ventils VCV durch den VCV-Folgeregler 17 (Ansteuersignal P_s) mit einer Verringerung des über das Druckbegrenzungsventil PCV aus dem Druckspeicher 6 in den Tank 10 abgeführten Kraftstoffmengenstroms.
Wenn der über das Mengenstromventil VCV zugeführte Kraftstoffmengenstrom so eingeregelt ist, dass der Offset null ist, liegt eine bedarfsgerechte Förderung vor. Es wird nicht mehr gefördert, als im Druckspeicher 6 benötigt wird. In diesem Fall führt eine weitere Reduzierung des aus dem Druckspeicher 6 abgeführten Kraftstoffmengenstroms mittels des Druckbegrenzungsventils PCV nicht mehr zu einer Ausregelung des Drucks im Druckspeicher 6. Wenn daher der Druck P_ist im Druckspeicher 6 kleiner als der Sollwert P_soll wird, reagiert der VCV-Folgeregler 17 mit einem Öffnen des Mengenstromventils VCV bis der Solldruck wieder erreicht wird. Das Arbeiten des VCV-Folgereglers 17 um diesen Punkt führt zu einer insgesamt bedarfsgerechten Kraftstoffförderung.
Der VCV-Folgeregler 17 kann insbesondere so gestaltet werden, dass die Ausregelgeschwindigkeit von der Richtung der Abweichung abhängt. Solange der Druck P_ist im Druckspeicher 6 größer oder gleich als der Soll-Druck P_soll ist, findet eine langsame Regelung mittels dem VCV-Folgeregler 17 statt. Unterschreitet jedoch der Druck im Druckspeicher 6 den Sollwert P_soll erfolgt eine schnelle Nachregelung mittels dem VCV-Folgeregler 17. Insbesondere kann der Stellwert O_s für das Mengenstromventil VCV sprungartig ansteigen.
Durch die bedarfsgerechte Regelung des Kraftstoffmengenstroms in den Druckspeicher 6 werden unerwünschte Verlustleistungen minimiert sowie eine hohe Regelgenauigkeit durch den PCV-Führungsregler 15 erreicht.
Das Kraftstoffdruckregelsystem 1 kann bei Diesel- oder auch Benzin-Motoren eingesetzt werden.

Claims

Kraftstoffdruckregelsystem für eine Brennkraftmaschine, mit einem Druckspeicher (6), der Kraftstoff unter Druck bevorratet und der Brennräume (8) der Brennkraftmaschine mit Kraftstoff versorgende Injektoren (7) speist, einer Hochdruckpumpe (9), die einen Kraftstoffmengenstrom dem Druckspeicher (6) zuführt, einem ersten Ventil (PCV), über das Kraftstoff aus dem Druckspeicher (6) abführbar ist, und einem zweiten Ventil (VCV) zur Drosselung des Kraftstoffmengenstroms, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Regelkreis (16) mit dem ersten Ventil (PCV) als Stellglied zur Regelung des Drucks im Druckspeicher (6) und ein zweiter Regelkreis (17) mit, dem zweiten Ventil (VCV) als Stellglied zur Regelung des Drucks im Druckspeicher (6) vorgesehen sind, wobei die beiden Regelkreise (16, 17) als Kaskadenregler (15) ausgebildet sind mit dem ersten Regelkreis (16) als Führungsregler und dem zweiten Regelkreis (17) als Folgeregler.
Kraftstoffdruckregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Folgeregler ein Vorsteuerwert (O_pre) vorgegeben ist, der so gewählt ist, dass der durch den Folgeregler (17) bedingte Kraftstoffmengenstrom ausreicht, um im Druckspeicher (6) einen Druck erzielen zu können, der größer ist als der Solldruck.
Kraftstoffdruckregelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsteuerwert (O_pre) durch den Folgeregler (17) eingeregelt wird.
Kraftstoffdruckregelsystem nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Folgeregler (17) derart gestaltet ist, dass die Ausregelgeschwindigkeit unterschied lich groß ist in Abhängigkeit der Richtung der Abweichung vom Solldruck.
Kraftstoffdruckregelsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Druck im Druckspeicher (6) geringer als der Solldruck ist, die Ausregelungsgeschwindigkeit des Folgereglers (17) größer ist als wenn der Druck im Druckspeicher (6) größer oder gleich dem Solldruck ist.
Kraftstoffdruckregelverfahren für eine Brennkraftmaschine mit einem Druckspeicher (6), der Kraftstoff unter Druck bevorratet und der Brennräume (8) der Brennkraftmaschine mit Kraftstoff versorgende Injektoren (7) speist, einer Hochdruckpumpe (9), die einen Kraftstoffmengenstrom dem Druckspeicher (6) zuführt, einem ersten Ventil (PCV), über das Kraftstoff aus dem Druckspeicher (6) abführbar ist, und einem zweiten Ventil (VCV) zur Drosselung des Kraftstoffmengenstroms, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Regelkreis (16) mit dem ersten Ventil (PCV) als Stellglied zur Regelung des Drucks im Druckspeicher (6) und ein zweiter Regelkreis (17) mit dem zweiten Ventil (VCV) als Stellglied zur Regelung des Drucks im Druckspeicher (6) vorgesehen werden, wobei die beiden Regelkreise (16, 17) als Kaskadenregler (15) ausgebildet werden mit dem ersten Regelkreis (16) als Führungsregler und dem zweiten Regelkreis (17) als Folgeregler.
Kraftstoffdruckregelverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den Folgeregler ein Vorsteuerwert (O_pre) vorgegeben wird, der so gewählt wird, dass der durch den Folgeregler (17) bedingte Kraftstoffmengenstrom ausreicht, um im Druckspeicher (6) einen Druck erzielen zu können, der größer ist als der Solldruck.
Kraftstoffdruckregelverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsteuerwert (O_pre) durch den Folgeregler (17) eingeregelt wird.
Kraftstoffdruckregelverfahren nach einem der obigen Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Folgeregler (17) derart gestaltet wird, dass die Ausregelgeschwindigkeit unterschiedlich groß ist in Abhängigkeit der Richtung der Abweichung vom Solldruck.
Kraftstoffdruckregelverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Druck im Druckspeicher (6) geringer als der Solldruck wird, die Ausregelungsgeschwindigkeit des Folgereglers (17) größer ist als wenn der Druck im Druckspeicher (6) größer oder gleich dem Solldruck wird.