DE102016216978A1

DE102016216978A1 - Verfahren zur Ansteuerung einer Hochdruckpumpe für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102016216978A1
Application number: DE102016216978.5A
Authority: DE
Inventors: Ernst-Ulrich Dilger; Martin Alws; Markus Grau; Alexandra Woerz; Lars Moser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2018-03-08
Also published as: CN107795386A; CN107795386B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer Hochdruckpumpe für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor. Darin wird ein Ansteuerungsfunktionswert (NW(t2)) um einen prädizierten Nockenwellenverstellwinkel (ΔNW4) erhöht. Die erhaltene Summe (NW(t2 + Δt)) wird von einer Ansteuerungsfunktion der Hochdruckpumpe (16) verwendet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer Hochdruckpumpe für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um eine Hochdruckpumpe für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor mittels des Verfahrens anzusteuern.
Stand der Technik
Hochdruckpumpen für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor, wie beispielsweise Benzinhochdruckpumpen, werden über eine der Nockenwellen des Verbrennungsmotors angetrieben. Speziell für die Hochdruckpumpe ausgelegte Nocken sorgen in Verbindung mit einer Feder dafür, dass eine Kolbenbewegung in der Hochdruckpumpe eine Förderung des Kraftstoffs über ein Rückschlagventil in das Kraftstoffrail bewirkt. Die jeweilige Kraftstoffmenge pro Hub wird dabei durch elektrische Ansteuerung eines Mengensteuerventils (MSV) in der Hochdruckpumpe bestimmt.
Es ist bisher bekannt, in Motorsteuerungen die Ansteuerung des Mengensteuerventils und die Berechnungen dazu notwendiger Parameter, wie beispielsweise die Druckerfassung des Raildrucks, die Hochdruckregelung und den Ansteuerwinkel des Mengensteuerventils in einem Zeitraster von beispielsweise 10 ms durchzuführen. Bei niedrigen Motordrehzahlen ist dieses Raster eng genug, um Ansteuerungen und Berechnungen genau genug durchzuführen. Bei hohen Motordrehzahlen wird die Nockenfrequenz je nach Nockenanzahl höher als die Zeitrasterfrequenz und es können nicht mehr zu jeder Förderung von Kraftstoff die neuesten Parameter in die Ansteuerberechnung einbezogen werden. Falls die Kraftstoffhochdruckpumpe mit einer Nockenwelle angetrieben wird, die schnell verstellt wird, so führt die Durchführung von Ansteuerberechnungen mit veralteten Parametern zu einem Fehler. Dieser Fehler kann bei einer Berechnung im Zeitraster nicht ausgeglichen werden, da die Berechnung asynchron zur Ansteuerung der Hochdruckpumpe stattfindet. Der Fehler durch die schnelle Nockenwellenverstellung macht sich besonders bei niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors bemerkbar. Der maximale Gesamtfehler liegt im mittleren Drehzahlbereich. Er macht sich durch Druckschwingungen im Kraftstoffrail bemerkbar.
Aus der DE 10 2014 225 528 A1 ist ein Verfahren bekannt, in welchem die Ansteuerung einer Hochdruckpumpe nockenwellensynchron erfolgt, indem ein Winkelversatz zwischen den Flankenpositionen eines Nockenwellengeberrades und einem vorgebbaren Punkt oberhalb des unteren Totpunktes eines Nockens der Hochdruckpumpe auf der Nockenwelle ermittelt wird. Der Winkelversatz kann einer Tabelle entnommen werden, in der für jede Flanke des Nockenwellengeberrades ein Winkelversatz tabelliert ist und jedem Winkelversatz eine Information zugeordnet ist, ob der jeweilige Winkelversatz bei der Ansteuerung berücksichtigt werden soll.
Offenbarung der Erfindung
Das Verfahren dient zur Ansteuerung einer Hochdruckpumpe für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor. Hierin wird ein Ansteuerungsfunktionswert um einen prädizierten Nockenwellenverstellwinkel erhöht wird und die erhaltene Summe von der Ansteuerungsfunktion der Hochdruckpumpe verwendet. Bei dem Ansteuerungsfunktionswert handelt es sich insbesondere um einen aktuellen Nockenwellenverstellwinkel, der am Ende eines Zeitrasters an die Ansteuerungsfunktion übergeben wird. Auf diese Weise kann die Verzugszeit zwischen einer Datenübernahme, bei der eine aktuelle Nockenwellenverstellung berücksichtigt ist, und der tatsächlichen Ansteuerung der Hochdruckpumpe durch die Prädiktion der Nockenwellenverstellung ausgeglichen werden. Dabei können, anders als aus der DE 10 2014 225 528 A1 bekannt, alle Berechnungen in ihren Rechenrastern belassen werden und müssen nicht in ein Nockenwellensynchrones Raster verlegt werden.
Die Prädiktion erfolgt vorzugsweise linear ab dem Zeitpunkt einer Übergabe des Ansteuerungsfunktionswerts an die Ansteuerungsfunktion. Auf diese Weise kann die einer Datenübernahme vorausgehende Entwicklung der Nockenwellenverstellung in einfacher Weise fortgeschrieben werden. Dabei wird die Prädiktion im Bereich der Endanschläge der Nockenwellenverstellung vorzugsweise begrenzt, um eine Überprädiktion zu verhindern.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Prädiktion für einen Zeitversatz bzw. ein Zeitoffset oder für einen Winkelversatz bis zu einer Ansteuerung eines Mengensteuerventils erfolgt, der einer Tabelle entnommen wird. Hierin ist der Zeitversatz oder der Winkelversatz insbesondere in Abhängigkeit von einer Drehzahl des Verbrennungsmotors tabelliert. In der Ausgabe der Ansteuerung kann dann die aus den Werten in der Tabelle berechnete Prädiktion der Nockenwellenverstellung mit berücksichtigt werden.
Der Zeitversatz ist einstellbar und entspricht insbesondere mindestens der kleinsten Zeit vom Zeitpunkt einer Übergabe des Ansteuerungsfunktionswerts an die Ansteuerungsfunktion bis zu einem ansteuerungsrelevanten Zeitpunkt der Hochdruckpumpe. Beispielsweise entspricht er einer Periode der Hochdruckpumpe. Dies garantiert einen ausreichend großen Einfluss der Prädiktion auf die Ansteuerung, um gegenüber einer Ansteuerung auf der Grundlage der übernommenen Daten eine signifikant verbesserte Ansteuerung zu erreichen.
Der Zeitversatz wird insbesondere aus einem Winkelversatz einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors ermittelt, der dem kleinsten Winkel einer Ansteuerung der Hochdruckpumpe entspricht, während dem keine Datenaktualisierung der Ansteuerungsfunktion mehr erfolgt. Wenn die minimale Verzugszeit einer Nockenperiode entspricht und die maximale Verzugszeit einer Nockenperiode zuzüglich einem Zeitrasterversatz von 10 ms entspricht, wird dies vorzugsweise dadurch erreicht, dass der Zeitversatz mindestens einem Winkelversatz Δϕ_min einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors entspricht, der sich nach Formel 1 aus der Anzahl N der Nocken der Hochdruckpumpe berechnet: Δϕ_min = 720°KW/N (Formel 1)
Der Zeitversatz entspricht weiterhin vorzugsweise maximal einem Berechnungsraster einer Ansteuerung eines Mengensteuerventils der Hochdruckpumpe. Nach Verstreichen eines Berechnungsrasters werden aktualisierte gemessene Informationen über die Nockenwellenverstellung bereitgestellt, so dass eine längere Prädiktion nicht sinnvoll ist. Das Berechnungsraster ist insbesondere ein Zeitraster oder ein winkelsynchrones Raster.
Weiterhin ist die Prädiktion insbesondere über den Wert Null in der Tabelle abschaltbar.
Das Computerprogramm führt alle Schritte des Verfahrens durch, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft. Dies ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät, ohne daran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Das Computerprogramm ist hierzu auf dem erfindungsgemäßen maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät, wird ein elektronisches Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um eine Hochdruckpumpe für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor mittels des Verfahrens anzusteuern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch ein Kraftstoffeinspritzsystem, dessen Hochdruckpumpe durch ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung angesteuert werden kann.
2 zeigt in einem Diagramm die Prädiktion eines Nockenwellenverstellwinkels in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Eine Vorrichtung 10 zur Kraftstoffversorgung eines Verbrennungsmotors 20, deren Hochdruckpumpe 16 mittels eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens angesteuert werden kann ist in 1 dargestellt. Sie weist eine elektrische Kraftstoffpumpe 11 auf, mit der Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 12 gefördert und über einen Kraftstofffilter 13 weitergepumpt wird. Die Kraftstoffpumpe 11 ist dazu geeignet, einen Niederdruck zu erzeugen. Zur Steuerung und/oder Regelung dieses Niederdrucks ist ein Niederdruckregler 14 vorgesehen, der mit dem Ausgang des Kraftstofffilters 13 verbunden ist und über den Kraftstoff wieder in den Kraftstofftank 12 zurückgeführt werden kann. An dem Ausgang des Kraftstofffilters 13 ist des Weiteren eine Serienschaltung aus einem Mengensteuerventil 15 und einer mechanischen Hochdruckpumpe 16 angeschlossen. Die Hochdruckpumpe 16 weist ein Pumpmodul 161 und ein Rückschlagventil 162 auf. Sie ist auf einer nicht dargestellten Nockenwelle des Verbrennungsmotors 20 angeordnet und weist im vorliegenden Beispiel vier Hochdruckpumpennocken auf, so dass eine Hochdruckpumpenperiode 180°KW entspricht. Der Ausgang der Hochdruckpumpe 16 ist über ein Überdruckventil 17 an den Eingang des Mengensteuerventils 15 zurückgeführt. Der Ausgang der Hochdruckpumpe 16 ist weiterhin mit einem Kraftstoffrail 18 als Druckspeicher verbunden, an den ein Drucksensor 181 angeschlossen ist. Der Solldruck im Kraftstoffrail 18 beträgt im vorliegenden Beispiel 30 MPa. Weiterhin sind an das Kraftstoffrail 18 vier Einspritzventile 191, 192, 193, 194 angeschlossen, die jeweils dazu eingerichtet sind, Kraftstoff in einen der Zylinder 211, 212, 213, 214 des Verbrennungsmotors 20 einzuspritzen. Durch die Kraftstoffverbrennung wird eine Kurbelwelle 22 des Verbrennungsmotors 20 in Rotation versetzt. Die Kraftstoffversorgungsvorrichtung 10 und der Verbrennungsmotor 20 werden durch ein Steuergerät 30 gesteuert.

In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Ansteuerung des Mengensteuerventils 15 und die Berechnungen zu seiner Ansteuerung und der Ansteuerung der Hochdruckpumpe 16 in einem Zeitraster von ms durchgeführt. Für unterschiedliche Drehzahlen n dreht sich die Kurbelwelle 22 des Verbrennungsmotors 20 innerhalb des Zeitrasters jeweils um ϕ(10 ms) weiter. Dies ist in Tabelle 1 für typische Drehzahlen n des Verbrennungsmotors 20 und beispielhafte Verzugszeiten aufgelistet, die abhängig von der Systemauslegung sind: Tabelle 1

n	ϕ(10 ms)	Δϕmin	Δϕmax	Δt
[1/min]	[°KW]	[°KW]	[°KW]	[ms]

100	6	180	180	0
1000	60	180	240	0
2000	120	180	300	0
3000	180	180	360	10
4000	240	180	420	8
5000	300	180	480	6
6000	360	180	540	5
7000	420	180	600	4

Gemäß Formel 1 erfolgt im vorliegenden Beispiel nach Bereitstellen eines gemessenen Nockenwellenverstellwinkels eine Prädiktion der weiteren Nockenwellenverstellung drehzahlunabhängig mindestens über einen Winkelversatz Δϕ_min von 180°KW. Maximal erfolgt diese Prädiktion um einen Winkelversatz Δϕ_max, welcher den minimalen Winkelversatz Δϕ_min um die Drehung ϕ(10 ms) der Kurbelwelle 22 innerhalb des Zeitrasters überschreitet. Hierbei wird immer überprädiziert. Eine erste Bedatung der Tabelle erfolgt mit einem Zeitversatz Δt, welcher sich gemäß Formel 2 berechnet, und dem minimalen Winkelversatz Δϕ_min in Zeit entspricht, wobei n die Drehzahl angibt: Δt = 1000·Δϕ_min/6/n (Formel 2)
Wenn sich hierbei ein Zeitversatz Δt ergibt, der über der Rasterlänge von 10 ms liegt, so wird dieser auf einen Wert von Null gesetzt, so dass keine Prädiktion erfolgt. Mittels Applikation werden ausgehend von den Anfangswerten des Zeitversatzes Δt applizierte Werte für das vorliegende System ermittelt. Die applizierten Werte dienen als Stützstellen einer Kennlinie, mittels welcher eine lineare Prädiktion des Nockenwellenverstellwinkels NW erfolgen kann. Dies ist in 2 dargestellt. Zu Zeitpunkten t₁ und t₂ wird an einer Flanke eines Nockenwellengeberrades (nicht dargestellt) eine Nockenwellenposition ausgelesen. Ein aktueller Nockenwellenverstellwinkel NW_akt wird ermittelt und zu einem Zeitpunkt t₃, zu dem ein 10 ms Task des Zeitrasters ausgelöst wird, als Ansteuerfunktionswert NW(t₂) + ΔNW₃ im elektronischen Steuergerät 30 an eine Ansteuerfunktion der Hochdruckpumpe 16 übergeben. Der Nockenwellenverstellwinkel bis zum Zeitpunkt t₄, der für die Ansteuerung der Hochdruckpumpe 16 relevant ist, wird ebenfalls als Ansteuerungsfunktionswert NW(t₂) + ΔNW₄ ermittelt und im elektronischen Steuergerät 30 an die Ansteuerfunktion der Hochdruckpumpe 16 übergeben. In Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl n des Verbrennungsmotors 20 wird aus der applizierten Tabelle ein Zeitversatz Δt entnommen und der linear prädizierte Nockenwellenverstellwinkel für diesen Zeitversatz Δt ermittelt. Damit ergibt sich gegenüber dem an die Ansteuerfunktion übergebenen Wert ein prädizierter Nockenwellenverstellwinkel ΔNW₄, um welchen diese Ansteuerfunktion auf einen Wert NW(t₄) für die Ansteuerung der Hochdruckpumpe 16 erhöht wird. Wie in der 2 zu erkennen ist, kommt dieser Wert dem tatsächlichen aktuellen Nockenwellenverstellwinkel NW_akt zum Zeitpunkt t₂ + Δt näher als der zum Zeitpunkt t₂ übergebene Wert. Auf diese Weise können Druckabweichungen im Kraftstoffrail 18 gegenüber dem Solldruck systemabhängig beispielsweise auf maximal 10 bis 15 % verringert werden, so dass es nur selten zu Drucküberschwingern kommt.
Falls die Prädiktion beispielsweise für geringe Drehzahlen nicht genutzt werden soll, so können die Werte des Zeitversatzes Δt in der Tabelle mit Null eingetragen werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann anstelle des Zeitversatzes Δt in der Tabelle ein Winkelversatz gewählt werden. Dies ermöglicht die Berechnung der Daten im Winkelraster.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014225528 A1 [0004, 0005]

Claims

Verfahren zur Ansteuerung einer Hochdruckpumpe (16) für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor (20), dadurch gekennzeichnet, dass ein Ansteuerungsfunktionswert (NW(t₂)) um einen prädizierten Nockenwellenverstellwinkel (ΔNW₄) erhöht wird und die erhaltene Summe (NW(t₂ + Δt)) von einer Ansteuerungsfunktion der Hochdruckpumpe (16) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prädiktion linear ab dem Zeitpunkt einer Übergabe des Ansteuerungsfunktionswerts (NW(t₂)) an die Ansteuerungsfunktion erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prädiktion im Bereich der Endanschläge der Nockenwellenverstellung begrenzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Prädiktion für einen Zeitversatz (Δt) oder für einen Winkelversatz bis zu einer Ansteuerung eines Mengensteuerventils (15) erfolgt, der einer Tabelle entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitversatz (Δt) oder der Winkelversatz in Abhängigkeit von einer Drehzahl des Verbrennungsmotors (20) tabelliert ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitversatz (Δt) mindestens der kleinsten Zeit vom Zeitpunkt einer Übergabe des Ansteuerungsfunktionswerts (NW(t₂)) an die Ansteuerungsfunktion bis zu einem ansteuerungsrelevanten Zeitpunkt (t₄) der Hochdruckpumpe (16) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitversatz (Δt) aus einem Winkelversatz Δϕ_min einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors (20) ermittelt wird, der dem kleinsten Winkel einer Ansteuerung der Hochdruckpumpe (16) entspricht, während dem keine Datenaktualisierung der Ansteuerungsfunktion mehr erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitversatz (Δt) maximal einem Berechnungsraster einer Ansteuerung eines Mengensteuerventils (15) der Hochdruckpumpe (16) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Prädiktion über den Wert Null in der Tabelle abschaltbar ist.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät (30), welches eingerichtet ist, um eine Hochdruckpumpe (16) für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor (20) mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 anzusteuern.