DE19731201C2

DE19731201C2 - Verfahren zum Regeln des Kraftstoffdruckes in einem Kraftstoffspeicher

Info

Publication number: DE19731201C2
Application number: DE1997131201
Authority: DE
Inventors: Andreas Hartke; Dirk Heinitz; Detlev Schoeppe
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1997-07-21
Filing date: 1997-07-21
Publication date: 2002-04-11
Anticipated expiration: 2017-07-22
Also published as: DE19731201A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Kraft stoffdruckes in einem Kraftstoffspeicher gemäß dem Oberbeg riff des Patentanspruchs 1.

Bei einem Common-Rail-Einspritzsystem wird der Kraftstoff in einem Kraftstoffspeicher mit einem vorgegebenen Druck bereit gehalten und über Injektoren in den Brennraum der Brennkraft maschine eingespritzt. Dabei wird der Kraftstoff mit einem konstant hohen Druck eingespritzt. Der hohe Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher erfordert aus energetischen Gründen ei ne genaue Regelung der Kraftstoffzufuhr zum Kraftstoffspei cher.

Aus DE 31 26 393 C2 ist eine Kraftstoffeinspritzanlage für einen Dieselmotor bekannt, bei dem der Kraftstoff über eine Hochdruckpumpe einem Kraftstoffspeicher zugeführt wird. Der Kraftstoffspeicher ist mit Injektoren verbunden, die den Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine einsprit zen. Am Kraftstoffspeicher ist ein Umformer vorgesehen, der ein den Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher anzeigendes Signal erzeugt und einer elektrischen Schaltung zuführt. Die elektrische Schaltung regelt in Abhängigkeit vom Kraftstoff druck im Kraftstoffspeicher die Kraftstoffzufuhr zum Kraft stoffspeicher.

Die DE-OS 30 19 498 zeigt eine Kraftstoff-Regeleinrichtung für einen Dieselmotor mit dem Ziel, bei sich erhöhender Last die einzuspritzende Kraftstoffmenge so zu regeln, daß der Verbrennungsvorgang nicht unter Sauerstoffmangel abläuft und so Rußbildung vermieden wird. Die Kraftstoffpumpe wird über einen elektrischen Motor angetrieben, der von einem analogen Regelkreis gesteuert wird, dem als Sollwerte Betriebsparameter wie z. B. Brennkraftmaschinendrehzahl, Kühlwassertempera tur, Stellung der Drosselklappe, etc. zugeführt wird.

Die EP 0 725 212 A2 zeigt ein Hochdruck-Einspritzsystem für Common-Rail, in dem aus Betriebsparametern "Engine Speed, Ac celerator Opening" die "Desired Injection Quantity Q" und ei ne auf die Drehzahl der Brennkraftmaschine oder die Zeit nor mierte "Per-Unit Time Injection Quantity q" errechnet wird, wobei letztere (q) als Eingangssignal dem PID-Regler 47 und dem "corrective circuit G 51" zugeführt werden. Der PID- Regler und das Ausgangssignal von G 51 beeinflussen die Re gelschleife, die die Drehzahl des elektrischen Motors 23 der Hochdruckpumpe 21 regelt, wobei der "Desired Fuel Pressure Pd" den einzustellenden Solldruck darstellt, auf den der Istdruck eingeregelt wird.

Die Aufgabe der Erfindung beruht darin, ein genaueres und schnelleres Verfahren zur Regelung des Kraftstoffdruckes im Kraftstoffspeicher bereitzustellen, das insbesondere bei Druckänderungen im Kraftstoffspeicher schnell den gewünschten Druck wieder einstellt.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein wesentlicher Vorteil der Erfin dung beruht darin, daß die Kraftstoffzufuhr zum Kraftstoffspeicher in Abhängigkeit von der Kraftstoffmenge geregelt wird, die von dem Injektor in die Brennkraftmaschine eingespritzt wird.

Vorteilhafte Ausführungen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Common-Rail-Einspritzanlage mit einem Drosselventil,

Fig. 2 eine Common-Rail-Einspritzanlage mit einer drehzahlgeregelten Vorförderpumpe,

Fig. 3 eine Common-Rail-Einspritzanlage mit einer druckgeregelten Vorförderpumpe,

Fig. 4 eine Common-Rail-Einspritzanlage mit einer Hochdruckpumpe mit regelbarem Getriebe,

Fig. 5 schematisch den Aufbau des Regelungsverfahrens für den Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher, und

Fig. 6 einen Druckverlauf in Abhängigkeit von einer Ansteuerung des Stellgliedes, das den Druck einstellt.

Fig. 1 zeigt eine Common-Rail-Einspritzanlage mit einem Kraftstofftank 1, aus dem über eine Vorförderpumpe 2 über ein Kraftstoffilter 4 und einem regelbaren Drosselventil 5 zu einer Hochdruckpumpe 6 Kraftstoff geführt wird. Die Hochdruckpumpe 6 ist über eine Kraftstoffleitung 8 an einen Kraftstoffspeicher 9 angeschlossen. Der Kraftstoffspeicher 9 steht mit Injektoren 13 in Verbindung, die den Kraftstoff aus dem Kraftstoffspeicher 9 in den Brennraum der Brenn kraftmaschine 14 einspritzen. Die Injektoren 13 weisen Leckageleitungen 15 auf, die zum Kraftstofftank 1 geführt sind. Die Vorförderpumpe 2 wird über einen elektrischen Motor 3 angetrieben. Die Hochdruckpumpe 6 wird in diesem Aus führungsbeispiel mechanisch mit einer konstanten Drehzahl angetrieben.

Das Drosselventil 5 ist über eine erste Steuerleitung 7 mit einem Steuergerät 11 verbunden. Das Steuergerät 11 ist über zweite Steuerleitungen 12 an die Injektoren 13 angeschlossen. Zudem steht das Steuergerät 11 über eine Signalleitung mit einem Drucksensor 10 in Verbindung, der am Kraftstoffspeicher 9 angeschlossen ist. Weiterhin ist das Steuergerät 11 über eine Datenleitung 16 an der Brennkraftmaschine 14 angeschlossen. Zudem steht das Steuergerät 11 mit einem Da tenspeicher 17 in Verbindung.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der niederdruckseitigen Kraftstoffregelung, bei der der dem Kraftstoffspeicher 9 zugeführte Kraftstoff über ein Drosselventil 5 eingestellt wird, wobei die Vorförderpumpe 2 mit einer konstanten Dreh zahl läuft. Die Hochdruckpumpe 6 dreht sich mit einem festgelegten Übersetzungsverhältnis proportional zur Motor drehzahl der Brennkraftmaschine.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der niederdruckseitigen Kraftstoffregelung, bei der im Vergleich zu Fig. 1 kein Drosselventil 5 vorgesehen ist und dafür anstelle der Vorförderpumpe 2 der Fig. 1 eine regelbare Vorförderpumpe 23 vorgesehen ist, die in der Drehzahl regelbar ausgebildet ist. Die regelbare Vorförderpumpe 23 ist über eine dritte Steu erleitung 25 an das Steuergerät 11 angeschlossen. Die der Hochdruckpumpe 6 und damit die dem Kraftstoffspeicher 9 zu geführte Kraftstoffmenge wird vom Steuergerät 11 über die Drehzahl der regelbaren Vorförderpumpe 23 eingestellt.

Fig. 3 zeigt eine niederdruckseitige Kraftstoffregelung mit einer druckgeregelten Vorförderpumpe 18, die vom Steu ergerät 11 über eine vierte Steuerleitung 26 angesteuert wird. In Fig. 3 wird der dem Kraftstoffspeicher 9 zugeführte Kraftstoffstrom über den Druck in der Vorförderpumpe 18 gesteuert.

Fig. 4 zeigt eine Einspritzanlage mit einer regelbaren Hochdruckpumpe 19, deren Drehzahl über ein regelbares Ge triebe veränderbar ist. Die Fördermenge der regelbaren Hochdruckpumpe 19 wird durch die Übersetzung des Getriebe festgelegt, die vom Steuergerät 11 über eine fünfte Steuerleitung 24 eingestellt wird. Damit legt die Drehzahl der Hoch druckpumpe 6 die dem Kraftstoffspeicher 9 zugeführte Kraftstoffmenge fest.

Der Fachmann wird eine vorteilhafte Einspritzanlage und Verfahren zur Regelung des Kraftstoffdruckes im Kraftstoff speicher abhängig von den gegebenen Randbedingungen auch aus Kombinationen der Fig. 1 bis 4 aufbauen.

Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau des Regelungsverfahrens, mit dem das Steuergerät 11 den Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher 9 regelt. Das Verfahren kann in Form von einzelnen diskreten Bauelementen oder in Form eines Ab laufprogrammes realisiert werden.

Im Programmpunkt 101 ermittelt das Steuergerät 11 aus der Drehzahl N und der Last MF der Brennkraftmaschine aus einem Solldruck-Kennfeld, das im Datenspeicher 17 abgelegt ist, den Solldruck p_s, der im Kraftstoffspeicher 9 vorliegen soll.

Beim Programmpunkt 102 bildet das Steuergerät 11 eine Differenz zwischen dem Solldruck p_s und dem vom Druck sensor 10 im Kraftstoffspeicher 9 gemessenen Kraftstoffdruck p_g. Die Differenz zwischen dem Solldruck und dem ge messenen Kraftstoffdruck p_g ergibt den Differenzdruck Δp_s = p_s - p_g, der im Programmpunkt 103 einem PI-Regler zuge führt wird.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird bei Programmpunkt 104 ein dynamischer Druckwert p_d nach folgender For mel berechnet:

wobei mit
p_d,i ein dynamischer Druckwert zum Zeitpunkt i,
p_d,i-1 ein dynamischer Druckwert zum Zeitpunkt i - 1,
K_DTI ein Verstärkungsfaktor,
T₁ eine erste Zeitkonstante,
T_A eine Abtastzeit,
p_s,i ein Solldruck, zum Zeitpunkt i,
p_s,i-1 ein Solldruck, zum Zeitpunkt i - 1
bezeichnet ist.

Vorzugsweise beträgt der Verstärkungsfaktor K_DTI 1 ms/MPa und die erste Zeitkonstante T₁ 150 ms. Die Abtastzeit T_A beträgt vorzugsweise 20 ms, d. h. der dynamische Druckwert wird alle 20 ms ermittelt.

Mit dem dynamischen Druckwert wird eine schnelle Druckänderung im Kraftstoffspeicher abhängig vom Gradienten des Solldruckes schnell nachgeregelt. Die wesentliche Aufgabe des Programmpunktes 104 beruht darin, den Druck im Kraftstoffspeicher abhängig vom zeitlichen Gradienten des Solldruckes zu verändern. Vorzugsweise wird der Solldruck durch den dynamischen Druckwert p_d,i verändert, der proportional zum Gradienten des Solldruckes p_s ist, der aus dem Kennfeld bei Programmpunkt 101 ausgelesen wird.

Anstelle der für den dynamischen Druckwert angegebenen Formel können auch andere Abhängigkeiten verwendet werden, mit denen eine dynamische Änderung des Solldruckes zur Änderung des Kraftstoffdruckes berücksichtigt wird.

Der dynamische Druckwert p_d wird vorzugsweise bei Programmpunkt 102 zusätzlich bei der Bildung der Differenz berücksichtigt, so daß sich der Differenzwert Δp_s nach folgender Formel berechnet: Δp_s = p_s - p_g - p_d.

Der PI-Regler 103 berechnet aus dem Differenzwert Δp_s, der die Regeldifferenz darstellt, den aktuellen Regeleingriff tv_r,i beispielsweise nach folgender Formel:

wobei
tv_r,i den Reglereingriff zum Zeitpunkt (i),
tv_r,i-1 den Reglereingriff zum Zeitpunkt (i - 1),
K_r den Verstärkungsfaktor,
t_a den Abtastzeitpunkt,
T_n die Nachstellzeit,
Δp_s,i die Regeldifferenz zum Zeitpunkt (i) und
Δp_s,i-1 die Regeldifferenz zum Zeitpunkt (i - 1) bezeichnet.

Vorzugsweise weist der Verstärkungsfaktor K_r einen Wert von 0,1%/MPa auf. Die Abtastzeit t_a beträgt 20 ms, d. h. der Solldruck, der gemessenen Druck, der dynamische Druckwert und der Differenzwert werden alle 20 ms ermittelt. Die Nachstellzeit T_n beträgt 500 ms.

Der Index i und der Index i - 1 bezeichnen den Zeitpunkt i beziehungsweise den Zeitpunkt i - 1, zu dem die Parameter ermittelt werden.

Das Steuergerät 11 berechnet aus der Fahrpedalstellung oder dem Fahrerwunsch und der Drehzahl N der Brennkraft maschine 14 die aktuelle Einspritzmenge aus einem abgelegten Kennfeld.

Die aktuelle Einspritzmenge kann jedoch auch auf andere Art und Weise berechnet werden.

Aus der aktuellen Einspritzmenge und der aktuellen Motordrehzahl N wird der aktuelle Einspritzmassenstrom m_i, d. h. die eingespritzte Kraftstoffmasse pro Zeiteinheit, zum Zeitpunkt i berechnet wird.

Aus dem Einspritzmassenstrom wird über ein PDT₁-Glied bei Programmpunkt 201 ein Korrektursignal tv_k,i für die Regelung des Kraftstoffdruckes berechnet. Das PDT₁-Glied verwendet dabei beispielsweise folgende diskrete Übertra gungsfunktion:

wobei
tv_k,i das Korrektursignal zum Zeitpunkt (i),
tv_k,i-1 das Korrektursignal zum Zeitpunkt (i - 1),
K_PDT1 den Verstärkungsfaktor,
T₁ die erste Zeitkonstante,
T₂ die zweite Zeitkonstante,
m_i,i den Einspritzmassenstrom zum Zeitpunkt (i)
m_i,i-1 den Einspritzmassenstrom zum Zeitpunkt (i - 1) und
t_a die Abtastzeit bezeichnet.

Vorzugsweise beträgt der Verstärkungsfaktor K_PDT1 0,4%/Mpa, die erste Zeitkonstante T₁ 600 ms, die die zweite Zeit konstante T₂ 500 ms und die Abtastzeit t_a 20 ms. Das Korrektursignal ist vorzugsweise abhängig vom Kraftstoffmassen strom oder von der zeitlichen Änderung des Kraftstoffmassenstromes. Der Fachmann wird je nach Ausführungsbeispiel als Korrektursignal auch andere Abhängigkeiten von der eingespritzten Kraftstoffmasse oder äquivalenten Größen wäh len, die eine Druckänderung im Kraftstoffspeicher 9 anzeigen.

Programmpunkt 201 stellt eine wesentliche Funktion der Erfindung dar, die eine Änderung des Kraftstoffdruckes im Kraftstoffspeicher 9, die durch eine vorzugsweise große und schnelle Änderung der von den Injektoren abgespritzten Kraftstoffmenge erzeugt wird, ausgleicht.

Vorzugsweise wird gleichzeitig oder sogar vor der Änderung der abgespritzten Kraftstoffmasse der Zufluß zum Kraft stoffspeicher und damit der Druck im Kraftstoffspeicher verändert. Dies ist möglich, da bei Programmpunkt 201 die ab zuspritzende Kraftstoffmenge vorzugsweise berechnet wird und schon zur Verfügung steht, bevor der abzuspritzende Kraftstoff durch die Injektoren abgespritzt wird. Auf diese Weise kann der Druck im Kraftstoffspeicher vorzugsweise vor dem Einspritzvorgang oder gleichzeitig zum Einspritzvorgang geändert werden.

Bei Programmpunkt 301 bildet das Steuergerät 11 über eine Addition des Reglereingriffes tv_r,i mit dem Korrektursi gnal tv_k,i ein Ansteuersignal tv_i, das bei Programmpunkt 302 einer Linearisierung unterworfen wird und anschließend bei Programmpunkt 303 zur Ansteuerung des entsprechenden Stellgliedes 5, 23, 18, 19 vom Steuergerät 11 verwendet wird. Das Steuergerät 11 ermittelt über den Drucksensor 10 den im Kraftstoffspeicher 9 vorliegenden Kraftstoffdruck p_g und verwendet diesen bei Programmpunkt 302 zur Linearisierung und bei Programmpunkt 102 zur Ermittlung der Regeldif ferenz Δp_s.

Die Linearisierung stellt eine bevorzugte Maßnahme dar, die nicht unbedingt notwendig ist. Eine ausführliche Be schreibung der Linearisierung ist in der Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen DE 196 03 091.9 beschrie ben, die hier nicht näher ausgeführt werden soll.

Wie in den Fig. 1 bis 4 dargestellt ist, steuert das Steuergerät 11 den Druck im Kraftstoffspeicher 9 beispielsweise durch ein regelbares Drosselventil 5, durch eine drehzahlgeregelte Vorförderpumpe 23, durch eine druckgeregelte Vorför derpumpe 18 oder durch eine Hochdruckpumpe mit regelbarem Getriebe 19 als Stellglied.

Die wesentliche Idee der Erfindung beruht darin, daß die Regelung des Kraftstoffdruckes mindestens teilweise direkt von der Kraftstoffmenge abhängt, die von den Injektoren 13 aus dem Kraftstoffspeicher 9 entnommen wird. Vorzugs weise wird der Reglereingriff mit einem Korrektursignal beaufschlagt und ein Ansteuersignal gebildet, mit dem die Kraftstoffzufuhr zum Kraftstoffspeicher geregelt wird. Das Korrektursignal ist vorzugsweise vom Kraftstoffmassen strom abhängig, der von den Injektoren 13 in die Brennkraftmaschine 14 eingespritzt wird. In einer bevorzugten Nähe rung ist das Korrektursignal anstelle vom Kraftstoffmassenstrom vom Druck im Kraftstoffspeicher 9 abhängig. Die Pro grammpunkte 104 und 201 stellen zwei wesentliche Funktionen der Erfindung dar, die auch unabhängig voneinander einsetzbar sind.

Für die verschiedenen Ausführungsformen der Fig. 1 bis 4 werden verschiedene Stellglieder 5, 23, 18, 19 verwendet, die vom Steuergerät 11 entsprechend angesteuert werden.

Fig. 6 zeigt in Abhängigkeit von der Zeit den vom Steuergerät 11 vorgegebenen Solldruck p_s, der in einem Kennfeld abgelegt ist und von Betriebsbedingungen des Kraftfahrzeuges insbesondere von Betriebsbedingungen der Brennkraft maschine abhängt. Zudem ist der im Kraftstoffspeicher 9 tatsächlich gemessene Kraftstoffdruck p_g als Istdruck in Ab hängigkeit von der Zeit dargestellt. Fig. 6 zeigt den zeitlichen Verlauf des Solldruckes und des gemessenen Kraftstoff druckes für das in Fig. 5 dargestellte Regelungsverfahren am Beispiel der Anordnung der Fig. 1.

Zeitsymmetrisch zum Solldruck und zum gemessenen Kraftstoffdruck ist das Ansteuersignal tv_i des Drosselventils 5 in Abhängigkeit von der Zeit s aufgetragen. Es ist zu erkennen, daß zu dem Zeitpunkt 1,7 Sekunden, zu dem der Soll druck erhöht wird, ebenfalls das Ansteuersignal für das Druckregelventil 5 abrupt über den Wert ansteigt, den das Stell glied 5, 23, 18, 19 langfristig zur Einstellung des gewünschten Solldruckes benötigt. Das Ansteuersignal fällt anschlie ßend auf den für den vorgegebenen Solldruck notwendigen Wert ab. Die Übersteuerung des Ansteuersignals über den Wert, der für den gewünschten Solldruck notwendig ist, wird durch das Korrektursignal tv_k verursacht.

Ebenso fällt beim Abfall des Solldruckes zu dem Zeitpunkt 6,6 Sekunden das Ansteuersignal abrupt auf einen kleine ren Wert ab, als für den neu vorgegebenen Solldruck notwendig ist. Mit der Zeit steigt dann das Ansteuersignal bis auf den auf den für den Solldruck notwendigen Wert an. Auch dieses Unterschreiten des Ansteuersignals, das für den vorge gebenen Solldruckes notwendig wäre, wird durch das Korrektursignal bewirkt. Durch das Korrektursignal ist gewährlei stet, daß der Druck im Kraftstoffspeicher sehr schnell den gewünschten Solldruck erreicht.

Das beschriebene Überschreiten oder Unterschreiten des benötigten Ansteuersignals ist eine bevorzugte Ausführung. Für einfache Verfahren reicht eine Änderung des Ansteuersignals vorzugsweise vor oder gleichzeitig zum Einspritzvor gang aus, die abhängig von der während des Einspritzvorganges eingespritzten Kraftstoffmenge ist. Besondere Vorteile bietet das beschriebene Verfahren bei schnellen und großen Änderungen der von den Injektoren 13 abgespritzten Kraft stoffmenge.

Durch die sprunghafte Änderung des Ansteuersignales wird der Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher schneller an den gewünschten Solldruck angepaßt. Es kann jedoch auch eine mit der Zeit stetig zunehmende Änderung des Ansteuersi gnals in Abhängigkeit vom eingespritzten oder einzuspritzenden Kraftstoff vorgenommen werden. Der D-Anteil inner halb des Kompensationsgliedes bei Programmpunkt 201 dient dazu, das Stellglied 5, 23, 18, 19 für einen raschen Druck aufbau abhängig vom Gradienten des Einspritzmassenstromes überproportional stark zu öffnen oder für einen raschen Druckabbau schnell vollkommen zu schließen. Dies entspricht einer maximalen Förderung der Hochdruckpumpe bezie hungsweise einer minimalen Förderung der Hochdruckpumpe.

Claims

1. Verfahren zum Regeln des Kraftstoffdruckes in einem Kraft stoffspeicher (9), dem Kraftstoff zugeführt wird, und aus dem über einen Injektor (13) Kraftstoff abgeführt wird, wo bei zur Regelung des Kraftstoffdruckes ein Solldruck vorge geben wird, der mit dem im Kraftstoffspeicher (9) gemesse nen Kraftstoffdruck verglichen wird und abhängig von der Differenz zwischen dem Solldruck und dem gemessenen Kraft stoffdruck dem Kraftstoffspeicher (9) eine entsprechende Kraftstoffmenge zugeführt wird, wobei die vom Injektor (13) abzugebende Kraftstoffmenge ermittelt wird und die dem Kraftstoffspeicher (9) zuzuführende Kraftstoffmenge abhän gig von der vom Injektor (13) abzugebenden Kraftstoffmenge bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die dem Kraftstoffspeicher (9) zuzuführende Kraftstoff menge von der zeitlichen Änderung des Solldruckes bestimmt wird, und
daß die zuzuführende Kraftstoffmenge überproportional von der zeitlichen Änderung des Solldruckes abhängt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kraftstoffspeicher (9) zuzuführende Kraftstoff menge von dem Gradienten des vom Injektor (13) abzugebenden Kraftstoffmassenstromes abhängt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die vom Injektor (13) abzugebende Kraftstoffmenge aus dem Fahrerwunsch und der Drehzahl ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die dem Kraftstoffspeicher zuzuführende Kraftstoffmenge abhängig von der einzuspritzenden Kraft stoffmenge mindestens zeitlich vor, insbesondere gleichzei tig mit dem Einspritzen der einzuspritzenden Kraftstoffmen ge geändert wird.