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WO2010057588A1 - Steuerungs- und regelungsverfahren für eine brennkraftmaschine mit einem common-railsystem - Google Patents

Steuerungs- und regelungsverfahren für eine brennkraftmaschine mit einem common-railsystem Download PDF

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WO2010057588A1
WO2010057588A1 PCT/EP2009/007989 EP2009007989W WO2010057588A1 WO 2010057588 A1 WO2010057588 A1 WO 2010057588A1 EP 2009007989 W EP2009007989 W EP 2009007989W WO 2010057588 A1 WO2010057588 A1 WO 2010057588A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pwm
rail pressure
pressure
frequency
ist
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2009/007989
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Armin DÖLKER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rolls Royce Solutions GmbH
Original Assignee
MTU Friedrichshafen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Friedrichshafen GmbH filed Critical MTU Friedrichshafen GmbH
Priority to CN200980148028.7A priority Critical patent/CN102245884B/zh
Priority to US13/130,806 priority patent/US8844501B2/en
Priority to EP09771694A priority patent/EP2358988B1/de
Publication of WO2010057588A1 publication Critical patent/WO2010057588A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
    • F02D41/3809—Common rail control systems
    • F02D41/3836—Controlling the fuel pressure
    • F02D41/3845—Controlling the fuel pressure by controlling the flow into the common rail, e.g. the amount of fuel pumped
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    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D2041/1413—Controller structures or design
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    • F02D2041/2024—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit the control switching a load after time-on and time-off pulses
    • F02D2041/2027—Control of the current by pulse width modulation or duty cycle control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M59/00—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps
    • F02M59/20—Varying fuel delivery in quantity or timing
    • F02M59/36—Varying fuel delivery in quantity or timing by variably-timed valves controlling fuel passages to pumping elements or overflow passages
    • F02M59/366—Valves being actuated electrically

Definitions

  • the invention relates to a control and regulating method for an internal combustion engine having a common rail system, in which the rail pressure is controlled in normal operation and is changed with detection of a load shedding from the control to the control mode, wherein in the control mode, the PWM signal to act on the controlled system is temporarily set to a higher than normal operation PWM value.
  • a high pressure pump delivers fuel from a fuel tank into a rail.
  • the inlet cross section to the high pressure pump is determined by a variable suction throttle.
  • injectors via which the fuel is injected into the combustion chambers of the internal combustion engine. Since the quality of the combustion depends crucially on the pressure level in the rail, this is regulated.
  • the high pressure control circuit includes a pressure regulator, the suction throttle with high pressure pump and the rail as a controlled system and a filter in the feedback branch. In this high-pressure control circuit, the pressure level in the rail corresponds to the controlled variable.
  • the measured pressure values of the rail are converted via the filter into an actual rail pressure and compared with a desired rail pressure.
  • the resulting deviation is then converted via the pressure regulator into a control signal for the suction throttle.
  • the actuating signal corresponds to z. B. a volume flow with the unit liters / minute.
  • the control signal is implemented electrically as a PWM signal (pulse width modulated) with a constant frequency, for example 50 Hz.
  • PWM pulse width modulated
  • DE 10 2005 029 138 B3 proposes to change over from control to control operation.
  • the PWM signal for controlling the suction throttle is temporarily set via a staircase function to an increased PWM value, whereby the closing process of the suction throttle is accelerated.
  • DE 40 20 654 A1 proposes that the pulse end of the PWM signal or the frequency of the PWM signal be updated to track the actual development of the setpoints and actual values.
  • the basic prerequisite for this method is the time-synchronous start of the PWM signal and the acquisition of the setpoint actual values.
  • this method is out of the question, since an asynchronism of pressure control and PWM signal is the rule here.
  • a frequency tracking in the sense of a frequency increase with subsequent frequency reduction, technically unrepresentable.
  • DE 103 30 466 B3 provides for a frequency switching of the PWM signal.
  • a critical engine speed is calculated from the angular distance between two injections and the frequency of the PWM signal, in which the frequencies of the PWM signal and the injection are almost the same size and from this defines a speed range. If the engine speed passes through this speed range, then the PWM signal from a first frequency, for example, 100 Hz, to a second Frequency, for example, 120 Hz, switched. Frequency switching stabilizes the high-pressure control loop in the range around the critical speeds.
  • the invention is based on the object to further optimize the pressure control in a load shedding.
  • the first actual rail pressure and from this the control deviation is calculated via a first filter.
  • a second, faster filter calculates a second actual rail pressure.
  • a load shedding is now recognized that the second actual rail pressure exceeds a first limit.
  • the PWM signal is then switched from a first frequency, for example 50 Hz, to a second, much higher frequency, for example 500 Hz.
  • the control mode is changed to the temporary PWM default. Due to the much higher PWM frequency, the temporary PWM specification starts earlier. The optimization is thus that the dead time between detection of the load shedding and outputting the PWM signal is shortened, with the advantage of a significant reduction of the rail pressure overshoot after load shedding.
  • the function is ended when the second actual rail pressure falls below the first limit value reduced by a hysteresis value.
  • the PWM signal from the second frequency is then switched back to the first, lower frequency. Since the higher PWM frequency is set only for a short period of time, the power dissipation and the heat development of the switching transistors in the electronic engine control unit remain within the specification specified by the semiconductor manufacturer.
  • FIG. 1 shows a system diagram
  • FIG. 2 shows a high-pressure control circuit as a block diagram
  • Figure 3 shows a load shedding as a time chart
  • Figure 4 is a state diagram
  • Figure 5 is a program flowchart.
  • FIG. 1 shows a system diagram of an electronically controlled internal combustion engine 1 with a common rail system.
  • the common rail system comprises as mechanical components a low-pressure pump 3 for conveying fuel from a tank 2, a suction throttle 4 for influencing the volume flow, a high-pressure pump 5, a rail 6 and injectors 8 for injecting fuel into the combustion chambers of the internal combustion engine 1.
  • the internal combustion engine 1 is controlled via an electronic engine control unit 9 (ECU).
  • the input values of the electronic engine control unit 9 are exemplarily the rail pressure pCR, which is detected via a pressure sensor 7, the engine speed nMOT and a variable ON.
  • the size ON is representative of the other input signals, for example for the oil or the fuel temperature.
  • the illustrated outputs of the electronic engine control unit 9 are a PWM signal PWM for controlling the intake throttle 4, a power-determining signal ve for driving the injectors 8 and a size OFF.
  • the power-determining signal ve characterizes a start of injection and an injection duration.
  • the size OFF is representative of the other control signals for controlling the internal combustion engine 1, for example, a control signal for controlling an EGR valve.
  • the illustrated common rail system can of course also be designed as a common rail system with individual memories. In this case, the individual memory is integrated in the injector 8, in which case the individual accumulator pressure pE is another input signal of the electronic engine control unit 9.
  • FIG. 2 shows the high-pressure control loop for regulating the rail pressure as a block diagram.
  • the input quantity corresponds to a nominal rail pressure pCR (SL).
  • the output quantity corresponds to the raw value of the rail pressure pCR.
  • a first actual rail pressure pCR1 (IST) is determined by means of a first filter 15. This is compared with the set point pCR (SL) at a summation point A, resulting in a control deviation ep.
  • a manipulated variable is calculated by means of a pressure regulator 10.
  • the manipulated variable corresponds to a volume flow qV1.
  • the physical unit of the volume flow is liters / minute.
  • the calculated nominal consumption is added to the volume flow qV1.
  • the volume flow qV1 corresponds to the input variable for a limitation 11.
  • the limitation 1 1 can be speed-dependent, input variable nMOT.
  • the output qV2 of the limit 11 is then converted in a calculation 12 into a PWM signal PWM1.
  • the PWM signal PWM1 represents the duty cycle and the frequency fPWM corresponds to the frequency, for example 50 Hz (period: 20 ms). In the conversion, the fluctuations of the operating voltage and the pilot fuel pressure are taken into account.
  • the PWM signal PWM1 is the input of a first switch 13.
  • a second input of the first switch 13 is a PWM signal PWM2.
  • the output signal PWM of the first switch 13 corresponds either to the signal PWM1 or PWM2.
  • the solenoid of the suction throttle is applied.
  • the path of the magnetic core is changed, whereby the flow rate of the high-pressure pump is influenced freely.
  • the high-pressure pump, the suction throttle and the rail correspond to a controlled system 14. From the rail 6, a consumption volume flow qV3 is discharged via the injectors 8. This closes the control loop.
  • This control loop is supplemented by the temporary PWM specification, as known from DE 10 2005 029 138 B3.
  • the elements of the temporary PWM specification are a second filter 17 for calculating a second actual rail pressure pCR2 (IST), a function block 18 for determining a signal SZ1 for driving the first switch 13 and a PWM default 16.
  • the first switch 13 in the position a ie the calculated by the pressure regulator 10 manipulated variable qV1 is limited, converted into a PWM signal PWM1 and thus the controlled system 14 is applied.
  • the function block 18 changes the signal level of the signal SZ1, whereby the first switch 13 is reversed to the position b.
  • a PWM value PWM2 which is increased in comparison to the normal mode, is temporarily output via the PWM preset 16. In other words, it is changed from the control mode to the control mode.
  • the temporary PWM specification can - as shown - be designed staircase. After expiry of a predefinable period then the first switch 13 changes back to position a. Thus, the control mode is set again.
  • the PWM signal is provided with a low PWM frequency fPWM, for example 50 Hz, from the corresponding driver software.
  • the PWM value can therefore be updated in a 20 ms time frame.
  • the low PWM frequency ensures that, firstly, the slider of the suction throttle moves, so only the sliding friction is overcome, and second, the power loss of the switching transistors in the electronic engine control unit remains within the specification.
  • the pressure regulator 10 is calculated by the engine software with a constant sampling time. If the pressure regulator 10 recognizes a control deviation ep that increases in magnitude, it may be that a PWM period has started shortly before.
  • the new, increased PWM duty cycle can therefore only be set at the beginning of the next PWM period, that is, at the earliest after the expiration of the 20 ms time grid. This in turn means that the rail pressure pCR continues to rise during the current and also at the beginning of the next PWM period. Due to the asynchronicity of the PWM signal and pressure controller sampling, this results in a corresponding dead time.
  • the invention begins by the block diagram of Figure 2 is supplemented by a function block 19 and a second switch 20.
  • the second switch 20 In control mode, the second switch 20 is in the position a, in which the first frequency f1 (50 Hz) determines the frequency fPWM. If the second actual rail pressure pCR2 (IST) exceeds a first limit value GW1, this is the case with a load shedding, then the function block 19 sets the activation signal SZ2 for activating the second switch 20 to a second value, whereby it is reversed to the position b , Now, the frequency fPWM corresponds to the second frequency f2 of, for example, 500 Hz.
  • the PWM signal PWM1 is now updated every 2 ms.
  • FIG. 3 shows a load shedding as a time diagram.
  • the figure 3 consists of the subfigures 3A to 3D. These show in each case over time: in FIG. 3A the course of the second actual rail pressure pCR2 (IST), in FIG. 3B the value of the PWM signal PWM, in FIG.
  • FIG. 3C the PWM signal in the pulse-pause display according to the prior art and in FIG. 3D, the PWM signal in the pulse-pause display according to the invention.
  • the PWM signal of FIG. 3C corresponds to the pressure curve shown as a solid line in FIG. 3A.
  • the PWM signal of FIG. 3D corresponds to the pressure curve shown as a dashed line in FIG. 3A.
  • the illustrated example was based on a first PWM frequency of 50 Hz, which corresponds to a time interval of 20 ms, and a second PWM frequency of 500 Hz, which corresponds to a time interval of 2 ms.
  • the nominal rail pressure was maintained constant.
  • the internal combustion engine Before the time t1, the internal combustion engine is operated in the stationary state at a wheel pressure of 1800 bar. In steady state, the rail pressure is regulated. At time t1, the load is dropped, resulting in an increase in the rail pressure.
  • the first actual rail pressure pCR1 (IST) calculated from the rail pressure via the first filter (FIG. 2: 15) and the second actual rail pressure pCR2 (IST) calculated via the second filter (FIG. 2: 17) increase in each case.
  • the increasing first actual rail pressure pCR1 (IST) causes an increasing control deviation which the pressure regulator converts into an increasing PWM signal (FIG. 3B), whereby the suction throttle is moved in the closing direction.
  • the second threshold GW2 here: 1900 bar
  • the temporary PWM default is activated, it is thus changed from control mode to control mode. From time t3, therefore, the PWM signal is increased to 100% for 20 ms (FIG. 3B).
  • the set frequency of the PWM signal remains unchanged at 50 Hz.
  • a new PWM period has just started, so that the PWM increase does not take effect immediately. See in Fig. 3C, the enlarged detail shown.
  • the PWM increase only takes effect 20 ms, ie one period duration, later at time t5.
  • the PWM value of 100% in Fig. 3B corresponds to the pulse D in Fig. 3C. Due to this dead time of rising second actual rail pressure pCR2 (IST) continues, reaching its maximum value of 2030 bar.
  • the second actual rail pressure pCR2 exceeds the first limit value GW1 at the time t2, here: 1850 bar, point A in FIG. 3A.
  • 500 Hz is switched to the second PWM frequency (FIG. 3D).
  • the second actual rail pressure pCR2 exceeds the second limit value GW2, here: 1900 bar, point B in FIG. 3A.
  • the temporary PWM specification is activated, that is, it is changed over from the control mode to the control mode.
  • the PWM value of 100% in FIG. 3B corresponds to the pulse E in FIG. 3D, from the time t4.
  • the increase of the PWM frequency is deactivated when the second actual rail pressure pCR2 (IST) falls below the first limit value GW1 by a predetermined hysteresis value pHY, for example 30 bar, in the point C.
  • pHY hysteresis value
  • 500 Hz is switched from the second frequency to the first frequency 50 Hz, see Fig. 3D at time t6. Since in the context of the invention only during the high-pressure overshoot (period t2 / t6) is switched to a high PWM frequency, the heat generation of the power output stage remains despite the large number of transistor switching operations within the permissible hardware specification.
  • FIG. 5 shows a program flowchart of the method.
  • a flag 0 is initialized and the frequency fPWM of the PWM signal is set to the value f 1, for example 50 Hz.
  • the value of the flag is checked.
  • the program part is run through with the steps S6 to S8.
  • the value of the flag is 0, then the program part is run through with steps S3 to S5.
  • the PWM value can now be changed within a 2 ms time grid. The flag is then set to the value 1 at S5 and the program sequence continues at A.
  • query result S2 indicates that the flag has the value 1
  • query result S2 yes
  • the switch-off threshold is set to the difference between the first limit value GW1 and the hysteresis value pHY. If the switch-off threshold has not yet fallen below, the program sequence continues at A. If the switch-off threshold has been reached or undershot, query result S6: yes, the frequency fPWM of the PWM signal is switched from the second frequency f2 back to the first frequency f1 at S7. The flag is then set to its initialization value 0, S8, and the program sequence continues at A.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Steuerungs- und Regelungsverfahren für eine Brennkraftmaschine mit einem Common-Railsystem, bei dem im Normalbetrieb ein Raildruck geregelt wird, indem ein erster Ist-Raildruck über ein erstes Filter aus dem Raildruck bestimmt wird, eine Regelabweichung aus einem Soll-Raildruck sowie dem ersten Ist-Raildruck berechnet wird, eine Stellgröße über einen Druckregler aus der Regelabweichung berechnet wird und in Abhängigkeit der Stellgröße ein PWM-Signal mit einer ersten PWM-Frequenz (f1) zur Ansteuerung einer Regelstrecke festgelegt wird, bei dem ein zweiter Ist-Raildruck (pCR2(IST) über ein zweites Filter bestimmt wird, ein Lastabwurf erkannt wird, wenn der zweite Ist-Raildruck (pCR2(IST)) einen ersten Grenzwert (GW1) übersteigt, mit Überschreiten des ersten Grenzwerts (GW1) das PWM-Signal von der ersten PWM-Frequenz (f1) auf eine zweite PWM-Frequenz (f2) umgeschaltet wird und bei dem mit Überschreiten eines zweiten Grenzwerts der Raildruck gesteuert wird, indem das PWM-Signal temporär auf einen gegenüber dem Normalbetrieb erhöhten PWM-Wert gesetzt wird.

Description

Steuerungs- und Regelungsverfahren für eine Brennkraftmaschine mit einem
Common-Railsystem
Die Erfindung betrifft ein Steuerungs- und Regelungsverfahren für eine Brennkraftmaschine mit einem Common-Railsystem, bei dem im Normalbetrieb der Raildruck geregelt wird und mit Erkennen eines Lastabwurfs vom Regelungs- in den Steuerungsbetrieb gewechselt wird, wobei im Steuerungsbetrieb das PWM-Signal zur Beaufschlagung der Regelstrecke temporär auf einen gegenüber dem Normalbetrieb erhöhten PWM-Wert gesetzt wird.
Bei einem Common-Railsystem fördert eine Hochdruckpumpe den Kraftstoff aus einem Kraftstofftank in ein Rail. Der Zulaufquerschnitt zur Hochdruckpumpe wird über eine veränderliche Saugdrossel festgelegt. Am Rail angeschlossen sind Injektoren über welche der Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Da die Güte der Verbrennung entscheidend vom Druckniveau im Rail abhängt, wird dieses geregelt. Der Hochdruck-Regelkreis umfasst einen Druckregler, die Saugdrossel mit Hochdruckpumpe und das Rail als Regelstrecke sowie ein Filter im Rückkopplungszweig. In diesem Hochdruck-Regelkreis entspricht das Druckniveau im Rail der Regelgröße. Die gemessenen Druckwerte des Rails werden über das Filter in einen Ist-Raildruck gewandelt und mit einem Soll-Raildruck verglichen. Die sich hieraus ergebende Regelabweichung wird dann über den Druckregler in ein Stellsignal für die Saugdrossel gewandelt. Das Stellsignal entspricht z. B. einem Volumenstrom mit der Einheit Liter/Minute. Typischerweise ist das Stellsignal elektrisch als PWM-Signal (pulsweitenmoduliert) mit konstanter Frequenz, zum Beispiel 50 Hz, ausgeführt. Der zuvor beschriebene Hochdruck-Regelkreis ist aus der DE 103 30 466 B3 bekannt.
Auf Grund der hohen Dynamik ist ein Lastabwurf regelungstechnisch ein schwer beherrschbarer Vorgang, so kann nach einem Lastabwurf der Raildruck mit einem Druckgradienten von bis zu 4000 bar/Sekunde ansteigen. Wird beispielsweise die Brennkraftmaschine bei einem stationären Raildruck von 1800 bar betrieben und beträgt die PWM-Frequenz 50 Hz, entsprechend 20 ms Periodendauer, so kann der Raildruck um bis zu 80 bar ansteigen bevor auf den Lastabwurf über die Veränderung des PWM- Signals reagiert wird. Erschwerend kommt hinzu, dass Drucksignal-Erfassung, Stellgrößen-Berechnung und Ausgeben des PWM-Signals zu unterschiedlichen Zeitpunkten, also asynchron, erfolgen. Im ungünstigsten Fall kann die sich ergebende Totzeit bis zu zwei PWM-Perioden betragen. Diese Totzeit ist kritisch, da der maximale Raildruck über ein passives Druckbegrenzungsventil begrenzt wird, welches zum Beispiel bei 1950 bar öffnet.
Zur Verbesserung der Sicherheit der Druckregelung bei einem Lastabwurf schlägt die DE 10 2005 029 138 B3 vor, dass vom Regelungs- in den Steuerungsbetrieb gewechselt wird. Im Steuerungsbetrieb wird das PWM-Signal zur Ansteuerung der Saugdrossel temporär über eine Treppenfunktion auf einen erhöhten PWM-Wert gesetzt, wodurch der Schließvorgang der Saugdrossel beschleunigt wird.
Zur Verbesserung der Dynamik bei großen Sollwert-Sprüngen schlägt die DE 40 20 654 A1 vor, dass das Impulsende des PWM-Signals oder die Frequenz des PWM-Signals der aktuellen Entwicklung der Soll- und Istwerte nachgeführt wird. Grundlegende Voraussetzung für dieses Verfahren ist jedoch der zeitsynchrone Start des PWM-Signals und der Erfassung der Soll-Istwerte. Für die Druckregelung im Common- Railsystem kommt dieses Verfahren nicht in Betracht, da hier eine Asynchronität von Druckregelung und PWM-Signal der Regelfall ist. Zudem ist bei einem Lastabwurf auf Grund des hohen Druckgradienten eine Frequenznachführung, im Sinne einer Frequenzerhöhung mit anschließender Frequenzverringerung, technisch nicht darstellbar.
Zur Verringerung von Druckschwingungen im Rail, welche durch die Saugdrossel angeregt werden, sieht die DE 103 30 466 B3 eine Frequenzumschaltung des PWM- Signals vor. Hierzu wird aus dem Winkelabstand zweier Einspritzungen und der Frequenz des PWM-Signals eine kritische Motordrehzahl berechnet, bei der die Frequenzen des PWM-Signals und der Einspritzung nahezu gleich groß sind und hieraus ein Drehzahlbereich definiert. Durchläuft die Motordrehzahl diesen Drehzahlbereich, so wird das PWM-Signal von einer ersten Frequenz, zum Beispiel 100 Hz, auf eine zweite Frequenz, zum Beispiel 120 Hz, umgeschaltet. Durch die Frequenzumschaltung wird der Hochdruck-Regelkreis im Bereich um die kritischen Drehzahlen stabilisiert.
Ausgehend von der in der DE 10 2005 029 138 B3 beschrieben temporären PWM- Vorgabe bei einem Lastabwurf, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die Druckregelung bei einem Lastabwurf weiter zu optimieren.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale. In den Unteransprüchen sind die Ausgestaltungen dargestellt.
Wie in der DE 10 2005 029 138 B3 dargestellt, wird über ein erstes Filter der erste Ist- Raildruck und hieraus die Regelabweichung berechnet. Gleichzeitig wird über ein zweites, schnelleres Filter ein zweiter Ist-Raildruck berechnet. Ein Lastabwurf wird nun daran erkannt, dass der zweite Ist-Raildruck einen ersten Grenzwert übersteigt. Mit Erkennen des Lastabwurfs wird dann das PWM-Signal von einer ersten Frequenz, zum Beispiel 50 Hz, auf eine zweite, wesentlich höhere Frequenz, zum Beispiel 500 Hz, umgeschaltet. Übersteigt danach der zweite Ist-Raildruck einen zweiten Grenzwert, so wird in den Steuerungsbetrieb mit der temporären PWM-Vorgabe gewechselt. Auf Grund der wesentlich höheren PWM-Frequenz greift die temporäre PWM-Vorgabe früher. Die Optimierung besteht also darin, dass die Totzeit zwischen Erkennen des Lastabwurfs und Ausgeben des PWM-Signals verkürzt wird, mit dem Vorteil einer deutlichen Verringerung des Raildruck-Überschwingens nach dem Lastabwurf.
Beendet wird die Funktion, wenn der zweite Ist-Raildruck den um einen Hysteresewert reduzierten ersten Grenzwert wieder unterschreitet. Mit Ende der Funktion wird dann das PWM-Signal von der zweiten Frequenz wieder zurück auf die erste, niedere Frequenz geschaltet. Da die höhere PWM-Frequenz lediglich während eines kurzen Zeitraums gesetzt wird, bleibt die Verlustleistung und die Wärmeentwicklung der Schalttransistoren im elektronischen Motorsteuergerät innerhalb der vom Halbleiterhersteller angegebenen Spezifikation.
In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 ein Systemschaubild,
Figur 2 einen Hockdruck-Regelkreis als Blockschaltbild, Figur 3 einen Lastabwurf als Zeitdiagramm, Figur 4 ein Zustandsdiagramm und Figur 5 einen Programm-Ablaufplan.
Die Figur 1 zeigt ein Systemschaubild einer elektronisch gesteuerten Brennkraftmaschine 1 mit einem Common-Railsystem. Das Common-Railsystem umfasst als mechanische Komponenten eine Niederdruckpumpe 3 zur Förderung von Kraftstoff aus einem Tank 2, eine Saugdrossel 4 zur Beeinflussung des Volumenstroms, eine Hochdruckpumpe 5, ein Rail 6 und Injektoren 8 zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine 1.
Gesteuert wird die Brennkraftmaschine 1 über ein elektronisches Motorsteuergerät 9 (ECU). In der Figur 1 sind als Eingangsgrößen des elektronischen Motorsteuergeräts 9 exemplarisch der Raildruck pCR, welcher über einen Drucksensor 7 erfasst wird, die Motordrehzahl nMOT und eine Größe EIN dargestellt. Die Größe EIN steht stellvertretend für die weiteren Eingangssignale, beispielsweise für die Öl- oder die Kraftstofftemperatur. Die dargestellten Ausgangsgrößen des elektronischen Motorsteuergeräts 9 sind ein PWM-Signal PWM zur Ansteuerung der Saugdrossel 4, ein leistungsbestimmendes Signal ve zur Ansteuerung der Injektoren 8 und eine Größe AUS. Das leistungsbestimmende Signal ve kennzeichnet einen Spritzbeginn und eine Spritzdauer. Die Größe AUS steht stellvertretend für die weiteren Stellsignale zur Steuerung der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise ein Stellsignal zur Ansteuerung eines AGR-Ventils. Das dargestellte Common-Railsystem kann selbstverständlich auch als Common-Railsystem mit Einzelspeichern ausgeführt sein. In diesem Fall ist der Einzelspeicher im Injektor 8 integriert, wobei dann der Einzelspeicherdruck pE ein weiteres Eingangssignal des elektronischen Motorsteuergeräts 9 ist.
Die Figur 2 zeigt den Hochdruck-Regelkreis zur Regelung des Raildrucks als Blockschaltbild. Die Eingangsgröße entspricht einem Soll-Raildruck pCR(SL). Die Ausgangsgröße entspricht dem Rohwert des Raildrucks pCR. Aus dem Rohwert des Raildrucks pCR wird mittels eines ersten Filters 15 ein erster Ist-Raildruck pCR1 (IST) bestimmt. Dieser wird mit dem Sollwert pCR(SL) an einem Summationspunkt A verglichen, woraus eine Regelabweichung ep resultiert. Aus der Regelabweichung ep wird mittels eines Druckreglers 10 eine Stellgröße berechnet. Die Stellgröße entspricht einem Volumenstrom qV1. Die physikalische Einheit des Volumenstroms ist Liter/Minute. Optional ist vorgesehen, dass zum Volumenstrom qV1 der berechnete Sollverbrauch addiert wird. Der Volumenstrom qV1 entspricht der Eingangsgröße für eine Begrenzung 11. Die Begrenzung 1 1 kann drehzahlabhängig ausgeführt sein, Eingangsgröße nMOT. Die Ausgangsgröße qV2 der Begrenzung 11 wird danach in einer Berechnung 12 in ein PWM-Signal PWM1 umgerechnet. Das PWM-Signal PWM1 stellt hierbei die Einschaltdauer dar und die Frequenz fPWM entspricht der Frequenz, zum Beispiel 50 Hz (Periodendauer: 20 ms). Mitberücksichtigt werden bei der Umrechnung die Schwankungen der Betriebsspannung und des Kraftstoffvordrucks. Das PWM-Signal PWM1 ist die Eingangsgröße eines ersten Schalters 13. Eine zweite Eingangsgröße des ersten Schalters 13 ist ein PWM-Signal PWM2. Das Ausgangssignal PWM des ersten Schalters 13 entspricht je nach Stellung entweder dem Signal PWM1 oder PWM2. Mit dem PWM-Signal PWM wird dann die Magnetspule der Saugdrossel beaufschlagt. Dadurch wird der Weg des Magnetkerns verändert, wodurch der Förderstrom der Hochdruckpumpe frei beeinflusst wird. Die Hochdruckpumpe, die Saugdrossel und das Rail entsprechen einer Regelstrecke 14. Aus dem Rail 6 wird über die Injektoren 8 ein Verbrauchsvolumenstrom qV3 abgeführt. Damit ist der Regelkreis geschlossen.
Ergänzt wird dieser Regelkreis durch die temporäre PWM-Vorgabe, wie diese aus der DE 10 2005 029 138 B3 bekannt ist. Die Elemente der temporären PWM-Vorgabe sind ein zweites Filter 17 zur Berechnung eines zweiten Ist-Raildrucks pCR2(IST), ein Funktionsblock 18 zur Festlegung eines Signals SZ1 zur Ansteuerung des ersten Schalters 13 und eine PWM-Vorgabe 16. Im Regelungsbetrieb befindet sich der erste Schalter 13 in der Stellung a, d. h. die vom Druckregler 10 berechnete Stellgröße qV1 wird begrenzt, in ein PWM-Signal PWM1 umgesetzt und damit die Regelstrecke 14 beaufschlagt. Übersteigt der zweite Ist-Raildruck pCR2(IST) einen Grenzwert, hier: der zweite Grenzwert GW2, so ändert der Funktionsblock 18 den Signalpegel des Signals SZ1 , wodurch der erste Schalter 13 in die Stellung b umgesteuert wird. In der Stellung b wird über die PWM-Vorgabe 16 temporär ein gegenüber dem Normalbetrieb erhöhter PWM-Wert PWM2 ausgegeben. Mit anderen Worten: Es wird vom Regelungsbetrieb in den Steuerungsbetrieb gewechselt. Die temporäre PWM-Vorgabe kann - wie dargestellt- treppenförmig ausgeführt sein. Nach Ablauf eines vorgebbaren Zeitraums wechselt dann der erste Schalter 13 wieder zurück in Stellung a. Damit ist wieder der Regelungsbetrieb gesetzt.
Im praktischen Betrieb wird das PWM-Signal mit einer niederen PWM-Frequenz fPWM, beispielsweise 50 Hz, von der entsprechenden Treibersoftware ausgestattet. Der PWM- Wert kann daher in einem 20ms-Zeitraster aktualisiert werden. Durch die niedere PWM- Frequenz wird erreicht, dass erstens der Schieber der Saugdrossel sich bewegt, also nur die Gleitreibung zu überwinden ist, und zweitens die Verlustleistung der Schalttransistoren im elektronischen Motorsteuergerät innerhalb der Spezifikation bleibt. Der Druckregler 10 wird von der Motorsoftware mit konstanter Abtastzeit gerechnet. Erkennt der Druckregler 10 eine sich betragsmäßig vergrößernde Regelabweichung ep, so kann es sein, dass eine PWM-Periode kurz zuvor begonnen hat. Die neue, erhöhte PWM-Einschaltdauer kann daher erst bei Beginn der nächsten PWM- Periode gesetzt werden, also frühestens nach Ablauf des 20ms-Zeitrasters. Dies bedeutet wiederum, dass der Raildruck pCR während der aktuellen und auch zu Beginn der nächsten PWM-Periode weiter ansteigt. Bedingt durch die Asynchronität von PWM-Signal und Druckregler-Abtastung entsteht damit eine entsprechende Totzeit.
Hier setzt nun die Erfindung an, indem das Blockschaltbild der Figur 2 durch einen Funktionsblock 19 und einen zweiten Schalter 20 ergänzt wird. Im Regelungsbetrieb befindet sich der zweite Schalter 20 in der Stellung a, in welcher die erste Frequenz f1 (50 Hz) die Frequenz fPWM bestimmt. Übersteigt der zweite Ist-Raildruck pCR2(IST) einen ersten Grenzwert GW1 , dies ist bei einem Lastabwurf der Fall, so setzt der Funktionsblock 19 das Ansteuersignal SZ2 zur Ansteuerung des zweiten Schalters 20 auf einen zweiten Wert, wodurch dieser in die Stellung b umgesteuert wird. Jetzt entspricht die Frequenz fPWM der zweiten Frequenz f2 von zum Beispiel 500 Hz. Das PWM-Signal PWM1 wird nunmehr alle 2 ms aktualisiert. Übersteigt der zweite Ist-Raildruck pCR2(IST) den zweiten Grenzwert GW2, so wird die temporäre PWM-Vorgabe aktiviert. Unterschreitet der zweite Ist-Raildruck pCR2(IST) die Differenz von erstem Grenzwert und eines Hysteresewerts, so wechselt der Schalter 20 wieder zurück in die Stellung a, womit die PWM-Frequenz fPWM wieder mit der ersten Frequenz f1 identisch ist. Die Figur 3 zeigt einen Lastabwurf als Zeitdiagramm. Die Figur 3 besteht aus den Teilfiguren 3A bis 3D. Diese zeigen jeweils über der Zeit: in Figur 3A den Verlauf des zweiten Ist-Raildrucks pCR2(IST), in Figur 3B den Wert des PWM-Signals PWM, in Figur 3C das PWM-Signal in der Impuls-Pausendarstellung gemäß dem Stand der Technik und in Figur 3D das PWM-Signal in der Impuls-Pausendarstellung gemäß der Erfindung. Zum PWM-Signal der Figur 3C korrespondiert der als durchgezogene Linie dargestellte Druckverlauf in der Figur 3A. Zum PWM-Signal der Figur 3D korrespondiert der als gestrichelte Linie dargestellte Druckverlauf in der Figur 3A. Dem dargestellten Beispiel wurde eine erste PWM-Frequenz von 50 Hz, welche einem Zeitraster von 20 ms entspricht, und eine zweite PWM-Frequenz von 500 Hz, welche einem Zeitraster von 2 ms entspricht, zu Grunde gelegt. Der Soll-Raildruck wurde konstant beibehalten.
Der Ablauf des Verfahrens nach dem Stand der Technik ist folgendermaßen:
Vor dem Zeitpunkt t1 wird die Brennkraftmaschine im stationären Zustand bei einem Raddruck von 1800 bar betrieben. Im stationären Zustand wird der Raildruck geregelt. Zum Zeitpunkt t1 erfolgt ein Abwerfen der Last, was ein Ansteigen des Raildrucks zur Folge hat. Der aus dem Raildruck über das erste Filter (Fig. 2: 15) berechnete erste Ist-Raildruck pCR1 (IST) und der über das zweite Filter (Fig. 2: 17) berechnete zweite Ist-Raildruck pCR2(IST) steigen jeweils an. Der zunehmende erste Ist-Raildruck pCR1(IST) verursacht eine betragsmäßig zunehmende Regelabweichung, welche der Druckregler in ein zunehmendes PWM-Signal (Fig. 3B) umsetzt, wodurch die Saugdrossel in Schließrichtung bewegt wird. Übersteigt nun der zweite Ist-Raildruck pCR2(IST) zum Zeitpunkt t3 den zweiten Grenzwert GW2, hier: 1900 bar, Punkt B in Fig. 3A, so wird die temporäre PWM-Vorgabe aktiviert, es wird also vom Regelungsbetrieb in den Steuerungsbetrieb gewechselt. Ab dem Zeitpunkt t3 wird daher das PWM-Signal 20 ms lang auf 100% erhöht (Fig. 3B). Die eingestellte Frequenz des PWM-Signals bleibt unverändert bei 50 Hz. Zum Zeitpunkt t3 hat gerade eine neue PWM-Periode begonnen, so dass die PWM- Erhöhung nicht unmittelbar wirksam wird. Siehe in der Fig. 3C der vergrößert dargestellte Ausschnitt. Die PWM-Erhöhung wird erst 20 ms, also eine Periodendauer, später zum Zeitpunkt t5 wirksam. Dem PWM-Wert von 100 % in der Fig. 3B entspricht der Impuls D in der Fig. 3C. Auf Grund dieser Totzeit steigt der zweite Ist-Raildruck pCR2(IST) weiter an und erreicht mit dem Wert 2030 bar seinen Höchstwert.
Der Ablauf des Verfahrens nach der Erfindung ist folgendermaßen:
Der zweite Ist-Raildruck pCR2(IST) überschreitet zum Zeitpunkt t2 den ersten Grenzwert GW1 , hier: 1850 bar, Punkt A in Fig. 3A. Mit Überschreiten des ersten Grenzwerts GW1 wird auf die zweite PWM-Frequenz 500 Hz umgeschaltet (Fig. 3D). Zum Zeitpunkt t3 überschreitet der zweite Ist-Raildruck pCR2(IST) dann den zweiten Grenzwert GW2, hier: 1900 bar, Punkt B in Fig. 3A. Mit Überschreiten des zweiten Grenzwerts GW2 wird die temporäre PWM-Vorgabe aktiviert, also vom Regelungsbetrieb in den Steuerungsbetrieb gewechselt. Dem PWM-Wert von 100 % in der Fig. 3B entspricht der Impuls E in der Fig. 3D, ab dem Zeitpunkt t4. Die Totzeit bis zur Wirksamkeit der PWM-Erhöhung beträgt diesmal ebenfalls wiederum eine volle Periodendauer, nur beträgt diese jetzt 2 ms. Insgesamt wird die PWM-Erhöhung also 18 ms früher wirksam. Als Folge steigt der zweite Ist-Raildruck pCR2(IST) diesmal nur auf 1940 bar an. Die Umschaltung der PWM-Frequenz reduziert daher den Hochdruck-Überschwinger um 90 bar. In der Fig. 3A ist dies mit dem Bezugszeichen dp dargestellt.
Deaktiviert wird die Erhöhung der PWM-Frequenz, wenn der zweite Ist-Raildruck pCR2(IST) den ersten Grenzwert GW1 um einen vorgegebenen Hysteresewert pHY, zum Beispiel 30 bar, im Punkt C unterschreitet. Als Folge wird von der zweiten Frequenz 500 Hz auf die erste Frequenz 50 Hz umgeschaltet, siehe Fig. 3D zum Zeitpunkt t6. Da im Rahmen der Erfindung nur während des Hochdruck- Überschwingens (Zeitraum t2/t6) auf eine hohe PWM-Frequenz umgeschaltet wird, bleibt die Wärmeentwicklung der Leistungsendstufe trotz der Vielzahl der Transistor- Schaltvorgänge innerhalb der zulässigen Hardware-Spezifikation.
Die Schaltlogik der Erfindung ist in der Figur 4 dargestellt. Im stationären Betrieb ist die PWM-Frequenz fPWM auf die erste Frequenz f 1 , zum Beispiel 50 Hz, gesetzt. Wird der zweite Ist-Raildruck pCR2(IST) größer/gleich als der erste Grenzwert GW1 , so wird die PWM-Frequenz fPWM auf die zweite Frequenz f2, zum Beispiel 500 Hz, gesetzt. Das Rückschalten auf die erste Frequenz f1 erfolgt dann, wenn der erste Grenzwert GW1 um den Hysteresewert pHY unterschritten wird. Die Figur 5 zeigt einen Programm-Ablaufplan des Verfahrens. Bei S1 werden ein Merker mit dem Wert 0 initialisiert und die Frequenz fPWM des PWM-Signals auf den Wert f 1 , zum Beispiel 50 Hz, gesetzt. Bei der Abfrage in S2 wird der Wert des Merkers geprüft. Ist der Wert 1 , wird der Programmteil mit den Schritten S6 bis S8 durchlaufen. Ist der Wert des Merkers hingegen 0, so wird der Programmteil mit den Schritten S3 bis S5 durchlaufen. Beim ersten Programmdurchlauf (Merker=0) wird danach bei S3 geprüft, ob der zweite Ist-Raildruck pCR2(IST) den ersten Grenzwert GW1 erreicht oder überschreitet. Ist dies nicht der Fall, Abfrageergebnis S3: nein, befindet sich die Brennkraftmaschine im stationären Zustand und der Programmablauf wird bei A fortgesetzt. Wird hingegen bei S3 ein Lastabwurf erkannt, Abfrageergebnis S3: ja, so wird bei S4 auf die zweite Frequenz f2, zum Beispiel 500 Hz, umgeschaltet. Der PWM-Wert kann jetzt innerhalb eines 2-ms- Zeitrasters verändert werden. Anschließend wird bei S5 der Merker auf den Wert 1 gesetzt und der Programmablauf bei A fortgesetzt.
Ergibt die Abfrage bei S2, dass der Merker den Wert 1 hat, Abfrageergebnis S2: ja, so wird bei S6 geprüft, ob der zweite Ist-Raildruck pCR2(IST) kleiner oder gleich die Ausschaltschwelle ist. Die Ausschaltschwelle ist auf die Differenz von erstem Grenzwert GW1 und dem Hysteresewert pHY gesetzt. Wurde die Ausschaltschwelle noch nicht unterschritten, so wird der Programmablauf bei A fortgesetzt. Wurde die Ausschaltschwelle erreicht oder unterschritten, Abfrageergebnis S6: ja, so wird bei S7 die Frequenz fPWM des PWM-Signals von der zweiten Frequenz f2 zurück auf die erste Frequenz f1 geschaltet. Anschließend wird der Merker auf seinen Initialisierungswert 0 gesetzt, S8, und der Programmablauf bei A fortgesetzt.
Bezugszeichen
1 Brennkraftmaschine
2 Tank
3 Niederdruckpumpe
4 Saugdrossel
5 Hochdruckpumpe
6 Rail
7 Drucksensor (Rail)
8 Injektor
9 elektronisches Motorsteuergerät (ECU)
10 Druckregler
11 Begrenzung
12 Berechnung PWM-Signal
13 erster Schalter
14 Regelstrecke
15 erstes Filter
16 PWM-Vorgabe
17 zweites Filter
18 Funktionsblock
19 Funktionsblock
20 zweiter Schalter

Claims

Patentansprüche
1. Steuerungs- und Regelungsverfahren für eine Brennkraftmaschine (1) mit einem Common-Railsystem, bei dem im Normalbetrieb ein Raildruck (pCR) geregelt wird, indem ein erster Ist-Raildruck (pCR1(IST)) über ein erstes Filter (15) aus dem Raildruck (pCR) bestimmt wird, eine Regelabweichung (ep) aus einem Soll-Raildruck (pCR(SL)) sowie dem ersten Ist-Raildruck (pCR1 (IST)) berechnet wird, eine Stellgröße (qV1) über einen Druckregler (10) aus der Regelabweichung (ep) berechnet wird und in Abhängigkeit der Stellgröße (qV1) ein PWM-Signal (PWM 1) mit einer ersten PWM-Frequenz (f1) zur Ansteuerung einer Regelstrecke (14) festgelegt wird, bei dem ein zweiter Ist-Raildruck (pCR2(IST)) über ein zweites Filter (17) bestimmt wird, ein Lastabwurf erkannt wird, wenn der zweite Ist-Raildruck (pCR2(IST)) einen ersten Grenzwert (GW1) übersteigt, mit Überschreiten des ersten Grenzwerts (G W1) das PWM-Signal (PWM 1) von der ersten PWM-Frequenz (f1) auf eine zweite PWM-Frequenz (f2) umgeschaltet wird und bei dem mit Überschreiten eines zweiten Grenzwerts (GW2) der Raildruck (pCR) gesteuert wird, indem das PWM-Signal (PWM1) temporär auf einen gegenüber dem Normalbetrieb erhöhten PWM-Wert (PWM2) gesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf einer Zeitstufe der Steuerungsbetrieb mit erhöhtem PWM-Wert (PWM2) deaktiviert wird und der Regelungsbetrieb aktiviert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das PWM-Signal (PWM1) von der zweiten P WM-Frequenz (f2) auf die erste PWM-Frequenz (f1) umgeschaltet wird, wenn der zweite Ist-Raildruck (pCR2(IST)) den ersten Grenzwert (GW1) um einen Hysteresewert (pHY) wieder unterschreitet.
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