DE69835151T2 - Methode und system zur druckregelung bei einem commonrail kraftstoffeinspritzsystem - Google Patents

Methode und system zur druckregelung bei einem commonrail kraftstoffeinspritzsystem Download PDF

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    • F02D2200/503—Battery correction, i.e. corrections as a function of the state of the battery, its output or its type

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Regeln des Kraftstoffdruckes in einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsysteme für Motoren, insbesondere Dieselmotoren, umfassen typischerweise mindestens eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe, eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzdüsen und mindestens eine Kraftstoffsammelleitung (oder Speicher), die zwischen der Kraftstoffpumpe und den Einspritzdüsen angeschlossen ist und zum Sammeln des Kraftstoffes mit einem relativ hohen Soll-Druck von der Pumpe zum Einspritzen durch die Kraftstoffeinspritzdüsen dient.
  • Es ist darüber hinaus bekannt, elektronische Steuereinheiten zum Steuern und Überwachen verschiedener Funktionen des Motors und der damit im Zusammenhang stehenden Systeme zu verwenden, einschließlich dem Steuern der Kraftstoffeinspritzdüsen. Ein derartiges Verfahren und eine Einrichtung für eine umfassende, integrierte Motorsteuerung wird im US-Patent Nr. 5.445.128 vom 29. August 1995 von Letang et al. für die Detroit Diesel Corporation, Einreicher des vorliegenden Patentes, für ein „Verfahren zur Motorsteuerung" offenbart.
  • In EPO 681100 A wird ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem entsprechend dem vorab beschreibenden Teil von Anspruch 1 beschrieben.
  • Es ist erstrebenswert, über ein elektronisches Kraftstoffdruckregelsystem zu verfügen, das in eine umfassende elektronische Motorsteuerungseinheit integriert ist, um doppelt vorhandene Steuerungshardware zu eliminieren und die Effizienz des gesamten gesteuerten Systems zu maximieren.
  • Es ist darüber hinaus erstrebenswert, ein Kraftstoffdruckregelungsverfahren zu verwenden, das eine Regelung des Kraftstoffdruckes in einem Common-Rail-System in einem geschlossenen Regelkreis mit begrenzten Eingaben von anderen Sensoren, Untersystem-Steuerungen oder von anderen funktionalen Teilen des umfassenden, integrierten Steuersystems bietet.
  • Es ist darüber hinaus erstrebenswert, zum Erhalten und Aufrecherhalten ausgewählter Kraftstoffdrücke innerhalb eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems ein Regelsystem und ein Verfahren zu verwenden, das relativ unempfindlich gegenüber Schwankungen der Versorgungsspannung im elektrischen System ist.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Regelsystem und Verfahren bereitzustellen, das als Teil einer umfassenden, integrierten, elektronischen Motorsteuerungseinheit zum Regeln und Überwachen des Kraftstoffdruckes in einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem eingesetzt werden kann.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren bereitzustellen, mit dem der Kraftstoffförderdruck innerhalb eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems geregelt und aufrechterhalten werden kann, das eine Hochdruckpumpe mit regelbarer Fördermenge basierend auf den Eingangssignalen Motordrehzahl (RPM), Motordrehmoment (TRQ) und tatsächlicher Kraftstoffleitungsdruck (PRACT), elektronisch regelt.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache aber stabile Regelung des Kraftstoffdruckes innerhalb eines Common-Rail-Systems bereitzustellen, in dem die fortlaufende Regelung der Fördermenge der Hochdruckpumpe und somit des Druckes in der gemeinsamen Kraftstoffleitung relativ unempfindlich gegenüber Schwankungen in der von der Stromquelle bereitgestellten Versorgungsspannung ist, die den elektrischen Strom für die Versorgung des magnetgesteuerten Ventils bereitstellt, das die Pumpe steuert.
  • Zum Ausführen der oben genannten und anderer Aufgaben und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und ein System zum Regeln und Aufrechterhalten des Kraftstoffdruckes in einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem bereitgestellt, das eine elektronische Regeleinheit, die mit einem Drucksensor kommuniziert, andere erfasste und/oder berechnete Betriebsparameter, Eingaben von Sensoren oder der Motorsteuerung und die Logik umfasst, die ausgeführt wird, um eine Hochdruckpumpe mit regelbarer Fördermenge zu steuern, um einen Soll-Druck in dem Speicher herzustellen und/oder aufrechtzuerhalten. Das System umfasst vorzugsweise eine regelbare Kraftstoffpumpe, die über ein magnetventilgesteuertes Kraftstoffeinlasssteuerventil, in dem das Magnetventil über ein pulsbreitenmoduliertes Signal betätigt wird, verfügt. In einem Ausführungsbeispiel ist die Stärke des pulsbreitenmodulierten Signals umgekehrt proportional zu der Öffnung des Steuerventils und somit ist die Fördermenge der Pumpe umgekehrt proportional zur Stärke des Steuersignals.
  • Das Steuersystem umfasst darüber hinaus vorzugsweise eine Logik zum periodischen Bestimmen einer Druckabweichung (PRERR) basierend auf den Motorbetriebsbedingungs-Eingaben, die von der Motorsteuerung bereitgestellt werden, und auf Eingaben über den tatsächlichen Druck in der Kraftstoffleitung von einem Sensor in der gemeinsamen Kraftstoffleitung. In einem Ausführungsbeispiel ist die Druckabweichung die Differenz zwischen dem Soll-Druck in der Kraftstoffleitung (PRDES, bestimmt aus Drehzahl- und Drehmomenteingaben) und dem tatsächlichen Kraftstoffleitungsdruck PRACT.
  • In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Steuerung einen Druck-Befehlsgeber mit einer Logik zum Bestimmen der Druckabweichung PRERRbasierend auf tatsächlicher Motordrehzahl (RPMACT), Motordrehmoment (TRQ) und Druck in der Kraftstoffleitung (PRACT), einen Pumpenfördermengen-Regler, der eine Logik zum Bestimmen eines Pumpennutzungsprozentsatzes (PU%) als Funktion der Druckabweichung umfasst, und einen Pumpensteuersignalgenerator (PCSG), der eine Logik zum Bestimmen eines pulsbreitenmodulierten Arbeitszyklus-Prozentsatz- (DC%) Steuersignals basierend auf dem Soll-Pumpennutzungsprozentsatz umfasst.
  • Die Steuerung umfasst darüber hinaus vorzugsweise eine Eingabe, die die aktuelle Spannung (Vb) des elektrischen Systems bereitstellt, und der PCSG bestimmt das puls breitenmodulierte Arbeitszyklus-Prozentsatz-Steuersignal basierend auf dem Pumpennutzungsprozentsatz, der Spannung und einer kalibrierten, feststehenden Frequenz.
  • Der Druck-Befehlsgeber bestimmt einen Soll-Druck PRDES basierend auf der aktuellen Motordrehzahl und dem aktuellen Motordrehmoment vorzugsweise aus einer dreidimensionalen Nachschlagetabelle, und berechnet eine Druckabweichung PRERR, die die Differenz zwischen PRDES und PRACT ist.
  • Der Pumpennutzungsregler kann herkömmliche Proportional-Integral-(PI) Steuerungslogik verwenden, um einen Proportionalfaktor (P) zu entwickeln, und vorzugsweise einen Integralfaktor (I) basierend auf der Druckabweichung, die vom Druck-Befehlsgeber bereitgestellt wurde, sowie eine Logik zum Entwickeln eines Feed-Forward-Faktors (ffPROP) basierend auf dem Drehmoment. Der Pumpennutzungsprozentsatz PUT% wird dann vorzugsweise als eine Funktion von jedem der Proportional-, Integral- und Feed-Forward-Faktoren entwickelt, und ist besonders vorzugsweise eine Summation dieser Faktoren.
  • Die oben genannten Aufgaben und andere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind für eine Person mit gewöhnlicher Erfahrung auf dem Gebiet der Technik aus der folgenden Beschreibung der besten Art und Weise des Ausführens der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Figuren offensichtlich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Blockdiagramm des Kraftstoffdruckregelgerätes der vorliegenden Erfindung, das als Teil eines integrierten, umfassenden Motorsteuerungssystems für einen Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung, das ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem nutzt, eingesetzt wird.
  • 2 ist ein Blockdiagramm, das die grundlegende Hardware-Architektur eines Ausführungsbeispiels des Reglers der vorliegenden Erfindung dargestellt.
  • 3 ist ein Blockdiagramm des Kraftstoffdruckregelsystems der vorliegenden Erfindung.
  • 4 ist ein Ablaufplan, der das Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Regeln einer regelbaren Hochdruckpumpe und dadurch zum Regeln des Kraftstoffdruckes in einem Common-Rail-System darstellt.
  • 5 ist ein Blockdiagramm/schematisches Diagramm des PCSG, der eine Rückmeldung über die Spannung des elektrischen Systems umfasst; und
  • 6 ist ein Graph einer Transferfunktion, die in der vorliegenden Erfindung zum Bestimmen des pulsbreitenmodulierten DC%-Signals verwendet wird, das an den Pumpenventilmagneten ausgegeben wird.
  • Bevorzugte Art der Ausführung der Erfindung
  • In 1 wird ein Blockdiagramm des Kraftstoffdruckregelsystems und -verfahrens der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das System 10 ist besonders für die Verwendung in einem Fahrzeug (nicht dargestellt) geeignet, das einen Motor 12 umfasst, der ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem verwendet, das hier allgemein mit 14 gekennzeichnet wurde. Der Motor ist typischerweise ein Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung, typischerweise ein Dieselmotor mit bis zu 16 Zylindern. Die Kraftstoffeinspritzdüsen 18 sind typischerweise elektronisch und/oder hydraulisch gesteuerte Pumpe-Düse-Elemente wie beispielsweise das von der Detroit Diesel Corporation erhältliche Einspritzdüsenbauteil mit der Teile-Nummer 0000105151. Das Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem umfasst mindestens eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16, eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzdüsen 18 und eine gemeinsame Kraftstoffleitung (Common Rail, auch bekannt und im Folgenden bezeichnet als Speicher) 20, die zwischen der Kraftstoffpumpe 16 und den Einspritzdüsen 18 zum Sammeln von Kraftstoff mit einem von der Pumpe erzeugten, relativ hohen Soll-Druck zum Einspritzen in die Motorzylinder nach Bedarf (und von einer weiteren Steuerungsfunktion innerhalb der Motorsteuerung 58 gesteuert) angebracht ist. Das Kraftstoffsystem enthält darüber hinaus typischerweise einen Kraftstoffversorgungstank 22, der mit der Hochdruckpumpe 16 verbunden ist. Eine Vielzahl von Sensoren 24, die typischerweise die Motorsensoren 28 und den Common-Rail-Drucksensor 30 umfassen, kommunizieren elektrisch mit dem Steuergerät 26 über die Eingabeanschlüsse 32.
  • Wie in 2 dargestellt, umfasst das Steuergerät 26 vorzugsweise einen Mikroprozessor 34, der mit verschiedenen computerlesbaren Medien über die Daten- und Steuerpuffer 38 kommuniziert. Computerlesbare Speichermedien 36 können sämtliche der bekannten Geräte einschließen, die als Festspeicher (ROM) 40, Arbeitsspeicher (RAM) 42, Keep Alive Memory (KAM [batteriestrom-gestützter Speicherchip]) 44 und dergleichen fungieren. Die computerlesbaren Speichermedien können in sämtliche der bekannten physikalischen Geräte implementiert werden, die Daten speichern können, die durch einen Computer ausführbare Befehle darstellen, wie beispielsweise das Steuergerät 26. Zu den bekannten Geräten können unter anderem PROMs, EPROMs, EEPROMs, Flash-Speicher und Ähnliches, zusätzlich zu magnetischen, optischen und Kombinationsmedien, die temporär oder permanent Daten speichern können.
  • Computerlesbare Speichermedien 36 umfassen verschiedene Programmanweisungen, Software und Steuerlogik zum Beeinflussen der Steuerung verschiedener Systeme und Untersysteme des Fahrzeugs, wie beispielsweise des Motors 12, des Getriebes (nicht dargestellt) und dergleichen. Das Steuergerät 26 empfängt Signale von den Sensoren 24 über Eingabeanschlüsse 32 und erzeugt Ausgabesignale, die über Ausgabeanschlüsse 46 an verschiedene Stellglieder und/oder Komponenten übertragen werden können.
  • Signale können darüber hinaus auch für ein Anzeigegerät 48 bereitgestellt werden, das verschiedene Indikatoren wie beispielsweise Leuchten 50 umfasst, mit denen Informationen über den Systembetrieb an den Bediener des Fahrzeuges gemeldet werden können. Die Anzeige 48 kann darüber hinaus auch einen alphanumerischen Teil oder eine andere, geeignete Benutzerschnittstelle enthalten, um dem Bediener des Fahrzeuges oder einem Techniker Statusinformationen zu übermitteln. Als solches stellt die Anzeige 48 ein oder mehrere Anzeigen oder Indikatoren dar, die sich innen und außen am Fahrzeug befinden können, sich jedoch vorzugsweise in der Kabine oder im Inneren des Fahrzeuges befinden.
  • Eine Daten-, Diagnose- und Programmierschnittstelle 52 kann darüber hinaus mit einem Stecker 54 selektiv an das Steuergerät 26 angeschlossen werden, um verschiedene Informationen zwischen den beiden Geräten auszutauschen. Die Schnittstelle 52 kann verwendet werden, um innerhalb der computerlesbaren Speichermedien 48 Werte wie beispielsweise Konfigurationseinstellungen, Kalibrierungsvariablen, Steuerlogik und dergleichen zu ändern.
  • Die Sensoren 24 umfassen vorzugsweise einen Motordrehzahlsensor 56. Die Motordrehzahl kann mit jedem einer Anzahl bekannter Sensoren erfasst werden, die Signale bereitstellen, die die Drehzahl des Schwungrades oder verschiedener innerer Motorbauteile wie beispielsweise Kurbelwelle, Nockenwelle und Ähnliches anzeigen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Motordrehzahl mit einem Taktreferenzsignal bestimmt, das von einem mit der Nockenwelle gekoppelten Zahnrad erzeugt wird. Ein Drucksensor 30 wird vorzugsweise bereitgestellt, um den tatsächlichen Kraftstoffdruck innerhalb des Speichers 20 zu bestimmen. Für eine Person mit gewöhnlicher Erfahrung auf dem Gebiet der Technik ist es offentsichtlich, dass die meisten Fahrzeuganwendungen nicht alle in den 1 und 2 dargestellten Sensoren in ihrer Gesamtheit erfordern oder verwenden. Daher ist es offensichtlich, dass die Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung unabhängig von der jeweiligen Art und Weise sind, mit der die Betriebsparameter erfasst werden.
  • Im Betrieb erhält das Steuergerät 26 Signale von Sensoren und führt in Hardware und/oder Software eingebettete Steuerlogik durch, um den tatsächlichen Kraftstoffdruck im Speicher 20 des Kraftstoffeinspritzsystems zu überwachen, eine Druckabweichung als Ergebnis der Eingabe eines Soll-Druckes in den Kraftstoffdruckregler 10 durch die Motorsteuerung 58 zu berechnen und ein Steuersignal zum Antreiben der Kraftstoffpumpe mit regelbarer Fördermenge 16 zu erzeugen, damit diese die gewünschte Kraftstoffmenge fördert, die zum Aufrechterhalten des Kraftstoff-Soll-Druckes im System benötigt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass der Kraftstoffdruckregler 10 in dem in 1 illustrierten Ausführungsbeispiel als eine von der Motorsteuerung 58 getrennte, funktionale Einheit dargestellt wird und vorzugsweise logisch getrennt von der Steuerlogik der Motorsteuerung operieren soll, die Steuerlogik für den Kraftstoffdruckregler 10 kann jedoch in die Motorsteuerungslogik oder eine andere Logik integriert sein. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 26 ein DDEC-Steuergerät, lieferbar durch die Detroit Diesel Corporation in Detroit, Michigan, USA. Verschiedene andere Eigenschaften dieses Steuergerätes werden im Einzelnen in den US-Patenten mit den Nummern 5.477.827 und 5.445.128 beschrieben, deren Offenbarungen hiermit in Ihrer Vollständigkeit als Referenz einbezogen werden.
  • Im Folgenden wird in Bezug auf die 3 und 4, in denen ein Blockdiagramm beziehungsweise einem Ablaufdiagramm dargestellt ist, eine charakteristische Steuerungslogik eines Systems und ein Verfahren zum Überwachen und Regeln des Kraftstoffdruckes im Speicher eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung dargestellt. Auch hier ist es offensichtlich, dass die Steuerungslogik als Hardware oder Software oder als Kombination aus Hard- und Software implementiert oder ausgeführt sein kann. Die verschiedenen Funktionen werden vorzugsweise durch einen programmierten Mikroprozessor wie beispielsweise ein DDEC III-Steuergerät ausgeführt, können jedoch eine oder mehrere Funktionen enthalten, die durch dedizierte elektrische, elektronische und integrierte Schaltkreise implementiert werden. Darüber hinaus ist es auch offensichtlich, dass die Steuerungslogik mit jeglicher bekannten Programmierungs- und Verarbeitungstechnologie oder Verarbeitungsstrategie implementiert werden kann und nicht auf die hier der Einfachheit halber dargestellte Reihenfolge oder Sequenz beschränkt ist. So wird zum Beispiel in Echtzeitsteuerungsanwendungen wie beispielsweise der Steuerung eines Fahrzeugmotors oder Fahrzeuggetriebes typischerweise eine interrupt- oder ereignisgesteuerte Verarbeitung verwendet. Gleichermaßen können Parallelverarbeitungs- oder Multitaskingsysteme zum Erreichen der Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die vorliegende Erfindung ist unabhängig von der jeweils verwendeten Programmiersprache, dem Betriebssystem oder dem Prozessor, die zur Umsetzung der beschriebenen Steuerungslogik verwendet werden.
  • Block 100 in 3 stellt den Druck-Befehlsgeber dar, der von dem Drucksensor 30 den tatsächlichen Druck PRACT, die Motordrehzahl RPM (entweder direkt von einem Drehzahlsensor oder indirekt von der Motorsteuerung 58) sowie das Drehmoment TRQ empfängt, das vorzugsweise von der Motorsteuerung 58 erzeugt und heruntergeladen wurde. Der Druck-Befehlsgeber bestimmt einen Soll-Druck (PRDES) basierend auf RPM und TRQ. Der PRDES wird anschließend mit dem PRACT verglichen, und basierend auf diesem Vergleich wird eine Druckabweichung (PRERR) ermittelt. Die PRERR ist vorzugsweise die Differenz zwischen PRDES und PRACT.
  • Der als Block 102 dargestellte Pumpennutzungsregler empfängt neben Eingaben für Fehlerzustände der Drucksensoren und Eingaben für Motorbetriebsbedingungen (wie beispielsweise Anlassen und Abschalten) die PRERR als Eingabe, um den Pumpennutzungsprozentsatz PUT% zu bestimmen. In einem Ausführungsbeispiel wird vom Pumpennutzungsregler eine Proportional-Integralsteuerung verwendet, um einen Proportionalfaktor (P) zu entwickeln, der den PUT% um einen Betrag anpasst, der proportional zur PRERR ist, einen Integralfaktor (I), der den PUT% um einen Betrag anpasst, der proportional zur gesammelten Multiplikation von PRERR, Zeit und einem Forward-Faktor (ffPROP) ist und den PUT% um einen Betrag anpasst, der proportional zur Motordrehzahl ist. In einem Ausführungsbeispiel ist PUT% eine einfache Summation der Faktoren P, I und ffPROP. P ist vorzugsweise auf 0,19% UTIL/BAR eingestellt, I auf 0,43% UTIL/BAR/ZEITINTERVALL (bei 16 MHz) und ffPROP auf 2,25% UTIL/MAX. DREHMOMENT. Diese Faktoren hängen selbstverständlich von den Verhaltenscharakteristiken des Motors und des Common-Rail-Systems ab. Es hat sich gezeigt, dass sich die Proportionalzuwachskonstante P typischerweise zwischen 0 und 0,125% UTIL/BAR bewegt, die Integralkonstante I bewegt sich typischerweise zwischen 0 und 1,25 UTIL/%/MAX. DREHMOMENT. ffPROP wird typischerweise bei etwa 50% des normalen Arbeitsbereichs der Pumpe initialisiert.
  • Der Integralfaktor wird vorzugsweise in Zeitintervallen von etwa 25 Millisekunden bestimmt, obwohl auch hier die Integrationsrate entsprechend bestimmter Systemreaktionscharakteristiken variiert werden kann.
  • Der Feed-Forward-Faktor kann zusätzlich oder alternativ auf einem oder mehreren zusätzlichen Motorbetriebsparametern basieren, die proportional zur Menge des eingespritzten Kraftstoffes variieren.
  • Es ist offensichtlich, dass der Pumpennutzungsregler den Pumpennutzungsprozentsatz mit einem Proportionalfaktor oder einem Integralfaktor oder einem Feed-Forward-Faktor entweder allein oder in einer beliebigen Kombination berechnen kann. Andere Faktoren, die aus historischen Systembetriebsdaten, aktuellen Betriebsbedingungen und/oder Vorhersageschemata entwickelt wurden, können neben dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel nach Wunsch oder nach den Erfordernissen der Verhaltenskenndaten des jeweiligen Motors, der Hochdruck-Kraftstoffpumpe und des Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems, für das die Regelung verwendet wird, verwendet werden.
  • In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird PUT% durch einfache Addition der Faktoren P, I und ffPROP entwickelt. Es hat sich gezeigt, dass dieses spezielle Verfahren einen PUT%-Wert liefert, der einen Soll-Kraftstoffdruck basierend auf historischen, aktuellen und erwarteten Motorbetriebsbedingungen mit minimalen Druckschwankungen aufrechterhält.
  • Block 104 stellt den PCSG dar. Der PCSG empfängt PUT% und vorzugsweise die bestehende elektrische Systemspannung (Vb) als Eingaben und entwickelt daraus ein Steuersignal, das geeignet ist, die regelbare Hochdruck-Kraftstoffpumpe zu steuern. In einem Ausführungsbeispiel ist die Kraftstoffpumpe eine regelbare Kraftstoffpumpe, die ein magnetgesteuertes Schaltventil umfasst, bei der das Fördervolumen und somit die Kraftstofffördermenge umgekehrt proportional zu dem Strom ist, der am Magnetventil anliegt. In diesem Ausführungsbeispiel besitzt die Pumpe die Baugruppen-Teile-Nummer 0050706501, lieferbar durch die Detroit Diesel Corporation in Detroit, Michigan, USA. Das Steuersignal, das den Magneten antreibt, der das Pumpensteuerventil steuert, ist ein pulsbreitenmoduliertes Signal, das den Arbeitszyklus-Prozentsatz (DC%) darstellt, der notwendig ist, um den Magneten bei einer festen Frequenz anzutreiben. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Steuerventil voll geöffnet (das heißt, Nutzung von 100% der Pumpenfördermenge), wenn DC% gleich einem geringeren, kalibrierbaren Wert ist (der gegen Null strebt) (das heißt, am Magneten liegt kein Strom an), und der Pumpennutzungsprozentsatz beträgt null, wenn DC% gleich einem relativ größeren, kalibrierbaren Wert ist (der gegen 100 strebt) (das heißt, am Magneten liegt volle Spannung an), das Steuerventil ist geschlossen und somit liefert die Pumpe keinen zusätzlichen Kraftstoff an das Common-Rail-System.
  • Der PCSG 104 verwendet darüber hinaus vorzugsweise einen vorhandenen Spannungskalibrierungsfaktor für seine Bestimmung des DC%-Steuersignals. Ein Vb-Detektor 106 (in 5 ebenfalls schematisch dargestellt) liefert die aktuelle Spannung Vb als Eingabe an den PCSG. Das DC%-Signal dient als Funktion von Vb dazu, die Auswirkungen von Schwankungen in der Systemspannung auf den Betrieb des Magneten zu eliminieren und dadurch die Auswirkungen von Schwankungen in der Systemspannung auf die Fördermenge der Kraftstoffpumpe zu eliminieren. In einem Ausführungsbeispiel wird DC% durch Interpolation zwischen einem Paar Kurven bestimmt, die 0% beziehungsweise 100% Pumpennutzung für jeden der möglichen Werte von Vb darstellen. Dieses Verfahren ist in 6 dargestellt. Diese Bestimmung kann ausgedrückt werden durch:
    Figure 00110001
    wobei K1 und K2 Konstanten sind, die sich auf die Reaktionscharakteristiken der speziellen Kraftstoffpumpe und des speziellen Magnetstellgliedes beziehen, die in dem System eingesetzt werden.
  • Wenn beispielsweise der in die Transferfunktion eingegebene PUT% gleich 40 ist (das heißt, wenn der gewünschte Pumpennutzungsprozentsatz 40% beträgt) und die vorhandene Spannung V, ist, dann wird DC% (gleich DCI) bestimmt durch eine Interpolation zwischen den Punkten P1 und P2 als 40% der Differenz zwischen den DC-Werten zwischen den beiden Punkten. In einem Ausführungsbeispiel beträgt der konstante Wert der oberen Kurve (0% Pumpennutzung) gleich 600 DC% * Volt, und der konstante Wert der unteren Kurve (100% Pumpennutzung) beträgt 150 DC% * Volt. Somit wird in diesem Ausführungsbeispiel der DC% wie folgt bestimmt:
    Figure 00110002
  • Sobald er bestimmt ist, wird das pulsbreitenmodulierte Signal, das dem DC% entspricht, übertragen, um den Magneten anzutreiben, um die gewünschte Öffnung des Steuerventils zu erzielen und dadurch die gewünschte Pumpenfördermenge zu erzielen, um den Druck im Speicher auf der gewünschten Stufe zu halten.
  • In 4 wird ein Ablaufplan dargestellt, der das Verfahren der vorliegenden Erfindung zeigt. Block 110 stellt die Initialisierung verschiedener Programmiervariablen und Schwellwerte dar, von denen einzelne oder mehrere Werte während der Initialisierung oder Reprogrammierung des Systems bestimmt werden können. Andere Werte können beim Motorstart oder anderen Ereignissen wie der Erfassung eines Fehlers aus nichtflüchtigen Speichern oder einem computerlesbaren Medium abgerufen werden. Diese Werte enthalten vorzugsweise RPM, TRQ, die Nachschlagetabelle für PRDES, die von dem Druck-Befehlsgeber verwendet wird, die vom Pumpennutzungsregler verwendeten Konstanten für die Faktoren P, I und ffPROP, sowie Druck-Schwellwerte, die ebenfalls vom Pumpennutzungsregler verwendet werden, um Fehlerzustände zu erkennen. Darüber hinaus werden auch der anfängliche Pumpennutzungswert sowie die erforderlichen Motorstart- und Motorstoppbedingungen (bestimmt von der Motorsteuerungslogik), die ebenfalls vorzugsweise vom Pumpennutzungsregler verwendet werden, wie im Folgenden erläutert, zu diesem Zeitpunkt initialisiert. Andere Referenzwerte umfassen vorzugsweise die DC%-Konstanten K1 und K2 jeweils für die Pumpennutzungskurven bei 0% und 100%, die vom Pumpensteuersignalgenerator genutzt werden.
  • Referenzwerte umfassen vorzugsweise Motordrehzahl, RPM; Drehmoment, tatsächlichen Kraftstoffleitungsdruck, PRACT und tatsächliche Spannung Vb. Die Werte für RPM und Drehmoment können von einem Motorsteuerungsgerät, wie in 1 dargestellt, übermittelt werden. PRACT kann auch durch die Motorsteuerung übermittelt werden oder direkt von dem an den Speicher angeschlossenen Drucksensor eingegeben werden. Eine Person mit gewöhnlicher Erfahrung auf dem Gebiet der Technik erkennt eine Reihe von Verfahren zum Ermitteln der Motordrehzahl, die direkt erfasst oder indirekt aus verschiedenen anderen Erfassungsparametern abgeleitet werden kann, ebenso wie das Drehmoment gleichermaßen aus anderen erfassten Parametern abgeleitet werden kann. Die von Block 112 bestimmten Referenzwerte werden beim Auftreten eines oder mehrerer vorher festgelegter Ereignisse periodisch zurückgesetzt oder erfasst (und gespeichert).
  • Die Druckabweichung PRERR wird in Block 114 bestimmt. Wie bereits beschrieben, wird dieser Wert vorzugsweise als Differenz zwischen PRDES und PRACT erzeugt. PRDES wird aus RPM und TRQ-Eingaben ermittelt, vorzugsweise durch Verweis auf eine Nachschlagetabelle, die in Block 110 initialisiert wurde. Die Auswahl von PRDES erfolgt vor zugsweise durch die Verwendung einer Nachschlagetabelle, die PRDES als eine Funktion von RPM und Drehmomentprozentsatz abbildet. Eine derartige Tabelle, die für das spezifische Ausführungsbeispiel verwendet werden kann, das in dieser Anmeldung offenbart wurde, ist im Folgenden aufgelistet:
    Figure 00140001
    PUT% wird, basierend auf PRERR, in Block 116 bestimmt. Wie bereits beschrieben, wird sowohl ein Proportionalfaktor als auch ein Integralfaktor jeweils als Funktion von PRERR entwickelt, und, basierend auf dem aktuellen Drehmoment, wird ein Feed-Forward-Faktor entwickelt. Auch hier ist PUT% vorzugsweise eine einfache Summation der Faktoren P, I und ffPROP.
  • 5 ist eine schematische Darstellung des von dem PCSG zum Messen der aktuellen Spannung verwendeten Schaltkreises. Der Schaltkreis 130 umfasst typischerweise einen Aktuator-Magneten 132, eine Diode 134 und einen Transistor 136, der, wie dargestellt, innerhalb des elektrischen Systems angeschlossen ist, um dem PCSG ein Eingabesignal zu liefern, das der aktuellen Systemspannung entspricht, so dass der PCSG die Spannungsschwankungen in seine Berechnungen einbeziehen kann, wenn er das DC%-Signal berechnet, das an die Pumpe gesendet wird. Es ist offensichtlich, dass alternativ andere herkömmliche Verfahren zum Ermitteln der aktuellen Spannung verwendet werden können, um Vb an den PCSG zu liefern.
  • Das Pumpensteuerungssignal DC% in 6 wird bei Block 118 basierend auf dem PUT% und der vorhandenen Spannung festgelegt. Auch hier stellt dieses pulsbreitenmodulierte Signal vorzugsweise einen Arbeitszyklus 90 dar, wird bei 100 Hz übertragen und durch Interpolation zwischen Punkten auf einem Paar Kurven festgelegt, die 0% Pumpennutzung und 100% Pumpennutzung bei der aktuellen Spannung Vb darstellen. Es ist offensichtlich, dass, wie bereits beschrieben, die Konstanten K1 und K2 ebenso wie die Signalfrequenz abhängig von den speziellen Betriebscharakteristiken des magnetgesteuerten Einspritzventils ausgewählt werden und entsprechend variieren können.
  • Verschiedene Fehlerbedingungen werden vorzugsweise vom System überwacht und in die Steuerung der Pumpe einberechnet. So umfassen beispielsweise die Eingaben in den Pumpennutzungsregler 102 vorzugsweise einen maximalen Pumpennutzungswert (max_pump_util), einen minimalen Pumpennutzungswert (min_pump_util) und einen Zeitgeberwert für Pumpennutzungsfehler (pump_util_fault_timer). In einem Ausführungsbeispiel empfängt der Pumpennutzungsregler Maximal- und Minimalwerte als Eingangswerte und vergleicht den PUT% mit diesen Maximal- und Minimalwerten. Wenn beispielsweise in einem Zeitraum, der länger ist als die Pumpennutzungsfehlerzeitspanne, der PUT% größer ist als der maximale Pumpennutzungswert, wird eine Fehlerbedin gung angenommen (beispielsweise hängt das Ventil im geschlossenen Zustand fest oder Kraftstoff tritt aus), eine Warnanzeige wird aktiviert und das Ereignis wird aufgezeichnet. Gleiches gilt, wenn in einem Zeitraum, der länger ist als die Pumpennutzungsfehlerzeitspanne, PUT% kleiner ist als der minimale Pumpennutzungswert, wird eine Fehlerbedingung angenommen (beispielsweise hängt das Ventil im offenen Zustand fest oder erhält keine Energie), eine Warnanzeige wird aktiviert und das Ereignis wird aufgezeichnet. Die Pumpennutzungsfehlerzeitspanne ist typischerweise auf einen Wert zwischen 0 und 255 Sekunden vorzugsweise auf 10 Sekunden eingestellt. Der minimale Pumpennutzungswert wird vorzugsweise auf etwa 2,5% eingestellt, und der maximale Pumpennutzungswert wird vorzugsweise auf etwa 97,5% eingestellt.
  • Wenn festgestellt wurde, dass sich der Motor im Startmodus befindet, erzwingt das System in einem Ausführungsbeispiel eine Fördermenge von PUT% etwa gleich 100% so lange, bis PRERR etwa gleich Null ist. Wenn PRERR Null erreicht, wird der Integrationsfaktor I auf einen Anfangspumpennutzungswert, der typischerweise etwa 50 UTIL/BAR beträgt, minus den Feed-Forward-Faktor, ffPROP, initialisiert, und das System beginnt mit der normalen Erzeugung von PUT% wie oben beschrieben.
  • PUT% kann kontinuierlich auf einem Diagnosewerkzeug angezeigt werden, um den Status der Kalibrierung des Steuersystems und den allgemeinen Zustand des Hochdruck-Kraftstoffsystems anzuzeigen und auf verborgene interne Leckagen, Fehlfunktionen oder Abnutzung von Pumpenbauteilen hinzuweisen.
  • Somit stellt die vorliegende Erfindung ein System und Verfahren zum Überwachen und Regeln des Kraftstoffdruckes innerhalb eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems bereit, das auf minimale Eingaben von dem Kraftstoffeinspritzsystem, dem Motor und anderen Steuergeräten beruht, vorzugsweise ausschließlich (PRACT, RPM, TRQ und Vb), das jedoch eine akkurate und gleichmäßige Regelung des Kraftstoffdruckes im geschlossenen Regelkreis bei allen verschiedenen und veränderlichen Anforderungen eines typischen Kraftstoffeinspritzmotors bereitstellt.
  • Das beste Verfahren zum Durchführen der Erfindung wurde detailliert beschrieben, für eine Person mit gewöhnlicher Erfahrung auf dem Gebiet der Technik, auf das sich diese Erfindung bezieht, ist es jedoch offensichtlich, dass es verschiedene alternative Entwür fe und Ausführungsbeispiele zum Durchführen der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert, gibt.

Claims (15)

  1. Elektronischer Kraftstoffdruckregler in einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem (14), das eine Vielzahl von Brennstoffeinspritzdüsen (18) zum Einspritzen von Kraftstoff mit einem ausgewählten Druck aus einer gemeinsamen Kraftstoffleitung (20) in die Zylinder (16) eines Verbrennungsmotors (12), eine gemeinsame Kraftstoffleitung (20), die an die Einspritzdüsen (18) angeschlossen ist, zum Speichern von Brennstoff mit dem ausgewählten Druck, eine an die gemeinsame Kraftstoffleitung (20) angeschlossene regelbare Kraftstoffförderpumpe (16), die Pumpe (16) ein magnetgesteuertes Ventil zum Steuern der Kraftstoffzufuhr zu der Pumpe enthaltend, und eine elektronische Motorsteuerung (26) zum Bereitstellen einer Vielzahl von Eingaben, die Motorbetriebsbedingungen entsprechen, enthält, der elektronische Kraftstoffdruckregler umfasst: einen Sensor (30) zum Erfassen des tatsächlichen Kraftstoffleitungsdruckes, einen Druck-Befehlsgeber (100), der Logik zum Bestimmen einer Druckabweichung basierend auf dem erfassten tatsächlichen Kraftstoffleitungsdruck und den Motorbetriebsbedingungen enthält, einen Pumpenfördermengen-Regler (102), der Logik zum Bestimmen des Pumpennutzungsprozentsatzes als eine Funktion der Druckabweichung enthält, einen Pumpensteuersignalgenerator (104), der Logik zum Bestimmen eines Steuersignals basierend auf dem Pumpennutzungsprozentsatz und Logik zum Ausgeben des Signals zum Treiben des Pumpenmagneten enthält, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Logik zum Bestimmen der Druckabweichung Logik zum Bestimmen eines Soll-Druckes basierend auf den Motordrehzahl- und Motordrehmomentwerten, die von der Motorsteuerung eingegeben werden, enthält, wobei die Druckabwei chung die Differenz zwischen dem Soll-Druck und dem tatsächlichen Druck ist.
  2. Elektronischer Kraftstoffdruckregler nach Anspruch 1, des Weiteren einen Sensor enthaltend, der an die Steuerung zum Erfassen der vorhandenen Spannung in dem elektrischen System angeschlossen ist, und wobei der Pumpensteuersignalgenerator Logik zum Bestimmen des Steuersignals basierend auf dem Pumpennutzungsprozentsatz und der vorhandenen Spannung enthält.
  3. Elektronischer Kraftstoffdruckregler nach Anspruch 1, wobei die Pumpennutzungsreglerlogik Proportionalsteuerungslogik verwendet und wobei der Pumpennutzungsprozentsatz als eine Funktion eines Proportionalfaktors bestimmt wird.
  4. Elektronischer Kraftstoffdruckregler nach Anspruch 3, wobei die Pumpennutzungsbefehlslogik Integralsteuerungslogik anwendet und wobei der Pumpennutzungsprozentsatz als eine Funktion eines Proportionalfaktors und eines Integralfaktors bestimmt wird.
  5. Elektronischer Kraftstoffdruckregler nach Anspruch 4, wobei der Fördermengen-Regler Logik zum Bestimmen eines Feed-Forward-Faktors basierend auf einem Motorbetriebsparameter, der proportional zu der Kraftstoffeinspritzmenge ist, enthält und wobei der Pumpennutzungsprozentsatz als eine Funktion eines Proportionalfaktors, eines Integralfaktors und des Feed-Forward-Faktors bestimmt wird.
  6. Elektronischer Kraftstoffdruckregler nach Anspruch 3, wobei der Pumpennutzungsprozentsatz eine Summation des Proportionalfaktors, des Integralfaktors und des Feed-Forward-Faktors ist.
  7. Elektronischer Kraftstoffdruckregler nach Anspruch 5, wobei der Feed-Forward-Faktor auf dem Motordrehmoment basiert.
  8. Elektronischer Kraftstoffdruckregler nach Anspruch 2, wobei
    Figure 00200001
  9. Verfahren zum Regeln des Kraftstoffdruckes in dem Hochdruckspeicher eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems mit wenigstens einer regelbaren Kraftstoffhochdruckpumpe, die ein magnetgesteuertes Schaltventil enthält, das Verfahren umfasst: Bestimmen der Motordrehzahl und des Motordrehmomentes, Erfassen des tatsächlichen Druckes in dem Speicher, Bestimmen eines Soll-Druckes basierend auf der Motordrehzahl und dem Motordrehmoment, Vergleichen des Soll-Druckes mit dem tatsächlichen Druck, Regeln der Kraftstoffpumpe basierend auf dem Vergleich, und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Vergleichens des Soll-Druckes mit dem tatsächlichen Druck den Schritt des Bestimmens einer Druckabweichung gleich der Differenz zwischen dem Soll-Druck und dem tatsächlichen Druck enthält, und wobei die Logik zum Bestimmen der Druckabweichung Logik zum Bestimmen eines Soll-Druckes basierend auf von der Motorsteuerung eingegebenen Motordrehzahl- und Motordrehmomentwerten umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Regelns der Kraftstoffpumpe das Bestimmen eines Pumpennutzungsprozentsatzes basierend auf der Kraftstoffdruckabweichung und das Bestimmen eines Pumpensteuersignals basierend auf dem Pumpennutzungsprozentsatz und der Spannung umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Bestimmens eines Pumpennutzungsprozentsatzes das Erstellen eines Proportionalfaktors umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Bestimmens eines Pumpennutzungsprozentsatzes das Bestimmen eines Integralfaktors umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Bestimmens eines Pumpennutzungsprozentsatzes das Bestimmen eines Feed-Forward-Faktors umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Bestimmens eines Pumpennutzungsprozentsatzes das Bestimmen eines Proportionalfaktors, eines Integralfaktors und eines Feed-Forward-Faktors umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Pumpennutzungsprozentsatz eine Summation des Proportionalfaktors, des Integralfaktors und des Feed-Forward-Faktors ist.
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