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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum
Regeln des Kraftstoffdruckes in einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem
für einen
Verbrennungsmotor.
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Hintergrund
der Erfindung
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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.
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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.
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In
EPO 681100 A wird ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem entsprechend
dem vorab beschreibenden Teil von Anspruch 1 beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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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.
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2 ist
ein Blockdiagramm, das die grundlegende Hardware-Architektur eines
Ausführungsbeispiels des
Reglers der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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3 ist
ein Blockdiagramm des Kraftstoffdruckregelsystems der vorliegenden
Erfindung.
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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.
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5 ist
ein Blockdiagramm/schematisches Diagramm des PCSG, der eine Rückmeldung über die Spannung
des elektrischen Systems umfasst; und
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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.
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Bevorzugte
Art der Ausführung
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Integralfaktor wird vorzugsweise in Zeitintervallen von etwa 25
Millisekunden bestimmt, obwohl auch hier die Integrationsrate entsprechend
bestimmter Systemreaktionscharakteristiken variiert werden kann.
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Der
Feed-Forward-Faktor kann zusätzlich
oder alternativ auf einem oder mehreren zusätzlichen Motorbetriebsparametern
basieren, die proportional zur Menge des eingespritzten Kraftstoffes
variieren.
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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.
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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.
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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.
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Der
PCSG
104 verwendet darüber
hinaus vorzugsweise einen vorhandenen Spannungskalibrierungsfaktor
für seine
Bestimmung des DC%-Steuersignals. Ein V
b-Detektor
106 (in
5 ebenfalls
schematisch dargestellt) liefert die aktuelle Spannung V
b als Eingabe an den PCSG. Das DC%-Signal
dient als Funktion von V
b 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 V
b darstellen. Dieses Verfahren
ist in
6 dargestellt. Diese Bestimmung kann ausgedrückt werden
durch:
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.
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Wenn
beispielsweise der in die Transferfunktion eingegebene P
UT% 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:
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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.
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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.
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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).
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Die
Druckabweichung PR
ERR wird in Block
114 bestimmt.
Wie bereits beschrieben, wird dieser Wert vorzugsweise als Differenz
zwischen PR
DES und PR
ACT erzeugt.
PR
DES wird aus RPM und TRQ-Eingaben ermittelt,
vorzugsweise durch Verweis auf eine Nachschlagetabelle, die in Block
110 initialisiert
wurde. Die Auswahl von PR
DES erfolgt vor zugsweise
durch die Verwendung einer Nachschlagetabelle, die PR
DES 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:
P
UT% wird, basierend auf PR
ERR,
in Block
116 bestimmt. Wie bereits beschrieben, wird sowohl
ein Proportionalfaktor als auch ein Integralfaktor jeweils als Funktion
von PR
ERR entwickelt, und, basierend auf
dem aktuellen Drehmoment, wird ein Feed-Forward-Faktor entwickelt. Auch hier ist P
UT% vorzugsweise eine einfache Summation
der Faktoren P, I und ff
PROP.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.