EP1496232B1 - Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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EP1496232B1
EP1496232B1 EP04015476A EP04015476A EP1496232B1 EP 1496232 B1 EP1496232 B1 EP 1496232B1 EP 04015476 A EP04015476 A EP 04015476A EP 04015476 A EP04015476 A EP 04015476A EP 1496232 B1 EP1496232 B1 EP 1496232B1
Authority
EP
European Patent Office
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rotational speed
frequency
nmot
nkr
limiting value
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP04015476A
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English (en)
French (fr)
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EP1496232A2 (de
EP1496232A3 (de
Inventor
Armin DÖLKER
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Rolls Royce Solutions GmbH
Original Assignee
MTU Friedrichshafen GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by MTU Friedrichshafen GmbH filed Critical MTU Friedrichshafen GmbH
Publication of EP1496232A2 publication Critical patent/EP1496232A2/de
Publication of EP1496232A3 publication Critical patent/EP1496232A3/de
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Publication of EP1496232B1 publication Critical patent/EP1496232B1/de
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Expired - Lifetime 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • 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
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    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
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    • F02D2200/0602—Fuel pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D2250/31—Control of the fuel pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1497—With detection of the mechanical response of the engine
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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
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating an internal combustion engine with a common rail injection system according to the preamble of claim 1.
  • a high pressure pump delivers the fuel from a fuel tank to a high pressure accumulator.
  • the high-pressure accumulator is referred to as a rail.
  • the flow rate of the high-pressure pump is determined by a suction throttle. Their position in turn is specified by an electronic control unit in response to input variables, z. B. the desired performance.
  • the control of the suction throttle is designed as a PWM-modulated signal with a constant frequency, z. B. 100 Hz. Due to this type of delivery of the fuel, a periodic signal is thus impressed on the rail.
  • the signal frequency corresponds to the frequency of the PWM signal.
  • the rail is periodically withdrawn fuel, so that the periodically fluctuating high fuel pressure is sampled. If the fuel extraction z. B. with a frequency of 99 Hz, the result is a difference signal of 1 Hz. This means that the fuel high pressure, a 1 Hz signal is superimposed.
  • a control method for a PWM controlled actuator is known.
  • the end edge of the PWM signal is changed in response to a setpoint.
  • This is intended to a rapidly changing setpoint, z. B. accelerator pedal value to be reacted.
  • From the same reference is also known to change the period of the PWM signal in response to the setpoint.
  • the above-described problem of vibration excitation is not mitigated by this control method.
  • the invention is therefore based on the object to reduce the pressure oscillations in the rail due to external excitation by the suction throttle.
  • the invention provides that from the angular distance of two injections, which defines the injection period, and the first frequency of the PWM signal (fundamental frequency), a critical speed is calculated. Depending on the critical speed then a speed range is determined. At engine speed values within the speed range, the PWM signal is set to a second frequency. For motor speed values outside the speed range, the PWM signal is set to the first frequency. In other words, the PWM signal is switched from the first to the second frequency in the range of the critical speed. For a rising engine speed and for a falling engine speed each has its own speed range is provided. Likewise, the invention provides that the frequency switching is performed at the integer multiples of the critical speed.
  • the high-pressure control loop is stabilized.
  • An additional optimization of high-pressure control parameters is not required here.
  • the P, I and D components of the high-pressure regulator remain unchanged.
  • the effects on the hysteresis of the suction throttle are low, if the first and second frequencies differ only slightly, z. For example, for the first frequency 100 Hz and for the second frequency 120 Hz. Since the time constant of the controlled system, ie the pump with suction throttle and the rail, in general, are significantly greater than the reciprocal of the first and second frequency of the PWM signal occurs Switching to the second frequency almost trouble-free.
  • the effects on fuel high pressure are therefore minimal.
  • the invention has the advantage that it can be subsequently applied with simple means and little effort in an electronic control unit of an internal combustion engine.
  • the FIG. 1 shows an internal combustion engine 1.
  • the fuel is injected via a common rail system.
  • This comprises the following components: Pumps 3 with a suction throttle for conveying the fuel from a fuel tank 2, a rail 6 for storing the fuel and injectors 7 for injecting the fuel from the rail 6 into the combustion chambers of the internal combustion engine 1.
  • the operation of the internal combustion engine 1 is controlled by an electronic control unit (EDC) 4.
  • the electronic control unit 4 includes the usual components of a microcomputer system, such as a microprocessor, I / O devices, buffers and memory devices (EEPROM, RAM). In the memory modules relevant for the operation of the internal combustion engine 1 operating data in maps / curves are applied. About this calculates the electronic control unit 4 from the input variables, the output variables.
  • FIG. 1 the following input variables are exemplarily shown: an actual rail pressure pCR (IST), which is measured by means of a rail pressure sensor 5, a speed signal nMOT the internal combustion engine 1, an input E and a signal FW for power specification by the operator. Under the input E, for example, the charge air pressure of a turbocharger and the temperatures of the coolant / lubricant and the fuel are subsumed.
  • FIG. 1 are shown as outputs of the electronic control unit 4, a signal ADV for controlling the suction throttle and an output variable A.
  • the output variable A is representative of the further control signals for controlling and regulating the internal combustion engine 1, for example the start of injection SB and the injection duration SD.
  • the signal ADV is executed in practice as a pulse width modulated signal (PWM).
  • PWM pulse width modulated signal
  • FIG. 2 is a high-pressure control circuit shown.
  • the input quantity corresponds to the setpoint of the rail pressure pCR (SL).
  • the output quantity corresponds to the raw value of the rail pressure pCR.
  • the rail pressure actual value pCR (IST) is determined by means of a filter 12. This is compared with the setpoint pCR (SL) at a summation point, from which the control deviation dp results.
  • a manipulated variable is calculated by means of a high-pressure regulator 8.
  • the manipulated variable corresponds to a volume flow qV.
  • the physical unit of the volume flow can, for. B. liters / minute.
  • the calculated nominal consumption is added to the volume flow qV.
  • the volume flow qV corresponds to the input variable for a limitation 9.
  • the limitation 9 can be speed-dependent, input variable nMOT.
  • the output qV (SL) of the limit 9 is then converted in a function block 10 into a PWM signal.
  • the solenoid coil of the suction throttle then becomes the PWM signal applied.
  • the pumps 3 with suction throttle and the rail 6 correspond to the controlled system 11. From the rail 6, a volume flow qV (VER) is discharged via the injectors 7. This closes the control loop.
  • FIG. 3 is a time chart for a speed-up run of an internal combustion engine with sixteen cylinders.
  • the injection period is 45 degrees relative to the crankshaft.
  • a PWM signal with a first frequency f1 of 102.4 Hz.
  • the ordinates represent the values of the rail pressure pCR and the values of the engine speed nMOT. As abscissa different time values are shown.
  • the diagram itself shows the rail pressure actual value pCR (IST) and the engine speed nMOT.
  • the angular distance between two injections, the injection period is dependent on the number of cylinders of the internal combustion engine. In a 20-cylinder internal combustion engine, the angular distance z. B. 72 degrees.
  • the engine speed nMOT at point A exceeds the speed value 768 revolutions / minute.
  • This speed value corresponds to an injection frequency of 102.4 Hz.
  • This frequency in turn is identical to the first frequency of the PWM signal.
  • the rail pressure actual value pCR (IST) shows from the time t6 clear pressure oscillations with increasing amplitudes. The maximum amplitude (peak / peak) is about 40 bar. After time t8, the amplitude decreases again.
  • FIG. 4 is a speed diagram for an increasing engine speed (arrow to the right) and a falling engine speed (arrow to the left) shown.
  • An increasing or decreasing engine speed can z. B. be identified by the speed gradient nGRAD.
  • the invention now provides that a critical speed nKR is calculated from the injection period and the first frequency f1 of the PWM signal.
  • the critical speed nKR corresponds to z. B. 768 revolutions / minute, corresponding to the point A of FIG. 3 .
  • a first speed range BER1 and a second speed range BER2 are then determined. These can be z. B. 120 revolutions / minute.
  • the first speed range BER1 is defined by a first limit value n1 and a second limit value n2.
  • the second speed range BER2 is defined by a third limit value n3 and a fourth limit value n4.
  • the first n1 and third limit n3 are set to engine speed lower than the critical speed nKR.
  • the second n2 and fourth limit n4 are set to higher engine speed values than the critical speed nKR.
  • the third limit value n3 is shifted from the first limit value n1 by a first hysteresis value Hyst1 to smaller engine speed values.
  • the value of the first hysteresis Hyst1 can be z. B. 20 revolutions / minute. It prevents switching back and forth between both frequencies in stationary operation.
  • nKR nMOT is switched back to the first frequency f1 of the second frequency f2 with increasing engine speed nMOT when the second limit n2 is exceeded.
  • a return to the second frequency f2 takes place at falling speed only when the fourth limit n4 is exceeded.
  • the fourth limit value n4 is shifted from the third limit value n3 by a second hysteresis value Hyst2 to smaller engine speed values.
  • the two speed ranges BER1 and BER2 within which the second frequency f2 is valid. Outside these speed ranges, the frequency of the PWM signal is identical to the first frequency f1. If the first frequency f1 z. B.
  • FIGS. 5A and 5B illustrate as state diagrams again the switching mechanism from the first frequency f1 to the second frequency f2 and vice versa.
  • FIG. 5A shows that for engine speeds nMOT below the critical speed nKR is switched from the first f1 to the second frequency f2 when the engine speed nMOT is greater than the first limit n1.
  • the first frequency f1 is then switched back when the engine speed nMOT becomes smaller than the third limit value n3, corresponding to the difference of the first limit value n1 and the first hysteresis Hyst1.
  • FIG. 5B shows that for engine speeds nMOT above the critical speed nKR is switched from the second f2 to the first frequency f1 when the engine speed nMOT exceeds the second threshold n2.
  • the second frequency f2 is then switched back when the engine speed nMOT becomes smaller than the fourth limit value n4, corresponding to the difference of the second limit value n2 minus the second hysteresis Hyst2.
  • the FIG. 6 shows a program schedule.
  • the critical speed nKR is calculated from the angular distance between two injections, ie the injection period, and the first frequency f1 of the PWM signal.
  • the engine speed nMOT is smaller than the critical speed nKR. If this is smaller, at S3 the program flowchart of FIG. 7 branched. If this is larger, then the program flowchart of S4 becomes FIG. 8 branched.
  • FIG. 7 is a program flowchart for engine speeds nMOT below the critical speed nKR shown.
  • a flag is set to one at S1.
  • the PWM signal is then set to the first frequency f1, e.g. B. 102.4 Hz.
  • the flag has the value one. If this is the case, it is checked at S4 whether the engine speed nMOT the first Limit has exceeded n1. If so, the frequency of the PWM signal is set to the second frequency f2, step S5. The PWM signal is thus switched.
  • the flag is then set to the value zero and branched to point A. If the query at S4 negative, it is branched directly to point A.
  • step S7 If the test at S3 indicates that the flag has the value zero, then it is checked in step S7 whether the engine speed nMOT falls below the third limit value n3, corresponding to the difference of the first limit value n1 minus the first hysteresis Hyst1. If this is the case, then the frequency of the PWM signal is reset to the value f1, step S8. In step S9, the flag is then reset to the value one and branched back to point A. If the query at S7 is negative, then branching is made directly to point A.
  • FIG. 8 is a program flowchart for engine speeds nMOT above the critical speed nKR.
  • a flag is set to the value one.
  • the PWM signal is set to the second frequency f2.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-Einspritzsystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Bei einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-Einspritzsystem fördert eine Hochdruck-Pumpe den Kraftstoff aus einem Kraftstofftank in einen Hochdruckspeicher. Im weiteren Text wird der Hochdruckspeicher als Rail bezeichnet. Der Förderstrom der Hochdruck-Pumpe wird durch eine Saugdrossel bestimmt. Deren Stellung wiederum wird durch ein elektronisches Steuergerät in Abhängigkeit von Eingangsgrößen vorgegeben, z. B. dem Leistungswunsch. Üblicherweise ist die Ansteuerung der Saugdrossel als PWM-moduliertes Signal mit einer konstanten Frequenz ausgeführt, z. B. 100 Hz. Bedingt durch diese Förderart des Kraftstoffs wird dem Rail folglich ein periodisches Signal eingeprägt. Die Signal-Frequenz entspricht der Frequenz des PWM-Signals. Dem Rail wird periodisch Kraftstoff entnommen, sodass der periodisch schwankende Kraftstoffhochdruck abgetastet wird. Erfolgt die Kraftstoffentnahme z. B. mit einer Frequenz von 99 Hz, so entsteht ein Differenz-Signal von 1 Hz. Dies bedeutet, dass dem Kraftstoffhochdruck ein 1 Hz-Signal überlagert ist.
  • Wird die Drehzahl der Brennkraftmaschine langsam erhöht, so entsteht im Bereich um bestimmte Motordrehzahl-Werte ein aufklingendes, symmetrisches Hochdruck-Signal. Im weiteren Text werden diese bestimmten Motordrehzahl-Werte als kritische Drehzahlen bezeichnet. Die Schwingungen des Kraftstoffhochdrucks werden erst dann sichtbar, wenn die Dämpfung des Rails nicht mehr ausreicht, d. h. bei Frequenzen von 0 bis ca. 2 Hz. Diese Druckschwingungen treten immer dann auf, wenn die Einspritzperiode mit der PWM-Frequenz identisch wird. Bei einer 16-zylindrigen Brennkraftmaschine beträgt die Einspritzperiode 45 Grad bezogen auf die Kurbelwelle, d. h. die Kurbelwelle durchläuft diesen Winkel zwischen einer ersten und zweiten Einspritzung. Dieser Winkel entspricht bei der Drehzahl von 750 Umdrehungen je Minute einer Frequenz von 100 Hz. Beträgt die PWM-Frequenz ebenfalls 100 Hz, so klappt das periodisch entstehende Hochdruck-Signal bei dieser kritischen Drehzahl um. Die Druckschwingungen klingen unterhalb der kritischen Drehzahl auf und oberhalb dieser Drehzahl wieder ab. Dasselbe gilt für ganzzahlige Vielfache dieses Drehzahlwerts. Diese Druckschwingungen im Rail sind problematisch, da hierdurch keine konstante Güte der Einspritzung mehr gewährleistet ist.
  • Aus der DE 40 20 654 C2 ist ein Regelverfahren für ein PWMgesteuertes Stellglied bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Endflanke des PWM-Signals in Abhängigkeit eines Sollwerts verändert. Hierdurch soll auf einen sich rasch verändernden Sollwert, z. B. Fahrpedal-Wert, reagiert werden. Aus der gleichen Fundstelle ist ebenfalls bekannt, die Periode des PWM-Signals in Abhängigkeit des Sollwerts zu verändern. Das zuvor beschriebene Problem der Schwingungsanregung wird jedoch durch dieses Regelverfahren nicht entschärft.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde die Druckschwingungen im Rail aufgrund äußerer Anregung durch die Saugdrossel zu verringern.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Ausgestaltungen hierzu sind in den Unteransprüchen dargestellt.
  • Die Erfindung sieht vor, dass aus dem Winkelabstand zweier Einspritzungen, welcher die Einspritzperiode definiert, sowie der ersten Frequenz des PWM-Signals (Grundfrequenz) eine kritische Drehzahl berechnet wird. In Abhängigkeit der kritischen Drehzahl wird danach ein Drehzahlbereich festgelegt. Bei Motordrehzahl-Werten innerhalb des Drehzahlbereichs wird das PWM-Signal auf eine zweite Frequenz gesetzt. Bei Motordrehzahl-Werten außerhalb des Drehzahlbereichs wird das PWM-Signal auf die erste Frequenz gesetzt. Mit anderen Worten: Das PWM-Signal wird im Bereich der kritischen Drehzahl von der ersten auf die zweite Frequenz umgeschaltet. Für eine steigende Motordrehzahl und für eine fallende Motordrehzahl ist jeweils ein eigener Drehzahlbereich vorgesehen. Ebenso sieht die Erfindung vor, dass die Frequenzumschaltung bei den ganzzahlig Vielfachen der kritischen Drehzahl ausgeführt wird.
  • Durch die Umschaltung des PWM-Signals im Bereich um die kritischen Drehzahlen wird der Hochdruck-Regelkreis stabilisiert. Eine zusätzliche Optimierung von Hochdruck-Regelparametern ist hierbei jedoch nicht erforderlich. Der P-, I- und D-Anteil des Hochdruck-Reglers bleiben unverändert. Die Auswirkungen auf die Hysterese der Saugdrossel sind gering, wenn sich die erste und zweite Frequenz nur wenig unterscheiden, z. B. für die erste Frequenz 100 Hz und für die zweite Frequenz 120 Hz. Da die Zeitkonstanten der Regelstrecke, d. h. der Pumpen mit Saugdrossel und des Rails, im Allgemeinen deutlich größer sind als der Kehrwert der ersten und zweiten Frequenz des PWM-Signals, erfolgt das Umschalten auf die zweite Frequenz nahezu störungsfrei. Die Auswirkungen auf den Kraftstoffhochdruck sind folglich minimal. Ganz allgemein bietet die Erfindung den Vorteil, dass sie mit einfachen Mitteln und wenig Aufwand nachträglich in ein elektronisches Steuergerät einer Brennkraftmaschine appliziert werden kann.
  • In den Zeichnungen ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein Systemschaubild;
    Fig. 2
    einen Hochdruck-Regelkreis;
    Fig. 3
    ein Zeitdiagramm;
    Fig. 4
    ein Drehzahldiagramm;
    Fig. 5A, B
    zwei Zustandsdiagramme;
    Fig. 6
    einen Programm-Ablaufplan;
    Fig. 7
    einen Programm-Ablaufplan;
    Fig. 8
    einen Programm-Ablaufplan.
  • Die Figur 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1. Bei der dargestellten Brennkraftmaschine 1 wird der Kraftstoff über ein Common-Rail-System eingespritzt. Dieses umfasst folgende Komponenten: Pumpen 3 mit einer Saugdrossel zur Förderung des Kraftstoffs aus einem Kraftstofftank 2, ein Rail 6 zum Speichern des Kraftstoffs und Injektoren 7 zum Einspritzen des Kraftstoffs aus dem Rail 6 in die Brennräume der Brennkraftmaschine 1.
  • Die Betriebsweise der Brennkraftmaschine 1 wird durch ein elektronisches Steuergerät (EDC) 4 geregelt. Das elektronische Steuergerät 4 beinhaltet die üblichen Bestandteile eines Mikrocomputersystems, beispielsweise einen Mikroprozessor, I/O-Bausteine, Puffer und Speicherbausteine (EEPROM, RAM). In den Speicherbausteinen sind die für den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 relevanten Betriebsdaten in Kennfeldern/Kennlinien appliziert. Über diese berechnet das elektronische Steuergerät 4 aus den Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen. In Figur 1 sind exemplarisch folgende Eingangsgrößen dargestellt: ein Ist-Raildruck pCR(IST), der mittels eines Rail-Drucksensors 5 gemessen wird, ein Drehzahl-Signal nMOT der Brennkraftmaschine 1, eine Eingangsgröße E und ein Signal FW zur Leistungs-Vorgabe durch den Betreiber. Unter der Eingangsgröße E sind beispielsweise der Ladeluftdruck eines Turboladers und die Temperaturen der Kühl-/Schmiermittel und des Kraftstoffs subsumiert.
  • In Figur 1 sind als Ausgangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 4 ein Signal ADV zur Steuerung der Saugdrossel und eine Ausgangsgröße A dargestellt. Die Ausgangsgröße A steht stellvertretend für die weiteren Stellsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise den Einspritzbeginn SB und die Einspritzdauer SD. Das Signal ADV ist in der Praxis als pulsweitenmoduliertes Signal (PWM) ausgeführt.
  • In Figur 2 ist ein Hochdruck-Regelkreis dargestellt. Die Eingangsgröße entspricht dem Sollwert des Raildrucks pCR(SL). Die Ausgangsgröße entspricht dem Rohwert des Raildrucks pCR. Aus dem Rohwert des Raildrucks pCR wird mittels eines Filters 12 der Raildruck-Istwert pCR(IST) bestimmt. Dieser wird mit dem Sollwert pCR(SL) an einem Summationspunkt verglichen, woraus die Regelabweichung dp resultiert. Aus der Regelabweichung dp wird mittels eines Hochdruck-Reglers 8 eine Stellgröße berechnet. Die Stellgröße entspricht einem Volumenstrom qV. Die physikalische Einheit des Volumenstroms kann z. B. Liter/Minute sein. Optional ist vorgesehen, dass zum Volumenstrom qV der berechnete Sollverbrauch addiert wird. Der Volumenstrom qV entspricht der Eingangsgröße für eine Begrenzung 9. Die Begrenzung 9 kann drehzahlabhängig ausgeführt sein, Eingangsgröße nMOT. Die Ausgangsgröße qV(SL) der Begrenzung 9 wird danach in einem Funktionsblock 10 in ein PWM-Signal umgerechnet. Bei der Umrechnung werden Schwankungen der Betriebsspannung und des Kraftstoffvordrucks mitberücksichtigt. Mit dem PWM-Signal wird dann die Magnetspule der Saugdrossel beaufschlagt. Dadurch wird der Weg des Magnetkerns verändert, wodurch der Förderstrom der Hochdruck-Pumpe frei beeinflusst wird. Die Pumpen 3 mit Saugdrossel und das Rail 6 entsprechen der Regelstrecke 11. Aus dem Rail 6 wird über die Injektoren 7 ein Volumenstrom qV(VER) abgeführt. Damit ist der Regelkreis geschlossen.
  • In Figur 3 ist ein Zeitdiagramm für einen Drehzahl-Hochlauf einer Brennkraftmaschine mit sechzehn Zylindern dargestellt. Bei dieser beträgt die Einspritzperiode 45 Grad bezogen auf die Kurbelwelle. Zu Grunde gelegt wurde bei diesem Zeitdiagramm ein PWM-Signal mit einer ersten Frequenz f1 von 102.4 Hz. Auf den Ordinaten sind die Werte des Raildrucks pCR und die Werte der Motordrehzahl nMOT aufgetragen. Als Abszisse sind verschiedene Zeitwerte dargestellt. Im Diagramm selber ist der Raildruck-Istwert pCR(IST) und die Motordrehzahl nMOT abgebildet. Der Winkelabstand zwischen zwei Einspritzungen, die Einspritzperiode, ist von der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine abhängig. Bei einer 20-zylindrigen Brennkraftmaschine kann der Winkelabstand z. B. 72 Grad betragen.
  • Zwischen den Zeitpunkten t7 und t8 übersteigt die Motordrehzahl nMOT im Punkt A den Drehzahlwert 768 Umdrehungen/Minute. Dieser Drehzahlwert entspricht einer Einspritzfrequenz von 102.4 Hz. Diese Frequenz wiederum ist identisch mit der ersten Frequenz des PWM-Signals. Der Raildruck-Istwerts pCR(IST) zeigt ab dem Zeitpunkt t6 deutliche Druckschwingungen mit zunehmender Amplutide. Die maximale Amplitude (Spitze/Spitze) beträgt etwa 40 bar. Nach dem Zeitpunkt t8 verringert sich wieder die Amplitude.
  • Aus dem Diagramm der Figur 3 wird deutlich, dass bei Erhöhung der Motordrehzahl nMOT sich im Bereich der kritischen Drehzahl, hier: 768 Umdrehungen/Minute, ein aufklingendes, symmetrisches Hochdrucksignal ausbildet. Die Schwingungen des Raildruck-Istwerts pCR(IST) werden dann sichtbar, wenn die Dämpfung des Rails nicht mehr ausreicht, d. h. bei Frequenzen von 0 bis ca. 2 Hz. Höhere Frequenzen als 2 Hz werden vom Rail so stark gedämpft, dass diese kaum noch sichtbar sind. Die Druckschwingungen des Raildruck-Istwerts pCR(IST) treten immer dann auf, wenn die Einspritzperiode mit der ersten Frequenz f1 des PWM-Signals identisch wird. Dies gilt auch für die ganzzahlig Vielfachen der Einspritzperiode. Damit ergeben sich weitere kritische Drehzahlen bei Vielfachen von 768 Umdrehungen/Minute, also bei 1536 und 2304 Umdrehungen/Minute.
  • In Figur 4 ist ein Drehzahldiagramm für eine steigende Motordrehzahl (Pfeilrichtung nach rechts) und eine fallende Motordrehzahl (Pfeilrichtung nach links) dargestellt. Eine steigende oder fallende Motordrehzahl kann z. B. anhand des Drehzahl-Gradienten nGRAD identifiziert werden. Die Erfindung sieht nun vor, dass aus der Einspritzperiode und der ersten Frequenz f1 des PWM-Signals eine kritische Drehzahl nKR berechnet wird. Die kritische Drehzahl nKR entspricht z. B. 768 Umdrehungen/Minute, entsprechend dem Punkt A der Figur 3. In Abhängigkeit der kritischen Drehzahl nKR werden danach ein erster Drehzahlbereich BER1 und ein zweiter Drehzahlbereich BER2 festgelegt. Diese können z. B. 120 Umdrehungen/Minute betragen. Der erste Drehzahlbereich BER1 wird durch einen ersten Grenzwert n1 und einen zweiten Grenzwert n2 definiert. Der zweite Drehzahlbereich BER2 wird durch einen dritten Grenzwert n3 und einen vierten Grenzwert n4 definiert. Der erste n1 und dritte Grenzwert n3 sind auf kleinere Motordrehzahl-Werte als die kritische Drehzahl nKR gesetzt. Der zweite n2 und vierte Grenzwert n4 sind auf höhere Motordrehzahl-Werte als die kritische Drehzahl nKR gesetzt. Bei ansteigender Motordrehzahl nMOT wird das PWM-Signal beim ersten Grenzwert n1 von der ersten Frequenz f1 auf die zweite Frequenz f2 umgeschaltet. Bei fallender Motordrehzahl nMOT erfolgt das Zurückschalten auf die erste Frequenz f1 unterhalb der kritischen Drehzahl nKR erst dann, wenn die Motordrehzahl den dritten Grenzwert n3 unterschreitet. Der dritte Grenzwert n3 ist gegenüber dem ersten Grenzwert n1 um einen ersten Hysteresewert Hyst1 zu kleineren Motordrehzahl-Werten verschoben. Der Wert der ersten Hysterese Hyst1 kann z. B. 20 Umdrehungen/Minute betragen. Sie verhindert ein Hin- und Herschalten zwischen beiden Frequenzen im stationären Betrieb.
  • Oberhalb der kritischen Drehzahl nKR wird bei steigender Motordrehzahl nMOT von der zweiten Frequenz f2 wieder auf die erste Frequenz f1 zurückgeschaltet, wenn der zweite Grenzwert n2 überschritten wird. Ein Zurückschalten auf die zweite Frequenz f2 erfolgt bei fallender Drehzahl erst dann, wenn der vierte Grenzwert n4 unterschritten wird. Der vierte Grenzwert n4 ist gegenüber dem dritten Grenzwert n3 um einen zweiten Hysteresewert Hyst2 zu kleineren Motordrehzahl-Werten verschoben. Insgesamt ergeben sich die zwei Drehzahlbereiche BER1 und BER2, innerhalb derer die zweite Frequenz f2 gültig ist. Außerhalb dieser Drehzahlbereiche ist die Frequenz des PWM-Signals mit der ersten Frequenz f1 identisch. Beträgt die erste Frequenz f1 z. B. 102.4 Hz, so ergibt sich bei einer Einspritzperiode von 45 Grad Kurbelwinkel eine kritische Drehzahl nKR von 768 Umdrehungen/Minute. Bei einer zweiten Frequenz f2 von 120 Hz würde sich eine kritische Drehzahl nKR von 900 Umdrehungen/Minute ergeben. Wird der erste Grenzwert n1 auf den Wert 700 Umdrehungen/Minute und der zweite Grenzwert n2 auf den Wert 820 Umdrehungen/Minute gesetzt, so können sich keine Hochdruckschwingungen ausbilden.
  • Die Figuren 5A und 5B verdeutlichen als Zustandsdiagramme nochmals den Umschaltmechanismus von der ersten Frequenz f1 auf die zweite Frequenz f2 und umgekehrt.
  • Die Figur 5A zeigt, dass für Motordrehzahlen nMOT unterhalb der kritischen Drehzahl nKR von der ersten f1 auf die zweite Frequenz f2 umgeschaltet wird, wenn die Motordrehzahl nMOT größer als der erste Grenzwert n1 wird. Auf die erste Frequenz f1 wird dann zurückgeschaltet, wenn die Motordrehzahl nMOT kleiner als der dritte Grenzwert n3 wird, entsprechend der Differenz des ersten Grenzwerts n1 und der ersten Hysterese Hyst1.
  • Die Figur 5B zeigt, dass für Motordrehzahlen nMOT oberhalb der kritischen Drehzahl nKR von der zweiten f2 auf die erste Frequenz f1 umgeschaltet wird, wenn die Motordrehzahl nMOT den zweiten Grenzwert n2 überschreitet. Auf die zweite Frequenz f2 wird dann zurückgeschaltet, wenn die Motordrehzahl nMOT kleiner wird als der vierte Grenzwert n4, entsprechend der Differenz des zweiten Grenzwerts n2 minus der zweiten Hysterese Hyst2.
  • Die Figur 6 zeigt einen Programm-Ablaufplan. Bei S1 wird die kritische Drehzahl nKR aus dem Winkelabstand zweier Einspritzungen, also der Einspritzperiode, und der ersten Frequenz f1 des PWM-Signals berechnet. Bei S2 wird geprüft, ob die Motordrehzahl nMOT kleiner als die kritische Drehzahl nKR ist. Ist diese kleiner, so wird bei S3 zum Programm-Ablaufplan der Figur 7 verzweigt. Ist diese größer, so wird bei S4 zum Programm-Ablaufplan der Figur 8 verzweigt.
  • In Figur 7 ist ein Programm-Ablaufplan für Motordrehzahlen nMOT unterhalb der kritischen Drehzahl nKR dargestellt. Nach dem Starten der Brennkraftmaschine wird bei S1 ein Merker auf Eins gesetzt. Bei S2 wird danach das PWM-Signal auf die erste Frequenz f1 gesetzt, z. B. 102.4 Hz. Danach wird bei S3 geprüft, ob der Merker den Wert Eins hat. Ist dies der Fall, so wird bei S4 geprüft, ob die Motordrehzahl nMOT den ersten Grenzwert n1 überschritten hat. Ist dies der Fall, so wird die Frequenz des PWM-Signals auf die zweite Frequenz f2 gesetzt, Schritt S5. Das PWM-Signal wird also umgeschaltet. Bei S6 wird anschließend der Merker auf den Wert Null gesetzt und zum Punkt A verzweigt. Ist die Abfrage bei S4 negativ, so wird unmittelbar zum Punkt A verzweigt.
  • Ergibt die Prüfung bei S3, dass der Merker den Wert Null hat, so wird bei Schritt S7 geprüft, ob die Motordrehzahl nMOT den dritten Grenzwert n3 unterschreitet, entsprechend der Differenz des ersten Grenzwerts n1 minus der ersten Hysterese Hyst1. Ist dies der Fall, so wird die Frequenz des PWM-Signals wieder auf den Wert f1 gesetzt, Schritt S8. Im Schritt S9 wird anschließend der Merker wieder auf den Wert Eins gesetzt und zum Punkt A zurückverzweigt. Ist die Abfrage bei S7 negativ, so wird unmittelbar zum Punkt A verzweigt.
  • In Figur 8 ist ein Programm-Ablaufplan für Motordrehzahlen nMOT oberhalb der kritischen Drehzahl nKR dargestellt. Zunächst wird ein Merker auf den Wert Eins gesetzt. Bei S2 wird das PWM-Signal auf die zweite Frequenz f2 gesetzt. Beim S3 wird geprüft, ob der Merker den Wert Eins hat. Ist dies der Fall, so wird bei S4 geprüft, ob die Motordrehzahl nMOT den zweiten Grenzwert n2 überschreitet. Bei positivem Ergebnis wird das PWM-Signal auf die erste Frequenz f1 gesetzt und der Merker auf den Wert Null gesetzt, S5 und S6. Anschließend wird zum Programmpunkt A verzweigt. Ist die Abfrage bei S4 negativ, so wird unmittelbar zum Punkt A verzweigt.
  • Ergibt die Prüfung bei S3, dass der Merker den Wert Null hat, so wird bei S7 geprüft, ob die Motordrehzahl nMOT kleiner als der vierte Grenzwert n4 ist, entsprechend der Differenz aus zweitem Grenzwert n2 minus der zweiten Hysterese Hyst2. Ist dies der Fall, so wird bei S8 das PWM-Signal auf die zweite Frequenz f2 gesetzt und der Merker auf den Wert Eins gesetzt, S9. Danach wird wieder zum Programmpunkt A verzweigt. Ist die Abfrage bei S7 negativ, so wird unmittelbar zum Punkt A verzweigt.
  • Aus der vorigen Beschreibung ergeben sich für die Erfindung folgende Vorteile:
    • Durch die Umschaltung der Frequenz des PWM-Signals wird das Entstehen von Hochdruckschwingungen im Rail verhindert.
    • Da sich die beiden Frequenz-Werte des PWM-Signals nur geringfügig unterscheiden, sind die Auswirkungen auf die Hysterese der Saugdrossel gering.
    • Zur Stabilisierung des Hochdruck-Regelkreises in den kritischen Drehzahlbereichen ist keine weitere Optimierung von Hochdruck-Regelparametern notwendig.
    • Da die Zeitkonstanten der Regelstrecke (Pumpen mit Saugdrossel und Rail) im Allgemeinen deutlich größer sind als der Kehrwert der PWM-Frequenz, erfolgt das Umschalten von der ersten Frequenz auf die zweite Frequenz und vice versa nahezu störungsfrei, d. h. ohne Auswirkung auf den Kraftstoffhochdruck.
    Bezugszeichen
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Kraftstofftank
    3
    Pumpen mit Saugdrossel
    4
    Elektronisches Steuergerät (EDC)
    5
    Rail-Drucksensor
    6
    Rail
    7
    Injektor
    8
    Hochdruck-Regler
    9
    Begrenzung
    10
    Funktionsblock
    11
    Regelstrecke
    12
    Filter

Claims (10)

  1. Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine (1) mit Common-Rail-Einspritzsystem, bei dem aus einem Istwert (pCR(IST)) und einem Sollwert (pCR(SL)) des Raildrucks mittels eines Hochdruck-Reglers (8) eine Stellgröße berechnet wird, in Abhängigkeit der Stellgröße ein PWM-Signal mit einer konstanten, ersten Frequenz (f1) zur Ansteuerung der Regelstrecke (11) mit Saugdrossel bestimmt wird, bei dem aus dem Winkelabstand (Phi) zweier Einspritzungen sowie der ersten Frequenz (f1) des PWM-Signals eine kritische Drehzahl (nKR) berechnet wird (nKR=f(Phi, f1)), in Abhängigkeit der kritischen Drehzahl (nKR) ein Drehzahlbereich (BER) festgelegt wird, bei Motordrehzahl-Werten (nMOT) außerhalb des Drehzahlbereichs (BER) das PWM-Signal auf die erste Frequenz (f1) gesetzt wird und bei Motordrehzahl-Werten (nMOT) innerhalb des Drehzahlbereichs (BER) das PWM-Signal auf eine zweite Frequenz (f2) gesetzt wird, wobei der Drehzahlbereich (BER) einem ersten Drehzahlbereich (BER1) entspricht, der bei steigender Motordrehzahl (nMOT) gesetzt wird, und der Drehzahlbereich (BER) einem zweiten Drehzahlbereich (BER2) entspricht, der bei fallender Motordrehzahl gesetzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der erste Drehzahlbereich (BER1) über einen ersten Grenzwert (n1) und einen zweiten Grenzwert (n2) definiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der erste Grenzwert (n1) unterhalb der kritischen Drehzahl (nKR) liegt (n1 <nKR) und der zweite Grenzwert (n2) oberhalb der kritischen Drehzahl (nKR) liegt (n2>nKR).
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das PWM-Signal von der ersten (f1) auf die zweite Frequenz (f2) umgeschaltet wird, wenn die Motordrehzahl (nMOT) größer als der erste Grenzwert (n1) des ersten Bereichs (BER1) wird (nMOT>n1) und von der zweiten (f2) auf die erste Frequenz (f1) umgeschaltet wird, wenn die Motordrehzahl (nMOT) größer als der zweite Grenzwert (n2) des ersten Bereichs (BER1) wird (nMOT>n2).
  5. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der zweiten Drehzahlbereich (BER2) über einen dritten Grenzwert (n3) und einen vierten Grenzwert (n4) definiert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 2 und Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der zweite Drehzahlbereich (BER2) gegenüber dem ersten Drehzahlbereich (BER1) um einen Hysteresewert (Hyst) zu kleinen Motordrehzahl-Werten verschoben wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 2 und Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der dritte Grenzwert (n3) aus dem ersten Grenzwert (n1) minus einem ersten Hysteresewert (Hyst1) berechnet wird (n3=n1-Hyst1) und der vierte Grenzwert (n4) aus dem zweiten Grenzwert (n2) minus einem zweiten Hysteresewert (Hyst2) berechnet wird (n4=n2-Hyst2).
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das PWM-Signal von der ersten (f1) auf die zweite Frequenz (f2) umgeschaltet wird, wenn die Motordrehzahl (nMOT) kleiner als der vierte Grenzwert (n4) des zweiten Bereichs (BER2) wird (nMOT<n4) und von der zweiten (f2) auf die erste Frequenz (f1) umgeschaltet wird, wenn die Motordrehzahl (nMOT) kleiner als der dritte Grenzwert (n3) des zweiten Bereichs (BER2) wird (nMOT<n3).
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die ganzzahlig Vielfachen (nKR(i), i = 2, 3 ...) der kritischen Drehzahl (nKR) berechnet werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass bei den ganzzahlig Vielfachen (nKR(i)) der kritischen Drehzahl (nKR) eine Umschaltung der Frequenz des PWM-Signals nach einem der Ansprüche 1 bis 8 erfolgt.
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