-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Druckregelventils als Teil eines Common-Rail-Systems in einem Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Außerdem ist Teil der Erfindung ein Druckregelventil gemäß dem Oberbegriff des entsprechenden nebengeordneten Anspruchs.
-
Stand der Technik
-
Zur Erzielung einer guten Fahrleistung eines Kraftfahrzeugs mit Blick auf einen geringen Kraftstoffverbrauch, einer hohen Motorleistung und einer günstigen Abgaszusammensetzung muss der Betrieb der Brennkraftmaschine derart geregelt werden, dass die richtige Kraftstoffmenge zum richtigen Zeitpunkt mit einem richtigen Druck in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Insbesondere der Einspritzdruck des Kraftstoffs beeinflusst verschiedene Einspritzparameter, wie die Kraftstoffmenge bei einer gegebenen Einspritzzeit, eine Einspritzrate (Volumen pro Zeiteinheit), eine Kraftstoffverdampfung, eine Strahldurchdringung, eine aktuelle Einspritzzeit und eine Dauer elektrischer Signale zum Aktivieren von elektrischen Einrichtungen. Diese Parameter beeinflussen stark die Leistung der Brennkraftmaschine.
-
So zeigt die
EP 0 668 965 B1 ein Steuersystem für ein Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystem (sog. Common Rail-System), das zur elektronischen Regelung der Einspritzmenge, des Einspritzbeginns und des Einspritzdrucks abhängig vom Zustand der Brennkraftmaschine (Drehzahl, Temperatur, Druck und Lastwerte) ein hohes Maß an Genauigkeit und Flexibilität liefert. Dabei wird insbesondere das Druckregelventil des Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystems entsprechend gesteuert bzw. geregelt. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf den Inhalt dieser Patentanmeldung Bezug genommen.
-
Bisher in Serie befindliche Common Rail-Systeme mit einem Systemdruck von bis zu ca. 2000bar (bei Dieselkraftmaschinen) besitzen in der Konfiguration als Zweisteller-System ein Druckregelventil um den Kraftstoffdruck im Hochdruckteil des Kraftstoffeinspritzsystems bestmöglich an einen vorgegebenen Soll-Wert anzupassen. Das Druckregelventil wird angesteuert, indem eine Bordnetzspannung über eine Endstufe in einem Motorsteuergerät in ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal umgewandelt wird. Mit diesem PWM-Signal wird der effektive Strom durch die Spule des Druckregelventils gesteuert.
-
Zum Betreiben von Common Rail-Systemen ist eine Bordnetzspannung von mindestens 10,8 V erforderlich. Diese Bordnetzspannung ist erforderlich, um die in Serie gebauten Druckregelventilen mit einem Strom von ca. 1,6 A versorgen zu können. Dieser Strom wird benötigt, wenn das Druckregelventil bei 2000bar Kraftstoffdruck geschlossen gehalten werden soll.
-
Bei einer möglichen Erhöhung des Kraftstoffdrucks auf bspw. 2200bar und einem daraus resultierenden höheren Strom des Druckregelventils muss eine höhere Bordnetzspannung als die beispielhaft genannten 10,8 V vorhanden sein. Dadurch entsteht ein Konflikt beim Einsatz des Systems in Fahrzeugen mit einem elektrischem Energiemanagement für das Bordnetz. Das Energiemanagement sieht nämlich vor, dass bei einer Volllastanforderung an den Motor die Lichtmaschine zum Laden der Batterie abgeschaltet wird, um die Last am Motor zu reduzieren, die an der Kurbelwelle verfügbare Leistung zu erhöhen und den Kraftstoff-Verbrauch zu senken. Dabei wird das Bordnetz ausschließlich über die Batterie gespeist, wodurch die Batteriespannung bis auf den Grenzwert von 10,8 V absinken kann.
-
Im sogenannten Bremsbetrieb sorgt das Energiemanagement dafür, dass die Lichtmaschine aktiviert wird und die Batterie geladen wird. Dieser Vorgang wird als Rekuperation oder Bremsenergierückgewinnung bezeichnet.
-
Das bedeutet nachteiligerweise, dass in Volllast-Betriebspunkten der vom Motorsteuergerät geforderte Strom zum Betreiben des Druckregelventils nicht ausreicht, um dieses mit der bei Volllast und maximalem Raildruck von bspw. 2200bar erforderlichen Kraft anzusteuern, damit das Druckregelventil noch geschlossen bleibt und nicht vom Kraftstoffdruck zumindest ein wenig geöffnet wird.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass bei Volllast abhängig vom Druck im Common-Rail-System eine Bordnetzspannung derart hoch gehalten bzw. angehoben wird, dass durch das Druckregelventil auch höchste Kraftstoffdrücke gehalten werden.
-
Das Verfahren erfordert dabei vorteilhafterweise im Vergleich zu den bekannten Druckregelventilen, die in Kraftstoffeinspritzsystemen mit niedrigerem Maximaldruck eingesetzt werden, keine zusätzlichen Ressourcen in der Steuergeräte-Hardware, so dass keine zusätzlichen Kosten anfallen.
-
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht die Anhebung des maximalen Einspritzdrucks ohne konstruktive Änderungen am Druckregelventil vornehmen zu müssen, die technische Risiken mit sich bringen können und auf jeden Fall zusätzliche Kosten verursachen würden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren erzielt den gewünschten Effekt insbesondere dadurch, dass immer dann, wenn höchste Kraftstoffdrücken im Common-Rail-System gefordert werden, entweder eine Absenkung der Batteriespannung beziehungsweise der Spannung im Bordnetz verhindert wird oder bei Bedarf die Bordnetzspannung durch Aktivieren der Lichtmaschine angehoben wird.
-
Dies kann vorteilhafterweise im Motorsteuergerät im Rahmen einer modifizierten und dort als Softwarefunktion implementierten Empfehlung im Rahmen des Energie-Managements berücksichtigt werden. Die erfindungsgemäße Softwarefunktion ermittelt aus dem Fahrzeugzustand die momentane Lastanforderung, den Sollwert des Raildrucks und/oder die momentane Bordnetzspannung, der über bspw. den sog. CAN-Bus an das Steuergerät für das elektrische Energiemanagement übertragen wird. Dieses Steuergerät für das elektrische Energiemanagement steuert die Lichtmaschine in Abhängigkeit eines aktuell ermittelten elektrischen Leistungsbedarf oder einer Rekuperationsempfehlung. Im Fall der vorliegenden Erfindung wird die Lichtmaschine bei Bedarf aktiviert, um die Bordnetzspannung auf das erforderliche Niveau anzuheben.
-
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden bspw. Steuerungsbits (sog. Spannungsanforderungsbits) zum Laden der Batterie auch dann gesetzt, wenn die Sollanforderung für den Kraftstoffdruck im Common-Rail-System größer als ein vorgegebener Schwellwert von zum Beispiel 2000bar ist und das Tastverhältnis der PWM-Endstufe und somit der zum Schließen des Druckregelventils erforderliche Strom eine vordefinierte Schwelle überschreitet. Dadurch wird gewährleistet, dass bei Volllastanforderung der Brennkraftmaschine der Generator nicht abgeschaltet wird oder ein abgeschalteter Generator wieder eingeschaltet wird und somit eine ausreichend hohe Batterie- und Bordnetzspannung zur Ansteuerung des Druckregelventils erzeugt wird. Die Spannungsanforderungsbits stellen generell sicher, dass unabhängig von den Empfehlungen des Energie Managements ein Absenken der Batteriespannung verhindert wird, so dass eine Mindestspannung im Bordnetz erhalten bleibt.
-
Vorteilhaft ist auch, dass eine Kraftstoffdrucküberwachung in einer Übergangsphase von der Sollanforderung des Kraftstoffdrucks im Common-Rail-System bis zur Realisierung Fehlerreaktionen der Motorsteuerung bzw. -regelung ausschließt. Der Generator kann wegen der elektrischen Eigenschaften des Bordnetzes die Bordspannung nur mit einem gewissen Gradienten erhöhen. Dies bedeutet, dass nach Anforderung einer erhöhten Bordnetzspannung eine gewisse Zeit (bis zu ca. 5 s) vergehen kann, bis die gewünschte Bordnetzspannung zur Verfügung steht.
-
Der Sollwert des Kraftstoffdrucks im Common-Rail-System kann hingegen mit einem deutlich höheren Gradienten erhöht werden. Wenn in diesem kurzen Zeitraum der volle Kraftstoffdruckdruck im System gefordert wird, reicht der elektrische Strom am Druckregelventil nicht aus, das Druckregelventil dicht zu halten, was wiederum zu einer Leckage des Druckregelventils führt. In Folge dessen kommt es kurzfristig zu einer vergrößerten Abweichung von Soll- und Istwert des Raildrucks.
-
Um für diesen kurzen Zeitraum Fehlermeldungen der Motorsteuerung zu vermeiden, kann in der Kraftstoffdrucküberwachung des Common-Rail-Systems eine zulässige positive Regelabweichung der Batteriespannung bei niedrigen Batteriespannungen erhöht werden. Die dabei kurzzeitig auftretende kurzzeitige Leckage des Druckregelventils kann dabei toleriert werden.
-
In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens kann auch die Berechnung des Sollwerts des Kraftstoffdrucks im Common-Rail-System dem Ladezustand der Batterie angepasst werden. Das bedeutet, dass analog zum eingeleiteten Anstieg der Batteriespannung der Sollwert des Kraftstoffdrucks im Common-Rail-System bis zum gewünschten Maximalwert erhöht wird.
-
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
1 eine Darstellung eines Hochdruck-Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine;
-
2 eine detaillierte Darstellung eines Druckregelventils aus 1,
-
3 ein Bitmuster zur Steuerung bzw. Regelung einer in einem Motorsteuergerät implementierten Rekuperationsempfehlung; und
-
4 ein Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 zeigt eine Darstellung eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine. Das Hochdruck-Einspritzsystem 1 umfasst einen Tank 2 für Kraftstoff, der sich auf Atmosphärendruck befindet. Dieser ist über eine Versorgungsleitung 5 mit einer bspw. als Radialkolbenpumpe ausgebildete Hochdruckpumpe 6 verbunden. An der Hochdruckpumpe 6 ist ein Druckregelventil 7 angeordnet, das über eine Rückflussleitung 8 mit dem Tank 2 verbunden ist.
-
Die Hochdruckpumpe 6 fördert Kraftstoff unter hohem Druck (bis > 2000bar) über eine Leitung 11 zu einem Kraftstoffspeicher 10, welcher zur Verteilung des Kraftstoffes an vier Injektoren 15 und zur Dämpfung von Schwankungen des Drucks, die durch die Hochdruckpumpe 6 und das Öffnen und Schließen der Injektoren 15 verursacht ist, dient. Die Injektoren 15 ragen in Brennräume einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine hinein. Die Anzahl der Injektoren 15 kann natürlich gemäß der Anzahl der Brennräume von vier abweichen. Der Kraftstoffspeicher 10 besteht aus einem Stahlkörper, in welchem ein zylindrischer Hohlraum, der sich über die Länge des Speichers ausdehnt, und über eine zentrale Öffnung 12, die mit der Leitung 11 verbunden ist. Ferner besitzt der Kraftstoffspeicher 10 vier Öffnungen 13, die über die Länge des Kraftstoffspeichers 10 verteilt und mit vier Hochdruckversorgungsleitungen 14 die vier Injektoren 15 verbindet. Jeder Injektor 15 ist ferner mit einer Leitung 17 verbunden, durch welche Kraftstoff in den Tank 2 zurückgeleitet werden kann. Am Kraftstoffspeicher 10 ist an einem Ende ein Drucksensor 18 angeordnet.
-
2 zeigt eine detaillierte Darstellung des Druckregelventils 7. Das Druckregelventil 7 umfasst einen Grundkörper 20, der im Innern einen konischen Sitz 21 für ein an einer Schubstange 23 angeordnetes kugelförmiges Ventilelement 22 umfasst. Die Schubstange 23 ist mit einem. Stab 27 verbunden, an dem an einem Ende ein Magnetanker 26 angeordnet ist. Der Magnetanker 26 ist von einer Magnetspule 25 umschlossen. Fließt elektrischer Strom durch die Magnetspule, wirkt die Magnetspule 25 mit dem Magnetanker 26 zusammen, indem der Magnetanker 26 und mit ihm der Stab 27 bewegt wird. Am Stab 27 ist am entgegengesetzten Ende zum Magnetanker 26 eine Feder 24 angeordnet, die mit ihrer Federkraft der von der Magnetspule 25 auf den Magnetanker 26 und damit auch auf den Stab 27 erzeugten Kraft entgegenwirkt. Das Ventilelement 22 trennt einen Einlass 28 (von der Hochdruckpumpe 6 kommend) von einem Auslass 29, wobei der Auslass 29 mit der Rückflussleitung 8 verbunden ist. Durch Änderung des elektrischen Stroms, der durch die Magnetspule 25 fließt, wird die Kraft, die auf das Ventilelement 22 über den Magnetanker 26 in Schließrichtung wirkt, beeinflusst, und damit ein Auslassdruck der Hochdruckpumpe 6 gesteuert bzw. geregelt.
-
Die Druckregelung des Druckregelventils 7 erfolgt dadurch, dass die Magnetspule 25 mit einem pulsweitenmodulierten Strom mit einem veränderbaren Tastgrad beaufschlagt wird. Dazu ist in einem Motorsteuergerät ein Regelkreis implementiert, bei dem der aktuell von dem Sensor 18 gemessene Kraftstoffdrucks berücksichtigt wird. Der Kraftstoffdruck bestimmt die hydraulische Kraft, die auf das Ventilelement 22 wirkt. Solange die vom dem Magnetanker 26 über den Stab 27 in Schließrichtung auf das Ventilelement 22 ausgeübte Kraft größer ist als die oben genannte hydraulische Kraft ist, ist der Auslass 29 verschlossen und das Druckregelventil 7 dicht.
-
Beim Einsatz der oben beschriebenen Druckregelung in Fahrzeugen mit elektrischem Energiemanagement und Rekuperation kann sich das Problem ergeben, dass eine Bordnetzspannung nicht ausreicht, um einen gewünschten Kraftstoffdruck in der Kraftstoffsammelleitung 10 aufzubauen, weil die vom dem Magnetanker 26 in Schließrichtung auf das Ventilelement 22 ausgeübte Kraft zu klein ist. Das herkömmliche Energie Management schaltet nämlich bei einer Volllastanforderung den Generator zum Laden der Batterie ab, um die Last am Motor zu reduzieren. Dann wird das Bordnetz ausschließlich über die Batterie gespeist, wodurch die Batteriespannung bis auf 10,8 V absinken kann. Im Gegenzug wird im Schubbetrieb die Batterie durch gezielte Aktivierung des Generators bei erhöhter Bordnetzspannung wieder geladen (Rekuperation).
-
Bei 10,8 V Bordnetzspannung ist jedoch ein Druckaufbau in der Kraftstoffsammelleitung 10 bei einer Sollanforderung von > 2000bar, bspw. 2200bar, nicht möglich, da das Druckregelventil 7 die Kraft zum Halten des Drucks nicht aufbringen kann.
-
Deshalb wird in diesem Fall mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens entweder präventiv eine Batteriespannungsabsenkung auf 10,8 V verhindert oder es wird bei Bedarf die Bordnetzspannung durch Aktivieren der Lichtmaschine angehoben. Dies kann im Motorsteuergerät im Rahmen einer bekannten und dort als Softwarefunktion implementierten Rekuperationsempfehlung berücksichtigt werden. Diese Rekuperationsempfehlung wird bspw. über den sog. CAN-Bus an das Steuergerät für das elektrische Energiemanagement übertragen, welches wiederum die Steuerung des Generators je nach einem ermittelten elektrischen Leistungsbedarf beziehungsweise einer erforderlichen Bordnetzspannung übernimmt. Die Rekuperationsempfehlung wird in einem aus vier Bits dargestellten Bitfeld ermittelt.
-
3 zeigt die vier Bits 31, 32, 33, 34 der Rekuperationsempfehlung. Bit 31 stellt ein erstes Spannungsanforderungsbit dar, das z. B. gesetzt wird, wenn mindestens einer der Heizflansche für den Dieselmotor aktiv ist. Bit 32 wird gesetzt, wenn z. B. elektrische Zuheizer aktiv sind, oder eine Kühlerlüfteransteuerung einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, oder ein sonstiger hoher elektrischer Leistungsbedarf ohne Rekuperationspotential vorliegt, oder wenn ein Sollkraftstoffdruck von > 2000bar in der Kraftstoffsammelleitung 10 gefordert ist. Die Bits 33 und 34 stellen einen Rekuperationsstatus dar, wobei zwischen einem neutralen, einem ungünstigen und einem günstigen Rekuperationsstatus unterschieden wird, bzw. keine Rekuperationsempfehlung ausgewiesen wird.
-
Durch das Setzen des Spannungsanforderungsbits 32 auch bei einem Sollkraftstoffdruck von > 2000bar wird also gewährleistet, dass bei der Volllastanforderung der Generator nicht abgeschaltet wird bzw. ein abgeschalteter Generator wieder eingeschaltet wird und somit eine ausreichend hohe Batteriespannung zur Ansteuerung des Druckregelventils erzeugt wird. Die Spannungsanforderungsbits 31 und 32 stellen sicher, dass unabhängig von dem Rekuperationsstatus (Bit 33 und 34) ein Absenken der Batteriespannung verhindert wird, indem eine Mindestspannung gefordert wird.
-
In einer Übergangsphase von der Sollanforderung des Kraftstoffdrucks in der Kraftstoffsammelleitung bis zur Realisierung kann eine softwaremäßig realisierte Kraftstoffdrucküberwachung Fehlreaktionen ausschließen. Dazu kann in der Kraftstoffdrucküberwachung der Kraftstoffsammelleitung eine zulässige positive Regelabweichung zwischen dem Sollwert und dem Istwert des Kraftstoffdrucks bei niedrigen Batteriespannungen erhöht werden, um unerwünschte Fehlermeldungen des Motorsteuergeräts zu vermeiden. Dabei kann eine kurzzeitige Leckage des Druckregelventils toleriert werden.
-
4 zeigt den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. In der Abfrage 100 wird überprüft, ob eine Volllastanforderung vorliegt, bei der ein Kraftstoffdruck in der Kraftstoffsammelleitung 10 von > 2000bar gefordert wird. Ist dies der Fall, wird in Schritt 110 das Spannungsanforderungsbit 32 zur Rekuperationsempfehlung gesetzt. Auf Grund des Spannungsanforderungsbit 32 wird in Schritt 120 durch die Regelung im Motorsteuergerät das Absenken der Batteriespannung verhindert, indem eine entsprechende Mindestspannung eingestellt wird. Mindestens bis zum Erreichen der Mindestspannung wird der Generator zum Laden der Batterie eingeschaltet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
