DE19622776A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Steuerung einer Brennkraftmaschine gemäß den
Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Ein solches Verfahren und eine solche Einrichtung sind aus
der DE-OS 195 39 885 bekannt. Dort wird ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine
beschrieben, wobei wenigstens eine Kraftstoffpumpe den
Kraftstoff von einem Niederdruckbereich in einen
Hochdruckbereich fördert. Der Druck des Kraftstoffs im
Hochdruckbereich ist auf einen vorgebbaren Wert regelbar.
Durch Ansteuern von Injektoren kann der Kraftstoff den
einzelnen Brennräumen der Brennkraftmaschine zugemessen
werden. Solche Systeme, bei denen der Kraftstoff unter hohem
Druck über Injektoren den Brennräumen zugemessen wird,
werden üblicherweise als Common-Rail-Systeme bezeichnet.
Solche Systeme können sowohl bei selbstzündenden als auch
bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen eingesetzt werden.
Unter ungünstigen Betriebsbedingungen kann die
Kraftstofftemperatur bei solchen Common-Rail-Systemen auf
Werte ansteigen, die außerhalb des spezifizierten
Temperaturbereichs der einzelnen Komponenten liegen. Die
Erhöhung der Kraftstofftemperatur muß durch geeignete
Maßnahmen verhindert werden. Dabei soll ein zusätzlicher
Kraftstoffkühler vermieden werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der
erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, die Erwärmung
des Kraftstoffs in Grenzen zu halten. Vorteilhafte und
zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsformen erläutert. Fig. 1 zeigt
anhand eines Blockdiagrammes ein Common-Rail-System, Fig.
2a zeigt ein Blockdiagramm und Fig. 2b ein Flußdiagramm zur
Verdeutlichung einer ersten Ausführungsform. In Fig. 3 ist
ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform und in Fig.
4 ein Flußdiagramm einer dritten Ausführungsform
dargestellt.
In Fig. 1 ist ein Common-Rail-System als Blockdiagramm
dargestellt. Ein sogenanntes Rail ist mit 100 bezeichnet.
Das Rail 100 dient als Speicher für den unter Druck
stehenden Kraftstoff und steht mit Injektoren 110 in
Verbindung, die den Kraftstoff in die nicht dargestellten
Brennräume der Brennkraftmaschine zumessen. Die Injektoren
können von einem Steuergerät 115 mit Ansteuersignalen
beaufschlagt werden.
Das Steuergerät 115 verarbeitet Signale eines Drucksensors
120, eines Drehzahlsensors 122 und einer
Kraftstoffmengenvorgabe 124 sowie weiterer Sensoren, die den
Betriebszustand der Brennkraftmaschine erfassen.
Das Steuergerät 115 beaufschlagt ferner ein Druckregelventil
130 mit einem Ansteuersignal. Das Druckregelventil 130 ist
in der Verbindungsleitung zwischen dem Rail 100 und einem
Kraftstoffvorratsbehälter 135 angeordnet. Das
Druckregelventil 130 ist vorzugsweise derart ausgestaltet,
daß es bei einem bestimmten Druck P im Rail 100 die
Verbindung zum Kraftstoffvorratsbehälter 135 freigibt. Der
Druckwert, bei dem es die Verbindung freigibt, kann mittels
des Ansteuersignals variiert werden.
Ferner steht der Kraftstoffvorratsbehälter 135 über eine
Vorförderpumpe 140 und eine Hochdruckpumpe 145 mit dem Rail
100 in Verbindung. Zwischen der Hochdruckpumpe 145 und dem
Rail 100 kann ein Rückschlagventil 148 angeordnet sein.
Zwischen der Vorförderpumpe 140 und der Hochdruckpumpe 145
ist ein Begrenzungsventil 150 angeordnet, das die Verbindung
zum Kraftstoffvorratsbehälter 135 freigeben kann.
Die Hochdruckpumpe 145 ist in einer bevorzugten
Ausführungsform derart ausgestaltet, daß sie aus zwei oder
mehreren Pumpenelementen besteht. Vorzugsweise ist die
Hochdruckpumpe als herkömmliche Verteilerpumpe oder
Reihenpumpe ausgebildet. Durch ein geeignetes Ansteuersignal
A1 kann wenigstens eines der Pumpenelemente in Betrieb
genommen oder abgeschaltet werden.
Der Bereich zwischen der Hochdruckpumpe 145 sowie den
Injektoren 110 wird als Hochdruckbereich bezeichnet. Der
Bereich zwischen Tank 135 und der Hochdruckpumpe 145 wird
als Niederdruckbereich bezeichnet.
Der Sensor 230, der das Kraftstofftemperatursignal T erfaßt,
kann sowohl im Hochdruckbereich, als auch im
Niederdruckbereich angeordnet sein. Des weiteren ist es auch
möglich, das Kraftstofftemperatursignal T ausgehend von
anderen Betriebsgrößen, insbesondere anderen
Temperatursignalen, zu berechnen.
Diese Einrichtung arbeitet nun wie folgt. Die Vorförderpumpe
140 fördert den Kraftstoff aus dem Kraftstoffvorratsbehälter
135 zur Hochdruckpumpe 145. Die Hochdruckpumpe 145
verdichtet den Kraftstoff auf einen relativ hohen Druck.
Üblicherweise werden bei Systemen für fremdgezündete
Brennkraftmaschinen Druckwerte von 30 bar bis 100 bar und
bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen Druckwerte von etwa
1000 bar bis 2000 bar erzielt.
Der Kraftstoff gelangt von der Hochdruckpumpe 145 über das
Rückschlagventil 148 in das Rail 100. Dort befindet sich der
Kraftstoff unter dem hohen Druck.
Abhängig von dem Ansteuersignal des Steuergeräts 115 geben
die Injektoren 110 die Verbindung zwischen dem Rail und den
einzelnen Brennräumen frei. Dadurch läßt sich der
Einspritzbeginn, das Einspritzende und damit auch die
Einspritzmenge der Kraftstoffzumessung in die einzelnen
Brennräume von dem Steuergerät 115 abhängig von
verschiedenen Betriebskenngrößen steuern.
Baut sich zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe
ein zu hoher Kraftstoffdruck auf, so gibt das
Begrenzungsventil 150 die Verbindung zum Tank frei.
Der Druck im Hochdruckbereich, insbesondere im Rail 100,
wird mittels des Drucksensors 120 erfaßt. Abhängig von
diesem Druckwert P berechnet das Steuergerät die
Ansteuersignale für die Injektoren 110. Ferner wird dieses
Signal zur Druckregelung verwendet, d. h. durch Öffnen und
Schließen des Druckregelventils 130 kann der Druck P im Rail
auf vorgebbare Werte eingestellt werden.
Die Ansteuerung der Injektoren 110 erfolgt abhängig von der
Drehzahl n der gewünschten Kraftstoffmenge QK und dem Druck
P im Hochdruckbereich. Insbesondere bei hohen Lasten, d. h.
bei großen eingespritzten Kraftstoffmengen, erwärmt sich die
Brennkraftmaschine aufgrund der Abwärme. Dies wiederum führt
dazu, daß der Kraftstoff sich ebenfalls erwärmt. Aufgrund
der Kompression des Kraftstoffes tritt ebenfalls eine
Erwärmung auf.
Insbesondere bei kleinen eingespritzten Kraftstoffmengen
gelangt ein erheblicher Teil des Kraftstoffes über das
Druckregelventil 130 in den Tank 135 zurück und wird erneut
verdichtet. Hierdurch ergibt sich eine wesentliche Erwärmung
des Kraftstoffes.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, daß durch geeignete
Beeinflussung von Steuergrößen der Brennkraftmaschine die
Kraftstofftemperatur begrenzt wird. Durch geeignete
Beeinflussung der Einspritzmenge, des Drucks im Rail, der
Fördermenge der Hochdruckpumpe und/oder geeigneter weiterer
Größen wird die Kraftstofftemperatur derart beeinflußt, daß
diese eine vorgegebene Schwelle nicht überschreitet.
Die Zunahme der Kraftstofftemperatur durch die Abwärme der
Brennkraftmaschine kann durch Beschränkung der maximal
zulässigen einzuspritzenden Kraftstoffmenge verhindert
werden. Die maximal zulässige einzuspritzende
Kraftstoffmenge wird hierzu über ein Kennfeld abhängig von
der Kraftstofftemperatur T und/oder der Drehzahl N der
Brennkraftmaschine beschränkt.
Eine solche Vorgehensweise ist in Fig. 2a als Blockdiagramm
dargestellt. Eine Mengenvorgabe 200 verarbeitet das
Ausgangssignal eines Fahrpedalgebers 205 und das
Ausgangssignal N des Drehzahlgebers 122. Die Mengenvorgabe
200 beaufschlagt eine Minimalauswahl 210 mit einem Signal
QK0. Am zweiten Eingang der Minimalauswahl 210 liegt das
Ausgangssignal einer ersten Begrenzung 215.
Das Ausgangssignal der ersten Minimalauswahl 210 QK1 gelangt
zu einer zweiten Minimalauswahl 220 an deren zweiten Eingang
das Ausgangssignal QKT einer Temperaturbegrenzung 225
anliegt. Die Temperaturbegrenzung 225 verarbeitet das
Ausgangssignal N des Drehzahlsensors 122 und Ausgangssignal
T eines Temperatursensors 230.
Das Ausgangssignal QK2 der zweiten Minimalauswahl 220
gelangt zu einer dritten Minimalauswahl 235, an deren
zweiten Eingang das Ausgangssignal einer zweiten Begrenzung
240 anliegt. Das Ausgangssignal QK der dritten Begrenzung
235 dient als einzuspritzendes Kraftstoffmengensignal QK und
wird von der Steuerung 115 verarbeitet.
Die Anordnung der Minimalauswahlen 210 und 235 ist nur
beispielhaft angegeben. Die beiden Minimalauswahlen können
auch zu einer Minimalauswahl zusammengefaßt und an Stelle
der Minimalauswahl 210 oder der Minimalauswahl 235
angeordnet sein.
Die Funktionsweise dieser Einrichtung wird anhand des
Flußdiagrammes gemäß Fig. 2b erläutert. In einem ersten
Schritt 250 bestimmt die Mengenvorgabe 200 ausgehend von dem
Fahrerwunschsignal FP, der Drehzahl N und gegebenenfalls
weiteren Betriebskenngrößen eine Fahrerwunschmenge QK0. In
der ersten Minimalauswahl 210 wird dieses Mengensignal QK0
auf einen höchstzulässigen Wert begrenzt, der von der ersten
Begrenzung 215 bereitgestellt wird. Diese Begrenzung ist so
gewählt, daß beispielsweise die höchstzulässige
Kraftstoffmenge bei einer bestimmten Drehzahl nicht
überschritten werden darf. Dieses so begrenzte Mengensignal
QK1 steht nach Beendigung des Schrittes 250 zur Verfügung.
Im Schritt 255 erfaßt der Temperatursensor 230 die
Temperatur T des Kraftstoffes. Anschließend in Schritt 260
wird überprüft, ob die Temperatur T größer als eine Schwelle
TS ist. Ist dies nicht der Fall, so wird von der
Minimalauswahl 220 als Signal QK2 das Signal QK1
weitergegeben.
Erkennt die Abfrage 260, daß die Temperatur größer als die
Temperaturschwelle ist, so wird in Schritt 270 als Funktion
der Drehzahl N und/oder der Temperatur T ein Begrenzungswert
QKT vorgegeben. Anschließend wird in Schritt 275 überprüft,
ob die Menge QK1 größer als die Menge QKT ist. Ist dies der
Fall, so wird in Schritt 280 die Menge QK2 mit dem Wert QKT
gesetzt. Andernfalls wird in Schritt 265 der Wert QK2 mit
dem Wert QK1 gesetzt.
Anschließend an die Schritte 265 und 280 kann das Signal QK2
von der Minimalauswahl 235 auf das Ausgangssignal einer
zweiten Begrenzung 240 begrenzt werden. Das Ausgangssignal
der Minimalauswahl 235 dient dann als einzuspritzende
Kraftstoffmenge QK, abhängig von der die Steuerung 115 die
Injektoren ansteuert.
Bei dieser Ausführungsform wird, wie in Fig. 2b
dargestellt, beim Überschreiten einer Temperaturwelle TS die
einzuspritzende Kraftstoffmenge QK1 auf einen vorgebbaren
Schwellwert QKT begrenzt, der vorzugsweise abhängig von
zumindestens der Drehzahl N vorgebbar ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird die maximal
zulässige Menge QKT mittels des Kennfeldes 225 als Funktion
der Drehzahl N und/oder der Kraftstofftemperatur T
vorgegeben.
Die Zunahme der Kraftstofftemperatur durch die Abwärme der
Brennkraftmaschine wird durch Beschränkung der
einzuspritzenden Kraftstoffmenge QK verhindert. Die
Begrenzung kann zum einen derart realisiert sein, daß die
Temperaturbegrenzung 225 als Kennfeld realisiert ist, indem
die höchstzulässige Kraftstoffmenge QKT abhängig von
Drehzahl N und/oder Temperatur T abgelegt ist und die
Wunschmenge mit der Minimalauswahl 220 auf diesen Wert
begrenzt wird. Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß bei
Überschreiten einer Temperaturschwelle TS die
einzuspritzende Kraftstoffmenge auf einen wenigstens von der
Drehzahl N abhängigen Wert begrenzt wird.
Bei üblichen Common-Rail-Systemen wird der Kraftstoff von
einer ungeregelten Hochdruckpumpe 145 komprimiert. Die
Druckregelung erfolgt mittels des Druckregelventils 130,
dessen Durchfluß so eingestellt wird, daß sich der
gewünschte Druck P im Hochdruckbereich einstellt. Die
Kraftstoffmenge, die komprimiert wird, ist durch das
Fördervolumen der Pumpe bestimmt.
An einem stationären Betriebspunkt wird die Kraftstoffmenge,
die sich aus der Differenz zwischen dem Fördervolumen der
Hochdruckpumpe 145, und der in die Brennkraftmaschine
eingespritzten Kraftstoffmenge QK ergibt, durch das
Druckregelventil 130 abgelassen. Die zur Kompression dieser
anschließend wieder abgelassenen Kraftstoffmenge benötigte
mechanische Leistung wird in Wärme umgesetzt. Diese
Verlustleistung ist im wesentlichen proportional zur
Druckdifferenz zwischen Hochdruck- und Niederdruckbereich
und der Pumpendrehzahl.
Da die Pumpendrehzahl fest an die Motordrehzahl gekoppelt
ist, kann die Kraftstofftemperatur nur durch die
Verringerung der Druckdifferenz zwischen dem Hochdruck- und
dem Niederdruckbereich, d. h. durch Beschränkung des Drucks
P im Hochdruckbereich, beeinflußt werden. Zusätzlich kann
die Verlustleistung durch eine Verminderung der
Förderkapazität der Hochdruckpumpe 145 reduziert werden.
Eine solche Verminderung der Förderkapazität kann
beispielsweise mittels einer sog. Elementabschaltung
erfolgen. Eine Beschränkung der Motordrehzahl läßt sich
beispielsweise auch mit der in Fig. 2 dargestellten
Ausführungsform realisieren.
In Fig. 3 ist die Begrenzung des Raildruckes auf einen
temperaturabhängigen Grenzwert anhand eines Blockdiagrammes
dargestellt. Bereits in früheren Figuren beschriebene Blöcke
sind mit entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet. Eine
Solldruckvorgabe 300 verarbeitet das Drehzahlsignal N des
Drehzahlsensors 122 und die einzuspritzende Kraftstoffmenge
QK des Blockes 124. Ausgehend von diesen Signalen bildet die
Solldruckvorgabe 300 einen Sollwert P0 für den Raildruck P.
Dieser Drucksollwert P0 gelangt zu einer Minimalauswahl 310
an deren zweiten Eingang ein Grenzwert P1 anliegt, der von
einer Grenzwertvorgabe 315 bereitgestellt wird, die
wenigstens ein Temperatursignal T des Temperatursensors 230
verarbeitet.
Am Ausgang der Minimalauswahl 310 liegt der Sollwert PS für
den Raildruck an. Dieser gelangt über ein Verknüpfungspunkt
320 zu einem Druckregler 330, der das Druckbegrenzungsventil
130 ansteuert. Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes
320 liegt der tatsächliche Druck P1, der mittels des Sensors
120 erfaßt wird.
Diese Einrichtung arbeitet nun wie folgt. Ausgehend von der
Drehzahl N, der einzuspritzenden Kraftstoffmenge QK und
gegebenenfalls weiteren Größen berechnet die
Solldruckvorgabe 300 einen gewünschten Raildruck (P0).
Ausgehend von wenigstens der Temperatur T des Kraftstoffes
berechnet die Druckbegrenzung 315 einen höchst zulässigen
Druckwert P1. Diese beiden Werte werden der Minimalauswahl
310 zugeführt. Diese Minimalauswahl 310 begrenzt den
Drucksollwert P0 auf den höchstzulässigen Wert P1. Dies
bedeutet, ist der Wert P0 kleiner als der Wert P1, so wird
der Wert P0 als Sollwert PS weitergegeben. Übersteigt der
Wert P0 den Wert P1, so wird der Wert P1 als Sollwert PS
weitergegeben.
Der Wert PS für den Sollwert des Druckes wird im
Verknüpfungspunkt 320 mit dem tatsächlichen Druckwert P1
verglichen. Die so gebildete Regelabweichung wird dem
Druckregler 330 zugeleitet, der abhängig von dieser
Regelabweichung das Ventil 130 ansteuert.
In Fig. 4 ist mittels eines Flußdiagramms ein Verfahren
dargestellt, bei dem das Fördervolumen mittels einer
sogenannten Elementabschaltung verringert wird.
Dazu ist es erforderlich, daß die Hochdruckpumpe 145
wenigstens ein getrennt ansteuerbares Pumpenelement
aufweist. Dies bedeutet, daß ein Ansteuersignal A1
vorgesehen sein muß, wobei wenigstens ein Pumpenelement nur
fördert, wenn das erste Ansteuersignal Al vorliegt.
In einem ersten Schritt 400 wird ein Merker TM auf 0
gesetzt. Im anschließenden Schritt 410 wird die Temperatur T
des Kraftstoffes erfaßt.
Die anschließende Abfrage 420 überprüft, ob die Temperatur T
größer als eine erste Temperaturschwelle TS1 ist. Ist dies
der Fall, so wird in Schritt 430 der Merker TM mit 1 gesetzt
und in Schritt 440 das Ansteuersignal Al zurückgenommen.
Dies hat zur Folge, daß nur noch ein Pumpenelement fördert.
Anschließend folgt erneut Schritt 410.
Erkennt die Abfrage 420, daß die Temperatur kleiner ist als
die Temperaturschwelle TS1, so überprüft die Abfrage 450, ob
der Merker TM mit 1 gesetzt ist. Ist dies nicht der Fall, so
folgt unmittelbar Schritt 480, in dem das Ansteuersignal A1
ausgegeben wird. Dies hat zur Folge daß beide Pumpenelemente
fördern.
Erkennt die Abfrage 450, daß der Merker TM mit 1 gesetzt
ist, so folgt die Abfrage 460, die überprüft, ob die
Temperatur T größer als eine zweite Schwelle TS2 ist. Ist
dies der Fall, so folgt Schritt 440 in dem das
Ansteuersignal A1 zurückgenommen wird. Dies bewirkt, daß nur
ein Pumpenelement fördert.
Erkennt die Abfrage 460, daß die Temperatur nicht größer als
die Temperaturschwelle TS2 ist, so folgt Schritt 470, in dem
der Merker TM mit 0 gesetzt wird. Anschließend folgt
ebenfalls Schritt 480.
Der Merker TM zeigt an, bei einem vorhergehenden Durchlauf
die Temperatur die Schwelle TS1 überschritten hat. Ist dies
der Fall, werden erst bei Unterschreiten einer zweiten
Schwelle TS2, die unterhalb der Schwelle TS1 liegt, beide
Pumpenelemente wieder in Betrieb genommen.
Ein Pumpenelement wird über eine Hysterese als Funktion der
Kraftstofftemperatur abgeschaltet. Dabei muß die
Temperaturschwelle so gewählt werden, daß auch bei
Abschaltung eines Elements sichergestellt wird, daß das
Fördervolumen ausreicht, um den gewünschten Raildruck bei
maximaler Einspritzmenge einzustellen.
Die beschriebenen Maßnahmen zur Begrenzung der
Kraftstofftemperatur können jeweils einzeln und/oder in
Kombination durchgeführt werden. Auch ist es möglich, daß
die Maßnahmen nacheinander bei unterschiedlichen
Schwellwerten für die Kraftstofftemperatur durchgeführt
werden.
Claims (9)
1. Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei dem
wenigstens eine Kraftstoffpumpe Kraftstoff von einem
Niederdruck- in einen Hochdruckbereich fördert, wobei der
Kraftstoff durch Ansteuern von Injektoren den Brennräumen
der Brennkraftmaschine zumeßbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß abhängig von einem Temperaturwert eine
Beeinflussung von wenigstens einer Steuergröße der
Brennkraftmaschine derart erfolgt, daß der Temperaturwert
einen Schwellwert nicht überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Temperaturwert ein Wert verwendet wird, der von
Temperatur des Kraftstoffes, insbesondere des Kraftstoffs im
Hochdruckbereich, abhängt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leistung der Kraftstoffpumpe vermindert wird, wenn
der Temperaturwert den Schwellwert überschreitet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Leistung der Kraftstoffpumpe mittels einer
Elementabschaltung vermindert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die in die Brennkraftmaschine
einzuspritzende Kraftstoffmenge begrenzt wird, wenn der
Temperaturwert den Schwellwert überschreitet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die in die Brennkraftmaschine
einzuspritzende Kraftstoffmenge auf einen von dem
Temperaturwert abhängigen Wert begrenzt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Druck des Kraftstoffs im
Hochdruckbereich begrenzt wird, wenn der Temperaturwert den
Schwellwert überschreitet.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Druck des Kraftstoffs im
Hochdruckbereich auf einen von wenigstens dem Temperaturwert
abhängigen Wert begrenzt wird.
9. Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei
dem wenigstens eine Kraftstoffpumpe Kraftstoff von einem
Niederdruck- in einen Hochdruckbereich fördert, wobei der
Kraftstoff durch Ansteuerung von Injektoren den Brennräumen
der Brennkraftmaschine zumeßbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die abhängig von
einem Temperaturwert wenigstens eine Steuergröße der
Brennkraftmaschine derart beeinflussen, daß der
Temperaturwert einen Schwellwert nicht überschreitet.
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