DE10002132A1

DE10002132A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Antriebsmoments einer Verbrennungskraftmaschine mit Common-Rail-Einspritzung

Info

Publication number: DE10002132A1
Application number: DE2000102132
Authority: DE
Inventors: Klaus Ruebeling
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-01-19
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2001-08-02

Abstract

Das Antriebsmoment einer Verbrennungskraftmaschine mit volumenstromgeregelter Common-Rail-Einspritzung wird insbesondere beim raschen Momentabbau mit ausreichender Dynamik bei hohem Komfort und niedriger NOx-Emission geregelt, indem ein Hilfsgenerator an die Verbrennungskraftmaschine gekoppelt ist und von einer Steuereinheit gesteuert der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine ein Antriebsmoment zuführt oder entnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Antriebsmomentes einer Verbrennungskraftmaschi ne, insbesondere eines Dieselmotors, mit volumenstromgeregel ter Common-Rail-Einspritzung.

Komfort-, Verbrauchs- und Umweltforderungen führen stetig zur weiteren Verbreitung von elektronisch geregelten Diesel- Einspritzsystemen und insbesondere von Direkteinspritzverfah ren mit Hochdruckspeicher bei Dieselmotoren. Solche Ein spritzsysteme sind bei Dieselmotoren unter der Bezeichnung "Common-Rail-Systeme" und bei Ottomotoren unter der Bezeich nung "High-Pressure-Direct-Injection-Systeme" bekannt. Bei diesen Einspritzsystemen wird mittels einer Hochdruckpumpe Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratsbehälter in den Hoch druckspeicher gefördert. Über diesen steht der Kraftstoff an Einspritzventilen an, die in den Zylinderköpfen des Motors angeordnet sind. Derzeit liegen bei Dieselmotoren die typi schen Maximaldrücke im Druckspeicher im Bereich von etwa 1500 bar, während sie bei Ottomotoren deutlich geringer sind. Die Einspritzvorgänge werden dabei durch ein Bestromen der Ein spritzventile ausgelöst, wobei das Einspritzvolumen abhängig von dem an den Einspritzventilen anstehenden Druck und der Dauer der Bestromung ist. Um den Druck im Druckspeicher, der den Einspritzdruck bestimmt, präzise und schnell an den je weiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors anpassen zu können, ist der Hochdruckspeicher üblicherweise mit einem Druckregelventil versehen. Eine Funktionsstörung des Druck reglers hat schwerwiegende Auswirkungen auf den Betrieb des Verbrennungsmotors und kann insbesondere zu einer erhöhten Schadstoffemission aufgrund unvollständiger Verbrennungsvor gänge in den Zylindern führen. Auch fördert die Hochdruckpum pe, bezogen auf die Antriebsdrehzahl, in den Druckspeicher immer die maximale Kraftstoffmenge. Bei einem vom Fahrer ent sprechend der Pedalstellung gewünschten gegenüber dem Ma ximalantriebsmoment reduzierten Antriebsmoment muss die zu viel in den Hochdruckspeicher geförderte Kraftstofffmenge je weils über das Druckregelventil abgesteuert werden, was ener getisch nachteilig ist.

Alternativ existieren auch Common-Rail-Systeme, bei denen ü ber eine niederdruckseitige Regelung mittels eines Volumen stromregelventils die Kraftstoffmengenzufuhr zur Hochdruck pumpe und somit der Einspritzdruck entsprechend dem jeweili gen Fahrerwunsch geregelt wird. Dies ist energetisch gegen über einer Regelung alleine mit Druckregelventil günstiger, da die Hochdruckpumpe nur soviel Kraftstoff verdichten muss, wie das Einspritzsystem tatsächlich benötigt. Dabei ist je doch sowohl ein Volumenstromregelventil als auch ein Druckre gelventil erforderlich, um insbesondere beim raschen An triebsmomentabbau einen guten Komfort und eine niedrige NOx- Emission bei gutem Dynamikverhalten des Motors erreichen zu können.

Common-Rail-Einspritzsysteme, die lediglich volumenstromgere gelt arbeiten und auf einen Druckregler gänzlich verzichten, sind zwar einfacher und damit kostengünstiger aufgebaut, wei sen jedoch in manchen Betriebsfällen ein nicht ausreichendes Dynamikverhalten auf. Insbesondere beim raschen Antriebsmo ment- bzw. Druckabbau kann der Fahrerwunsch bezüglich des An triebsmomentes unter Berücksichtigung von Fahrkomfort und E missionsverhalten nicht optimal umgesetzt werden. Ist bei kleinen Einspritzmengen der Druck jedoch zu hoch, kommt es zu einer starken Geräuschentwicklung und zu hohen NOx- Emissionen. Bei einem ausschließlich volumenstromgeregelten Einspritzsystem kann beispielsweise bei der raschen gewünsch ten Reduzierung des Antriebsmomentes und des damit verbunde nen Einspritzdruckes dieser systembedingt nicht aktiv abge baut werden, sondern es muss gewartet werden, bis sich der Druck durch Kraftstoff-Leckage im Hochdruckbereich und durch die aus dem System entnommene Einspritzmenge selbständig auf den gewünschten Wert reduziert hat.

Im Kraftfahrzeugbereich bekannt sind weiterhin Kurbelwellen- bzw. Schwungrad-Startergeneratoren, die vor allem für die künftigen 42-V-Bordnetze in Kraftfahrzeugen eine immer größe re Bedeutung erreichen werden. Derartige Generatoren dienen sowohl als Anlasser als auch zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeuges.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Regelung des Antriebsmomentes einer Verbrennungskraftmaschine mit volumen stromgeregelter Common-Rail-Einspritzung bzgl. des Dynamik verhaltens und des Komforts zu verbessern.

Dies ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren mit den Merkma len des Patentanspruches 1 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 5 erreicht.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche.

Bei einer vom Fahrer gewünschten raschen Antriebsmomentände rung wird zur schnellen Einstellung des ermittelten neuen An triebsmomentes der Verbrennungskraftmaschine mittels eines geeigneten Hilfgenerators der Kurbelwelle bedarfsweise ein Antriebsmoment kurzzeitig zugeführt oder entzogen. Insbeson dere bei einer raschen Antriebsmomentreduzierung kann dadurch eine deutliche Verbesserung erreicht werden. Da beim Verzicht auf das Druckregelventil der aktive Druckabbau bzw. der An triebsmomentabbau im volumenstromgeregelten Common-Rail- Einspritzsystem zu langsam ablaufen würde, wird das Antriebs moment während einer Übergangszeit von dem Hilfsgenerator be reitgestellt oder zumindest stark beeinflusst. Dies ist mit Schwungrad- bzw. Kurbelwellenstartergeneratoren problemlos realisierbar. Da diese zukünftig in Automobilen zur gleich zeitigen Verwendung als Lichtmaschine, Starterelement u. ä. bereitgestellt werden, ist der Zusatzaufwand für das Common- Rail-Einspritzsystem eines Dieselmotors gering.

Nachfolgend sind anhand schematischer Darstellungen zwei Aus führungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Rege lung des Antriebsmomentes eines Dieselmotors mit volumen stromgeregelter Common-Rail-Einspritzung und eine entspre chende Vorrichtung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der Anordnung ei nes erfindungsgemäßen Einspritzsystems,

Fig. 2 eine Prizipdarstellung eines Dieselmotors mit Schwungrad-Startergenerator,

Fig. 3A bis 3C typische Kennlinien wichtiger Parameter eines Einspritzsystems nach dem Stand der Technik,

Fig. 4A und 4B typische Kennlinien wichtiger Parameter eines Einspritzsystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 5 typische Kennlinien wichtiger Parameter eines Einspritzsystems gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 ist stark vereinfacht der Aufbau eines Kraftstoff einspritzsystems gezeigt, wie er in volumenstromgeregelten "Common-Rail-Systemen" sowohl in der Dieselmotor- als auch in der Ottomotor-Technik eingesetzt werden kann. Bei diesen Ein spritzsystemen wird der Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter 10 über eine Kraftstoffleitung 11 durch eine Vorförderpumpe 12 angesaugt. Die Vorförderpumpe 12 fördert den Kraftstoff über einen Kraftstofffilter 13 zu einer Hochdruckpumpe 15. Dabei kann der Filter 13 strömungstechnisch auch vor der Vor förderpumpe 12 angeordnet sein. Der erforderliche Kraftstoff- Spülstrom der Hochdruckpumpe 15 wird über eine Kraftstoff- Spülleitung 16 zurück in den Kraftstoffvorratsbehälter 10 ge fördert. Die bekannte Hochdruckpumpe 15 verdichtet den Kraft stoff und speist ihn bis zu einem Maximaldruck von typisch 1500 bar und mehr in einen Hochdruckspeicher 17 ein. Der Druckspeicher 17 steht mit Einspritzventilen 18 in Verbin dung, über die der Kraftstoff in die Zylinder der Brennkraft maschine (nicht gezeigt) eingespritzt werden kann. Der Ein spritzvorgang wird durch eine elektronische Steuereinheit 19 gesteuert, die über Signalleitungen 20 mit den Einspritzven tilen 18 verbunden ist. Der in den Einspritzventilen 18 auf tretende Kraftstoff-Leckagestrom wird über Kraftstoffleitun gen 21 in den Kraftstoffvorratsbehälter 10 zurückgeführt.

Um den Einspritzdruck entsprechend den jeweiligen Betriebsbe dingungen der Brennkraftmaschine bedarfsabhängig regeln zu können, ist in der Kraftstoffleitung 11 zwischen der Vorför derpumpe 12 und der Hochdruckpumpe 15 ein Saugdrosselventil 14 zum Einstellen der Stellgröße Volumenstrom angeordnet. Die Steuereinheit 19 steuert das Saugdrosselventil 14 dabei be darfsgerecht über eine Ventilsteuerleitung 22. Alternativ kann der Förderstrom der Hochdruckpumpe 15 jedoch auch über ein variables Übersetzungsgetriebe für den Antrieb der Hoch druckpumpe oder auch durch eine druck- oder/und drehzahl geregelte Auslegung der Vorförderpumpe 12 beeinflusst werden. Zur Regelung des Drucks im Einspritzsystem ist das Saugdros selventil 14 und am Druckspeicher 17 ein Drucksensor 23 vor gesehen, der mit der Steuereinheit 19 verbunden ist. Weiter hin erhält die Steuereinheit 19 zahlreiche Zusatzinformation über nicht näher dargestellte Elemente, wie z. B. ein Pedal wertgeber, ein Nockenwellensensor, ein Kraftstofftempe raturfühler und/oder ein Drehzahlsensor. Die Steuereinheit 19 ist über eine weitere Steuerleitung mit einem Schwungrad- Startergenerator 25 verbunden, dessen Aufbau und Funktion in Fig. 2 näher beschrieben sind. Mit dem Startergenerator 25 elektrisch verbunden ist weiter eine Batterie 26 des Kraft fahrzeuges.

Gemäß Fig. 2 gibt die Verbrennungskraftmaschine bzw. ein Die selmotor 30 ein von der Steuereinheit 19 gesteuertes An triebsdrehmoment über eine Kurbelwelle 31, eine Kupplung 32 und weitere nicht gezeigte Elemente eines Antriebsstanges auf die Antriebsräder des Kraftfahrzeuges ab. Auf der Kurbelwelle 31 ist beispielsweise eine als Schwungrad- oder Kurbelwellen- Startergenerator dienende Asynchron-Drehstrommaschine 34 an geordnet. Dabei dient die Kurbelwelle 31 als Elektromotor- Welle. Alternativ wäre es auch möglich, daß die Elektromotor- Welle über ein Getriebe mit der Kurbelwelle 31 gekoppelt ist. Die Asynchron-Drehstrommaschine 34 weist einen direkt auf der Kurbelwelle 31 sitzenden und drehfest mit ihr verbundenen Ro tor 35, der auch als Kurbelwellen-Schwungrad dienen kann, so wie einen am Gehäuse des Verbrennungsmotors 30 abgestützten Stator 36 auf. Eine derartige Maschine besitzt ein maximales Anlass-Drehmoment von bis zu 500 Nm und mehr. Die Asynchron- Drehstrommaschine 34 wird von einem von der Steuereinheit 19 gesteuerten, geeigneten Wechselrichter 37 gespeist. Die ge zeigte Anordnung ist geeignet, einerseits bedarfsweise auf die Kurbelwelle 31 ein einstellbares Drehmoment zu übertra gen, beispielsweise im Anlasser-Betrieb des Schwungrad- Startergenerators 25, oder andererseits ein Drehmoment von der Kurbelwelle 31 aufzunehmen und die Energie in die Batte rie 26 oder andere Verbraucher einzuspeisen, beispielsweise im Lichtmaschinen-Betrieb des Generators 25.

Die Arbeitsweise des volumenstromgeregelten Common-Rail- Einspritzsystems wird nachfolgend anhand zweier Ausführungs beispiele ohne Beschränkung der Allgemeinheit bei einer vom Fahrer gewünschten plötzlichen Antriebsmomentreduzierung be schrieben. Dabei sind in den Fig. 3A bis 3C ein Signal α des Pedalwert-Gebers über die Zeit t, ein Einspritzdruck p als Sollwert p_s und als Istwert p_i über die Zeit t sowie ein Antriebsmomentverlauf M als Sollwert M_s und Istwert M_i gemäß dem bereits bekannten Stand der Technik stark vereinfacht dargestellt. Geht der Fahrer gemäß Fig. 3A bei Vollgas schlagartig vom Fahrpedal, möchte der Fahrer das Antriebsmo ment entsprechend schnell reduziert sehen. Dazu muss die durch die Einspritzventile in die Zylinder eingespritzte Kraftstoff-Einspritzmenge und damit insbesondere der Ein spritzdruck p auch entsprechend schnell reduziert werden. Der gewünschte, dem Verlauf der Pedalstellung α über die Zeit t entsprechende Druckverlauf ist in Fig. 3B als Soll-Druck p_s dargestellt. Bei einer volumenstromgeregelten Kraftstoffzu fuhr zur Hochdruckpumpe 15 ohne Druckregelventil kann der Einspritzdruck p jedoch nicht aktiv abgebaut werden, sondern es muss gewartet werden, bis sich der Druck durch Kraftstoff- Leckage im Hochdruckbereich sowie durch die aus dem System entnommene Einspritzmenge selbsttätig abbaut. Dies führt zu einem deutlich verzögerten Druckabbau, der in Fig. 3B als Istdruck-Verlauf p_i dargestellt ist. Entsprechendes gilt für das in Fig. 3C dargestellte Antriebsmoment M des Motors. Der vom Fahrer gewünschte Antriebsmoment-Verlauf M_s wird deutlich nicht erreicht, der zu hohe Einspritzdruck p_i kann zur star ken Geräuschentwicklung und zu hohen Schadstoffemissionen führen. Die Dynamik des Momentverlaufes M_i ist nicht zufrie denstellend.

Gemäß dem in Fig. 4 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens wird zum Zeitpunkt t₁ in der Steuereinheit 19 der Fahrerwunsch nach einer raschen und deutlichen Reduzierung des Antriebsmomentes M anhand des zeitlichen Verlaufes des Pedalwert-Geber-Signals α erkannt (Fig. 4A). Die Steuereinheit 19 entscheidet, daß ein entspre chender Druckabbau im Hochdruckspeicher 17 nicht rasch genug realisiert werden kann. Zur schnellen Antriebsmomentverringe rung wird deshalb der Einspritzvorgang gestoppt. Etwa ab dem Zeitpunkt t₁ leistet der Motor 30 keinen Beitrag mehr zum an der Kurbelwelle 31 (Fig. 2) bereitgestellten Antriebsmoment M. Das erforderliche, vom Fahrer gewünschte Antriebsmoment M_i wird ab dem Zeitpunkt t₁ ausschließlich von dem Schwungrad- Startergenerator 25 bzw. dem von der Batterie 26 gespeisten Wechselrichter 37 und der daraus gespeisten Asynchron- Drehstrommaschine 34 geliefert (Fig. 2, Fig. 4B). Dabei wird auch ein von dem Motor 30 gegebenenfalls ausgeübtes Bremsmoment berücksichtigt. Dies wird so lange fortgesetzt, bis sich der Druck p im Hochdruckbereich, beispielsweise durch Lecka ge, weit genug selbständig abgebaut hat. Ab einem Zeitpunkt t₂, zu dem der Wert des Ist-Einspritzdruckes p_i dem gewünsch ten Wert des Soll-Druckes p_s (vgl. Fig. 3B) entspricht und damit das gewünschte reduzierte Antriebsdrehmoment M vom Mo tor 30 bereitgestellt werden kann, wird der Einspritzvorgang von der Steuereinheit 19 wieder fortgesetzt und das gewünsch te Antriebsdrehmoment M vom Verbrennungsmotor 30 selbst ge liefert. Die Asynchron-Drehstrommaschine 34 liefert nun kein Antriebsdrehmoment mehr an die Kurbelwelle 31. Vielmehr kann der Schwungrad-Startergenerator 25 bedarfsweise auch wieder Energie von dem Motor 30 erhalten und in das Bordnetz des Kraftfahrzeuges einspeisen.

Alternativ kann gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Regelungsverfahrens (Fig. 5) vorgesehen sein, dass zum Zeitpunkt t₁, ab dem das Antriebsmoment M gemäß dem Fahrerwunsch (Fig. 3A) an der Kurbelwelle 31 (Fig. 2) deut lich zu verringern ist, der Einspritzvorgang geeignet fortge setzt wird. Das bedeutet, daß der Druckabbau dabei durch die Leckage im Hochdruckbereich und das reduzierte geförderte Einspritzvolumen möglich ist. Es ergibt sich ein von dem Mo tor 30 an die Kurbelwelle 31 abgegebenes Antriebsmoment des Verbrennungsmotors M_x gemäß Fig. 5. Dieses bereitgestellte und den Anforderungen nicht entsprechende Antriebsdrehmoment M_x wird jedoch um ein Antriebsdrehmoment ΔM verringert, um den gewünschten reduzierten Wert des Antriebsdrehmomentes M_i bzw. den dynamischen Antriebsmoment-Verlauf gemäß Fig. 5 re alisieren zu können. Dazu entzieht der von der Steuereinheit 26 gesteuerte Schwungrad-Startergenerator 25 dem Verbren nungsmotor 30 bzw. der Kurbelwelle 31 das ermittelte Diffe renz-Antriebsdrehmoment ΔM und speist es beispielsweise als entsprechende Energie in die Kraftfahrzeug-Batterie 26 ein. Dabei steigt der Wert des Differenz-Antriebsdrehmoment ΔM mit der Zeit t von 0 auf einen maximalen Wert und sinkt dann wieder auf 0 ab. Aufgrund dieses Verlaufes kann der Verlauf des gewünschten Antriebsdrehmomentes M_i besonders weich rea lisiert werden. Auch erfolgt der Druckabbau schneller als bei dem Regelungsverfahren nach dem ersten Ausführungsbeispiel.

Durch den Einsatz des Schwungrad-Startergenerators 25 kann eine befriedigende Dynamik des Antriebsmomentes bei hohem Komfort und niedriger Schadstoffemission erreicht werden. Zur Optimierung des Regelungsverhaltens des Einspritzsystems kön nen die beiden Regelungsstrategien gemäß der beiden Ausfüh rungsbeispiele (Fig. 4 und 5) auch gleichzeitig oder nachein ander eingesetzt werden. Es ist auch möglich, bei vom Fahrer gewünschter rascher Erhöhung des Antriebsdrehmomentes den An triebsdrehmomentaufbau zu beschleunigen, indem der Kurbelwel le 31 bedarfsweise zusätzlich zu dem vom Motor 30 bereitge stellten Antriebsdrehmoment kurzzeitig ein Antriebsdrehmoment vom Schwungrad-Startergenerator 25 zugeführt wird.

Eine weitere Ausführungsform unterscheidet sich vom Ausfüh rungsbeispiel gemäß Fig. 1 durch ein Druck- Sicherheitsventil, das am Hochdruckspeicher 17 angebracht ist und bei Überdruck Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 17 in den Kraftstoffvorratsbehälter 10 leitet. Das Druck- Sicherheitsventil ist im Vergleich zu einem Druckregelventil kostengünstig aufgebaut und dient ausschließlich zum schnel len Abbau von Überdruck oder des Kraftstoffdrucks im Hoch druckspeicher 17 aus Sicherheitsgründen.

Claims

1. Verfahren zum Regeln des Antriebsmomentes einer Verbren nungskraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mit Com mon-Rail-Einspritzung, wobei Kraftstoff druckgeregelt über Einstellung des Volumenstroms in einen gemeinsamen Hochdruck speicher durch Einspritzventile eingespritzt wird und das dem Fahrerwunsch entsprechende Antriebsmoment ermittelt und an einer Kurbelwelle (31) der Verbrennungskraftmaschine bereit gestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vom Fahrer gewünschten Antriebsmomentänderung zur schnellen Einstellung des ermittelten neuen Antriebsmomentes der Kurbelwelle (31) der Verbrennungskraftmaschine mittels eines Hilfsgenerators (25) ein Antriebsmoment kurzzeitig zu geführt oder entnommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur schnellen Antriebsmomentverringerung der Einspritzvorgang gestoppt wird, daß während der Unterbrechung des Einspritz vorganges der Hilfsgenerator (25) der Verbrennungskraftma schine das gewünschte sich verringernde Antriebsmoment be reitstellt, und daß der Einspritzvorgang fortgesetzt wird, wenn der Druck im Druckspeicher (17) so weit abgebaut ist, daß er niedrig genug für die geforderte Einspritzmenge oder das entsprechende Antriebsmoment ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur schnellen Antriebsmomentverringerung die Verbrennungs kraftmaschine dem Hilfsgenerator (25) kurzzeitig einen defi nierten überschüssigen Antriebsmomentanteil zuführt bis zu dem Zeitpunkt, ab dem der Druck im Druckspeicher (17) so weit abgebaut ist, daß er niedrig genug für die geforderte Ein spritzmenge oder das entsprechende Antriebsmoment ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeich net, dass die Verfahren nach Anspruch 2 und 3 nacheinander oder gleichzeitig angewendet werden.

5. Vorrichtung zur Regelung des Antriebsmomentes einer Verbrennungskraftmaschine (1), insbesondere eines Dieselmo tors, mit Common-Rail-Einspritzung, wobei eine Hochdruckpumpe (15) aus einem Kraftstoffvorratsbehälter (10) Kraftstoff be darfsgeregelt in einen Druckspeicher (17) fördert, aus dem Einspritzventile (18) der Verbrennungskraftmaschine von einer Steuereinheit (19) gesteuert Kraftstoff zuführen, dadurch ge kennzeichnet, dass ein Hilfsgenerator (25) zum Austausch von Energie an die Verbrennungskraftmaschine (1) angekoppelt ist, und daß die Steuereinheit (19) den Hilfsgenerator (25) bei einer vom Fahrer gewünschten Antriebsmomentänderung bedarfs weise zur Verringerung oder Erhöhung des Antriebmomentes an steuert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfsgenerator ein Schwungrad-Startergenerator dient.