DE102006008356B4

DE102006008356B4 - Verfahren zur Leistungsbegrenzung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006008356B4
Application number: DE102006008356A
Authority: DE
Inventors: Johannes Baldauf; Michael Walder; Ingo Dr. Wintruff
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2026-02-22
Also published as: DE102006008356A1; US20070208490A1; US7536995B2

Abstract

Verfahren zur Leistungsbegrenzung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem eine Luftmassen-Abweichung (dmL) aus dem Quotienten der Ist-Luftmasse (mL (IST)) zu einer Referenz-Luftmasse (mL (REF)) bestimmt wird, bei dem in Abhängigkeit der Luftmassen-Abweichung (dmL) eine Leistungsreduktion (dP) als Schutz vor zu hoher thermischer Belastung der Brennkraftmaschine (1) festgelegt wird, um welche die maximal mögliche Leistung (PMAX) der Brennkraftmaschine (1) verringert wird, und bei dem die Leistungsreduktion (dP) umgesetzt wird, indem die Einspritzmenge oder der Momentenbeitrag für alle Zylinder gleichmäßig reduziert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsbegrenzung einer Brennkraftmaschine, bei dem eine Luftmassen-Abweichung aus einer Ist-Luftmasse zu einer Referenz-Luftmasse bestimmt wird, bei dem in Abhängigkeit der Luftmassen-Abweichung eine Leistungsreduktion als Schutz vor zu hoher thermischer Belastung der Brennkraftmaschine festgelegt wird, um welche die maximal mögliche Leistung der Brennkraftmaschine verringert wird, und bei dem die Leistungsreduktion umgesetzt wird, indem die Einspritzmenge oder der Momentenbeitrag für alle Zylinder gleichmäßig reduziert wird.
Bei bekannten Systemen, zum Beispiel aus der DE 43 25 307 A1 , wird als Schutzfunktion vor zu hohen Abgas-Temperaturen die Ist-Temperatur des Abgases aus anderen Größen berechnet und mit einem Grenzwert verglichen. Liegt die Ist-Temperatur oberhalb des Grenzwerts, so wird die Einspritzung einzelner Zylinder ausgeblendet. Hierdurch nimmt jedoch die Drehungleichförmigkeit am Abtrieb der Brennkraftmaschine zu.
Aus der DE 10 2004 017 052 A1 ist eine Spritzbeginn-Verstellung bekannt, bei welcher ein resultierender Spritzbeginn aus einem Spritzbeginn über einen Korrektur-Spritzbeginn bestimmt wird, wobei letzterer aus einer Soll-/Ist-Abweichung der Luftmasse festgelegt wird. Ergänzend ist eine Höhenkorrektur vorgesehen. Durch die Steuerung werden unterschiedliche Betriebszustände der Brennkraftmaschine, bei denen Luftmassen-Abweichungen auftreten, entsprechend verarbeitet. So wird bei einem defekten Wastegate der resultierende Spritzbeginn nach spät verändert oder bei einem verstopften Luftfilter der resultierende Spritzbeginn nach früh verändert. Als Schutzmaßnahme gegen zu hohe Abgas-Temperaturen ist eine Spritzbeginn-Verstellung ungeeignet, da eine Verstellung nur innerhalb sehr enger Grenzen möglich ist. Zum Beispiel bewirkt eine Spritzbeginn-Verstellung nach früh zwar eine geringere Enthalpie mit geringerer Abgas-Temperatur, aber bewirkt auch zugleich einen besseren Wirkungsgrad.
Aus der EP 1 002 192 B1 ist ein Verfahren zum Schutz eines Abgasturboladers vor mechanischer Zerstörung durch eine zu hohe Laderdrehzahl bekannt, indem die Enthalpie des Abgases über die Reduktion der Einspitzmenge verringert wird. Hierzu wird die resultierende Kraftstoffmenge über eine Minimalwertauswahl auf den Wert einer fahrpedalbezogenen Kraftstoffmengenvorgabe oder eines zweiten Begrenzungswerts zur Rauchbegrenzung oder eines ersten Begrenzungswerts gesetzt. Letzterer wird in Abhängigkeit des gemessenen Ladedrucks, der Motordrehzahl und der fahrpedalbezogenen Kraftstoffmengenvorgabe berechnet.
Ein Verfahren zum Schutz der Brennkraftmaschine über eine Leistungsreduktion ist aus der DE 199 53 767 C2 bekannt. Bei diesem bestimmt entweder ein erster oder ein zweiter Regler ein leistungsbestimmendes Signal im Sinne einer Einspritzmenge oder einem Regelweg einer Regelstange. Ein Wechsel in der Dominanz vom ersten auf den zweiten Regler erfolgt dann, wenn das Moment am Abtrieb der Brennkraftmaschine ein maximal zulässiges Motormoment überschreitet. Der zweite Regler reduziert das leistungsbestimmende Signal und damit die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine so lange bis das Moment am Abtrieb wieder das maximal zulässige Moment unterschreitet. Ziel des Verfahrens ist es die Brennkraftmaschine vor kurzzeitigen, mechanischen Lastspitzen, zum Beispiel beim Wiedereintauchen eines Waterjet-Antriebs, zu schützen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem die Brennkraftmaschine vor zu hohen Abgas-Temperaturen geschützt wird und negative Begleiterscheinungen vermieden werden.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind die Ausgestaltungen dargestellt.
Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Leistungsbegrenzung der Brennkraftmaschine vor, bei dem eine Luftmassen-Abweichung aus einer Ist-Luftmasse zu einer Referenz-Luftmasse bestimmt wird. Die Referenz-Luftmasse wurde vom Hersteller der Brennkraftmaschine anhand der Motordrehzahl und der Leistung festgelegt. Beispielsweise wird aus dem gemessenen Abtriebsmoment die abgegebene Leistung berechnet, aus welcher dann über ein Kennfeld in Abhängigkeit der Motordrehzahl die Referenz-Luftmasse berechnet wird. In Abhängigkeit der Luftmassen-Abweichung wird danach eine Leistungsreduktion als Schutz vor zu hoher thermischer Belastung der Brennkraftmaschine festgelegt, um welche die maximal mögliche Leistung der Brennkraftmaschine verringert wird.
Durch das Verfahren wird die Brennkraftmaschine vor Überlast bei geänderten Umgebungsbedingungen, zum Beispiel bei geänderter geodätischer Höhe oder einem verstopften Luftfilter, wirksam geschützt. Die Leistungsreduktion wird umgesetzt, indem die Einspritzmenge für alle Zylinder oder bei einer momentenbasierten Architektur der Momentenbeitrag für alle Zylinder gleichmäßig reduziert wird. Eine Zunahme der Drehungleichförmigkeit tritt daher nicht auf.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leistungsreduktion über eine Kennlinie oder ein Kennfeld festgelegt wird, wobei die Eingangsgrößen des Kennfelds die Luftmassen-Abweichung und eine Motordrehzahl sind. Instationäre Zustände, zum Beispiel Beschleunigungsvorgänge oder Lastaufschaltung bei Generatoren, werden ausgeblendet, indem die Luftmassen-Abweichung über ein Filter mit variabler Eckfrequenz gefiltert wird. Typischerweise wird hierzu ein Filter mit PT1-Verhalten verwendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann nachträglich in ein bereits bestehendes Programm einer elektronischen Motorsteuerung integriert werden, wobei die Kosten moderat sind.
In den Zeichnungen ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt.
Es zeigen:
1 ein Systemschaubild;
2 ein Blockschaltbild;
3 eine Kennlinie.
Die 1 zeigt ein Systemschaubild einer Brennkraftmaschine 1 mit Common-Railsystem. Das Common-Railsystem umfasst folgende Komponenten: eine Niederdruck-Pumpe 2 zur Förderung von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 3, eine veränderbare Saugdrossel 4 zur Beeinflussung des durchströmenden Kraftstoff-Volumenstroms, eine Hochdruck-Pumpe 5 zur Förderung des Kraftstoffs unter Druckerhöhung, ein Rail 6 sowie Einzelspeicher 7 zum Speichern des Kraftstoffs und Injektoren 8 zum Einspritzen des Kraftstoffs in die Brennräume der Brennkraftmaschine 2.
Die Betriebsweise der Brennkraftmaschine 1 wird durch ein elektronisches Steuergerät (ADEC) 9 bestimmt. Das elektronische Steuergerät 9 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 appliziert. Über diese berechnet das elektronische Steuergerät 9 aus den Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen. In 1 sind exemplarisch folgende Eingangsgrößen dargestellt: ein Raildruck pCR, der mittels eines Rail-Drucksensors 10 gemessen wird, eine Motor-Drehzahl nMOT, der Einzelspeicherdruck pE und eine Eingangsgröße EIN. Unter der Eingangsgröße EIN sind bei spielsweise der Ladeluftdruck pLL sowie die Ladeluft-Temperatur TETA eines Abgasturboladers, ein Umgebungsluftdruck, eine Umgebungstemperatur und die Temperaturen der Kühl-/Schmiermittel sowie des Kraftstoffs subsumiert.
In 1 sind als Ausgangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 9 ein Signal PWM zur Ansteuerung der Saugdrossel 4, ein Signal ve zur Ansteuerung der Injektoren 8 und eine Ausgangsgröße AUS dargestellt. Die Ausgangsgröße AUS steht stellvertretend für die weiteren Stellsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 1. Das Signal ve steht stellvertretend für ein leistungsbestimmendes Signal, beispielsweise für eine Einspritzmenge oder ein Moment.
In 2 ist ein Blockschaltbild zur Berechnung der Leistungsreduktion dP dargestellt. Das Blockschaltbild bildet einen entsprechenden Software-Abschnitt des elektronischen Steuergeräts ab. Aus der Ist-Luftmasse mL (IST) und der Referenz-Luftmasse mL (REF) wird über einen Funktionsblock 11 (Quotientenbildung) die Luftmassen-Abweichung dmL berechnet. Die Ist-Luftmasse mL (IST) wird über die Gasgleichung aus dem Ladeluftdruck pLL und der Ladeluft-Temperatur TETA berechnet. Danach wird die Luftmassen-Abweichung dmL über ein Filter 12 mit variabler Eckfrequenz fq gefiltert. Durch das Filter 12 werden instationäre Zustände, zum Beispiel Beschleunigungsvorgänge oder eine Lastaufschaltung bei Generatoren, ausgeblendet. Typischerweise wird hierzu ein Filter mit PT1-Verhalten verwendet. Die Ausgangsgröße des Filters 12 ist eine Eingangsgröße eines Kennfelds KF. Die zweite Eingangsgröße entspricht der aktuellen Motordrehzahl nMOT. Über das Kennfeld KF wird der Luftmassen-Abweichung für den aktuellen Betriebspunkt (Motordrehzahl) eine Leistungsreduktion dP zugeordnet.
In 3 ist eine Kennlinie KL aus dem Kennfeld KF für den Fall einer konstanten Motordrehzahl nMOT dargestellt. Auf der Abszisse ist die Luftmassen-Abweichung dmL in Prozent aufgetragen. Die Luftmassen-Abweichung dmL wird aus dem Quotienten der Ist-Luftmasse mL (IST) zur Referenz-Luftmasse mL (REF) berechnet. Die Referenz-Luftmasse mL (REF) wurde vom Hersteller der Brennkraftmaschine anhand der Motordrehzahl und der Leistung festgelegt. Beispielsweise wird aus dem gemessenen Abtriebsmoment die abgegebene Leistung berechnet, aus welcher dann über ein Kennfeld in Abhängigkeit der Motordrehzahl die Referenz-Luftmasse berechnet wird. Auf der Ordinate ist die Leistung der Brennkraftmaschine in Prozent dargestellt. Über die Kennlinie KL wird einer Luftmassen-Abweichung dmL ein bestimmter Leistungswert zugeordnet, d. h. die maximal mögliche Leistung PMAX wird entsprechend reduziert. Einer Luftmassen-Abweichung von 84% wird über die Kennlinie KL, Punkt A, ein Leistungswert von 95% zugeordnet. Die maximal mögliche Leistung PMAX wird folglich um einen Leistungs-Reduktionswert dP von 5% verringert. Die Leistung der Brennkraftmaschine wird über das leistungsbestimmende Signal ve als Einspritzmenge oder bei einer momentenbasierten Architektur als Moment abgebildet. Luftmassen-Abweichungen treten bei geänderten Umgebungsbedingungen, zum Beispiel großer geodätischer Höhe, oder sich verändernden Brennkraftmaschinen-Kenngrößen, zum Beispiel einem sich zusetzenden Luftfilter, auf.
Aus der Beschreibung ergeben sich für die Erfindung die folgenden Vorteile:

– Verbesserung des Überlast-Schutzes bei geänderten Umgebungsbedingungen, z. B. geodätische Höhe, verstopfter Luftfilter;
– über die Filterung der Luftmassen-Abweichung werden instationäre Zustände, z.B. Beschleunigung oder Lastaufschaltung bei Generatoren, ausgeblendet;
– die Einspritzmenge oder das Moment werden für alle Zylinder gleichmäßig reduziert, daher keine Zunahme der Drehungleichförmigkeit;
– die Funktion kann nachträglich appliziert werden, da keine Hardware-Änderungen am elektronischen Steuergerät erforderlich sind;
– die zusätzlichen Kosten sind moderat.

1: Brennkraftmaschine
2: Niederdruck-Pumpe
3: Kraftstofftank
4: Saugdrossel
5: Hochdruck-Pumpe
6: Rail
7: Einzelspeicher
8: Injektor
9: elektronisches Steuergerät (ADEC)
10: Rail-Drucksensor
11: Funktionsblock
12: Filter

Claims

Verfahren zur Leistungsbegrenzung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem eine Luftmassen-Abweichung (dmL) aus dem Quotienten der Ist-Luftmasse (mL (IST)) zu einer Referenz-Luftmasse (mL (REF)) bestimmt wird, bei dem in Abhängigkeit der Luftmassen-Abweichung (dmL) eine Leistungsreduktion (dP) als Schutz vor zu hoher thermischer Belastung der Brennkraftmaschine (1) festgelegt wird, um welche die maximal mögliche Leistung (PMAX) der Brennkraftmaschine (1) verringert wird, und bei dem die Leistungsreduktion (dP) umgesetzt wird, indem die Einspritzmenge oder der Momentenbeitrag für alle Zylinder gleichmäßig reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsreduktion (dP) über eine Kennlinie (KL) oder ein Kennfeld (KF) festgelegt wird, wobei die Eingangsgrößen des Kennfelds (KF) die Luftmassen-Abweichung (dmL) und eine Motordrehzahl (nMOT) sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftmassen-Abweichung (dmL) über einen Filter (12), insbesondere PT1-Filter, gefiltert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eckfrequenz (fq) des Filters (12) veränderbar ist.