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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein Verfahren sowie
ein Computerprogramm zur Steuerung des Vorförderdruckes eines Common-Rail-Kraftstoffsystems
nach den unabhängigen
Ansprüchen.
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In
einem bedarfsgeregelten Niederdruckkraftstoffsystem eines Common-Rail-Kraftstoffsystems
wird in der Regel die Kraftstoffpumpe elektrisch durch ein Taktmodul
angesteuert, das abhängig
von einem Eingangstastverhältnis
aus dem Motorsteuergerät
die elektrische Leistung der Kraftstoffpumpe regelt.
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Der
Kraftstoffdruck in einem solchen Kraftstoffsystem ist variabel (bis
ca. 7 bar Absolutdruck) und ist im wesentlichen von Betriebsbedingungen des
Verbrennungsmotors abhängig
(Motortemperatur, Betriebspunkt Drehzahl/Last und dergleichen mehr).
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Es
sind verschiedene Fehlerfälle
in der elektrischen Ansteuerung der Kraftstoffpumpe möglich, die
dazu führen,
dass die Kraftstoffpumpe mit maximaler Förderleistung betrieben wird
(z. B. Kurzschluss der Versorgungsleitung der elektrischen Kraftstoffpumpe,
interner Fehler im Taktmodul). In diesem Fehlerfall wird der Druck
im Kraftstoffsystem in der Regel durch ein Druckbegrenzungsventil
einfacher Bauweise begrenzt. Der Druck kann dabei je nach Einstelldruck
und Toleranz des Druckbegrenzungsventils und Fördermenge der Kraftstoffpumpe (dadurch
Staudruck am Druckbegrenzungsventil) Werte in der Größenordnung
von 10 bar und mehr erreichen. Damit ist nicht immer sichergestellt,
dass Komponenten im Kraftstoffsystem nicht beschädigt werden. Dar über hinaus
ist dieses Druckbegrenzungsventil in seiner Funktion aus Kostengründen oftmals
nicht dauerfest ausgelegt.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, das Notlaufverhalten des Niederdruckkraftstoffsystems
zu verbessern, sodass keine unzulässig hohen Drücke im Niederdruck-Kraftstoffsystem
entstehen bzw. die Dauer, in der diese Drücke anstehen, auf ein Minimum
begrenzt wird. Dadurch werden Komponentenschäden vermieden und die Notlaufeigenschaften verbessert.
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Dieses
Problem wird gelöst
durch ein Verfahren zur Steuerung des Vorförderdruckes eines Common-Rail-Kraftstoffsystems
einer Brennkraftmaschine, wobei dieses eine Vorförderpumpe, an der druckseitig
der Vorförderdruck
anliegt, und eine Hochdruckpumpe umfasst, wobei ein elektrischer
Antrieb der Vorförderpumpe
durch eine Endstufe, die über ein
Vorförderpumpen-Relais
trennbar mit einer Stromversorgung verbunden ist, und die von einer Steuerung
angesteuert wird, in seiner elektrischen Leistung gesteuert wird,
wobei in einem Fehlerfall der Endstufe oder der Steuerung eine pulsweitenmodulierte
Ansteuerung des elektrischen Antriebes der Vorförderpumpe durch Öffnen und
Schließen
des Vorförderpumpen-Relais
erfolgt.
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Die
elektrische Leistung der Kraftstoffpumpe wird durch zyklisches Aus-/Einschalten
des Kraftstoffpumpenrelais, das in der Regel zwischen Hauptrelais
und dem Taktmodul verbaut ist, reduziert. Dadurch kann der Kraftstoffdruck
in einem bedarfsgeregelten Niederdruckkraftstoffsystem bei fehlerhaft
mit maximaler Förderleistung
arbeitender Kraftstoffpumpe (z. B. durch Kurzschluss der Versorgungsleitung der
EKP oder interner Fehler im Taktmodul) reduziert und unterhalb einer
kritischen Schwelle gehalten werden. Neben dem Einsatzfall als Notlaufmaßnahme in
einem bedarfsgeregelten Niederdruckkraftstoffsystem im Fehlerfall
Vollförderung
der Niederdruck-Kraftstoffpumpe
kann das erfindungsgemäße verfahren
eingesetzt werden, wenn in einem Hochdruckkraftstoffsystem der Fehlerfall
Vollförderung
der Hochdruckpumpe auftritt. Dabei kann durch ein zyklisches Aus-/Einschalten
des Kraftstoffpumpenrelais in der Ansteuerung der Niederdruckkraftstoffpumpe die
Fördermenge
derselben redu ziert und damit die Fördermenge der Hochdruckpumpe
und der Kraftstoffdruck im Hochdrucksystem ebenfalls reduziert werden.
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Ein
Fehlerfall liegt vorzugsweise vor, wenn ein Ist-Vorförderdruck
um einen Toleranzwert über
einem Soll-Vorförderdruck
liegt. Es erfolgt also ein Vergleich von Soll- und Ist-Vorförderdruck.
Liegt der Ist-Vorförderdruck über einen
längeren
Zeitraum über
dem Soll-Vorförderdruck,
wobei sich diese nicht durch einen Reglereingriff annähern, so
liegt der Fehlerfall vor.
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Alternativ
oder zusätzlich
liegt der Fehlerfall vor, wenn eine Reglerausgangsgröße eines
Reglers für
den Vorförderdruck
einen Minimalwert unterschreitet. Der Regler versucht dabei, die
Reglerausgangsgröße für den Ist-Vorförderdruck
immer weiter zu senken, was darauf schließen lässt, dass in dem Regelkreis
ein Fehler vorliegt, der den Ist-Vorförderdruck auf einem zu hohen
Niveau hält.
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Die
pulsweitenmodulierte Ansteuerung des elektrischen Antriebes der
Vorförderpumpe
durch Öffnen
und Schließen
des Vorförderpumpen-Relais erfolgt
entweder mit einem festen Tastverhältnis oder mit einem variablen
Tastverhältnis.
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Das
variable Tastverhältnis
wird dabei vorzugsweise in Abhängigkeit
von Zustandsgrößen der Brennkraftmaschine
gesteuert bzw. vorgesteuert. Die Zustandsgrößen sind z. B. Drehzahl der
Kurbelwelle, abgegebenes Drehmoment (also der Betriebspunkt), Motortemperatur,
Kraftstofftemperatur und dergleichen.
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Das
eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Common-Rail-Kraftstoffsystem
einer Brennkraftmaschine mit einer Vorförderpumpe, an der druckseitig
der Vorförderdruck
anliegt, und einer Hochdruckpumpe, wobei ein elektrischer Antrieb
der Vorförderpumpe
durch eine Endstufe, die über
ein Vorförderpumpen-Relais
trennbar mit einer Stromversorgung verbunden ist, und die von einer
Steuerung angesteuert wird, in seiner elektrischen Leistung gesteuert
wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Fehlerfall der Endstufe
oder der Steuerung eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des elektrischen
Antriebes der Vorförderpumpe
durch Öffnen und
Schließen
des Vorförderpumpen-Relais
erfolgt.
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Das
eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Computerprogramm
mit Programmcode zur Durchführung
aller Schritte nach einem erfindungsgemäßen Verfahrne, wenn das Programm
in einem Computer ausgeführt
wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
Skizze eines Kraftstoffversorgungssystems einer Common-Rail-Brennkraftmaschine;
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2 eine
Skizze der elektrischen Schaltung einer Vorförderpumpe;
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3 ein
Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Kraftstoffversorgungssystems 1 einer Brennkraftmaschine
in stark vereinfachter Form. Eine elektrisch betriebene Vorförderpumpe 2 fördert Kraftstoffe
aus einem Kraftstofftank 3 mittels einer Ansaugleitung 4 auf
eine Druckseite 5. Die bezüglich der Vorförderpumpe 2 druckseitige
Kraftstoffleitung 5 ist mit der Saugseite einer Hochdruckpumpe 6 verbunden,
an deren Druckseite ein Hochdruckrail 7 angeordnet ist. Die
Vorförderpumpe
wird durch einen elektrischen Antrieb 28 angetrieben. Das
Hochdruckrail 7 versorgt Injektoren 8, die beispielsweise
magnetisch piezoelektrisch gesteuert sind, mit Kraftstoffdruck.
Die Injektoren 8 sind Zylindern einer nur schematisch dargestellten
Brennkraftmaschine 9 zugeordnet. Druck- und Saugseite der
Hochdruckpumpe 6 sind über
ein Überdruckventil 10 (Rückschlagventil
mit Feder) miteinander verbunden und begrenzen so den Druck im Hochdruckrail 7.
Ebenso sind Druck- und Saugseite der Vorförderpumpe 2 durch
ein Überdruckventil 12 (Rückschlagventil
mit Feder) miteinander verbunden und begrenzen so den Vorförderdruck
auf der Druckseite der Vorförderpumpe 2.
Durch ein elektrisch angesteuertes Niederdruckregelventil 15,
ein proportionales 2/2 Wegeventil, wird die zur Hochdruckpumpe 6 geförderte Kraftstoffmenge
gesteuert. Ein Rückschlagventil 16 verhindert
einen Rückstrom
von Kraftstoff aus dem Hochdruckrail 7. Der Druck im Hochdruckrail
kann durch ein Hochdruckmanometer 13 gemessen werden, der
Vorförderdruck
an der Druckseite der Vorförderpumpe 2 kann
durch ein Niederdruckmanometer 14 gemessen werden. Der
Vorförderdruck
und der Hochdruckraildruck werden als elektrische Größen einem
Motorsteuergerät
zugeführt,
welches die Vorförderpumpe 2,
die Injektoren und gegebenenfalls auch die Hochdruckpumpe 6 steuert,
falls diese elektrisch angetrieben ist und nicht unmittelbar durch
die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der elektrischen Beschattung des elektrischen Antriebes 28 der
Vorförderpumpe 2.
Die Vorförderpumpe 2 umfasst
und wird angetrieben beispielsweise wie hier dargestellt durch einen
Gleichstrommotor, der mit elektrischen Anschlüssen EKP+ und EKP– einer Endstufe 15 verbunden
ist. Die Endstufe 15 liefert beispielsweise ein pulsweitenmoduliertes
Ausgangssignal, so dass die Leistung der Vorförderpumpe 2 bei gleicher
Spannung über
die Pulsweite am Ausgang der Endstufe 15 gesteuert werden
kann. Die Endstufe 15 ist über ein elektrisch schaltbares
Relais 27 für
die elektrische Vorförderpumpe
(kurz EKP-Relais) und eine Sicherung 17 mit einer Stromversorgungsleitung 18,
die die Batteriespannung UBATT füllt,
verbunden und andererseits mit Masse verbunden. Die Pulsweite des
Ausgangssignals der Endstufe 15 wird durch ein Eingangssignal 19,
das durch eine Motorsteuerung 20 zur Verfügung gestellt
wird, gesteuert. Die Motorsteuerung 20 steuert somit über das
Eingangssignal 19 der Endstufe 15 die Pulsweite des
Ausgangssignals zwischen den Klemmen EKP+ und EKP–. Das Motorsteuergerät 20 steuert über eine
EKP-Steuerleitung 21 die
Stellung des EKP-Relais 27, ob dieses also eine geöffnete oder
geschlossene Stellung einnimmt. Das Motorsteuergerät 20 selbst
ist über
ein Hauptrelais 22 sowie eine Sicherung 23 mit
einer dauerhaft die Batteriespannung UBATT führenden Leitung 24 verbunden.
Die zuvor genannte Leitung 18 ist über einen Zündschalter 25 mit
der positiven Klemme der Fahrzeugbatterie 26 verbunden,
die Leitung 24 ist unmittelbar mit der positiven Klemme
der Fahrzeugbatterie 26 verbunden, deren negative Klemme
an Masse liegt. Der Zündschalter 25 erlaubt
ein manuelles Ein- und Ausschalten des Großteils der Verbraucher in einem
Kraftfahrzeug, das Hauptrelais 22 trennt unabhängig von
dem Zündschalter 25 das
Motorsteuergerät
und mit diesem verbundene elektrische Verbraucher vom Bordnetz.
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Bei
einem Fehler beispielsweise in der Endstufe 15 oder dem
Motorsteuergerät 20 kann
es vorkommen, dass die Vorförderpumpe 2 dauerhaft
fördert,
dass also das pulsweitenmodulierte Signal beispielsweise eine Pulsweite
von 100% aufweist, die Vorförderpumpe 2 also
dauerhaft bestromt wird. Dies hat zur Folge, dass der Vorförderdruck
PVOR, der beispielsweise mit dem Manometer 14 in 1 als Druck
an der Druckseite der Vorförderpumpe 2 gemessen
werden kann, unzulässig
hohe Werte annimmt. Während
dieser Druck bei derzeitigen Kraftstofffördersystemen in der Praxis
Werte von etwa 6 bis 7 Bar annimmt, kann in einem solchen Fehlerfall der
Vorförderdruck
auf Werte beispielsweise in der Größenordnung von 10 Bar ansteigen.
Zwar sorgt das Druckbegrenzungsventil 12 gemäß 1 für eine Begrenzung
des Vorförderdrucks,
in der Regel kann bei derart hohen Drücken aber auf Dauer eine Beschädigung von
Komponenten des Kraftstoffsystems nicht ausgeschlossen werden und
zudem sind meistens die Druckbegrenzungsventile 12 für den Vorförderdruck
in der Praxis nicht dauerfest ausgeführt, versagen also nach einer
gewissen Zeit der Öffnung
des Ventils. Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, in einem solchen Fehlerfall eine behelfsmäßige Steuerung
der Vorförderpumpe 2 durch Öffnen und Schließen des
EKP-Relais 27 zu bewirken. Dieses kann durch die Motorsteuerung 20 direkt
angesteuert werden, so dass im Fehlerfall eine behelfsmäßige Steuerung
der Förderleistung
der Vorförderpumpe 2 durch Öffnen und
Schließen
des EKP-Relais 27 möglich
ist. Dieser Fehlerfall kann durch verschiedene Diagnosevorgänge festgestellt
werden, beispielsweise wenn dauerhaft der Vorförderdruck zu hoch ist oder durch
Beobachtung der elektrischen Ausgangsgrößen beispielsweise des Hochdruckregelkreises.
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3 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Verfahren beginnt mit einem Schritt 101, an den sich
in einem Schritt 102 die Diagnose des Druckes im Kraftstoffsystem
anschließt.
Damit ist insbesondere die Diagnose des Vorförderdrucks gemeint, der je
nach Ausstattung des Kraftstoffsystems mit Drucksensoren auch mittelbar über den
Druck im Hochdruckrail 7 gemessen werden kann. Im folgenden
Ausführungsbeispiel
eines Kraftstoffversorgungssystems gemäß 1 wird hier
direkt der Vorförderdruck
PVOR ausgewertet. In Schritt 103 schließt sich dabei ein Vergleich
der in Schritt 102 bestimmten Parameter mit Sollwerten
an, beispielsweise ein Vergleich des Ist-Vorförderdrucks mit einem Soll-Vorförderdruck,
so dass auf das Vorliegen eines Fehlers geschlossen werden kann.
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Der
Fehlerfall liegt vor, wenn der Ist-Vorförderdruck um einen Toleranzwert über dem
Soll-Vorförderdruck
liegt. Der Fehlerfall kann auch festgestellt werden, wenn eine Reglerausgangsgröße eines Reglers
für den
Vorförderdruck
einen Minimalwert unterschreitet.
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Liegt
kein Fehler vor, mit der Option N gekennzeichnet, so verzweigt das
Verfahren wieder zum Start in Schritt 101. Liegt ein Fehler
vor, durch die Option J gekennzeichnet, so verzweigt der erfolgende
Schritt 103 zu einem Schritt 104, in dem die zuvor
genannten Notlaufmaßnahmen
eingeleitet werden, nämlich
ein zyklisches Ein- und Ausschalten des EKP-Relais 27 wird
aktiviert. In Schritt 105 wird daraufhin ein Notlauf-Tastverhältnis berechnet,
wobei das Notlauf-Tastverhältnis
das Tastverhältnis
des EKP-Relais 27 ist. Mit diesem Tastverhältnis wird
in einem Schritt 106 das EKP-Relais 27 fortan
betrieben. Gleichzeitig kann beispielsweise ein Fehlereintrag durch
das Motorsteuergerät 20 erfolgen
sowie eine akustische und/oder optische Warnung an den Kraftfahrer
ausgegeben werden.