DE102011090095A1

DE102011090095A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102011090095A1
Application number: DE102011090095A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ziegler; Udo Schulz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2013-07-04
Anticipated expiration: 2031-12-30
Also published as: CN103184944A; DE102011090095B4

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Anordnung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) vorgestellt. Bei dem Verfahren wird eine Hochdruckpumpe (16) des Verbrennungsmotors derart gesteuert, dass der Auslauf des Verbrennungsmotors (10) gesteuert wird, so dass der Verbrennungsmotor (10) in eine Position gelangt, aus der ein erneuter Start des Verbrennungsmotors (10) vereinfacht ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Zum Starten von Verbrennungsmotoren, die bei Stillstand kein Drehmoment liefern und daher nicht selbst anlaufen können, werden sogenannte Starter bzw. Anlasser als Hilfsaggregat verwendet. Bei diesen ist jedoch zu berücksichtigen, dass ein häufiges Betätigen zu einem übermäßigen Verschleiß und ggf. zu einem vorzeitigen Ausfall führen kann. Dies ist insbesondere bei Start/Stopp-Systemen zu beachten, die dazu eingesetzt werden, den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Diese sollen, ggf. in kurzen zeitlichen Abständen, ein schnelles und komfortables Starten ermöglichen.
Die Druckschrift DE 10 2007 058 530 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Hochdruckspeicher, der durch eine Hochdruckpumpe mit Kraftstoff versorgt wird. Bei diesem erfolgt ein Auslauf der Brennkraftmaschine auf eine Abstellanforderung hin, bei dem die Auslassventile des Hochdruckspeichers zumindest bis zu einem Stillstand verschlossen bleiben. Weiterhin wird die Hochdruckpumpe nach der Abstellanforderung weiter betrieben. Hierbei wird der Druck im Hochdruckspeicher weiter gehalten, so dass nach dem Auslauf der Brennkraftmaschine der Druck gegenüber dem Druck bei herkömmlicher Anwendung erhöht ist. Somit kann ein bestimmter gewünschter Mindestdruck auch nach längerer Abstellzeit gehalten werden, wodurch die Wiederholstartfähigkeit der Brennkraftmaschine verbessert werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
Das vorgestellte Verfahren dient zur Unterstützung eines komfortableren und schüttelärmeren Motorauslaufs. Mit diesem wird eine optimale Positionierung für den nächsten Schnellstart und damit ein komfortablerer Schnellstart, insbesondere von Dieselmotoren mit Hochdruckspeicher- bzw. Common-Rail-Einspritzsystemen, erreicht.
Hierzu wird der Verbrennungsmotor durch Beeinflussung eines Nebenaggregats, nämlich der Hochdruckpumpe, gezielt bzw. gesteuert stehen gelassen, wobei beim Auslauf der Stand bzw. die Position des Motors erkannt und erreicht wird, dass der Verbrennungsmotor gezielt in eine Position gebracht wird, aus der dieser wieder gut, ggf. auch ohne Anlasser, gestartet werden kann.
Unter der Position des Motors ist dabei die Position der Kurbel- und Nockenwelle sowie der Einlass- und Auslass-Ventile zu verstehen. Die Hochdruckpumpe wirkt dabei als Last, die am Motor hängt. Unter einem Nebenaggregat versteht man grundsätzlich eine Hilfsmaschine eines Kraftfahrzeugs, die nicht oder nicht unmittelbar zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs dient.
Die Hochdruckpumpe hängt über die Nockenwelle am Motor. Das Verhalten des Druckregelkreises, in dem sich die Hochdruckpumpe befindet, ist bekannt, und das Moment der Hochdruckpumpe, das auf den Motor wirkt, wird im Auslauf genutzt, um den Motor in eine geeignete Position zu bringen. Dabei ist bspw. eine Position mit geschlossenem Einlass- und Auslass-Ventil und ausreichend Luft eine angestrebte ideale Position.
Neben- bzw. Hilfsaggregate sind bspw. der Anlasser, die Lichtmaschine, die Schmierstoffpumpe, die Hydraulikpumpe, die Kühlwasserpumpe, die Kraftstoffpumpe, die Einspritzpumpe, die Dosierpumpe, der Ventilator für den Kühler, der Kompressor der Klimaanlage, der Bremskraftverstärker und die Hochdruckpumpe.
In Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die gezielte Ansteuerung der Druckregel-Steller im Hoch- und/oder Niederdruckkreis, so dass die Pumpenmoment-Beiträge bei der Hochdruckerzeugung der einzelnen Pumpenelemente der Hochdruckpumpe infolge Kompressionsarbeit im Hochdruckkreis gegen die Gaswechselmomente des Verbrennungsmotors im Motorauslauf wirken können.
Es wird somit ein Verfahren vorgestellt, dass insbesondere bei Start/Stopp-Systemen ein schnelles und komfortables Starten ermöglicht. Als limitierende Faktoren für die Startzuverlässigkeit bei solchen Systemen wurde die eingeschränkte Steuerbarkeit des Motorauslaufs in eine definierte Zielposition sowie das zu kleine Verbrennungsmoment bei hohen Motortemperaturen aufgrund einer zu geringen Luftdichte identifiziert.
Es ist zu berücksichtigen, dass das Motorschleppmoment infolge von (Ansaugluft-)Kompression und innerer Reibung beim Benzinmotor-Gaswechselmoment ca. 120 Nm beträgt. Um den Benzinmotor über seinen oberen Totpunkt zu schleppen, inklusive der Massenträgheit, bedarf es etwa 50 Nm. Das innere Reibmoment beträgt konstant ca. 10 Nm.
Weiterhin sind die wesentlichen Unterscheidungsmerkmale von Diesel- zu Ottomotor zu beachten, nämlich das Brennverfahren (Selbstzündung beim Dieselmotor) und die damit verbundenen hohen Verdichtungsverhältnisse, Zylinderspitzendrücke und die daraus resultierend höheren Gaswechselmomente. Beim Dieselmotor ist mit etwa der doppelten Amplitude des Gaswechselmoments zu rechnen. Damit verbunden ist eine größere Schwingungsanregung des Aggregats und ein unkomfortabler Startverlauf.
Zur Vermeidung von unkomfortablen Schüttelbewegungen des Verbrennungsmotors infolge der Gaswechselmomente können die Drosselklappen im Ansaugkanal und/oder die Abgasstauklappen des Abgasstrangs des Verbrennungsmotors geschlossen werden. Damit federn die Zylinderkolben gegen die Luftsäulen luftund abgasseitig.
Die ideale Kompensation des Gaswechselmoments zur Komfortsteigerung erfordert ein Drehmoment von ca. 400 Nm und ist damit in den meisten Hybridtriebsträngen nicht darstellbar. Der Zylinderdruck ist aufgrund der Selbstzündung des Diesels und der entsprechend notwendigen Kompression bspw. nicht durch Drosselmaßnahmen zu senken. Der Ottomotor bietet hier aufgrund seiner Quantitätsregelung die Möglichkeit zur sogenannten Saugrohrevakuierung, was in einer geringeren Zylinderfüllung und damit einer geringeren Aggregatvibration resultiert. Der Ottomotor ist dem Dieselmotor demnach hinsichtlich Komfortoptimierung im Start/Stopp-Betrieb überlegen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend 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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Ausführungsform einer Brennkraftmaschine.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführung des Niederund Hochdruckkreises der Kraftstoffversorgung eines Common-Rail-Systems.
3 zeigt das Gaswechselmoment beim Start ohne Verbrennung
4 zeigt den Einfluss der Drosselklappe auf den Motorauslauf.
5 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Regelungskonzept mit Vorsteuerung.
6 zeigt Verläufe über der Motordrehzahl.
7 zeigt Drehmomentverläufe.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
In 1 ist eine Ausführung eines Verbrennungsmotors, insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet, dargestellt. Dieser Verbrennungsmotor 10 ist als Vierzylinder-Dieselmotor mit Speichereinspritzsystem bzw. Common Rail ausgeführt.
Die Darstellung zeigt einen Luftmassenmesser 12, ein Steuergerät 14, eine Hochdruckpumpe 16, einen Hochdruckspeicher bzw. ein Rail 18, Injektoren 20, einen Kurbelwellen-Drehzahlsensor 22, einen Kühlmittel-Temperatursensor 24, einen Kraftstoffilter 26 und einen Fahrpedalsensor 28.
In 2 ist in einer schematischen Darstellung eine Ausführung des Niederdruck- und Hochdruckkreises des Kraftstoffversorgungssystems eines Common-Rail-Systems, insgesamt mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet, wiedergegeben. Die Darstellung zeigt einen Hochdruckspeicher 52, ein Druckregelventil 54, ein Druck begrenzendes Ventil 56, eine Hochdruckpumpe 58, einen Niederdruckkreis 60 mit einem Niederdruckkreisventil 61, eine Ablassdrossel 62, eine Schmierungsdrossel 64, eine Nullförder-Drossel 66, eine elektrische Zuführ- oder Zahnradpumpe 68, ein Filter 70 mit Wassertrenner und Heizeinrichtung, einen Vorfilter 72 und einen Tank 74.
In den 1 und 2 sind somit bekannte Speicher-Einspritzsysteme mit Hochdruckspeicher bzw. Common Rail mit ihren wesentlichen Komponenten dargestellt. Abgeleitete Varianten davon können bestehen:

– in der Anzahl der Injektoren in Abhängigkeit der Zylinder,
– in der Art der Druckregelung: beim sogenannten Einstellerkonzept mit Radialpumpen entfällt das Druckregelventil am Rail (2: Druckregelventil 54) bzw. auf der Saugseite der Hochdruckpumpe. In 2 ist die Variante mit 2 Regelventilen (2-Steller-Konzept), nämlich das Druckregelventil 54 und das Druck begrenzende Ventil 56, dargestellt.
– In der Art der Vorförderung: mechanische Zahnradpumpen, die in der Regel an der Hochdruckpumpe verbaut sind, oder elektrische Kraftstoffpumpen, wie z. B. Rollenzellenpumpen.

Die Erzeugung des Hochdrucks übernehmen in der Regel Radialkolbenpumpen mit ein, zwei oder drei Kolben. Die Hochdruckpumpe stellt die Verbindung zwischen dem Niederdruck- und dem Hochdruckkreis her. Bei einer Hochdruckpumpe mit drei im Abstand von jeweils 120° angeordneten Kolben ergibt sich ein max. (Antriebs-)Drehmoment von ca. 35 Nm und ein mittleres Moment von ca. 15 Nm bei 1.300 bar. Die zum Pumpenantrieb notwendige Leistung wächst proportional zum eingestellten Raildruck und zur Pumpendrehzahl (Fördermenge). Bei einem 2-Liter-Motor (Nennleistung) und einem Druck von 1.350 bar nimmt die Pumpe ca. 3,5 kW auf (Common Rail der ersten Generation). Die Antriebswelle der Hochdruckpumpe wird vom Verbrennungsmotor über Zahnrad, Kette, Zahnriemen oder Oldham-Kupplung angetrieben.
Wie in 2 dargestellt ist, arbeiten die einzelnen Pumpenelemente über die Rückschlagventile gegen den Druck im Hochdruckspeicher und die Federkraft am Kolben sowie die Reibung, woraus sich der Momentenbedarf an den Pumpenantrieb ergibt. Die Pumpe ist über den Excenter mit dem Nockenwellenantrieb direkt, untersetzt oder übersetzt (Nfz) angetrieben. In 6 ist hierzu der Zusammenhang zwischen Raildruck/Leistung/Drehmoment über der Drehzahl dargestellt.
Bei einer Ausführung läuft die Hochdruckpumpe synchron zu den Zylinder-OT (Kurbelwellenposition):
Die Hochdruckpumpe dreht sich dabei mit einem Verbrennungsmotor-zu-Zylinderzahlen festen Übersetzungsverhältnis bzw. ganzzahligen Vielfachen oder Teilen davon synchron zu den Zylinderkolbenpositionen bzw. der Kurbelwellenlage des Verbrennungsmotors. Mit Kenntnis der Verbauposition der Hochdruckpumpe am Triebstrang und der Anordnung der Pumpenelemente sind die Förderhübe der Hochdruckpumpenelemente und damit deren Momentenbeträge vorhersehbar. Die Kolbenpositionen des Verbrennungsmotors ergeben sich aus dem Kurbelwellengebersignal am Geberrad mit Zähnen und Lücke bzw. Lücken. Diese Ausführung wird regelmäßig eingesetzt.
Bei einer weiteren Ausführung läuft die Hochdruckpumpe asynchron (schwimmend) zu den Zylinder-OT (Kurbelwellenposition):
Um die Position der Pumpenelemente in Bezug auf die Position der Zylinderkolben bzw. der Kurbelwellenlage zu bestimmen, gibt es die Möglichkeit eines eigenen Signalgeberades an der Hochdruckpumpe oder der kontinuierlichen Messung des Raildruckverlaufs mit Detektierung der Pumpenhübe und daraus abgeleitet der Pumpenkolbenpositionen.
Es ist möglich, diese Erkennung einmal oder von Zeit zu Zeit im Motorbetrieb durchzuführen und mit Kenntnis des Übersetzungsverhältnisses und der Kurbelwellen-Umdrehungen und -position die Pumpenposition zu bestimmen.
Bei einer weiteren Ausführung wird im Motorauslauf (nach Klemme 15 aus, keine Einspritzung und Verbrennung) das jeweilige Pumpenelementmoment durch eine variable Ansteuerung der Druckregelventile im Hochdruckkreis (DRV) bzw. Niederdruckkreis (MPROP) eingestellt bzw. geregelt. Ein Schließen der Druckregelventile bedingt dabei einen Druckaufbau im Hochdruckspeicher und damit eine Momentenbedarfserhöhung des Pumpenantriebs. Umgekehrt bedingt ein Öffnen der Druckregelventile einen Druckabbau im Hochdruckspeicher und damit eine Momentenbedarfsverringerung des Pumpenantriebs.
Durch das hohe Elastizitäts-Modul von Dieselkraftstoff ergibt sich eine schnelle Reaktion beim Druckaufbau bzw. Druckabbau und damit eine entsprechende Pumpenmoment-Erhöhung bzw. -Verringerung. Das Volumen des Hochdruckspeichers liegt bei ca. 15 bis 45 cm³ je nach Motor. Der Innendurchmesser des Hochdruckspeichers beträgt ca. 9 bis 11 mm. Die Länge liegt im Bereich von ca. 20 bis 50 cm (3–6 Zyl.). Der Elastizitäts-Modul von Diesel liegt je nach Druck und Temperatur bei 10.000 bis 30.000 bar, d. h. 10 mm³ mehr in einem 30 cm³ Hochdruckspeicher (Rail) ergeben 3 bis 10 bar Druckanstieg.
Die Ansteuer- bzw. Regelstrategie zur Ansteuerung der Druckregelventile und Zumesseinheiten zur Einstellung des Pumpenmoments zur Kompensation der Gaswechselmomente umfasst im Prinzip ein Glätten des in 4 dargestellten Drehzahlverlaufs 204 mit offener Drosselklappe in Richtung des Drehzahlverlaufs 206 mit geschlossener Drosselklappe und Motorstillstand in einem vorgegebenen Kurbelwinkelbereich.
Folgende Konstellationen der Verbrennungsmotor-Kurbelwellenlage und der Hochdruck-Pumpen-Position bzgl. ihrer maximalen oder minimalen Momentenbeiträge zueinander sind denkbar, mit davon abhängiger Steuer- und Regelstrategie zur Kompensation der Gaswechselmomente des Verbrennungsmotors mittels Ansteuerung der Drucksteller im Nieder- und/oder Hochdruckkreis:

– Die Kompression eines Zylinders (Momenten- bzw. Drehzahl-Einbruch des Verbrennungsmotors fällt mit der Kompression eines Hochdruckpumpenelementes (Momenten- bzw. Drehzahl-Einbruch) zusammen.

Öffnen der Druckregelventile (und/oder Schließen des Niederdruckkreisventils 61 beim 1-Steller und/oder Blank Shots an den Common Rail Injektoren, um das Pumpenmoment zu verringern und um damit den Verbrennungsmotor-Drehzahleinbruch zu verringern.

– Die Expansion eines Zylinders (Momenten- bzw. Drehzahl-Anstieg) des Verbrennungsmotors fällt mit der Kompression eines Hochdruckpumpenelements (Momenten- bzw. Drehzahl-Einbruch) zusammen.

Schließen der Druckregelventile bis zur Erreichung des zulässigen Maximaldrucks (und Öffnen des Niederdruckkreisventils 61), um das Pumpenmoment zu erhöhen und damit die Verbrennungsmotor-Drehzahlanhebung zu verringern.

– Die Kompression eines Zylinders des Verbrennungsmotors fällt mit der Expansion eines Hochdruckpumpenelements zusammen.

Rückwirkungen der Pumpenelemente sind infolge der Rückschlagventile weitgehend ausgeschlossen. Die Verwendung eines steuerbaren HD-Ventils könnte allerdings dazu genutzt werden, über die Pumpe ein Moment zur weiteren Verstellung der Kurbelwelle einzubringen.

– Die Expansion eines Zylinders des Verbrennungsmotors fällt mit der Expansion eines Hochdruckpumpenelements zusammen.

Rückwirkungen der Pumpenelemente sind infolge der Rückschlagventile weitgehend ausgeschlossen.
Die Druckregelventile sowie Zumesseinheiten und damit der Druck im Hochdruckspeicher sind bzw. ist kontinuierlich ansteuerbar, bspw. mit einem PWM-Signal. Damit ist das Pumpenmoment während der Pumpphasen der jeweiligen Pumpenelemente kontinuierlich steuerbar.
Da das Auslaufverhalten des Verbrennungsmotors bzgl. der Gaswechselmomente über der Kurbelwellenposition unter bestimmten Umweltbedingungen, wie bspw. der Motortemperatur, immer gleich ist, lässt sich mit Kenntnis der Reaktionszeit des Hochdruck-Regelkreises auf Stelleränderungen eine Vorsteuerung der Druckregelventile in Abhängigkeit der Kurbelwellenposition realisieren.
Wie nachstehend beschrieben ist, wird die Drosselklappe geschlossen, um bspw. ein Motorschütteln zu vermeiden. Auf diese Weise ist die Motorposition nicht beeinflussbar und kann im gesamten Kurbelwellenwinkelbereich liegen. Um sowohl ein Motorschütteln zu vermeiden als auch eine definierte Abstellposition des Verbrennungsmotors zu erlangen, wird das vorgestellte Verfahren in einer Ausführung mittels der Druckstellventile (Druckregelventil 54 und/oder Niederdruckkreisventil 61) durchgeführt. Drosselklappen und/oder Stauklappen nur zur Vermeidung des Abstellschüttelns können entfallen oder aber durch das vorgestellte Verfahren ergänzt werden.
Kann ein Zurückdrehen des Motors erfindungsgemäß vermieden werden, dann ist es nicht erforderlich, einen aktiven Drehzahlsensor (Kurbelwellensensor) mit Erkennung der Richtungsumkehr zu verwenden.
Grundsätzlich kann das vorgestellte Verfahren auch bei Common-Rail-Einspritzsystemen von Benzinmotoren eingesetzt werden. Mit diesem werden insbesondere Start/Stopp-Systeme komfortabler.
Das Gaswechselmoment im Motorauslauf ist z.B. abhängig von:

– der Drosselklappenöffnung,
– Ventilsteuerzeiten (Motor-Ein- und/oder Auslassventile),
– der Leerlaufdrehzahl,
– der Motorreibung,
– dem Trägheitsmoment,
– dem Verdichtungsverhältnis,
– Leckagen,
– dem Momentenbedarf der Nebenaggregate, bspw. der Hochdruckpumpe.

Diese Größen sind bekannt, bspw. durch Messungen, Applikationsdaten, Modelle, und können in der Motorauslaufsteuerung bzw. -regelung berücksichtigt werden (Vorsteuerungen, Sollwertbildungen, Reglerparameter).
Das aus den gemessenen Zylinderdrücken berechnete Gaswechselmoment bei voller Zylinderfüllung im ungefeuerten Betrieb ist in 3 dargestellt. In der Figur ist an einer Abszisse 100 der Kurbelwinkel [°KW] aufgetragen. An einer ersten Ordinate 102 ist das Gaswechselmoment [Nm] und an einer zweiten Ordinate 104 der Zylinderdruck [bar] aufgetragen. Dabei zeigt eine erste Kurve 106 den Verlauf des Gaswechselmoments, eine zweite Kurve 108 den Druckverlauf des ersten Zylinders, eine dritte Kurve 110 den Druckverlauf des zweiten Zylinders, eine vierte Kurve 112 den Druckverlauf des dritten Zylinders und eine fünfte Kurve 114 den Druckverlauf des fünften Zylinders.
Der Einfluss der Drossellklappenstellung auf das Auslaufverhalten ist in 4 dargestellt. Die Abbildung verdeutlicht den Einfluss der Drosselklappe auf den Motorauslauf.
Auf der rechten Seite ist in einem Graphen 190 an einer Abszisse 200 der Kurbelwinkel [°KW] aufgetragen, an einer Ordinate 202 ist die Drehzahl [1/min] aufgetragen. Eine erste Kurve 204 zeigt den Drehzahlverlauf bei geöffneter Drosselklappe, eine zweite Kurve 206 zeigt den Drehzahlverlauf bei geschlossener Drosselklappe.
Auf der linken Seite ist in einem Graphen 220 an einer Abszisse 230 die Experimentnummer aufgetragen, an einer Ordinate 232 ist der Kurbelwinkel [°KW] aufgetragen. Eine erste Kurve 234 zeigt den Kurbelwinkelverlauf bei geöffneter Drosselklappe, eine zweite Kurve 236 den Kurbelwinkelverlauf bei geschlossener Drosselklappe.
Bei geöffneter Drosselklappe dominieren die Gaswechselmomente der einzelnen Zylinder gegenüber der Reibung und der Massenträgheit. Die Drehungleichförmigkeit nimmt aufgrund der höheren Zylinderspitzendrücke zu, wobei das durch den letzten komprimierenden Zylinder vor dem Nulldurchgang der Drehzahl aufgebaute Gasmoment so groß wird, dass es zu einer Drehrichtungsumkehr kommt und der Verbrennungsmotor den zuvor verdichtenden Zylinder komprimiert, bis es erneut zur Drehrichtungsumkehrung kommt und der Motor letztendlich stehen bleibt. Wird die Drosselklappe geschlossen, so reduzieren sich die Spitzendrücke, der Drehzahlverlauf ist gleichmäßiger und es kommt zu keiner Drehrichtungsumkehr, bevor der Motor stoppt, da die Reibung und die Massenträgheit einen größeren Einfluss auf das Gleichgewicht haben, als das durch eine geringere Zylinderfüllung reduzierte Gaswechselmoment.
Die zu den Drosselklappenstellungen gehörenden Stopppositionen sind in 4 auf der rechten Seite dargestellt. Wird beabsichtigt, eine definierte Stoppposition einzustellen, so kann die Drosselklappe als Stellorgan verwendet werden. Ist diese geschlossen, so ist die Motorstoppposition nicht beeinflussbar und kann im gesamten Kurbelwinkelbereich liegen. Bei geöffneter Drosselklappe existiert durch die erhöhten Gaswechselmomente und die zweifache Richtungsumkehr eine Art Ausgleichsposition.
Aus Kostengründen ist die Kompensation der Gaswechselmomente anzustreben. Idealisiert entspricht die Energie, die in die Kompression der Zylinderfüllung gesteckt wird, derjenigen, die bei der Expansion wieder in die Beschleunigung von Kurbelwelle, Pleuel, Kolben usw. umgesetzt wird. In der Realität sind die bei der Kompression entstehende Wandwärme- und Leckageverluste, Reibungen usw. zu berücksichtigen.
Zusätzlich oder alternativ zur Gaswechselmomenten-Kompensation und Motorpositionierung im Auslauf mittels Drosselklappe ist die Kompensation der Gaswechselmomente durch die Steuerung bzw. Regelung der Momentenbedarfe der Nebenaggregate, insbesondere der Hochdruckpumpe des Hochdruckspeicherund Einspritzsystems, vorgesehen.
Eine wichtige Anforderung besteht darin, dass diese ein ausreichend Drehmoment aufprägen können. Die Nebenaggregate, z.B. die regelbare Hochdruckpumpe, die regelbare Wasserpumpe, der regelbare Klimakompressor usw., können diese Drehmomente bedarfsgerecht zur Verfügung stellen. Für die Hochdruckpumpe sind beispielhafte Drehmomentenverläufe in 6 und 7 dargestellt.
Die Steller für die Einstellung des Drucks im Hochdruckspeicher und damit des Momentenbedarfs der Hochdruckpumpe des Hochdruckregelkreises von Speichereinspritzsystemen sind das Druckregelventil am Hochdruckspeicher (Rail) und das Mengenproportionalventil im Niederdruckkreis saugseitig der Hochdruckpumpe. Diese werden vom Motorsteuergerät in Echtzeit (synchron zu Ereignis, Drehzahl bzw. Kurbelwellenwinkel) angesteuert. Verzögerungen in der Regelstrecke können durch Vorsteuerungen berücksichtigt werden.
Es wird vorgeschlagen, die Gaswechselmomentenkompensation und Motorpositionierung im Auslauf als Kombination eines Drehzahl- und Positionsreglers mit Momentenvorsteuerung umzusetzen. 5 zeigt hierzu ein Regelungskonzept.
Aus einer vorgegebenen Motorposition (Bereich, in dem der Motor zum Stehen kommt) und einen Drehzahl-Sollwertverlauf 350 werden eine Solldrehzahl 351 und ein Sollwinkel φ 353 ausgegeben. Diese Größen werden einem Drehzahlund Lageregler 354 zugeführt. Der Ausgang des Drehzahl- und Lagereglers 354 ergibt zusammen mit der Vorsteuerung 372, die u.a. einen Drosselklappenwinkel 373 berücksichtigt, ein Sollmoment 356 für den Momentenregler 358 der Nebenaggregate, bspw. der Momentenregelung der Hochdruckpumpe. Über die Regelung der Drücke im Nieder- und Hochdruckkreis (Hochdruckregelung 360) wird das Pumpenmoment der Hochdruckpumpe 380 über einen Raildrucksteller 382 und einen Mengenproportionalventil 384 am Verbrennungsmotor bzw. einem Rail 386 des Verbrennungsmotors eingestellt und bringt diesen im vorgegebenen Kurbelwellenwinkelbereich komfortabel zum Stehen. Die Hochdruckpumpe 380 gibt ein Pumpenmoment 390 und eine Pumpen/Motordrehzahl und Position 392 sowie einen Istwert 394 für den Raildruck aus, der zusammen mit einem Sollwert 396 für den Raildruck in die Hochdruckregelung 360 eingegeben wird.
Es wird aus Komfortgründen bis zum Motorstillstand ein linearer Drehzahlverlauf vorgegeben. Der Drehzahl- und Lageregler 354 übernimmt in einer äußeren Regelkaskade die Drehzahlregelung, wobei dieser als Ausgangsgröße das Solldrehmoment ausgibt. Zu diesem Solldrehmoment wird ein berechnetes Gaswechselkompensationsmoment addiert. Mittels einer Positionserfassung, z.B. mittels Inkrementalgeber, an der Kurbelwelle kann die Verbrennungsmotor- und Hochdruckpumpenposition erfasst werden.
Anhand der Verbrennungsmotorposition kann auf die Kolbenstellungen, Luftfüllungen usw. und damit auf das Gaswechselmoment und somit auf das notwendige Kompensationsmoment geschlossen werden. Über die feste Übersetzung Verbrennungsmotor – Kurbelwelle bzw. Nockenwelle zur Hochdruckpumpe kann auf die Stellung der Förderkolben und damit Raildruck abhängigen möglichen Kompensationsmomente geschlossen werden. Das aus dieser Prädiktion berechnete Drehmoment wird zum Sollmoment aus Drehzahl- und Lageregler 354 addiert und zu einem Gesamtmoment zusammengefasst, das als Sollwert in die innere Regelkaskade eingeht.
In 6 ist in einem ersten Graphen 400 der Raildruckverlauf [bar] / 1000 über der Motordrehzahl [1/min] / 1000 aufgetragen. In einem zweiten Graphen 402 ist zur Verdeutlichung der Leistungsaufnahme einer Hochdruckpumpe die Leistung [kW] über der Motordrehzahl [1/min] / 1000 aufgetragen. In einem dritten Graphen 404 ist zur Verdeutlichung des Antriebsmoments einer Hochdruckpumpe das Pumpenantriebsmoment [Nm] über der Motordrehzahl [1/min] / 1000 aufgetragen. Dabei zeigt eine erste Kurve 406 einen maximalen Verlauf und eine zweite Kurve einen mittleren Verlauf.
In 7 ist in einem ersten Graphen 450 der Verlauf des Drehmoments [Nm] bei 1000 U/min über der Zeit [ms] aufgetragen, in einem zweiten Graphen 452 der Verlauf des Pumpenantriebsmoments in [Nm] über der Zeit [ms] bei 2000 U/min und in einem dritten Graphen 454 der Verlauf des Pumpenantriebsmoments [Nm] über der Zeit [ms] bei 4000 U/min. Der entsprechende Druck ist 6 zu entnehmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007058530 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10), bei dem eine Hochdruckpumpe (16, 58, 380) des Verbrennungsmotors (10) derart gesteuert wird, dass der Auslauf des Verbrennungsmotors (10) gesteuert wird, so dass der Verbrennungsmotor (10) in eine Position gelangt, aus der ein erneuter Start des Verbrennungsmotors (10) vereinfacht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hochdruckpumpe (16, 58, 380) über ein Druckregelventil (54) und/oder ein Niederdruckkreisventil (61) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem Verzögerungen in einer Regelstrecke durch Vorsteuerungen berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine Gaswechselkompensation durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei der die Gaswechselkompensation als Kompensation eines Drehzahl- und Lagereglers (354) mit einer Vorsteuerung eines Kompensationsmoments umgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Verbrennungsmotor (10) wieder aus der Position gestartet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Hochdruckpumpe (16, 58, 380) synchron zur Kurbelwellenlage des Verbrennungsmotors (10) betrieben wird.
Anordnung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Hochdruckpumpe (16, 58, 380), die über eine Nockenwelle mit dem Verbrennungsmotor (10) verbunden ist, die sich in einem Druckregelkreis befindet und die derart anzusteuern ist, dass der Auslauf des Verbrennungsmotors (10) über das Moment der Hochdruckpumpe (16, 58, 380), das auf den Verbrennungsmotor (10) wirkt, zu steuern ist, so dass der Verbrennungsmotor (10) in eine Position gelangt, aus der ein erneuter Start des Verbrennungsmotors (10) vereinfacht ist.
Anordnung nach Anspruch 8, bei der der Druckregelkreis ein Druckregelventil (54) und ein Druck begrenzendes Ventil (56) umfasst.
Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, bei der der Druckregelkreis einen Drehzahl- und Lageregler (354) umfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der ein Signalgeberrad an der Hochdruckpumpe (16, 58, 380) vorgesehen ist, mit dem eine Position von Elementen der Hochdruckpumpe in Bezug auf eine Position von Zylinderkolben zu bestimmen ist.