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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine und eine Einspritzanlage, die für ein solches Verfahren ausgelegt ist. Die Einspritzanlage ist insbesondere als Common-Rail-Einspritzanlage ausgebildet.
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Stand der Technik
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Einspritzanlagen in Brennkraftmaschinen werden dazu verwendet, um unter Druck stehenden Kraftstoff der Verbrennung zuzuführen. Somit umfasst eine Einspritzanlage zwei wesentliche Teilbereiche, nämlich die Druckerzeugung und die eigentliche Einspritzung. Ein bekanntes Prinzip bei Einspritzanlagen ist die sogenannte Common-Rail-Einspritzung. Bei der Common-Rail-Einspritzung, die auch Speichereinspritzung genannt wird, handelt es sich um eine Einspritzung für Brennkraftmaschinen, bei denen eine Hochdruckpumpe den Kraftstoff auf ein hohes Druckniveau bringt. Der unter Druck stehende Kraftstoff füllt ein Rohrleitungssystem, nämlich das Rail, das bei Motorbetrieb ständig unter Druck steht. Bei der Einspritzung ist die vollständige Trennung der Druckerzeugung vom eigentlichen Einspritzvorgang wesentlich.
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Bei der Common-Rail-Einspritzung ist vorgesehen, Kraftstoff aus einem Tank mittels einer Niederdruckpumpe in einen Niederdruckbereich zu fördern. Aus diesem Niederdruckbereich wird der Kraftstoff mittels einer Hochdruckpumpe in den Hochdruckbereich und damit in das Rail gefördert. Die Fördermenge der Hochdruckpumpe wird über ein Ventil gesteuert, das zwischen der Niederdruckpumpe und der Hochdruckpumpe angeordnet ist. Zur Regelung des Drucks ist ein Druckregelventil am Rail vorgesehen, das in einem Regelkreis eingebunden ist, der ebenfalls einen Regler umfasst. Regelgröße ist der Druck im Rail, Stellgröße ist bspw. ein Strom, mit dem das Druckregelventil angesteuert wird. Ist der Druck zu hoch, wird Kraftstoff über das Druckregelventil in den Tank zurückgefördert. Dieser zurückgeförderte Kraftstoff wird als Überströmmenge bezeichnet. Der Regler bekommt von einem Motorsteuergerät eine Soll-Druckvorgabe, die mit dem Ist-Druck im Rail verglichen wird.
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Derzeitige Regelkonzepte für Common-Rail-Systeme mit Druckregelventil und Ventil zwischen Niederdruckpumpe und Hochdruckpumpe oder anderen Pumpenfördermengenverstellungen, wie beispielsweise ein elektrisches Saugventil, sehen im mit Druckregelventil geregelten Betrieb für die Pumpe entweder eine Vollförderung oder im Betrieb mit gleichzeitiger Regelung über Druckregelventil und Ventil vor der Hochdruckpumpe, das die Fördermenge steuert, eine vorgesteuerte Pumpenfördermenge vor. Bei letzerem müssen alle Pumpentoleranzen berücksichtigt werden, so dass auch bei einem System mit maximal zulässiger Leckage und einer minimal zulässigen Pumpenförderleistung noch genügend Überströmmenge für die Regelung des Druckregelventils bereit steht. Dies wiederum führt bei einem System am anderen Ende des Toleranzbands, d.h. eine minimale Leckage und eine Pumpe mit maximaler Förderleistung, zu einer hohen Überströmmenge am Druckregelventil.
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Eine zu hohe Überströmmenge hat verschiedene Nachteile. So ist bspw. eine unnötig hohe Systemaufheizung verbunden mit einer hohen Verlustleistung die Folge. Hinzu kommt, dass bei Kurzschlussfehlern am Druckregelventil im mit Druckregelventil geregelten Betrieb hohe Überströmmengen zu kritisch schnellem Druckaufbau mit erhöhter Gefahr der Systemschädigung führen.
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Aus der Druckschrift
DE 197 31 994 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem wenigstens eine Hochdruckpumpe Kraftstoff von einem Niederdruckbereich in ein Rail fördert und der Druck im Rail erfassbar ist. Zur Einstellung des Drucks im Rail lässt ein Druckregelmittel eine Regelmenge vom Rail in den Niederdruckbereich ab, wobei die Regelmenge auf einen Sollwert regelbar ist. Es kann vorgesehen sein, dass ein erster Regler den Druck im Rail und ein zweiter Regler die Regelmenge regelt. Auf diese Weise wird eine stabile und genaue Regelung des Drucks erreicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Einspritzanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgestellt. Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Es wird somit ein Verfahren vorgestellt, das die toleranzbedingt zu hohe Überströmmenge auf ein gewünschtes Maß einstellt bzw. einregelt. Dabei ist in Ausgestaltung vorgesehen, im mit Druckregelventil geregelten Betrieb dem Soll-Drucksignal ein periodisches Signal bzw. eine Schwingung, beispielsweise ein Rechtecksignal, zu überlagern. Aus der Systemreaktion bzw. Systemantwort, beispielsweise dem gemessenen Raildrucksignal oder dem Druckregelventilreglerausgang, lassen sich Hilfsgrößen, beispielsweise Amplitude oder Flankensteilheit, herleiten, die anzeigen, wann die zuviel geförderte Überströmmenge zu klein oder gar Null wird. Ist die Überströmmenge zu klein, so kann der sichere Betrieb des Druckregelventils nicht sichergestellt werden. Diese Hilfsgrößen lassen sich für eine Regelung der Pumpe in Fördermenge und damit der Druckregelventilüberströmmenge nutzen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Ausführung der beschriebenen Einspritzanlage.
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2 zeigt in einem Graphen Signale, die bei der Durchführung des beschriebenen Verfahrens zu erfassen sind.
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3 verdeutlicht in einem weiteren Graphen das vorgestellte Verfahren.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt eine Ausführung einer Einspritzanlage, die insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt einen Tank 12, in dem Kraftstoff enthalten ist, eine Niederdruckpumpe 14, ein Ventil 16, das als Pumpenfördermengensteller dient, eine Hochdruckpumpe 18, ein Rail 20, das einen Drucksensor 22 aufweist, ein mit dem Rail 20 verbundenes Druckregelventil 24 und einen Regler 26, der einen Ist-Druckwert 28 von dem Sensor 22 einliest und diesen mit einer Vorgabe für einen Soll-Druckwert 30, die von einem Steuergerät 32 bereitgestellt wird, vergleicht. Auf Grundlage dieses Vergleichs wird eine Stellgröße als Reglerausgang 34 vorgegeben, bspw. ein Stromwert für das Druckregelventil 24. Ist der Druck im Rail 20 zu hoch, wird eine Überströmmenge 36 an Kraftstoff wieder in den Tank 12 zurückgeführt. Durch den Regler 26, das Druckregelventil 24 und das Rail 20 ist ein Regelkreis 50 gegeben.
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Es ist nunmehr vorgesehen, dass dem Soll-Druckwert 30 ein periodisches Signal 38 überlagert wird, so dass ein überlagertes Signal als Soll-Druckvorgabe 40 dem Regler 26 zugeführt wird. Gleichzeitig wird durch Stellen des Ventils 16 die Pumpenfördermenge stetig reduziert und eine Systemantwort der Einspritzanlage 10 bzw. des Regelkreises 50 kontrolliert, um festzustellen, ob die Überströmmenge 36 noch ausreichend groß ist, um den Betrieb des Druckregelventils 24 zu gewährleisten. Unterschreitet die Überströmmenge 36 eine Grenze bzw. Schwelle, wird die Pumpenfördermenge wieder angehoben, bspw. auf den ursprünglichen Wert, und anschließend solange abgesenkt, bis die Überströmmenge 36 wieder die vorgegebene Schwelle unterschreitet. Das Stellen der Pumpenfördermenge erfolgt üblicherweise ebenfalls mit dem Steuergerät 30, das typischerweise durch das Motorsteuergerät gegeben ist.
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In 2 sind in einem Graphen 60 unterschiedliche Größen über der Zeit (Abszisse 62) aufgetragen. An einer ersten Ordinate 64 ist dabei die Pumpenfördermenge und an einer zweiten Ordinate 66 ein Druck aufgetragen. Ein erster Verlauf 68 zeigt den Verlauf des Reglerausgangs. Ein zweiter Verlauf 70 zeigt den Verlauf des Raildrucksignals. Ein dritter Verlauf 72 zeigt den Verlauf der Soll-Druckvorgabe, ein vierter Verlauf 74 zeigt den Verlauf der Überströmmenge. Ein Pfeil 76 verdeutlicht, dass die Überströmmenge absinkt, bis eine Schwelle unterschritten wird. Dies zeigt sich an Änderungen 78 der Amplitude des Reglerausgangs und an Änderungen 80 von Amplitude und Flankensteilheit des Raildrucksignals. Diese Änderungen 78 und 80 liegen in den Hilfsgrößen, Amplitude und/oder Flankensteilheit vor, lassen sich aus Systemantworten, bspw. Reglerausgang und Ist-Solldruck, herleiten und deuten auf ein Unterschreiten der Schwelle für die Überströmmenge hin.
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Es ist zu beachten, dass es bei einer Common-Rail-Einspritzanlage mit zwei Druckstellern, beispielsweise das Druckregelventil und das Ventil zur Hochdruckpumpenfördermengenverstellung, den mit Druckregelventil geregelten Betrieb gibt, bei dem die Stellgröße des Druckregelventils durch einen PID-Reglerausgang bestimmt ist und der Steller der Hochdruckpumpe auf den theoretischen Systembedarf zuzüglich eines Toleranzvorhalts gesetzt wird.
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In diesem Betriebsmodus wird nun eine neue Solldruckschwingung, das periodische Signal, aufgeprägt. Diese liegt zweckmäßigerweise in der Größenordnung des Kleinsignalbereichs, damit keine signifikante Störung wahrgenommen wird. Es wird hierbei die Pumpenfördermenge von einem hohen Toleranzvorhalt abgesenkt, bis in einer Hilfsgröße abzulesen ist, dass die über den tatsächlichen Systembedarf zuviel geförderte Menge zu klein, bspw. zu Null, wird. Die Hilfsgröße kann bspw. die Änderung der Amplitude des Reglerausgangs oder die Flankensteilheit des Raildruckmesssignals sein.
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Die Änderung der Hilfsgröße entspricht dem Erreichen einer Schaltschwelle einer Regeleingangsgröße für einen unstetigen Regler. Zu diesem Zeitpunkt wird die Fördermenge der Hochdruckpumpe wieder einmalig um einen bestimmten Betrag erhöht, um nachfolgend wieder in kleinen Schritten oder auch kontinuierlich abgesenkt zu werden. Dies erfolgt solange, bis die Schwelle erneut erreicht ist. So ergibt sich ein sägezahnförmiger Verlauf der Überströmmenge oberhalb des tatsächlichen Systembedarfs, die unabhängig von den tatsächlichen Systemtoleranzen eingeregelt werden kann.
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In 3 ist ein weiterer Graph 100 dargestellt, an dessen Abszisse 102 die Zeit aufgetragen ist. An einer ersten Ordinate 104 ist eine Fördermenge, an einer zweiten Ordinate 106 eine Regelerausgangsgröße und an einer dritten Ordinate 108 ein Druck aufgetragen.
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Die Darstellung zeigt einen ersten Verlauf 110, der die Soll-Druckvorgabe wiedergibt. Dies ist ein überlagertes Signal und zwar eine Überlagerung aus Soll-Druckwert, den das Steuergerät vorgibt, und einem periodischen Signal. In diesem Fall ist ein rechteckförmiges Signal überlagert. Es sind aber auch andere periodische Signale denkbar.
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Ein zweiter Verlauf 112 zeigt den Reglerausgang, d. h. das Signal, das der Regler als Stellgröße ausgibt.
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Ein dritter Verlauf 114 zeigt den Verlauf der Pumpenfördermenge. Dieser Verlauf 114 ist sägezahnartig, d.h. der Wert für die Pumpenfördermenge wird durch einen Steller, bspw. ein Ventil, abgesenkt, bis ein tatsächlicher Systembedarf 116 für die Überströmmenge erreicht oder zumindest nahezu erreicht ist. Ist dies der Fall, wird die Pumpenfördermenge wieder angehoben.
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Der Punkt, an dem der tatsächliche Systembedarf oder eine Schwelle, die mit diesem zusammenhängt, erreicht ist, ist in der Antwort des Systems, in diesem Fall dem Reglerausgang, zu erkennen. Dieser Reglerausgang lässt ein Herleiten einer Hilfsgröße zu, die in diesem Fall durch die Amplitude des Reglerausgangs gegeben ist.
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Die Darstellung zeigt, dass immer, wenn der tatsächliche Systembedarf 116 erreicht ist, die Amplitude des Reglerausgangs signifikant ansteigt. Dies ist in der Darstellung zu den Zeitpunkten 120 und 122 gegeben. Somit zeigt der Reglerausgang als Systemantwort an, wann eine vorgebbare Schwelle, die mit dem tatsächlichen Systembedarf 116 in Verbindung steht, erreicht ist.
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Um das notwendige dynamische Verhalten des Reglers des Druckregelventils nicht negativ zu beeinflussen, kann die Eingriffsgröße auf die Pumpenfördermenge als Korrekturfaktor ausgeführt werden.
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Das vorgestellte Verfahren ist grundsätzlich bei allen Common-Rail-Einspritzanlagen mit Druckregelventil und Pumpenfördermengensteller einsetzbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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