DE102014213648B3 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit einem Einspritzsystem (3) mit einem Hochdruckspeicher (13), wobei ein Hochdruck in dem Hochdruckspeicher (13) über eine niederdruckseitige Saugdrossel (9) als erstem Druckstellglied in einem ersten Hochdruck-Regelkreis (25) geregelt wird, wobei in einem Normalbetrieb eine Hochdruck-Störgröße über ein hochdruckseitiges Druckregelventil (19) als zweitem Druckstellglied erzeugt wird, über welches Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher (13) in ein Kraftstoff-Reservoir (7) abgesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruck in einem Schutzbetrieb mittels des Druckregelventils (19) über einen zweiten Hochdruck-Regelkreis (39) geregelt wird, oder dass das Druckregelventil (19) in dem Schutzbetrieb dauerhaft geöffnet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, ein Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 6, und eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 10.
  • Aus der deutschen Patentschrift DE 10 2009 031 529 B3 geht ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Einspritzsystem hervor, wobei das Einspritzsystem einen gemeinsamen Hochdruck-Speicher, nämlich ein sogenanntes Rail aufweist, sodass das Einspritzsystem als Common-Rail-System ausgebildet ist. Ein Hochdruck in dem Hochdruckspeicher wird über eine niederdruckseitige Saugdrossel als erstem Druckstellglied in einem Hochdruck-Regelkreis geregelt. Es wird eine Hochdruck-Störgröße über ein hochdruckseitiges Druckregelventil als zweites Druckstellglied erzeugt, wobei über das Druckregelventil Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher in ein Kraftstoff-Reservoir abgesteuert wird. Dabei ist vorgesehen, dass das Druckregelventil bei einer gesetzten Schutzfunktion temporär in Öffnungsrichtung maximal angesteuert wird. Die Schutzfunktion wird gesetzt, wenn ein dynamischer Hochdruck einen vorgegebenen Druckgrenzwert überschreitet. Durch das Ansteuern des Druckregelventils in Richtung einer maximalen Öffnung kann ein weiteres Ansteigen des Raildrucks temporär verhindert werden. Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne wird die Schutzfunktion zurückgesetzt. Ein erneutes Setzen der Schutzfunktion ist dann nur möglich, wenn der vorgegebene Druckgrenzwert wiederum überschritten wird, wobei zugleich die Schutzfunktion erneut freigeschaltet ist. Das Freischalten wird über eine spezielle Variable bewirkt, die erst dann auf einen Freischaltwert gesetzt wird, wenn der Hochdruck nach aktivierter und anschließend zurückgesetzter Schutzfunktion einen vorgegebenen Hysteresedruckwert unterschreitet.
  • Bei dieser Ansteuerung der Druckregelfunktion tritt der Nachteil auf, dass die Schutzfunktion beispielsweise bei einem Kabelbruch des Saugdrosselsteckers periodisch aktiviert wird, wenn eine stromlos offene Saugdrossel verwendet wird. In diesem Fall wird nämlich die Saugdrossel dauerhaft in geöffnetem Zustand betrieben, wodurch eine maximale Kraftstoffmenge in den Hochdruckspeicher gefördert wird, und zwar umso mehr, je höher die Drehzahl der Brennkraftmaschine ist. Dies führt zu einem Ansteigen des Hochdrucks, welches gestoppt wird, wenn das Druckregelventil öffnet. Da jedoch die Schutzfunktion nur temporär aktiv ist, fällt der Hochdruck zunächst ab und steigt wieder an, wenn die Schutzfunktion zurückgesetzt wird, da über die Saugdrossel ständig Kraftstoff nachgefördert wird. In der Folge wird die Schutzfunktion wieder aktiviert, wodurch der Raildruck wieder abfällt, wobei sich das hier aufgezeigte Schema in der Folge periodisch fortsetzt. Ergebnis ist ein periodisch schwankender Hochdruck, was zu einem unruhigen Motorlauf führt. Außerdem verschlechtert sich das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine, da der Hochdruck bei ansprechender Schutzfunktion nicht mehr geregelt wird und somit stark von einem vorgesehenen Sollwert abweichen kann.
  • Es zeigt sich weiterhin, dass das bekannte Einspritzsystem ein mechanisches Überdruckventil aufweist, welches bei Überschreiten eines weiteren, typischerweise höheren Druckgrenzwerts öffnet und somit einen unzulässig hohen Druckanstieg in dem Hochdruckspeicher unabhängig von einer elektronischen Ansteuerung auf rein mechanischem Weg sicher verhindert. Neben dem Überdruckventil selbst müssen Leitungen vorgesehen sein, welche dieses einerseits mit dem Hochdruckspeicher und andererseits mit dem Kraftstoff-Reservoir verbinden. Diese Teile erfordern Bauraum und tragen zu den Kosten des Einspritzsystems bei. Es ist daher wünschenswert, das Überdruckventil und die damit verbundenen Leitungen einsparen zu können.
  • Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2009 050 467 A1 geht ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine hervor, bei dem im Normalbetrieb der Raildruck über eine niederdruckseitige Saugdrossel als erstes Druckstellglied in einem Raildruck-Regelkreis geregelt wird sowie gleichzeitig der Raildruck über ein hochdruckseitiges Druckregelventil als zweites Druckstellglied mit einer Raildruck-Störgröße beaufschlagt wird, indem über das hochdruckseitige Druckregelventil ein Druckregelventil-Volumenstrom aus dem Rail in einen Kraftstofftank abgesteuert wird, und bei dem mit Erkennen eines defekten Rail-Drucksensors in einen Notbetrieb gewechselt wird, in welchem das hochdruckseitige Druckregelventil und die niederdruckseitige Saugdrossel in Abhängigkeit derselben Vorgabegröße angesteuert werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, welches wenigstens einen der genannten Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll es mithilfe des Verfahrens möglich sein, die Brennkraftmaschine vor einem unzulässigen Anstieg des Hochdrucks zuverlässig zu schützen und nach Möglichkeit zugleich einen stabilen Hochdruck für ein verbessertes Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine zu gewährleisten. Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Einspritzsystem sowie eine Brennkraftmaschine zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den Schritten des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dabei ist gemäß einer ersten Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen, dass der Hochdruck in einem Schutzbetrieb durch das Druckregelventil über einen zweiten Druckregelkreis geregelt wird. Damit ergibt sich Folgendes: Der Hochdruck in dem Hochdruckspeicher wird in einem Normalbetrieb über die niederdruckseitige Saugdrossel als erstem Druckstellglied in einem ersten Hochdruck-Regelkreis geregelt, wobei in dem Normalbetrieb über das Druckregelventil eine Hochdruck-Störgröße als zweites Druckstellglied erzeugt wird. In dem Schutzbetrieb wird der Hochdruck dagegen mittels des Druckregelventils über den zweiten Druckregelkreis geregelt. Dadurch ist es möglich, dass auch bei einem Ausfall des ersten Hochdruckregelkreises – insbesondere bei einem Ausfall der Saugdrossel als erstem Druckstellglied, beispielsweise aufgrund eines Kabelbruchs, eines vergessenen Aufsteckens des Saugdrosselsteckers, einem Klemmen oder Verdrecken der Saugdrossel, oder einem anderen Fehler oder Defekt in dem ersten Hochdruck-Regelkreis – noch eine Regelung des Hochdrucks möglich ist, nämlich über den zweiten Hochdruck-Regelkreis und mittels des Druckregelventils. Zum einen kann so das Einspritzsystem vor einem unzulässig hohen Hochdruck geschützt werden, zum anderen wird ein periodisches Schwanken des Hochdrucks vermieden. Dieser wird vielmehr durch den zweiten Hochdruck-Regelkreis auf seinen Sollwert geregelt, sodass keine Verschlechterung des Emissionsverhaltens der Brennkraftmaschine auftritt.
  • Es wird auch eine zweite Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Druckregelventil in einem Schutzbetrieb dauerhaft geöffnet wird. Dies bedeutet insbesondere, dass dauerhaft über das Druckregelventil ein großer, vorzugsweise ein maximaler Kraftstoff-Volumenstrom aus dem Hochdruckspeicher in das Kraftstoff-Reservoir abgesteuert wird. Das heißt insbesondere, dass das Druckregelventil in dem Schutzbetrieb in Richtung einer maximalen Öffnung angesteuert wird. Besonders bevorzugt wird das Druckregelventil in dem Schutzbetrieb maximal weit geöffnet. Je nachdem, ob das Druckregelventil stromlos offen oder stromlos geschlossen ausgebildet ist, wird es dabei bevorzugt mit einem großen, vorzugsweise maximalen Ansteuerstrom angesteuert, oder mit einem kleinen Ansteuerstrom, vorzugsweise nicht bestromt. Der dabei tatsächlich das Druckregelventil durchsetzende Kraftstoff-Volumenstrom hängt selbstverständlich von dem Hochdruck in dem Hochdruckspeicher ab, wobei der Begriff „maximaler Kraftstoffvolumenstrom” sich darauf bezieht, dass das Druckregelventil soweit wie möglich geöffnet ist. Bei dieser Ausführungsform wird ein unzulässig hoher Hochdruck in dem Hochdruckspeicher nicht nur temporär, sondern dauerhaft rasch und zuverlässig abgebaut, sodass das Einspritzsystem wirksam und zuverlässig geschützt ist.
  • Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt auf die Verwendung eines mechanischen Überdruckventils verzichtet. Es wird also insbesondere bevorzugt kein mechanisches Überdruckventil mehr verwendet. Dabei ist es aufgrund des zuverlässigen und effektiven Schutzes des Einspritzsystems vor einem unzulässig hohen Hochdruck in dem Schutzbetrieb möglich, das mechanische Überdruckventil wegzulassen, sodass der mit diesem und den entsprechenden Leitungen verbundene Bauraum eingespart werden kann, wobei auch Kosten für das Einspritzsystem entfallen, sodass dieses insgesamt günstiger ausgebildet sein kann.
  • Bevorzugt wird eine Ausführungsform des Verfahrens, bei welcher die erste und die zweite Ausführungsform miteinander kombiniert sind, sodass sie zusätzlich zueinander verwirklicht werden. Diese Ausführungsform des Verfahrens zeichnet sich demnach dadurch aus, dass der Hochdruck in einer ersten Betriebsart des Schutzbetriebs mittels des Druckregelventils über den zweiten Hochdruckregelkreis geregelt wird, wobei das Druckregelventil in einer zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs dauerhaft geöffnet wird, wobei bevorzugt dauerhaft über das Druckregelventil ein maximaler Kraftstoff-Volumenstrom aus dem Hochdruckspeicher in das Kraftstoff-Reservoir abgesteuert wird. Vorteilhaft hierbei ist, dass in der ersten Betriebsart des Schutzbereichs noch eine Regelung des Hochdrucks möglich ist, wobei in der zweiten Betriebsart eine sichere und zuverlässige Verhinderung eines unzulässig hohen Hochdrucks in dem Hochdruckspeicher dauerhaft gewährleistet ist. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die erste Betriebsart des Schutzbetriebs verwirklicht wird, wenn der Hochdruck zwischen einem ersten, niedrigeren Druckgrenzwert und einem zweiten, höheren Druckgrenzwert liegt, wobei in diesem Druckbereich noch eine stabile Regelung des Hochdrucks möglich ist, wobei die zweite Betriebsart in einem Druckbereich oberhalb des zweiten, höheren Druckgrenzwerts verwirklicht wird, bei welcher ohne Absteuerung des Kraftstoff-Volumenstroms aus dem Hochdruckspeicher in das Kraftstoff-Reservoir eine Beschädigung des Einspritzsystems durch einen unzulässig hohen Druck gegeben wäre. In diesem Fall ermöglicht die erste Betriebsart eine Druckregelung beispielsweise auch bei Ausfall des ersten Hochdruck-Regelkreises, wobei die zweite Betriebsart einen sicheren und zuverlässigen Schutz für das Einspritzsystem bei unzulässig hohem Druckanstieg gewährleistet, sodass insbesondere auf ein mechanisches Überdruckventil verzichtet werden kann.
  • Der Hochdruckspeicher ist vorzugsweise als gemeinsamer Hochdruckspeicher ausgebildet, mit dem eine Mehrzahl von Injektoren in Fluidverbindung stehen. Ein solcher Hochdruckspeicher wird auch als Rail bezeichnet, wobei das Einspritzsystem bevorzugt als Common-Rail-Einspritzsystem ausgestaltet ist.
  • Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine erste Betriebsart des Schutzbetriebs gesetzt wird, wenn der Hochdruck einen ersten Druckgrenzwert erreicht oder überschreitet. Dabei übernimmt in der ersten Betriebsart das Druckregelventil die Regelung des Hochdrucks. Die hier angesprochene erste Betriebsart entspricht also der zuvor angesprochenen ersten Betriebsart des Schutzbetriebs, wobei die hier angesprochene Ausführungsform unabhängig davon realisiert sein kann, ob tatsächlich auch eine zweite Betriebsart existiert. Insoweit dient hier die Bezeichnung „erste Betriebsart” lediglich zur Unterscheidung von der als „zweiten Betriebsart” bezeichneten Betriebsart, wobei nicht zwingend beide Betriebsarten vorgesehen sein müssen. Indem die erste Betriebsart gesetzt wird, wenn der Hochdruck den ersten Druckgrenzwert erreicht oder überschreitet, wird gewährleistet, dass diese Betriebsart stets dann – und vorzugsweise nur dann – aktiviert wird, wenn eine Fehlfunktion in dem ersten Hochdruck-Regelkreis vorliegt. Hierzu wird der erste Druckgrenzwert bevorzugt so gewählt, dass er höher ist als ein typischerweise im fehlerfreien Betrieb des Einspritzsystems realisierter, höchster Druckwert für den Hochdruck. Bei einem konkreten Einspritzsystem einer konkreten Brennkraftmaschine ist es beispielsweise möglich, dass der Hochdruck typischerweise im Betrieb auf einen Wert von 2200 bar geregelt wird. Dabei ist eine Druckreserve für allfällig auftretende Druckschwankungen bis zu 2300 bar vorgesehen. In diesem Fall wird der erste Druckgrenzwert vorzugsweise zu 2400 bar gewählt, um zu vermeiden, dass die erste Betriebsart aktiviert wird, ohne dass eine Fehlfunktion des ersten Hochdruck-Regelkreises vorliegt. Tritt allerdings eine solche Fehlfunktion auf – beispielsweise ein Kabelbruch in dem Saugdrosselstecker, ein Klemmen der Saugdrossel, ein Verdrecken derselben, oder ein vergessenes Aufstecken des Saugdrosselsteckers – kann der Hochdruck insbesondere in einem höheren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine über das vorgesehene Reserveniveau ansteigen, insbesondere wenn die Saugdrossel stromlos offen ausgebildet ist. In diesem Fall erreicht oder überschreitet der Hochdruck den ersten Druckgrenzwert, und das Druckregelventil übernimmt die Regelung des Hochdrucks. Es ist dann trotz Ausfall des ersten Hochdruck-Regelkreises noch eine stabile Regelung des Hochdrucks möglich, sodass keine Verschlechterung des Emissionsverhaltens der Brennkraftmaschine auftritt, wobei diese zugleich zuverlässig vor einem unzulässigen Anstieg des Hochdrucks geschützt ist.
  • Zum Vergleich mit dem ersten Druckgrenzwert wird vorzugsweise ein dynamischer Raildruck verwendet, welcher aus einer Filterung des mittels eines Hochdrucksensors gemessenen Hochdrucks insbesondere mit einer vergleichsweisen kurzen Zeitkonstante resultiert. Alternativ ist es aber auch möglich, den gemessenen Hochdruck direkt mit dem ersten Druckgrenzwert zu vergleichen. Die Filterung hat demgegenüber den Vorteil, dass – wenn auch selten auftretende – Überschwinger über den ersten Druckgrenzwert nicht direkt zu einem Setzen der ersten Betriebsart führen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine Stellgröße für das Druckregelventil in der ersten Betriebsart in Abhängigkeit des Hochdrucks begrenzt. Dies hat den Vorteil, dass das Druckregelventil nicht weiter geöffnet wird, als es für eine bei gegebenem Hochdruck überhaupt maximal sinnvolle Absteuerung nötig ist. Auf diese Weise kann eine Übersteuerung des Druckregelventils vermieden werden. Zur Begrenzung der Stellgröße wird vorzugsweise auf eine Kennlinie zurückgegriffen, durch welche ein maximaler Volumenstrom des Druckregelventils in Abhängigkeit von dem Hochdruck hinterlegt ist.
  • Bei einem Schalten von dem Normalbetrieb in die erste Betriebsart des Schutzbetriebs wird bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ein integrierender Anteil eines Druckreglers des zweiten Hochdruck-Regelkreises, welcher zur Ansteuerung des Druckregelventils vorgesehen ist, mit einem Ansteuerwert initialisiert, welcher in dem Normalbetrieb unmittelbar vor dem Umschalten in den Schutzbetrieb zur Ansteuerung des Druckregelventils verwendet wurde. Auf diese Weise wird ein sanfter, störungsfreier und kontinuierlicher Übergang in der Druckregelung zwischen der Regelung durch den ersten Hochdruckregelkreis in dem Normalbetrieb und der Regelung durch den zweiten Hochdruckregelkreis in dem Schutzbetrieb gewährleistet. Insbesondere wird auf diese Weise verhindert, dass Sprünge in dem Hochdruck auftreten, was zu einem instabilen Betrieb der Brennkraftmaschine führen würde.
  • Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine zweite Betriebsart des Schutzbetriebs gesetzt wird, wenn der Hochdruck einen zweiten Druckgrenzwert überschreitet. Dabei wird in der zweiten Betriebsart das Druckregelventil dauerhaft geöffnet, wobei bevorzugt über das Druckregelventil dauerhaft ein maximaler Kraftstoff-Volumenstrom aus dem Hochdruckspeicher in das Kraftstoff-Reservoir abgesteuert wird. Die zweite Betriebsart entspricht also der bereits oben beschriebenen zweiten Betriebsart, die alternativ, aber auch zusätzlich zu der ersten Betriebsart vorgesehen sein kann. Ist sie zusätzlich zu der ersten Betriebsart vorgesehen, ist der zweite Druckgrenzwert vorzugsweise größer als der erste Druckgrenzwert gewählt. Unabhängig davon, ob die zweite Betriebsart zusätzlich oder alternativ zu der ersten Betriebsart vorgesehen ist, ist der zweite Druckgrenzwert bevorzugt so gewählt, dass er einem Druck entspricht, der bei einer konventionellen Ausgestaltung des Einspritzsystems als Öffnungsdruck für ein mechanisches Überdruckventil gewählt würde. Bei dem zuvor in Zusammenhang mit der ersten Betriebsart angesprochenen konkreten Beispiel eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine würde der zweite Druckgrenzwert beispielsweise bei 2500 bar liegen. Dies entspräche einem Druck, bei dem bei diesem konkreten Beispiel ein mechanisches Überdruckventil zur Öffnung ausgelegt würde. Dadurch, dass in der zweiten Betriebsart das Druckregelventil nicht nur temporär – wie aus dem Stand der Technik bekannt – sondern vielmehr dauerhaft einen großen, vorzugsweise einen maximalen Kraftstoff-Volumenstrom aus dem Hochdruckspeicher in das Kraftstoff-Reservoir absteuert, wird ein unzulässiges Ansteigen des Hochdrucks und damit eine Beschädigung des Einspritzsystems mittels des Druckregelventils zuverlässig vermieden. Dadurch kann das mechanische Überdruckventil entfallen. Dessen Funktion wird vielmehr vollständig durch das Druckregelventil nachgebildet.
  • Mit dem zweiten Druckgrenzwert wird bevorzugt ein dynamischer Raildruck verglichen, der durch Filterung insbesondere mit einer vergleichsweisen kurzen Zeitkonstante aus dem mittels eines Hochdrucksensors gemessenen Hochdruck gewonnen wird. Alternativ ist es aber auch möglich, dass direkt der gemessene Hochdruck mit dem zweiten Druckgrenzwert verglichen wird.
  • Bei einer Ausführungsform des Verfahrens, bei welcher sowohl die erste Betriebsart als auch die zweite Betriebsart realisiert werden, ergibt sich folgendes Bild: Fällt der erste Hochdruck-Regelkreis aus, und steigt in der Folge dieses Ereignisses der Hochdruck in dem Hochdruckspeicher an, wird dieser zunächst in einem Bereich zwischen dem ersten Druckgrenzwert und dem zweiten Druckgrenzwert durch das Druckregelventil geregelt. Damit kann in diesem Bereich noch ein stabiler Betrieb der Brennkraftmaschine bei guten Emissionswerten ermöglicht werden. Dies ist insbesondere der Fall in einem niedrigen bis mittleren Drehzahlbereich, in welchem aufgrund der niedrigen bis mittleren Drehzahl der Hochdruckpumpe selbst über eine vollständig geöffnete Saugdrossel eine noch mittels einer Regelung über das Druckregelventil beherrschbare Kraftstoffmenge aus dem Kraftstoff-Reservoir in den Hochdruckspeicher gefördert wird. Steigt dagegen der Hochdruck in dem Hochdruckspeicher unzulässig hoch über den zweiten Druckgrenzwert hinaus an, beispielsweise in einem hohen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine, ist keine Druckregelung mehr über das Druckregelventil möglich. Dieses wird dann vielmehr in der zweiten Betriebsart möglichst vollständig geöffnet, sodass ein großer, bevorzugt maximaler Kraftstoffvolumenstrom in das Kraftstoff-Reservoir abgesteuert werden kann. Dies entspricht der Funktionalität des ansonsten vorgesehenen mechanischen Überdruckventils.
  • Dabei ist es möglich, dass die erste Betriebsart und die zweite Betriebsart sequentiell nacheinander durchlaufen werden, wobei beispielsweise bei Auftreten eines Defekts in dem ersten Hochdruckregelkreis bei zunächst geringer Drehzahl der Brennkraftmaschine die erste Betriebsart realisiert wird, wobei bei Ansteigen der Drehzahl dann schließlich die zweite Betriebsart verwirklicht wird. Es ist aber auch möglich, dass der Hochdruck in dem Hochdruckspeicher schlagartig über den zweiten Druckgrenzwert ansteigt, wobei in diesem Fall die erste Betriebsart quasi übersprungen und sofort die zweite Betriebsart verwirklicht wird.
  • Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass für das Druckregelventil in dem Normalbetrieb eine Normalfunktion gesetzt wird, in welcher das Druckregelventil in Abhängigkeit von einem Soll-Volumenstrom angesteuert wird. In dem Normalbetrieb stellt die Normalfunktion dabei eine Betriebsweise für das Druckregelventil bereit, bei welcher dieses eine Hochdruck-Störgröße erzeugt, indem es Kraftstoff aus dem Hochdruck-Speicher in das Kraftstoff-Reservoir absteuert.
  • Bevorzugt wird für das Druckregelventil auch in der ersten Betriebsart des Schutzbetriebs die Normalfunktion gesetzt, sodass das Druckregelventil in Abhängigkeit von einem Soll-Volumenstrom angesteuert wird. Der Normalbetrieb einerseits und die erste Betriebsart des Schutzbereichs andererseits unterscheiden sich in diesem Fall in der Art und Weise, in welcher der Soll-Volumenstrom zur Ansteuerung des Druckregelventils berechnet wird:
    In dem Normalbetrieb wird der Soll-Volumenstrom bevorzugt aus einem statischen und einem dynamischen Soll-Volumenstrom berechnet. Der statische Soll-Volumenstrom wird wiederum bevorzugt in Abhängigkeit einer Soll-Einspritzmenge und einer Drehzahl der Brennkraftmaschine über ein Soll-Volumenstrom-Kennfeld berechnet. Bei einer momentenorientierten Struktur kann dabei anstelle der Soll-Einspritzmenge auch ein Soll-Moment oder eine Soll-Lastanforderung verwendet werden. Über den statischen Soll-Volumenstrom wird eine Konstantleckage nachgebildet, indem der Kraftstoff nur in einem Schwachlastbereich und in kleiner Menge abgesteuert wird. Von Vorteil ist dabei, dass keine signifikante Erhöhung der Kraftstofftemperatur und auch keine signifikante Verringerungen des Wirkungsgrads der Brennkraftmaschine auftreten. Durch die Nachbildung einer Konstantleckage für das Einspritzsystem über das Druckregelventil wird die Stabilität des Hochdruck-Regelkreises im Schwachlastbereich erhöht, was beispielsweise daran erkannt werden kann, dass der Hochdruck im Schubbetrieb etwa konstant bleibt. Der dynamische Soll-Volumenstrom wird über eine dynamische Korrektur in Abhängigkeit eines Soll-Hochdrucks und des Ist-Hochdrucks beziehungsweise der daraus abgeleiteten Regelabweichung berechnet. Ist die Regelabweichung negativ, beispielsweise bei einem Lastabwurf der Brennkraftmaschine, wird über den dynamischen Soll-Volumenstrom der statische Soll-Volumenstrom korrigiert. Anderenfalls, also insbesondere bei positiver Regelabweichung, erfolgt keine Veränderung des statischen Soll-Volumenstroms. Über den dynamischen Soll-Volumenstrom wird einer Druckerhöhung des Hochdrucks entgegengewirkt, mit dem Vorteil, dass die Ausregelzeit des Systems nochmals verbessert werden kann.
  • Diese Vorgehensweise ist detailliert in der deutschen Patentschrift DE 10 2009 031 529 B3 beschrieben. Das Druckregelventil wird also in dem Normalbetrieb mithilfe des Soll-Volumenstroms derart angesteuert, dass es über die Nachbildung einer Konstantleckage die Stabilität des Hochdruck-Regelkreises erhöht und vermittels der Korrektur über den dynamischen Soll-Volumenstrom die Ausregelzeit des Einspritzsystems verbessert.
  • In der ersten Betriebsart des Schutzbetriebs wird der Soll-Volumenstrom dagegen in dem zweiten Hochdruck-Regelkreis – insbesondere durch einen Druckregelventil-Druckregler – berechnet. In diesem Fall stellt der Soll-Volumenstrom eine Stellgröße des zweiten Hochdruck-Regelkreises dar, und er dient der unmittelbaren Ausregelung des Hochdrucks.
  • Vorzugsweise ist eine Ansteuermimik für das Druckregelventil vorgesehen, welche als Eingangsgröße den Soll-Volumenstrom aufweist. Es wird dann vorzugsweise mittels eines – gegebenenfalls virtuellen – Schalters beim Umschalten von dem Normalbetrieb in die erste Betriebsart des Schutzbetriebs von der Berechnung des Soll-Volumenstroms als resultierendem Volumenstrom aus dem statischen und dem dynamischen Soll-Volumenstrom umgeschaltet auf die Berechnung in dem zweiten Hochdruck-Regelkreis. Dabei wird bevorzugt der integrale Anteil des Druckregelventil-Druckreglers des zweiten Hochdruck-Regelkreises beim Umschalten mit dem zuletzt vor dem Umschalten berechneten, resultierenden Soll-Volumenstrom initialisiert, sodass eine störungsfreie, sanfte Umschaltung erfolgt.
  • Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt, dass für das Druckregelventil in der zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs eine Stillstandsfunktion gesetzt wird, wobei das Druckregelventil in der Stillstandsfunktion nicht angesteuert wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn ein Druckregelventil verwendet wird, welches stromlos offen ist. Dadurch, dass das Druckregelventil dann in der Stillstandsfunktion nicht angesteuert, also nicht bestromt wird, ergibt sich eine maximale Öffnung desselben, sodass ein maximaler Kraftstoff-Volumenstrom aus dem Hochdruckspeicher in das Kraftstoff-Reservoir über das Druckregelventil abgesteuert wird. Auf diese Weise kann das Druckregelventil die Funktionalität eines ansonsten vorgesehenen mechanischen Überdruckventils vollständig übernehmen, sodass auf das mechanische Überdruckventil verzichtet werden kann. Dabei hat die stromlos offene Ausgestaltung des Druckregelventils den Vorteil, dass dieses zuverlässig auch dann vollständig öffnet, wenn es aufgrund eines Defekts nicht mehr bestromt wird.
  • Ein Übergang von der Normalfunktion in die Stillstandsfunktion wird vorzugsweise durchgeführt, wenn der Hochdruck, insbesondere der dynamische Raildruck, den zweiten Druckgrenzwert erreicht oder überschreitet, oder wenn ein Defekt des Hochdrucksensors erkannt wird. Ist der Hochdrucksensor defekt, kann der Hochdruck nicht mehr geregelt werden, und es ist auch nicht mehr möglich, einen unzulässig hohen Druck in dem Hochdruckspeicher zu erkennen. Aus Sicherheitsgründen wird daher in diesem Fall die Stillstandsfunktion für das Druckregelventil gesetzt, sodass dieses maximal öffnet und damit das Einspritzsystem in einen sicheren Zustand bringt, der einem Zustand entspricht, bei welchem im Stand der Technik das mechanische Überdruckventil geöffnet wäre. Es kann dann nicht mehr zu einer unzulässigen Erhöhung des Hochdrucks kommen. Bevorzugt wird die Stillstandsfunktion ausgehend von der Normalfunktion auch dann gesetzt, wenn ein Stillstand der Brennkraftmaschine festgestellt wird. Insbesondere wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine für eine vorherbestimmte Zeit unter einen vorherbestimmten Wert absinkt, wird ein Stillstand der Brennkraftmaschine erkannt, und die Stillstandsfunktion für das Druckregelventil wird gesetzt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Brennkraftmaschine abgestellt wird. Ein Übergang zwischen der Stillstandsfunktion und der Normalfunktion erfolgt bei einem Start der Brennkraftmaschine vorzugsweise dann, wenn festgestellt wird, dass die Brennkraftmaschine läuft, wobei zugleich der Hochdruck einen Start-Druckwert überschreitet. Es erfolgt also bevorzugt zunächst ein gewisser Minimaldruckaufbau in dem Hochdruckspeicher, bevor das Druckregelventil in der Normalfunktion zur Erzeugung der Hochdruck-Störgröße angesteuert wird. Dass die Brennkraftmaschine läuft, kann vorzugsweise dadurch erkannt werden, dass eine vorherbestimmte Grenzdrehzahl für eine vorherbestimmte Zeit überschritten wird.
  • Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Saugdrossel in der zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs dauerhaft geöffnet, bevorzugt zu einem dauerhaft geöffneten Betrieb angesteuert wird. Aufgrund des in der zweiten Betriebsart insbesondere so weit wie möglich geöffneten Druckregelventils ist es möglich, dass der Druck in dem Hochdruckspeicher stark abfällt. Während es dann in einem hohen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine noch möglich ist, gleichwohl einen ausreichenden Hochdruck zum Betrieb der Brennkraftmaschine bereitzustellen, kann es bei nicht hinreichend geöffneter Saugdrossel in einem mittleren oder niedrigen Drehzahlbereich dazu kommen, dass der Hochdruck in dem Hochdruckspeicher so stark abfällt, dass nicht mehr genügend Kraftstoff über die Injektoren eingespritzt werden kann. Die Brennkraftmaschine wird in einem solchen Fall abgewürgt. Um dies zu vermeiden, wird die Saugdrossel in der zweiten Betriebsart in einer Art Notbetrieb dauerhaft geöffnet, insbesondere zu einem dauerhaft geöffneten Betrieb angesteuert, um zu gewährleisten, dass auch im mittleren und niedrigen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine noch genügend Kraftstoff in den Hochdruckspeicher gefördert werden kann, um einen Betrieb der Brennkraftmaschine aufrechterhalten zu können. Es wird vorzugsweise eine Saugdrossel verwendet, die stromlos offen ist. Daher wird die Saugdrossel in der zweiten Betriebsart vorzugsweise mit einem im Vergleich zu ihrem maximalen Schließstrom kleinen Strom, beispielsweise mit 0,5 A, oder aber gar nicht angesteuert, also nicht bestromt. Dabei ist sie in dem Fall, indem sie nicht bestromt wird, maximal weit geöffnet.
  • Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 6 geschaffen wird. Das Einspritzsystem weist wenigstens einen Injektor und einen Hochdruck-Speicher auf, wobei der Hochdruckspeicher einerseits mit dem wenigstens einen Injektor und andererseits über eine Hochdruckpumpe mit einem Kraftstoff-Reservoir in Fluidverbindung ist. Der Hochdruckpumpe ist eine Saugdrossel als erstes Druckstellglied zugeordnet. Weiterhin weist das Einspritzsystem ein Druckregelventil auf, über welches der Hochdruckspeicher mit dem Kraftstoff-Reservoir fluidverbunden ist. Es ist außerdem ein Steuergerät vorgesehen, das mit dem wenigstens einen Injektor, der Saugdrossel und dem Druckregelventil zu deren Ansteuerung wirkverbunden ist. Das Einspritzsystem zeichnet sich dadurch aus, dass das Steuergerät eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Somit verwirklichen sich in Zusammenhang mit dem Einspritzsystem die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
  • Bevorzugt weist das Einspritzsystem eine Mehrzahl von Injektoren auf, wobei es genau einen und nur einen Hochdruckspeicher aufweist, mit dem die verschiedenen Injektoren fluidverbunden sind. Der gemeinsame Hochdruckspeicher ist in diesem Fall als sogenannte gemeinsame Leiste, insbesondere als Rail ausgebildet, wobei das Einspritzsystem bevorzugt als Common-Rail-Einspritzsystem ausgebildet ist.
  • Die Saugdrossel ist der Hochdruckpumpe vorgeschaltet, insbesondere fluidisch vorgeschaltet, also stromaufwärts der Hochdruckpumpe angeordnet. Dabei ist es möglich, dass die Saugdrossel in die Hochdruckpumpe oder in ein Gehäuse der Hochdruckpumpe integriert ist.
  • An dem Hochdruckspeicher ist vorzugsweise ein Drucksensor angeordnet, der zur Erfassung eines Hochdrucks in dem Hochdruckspeicher eingerichtet und mit dem Steuergerät wirkverbunden ist, sodass der Hochdruck in dem Steuergerät registrierbar ist. Das Steuergerät ist vorzugsweise eingerichtet zur Filterung des gemessenen Hochdrucks, insbesondere zur Filterung mit einer ersten, längeren Zeitkonstante, um einen im Rahmen der Druckregelung zu verwendenden Ist-Hochdruck zu berechnen, und zur Filterung des gemessenen Hochdrucks mit einer zweiten, kürzeren Zeitkonstante, um den dynamischen Raildruck zu berechnen.
  • Stromaufwärts der Hochdruckpumpe und der Saugdrossel ist vorzugsweise eine Niederdruckpumpe angeordnet, um Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Reservoir zu der Saugdrossel und der Hochdruckpumpe zu fördern.
  • Das Steuergerät ist vorzugsweise als Motor-Steuergerät (Engine Control Unit – ECU) der Brennkraftmaschine ausgebildet. Es ist alternativ allerdings auch möglich, dass ein gesondertes Steuergerät eigens zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen ist.
  • Es wird ein Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems bevorzugt, bei welchem das Druckregelventil stromlos offen ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass das Druckregelventil in dem Fall, dass es nicht angesteuert oder bestromt wird, maximal weit öffnet, was einen besonders sicheren und zuverlässigen Betrieb insbesondere dann ermöglicht, wenn auf ein mechanisches Überdruckventil verzichtet wird. Ein unzulässiger Anstieg des Hochdrucks in dem Hochdruckspeicher kann dann auch vermieden werden, wenn eine Bestromung des Druckregelventils aufgrund eines technischen Fehlers nicht möglich ist.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Druckregelventil drucklos und stromlos geschlossen ausgebildet. Es ist dabei so ausgebildet, dass es geschlossen ist, wenn der in dem Hochdruckspeicher herrschende Druck, also der Raildruck, kleiner ist als ein Öffnungsdruckwert. Der Hochdruck liegt an einem Eingang des Druckregelventils an, wenn dieses bestimmungsgemäß an dem Einspritzsystem montiert ist. Das Druckregelventil öffnet, wenn der eingangsseitig anliegende Druck in stromlosem Zustand den Öffnungsdruckwert erreicht oder überschreitet. Ist also das Druckregelventil eingangsseitig drucklos und unbestromt, ist es in einen geschlossenen Zustand vorgespannt, beispielsweise mittels eines mechanischen Vorspannelements. Erreicht oder übersteigt der eingangsseitige Druck den Öffnungsdruckwert, und ist das Druckregelventil nicht bestromt, wird es – vorzugsweise gegen die Kraft des Vorspannelements – geöffnet, sodass es dann bei dem Öffnungsdruckwert und höheren Eingangsdrücken stromlos offen ist. Wird das Druckregelventil in diesem Zustand bestromt, schließt es in Abhängigkeit von dem Strom, mit welchem es angesteuert wird. Dabei ist es maximal weit geschlossen, wenn es mit einem vorherbestimmten, maximalen Stromwert angesteuert wird. Wird es nicht mehr bestromt oder fällt die Bestromung aus, öffnet es wieder vollständig, wobei es schließt, wenn der eingangsseitige Druck unter den Öffnungsdruckwert abfällt.
  • Der Öffnungsdruckwert ist vorzugsweise so gewählt, dass er niedriger ist als ein in einem normalen Regelbetrieb des Einspritzsystems minimal erreichter Hochdruck. Insbesondere ist es bei dem zuvor in Zusammenhang mit den beiden Betriebsarten des Schutzbetriebs erwähnten, konkreten Beispiel möglich, dass der Öffnungsdruckwert 850 bar beträgt. Bevorzugt wird in diesem Fall auch der Startdruckwert, bei dem beim Starten der Brennkraftmaschine ein Übergang von der Stillstandsfunktion des Druckregelventils zu der Normalfunktion erfolgt, so gewählt, dass er ungefähr in der Größenordnung des Öffnungsdruckwerts liegt, wobei er vorzugsweise etwas geringer gewählt wird, um sicherzustellen, dass das Druckregelventil in jedem Fall angesteuert wird, sobald es durch Erreichen oder Überschreiten des Öffnungsdruckwerts öffnet. Dabei können auch Toleranzen des Druckregelventils berücksichtig werden. Beispielsweise kann es sein, dass der Startdruckwert zu 600 bar gewählt wird.
  • Es ergibt sich folgende Funktionalität: Steht die Brennkraftmaschine und ist demzufolge der Hochdruck in dem Hochdruckspeicher unter den Öffnungsdruckwert abgefallen, ist das Druckregelventil in seiner Stillstandsfunktion angeordnet und damit stromlos und drucklos. Es ist demnach geschlossen. Startet nun die Brennkraftmaschine, ermöglicht das geschlossene Druckregelventil zunächst einen raschen und zuverlässigen Druckaufbau in dem Hochdruckspeicher, da kein Kraftstoff über das Druckregelventil in das Kraftstoff-Reservoir abgesteuert wird. Typischerweise erreicht nun der Hochdruck in dem Hochdruckspeicher zunächst den Startdruckwert, wodurch ein Übergang von der Stillstandsfunktion in die Normalfunktion erfolgt, wobei das Druckregelventil in der Folge angesteuert wird. Es ist in diesem Fall allerdings typischerweise noch immer geschlossen, weil der Öffnungsdruckwert noch nicht erreicht wird. Der Hochdruck in dem Hochdruckspeicher steigt weiter und überschreitet schließlich auch den Öffnungsdruckwert, wobei das Druckregelventil dann öffnet und – bei fehlender Ansteuerung – auch stromlos offen wäre. Durch Bestromung und entsprechende Ansteuerung des Druckregelventils ist es nun möglich, dessen Öffnungsgrad zu beeinflussen und es insbesondere durch stärkere Bestromung weiter zu schließen beziehungsweise durch geringere Bestromung weiter zu öffnen. Erfolgt in der zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs wieder ein Übergang in die Stillstandsfunktion, wird das Druckregelventil nicht mehr angesteuert, wobei in diesem Fall im Moment des Übergangs ein Hochdruck vorherrscht, der größer ist als der zweite Druckgrenzwert, also insbesondere sehr viel größer als der Öffnungsdruckwert. Somit ist das Druckregelventil in diesem Zustand stromlos geöffnet und steuert daher durch die fehlende Ansteuerung einen maximalen Kraftstoffvolumenstrom aus dem Hochdruckspeicher in das Kraftstoff-Reservoir ab, sodass es sicher und zuverlässig seine Schutzfunktion erfüllt. Dadurch ist es ohne weiteres möglich, auf ein mechanisches Überdruckventil zu verzichten. Das Druckregelventil schließt erst dann wieder, wenn der Hochdruck unter den Öffnungsdruckwert abfällt, wobei in diesem Fall ein sicherer Betrieb des Einspritzsystems erreicht und keine Beschädigung beziehungsweise kein unzulässig hoher Druck mehr zu befürchten ist.
  • Schließlich wird auch ein Einspritzsystem bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass es frei ist von einem mechanischen Überdruckventil. Das Einspritzsystem weist also bevorzugt kein mechanisches Überdruckventil auf. Dabei ist es möglich, auf das mechanische Überdruckventil zu verzichten, da dessen Funktionalität – wie bereits erläutert – vollständig von dem Druckregelventil übernommen werden kann.
  • Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche die Merkmale des Anspruchs 10 aufweist. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich durch ein Einspritzsystem nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aus. Somit verwirklichen sich in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren und dem Einspritzsystem erläutert wurden.
  • Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
  • Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und des Einspritzsystems sowie der Brennkraftmaschine andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Merkmale des Einspritzsystems oder der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems oder der Brennkraftmaschine. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit im Zusammenhang mit dem Einspritzsystem oder der Brennkraftmaschine erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Das Verfahren zeichnet sich vorzugsweise durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal des Einspritzsystems oder der Brennkraftmaschine bedingt ist. Das Einspritzsystem und/oder die Brennkraftmaschine zeichnet/zeichnen sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Verfahrensschritt einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem Einspritzsystem;
  • 2 eine erste schematische Detaildarstellung einer Ausführungsform des Verfahrens;
  • 3 eine zweite schematische Detaildarstellung einer Ausführungsform des Verfahrens;
  • 4 eine dritte schematische Detaildarstellung einer Ausführungsform des Verfahrens;
  • 5 eine vierte schematische Detaildarstellung einer Ausführungsform des Verfahrens;
  • 6 eine sechste schematische Detaildarstellung einer Ausführungsform des Verfahrens, und
  • 7 eine sechste schematische Detaildarstellung einer Ausführungsform des Verfahrens.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1, welche ein Einspritzsystem 3 aufweist. Das Einspritzsystem 3 ist bevorzugt als Comon-Rail-Einspritzsystem ausgebildet. Es weist eine Niederdruckpumpe 5 zur Förderung von Kraftstoff aus einem Kraftstoff-Reservoir 7, eine verstellbare, niederdruckseitige Saugdrossel 9 zur Beeinflussung eines diese durchströmenden Kraftstoff-Volumenstroms, eine Hochdruckpumpe 11 zur Förderung des Kraftstoffs unter Druckerhöhung in einen Hochdruckspeicher 13, den Hochdruckspeicher 13 zum Speichern des Kraftstoffs, und eine Mehrzahl von Injektoren 15 zum Einspritzen des Kraftstoffs in Brennräume 16 der Brennkraftmaschine 1 auf. Optional ist es möglich, dass das Einspritzsystem 3 auch mit Einzelspeichern ausgeführt ist, wobei dann beispielsweise in dem Injektor 15 ein Einzelspeicher 17 als zusätzliches Puffervolumen integriert ist. Es ist ein insbesondere elektrisch ansteuerbares Druckregelventil 19 vorgesehen, über welches der Hochdruckspeicher 13 mit dem Kraftstoff-Reservoir 7 fluidverbunden ist. Über die Stellung des Druckregelventils 19 wird ein Kraftstoffvolumenstrom definiert, welcher aus dem Hochdruckspeicher 13 in das Kraftstoff-Reservoir 7 abgesteuert wird. Dieser Kraftstoffvolumenstrom wird in 1 sowie im folgenden Text mit VDRV bezeichnet und stellt eine Hochdruck-Störgröße des Einspritzsystems 3 dar.
  • Das Einspritzsystem 3 weist kein mechanisches Überdruckventil auf, welches gemäß dem Stand der Technik herkömmlicherweise vorgesehen ist und den Hochdruckspeicher 13 mit dem Kraftstoff-Reservoir 7 verbindet. Auf das mechanische Überdruckventil kann erfindungsgemäß verzichtet werden, da dessen Funktion vollständig durch das Druckregelventil 19 übernommen wird.
  • Die Betriebsweise der Brennkraftmaschine 1 wird durch ein elektronisches Steuergerät 21, welches bevorzugt als Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine 1, nämlich als sogenannte Engine Control Unit (ECU) ausgebildet ist, bestimmt. Das elektronische Steuergerät 21 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 in Kennfeldern/Kennlinien appliziert. Über diese berechnet das elektronische Steuergerät 21 aus Eingangsgrößen Ausgangsgrößen. In 1 sind exemplarisch folgende Eingangsgrößen dargestellt: Ein gemessener, noch ungefilterter Hochdruck p, der in dem Hochdruckspeicher 13 herrscht und mittels eines Hochdrucksensors 23 gemessen wird, eine aktuelle Motordrehzahl nI, ein Signal FP zur Leistungsvorgabe durch einen Betreiber der Brennkraftmaschine 1, und eine Eingangsgröße E. Unter der Eingangsgröße E sind vorzugsweise weitere Sensorsignale zusammengefasst, beispielsweise ein Ladeluftdruck eines Abgasturboladers. Bei einem Einspritzsystem 3 mit Einzelspeichern 17 ist ein Einzelspeicherdruck pE bevorzugt eine zusätzliche Eingangsgröße des Steuergeräts 21.
  • In 1 sind als Ausgangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 21 beispielhaft ein Signal PWMSD zur Ansteuerung der Saugdrossel 9 als erstes Druckstellglied, ein Signal ve zur Ansteuerung der Injektoren 15 – welches insbesondere einen Spritzbeginn und/oder ein Spritzende oder auch eine Spritzdauer vorgibt –, ein Signal PWMDRV zur Ansteuerung des Druckregelventils 19 als zweites Druckstellglied und eine Ausgangsgröße A dargestellt. Über das vorzugsweise pulsweitenmodulierte Signal PWMDRV wird die Stellung des Druckregelventils 19 und damit die Hochdruck-Störgröße VDRV definiert. Die Ausgangsgröße A steht stellvertretend für weitere Stellsignale zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise für ein Stellsignal zur Aktivierung eines zweiten Abgasturboladers bei einer Registeraufladung.
  • 2 zeigt eine erste schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens. Es ist ein erster Hochdruckregelkreis 25 vorgesehen, über den in einem Normalbetrieb des Einspritzsystems 3 mittels der Saugdrossel 9 als erstem Druckstellglied der Hochdruck in dem Hochdruckspeicher 13 geregelt wird. Der erste Hochdruckregelkreis 25 wird in Zusammenhang mit 7 näher erläutert, wo er im Detail dargestellt ist. Der erste Hochdruckregelkreis 25 weist als Eingangsgröße einen Soll-Hochdruck pS für das Einspritzsystem 3 auf. Dieser wird vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Brennkraftmaschine 1, einer Last- oder Drehmomentanforderung an die Brennkraftmaschine 1 und/oder in Abhängigkeit weiterer, insbesondere einer Korrektur dienender Größen, aus einem Kennfeld ausgelesen. Weitere Eingangsgrößen des ersten Hochdruckregelkreises 25 sind insbesondere eine gemessene Drehzahl nI der Brennkraftmaschine 1 sowie eine bevorzugt ebenfalls aus einem Kennfeld ausgelesene Soll-Einspritzmenge QS. Als Ausgangsgröße weist der erste Hochdruckregelkreis 25 insbesondere den von dem Hochdrucksensor 23 gemessenen Hochdruck p auf, der vorzugsweise einer ersten Filterung mit einer größeren Zeitkonstante unterzogen wird, um den Ist-Hochdruck pI zu bestimmen, wobei er zugleich vorzugsweise einer zweiten Filterung mit einer kleineren Zeitkonstante unterzogen wird, um einen dynamischen Raildruck pdyn zu berechnen. Diese beiden Druckwerte pI, pdyn stellen weitere Ausgangsgrößen des ersten Hochdruckregelkreises 25 dar.
  • In 2 ist die Ansteuerung des Druckregelventils 19 dargestellt. Es ist vorzugsweise ein erstes Schaltelement 27 vorgesehen, mit dem abhängig von einem ersten logischen Signal SIG1 zwischen dem Normalbetrieb und einer ersten Betriebsart eines Schutzbetriebs umgeschaltet werden kann. Bevorzugt ist das Schaltelement 27 vollständig auf elektronischer oder Software-Ebene verwirklicht. Dabei wird die im Folgenden beschriebene Funktionalität vorzugsweise abhängig von dem Wert einer dem ersten logischen Signal SIG1 entsprechenden Variable, die insbesondere als sogenanntes Flag ausgebildet ist und die Werte „wahr” oder „falsch” annehmen kann, umgeschaltet. Alternativ ist es allerdings selbstverständlich auch möglich, dass das Schaltelement 27 als realer Schalter, beispielsweise als Relais, ausgebildet ist. Dieser Schalter kann dann beispielsweise abhängig von einem Niveau eines elektrischen Signals geschaltet werden. Bei der hier konkreten dargestellten Ausgestaltung ist der Normalbetrieb gesetzt, wenn das erste logische Signal SIG1 den Wert „falsch” (False) aufweist. Dagegen ist die erste Betriebsart des Schutzbetriebs gesetzt, wenn das erste logische Signal SIG1 den Wert „wahr” (True) aufweist.
  • Es ist ein zweites Schaltelement 29 vorgesehen, welches eingerichtet ist, um die Ansteuerung des Druckregelventils 19 von der Normalfunktion in die Stillstandsfunktion und zurück zu schalten. Dabei wird das zweite Schaltelement 29 in Abhängigkeit von einem zweiten logischen Signal SIG2 beziehungsweise dem Wert einer entsprechenden Variable gesteuert. Das zweite Schaltelement 29 kann als virtuelles, insbesondere Software-basiertes Schaltelement ausgestaltet sein, welches in Abhängigkeit von dem Wert einer insbesondere als Flag ausgestalteten Variable zwischen der Normalfunktion und der Stillstandsfunktion schaltet. Es ist alternativ aber auch möglich, dass das zweite Schaltelement als realer Schalter, beispielsweise als Relais ausgebildet ist, welches in Abhängigkeit von einem Signalwert eines elektrischen Signals schaltet. Bei der hier konkret dargestellten Ausführungsform entspricht das zweite logische Signal SIG2 einer Zustandsvariable, welche die Werte 1 für einen ersten Zustand und 2 für einen zweiten Zustand annehmen kann. Dabei wird hier die Normalfunktion für das Druckregelventil gesetzt, wenn das zweite logische Signal SIG2 den Wert 2 annimmt, wobei die Stillstandsfunktion gesetzt wird, wenn das zweite logische Signal SIG2 den Wert 1 annimmt. Selbstverständlich ist eine abweichende Definition des zweiten logischen Signal SIG2, insbesondere dergestalt möglich, dass eine entsprechende Variable die Werte 0 und 1 annehmen kann.
  • Zunächst wird nun die Ansteuerung des Druckregelventils 19 in dem Normalbetrieb sowie bei gesetzter Normalfunktion beschrieben. Es ist ein Berechnungsglied 31 vorgesehen, welches als Ausgangsgröße einen berechneten Soll-Volumenstrom VS,ber ausgibt, wobei in das Berechnungsglied 31 als Eingangsgrößen die momentane Drehzahl nI, die Soll-Einspritzmenge QS, der Soll-Hochdruck pS, der dynamische Raildruck pdyn, und der Ist-Hochdruck pI eingehen. Die Funktionsweise des Berechnungsglieds 31 ist ausführlich in den deutschen Patentschriften DE 10 2009 031 528 B3 und DE 10 2009 031 527 B3 beschrieben. Dabei zeigt sich insbesondere, dass das in einem Schwachlastbereich, beispielsweise im Leerlauf der Brennkraftmaschine 1, ein positiver Wert für einen statischen Soll-Volumenstrom berechnet wird, während in einem Normalbetriebsbereich ein statischer Soll-Volumenstrom von 0 berechnet wird. Der statische Soll-Volumenstrom wird bevorzugt durch Aufaddieren eines dynamischen Soll-Volumenstroms korrigiert, der seinerseits über eine dynamische Korrektur in Abhängigkeit von dem Soll-Hochdruck pS, dem Ist-Hochdruck pI und dem dynamischen Raildruck pdyn berechnet wird. Der berechnete Soll-Volumenstrom VS,ber ist schließlich die Summe aus dem statischen Soll-Volumenstrom und dem dynamischen Soll-Volumenstrom. Es handelt sich bei dem berechneten Soll-Volumenstrom VS,ber insoweit um einen resultierenden Soll-Volumenstrom.
  • Im Normalbetrieb, wenn das erste logische Signal SIG1 den Wert „falsch” aufweist, wird der berechnete Soll-Volumenstrom VS,ber als Soll-Volumenstrom Vs an ein Druckregelventil-Kennfeld 33 übergeben. Das Druckregelventil-Kennfeld 33 bildet hierbei – wie in der deutschen Patentschrift DE 10 2009 031 528 B3 beschrieben – eine inverse Charakteristik des Druckregelventils 19 ab. Ausgangsgröße dieses Kennfelds ist ein Druckregelventil-Sollstrom IS, Eingangsgrößen sind der abzusteuernde Soll-Volumenstrom Vs sowie der Ist-Hochdruck pI.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens ist es auch möglich, dass der Soll-Volumenstrom Vs nicht mittels des Berechnungsglieds 31 berechnet, sondern im Normalbetrieb konstant vorgegeben wird.
  • Der Druckregelventil-Sollstrom IS wird einem Stromregler 35 zugeführt, der die Aufgabe hat, den Strom zur Ansteuerung des Druckregelventils 19 zu regeln. Weitere Eingangsgrößen des Stromreglers 35 sind beispielsweise ein Proportionalbeiwert kpI,DRV und ein Ohm'scher Widerstand RI,DRV des Druckregelventils 19. Ausgangsgröße des Stromreglers 35 ist eine Sollspannung US für das Druckregelventil 19, welche durch Bezug auf eine Betriebsspannung UB in an sich üblicher Weise in eine Einschaltdauer für das pulsweitenmodellierte Signal PWMDRV zur Ansteuerung des Druckregelventils 19 umgerechnet und diesem in der Normalfunktion, wenn also das zweite logische Signal SIG2 den Wert 2 aufweist, zugeführt wird. Zur Stromregelung wird der Strom am Druckregelventil 19 als Stromgröße hDRV gemessen, in einem Stromfilter 37 gefiltert und als gefilterter Ist-Strom II dem Stromregler 35 wieder zugeführt.
  • Wie bereits angedeutet, wird die Einschaltdauer PWMDRV des pulsweitenmodellierten Signals zur Ansteuerung des Druckregelventils 19 in für sich genommen üblicher Weise gemäß folgender Gleichung aus der Sollspannung US und der Betriebsspannung UB berechnet: PWMDRV = (US/UB) × 100.
  • Auf diese Weise wird in dem Normalbetrieb eine Hochdruck-Störgröße, nämlich der abgesteuerte Soll-Volumenstrom Vs über das Druckregelventil 19 als zweitem Druckstellglied erzeugt.
  • Nimmt das erste logische Signal SIG1 den Wert „wahr” an, schaltet das Schaltelement 27 von dem Normalbetrieb in die erste Betriebsart des Schutzbereichs um. Unter welchen Bedingungen dies der Fall ist, wird in Zusammenhang mit 3 erläutert. Bezüglich der Ansteuerung des Druckregelventils 19 ergibt sich in der ersten Betriebsart des Schutzbetriebs insoweit kein Unterschied, als auch hier das Druckregelventil 19 mit dem Soll-Volumenstrom Vs angesteuert wird, jedenfalls solange durch das Schaltelement 29 die Normalfunktion gesetzt ist. Insoweit ergibt sich in 2 rechts von dem Schaltelement 27 keine Änderung zu den zuvor gegebenen Erläuterungen. Der Soll-Volumenstrom Vs wird in der ersten Betriebsart des Schutzbetriebs jedoch anders berechnet als in dem Normalbetrieb, nämlich über einen zweiten Hochdruckregelkreis 39.
  • Der Soll-Volumenstrom VS wird in diesem Fall mit einem begrenzten Ausgangsvolumenstrom VR eines Druckregelventil-Druckreglers 41 identisch gesetzt. Dies entspricht der oberen Schalterstellung des Schaltelements 27. Der Druckregelventil-Druckregler 41 weist als Eingangsgröße eine Hochdruck-Regelabweichung ep auf, welche als Differenz von dem Soll-Hochdruck pS und dem Ist-Hochdruck pI berechnet wird. Weitere Eingangsgrößen des Druckregelventil-Druckreglers 41 sind bevorzugt ein maximaler Volumenstrom Vmax für das Druckregelventil 19, der in dem Berechnungsglied 31 berechnete Soll-Volumenstrom VS,ber und/oder ein Proportionalbeiwert kpDRV. Der Druckregelventil-Druckregler 41 wird vorzugsweise als PI(DT1)-Algorithmus ausgeführt, der in 6 näher erläutert wird. Dabei wird – wie noch ausgeführt wird – ein integrierender Anteil (I-Anteil) zu dem Zeitpunkt, zu welchem das Schaltelement 27 von seiner in 2 dargestellten unteren in seine obere Schalterstellung umgeschaltet wird, mit dem berechneten Soll-Volumenstrom VS,ber initialisiert. Nach oben wird der I-Anteil des Druckregelventil-Druckreglers 41 auf den maximalen Volumenstrom Vmax für das Druckregelventil 19 begrenzt. Dabei ist der maximale Volumenstrom Vmax vorzugsweise eine Ausgangsgröße einer zweidimensionalen Kennlinie 43, welche den das Druckregelventil 19 maximal durchsetzenden Volumenstrom in Abhängigkeit von dem Hochdruck aufweist, wobei die Kennlinie 43 als Eingangsgröße den Ist-Hochdruck pI erhält. Ausgangsgröße des Druckregelventil-Druckreglers 41 ist ein unbegrenzter Volumenstrom VU, der in einem Begrenzungselement 45 auf den maximalen Volumenstrom Vmax begrenzt wird. Das Begrenzungselement 45 gibt als Ausgangsgröße schließlich den begrenzten Soll-Volumenstrom VR aus. Mit diesem als Soll-Volumenstrom Vs wird dann das Druckregelventil 19 angesteuert, indem der Soll-Volumenstrom VS in bereits beschriebener Weise dem Druckregelventil-Kennfeld 33 zugeführt wird.
  • 3 zeigt, unter welchen Bedingungen das erste logische Signal SIG1 die Werte „wahr” und „falsch” annimmt. Solange der dynamische Raildruck pdyn einen ersten Druckgrenzwert pG1 nicht erreicht oder überschreitet, weist der Ausgang eines ersten Komparatorelements 47 den Wert „falsch” auf. Beim Start der Brennkraftmaschine 1 wird der Wert des ersten logischen Signals SIG1 mit „falsch” initialisiert. Dadurch ist auch das Ergebnis eines ersten Veroderungsglieds 49 „falsch”, solange der Ausgang des ersten Komparatorelements 47 den Wert „falsch” aufweist. Der Ausgang des ersten Veroderungsglieds 49 wird einem Eingang eines ersten Verundungsglied 51 zugeführt, dessen anderem Eingang die durch einen Querstrich dargestellte Verneinung einer Variable MS zugeführt wird, wobei die Variable MS den Wert „wahr” aufweist, wenn die Brennkraftmaschine 1 steht, und den Wert „falsch” wenn die Brennkraftmaschine 1 läuft. Im Betrieb der Brennkraftmaschine ist demnach der Wert der Verneinung der Variable MS „wahr”. Insgesamt zeigt sich nun, dass der Ausgang des Verundungsglieds 51 und damit der Wert des ersten logischen Signals SIG1 „falsch” ist, solange der dynamische Raildruck pdyn den ersten Druckgrenzwert pG1 nicht erreicht oder überschreitet.
  • Erreicht oder überschreitet der dynamische Raildruck pdyn den ersten Druckgrenzwert pG1, springt der Ausgang des ersten Komparatorelements 47 von „falsch” zu „wahr”. Somit springt auch der Ausgang des ersten Veroderungsglieds 49 von „falsch” auf „wahr”. Damit springt allerdings auch der Ausgang des ersten Verundungsglieds 51 von „falsch” auf „wahr”, sodass der Wert des ersten logischen Signals SIG1 „wahr” wird. Dieser Wert wird dem ersten Veroderungsglied 49 wieder zugeführt, was jedoch nichts daran ändert, dass dessen Ausgang „wahr” bleibt. Selbst ein Abfall des dynamischen Raildrucks pdyn unter den ersten Druckgrenzwert pG1 kann den Wahrheitswert des ersten logischen Signals SIG1 nicht mehr ändern. Dieser bleibt vielmehr solange „wahr”, bis die Variable MS und damit auch deren Verneinung ihren Wahrheitswert ändert, nämlich wenn die Brennkraftmaschine 1 nicht mehr läuft.
  • Somit zeigt sich Folgendes: Der Normalbetrieb wird realisiert, solange der dynamische Raildruck pdyn den Grenzwert pG1 unterschreitet. In diesem Fall ist der Soll-Volumenstrom Vs mit dem berechneten Soll-Volumenstrom VS,ber identisch, da das erste logische Signal SIG1 den Wert „falsch” annimmt und damit das Schaltelement 27 in seiner unteren Position in 2 angeordnet ist. Erreicht oder überschreitet der dynamische Raildruck pdyn den Grenzwert pG1, nimmt das erste logische Signal SIG1 den Wert „wahr” an, und das Schaltelement 27 nimmt seine obere Schalterstellung ein. Damit wird der Soll-Volumenstrom Vs in diesem Fall mit dem begrenzten Volumenstrom VR des zweiten Hochdruck-Regelkreises 39 identisch. Dies bedeutet, dass im Normalbetrieb über das Druckregelventil 19 eine Hochdruck-Störgröße erzeugt wird, wobei in der ersten Betriebsart des Schutzbetriebs der Hochdruck immer dann, wenn der dynamische Raildruck pdyn den ersten Druckgrenzwert pG1 erreicht, anschließend von dem Druckregelventil-Druckregler 41 geregelt wird, und dies solange, bis ein Stillstand der Brennkraftmaschine 1 erkannt wird, da nur in diesem Fall die Variable MS den Wert „wahr”, somit deren Verneinung den Wert „falsch” und damit letztlich das erste logische Signal SIG1 wieder den Wert „falsch” annimmt, wodurch das Schaltelement 27 erneut in seine untere Schalterstellung gebracht wird.
  • In der ersten Betriebsart des Schutzbetriebs übernimmt nach allem das Druckregelventil 19 über den zweiten Hochdruckregelkreis 39 die Regelung des Hochdrucks.
  • Zurückkommend auf 2 wird im Folgenden die zweite Betriebsart des Schutzbetriebs erläutert: In die zweite Betriebsart wird geschaltet, wenn hier das zweite logische Signal SIG2 den Wert 1 annimmt. In diesem Fall wird das zweite Schaltelement 29 in seiner in 2 dargestellten oberen Schaltposition angeordnet, wobei hierdurch eine Stillstandsfunktion für das Druckregelventil 19 gesetzt wird. In dieser wird das Druckregelventil 19 nicht angesteuert, das heißt, das Signal PWMDRV wird zu 0 gesetzt. Da bevorzugt ein stromlos offenes Druckregelventil 19 verwendet wird, steuert dies nun dauerhaft einen maximalen Kraftstoff-Volumenstrom aus dem Hochdruckspeicher 13 in das Kraftstoff-Reservoir 7 ab.
  • Weist dagegen das zweite logische Signal SIG2 den Wert 2 auf, ist – wie bereits erläutert – die Normalfunktion für das Druckregelventil 19 gesetzt, und dieses wird mittels dem Soll-Volumenstrom VS und dem hieraus berechneten Signal PWMDRV angesteuert.
  • 4 zeigt schematisch ein Zustandsübergangsdiagramm für das Druckregelventil 19 von der Normalfunktion in die Stillstandsfunktion und zurück. Dabei ist das Druckregelventil 19 bevorzugt so ausgebildet, dass es drucklos und stromlos geschlossen ausgebildet ist, wobei es weiter so ausgebildet ist, dass es bei einem eingangsseitig anliegenden Druck bis zu einem Öffnungsdruckwert geschlossen ist, wobei es öffnet, wenn der eingangsseitig anliegende Druck in stromlosem Zustand den Öffnungsdruckwert erreicht oder überschreitet. Der Öffnungsdruckwert kann beispielsweise bei 850 bar liegen.
  • In 4 ist mit einem ersten Kreis K1 die Stillstandsfunktion symbolisiert, wobei rechts oben mit einem zweiten Kreis K2 die Normalfunktion symbolisiert ist. Ein erster Pfeil P1 stellt einen Übergang zwischen der Stillstandsfunktion und der Normalfunktion dar, wobei ein zweiter Pfeil P2 einen Übergang zwischen der Normalfunktion und der Stillstandsfunktion darstellt. Mit einem dritten Pfeil P3 ist eine Initialisierung der Brennkraftmaschine 1 nach dem Start angedeutet, wobei das Druckregelventil 19 zunächst in der Stillstandsfunktion initialisiert wird. Erst wenn zugleich ein laufender Betrieb der Brennkraftmaschine 1 erkannt wird und der Ist-Hochdruck pI einen Startwert pSt überschreitet, wird für das Druckregelventil 19 – entlang des Pfeils P1 – die Normalfunktion gesetzt und die Stillstandsfunktion zurückgesetzt. Die Normalfunktion wird zurückgesetzt und die Stillstandsfunktion wird entlang des Pfeils P2 gesetzt, wenn der dynamische Raildruck pdyn einen zweiten Druckgrenzwert pG2 überschreitet, oder wenn ein Defekt eines Hochdrucksensors – hier dargestellt durch eine logische Variable HDSD – erkannt wird, oder wenn erkannt wird, dass die Brennkraftmaschine 1 steht. In der Stillstandsfunktion wird das Druckregelventil 19 nicht angesteuert, wobei es in der Normalfunktion – wie in Zusammenhang mit 2 erläutert – mittels des Soll-Volumenstroms Vs angesteuert wird.
  • Es ergibt sich nun folgende Funktionalität: Startet die Brennkraftmaschine 1, liegt zunächst kein Hochdruck in dem Hochdruckspeicher 13 vor, und das Druckregelventil 19 ist in seiner Stillstandsfunktion angeordnet, sodass es druck- und stromlos ist, also geschlossen. Beim Hochlaufen der Brennkraftmaschine 1 kann sich daher rasch ein Hochdruck in dem Hochdruckspeicher ausbilden, der irgendwann den Startwert pSt überschreitet. Dieser liegt bevorzugt niedriger als der Öffnungsdruckwert des Druckregelventils 19, sodass für dieses zunächst die Normalfunktion gesetzt wird, bevor es öffnet. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass das Druckregelventil 19 in jedem Fall angesteuert wird, wenn es erstmals öffnet. Da es drucklos geschlossen ist, bleibt es auch unter Ansteuerung weiter geschlossen, bis der Ist-Hochdruck pI auch den Öffnungsdruckwert überschreitet, wobei es dann öffnet und in der Normalfunktion angesteuert wird, nämlich entweder in dem Normalbetrieb oder in der ersten Betriebsart des Schutzbetriebs.
  • Tritt allerdings einer der zuvor beschriebenen Fälle auf, wird wiederum die Stillstandsfunktion für das Druckregelventil 19 gesetzt.
  • Dies ist insbesondere der Fall, wenn der dynamische Raildruck pdyn den zweiten Druckgrenzwert PG2 überschreitet, wobei dieser vorzugsweise größer gewählt ist als der erste Druckgrenzwert pG1 und insbesondere einen Wert aufweist, bei welchem in einer herkömmlichen Ausgestaltung des Einspritzsystems ein mechanisches Überdruckventil öffnen würde. Da das Druckregelventil 19 unter Druck stromlos offen ist, öffnet dieses in der Stillstandsfunktion in diesem Fall vollständig und erfüllt so sicher und zuverlässig die Funktion eines Überdruckventils.
  • Der Übergang von der Normalfunktion in die Stillstandsfunktion erfolgt auch, wenn ein Defekt in dem Hochdrucksensor 23 festgestellt wird. Liegt hier ein Defekt vor, kann der Hochdruck in dem Hochdruckspeicher 13 nicht mehr geregelt werden. Um die Brennkraftmaschine 1 trotzdem noch sicher betreiben zu können, wird der Übergang von der Normalfunktion in die Stillstandsfunktion für das Druckregelventil 19 herbeigeführt, sodass dieses öffnet und damit einen unzulässigen Anstieg des Hochdrucks verhindert.
  • Weiterhin erfolgt der Übergang von der Normalfunktion in die Stillstandsfunktion in einem Fall, in welchem ein Stillstand der Brennkraftmaschine 1 festgestellt wird. Dies entspricht einem Zurücksetzen des Druckregelventils 19, sodass bei einem erneuten Start der Brennkraftmaschine 1 der hier beschriebene Zyklus wieder von neuem beginnen kann.
  • Wird für das Druckregelventil 19 unter Druck in dem Hochdruckspeicher 13 die Stillstandsfunktion gesetzt, ist dieses maximal weit geöffnet und steuert einen maximalen Volumenstrom aus dem Hochdruckspeicher 13 in das Kraftstoff-Reservoir 7 ab. Dies entspricht einer Schutzfunktion für die Brennkraftmaschine 1 und das Einspritzsystem 3, wobei diese Schutzfunktion insbesondere das Fehlen eines mechanischen Überdruckventils ersetzen kann.
  • Wesentlich ist hier, dass das Druckregelventil 19 – anders als im Stand der Technik – nur zwei Zustände, nämlich die Stillstandsfunktion und die Normalfunktion aufweist, wobei diese beiden Zustände vollauf genügen, um die gesamte relevante Funktionalität des Druckregelventils 19 einschließlich der Schutzfunktion zum Ersetzen eines mechanischen Überdruckventils darzustellen.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung des Druckregelventil-Druckreglers 41, der hier als PI(DT1)-Druckregler ausgeführt ist. Dabei zeigt sich, dass die Ausgangsgröße VU des Druckregelventil-Druckreglers 41 aus drei summierten Regler-Anteilen besteht, nämlich einem Proportional-Anteil AP, einem Integral-Anteil AI, und einem differenziellen Anteil ADT1. Diese drei Anteile werden in einer Summationsstelle 53 miteinander zu dem unbegrenzten Volumenstrom VU addiert. Der Proportional-Anteil AP stellt hierbei das Produkt der in einer Multiplikationsstelle 55 mit dem Wert –1 multiplizierten Regelabweichung ep mit dem Proportionalbeiwert kpDRV dar. Der integrierende Anteil AI resultiert aus der Summe zweier Summanden. Der erste Summand ist hierbei der aktuelle, um einen Abtastschritt Ta verzögerte Integral-Anteil AI. Der zweite Summand ist das Produkt eines Verstärkungsfaktors r2DRV und der Summe von aktueller und um einen Abtastschritt verzögerter Regelabweichung ep – wiederum in der Multiplikationsstelle 55 mit dem Faktor –1 multipliziert. Die Summe beider Summanden wird dabei nach oben auf den maximalen Volumenstrom Vmax in einem Begrenzungselement 57 begrenzt. Der Verstärkungsfaktor r2DRV wird nach folgender Formel berechnet, in welcher tnDRV eine Nachstellzeit ist:
    Figure DE102014213648B3_0002
  • Der integrierende Anteil AI hängt davon ab, ob der dynamische Raildruck pdyn den ersten Druckgrenzwert pG1 nach dem Start der Brennkraftmaschine 1 erstmalig erreicht hat. Ist dies der Fall, nimmt das erste logische Signal SIG1 den Wert „wahr” an, und ein in 5 dargestelltes Schaltelement 59 wechselt in seine untere Schalterstellung. In dieser Schalterstellung ist der integrierende Anteil AI identisch mit dem Ausgangssignal des Begrenzungselements 57, das heißt der integrierende Anteil AI wird auf den maximalen Volumenstrom Vmax begrenzt. Wird ein Stillstand der Brennkraftmaschine 1 erkannt, nimmt – wie bereits in Zusammenhang mit 3 erläutert – das erste logische Signal SIG1 den Wert „falsch” an, und das Schaltelement 59 wechselt in seine obere Schalterstellung. Der integrierende Anteil AI wird in diesem Fall auf den berechneten Volumenstrom VS,ber gesetzt. Damit stellt der berechnete Soll-Volumenstrom VS,ber den Initialisierungswert des integrierenden Anteils AI für den Fall dar, dass der Druckregelventil-Druckregler 41 aktiviert wird, wenn der dynamische Raildruck pdyn den ersten Druckgrenzwert pG1 überschreitet.
  • Die Berechnung des differenziellen Anteils ADT1 ist im unteren Teil von 5 dargestellt. Dieser Anteil ergibt sich als Summe zweier Produkte. Das erste Produkt resultiert aus einer Multiplikation des Faktor r4DRV mit dem um einen Abtastschritt verzögerten differenziellen Anteil ADT1. Das zweite Produkt ergibt sich aus der Multiplikation des Faktors r3DRV mit der Differenz der mit dem Faktor –1 multiplizierten Regelabweichung ep und der entsprechend um einen Abtastschritt verzögerten Regelabweichung ep.
  • Dabei berechnet sich der Faktor r3DRV nach folgender Gleichung, in welcher tvDRV eine Vorhaltezeit und t1DRV eine Verzögerungszeit ist:
    Figure DE102014213648B3_0003
  • Der Faktor r4DRV errechnet sich gemäß folgender Gleichung:
    Figure DE102014213648B3_0004
  • Es zeigt sich damit, dass die Verstärkungsfaktoren r2DRV und r3DRV von dem Proportionalbeiwert kpDRV abhängen. Der Verstärkungsfaktor r2DRV hängt zusätzlich von der Nachstellzeit tnDRV, der Verstärkungsfaktor r3DRV von der Vorhaltezeit tvDRV und der Verzögerungszeit t1DRV ab. Der Verstärkungsfaktor r4DRV hängt ebenfalls von der Verzögerungszeit t1DRV ab.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Logik zur Berechnung des Werts eines dritten logischen Signals SIG3, das verwendet wird, um zu gewährleisten, dass in der zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs die Saugdrossel 9 zu einem dauerhaft geöffneten Betrieb angesteuert wird. Diese Vorgehensweise wird in Zusammenhang mit 7 näher erläutert. Der Wert des dritten logischen Signals SIG3 resultiert aus einem zweiten Verundungsglied 61, in dessen ersten Ausgang wiederum die Verneinung der Variable MS eingeht, wobei in den zweiten Eingang das Ergebnis einer vorangegangen Berechnung, die im Folgenden näher erläutert wird, eingeht. Das dritte logische Signal SIG3 wird beim Start der Brennkraftmaschine 1 zunächst mit dem Wert „falsch” initialisiert. In einen ersten Eingang eines zweiten Veroderungsglieds 63 geht das Ergebnis eines zweiten Komparatorelements 65 ein, in welchem geprüft wird, ob der dynamische Raildruck pdyn größer oder gleich dem zweiten Druckgrenzwert pG2 ist. In den zweiten Eingang des zweiten Veroderungsglieds 63 geht das Ergebnis eines Vergleichselements 67 ein, welches prüft, ob der Wert der logischen Variable HDSD, welche einen Sensordefekt des Hochdrucksensors 23 anzeigt, gleich 1 ist, wobei in diesem Fall ein Sensordefekt vorliegt, und wobei kein Sensordefekt vorliegt, wenn der Wert der Variable HDSD gleich 0 ist. Somit zeigt sich, dass der Ausgang des zweiten Veroderungsglieds 63 den Wert „wahr” annimmt, wenn zumindest einer der Ausgänge des zweiten Komparatorelements 65 oder des Vergleichselements 67 den Wert „wahr” annimmt. Damit also der Ausgang des zweiten Veroderungsglieds 63 den Wert „wahr” annimmt, muss wenigstens eine der folgenden Bedingungen erfüllt sein: Der dynamische Raildruck pdyn muss den zweiten Druckgrenzwert pG2 erreicht oder überschritten haben, und/oder es muss ein Sensordefekt in dem Hochdrucksensor 23 festgestellt worden sein, sodass die Variable HDSD den Wert 1 annimmt. Ist keine dieser Bedingungen erfüllt, weist der Ausgang des zweiten Veroderungsglieds 63 den Wert „falsch” auf.
  • Der Ausgang des zweiten Veroderungsglieds 63 geht in einen ersten Eingang eines dritten Veroderungsglieds 69 ein, in dessen zweiten Eingang der Wert des dritten logischen Signals SIG3 eingeht. Da dieses ursprünglich mit dem Wert „falsch” initialisiert ist, weist der Ausgang des dritten Veroderungsglieds 69 solange den Wert „falsch” auf, bis der Ausgang des zweiten Veroderungsglieds 63 den Wert „wahr” annimmt. Ist dies der Fall, springt auch der Ausgang des dritten Veroderungsglieds 69 auf den Wert „wahr”. In diesem Fall springt auch der Wert des zweiten Verundungsglieds 61 auf wahr, sodass auch der Wert des dritten logischen Signals SIG3 auf „wahr” springt. Anhand von 6 zeigt sich, dass der Wert des dritten logischen Signals SIG3 solange „wahr” bleibt, bis ein Stillstand der Brennkraftmaschine 1 erkannt wird, wobei in diesem Fall die Variable MS den Wert „wahr” und damit ihre Verneinung den Wert „falsch” annimmt.
  • 7 zeigt eine schematische Darstellung des ersten Hochdruckregelkreises 25 inklusive eines Schaltelements 71 zur Darstellung des dauerhaft geöffneten Betriebs der Saugdrossel 9 in der zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs, wobei in das Schaltelement 71 zu dessen Ansteuerung das dritte logische Signal SIG3 eingeht, dessen Berechnung in Zusammenhang mit 6 beschrieben wurde. Es ist möglich, dass das Schaltelement 71 als Softwareschalter, also als rein virtueller Schalter ausgebildet ist, wie dies bereits in Zusammenhang mit den Schaltelementen 27, 29 beschrieben wurde. Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, dass das Schaltelement 71 als tatsächlicher Schalter, beispielsweise als Relais, ausgebildet ist.
  • Wie bereits erläutert, sind Eingangsgrößen des Hochdruckregelkreises 25 der Soll-Hochdruck pS, der zur Berechnung der Regelabweichung eP mit dem Ist-Hochdruck pI verglichen wird. Diese Regelabweichung ep ist eine Eingangsgröße eines Hochdruckreglers 73, der vorzugsweise als PI(DT1)-Algorithmus ausgeführt ist. Eine weitere Eingangsgröße des Hochdruckreglers 73 ist bevorzugt ein Proportionalbeiwert kpSD. Ausgangsgröße des Hochdruckreglers 73 ist ein Kraftstoff-Volumenstrom VSD für die Saugdrossel 9, zu dem in einer Additionsstelle 75 ein Kraftstoff-Sollverbrauch VQ addiert wird. Dieser Kraftstoff-Sollverbrauch VQ wird in einem Berechnungsglied 77 in Abhängigkeit von der Drehzahl nI und der Soll-Einspritzmenge QS berechnet und stellt eine Störgröße des ersten Hochdruckregelkreises 25 dar. Als Summe der Ausgangsgröße VSD des Hochdruckreglers 73 und der Störgröße VQ ergibt sich ein unbegrenzter Kraftstoff-Sollvolumenstrom VU,SD. Dieser wird in einem Begrenzungselement 79 in Abhängigkeit von der Drehzahl nI auf einen maximalen Volumenstrom Vmax,SD für die Saugdrossel 9 begrenzt. Als Ausgang des Begrenzungselements 79 ergibt sich ein begrenzter Kraftstoff-Sollvolumenstrom VS,SD für die Saugdrossel 9, welcher als Eingangsgröße in eine Pumpenkennlinie 81 eingeht. Diese rechnet den begrenzten Kraftstoff-Sollvolumenstrom VS,SD in einen Kennlinien-Saugdrosselstrom IKL,SD um.
  • Weist das Schalterelement 71 den in 7 dargestellten, oberen Schaltzustand auf, was der Fall ist, wenn das dritte logische Signal SIG3 den Wert „falsch” aufweist, wird ein Saugdrossel-Sollstrom IS,SD mit dem Kennlinien-Saugdrosselstrom IKL,SD gleichgesetzt. Dieser Saugdrossel-Sollstrom IS,SD stellt die Eingangsgröße eines Saugdrossel-Stromreglers 83 dar, welcher die Aufgabe hat, den Saugdrosselstrom durch die Saugdrossel 9 zu regeln. Eine weitere Eingangsgröße des Saugdrossel-Stromreglers 83 ist unter anderem ein Ist-Saugdrosselstrom II,SD. Ausgangsgröße des Saugdrossel-Stromreglers 83 ist eine Saugdrossel-Sollspannung IS,SD, welche schließlich in einem Berechnungsglied 85 in an sich bekannter Weise in eine Einschaltdauer eines pulsweitenmodulierten Signals PWMSD für die Saugdrossel 9 umgerechnet wird. Mit diesem wird die Saugdrossel angesteuert, wobei das Signal somit insgesamt auf eine Regelstrecke 87 wirkt, welche insbesondere die Saugdrossel 9, die Hochdruckpumpe 11, und den Hochdruckspeicher 13 aufweist. Der Saugdrosselstrom wird gemessen, wobei ein Rohmesswert IR,SD resultiert, welcher in einem Stromfilter 89 gefiltert wird. Der Stromfilter 89 ist vorzugsweise als PT1-Filter ausgebildet. Ausgangsgröße dieses Filters ist der Ist-Saugdrosselstrom II,SD, welcher wiederum dem Saugdrossel-Stromregler 83 zugeführt wird.
  • Die Regelgröße des ersten Hochdruckregelkreises 25 ist der Hochdruck in dem Hochdruckspeicher 13. Rohwerte dieses Hochdrucks p werden durch den Hochdrucksensor 23 gemessen und durch ein erstes Hochdruck-Filterelement 91 gefiltert, welches als Ausgangsgröße den Ist-Hochdruck pI hat. Außerdem werden die Rohwerte des Hochdrucks p durch ein zweites Hochdruck-Filterelement 93 gefiltert, dessen Ausgangsgröße der dynamische Raildruck pdyn ist. Beide Filter sind vorzugsweise durch einen PTA-Algorithmus umgesetzt, wobei eine Zeitkonstante des ersten Hochdruck-Filterelements 91 größer ist als eine Zeitkonstante des zweiten Hochdruck-Filterelements 93. Insbesondere ist das zweite Hochdruck-Filterelement 93 als ein schnelleres Filter als das erste Hochdruck-Filterelement 91 ausgebildet. Die Zeitkonstante des zweiten Hochdruck-Filterelements 93 kann auch mit dem Wert Null identisch sein, sodass dann der dynamische Raildruck pdyn den gemessenen Rohwerten des Hochdrucks p entspricht beziehungsweise mit diesen identisch ist. Mit dem dynamischen Raildruck pdyn liegt somit ein hochdynamischer Wert für den Hochdruck vor, welcher insbesondere stets dann benötigt wird, wenn eine schnelle Reaktion auf bestimmte auftretende Ereignisse erfolgen muss.
  • Ausgangsgrößen des ersten Hochdruckregelkreises sind somit neben dem ungefilterten Hochdruck p die gefilterten Hochdruckwerte pI, pdyn.
  • Nimmt das dritte logische Signal SIG3 den Wert „wahr” an, schaltet das Schaltelement 71 in seine in 7 dargestellte, untere Schaltposition. In diesem Fall ist der Saugdrossel-Sollstrom IS,SD nicht mehr identisch mit dem Kennlinien-Saugdrosselstrom IKL,SD, sondern wird vielmehr mit einem Saugdrossel-Notstrom IN,SD gleichgesetzt. Der Saugdrossel-Notstrom IN,SD weist bevorzugt einen vorherbestimmten, konstanten Wert auf, beispielsweise 0 A, wobei dann die vorzugsweise stromlos offene Saugdrossel 9 maximal weit geöffnet ist, oder er weist einen im Vergleich zu einer maximalen Schließstellung der Saugdrossel 9 kleinen Stromwert, beispielsweise 0,5 A auf, sodass die Saugdrossel 9 zwar nicht vollständig, aber doch weitgehend geöffnet ist. Dabei verhindert der Saugdrossel-Notstrom IN,SD und die damit verbundene Öffnung der Saugdrossel 9 zuverlässig, dass die Brennkraftmaschine 1 stehen bleibt, wenn sie in der zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs mit maximal geöffnetem Druckregelventil 19 betrieben wird. Die Öffnung der Saugdrossel 9 bewirkt dabei, dass auch in einem mittleren bis niedrigen Drehzahlbereich noch hinreichend viel Kraftstoff in den Hochdruckspeicher 13 gefördert werden kann, sodass ein Betrieb der Brennkraftmaschine 1 ohne Abwürgen möglich ist.
  • Insgesamt zeigt sich, dass es mithilfe des Verfahrens, des Einspritzsystems 3 sowie der Brennkraftmaschine 1 möglich ist, eine stabile Druckregelung auch dann noch durchzuführen, wenn der erste Hochdruck-Regelkreis 25 die Druckregelung nicht mehr übernehmen kann, wobei alternativ oder zusätzlich ein mechanisches Überdruckventil eingespart werden kann, da dessen Funktionalität von dem Druckregelventil 19 übernommen wird.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit einem Einspritzsystem (3) mit einem Hochdruckspeicher (13), wobei ein Hochdruck in dem Hochdruckspeicher (13) über eine niederdruckseitige Saugdrossel (9) als erstem Druckstellglied in einem ersten Hochdruck-Regelkreis (25) geregelt wird, wobei in einem Normalbetrieb eine Hochdruck-Störgröße über ein hochdruckseitiges Druckregelventil (19) als zweitem Druckstellglied erzeugt wird, über welches Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher (13) in ein Kraftstoff-Reservoir (7) abgesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruck in einem Schutzbetrieb mittels des Druckregelventils (19) über einen zweiten Hochdruck-Regelkreis (39) geregelt wird, oder dass das Druckregelventil (19) in dem Schutzbetrieb dauerhaft geöffnet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Betriebsart des Schutzbetriebs gesetzt wird, wenn der Hochdruck einen ersten Druckgrenzwert (pG1) erreicht oder überschreitet, wobei das Druckregelventil (19) in der ersten Betriebsart die Regelung des Hochdrucks übernimmt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Betriebsart des Schutzbetriebs gesetzt wird, wenn der Hochdruck einen zweiten Druckgrenzwert (pG2) überschreitet oder wenn ein Defekt eines Hochdrucksensors (23) erkannt wird, wobei das Druckregelventil (19) in der zweiten Betriebsart dauerhaft geöffnet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Druckregelventil (19) in dem Normalbetrieb eine Normalfunktion gesetzt wird, in welcher das Druckregelventil (19) in Abhängigkeit von einem Soll-Volumenstrom (VS) angesteuert wird, und/oder dass für das Druckregelventil (19) in der zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs eine Stillstandsfunktion gesetzt wird, in der das Druckregelventil (19) nicht angesteuert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugdrossel (9) in der zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs dauerhaft geöffnet wird.
  6. Einspritzsystem (3) für eine Brennkraftmaschine (1), mit – wenigstens einem Injektor (15), – einem Hochdruckspeicher (13), der einerseits mit dem wenigstens einen Injektor (15) und andererseits über eine Hochdruckpumpe (11) mit einem Kraftstoff-Reservoir (7) in Fluidverbindung ist, wobei – der Hochdruckpumpe (11) eine Saugdrossel (9) als erstes Druckstellglied zugeordnet ist, und mit – einem Druckregelventil (19), über welches der Hochdruckspeicher (13) mit dem Kraftstoff-Reservoir (7) fluidverbunden ist, und mit – einem Steuergerät (21), das mit dem wenigstens einen Injektor (15), der Saugdrossel (9) und dem Druckregelventil (19) wirkverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (21) eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
  7. Einspritzsystem (3) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckregelventil (19) stromlos offen ausgebildet ist.
  8. Einspritzsystem (3) nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckregelventil (19) drucklos und stromlos geschlossen ausgebildet ist, wobei es so ausgebildet ist, dass es bei einem eingangsseitig anliegenden Druck bis zu einem Öffnungsdruckwert geschlossen ist, wobei es öffnet, wenn der eingangsseitig anliegende Druck in stromlosem Zustand den Öffnungsdruckwert erreicht oder überschreitet.
  9. Einspritzsystem (3) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem (3) frei ist von einem mechanischen Überdruck-Ventil.
  10. Brennkraftmaschine (1), gekennzeichnet durch ein Einspritzsystem (3) nach einem der Ansprüche 6 bis 9.
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