DE102015209377A1

DE102015209377A1 - Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine mit einem solchen Einspritzsystem

Info

Publication number: DE102015209377A1
Application number: DE102015209377.8A
Authority: DE
Inventors: Armin Dölker
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2016-11-24
Anticipated expiration: 2035-05-22
Also published as: EP3298260A1; EP3298260B1; WO2016184537A1; CN107864661A; CN107864661B; US20180023502A1; DE102015209377B4; HK1253004A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem (3) für eine Brennkraftmaschine (1), mit wenigstens einem Injektor (15), und mit einem Hochdruckspeicher (13), der einerseits mit dem wenigstens einen Injektor (15) und andererseits über eine Hochdruckpumpe (11) mit einem Kraftstoffreservoir (7) in Fluidverbindung ist, wobei der Hochdruckpumpe (11) eine Saugdrossel (9) als erstes Druckstellglied zugeordnet ist. Dabei sind wenigstens zwei Druckregelventile (19, 20) vorgesehen, über welche der Hochdruckspeicher (13) mit dem Kraftstoffreservoir (7) in Fluidverbindung bringbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Einspritzsystem.
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2014 213 648.2 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Einspritzsystem bekannt, bei welchem ein Druckregelventil in einer ersten Betriebsart eines Schutzbetriebs zur Regelung eines Hochdrucks in einem Hochdruckspeicher angesteuert wird, wobei das Druckregelventil in einer zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs dauerhaft geöffnet wird, um einen unzulässig hohen Druckanstieg in dem Hochdruckspeicher zu verhindern. Für vergleichsweise kleine Brennkraftmaschinen mit niedriger Nennleistung und/oder mit einer relativ geringen Zahl von Brennräumen ist diese Ausgestaltung funktional, einfach und kostengünstig realisierbar. Nachteilig ist jedoch, dass die Ausgestaltung nur in eingeschränktem Maße, oder mit erheblichem Aufwand und hohen Kosten skaliert werden kann. Größere Brennkraftmaschinen mit größerer Nennleistung und/oder einer größeren Zahl an Brennräumen benötigen nämlich im Fehlerfall die Möglichkeit, größere Kraftstoffmengen absteuern zu können, als kleinere Brennkraftmaschinen mit geringerer Nennleistung und/oder einer geringeren Zahl an Brennräumen. Soll daher eine entsprechende Regelungs- und Sicherheitsfunktion bei einer größeren Brennkraftmaschine etabliert werden, bedarf es eines Druckregelventils, welches ausgebildet ist zur Absteuerung entsprechend höherer Kraftstoffmengen. Solche Druckregelventile sind aber Spezialanfertigungen, die nur in Kleinserie gefertigt werden können, sodass sie vergleichsweise teuer sind. Außerdem bedürfte es für Brennkraftmaschinen mit verschiedener Nennleistung und/oder verschiedener Zahl von Brennräumen verschiedener Druckregelventile, was auch die logistischen Kosten erhöhen würde.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Einspritzsystem zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welches wenigstens einen Injektor und wenigstens einen Hochdruckspeicher aufweist, der einerseits mit dem wenigstens einen Injektor und andererseits über eine Hochdruckpumpe mit einem Kraftstoffreservoir in Fluidverbindung ist, wobei der Hochdruckpumpe eine Saugdrossel als Druckstellglied zugeordnet ist. Das Einspritzsystem zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens zwei Druckregelventile vorgesehen sind, über welche der Hochdruckspeicher mit dem Kraftstoffreservoir in Fluidverbindung bringbar, vorzugsweise fluidverbunden, ist. Dadurch, dass das Einspritzsystem wenigstens zwei Druckregelventile aufweist, können über die Druckregelventile erreichte Schutz- und/oder Regelfunktionen von mehr als einem Druckregelventil dargestellt werden, sodass ein erhöhter Volumenstrom aus dem Hochdruckspeicher abgesteuert werden kann, ohne dass es einer Skalierung der einzelnen verwendeten Druckregelventile bedarf. Vielmehr kann eine Skalierung über die Zahl der verwendeten Druckregelventile erfolgen. Somit können die einzelnen Druckregelventile als kostengünstige Großserienteile verbaut werden, was logistische Kosten spart, und wobei die einzelnen Druckregelventile selbst kostengünstig sind. Es müssen dann auch keine verschiedenen Druckregelventile für verschiedene Brennkraftmaschinen vorgehalten werden, vielmehr können größere Brennkraftmaschinen mit einer größeren Zahl von Druckregelventilen ausgestattet werden, als kleinere Brennkraftmaschinen.
Die Saugdrossel ist vorzugsweise auf einer Niederdruckseite der Hochdruckpumpe angeordnet, es handelt sich also um eine niederdruckseitige Saugdrossel, die der Hochdruckpumpe zugeordnet ist. Die Saugdrossel ist demnach insbesondere stromaufwärts der Hochdruckpumpe angeordnet. Vorzugsweise ist vor der Hochdruckpumpe noch eine Niederdruckpumpe angeordnet, durch welche Kraftstoff von dem Kraftstoffreservoir zu der Hochdruckpumpe förderbar ist. Die Saugdrossel ist in diesem Fall bevorzugt fluidisch zwischen der Niederdruckpumpe und der Hochdruckpumpe angeordnet. Es ist möglich, dass die Saugdrossel integral mit der Hochdruckpumpe ausgebildet ist.
Die wenigstens zwei Druckregelventile sind bevorzug fluidisch parallel zueinander angeordnet, wobei sie beide – in Parallelschaltung – den Hochdruckspeicher mit dem Kraftstoffreservoir verbinden. Werden also zwei identische Druckregelventile – insbesondere mit identischem Nenndurchfluss – verwendet, kann ein doppelter Volumenstrom über die Druckregelventile aus dem Hochdruckspeicher in das Kraftstoffreservoir abgesteuert werden, im Vergleich zu einer Ausgestaltung, bei der nur ein Druckregelventil vorgesehen ist.
Das Einspritzsystem ist vorzugsweise frei von einem mechanischen Überdruckventil, es weist also kein mechanisches Überdruckventil auf. Auf ein mechanisches Überdruckventil kann verzichtet werden, da eine entsprechende Schutzfunktion – wie im Folgenden noch erläutert wird – durch die wenigstens zwei Druckregelventile bereitgestellt werden kann. Somit können die mit einem mechanischen Überdruckventil ansonsten verbundenen Kosten eingespart werden.
Das Einspritzsystem weist vorzugsweise einen Hochdruck-Sensor auf, über welchen ein Hochdruck in dem Hochdruckspeicher erfassbar ist. Der Hochdrucksensor ist bevorzugt an dem Hochdruckspeicher angeordnet. Es ist aber auch möglich, den Hochdruck in dem Einspritzsystem an einer anderen Stelle zu messen, wobei gegebenenfalls aus dem an anderer Stelle gemessenen Hochdruck auf den Druck in dem Hochdruckspeicher geschlossen werden kann, oder wobei der an anderer Stelle gemessene Hochdruck zur Steuerung des Einspritzsystems herangezogen 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 ein Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems bevorzugt, das sich durch ein Steuergerät auszeichnet, das mit der Saugdrossel und den wenigstens zwei Druckregelventilen sowie vorzugsweise mit dem wenigstens einen Injektor wirkverbunden ist. Das Einspritzsystem, insbesondere das Steuergerät, ist dabei eingerichtet, um in einem Normalbetrieb einen Hochdruck in dem Hochdruckspeicher durch Ansteuern der Saugdrossel als Druckstellglied zu regeln. Bevorzugt wird im Normalbetrieb wenigstens ein erstes Druckregelventil der wenigstens zwei Druckregelventile zur Erzeugung einer Hochdruck-Störgröße angesteuert.
Das Einspritzsystem, insbesondere das Steuergerät, ist weiterhin eingerichtet, um in einer ersten Betriebsart eines Schutzbetriebs den Hochdruck in dem Hochdruckspeicher durch Ansteuern von wenigstens einem ersten Druckregelventil der wenigstens zwei Druckregelventile als Druckstellglied zu regeln. Das Einspritzsystem, insbesondere das Steuergerät, ist außerdem eingerichtet, um in einer zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs wenigstens ein zweites Druckregelventil der wenigstens zwei Druckregelventile, wobei das wenigstens eine zweite Druckregelventil von dem wenigstens einen ersten Druckregelventil verschieden ist, zusätzlich zu dem wenigstens einen ersten Druckregelventil als Druckstellglied zur Regelung des Hochdrucks in dem Hochdruckspeicher anzusteuern.
In dem Normalbetrieb ist also eine konventionelle Regelung des Hochdrucks über die Saugdrossel vorgesehen, wobei bevorzugt zugleich mittels wenigstens eines ersten Druckregelventils eine Hochdruck-Störgröße erzeugt wird, indem Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher über das wenigstens eine erste Druckregelventil in das Kraftstoffreservoir abgesteuert wird. Eine solche Regelungsstrategie ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 10 2009 031 529 B3 bekannt. Mittels der Hochdruck-Störgröße wird quasi eine Konstantleckage nachgebildet, wodurch die Stabilität der Hochdruckregelung im Schwachlastbereich erhöht wird.
In der ersten Betriebsart des Schutzbetriebs wird der Hochdruck in dem Hochdruckspeicher dagegen mittels wenigstens eines ersten Druckregelventils geregelt. Dadurch ist es möglich, dass auch bei einem Ausfall einer Regelung über die Saugdrossel – insbesondere bei einem Ausfall der Saugdrossel selbst als Druckstellglied, beispielsweise aufgrund eines Kabelbruchs, eines vergessenen Aufsteckens des Saugdrosselsteckers, einem Klemmen oder Verdrecken der Saugdrossel, oder einem anderen Fehler oder Defekt – noch eine Regelung des Hochdrucks möglich ist, nämlich mittels des wenigstens einen ersten 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 Ansteuern des wenigstens einen ersten Druckregelventils auf einen Sollwert geregelt, sodass keine Verschlechterung eines Emissionsverhaltens der Brennkraftmaschine auftritt.
Es können allerdings Betriebssituationen eintreten, in welchen das wenigstens eine erste Druckregelventil für eine funktionierende Hochdruckregelung nicht mehr ausreicht, sodass der Hochdruck trotz Ansteuerung des wenigstens einen ersten Druckregelventils weiter ansteigt. Es ist dann in der zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs möglich, das wenigstens eine zweite Druckregelventil zuzuschalten, sodass nunmehr das wenigstens eine erste Druckregelventil und das wenigstens eine zweite Druckregelventil gemeinsam zur Druckregelung des Hochdrucks als Druckstellglieder angesteuert werden. Hierdurch werden insbesondere größere Absteuermengen erzielt, sodass eine effiziente und sichere Druckregelung auch bei höherem Absteuerbedarf möglich ist.
In dem Normalbetrieb wird der Hochdruck vorzugsweise durch Ansteuern der Saugdrossel als Druckstellglied in einem ersten Hochdruck-Regelkreis geregelt. In der ersten Betriebsart des Schutzbetriebs wird der Hochdruck vorzugsweise durch Ansteuern des wenigstens einen ersten Druckregelventils in einem zweiten Hochdruck-Regelkreis, welcher von dem ersten Hochdruck-Regelkreis verschieden ist, geregelt. Dies ermöglicht eine Trennung der beiden Regelkreise und deren gezielte Abstimmung auf die Ansteuerung der Saugdrossel einerseits und das wenigstens eine erste Druckregelventil andererseits.
Unterscheiden sich das wenigstens eine erste Druckregelventil und das wenigstens eine zweite Druckregelventil – insbesondere in ihren Nenn-Durchflüssen – ist es möglich, dass das wenigstens eine zweite Druckregelventil in der zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs durch einen dritten Hochdruck-Regelkreis angesteuert wird. Bevorzugt werden allerdings – zumindest in Hinblick auf ihre Kennwerte, insbesondere auf einen Nenn-Durchfluss – übereinstimmende erste und zweite Druckregelventile eingesetzt, wobei dann bevorzugt vorgesehen ist, dass in der zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs das wenigstens eine erste Druckregelventil und das wenigstens eine zweite Druckregelventil von dem gleichen, zweiten Hochdruck-Regelkreis angesteuert werden. Bevorzugt können dabei allerdings getrennte Stromregler zur Bestromung der verschiedenen Druckregelventile vorgesehen sein.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems ist vorgesehen, dass in dem Normalbetrieb nur eines der Druckregelventile, insbesondere genau ein und nur ein erstes Druckregelventil, zur Erzeugung der Hochdruck-Störgröße angesteuert wird. Das wenigstens eine weitere Druckregelventil ist dann vorzugsweise geschlossen oder wird in einen geschlossenen Zustand angesteuert. Es ist aber auch möglich, dass in dem Normalbetrieb mehr als ein erstes Druckregelventil zur Erzeugung der Hochdruck-Störgröße angesteuert wird, wobei es insbesondere möglich ist, dass eine Untermenge der insgesamt vorhandenen Druckregelventile zur Erzeugung einer Hochdruck-Störgröße angesteuert wird. Schließlich ist es auch möglich, dass alle vorhandenen Druckregelventile zur Erzeugung einer Hochdruck-Störgröße angesteuert werden. Dabei kann eine Auswahl der Menge der tatsächlich angesteuerten Druckregelventile für die Erzeugung der Hochdruck-Störgröße insbesondere druckabhängig gewählt werden.
In der ersten Betriebsart des Schutzbetriebs wird bevorzugt nur ein und genau ein erstes Druckregelventil als Druckstellglied angesteuert. Andere Druckregelventile sind vorzugsweise geschlossen oder werden in einen geschlossenen Zustand angesteuert. Alternativ ist es möglich, dass eine Untermenge der vorhandenen Druckregelventile, insbesondere mehr als ein erstes Druckregelventil, als erste Druckregelventile und Druckstellglieder angesteuert werden. Es verbleibt aber vorzugsweise wenigstens ein Druckregelventil in der ersten Betriebsart, welches als ein zweites Druckregelventil nicht als Druckstellglied angesteuert wird, sondern geschlossen ist oder in einen geschlossenen Zustand angesteuert wird.
Dieses wenigstens eine, verbleibende zweite Druckregelventil wird in der zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs zugeschaltet, also als weiteres Druckstellglied angesteuert. Dabei ist es möglich, dass in der zweiten Betriebsart genau ein zweites Druckregelventil zugeschaltet wird. Alternativ ist es möglich, dass eine Untermenge, insbesondere mehr als ein zweites Druckregelventil, als Druckstellglieder zugeschaltet werden. Vorzugsweise werden alle verbleibenden Druckregelventile, welche nicht bereits als erste Druckregelventile und Druckstellglieder in der ersten Betriebsart angesteuert werden, in der zweiten Betriebsart zusätzlich als Druckstellglieder und zweite Druckregelventile angesteuert. Dabei ist es möglich, dass eine Anzahl zugeschalteter, zweiter Druckregelventile druckabhängig gewählt wird. Insbesondere wird eine Anzahl zweiter Druckregelventile druckabhängig zugeschaltet.
Es wird ein Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass für das wenigstens eine erste Druckregelventil in dem Normalbetrieb eine Normalfunktion gesetzt wird, in welcher das wenigstens eine erste Druckregelventil in Abhängigkeit von einem Soll-Volumenstrom angesteuert wird. In dem Normalbetrieb stellt die Normalfunktion dabei eine Betriebsweise für das erste Druckregelventil bereit, bei welcher dieses eine Hochdruck-Störgröße erzeugt, indem es Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher in das Kraftstoffreservoir absteuert.
Bevorzugt wird für das wenigstens eine erste Druckregelventil auch in der ersten Betriebsart und in der zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs die Normalfunktion gesetzt, sodass das Druckregelventil in Abhängigkeit von einem Soll-Volumenstrom angesteuert wird. Dies gilt in der zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs bevorzugt auch für das wenigstens eine zweite Druckregelventil. Der Normalbetrieb einerseits sowie die erste und zweite Betriebsart des Schutzbetriebs andererseits unterscheiden sich in diesem Fall bevorzugt in der Art und Weise, in welcher der Soll-Volumenstrom zur Ansteuerung der Druckregelventile 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 eine 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 weder eine signifikante Erhöhung der Kraftstofftemperatur noch eine signifikante Verringerung des Wirkungsgrads der Brennkraftmaschine auftreten. Durch die Nachbildung einer Konstantleckage für das Einspritzsystem über wenigstens ein 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 – oder eines im Folgenden noch näher definierten dynamischen Raildrucks – 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 den deutschen Patentschriften DE 10 2009 031 529 B3 und insbesondere DE 10 2009 031 527 B3 beschrieben. Das wenigstens eine erste 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 mittels der Korrektur über den dynamischen Soll-Volumenstrom die Ausregelzeit des Einspritzsystems verbessert.
In der ersten und in der zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs wird der Soll-Volumenstrom dagegen bevorzugt 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 dient der unmittelbaren Ausregelung des Hochdrucks.
Vorzugsweise ist eine Ansteuermimik für die Druckregelventile 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 und/oder in die zweite 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.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Einspritzsystem, insbesondere das Steuergerät, eingerichtet ist, um in einer dritten Betriebsart des Schutzbetriebs das wenigstens eine erste Druckregelventil und das wenigstens eine zweite Druckregelventil dauerhaft zu öffnen. Dies bedeutet insbesondere, dass dauerhaft über die Druckregelventile ein großer, vorzugsweise ein maximaler Kraftstoff-Volumenstrom aus dem Hochdruckspeicher in das Kraftstoffreservoir abgesteuert wird. Es heißt insbesondere, dass die Druckregelventile in dem Schutzbetrieb in Richtung einer maximalen Öffnung angesteuert werden. Besonders bevorzugt werden die Druckregelventile in der dritten Betriebsart des Schutzbetriebs maximal weit geöffnet. Je nachdem, ob die Druckregelventile stromlos offen oder stromlos geschlossen ausgebildet sind, wird dabei bevorzugt ein großer, vorzugsweise maximaler Ansteuerstrom gewählt, oder ein kleiner oder auch kein Ansteuerstrom. Der dabei tatsächlich die Druckregelventile durchsetzende Kraftstoff-Volumenstrom hängt von dem Hochdruck in dem Hochdruckspeicher ab, wobei der Begriff „maximaler Kraftstoff-Volumenstrom“ sich darauf bezieht, dass die Druckregelventile soweit wie möglich geöffnet sind. Hierbei 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. Diese Funktionalität ermöglicht es, auf ein mechanisches Überdruckventil zu verzichten, sodass Bauraum und Kosten eingespart werden können.
Der Begriff „dauerhaft“ bedeutet insbesondere, dass die Druckregelventile in der dritten Betriebsart nicht mehr mit einem zeitlich variierenden Ansteuersignal angesteuert werden, sondern vielmehr kontinuierlich mit einem konstanten Ansteuersignal, welches eine vorbestimmte Öffnung der Druckregelventile, vorzugsweise eine maximal weite Öffnung, zur Folge hat. Dabei kann es sein, dass das Ansteuersignal konstant zu Null gewählt wird, wenn die Druckregelventile stromlos offen ausgebildet sind.
Vorzugsweise werden in der dritten Betriebsart des Schutzbetriebs alle Druckregelventile dauerhaft und insbesondere maximal weit geöffnet. Es ist aber auch möglich, dass nur eine Untermenge der vorhandenen Druckregelventile dauerhaft und vorzugsweise maximal weit geöffnet werden. Dabei kann eine Anzahl der dauerhaft und vorzugsweise maximal weit geöffneten Druckregelventile insbesondere druckabhängig gewählt werden.
Es wird ein Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Einspritzsystem, insbesondere das Steuergerät, eingerichtet ist, um – insbesondere von dem Normalbetrieb – in die erste Betriebsart des Schutzbetriebs zu schalten, wenn der Hochdruck einen ersten Druckgrenzwert erreicht oder überschreitet, oder wenn ein Defekt der Saugdrossel erkannt wird. Der erste Druckgrenzwert ist dabei insbesondere so gewählt, dass ein Erreichen oder Überschreiten desselben ein Indiz dafür ist, dass eine Druckregelung des Hochdrucks über die Saugdrossel nicht mehr möglich ist. Dies kann insbesondere ein Indiz für einen Defekt der Saugdrossel sein. Es ist aber auch möglich, dass ein Defekt der Saugdrossel erkannt wird, ohne dass der Hochdruck zunächst den ersten Druckgrenzwert erreicht oder überschreitet. Auch in diesem Fall ist aber eine Druckregelung über die Saugdrossel nicht mehr möglich. Es ist daher sinnvoll, in die erste Betriebsart des Schutzbetriebs zu schalten, und den Hochdruck in der Folge durch Ansteuern des wenigstens einen ersten Druckregelventils als Druckstellglied zu regeln.
Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise vorgesehen, dass – insbesondere von der ersten Betriebsart – in die zweite Betriebsart geschaltet wird, wenn der Hochdruck einen zweiten Druckgrenzwert erreicht oder überschreitet. Das Erreichen oder Überschreiten des zweiten Druckgrenzwerts ist dabei ein Indiz dafür, dass ein Ansteuern des wenigstens einen ersten Druckregelventils zur Druckregelung nicht mehr ausreicht, sodass vorteilhaft die zweite Betriebsart gewählt wird, in welcher zusätzlich das wenigstens eine zweite Druckregelventil als Druckstellglied zur Regelung des Hochdrucks angesteuert wird.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass – insbesondere von der zweiten Betriebsart – in die dritte Betriebsart geschaltet wird, wenn der Hochdruck einen dritten Druckgrenzwert erreicht oder überschreitet, oder wenn ein Defekt eines Hochdruck-Sensors erkannt wird. Dabei dient das Erreichen oder Überschreiten des dritten Druckgrenzwerts als Indiz dafür, dass in dem Hochdruckspeicher ein unzulässig hoher Druck erreicht wird, der die Betriebssicherheit des Einspritzsystems und insbesondere des Hochdruckspeichers gefährdet, wobei insbesondere eine Beschädigung des Einspritzsystems, besonders des Hochdruckspeichers, zu befürchten ist. Wird ein Defekt des Hochdrucksensors erkannt, kann prinzipiell nicht mehr gewährleistet werden, dass der Hochdruck sicher geregelt wird und insbesondere in einem zulässigen Bereich bleibt. Daher ist es in beiden Fällen sinnvoll, die dritte Betriebsart zu wählen und vorzugsweise dauerhaft über die Druckregelventile einen maximalen Kraftstoff-Volumenstrom aus dem Hochdruckspeicher in das Kraftstoffreservoir abzusteuern. Hierdurch wird ein sicherer und zuverlässiger Schutz für das Einspritzsystem bei unzulässig hohem Druckanstieg und/oder bei Ausfall des Hochdruck-Sensors gewährleistet. Insbesondere aus diesem Grund kann auf ein mechanisches Überdruckventil verzichtet werden.
Vorzugsweise ist der dritte Druckgrenzwert größer gewählt als der zweite Druckgrenzwert. Vorzugsweise ist der dritte Druckgrenzwert größer gewählt als der erste Druckgrenzwert. Vorzugsweise ist der zweite Druckgrenzwert größer gewählt als der erste Druckgrenzwert. Besonders bevorzugt ist der zweite Druckgrenzwert größer gewählt als der erste Druckgrenzwert, wobei der dritte Druckgrenzwert größer gewählt ist als der zweite Druckgrenzwert.
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 Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems ist es beispielsweise möglich, dass der Hochdruck 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 bevorzugt zu 2400 bar gewählt, um zu vermeiden, dass die erste Betriebsart aktiviert wird, ohne dass eine Fehlfunktion des ersten Hochdruck-Regelkreises oder der Saugdrossel 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 wenigstens eine erste 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 eines Emissionsverhaltens der Brennkraftmaschine auftritt, wobei diese zugleich zuverlässig vor einem unzulässigen Anstieg des Hochdrucks geschützt wird.
Der dritte Druckgrenzwert kann beispielsweise bei 2500 bar liegen. Dies kann insbesondere einem Druck entsprechen, bei dem ein mechanisches Überdruckventil zur Öffnung ausgelegt würde. Dessen Funktion wird nun bevorzugt vollständig durch die Druckregelventile nachgebildet.
Wie bereits ausgeführt, wird der zweite Druckgrenzwert vorzugsweise zwischen dem ersten Druckgrenzwert und dem dritten Druckgrenzwert gewählt.
Es ergibt sich insgesamt insbesondere folgendes Bild: Fällt der erste Hochdruck-Regelkreis und/oder die Saugdrossel aus, und steigt in der Folge der Hochdruck in dem Hochdruckspeicher an, wird dieser zunächst in einem Bereich zwischen dem ersten Druckgrenzwert und dem zweiten Druckgrenzwert durch das wenigstens eine erste Druckregelventil in der ersten Betriebsart geregelt. Reicht dies zur Regelung nicht mehr aus, und wird der zweite Druckgrenzwert erreicht oder überschritten, wird das wenigstens eine zweite Druckregelventil zur Druckregelung in der zweiten Betriebsart zugeschaltet. Durch Druckregelung mittels der Druckregelventile kann auch 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 die Druckregelventile beherrschbare Kraftstoffmenge aus dem Kraftstoffreservoir in den Hochdruckspeicher gefördert wird. Steigt der Hochdruck allerdings in dem Hochdruckspeicher unzulässig hoch über den dritten Druckgrenzwert hinaus an, beispielsweise in einem hohen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine, ist keine Druckregelung mehr über die Druckregelventile möglich. Diese werden dann vielmehr in der dritten Betriebsart möglichst vollständig geöffnet, sodass ein großer, bevorzugt maximaler Kraftstoff-Volumenstrom in das Kraftstoffreservoir abgesteuert werden kann. Dies entspricht der Funktionalität ansonsten vorgesehener mechanischer Überdruckventile.
Dabei ist es möglich, dass die erste Betriebsart, die zweite Betriebsart und die dritte Betriebsart sequentiell nacheinander durchlaufen werden, wobei beispielsweise bei Auftreten eines Defekts in dem ersten Hochdruck-Regelkreis bei zunächst geringer Drehzahl der Brennkraftmaschine die erste Betriebsart realisiert wird, wobei bei weiterem Ansteigen der Drehzahl dann die zweite Betriebsart und schließlich die dritte Betriebsart verwirklicht wird. Es ist aber auch möglich, dass der Hochdruck in dem Hochdruckspeicher schlagartig über den zweiten oder den dritten Druckgrenzwert ansteigt, wobei in diesem Fall die erste Betriebsart und/oder die zweite Betriebsart quasi übersprungen wird/werden, wobei vielmehr sofort die zweite oder die dritte Betriebsart verwirklicht wird.
Zum Vergleich mit den Druckgrenzwerten wird vorzugsweise ein dynamischer Raildruck verwendet, welcher aus einer Filterung des mittels eines Hochdrucksensors gemessenen Hochdrucks insbesondere mit einer vergleichsweise kurzen Zeitkonstante resultiert. Alternativ ist es aber auch möglich, den gemessenen Hochdruck direkt mit den Druckgrenzwerten zu vergleichen. Die Filterung hat demgegenüber den Vorteil, dass – wenn auch selten auftretende – Überschwinger über die Druckgrenzwerte nicht direkt zu einem Schalten der Betriebsarten führen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine Stellgröße für die Druckregelventile in der ersten und/oder in der zweiten Betriebsart in Abhängigkeit des Hochdrucks begrenzt. Dies hat den Vorteil, dass ein 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 Hochdruck-Regelkreis in dem Normalbetrieb und der Regelung durch den zweiten Hochdruck-Regelkreis 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.
Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt, dass für die Druckregelventile in der dritten Betriebsart des Schutzbetriebs eine Stillstandsfunktion gesetzt wird, wobei die Druckregelventile in der Stillstandsfunktion nicht angesteuert werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn ein Druckregelventil verwendet wird, welches stromlos offen ist. Dadurch, dass die Druckregelventile dann in der Stillstandsfunktion nicht angesteuert, also nicht bestromt werden, ergibt sich eine maximale Öffnung derselben, sodass ein maximaler Kraftstoff-Volumenstrom aus dem Hochdruckspeicher in das Kraftstoffreservoir über die Druckregelventile abgesteuert wird. Auf diese Weise können die Druckregelventile die Funktionalität eines ansonsten vorgesehenen mechanischen Überdruckventils vollständig übernehmen, sodass auf das mechanische Überdruckventil verzichtet werden kann. Dabei hat die stromlos offene Ausgestaltung der Druckregelventile den Vorteil, dass diese zuverlässig auch dann vollständig öffnen, wenn sie aufgrund eines Defekts nicht mehr bestromt werden.
Ein Übergang von der Normalfunktion in die Stillstandsfunktion wird vorzugsweise durchgeführt, wenn der Hochdruck, insbesondere der dynamische Raildruck, den dritten 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 die Druckregelventile gesetzt, sodass diese maximal öffnen und damit das Einspritzsystem in einen sicheren Zustand bringen, 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 die Druckregelventile 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 ein 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 ein Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Einspritzsystem, insbesondere das Steuergerät, eingerichtet ist, um die Saugdrossel in wenigsten einer der drei Betriebsarten des Schutzbetriebs, insbesondere in der dritten Betriebsart des Schutzbetriebs, zu einer dauerhaft geöffneten Position anzusteuern. Aufgrund der in der dritten Betriebsart insbesondere soweit wie möglich geöffneten Druckregelventile 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 dritten 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. Vorzugsweise wird eine Saugdrossel verwendet, welche stromlos offen ist. Daher wird die Saugdrossel in der dritten 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, in welchem sie nicht bestromt wird, maximal weit geöffnet.
Alternativ oder zusätzlich wird die Saugdrossel in der ersten und/oder in der zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs dauerhaft geöffnet, bevorzugt zu einem dauerhaft geöffneten Betrieb angesteuert, insbesondere nicht oder nur mit einem kleinen Strom bestromt. Dadurch wird insbesondere in einem Fall, in welchem die erste oder zweite Betriebsart durch ein Überschwingen des Hochdrucks bei intakter Saugdrossel aktiviert wird, eine zweifache, gleichzeitige Regelung des Hochdrucks einerseits über die Druckregelventile und andererseits über die Saugdrossel verhindert.
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 einen dynamischen Raildruck zu berechnen, der insbesondere mit den Druckgrenzwerten verglichen wird.
Es wird ein Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens eines der wenigstens zwei Druckregelventile stromlos offen ausgebildet ist. Besonders bevorzugt sind alle Druckregelventile stromlos offen ausgebildet. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass ein stromlos offenes 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.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass wenigstens ein Druckregelventil der wenigstens zwei Druckregelventile drucklos und stromlos geschlossen ausgebildet ist. Insbesondere ist es möglich, dass alle Druckregelventile drucklos und stromlos geschlossen ausgebildet sind. Ein solches Druckregelventil ist so ausgebildet, dass es geschlossen ist, wenn der in dem Hochdruckspeicher herrschende Druck, also der Raildruck, kleiner ist als ein vorbestimmter 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 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 Kraftstoffreservoir 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 dritten 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 dritte 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 Kraftstoff-Volumenstrom aus dem Hochdruckspeicher in das Kraftstoffreservoir 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. Auf diese Weise wird ein sicherer Betrieb des Einspritzsystems erreicht, und es ist keine Beschädigung beziehungsweise kein unzulässig hoher Druck mehr zu befürchten.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Einspritzsystem, insbesondere das Steuergerät, eingerichtet ist, um ein erstes Ansteuersignal und ein zweites Ansteuersignal zu erzeugen, und um das wenigstens eine erste Druckregelventil und das wenigstens eine zweite Druckregelventil alternierend mit dem ersten Ansteuersignal und dem zweiten Ansteuersignal anzusteuern. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass zu einem ersten Zeitpunkt das wenigstens eine erste Druckregelventil mit dem ersten Ansteuersignal angesteuert wird, wobei das wenigstens eine zweite Druckregelventil zugleich mit dem zweiten Ansteuersignal angesteuert wird, wobei zu einem zweiten Zeitpunkt das wenigstens eine erste Druckregelventil mit dem zweiten Ansteuersignal angesteuert wird, wobei zugleich das wenigstens eine zweite Druckregelventil mit dem ersten Ansteuersignal angesteuert wird. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die verschiedenen Druckregelventile gleichmäßig ausgelastet werden können. Dies gilt insbesondere für einen Fall, in dem nur eines der Druckregelventile angesteuert wird, sodass eines der Ansteuersignale aktiv, und das andere dauerhaft inaktiv ist. Ohne alternierende Ansteuerung würde nun dauerhaft nur eines der Druckregelventile angesteuert und damit belastet, während das andere Druckregelventil nicht verwendet würde. Durch alternierende Ansteuerung kann auch in einem solchen Fall gewährleistet werden, dass eine gleichmäßige Auslastung der Druckregelventile gewährleistet ist, sodass deren Wartungs- und Austauschzeiten homogenisiert und insgesamt längere Wartungsintervalle verwirklicht werden können. Auch in einem Fall, in welchem sowohl das erste Ansteuersignal als auch das zweite Ansteuersignal aktiv sind, werden durch alternierende Ansteuerung eventuell noch bestehende Unterschiede in den Ansteuersignalen ausgeglichen und homogen auf die verschiedenen Druckregelventile verteilt. Selbstverständlich ist es möglich, dass das Steuergerät eingerichtet ist, um mehr als zwei Ansteuersignale insbesondere für mehr als zwei Druckregelventile zu erzeugen. Dabei ist es möglich, dass die verschiedenen Ansteuersignale den verschiedenen Druckregelventilen alternierend, insbesondere zyklisch, in verschiedener Weise zugeordnet werden.
Bevorzugt ist für jedes Druckregelventil ein Regler zur Bestromung des Druckregelventils vorgesehen, wobei auch die Regler alternierend den verschiedenen Druckregelventilen zugeordnet werden. Dabei werden insbesondere die an den Druckregelventilen erfassten Ströme ebenfalls umgeschaltet, sodass diese von den richtigen, jeweils momentan zuständigen Reglern erfasst und zur Regelung verwendet werden können.
Eine Umschaltung der Ansteuersignale auf die verschiedenen Druckregelventile erfolgt bevorzugt nur dann, wenn die Brennkraftmaschine steht. Andernfalls kann es im Betrieb der Brennkraftmaschine kurzzeitig zu Störungen kommen.
Die Umschaltung der Ansteuersignale erfolgt vorzugsweise nach Ablauf einer vorherbestimmten Betriebszeit des Einspritzsystems, insbesondere nach Ablauf einer vorherbestimmten Zahl von Betriebsstunden. Beispielsweise kann eine Umschaltung nach 5000 Betriebsstunden erfolgen. Wird nach Ablauf der vorbestimmten Zahl von Betriebsstunden festgestellt, dass die Brennkraftmaschine nicht steht, wird vorzugsweise ein nächster Stillstand der Brennkraftmaschine abgewartet, bevor umgeschaltet wird.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Einspritzsystem frei ist von einem mechanischen Überdruckventil. Insbesondere weist das Einspritzventil kein mechanisches Überdruckventil auf. Auf ein mechanisches Überdruckventil kann verzichtet werden, weil eine Schutzfunktion des Einspritzsystems vor unzulässig hohen Drücken sicher und effizient über die Druckregelventile dargestellt werden kann. Somit können mit einem mechanischen Überdruckventil verbundene Kosten und Bauraum eingespart werden.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche ein Einspritzsystem nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine verwirklichen sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Einspritzsystem erläutert wurden.
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 Steuerung des Einspritzsystems verwendet wird.
Bevorzugt weist das Einspritzsystem eine Mehrzahl von Injektoren auf, wobei es genau einen und nur einen Hochdruckspeicher, oder alternativ zwei Hochdruckspeicher – für V-Motoren –, oder auch drei Hochdruckspeicher – für W-Motoren –, oder gegebenenfalls eine andere Konfigurationen von Hochdruckspeichern für eine andere Konfiguration von Brennräumen der Brennkraftmaschine, aufweist, wobei die verschiedenen Injektoren mit dem/den Hochdruckspeicher(n) fluidverbunden sind. Insbesondere sind jeweils eine Mehrzahl von Injektoren mit einem gemeinsamen Hochdruckspeicher verbunden. Der/die gemeinsame(n) Hochdruckspeicher ist/sind in diesem Fall als sogenannte gemeinsame Leiste, insbesondere als Rail ausgebildet, wobei das Einspritzsystem bevorzugt als Common-Rail-Einspritzsystem ausgebildet ist.
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. 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.
Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, bei welchem dieser als Großmotor ausgebildet ist. Dabei weist die Brennkraftmaschine bevorzugt acht Brennräume oder mehr auf, insbesondere zehn Brennräume, zwölf Brennräume, vierzehn Brennräume, sechzehn Brennräume, achtzehn Brennräume oder zwanzig Brennräume. Besonders bevorzugt wird eine Brennkraftmaschine, die als Hubkolbenmotor mit zwanzig Zylindern ausgebildet ist.
Durch die Ausgestaltung des hier vorgeschlagenen Einspritzsystems ist es insbesondere möglich, für eine Vielzahl verschiedener Brennkraftmaschinen mit einer Vielzahl verschiedener Konfigurationen und Anzahlen von Zylindern gleiche Druckregelventile zu verbauen, wobei lediglich mit der Größe der Brennkraftmaschine eine Anzahl von verbauten Druckregelventilen skaliert wird.
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Einspritzsystem. Dabei zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass es eingerichtet ist zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Einspritzsystem nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Das Verfahren zeichnet sich insbesondere durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der zuvor explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Einspritzsystem erläutert wurde.
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 Ansteuerung des Einspritzsystems;
3 eine zweite schematische Detaildarstellung einer Ansteuerung des Einspritzsystems;
4 eine dritte schematische Detaildarstellung einer Ansteuerung des Einspritzsystems;
5 eine vierte schematische Detaildarstellung einer Ansteuerung des Einspritzsystems;
6 eine fünfte schematische Detaildarstellung einer Ansteuerung des Einspritzsystems;
7 eine sechste schematische Detaildarstellung einer Ansteuerung des Einspritzsystems;
8 eine siebte schematische Detaildarstellung einer Ansteuerung des Einspritzsystems, und
9 eine achte schematische Detaildarstellung einer Ansteuerung des Einspritzsystems.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1, welche ein Einspritzsystem 3 aufweist. Dieses ist bevorzugt als Common-Rail-Einspritzsystem ausgebildet. Es weist eine Niederdruckpumpe 5 zur Förderung von Kraftstoff aus einem Kraftstoffreservoir 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 erstes, insbesondere elektrisch ansteuerbares Druckregelventil 19 vorgesehen, über welches der Hochdruckspeicher 13 mit dem Kraftstoffreservoir 7 fluidverbunden ist. Über die Stellung des ersten Druckregelventils 19 wird ein Kraftstoff-Volumenstrom definiert, welcher aus dem Hochdruckspeicher 13 in das Kraftstoffreservoir 7 abgesteuert wird. Dieser Kraftstoff-Volumenstrom wird in 1 sowie im folgenden Text mit VDRV1 bezeichnet und stellt eine Hochdruck-Störgröße des Einspritzsystems 3 dar.
Das Einspritzsystem 3 weist ein zweites, insbesondere elektrisch ansteuerbares Druckregelventil 20 auf, über welches der Hochdruckspeicher 13 ebenfalls mit dem Kraftstoffreservoir 7 fluidverbunden ist. Die beiden Druckregelventile 19, 20 sind demnach insbesondere fluidisch parallel zueinander angeordnet. Auch über das zweite Druckregelventil 20 ist ein Kraftstoff-Volumenstrom definierbar, welcher aus dem Hochdruckspeicher 13 in das Kraftstoffreservoir 7 abgesteuert werden kann. Dieser Kraftstoff-Volumenstrom wird in 1 sowie im folgenden Text mit VDRV2 bezeichnet.
Das Einspritzsystem 3 weist kein mechanisches Überdruckventil auf, welches gemäß dem Stand der Technik herkömmlicherweise vorgesehen ist und dann den Hochdruckspeicher 13 mit dem Kraftstoffreservoir 7 verbindet. Auf das mechanische Überdruckventil kann erfindungsgemäß verzichtet werden, da dessen Funktion vollständig durch die Druckregelventile 19, 20 übernommen wird.
Es ist möglich, dass das Einspritzsystem 3 mehr als zwei Druckregelventile 19, 20 aufweist. Der einfacheren Darstellung wegen wird im Folgenden allerdings die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Einspritzsystems 1 anhand des hier dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert, welches genau zwei Druckregelventile 19, 20 aufweist.
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 n_I, 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 p_E 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 Druckstellglied, ein Signal ve zur Ansteuerung der Injektoren 15 – welches insbesondere einen Spritzbeginn und/oder ein Spritzende oder auch eine Spritzdauer vorgibt –, ein erstes Signal PWMDRV1 zur Ansteuerung eines ersten Druckregelventils der beiden Druckregelventile 19, 20, und ein zweites Signal PWMDRV2 zur Ansteuerung eines zweiten Druckregelventils der beiden Druckregelventile 19, 20 dargestellt. Wie im Folgenden noch erläutert wird, ist die in 1 dargestellte Zuordnung des ersten Signals PWMDRV1 zu dem ersten Druckregelventil 19, und des zweiten Signals PWMDRV2 zu dem zweiten Druckregelventil 20 nicht für alle Zeiten festgelegt, vielmehr werden die Druckregelventile 19, 20 bevorzugt alternierend mit den Signalen PWMDRV1, PWMDRV2 angesteuert. Bei den Signalen PWMDRV1, PWMDRV2 handelt es sich bevorzugt um pulsweitenmodulierte Signale, über welche die Stellung eines Druckregelventils 19, 20 und damit der dem Druckregelventil 19, 20 jeweils zugeordnete Volumenstrom VDRV1, VDRV2 definiert werden kann. In 1 ist außerdem noch eine Ausgangsgröße A dargestellt, die stellvertretend für weitere Stellsignale zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine 1 steht, beispielsweise für ein Stellsignal zur Aktivierung eines zweiten Abgasturboladers bei einer Registeraufladung.
2 zeigt eine erste schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens. Dabei wird im Folgenden zunächst die Funktionsweise des Verfahrens unter Ansteuerung nur eines der Druckregelventile 19, 20 erläutert, wobei dann in einem nächsten Schritt die Funktionalität erläutert wird, welche durch Hinzunahme eines weiteren Druckregelventils 20, 19 hinzutritt.
Es ist ein erster Hochdruck-Regelkreis 25 vorgesehen, über den in einem Normalbetrieb des Einspritzsystems 3 mittels der Saugdrossel 9 als Druckstellglied der Hochdruck in dem Hochdruckspeicher 13 geregelt wird. Der erste Hochdruck-Regelkreis 25 wird in Zusammenhang mit 9 näher erläutert, wo er im Detail dargestellt ist. Der erste Hochdruck-Regelkreis 25 weist als Eingangsgröße einen Soll-Hochdruck p_S für das Einspritzsystem 3 auf. Dieser wird vorzugsweise in Abhängigkeit von der Drehzahl n_I 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 Hochdruck-Regelkreises 25 sind insbesondere die Drehzahl n_I der Brennkraftmaschine 1 sowie eine – insbesondere ebenfalls aus einem Kennfeld ausgelesene – Soll-Einspritzmenge Q_S. Als Ausgangsgröße weist der erste Hochdruck-Regelkreis 25 insbesondere den von dem Hochdrucksensor 23 gemessenen Hochdruck p auf, der vorzugsweise einer ersten Filterung mit einer größeren Zeitkonstanten unterzogen wird, um einen Ist-Hochdruck p_I zu bestimmen, wobei er zugleich vorzugsweise einer zweiten Filterung mit einer kleineren Zeitkonstanten unterzogen wird, um einen dynamischen Raildruck p_dyn zu berechnen. Diese beiden Druckwerte p_I, p_dyn stellen weitere Ausgangsgrößen des ersten Hochdruck-Regelkreises 25 dar.
In 2 ist insbesondere die Ansteuerung eines ersten Druckregelventils der beiden Druckregelventile 19, 20, beispielsweise die Ansteuerung des ersten Druckregelventils 19, dargestellt. Es ist vorzugsweise ein erstes Schaltelement 27 vorgesehen, mit welchem 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 Softwareebene verwirklicht. Dabei wird die im Folgenden beschriebene Funktionalität vorzugsweise abhängig von einem 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 konkret dargestellten Ausgestaltung ist der Normalbetrieb gesetzt, wenn das erste logische Signal SIG1 den Wert „falsch“ (false) aufweist. Dagegen ist die 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 das erste Ansteuersignal PWMDRV1 zwischen zwei Moden zu schalten, wobei insbesondere ein mit dem ersten Ansteuersignal PWMDRV1 angesteuertes Druckregelventil 19, 20 von einer Normalfunktion in eine Stillstandsfunktion und zurück geschaltet werden kann. Dabei wird das zweite Schaltelement 29 in Abhängigkeit von einem zweiten logischen Signal Z 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 Z einer Zustandsvariablen, welche die Werte 1 für einen ersten Zustand und 2 für einen zweiten Zustand annehmen kann. Dabei wird hier die Normalfunktion für das angesteuerte Druckregelventil 19, 20 gesetzt, wenn das zweite logische Signal Z den Wert 2 annimmt, wobei die Stillstandsfunktion gesetzt wird, wenn das zweite logische Signal Z den Wert 1 annimmt. Selbstverständlich ist eine abweichende Definition des zweiten logischen Signals Z, insbesondere dergestalt möglich, dass eine entsprechende Variable die Werte 0 und 1 annehmen kann.
Zunächst wird nun die Ansteuerung eines ersten Druckregelventils 19, 20 in dem Normalbetrieb sowie bei gesetzter Normalfunktion beschrieben. Es ist ein erstes Berechnungsglied 31 vorgesehen, welches als Ausgangsgröße einen berechneten Sollvolumenstrom V_S,ber ausgibt, wobei in das erste Berechnungsglied 31 als Eingangsgrößen die momentane Drehzahl n_I, die Soll-Einspritzmenge Q_S, der Sollhochdruck p_S, der dynamische Raildruck p_dyn und der Ist-Hochdruck p_I 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 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 p_S, dem Ist-Hochdruck p_I und dem dynamischen Raildruck p_dyn berechnet wird. Der berechnete Soll-Volumenstrom V_S,ber ist schließlich die Summe aus dem statischen Soll-Volumenstrom und dem dynamischen Soll-Volumenstrom. Es handelt sich bei dem berechneten Soll-Volumenstrom V_S,ber insoweit um einen resultierenden Soll-Volumenstrom.
Im Normalbetrieb, wenn das erste logische Signal SIG1 den Wert „falsch“ aufweist, wird der berechnete Soll-Volumenstrom V_S,ber als Soll-Volumenstrom V_S 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 eines verwendeten Druckregelventils 19, 20 ab. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Einspritzsystem identische Druckregelventile 19, 20 auf, sodass für jedes der Druckregelventile 19, 20 das gleiche Druckregelventil-Kennfeld 33 verwendet werden kann. Alternativ ist es aber auch möglich, verschiedene Druckregelventile 19, 20 einzusetzen, wobei dann für jedes Druckregelventil 19, 20 ein diesen separat zugeordnetes Druckregelventil-Kennfeld verwendet wird. Ausgangsgröße des Druckregelventil-Kennfelds 33 ist ein Druckregelventil-Sollstrom I_S, Eingangsgrößen sind der abzusteuernde Soll-Volumenstrom V_S sowie der Ist-Hochdruck p_I.
Bei einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens ist es auch möglich, dass der Soll-Volumenstrom V_S nicht mittels des ersten Berechnungsglieds 31 berechnet, sondern im Normalbetrieb konstant vorgegeben wird.
Der Druckregelventil-Sollstrom wird einem ersten Stromregler 35 zugeführt, der die Aufgabe hat, den Strom zur Ansteuerung des Druckregelventils 19, 20 zu regeln. Weitere Eingangsgrößen des ersten Stromreglers 35 sind beispielsweise ein Proportionalbeiwert kp_I,DRV und ein Ohm’scher Widerstand R_I,DRV des Druckregelventils 19, 20. Ausgangsgröße des ersten Stromreglers 35 ist eine erste Sollspannung U_S für das Druckregelventil 19, 20, welche durch Bezug auf eine Betriebsspannung U_B in an sich üblicher Weise in eine Einschaltdauer für das erste, pulsweitenmodulierte Signal PWMDRV1 zur Ansteuerung des Druckregelventils 19, 20 umgerechnet und diesem in der Normalfunktion, wenn also das zweite logische Signal Z den Wert 2 aufweist, zugeführt wird. Zur Stromregelung wird der Strom an dem mit dem ersten Ansteuersignal PWMDRV1 angesteuerten Druckregelventil 19, 20 als erste Stromgröße I_R gemessen, in einem ersten Stromfilter 37 gefiltert und als erster gefilterter Ist-Strom I_I dem Stromregler 35 wieder zugeführt.
Wie bereits angedeutet, wird die Einschaltdauer in Form des ersten, pulsweitenmodulierten Ansteuersignals PWMDRV1 zur Ansteuerung eines Druckregelventils 19, 20 in für sich genommen üblicher Weise gemäß folgender Gleichung aus der ersten Sollspannung U_S und der Betriebsspannung U_B berechnet: PWMDRV1 = (U_S/U_B) × 100. (1)
Auf diese Weise wird in dem Normalbetrieb eine Hochdruck-Störgröße, nämlich der abgesteuerte Soll-Volumenstrom V_S über eines der Druckregelventile 19, 20 erzeugt.
Nimmt das erste logische Signal SIG1 den Wert „wahr“ an, schaltet das erste Schaltelement 27 von dem Normalbetrieb in den Schutzbetrieb um. Unter welchen Bedingungen dies der Fall ist, wird in Zusammenhang mit 3 erläutert. Bezüglich der Ansteuerung des Druckregelventils 19, 20 ergibt sich in der ersten und zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs insoweit kein Unterschied, als auch hier das Druckregelventil 19, 20 mit dem Soll-Volumenstrom V_S 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 V_S wird in der ersten und zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs jedoch anders berechnet als in dem Normalbetrieb, nämlich über einen zweiten Hochdruck-Regelkreis 39.
Der Soll-Volumenstrom V_S wird in diesem Fall mit einem begrenzten Ausgangsvolumenstrom V_R aus einem Druckregelventil-Druckregler 41 – bis auf einen im Folgenden noch erläuterten Faktor f_DRV – identisch gesetzt. Dies entspricht der oberen Schaltstellung des ersten Schaltelements 27. Der Druckregelventil-Druckregler 41 weist als Eingangsgröße eine Hochdruck-Regelabweichung e_p auf, welche als Differenz von dem Soll-Hochdruck p_S und dem dynamischen Raildruck p_dyn berechnet wird. Weitere Eingangsgrößen des Druckregelventil-Druckreglers 41 sind bevorzugt ein maximaler Volumenstrom V_max für das Druckregelventil 19, 20, der in dem ersten Berechnungsglied 31 berechnete Soll-Volumenstrom V_S,ber und/oder ein Proportionalbeiwert kp_DRV. Der Druckregelventil-Druckregler 41 wird vorzugsweise als PI(DT₁)-Algorithmus ausgeführt, der in 7 näher erläutert wird. Dabei wird – wie noch ausgeführt wird – ein integrierender Anteil (I-Anteil) zu dem Zeitpunkt, zu welchem das erste Schaltelement 27 von seiner in 2 dargestellten unteren in seine obere Schaltstellung umgeschaltet wird, mit dem berechneten Soll-Volumenstrom V_S,ber initialisiert. Nach oben wird der I-Anteil des Druckregelventil-Druckreglers 41 auf den Maximalvolumenstrom V_max für das Druckregelventil 19, 20 begrenzt. Dabei ist der maximale Volumenstrom V_max vorzugsweise – bis auf den Faktor f_DRV – eine Ausgangsgröße einer zweidimensionalen Kennlinie 43, welche den das Druckregelventil 19, 20 maximal durchsetzenden Volumenstrom in Abhängigkeit von dem Hochdruck aufweist, wobei die Kennlinie 43 als Eingangsgröße den dynamischen Raildruck p_dyn erhält. Wie bereits angedeutet, wird bei diesem Ausführungsbeispiel davon ausgegangen, dass die Druckregelventile 19, 20 identisch ausgebildet sind, sodass für beide Druckregelventile eine identische Kennlinie 43 verwendet werden kann. Es ist aber auch möglich, verschiedene Druckregelventile 19, 20 einzusetzen, wobei dann für jedes der Druckregelventile 19, 20 eine separate Kennlinie 43 verwendet wird. Unmittelbare Ausgangsgröße des Druckregelventil-Druckreglers 41 ist ein unbegrenzter Volumenstrom V_U, der in einem Begrenzungselement 45 auf den maximalen Volumenstrom V_max begrenzt wird. Das Begrenzungselement 45 gibt als Ausgangsgröße schließlich den begrenzten Soll-Volumenstrom V_R aus. Mit diesem wird dann – bis auf den im Folgenden noch erläuterten Faktor f_DRV – das Druckregelventil 19, 20 als Soll-Volumenstrom V_S angesteuert, indem der Soll-Volumenstrom V_S in bereits beschriebener Weise dem Druckregelventil-Kennfeld 33 zugeführt wird.
Es erfolgt demnach in dieser Weise in der ersten Betriebsart des Schutzbetriebs eine Ansteuerung eines Druckregelventils 19, 20 als Druckstellglied zur Regelung des Hochdrucks in dem Hochdruckspeicher 13 über den zweiten Hochdruck-Regelkreis 39.
Im Folgenden wird nun die Funktionsweise erläutert, die durch Hinzunahme eines zweiten Druckregelventils 20, 19 gegeben ist.
Wie in Zusammenhang mit 3 noch näher erläutert werden wird, nimmt das erste logische Signal SIG1 den logischen Wert „wahr“ an, wenn der dynamische Raildruck p_dyn – beispielsweise infolge eines Kabelbruchs des Saugdrossel-Steckers –, einen ersten Druckgrenzwert p_G1 erreicht. In der Folge wechselt das erste Schaltelement 27 in die in 2 dargestellte obere Schaltstellung, sodass der Hochdruck nun mithilfe des zweiten Hochdruck-Regelkreises 39 und eines der Druckregelventile 19, 20 geregelt wird. Wie ebenfalls in Zusammenhang mit 3 noch erläutert werden wird, weist ein drittes logisches Signal SIG2 den Wert „falsch“ auf, wenn der dynamische Raildruck p_dyn einen zweiten Druckgrenzwert p_G2 noch nicht erreicht hat. Ein zweiter Druckregelventil-Sollstrom I_S,2 für ein zweites Druckregelventil 20, 19 wird dann aus einem zweiten Druckregelventil-Kennfeld 49 ausgelesen, welches den Ist-Hochdruck p_I und den Wert Null für den Soll-Volumenstrom als Eingangsgröße aufweist. Sind die beiden Druckregelventile 19, 20 identisch ausgebildet, ist das zweite Druckregelventil-Kennfeld 49 gleich dem ersten Druckregelventil-Kennfeld 33 und unterscheidet sich nur in Hinblick auf den zu Null gesetzten, eingehenden Soll-Volumenstrom. Werden verschiedene Druckregelventile 19, 20 verwendet, können sich die beiden Druckregelventil-Kennfelder 33, 49 unterscheiden. Dadurch, dass das zweite Druckregelventil-Kennfeld 49 als eingehenden Soll-Volumenstrom den Wert Null hat, wird das derart angesteuerte Druckregelventil 19, 20 so angesteuert, das es vollständig geschlossen ist, wobei es keinen Kraftstoff in das Kraftstoffreservoir 7 absteuert. Der Hochdruck wird daher solange, bis der dynamische Raildruck p_dyn den zweiten Druckgrenzwert p_G2 erreicht, nur mithilfe eines Druckregelventils 19, 20 geregelt.
Es ist ein viertes Schaltelement 44 vorgesehen, welches den Wert des bereits zuvor erwähnten Faktors f_DRV bestimmt. Dieses vierte Schaltelement 44 wird ebenfalls abhängig von dem dritten logischen Signal SIG2 gesteuert, und nimmt seine in 2 dargestellte untere Schaltstellung ein, wenn das dritte logische Signal SIG2 den Wert „falsch“ (false) aufweist. In diesem Fall wird die Ausgangsgröße der Kennlinie 43 mit dem Faktor 1 multipliziert. Entsprechend wird der aus dem Begrenzungselement 45 resultierende begrenzte Sollvolumenstrom V_R durch den Faktor 1 dividiert.
Steigt der dynamische Raildruck p_dyn an und erreicht oder überschreitet den zweiten Druckgrenzwert p_G2, so nimmt das dritte logische Signal SIG2 den Wert „wahr“ (true) an. Dies führt dazu, dass das dritte Schaltelement 47 und das vierte Schaltelement 44 in ihre in 2 obere Schaltstellung wechseln. Betrachtet man zunächst das dritte Schaltelement 47, so zeigt sich, dass hierdurch nun der zweite Druckregelventil-Sollstrom I_S,2 bei dem hier konkret dargestellten Ausführungsbeispiel identisch wird mit dem ersten Druckregelventil-Sollstrom I_S, sodass in der Folge beide Druckregelventile 19, 20 mit demselben Sollstrom beaufschlagt werden. Dies setzt wiederum voraus, dass die beiden Druckregelventil 19, 20 identisch ausgebildet sind, was einer bevorzugten Ausgestaltung entspricht. Selbstverständlich ist es aber möglich, diese mit separaten, insbesondere aus separaten Kennfeldern resultierenden Sollströmen zu beaufschlagen, wenn sich die Druckregelventile 19, 20 unterscheiden.
Zwei gleiche Druckregelventile 19, 20 können eine doppelte Kraftstoffmenge im Vergleich zu einem einzigen Druckregelventil 19, 20 absteuern. Aus diesem Grund nimmt – wenn man nun das vierte Schaltelement 44 betrachtet – der Faktor f_DRV jetzt den Wert 2 an, wodurch der aus der Kennlinie 43 resultierende, maximale Volumenstrom V_max verdoppelt wird. Der begrenzte Volumenstrom V_R, der aus dem Begrenzungselement 45 resultiert, wird dagegen durch den Faktor f_DRV und somit nun durch zwei geteilt, da letztlich der resultierende Druckregelventil-Sollvolumenstrom V_S jeweils mit einem Druckregelventil 19, 20 korrespondiert und jeweils der Ansteuerung eines Druckregelventils 19, 20 dient. Auch diese Vorgehensweise ist abgestimmt auf die bevorzugte Ausgestaltung, bei welcher die beiden verwendeten Druckregelventile 19, 20 gleich ausgebildet sind. Sind sie verschieden ausgebildet, werden dagegen vorzugsweise verschiedene Kennlinien 43, verschiedene zweite Hochdruck-Regelkreise 39, und verschiedene Druckregelventil-Kennfelder 33, 49 zur Ansteuerung der verschiedenen Druckregelventile verwendet. Sind dagegen mehr als zwei gleich ausgebildete Druckregelventile vorgesehen, können diese völlig analog zu der Darstellung in 2 durch eine Vervielfachung der dort für jedes Druckregelventil 19, 20 dargestellten Ansteuerelemente angesteuert werden, wobei als Faktor f_DRV in der oberen Schaltstellung des vierten Schaltelements 44 die Zahl der verwendeten Druckregelventile eingesetzt werden kann.
Der zweite Druckregelventil-Sollstrom I_S,2 ist die Eingangsgröße eines zweiten Stromreglers 51, der im Übrigen bevorzugt genau so ausgebildet ist, wie der erste Stromregler 35. Auch im Übrigen entspricht die Ansteuerungsmimik zur Erzeugung des zweiten Ansteuersignals PWMDRV2 derjenigen zur Erzeugung des ersten Ansteuersignals PWMDRV1, wobei hier zur Umschaltung zwischen der Normalfunktion und der Stillstandsfunktion noch ein fünftes Schaltelement 53 vorgesehen ist, und wobei zur Filterung einer zweiten, gemessenen Stromgröße I_R,2 ein zweites Stromfilter 55 vorgesehen ist, welches als Ausgangsgröße einen zweiten Ist-Strom I_I,2 aufweist, welcher dem zweiten Stromregler 51 zugeführt wird. Die Reglerparameter des zweiten Stromreglers 51 werden vorzugsweise so eingestellt wie die entsprechenden Parameter des ersten Stromreglers 35.
Anhand des zweiten Schaltelements 29 und des fünften Schaltelements 53 zeigt sich noch, dass die Einschaltdauer der Ansteuersignale PWMDRV1, PWMDRV2 in der Stillstandsfunktion identisch zu 0 % ist. In der Normalfunktion wird dagegen das jeweilige Ansteuersignal PWMDRV1, PWMDRV2 durch die diesem zugeordnete Ansteuermimik erzeugt, wie dies zuvor bereits erläutert wurde.
Die beiden Ansteuersignale PWMDRV1, PWMDRV2 werden einer Umschaltlogik 57 zugeführt, die im Folgenden noch in Zusammenhang mit den 5 und 6 näher erläutert wird, wobei die Umschaltlogik 57 dafür sorgt, dass die Druckregelventile 19, 20 alternierend mit den Ansteuersignalen PWMDRV1, PWMDRV2 angesteuert werden. Ebenso werden die gemessenen Stromgrößen I_R, I_R,2 auch der Umschaltlogik 57 entnommen, wobei diese dafür sorgt, dass sie stets an den jeweiligen, den Ansteuersignalen PWMDRV1, PWMDRV2 korrekt zugeordneten Druckregelventilen 19, 20 gemessen werden, um eine definierte Regelung jedes der Druckregelventile 19, 20 über die Stromregler 35, 51 zu gewährleisten.
3 zeigt, unter welchen Bedingungen das erste logische Signal SIG1 und das dritte logische Signal SIG2 jeweils die Werte „wahr“ und „falsch“ annehmen.
Dies wird im Folgenden zunächst anhand von 3a) für das erste logische Signal SIG1 erläutert. Solange der dynamische Raildruck p_dyn einen ersten Druckgrenzwert p_G1 nicht erreicht oder überschreitet, weist der Ausgang eines ersten Komparatorelements 59 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 61 „falsch“, solange der Ausgang des ersten Komparatorelements 59 den Wert „falsch“ aufweist. Der Ausgang des ersten Veroderungsglieds 61 wird einem Eingang eines ersten Verundungsglieds 63 zugeführt, dessen anderem Eingang eine durch einen Querstrich dargestellte Verneinung einer Variablen MS zugeführt wird, wobei die Variable MS den Wert „wahr“ aufweist, wenn die Brennkraftmaschine 1 steht, und wobei sie den Wert „falsch“ aufweist, wenn die Brennkraftmaschine 1 läuft. Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 ist demnach der Wert der Verneinung der Variablen MS „wahr“. Insgesamt zeigt sich nun, dass der Ausgang des Verundungsglieds 63 und damit der Wert des ersten logischen Signals SIG1 „falsch“ ist, solange der dynamische Raildruck p_dyn den ersten Druckgrenzwert p_G1 nicht erreicht oder überschreitet. Erreicht oder überschreitet der dynamische Raildruck p_dyn den ersten Druckgrenzwert p_G1, springt der Ausgang des ersten Komparatorelements 59 von „falsch“ auf „wahr“. Somit springt auch der Ausgang des ersten Veroderungsglieds 61 von „falsch“ auf „wahr“. Läuft die Brennkraftmaschine 1, springt auch der Ausgang des ersten Verundungsglieds 63 von „falsch“ auf „wahr“, sodass der Wert des ersten logischen Signals SIG1 „wahr“ wird. Dieser Wert wird dem ersten Veroderungsglied 61 wieder zugeführt, was jedoch nichts daran ändert, dass dessen Ausgang „wahr“ bleibt. Selbst ein Abfall des dynamischen Raildrucks p_dyn unter den ersten Druckgrenzwert p_G1 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 p_dyn den ersten Druckgrenzwert p_G1 unterschreitet. In diesem Fall ist der Soll-Volumenstrom V_S mit dem berechneten Soll-Volumenstrom V_S,ber identisch. Erreicht oder überschreitet der dynamische Raildruck p_dyn den ersten Druckgrenzwert p_G1, nimmt das erste logische Signal SIG1 den Wert „wahr“ an, und das erste Schaltelement 27 nimmt seine obere Schaltstellung ein. Damit wird der Soll-Volumenstrom V_S in diesem Fall mit dem begrenzten Volumenstrom V_R des zweiten Hochdruck-Regelkreises 39 – bis auf den Faktor f_DRV – identisch. Dies bedeutet, dass im Normalbetrieb durch eines der Druckregelventile 19, 20 eine Hochdruck-Störgröße erzeugt wird, wobei in der ersten Betriebsart des Schutzbetriebs der Hochdruck immer dann, wenn der dynamische Raildruck p_dyn den ersten Druckgrenzwert p_G1 erreicht, anschließend von dem Druckregelventil-Druckregler 41 geregelt wird, und dies solange, bis ein Stillstand der Brennkraftmaschine 1 erkannt wird. In der ersten Betriebsart des Schutzbetriebs übernimmt zumindest eines der Druckregelventile 19, 20 über den zweiten Hochdruck-Regelkreis 39 die Regelung des Hochdrucks.
In 3b) ist die Logik zur Schaltung des dritten logischen Signals SIG2 dargestellt. Dabei zeigt sich, dass diese vollständig der Logik zur Schaltung des ersten logischen Signals SIG1 entspricht, wobei lediglich statt des ersten Druckgrenzwerts p_G1 der zweite Druckgrenzwert p_G2 als Eingangsgröße verwendet wird. Die entsprechenden logischen Schaltkomponenten sind hier in Vergleich zu 3a) mit gestrichenen Bezugszeichen versehen. Aufgrund der völlig identischen Funktionsweise wird auf die Erläuterungen zu 3a) verwiesen. Analog zu dem ersten logischen Signal SIG1 zeigt sich für das zweite logische Signal SIG2 Folgendes: Dieses wird zu Beginn des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 mit dem Wert „falsch“ initialisiert“, wobei es seinen Wahrheitswert zu „wahr“ ändert, wenn der dynamische Raildruck p_dyn den zweiten Druckgrenzwert p_G2 erreicht oder überschreitet. Daraufhin bleibt der Wahrheitswert des dritten logischen Signals SIG2 „wahr“, bis ein Stillstand der Brennkraftmaschine 1 erkannt wird.
Mit Bezug auf 2 zeigt sich, dass die zweite Betriebsart des Schutzbetriebs aktiviert wird, wenn das dritte logische Signal SIG2 seinen Wahrheitswert von „falsch“ zu „wahr“ ändert, wobei in diesem Fall das bisher nicht aktive Druckregelventil 20, 19 hinzugeschaltet wird, sodass der Hochdruck von beiden Druckregelventilen 19, 20 geregelt wird.
Zurückkommend auf 2 wird im Folgenden auch die dritte Betriebsart des Schutzbetriebs erläutert: In diese wird geschaltet, wenn das zweite logische Signal Z den Wert 1 annimmt. In diesem Fall wird das zweite Schaltelement 29 und auch das fünfte Schaltelement 53 in seine in 2 dargestellte obere Schaltposition gebracht, wobei hierdurch die Stillstandsfunktion für beide Druckregelventile 19, 20 gesetzt wird. In dieser Stillstandsfunktion werden die Druckregelventile 19, 20 nicht mehr angesteuert, das heißt, die Ansteuersignale PWMDRV1, PWMDRV2 werden zu Null gesetzt. Da vorzugsweise zumindest unter Eingangsdruck stromlos offene Druckregelventile 19, 20 verwendet werden, steuern diese nun dauerhaft einen maximalen Kraftstoff-Volumenstrom aus dem Hochdruckspeicher 13 in das Kraftstoffreservoir 7 ab.
Weist dagegen das zweite logische Signal Z den Wert 2 auf, ist – wie bereits erläutert – die Normalfunktion für die Druckregelventile 19, 20 gesetzt, und diese werden mit ihren jeweiligen Sollströmen I_S, I_S,2 und den hieraus berechneten Ansteuersignalen PWMDRV1, PWMDRV2 angesteuert.
4 zeigt schematisch ein Zustandsübergangsdiagramm für die Druckregelventile 19, 20 von der Normalfunktion in die Stillstandsfunktion und zurück. Dabei sind die Druckregelventile 19, 20 bevorzugt so ausgebildet, dass sie drucklos und stromlos geschlossen ausgebildet sind, wobei sie weiter bevorzugt so ausgebildet sind, dass sie bei einem eingangsseitig anliegenden Druck bis zu einem Öffnungsdruckwert geschlossen sind, wobei sie öffnen, wenn der eingangsseitig anliegende Druck im stromlosen Zustand den Öffnungsdruckwert erreicht oder überschreitet. Sie sind dann unter Eingangsdruck stromlos offen und können durch Bestromen in Richtung des geschlossenen Zustands angesteuert werden. 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 die Druckregelventile 19, 20 zunächst in der Stillstandsfunktion initialisiert werden. Erst wenn zugleich ein laufender Betrieb der Brennkraftmaschine 1 erkannt wird, und der Ist-Hochdruck p_I einen vorbestimmten Startwert p_St überschreitet, wird für die Druckregelventile 19, 20 – entlang des Pfeils P1 – die Normalfunktion gesetzt und die Stillstandsfunktion zurückgesetzt, insbesondere indem das zweite logische Signal Z seinen Wert von 1 zu 2 ändert. Die Normalfunktion wird zurückgesetzt und die Stillstandsfunktion wird entlang des Pfeils P2 gesetzt, wenn der dynamische Raildruck p_dyn den dritten Druckgrenzwert p_G3 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, in welcher das zweite logische Signal Z wiederum den Wert 1 annimmt, werden die Druckregelventile 19, 20 nicht angesteuert, wobei sie in der Normalfunktion – wie bereits in Zusammenhang mit 2 erläutert – mittels der ihnen jeweils zugeordneten Sollströme I_S, I_S,2 angesteuert werden.
Es ergibt sich nun folgende Funktionalität: Startet die Brennkraftmaschine 1, liegt zunächst kein Hochdruck in dem Hochdruckspeicher 13 vor, und die Druckregelventile 19, 20 sind in ihrer Stillstandsfunktion angeordnet, sodass sie druck- und stromlos, also geschlossen sind. Beim Hochlaufen der Brennkraftmaschine 1 kann sich daher rasch ein Hochdruck in dem Hochdruckspeicher ausbilden, der irgendwann den Startwert p_St überschreitet. Dieser liegt bevorzugt niedriger als der Öffnungsdruckwert der Druckregelventile 19, 20, sodass für diese zunächst die Normalfunktion gesetzt wird, bevor sie öffnen. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass die Druckregelventile 19, 20 in jedem Fall angesteuert werden, wenn sie erstmals öffnen. Da sie drucklos geschlossen sind, bleiben sie auch unter Ansteuerung weiter geschlossen, bis der Ist-Hochdruck p_I auch den Öffnungsdruckwert überschreitet, wobei sie dann öffnen und in der Normalfunktion angesteuert werden, 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 die Druckregelventile 19, 20 gesetzt.
Dies ist insbesondere der Fall, wenn der dynamische Raildruck p_dyn den dritten Druckgrenzwert p_G3 überschreitet, wobei dieser vorzugsweise größer gewählt ist als der erste Druckgrenzwert p_G1 und der zweite Druckgrenzwert p_G2, und insbesondere einen Wert aufweist, bei welchem in einer herkömmlichen Ausgestaltung des Einspritzsystems ein mechanisches Überdruckventil öffnen würde. Da die Druckregelventile 19, 20 unter Druck stromlos offen sind, öffnen diese in der Stillstandsfunktion in diesem Fall vollständig und erfüllen so sicher und zuverlässig die Funktion eines Überdruckventils.
Der Übergang von der Normalfunktion in die Stillstandsfunktion erfolgt auch, wenn ein Defekt an 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 die Druckregelventile 19, 20 herbeigeführt, sodass diese öffnen und damit einen unzulässigen Anstieg des Hochdrucks verhindern.
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 der Druckregelventile 19, 20, sodass bei einem erneuten Start der Brennkraftmaschine 1 der hier beschriebene Zyklus wieder von neuem beginnen kann.
Wird für die Druckregelventile 19, 20 unter Druck in dem Hochdruckspeicher 13 die Stillstandsfunktion gesetzt, sind diese maximal weit geöffnet und steuern einen maximalen Volumenstrom aus dem Hochdruckspeicher 13 in das Kraftstoffreservoir 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.
Wichtig ist hier, dass die Druckregelventile 19, 20 nur zwei Funktionszustände, nämlich die Stillstandsfunktion und die Normalfunktion aufweisen, wobei diese beiden Funktionszustände vollauf genügen, um die gesamte relevante Funktionalität der Druckregelventile 19, 20 einschließlich der Schutzfunktion zum Ersetzen eines mechanischen Überdruckventils darzustellen.
Es zeigt sich, dass auch nach Überschreiten des zweiten Druckgrenzwerts p_G2 noch eine stabile Regelung des Hochdrucks mittels der Druckregelventile möglich ist, da das Fördervermögen der Hochdruckpumpe 11 drehzahlabhängig ist. Damit können Motorbetriebswerte, vor allem Emissionswerte, in diesem Fall noch eingehalten werden. Erst im höheren Drehzahlbereich muss mit einem Überschreiten des dritten Druckgrenzwerts p_G3 gerechnet werden. In diesem Fall öffnen die Druckregelventile 19, 20 vollständig, und es muss mit einer Verschlechterung der Motorbetriebswerte, vor allem der Emissionen, gerechnet werden. Zumindest ein stabiler Betrieb des Motors wird dann aber auch weiterhin gewährleistet.
Auch bei einem Ausfall des Hochdrucksensors 23 ist ein stabiler Motorbetrieb noch möglich, auch wenn eventuell in diesem Fall eine Verschlechterung der Motorbetriebswerte, insbesondere der Emissionswerte, eintritt.
Dadurch, dass der zweite Druckgrenzwert p_G2 größer ist als der erste Druckgrenzwert p_G1, wird vermieden, dass beide Druckregelventile 19, 20 gleichzeitig vom geschlossenen in einen geöffneten Zustand überführt werden. Auf diese Weise werden große Druckgradienten, welche sich schädigend auf das Einspritzsystem 3 auswirken könnten, vermieden.
Wie bereits angedeutet, werden die Druckregelventile 19, 20 alternierend mit den Ansteuersignalen PWMDRV1 und PWMDRV2 beaufschlagt. Dies bedeutet, dass eines der beiden Druckregelventile 19, 20 während eines vorbestimmten Zeitraums, beispielsweise von 5000 Betriebsstunden, mit dem ersten Ansteuersignal PWMDRV1 beaufschlagt wird. Zugleich wird das andere Druckregelventil 20, 19 mit dem zweiten Ansteuersignal PWMDRV2 beaufschlagt. Nach Ablauf des vorbestimmten Zeitraums wird umgekehrt das eine Druckregelventil 19, 20 mit dem zweiten Ansteuersignal PWMDRV2 und das andere Druckregelventil 20, 19 mit dem ersten Ansteuersignal PWMDRV1 – wiederum für die vorherbestimmte Zeitdauer – beaufschlagt. Dies wird nun in Zusammenhang mit den 5 und 6 näher erläutert.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Logik zu einer alternierenden Ansteuerung der Druckregelventile 19, 20 anhand verschiedener Diagramme. Ein erstes Diagramm 1) zeigt dabei einen Zeitzähler Z_DRV aufgetragen gegen die Zeit t. Mit geschweiften Klammern ist jeweils ein vorbestimmter Zeitraum t_DRV dargestellt. Der Zeitzähler Z_DRV weist zu einem ersten Zeitpunkt t₁, nach Ablauf des vorbestimmten Zeitraums t_DRV seinen Maximalwert, beispielsweise 5000 Betriebsstunden, auf.
Das zweite, mittlere Diagramm 2) zeigt die logische Variable MS in Abhängigkeit von der Zeit t, wobei diese den Wert 0 annimmt, wenn die Brennkraftmaschine 1 läuft, und den Wert 1, wenn die Brennkraftmaschine 1 steht. Bis zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ nimmt die Variable MS den Wert 0 an, das heißt die Brennkraftmaschine 1 läuft. Zu dem zweiten Zeitpunkt t₂ nimmt sie den Wert 1 an, es wird also ein Stillstand der Brennkraftmaschine 1 erkannt. Anhand des ersten, oberen Diagramms zeigt sich, dass nun der Zeitzähler Z_DRV auf 0 zurückgesetzt wird. Anschließend läuft er wieder bis zu seinem Maximalwert hoch, welcher dann wieder zu einem dritten Zeitpunkt t₃ erreicht wird. Zwischen dem ersten Zeitpunkt t₁ und dem zweiten Zeitpunkt t₂ erfolgt keine Veränderung des Zeitzählers Z_DRV, weil dieser seinen Maximalwert erreicht hat, wobei jedoch noch kein Stillstand der Brennkraftmaschine 1 erkannt wurde. Zu dem dritten Zeitpunkt t₃ wird der Zeitzähler Z_DRV wieder auf den Wert 0 zurückgesetzt, weil das zweite Diagramm einen stehenden Motor anzeigt. Anschließend wird der Zeitzähler Z_DRV wieder hochgezählt, bis er zu einem vierten Zeitpunkt t₄ schließlich wieder seinen Maximalwert erreicht. Da das zweite Diagramm erst zu einem fünften Zeitpunkt t₅ einen stehenden Motor anzeigt, wird der Zeitzähler entsprechend dem ersten Diagramm zu dem fünften Zeitpunkt t₅ auf den Wert 0 zurückgesetzt. Danach läuft der Zähler wieder auf seinen Maximalwert hoch, welchen er zu einem sechsten Zeitpunkt t₆ wieder erreicht. Das dritte, untere Diagramm 3) stellt ein viertes logisches Signal SIG4 aufgetragen gegen die Zeit t dar. Dieses vierte logische Signal SIG4 zeigt an, wann ein Wechsel in der Zuordnung der Ansteuersignale PWMDRV1, PWMDRV2 zu den entsprechenden Druckregelventilen 19, 20 erfolgen soll. Dieses vierte logische Signal SIG4 hat zum Zeitpunkt 0 den Wert 0. Immer, wenn der Zeitzähler Z_DRV seinen Maximalwert erreicht hat und gleichzeitig eine stehende Brennkraftmaschine 1 durch das logische Signal MS angezeigt wird, erfolgt ein Wechsel im Wert des vierten logischen Signals SIG4. Dies bedeutet, dass sich das Signal SIG4 zu dem zweiten Zeitpunkt t₂ von dem Wert 0 auf den Wert 1, zu dem dritten Zeitpunkt t₃ von dem Wert 1 auf den Wert 0 und zu dem fünften Zeitpunkt t₅ wieder von dem Wert 0 auf den Wert 1 ändert. Insgesamt erfolgt also zu diesen Zeitpunkten ein Wechsel im Wert des vierten logischen Signals SIG4 und damit in der Zuordnung der Ansteuersignale PWMDRV1, PWMDRV2 zu den Druckregelventilen 19, 20.
6 zeigt eine Funktion der Umschaltlogik 57 in schematischer Darstellung. Diese weist ein sechstes Schaltelement 65 und ein siebtes Schaltelement 67 auf, welche ihre Schaltstellung in Abhängigkeit von dem vierten logischen Signal SIG4 ändern. Nimmt das vierte logische Signal SIG4 den Wert 0 an, sind beide Schaltelemente 65, 67 in ihrer in 6 dargestellten, oberen Schaltstellung. Damit wird das erste Ansteuersignal PWMDRV1 dem ersten Druckregelventil 19 zugeordnet, wobei zugleich das zweite Ansteuersignal PWMDRV2 dem zweiten Druckregelventil 20 zugeordnet wird. Zugleich wird – was gegebenenfalls durch zusätzliche physikalische Schaltelemente bewirkt, hier der einfacheren Darstellung wegen jedoch gemeinsam mit den Ansteuersignalen erläutert wird – die erste gemessene Stromgröße I_R an dem ersten Druckregelventil 19 gemessen, wobei die zweite gemessene Stromgröße I_R,2 an dem zweiten Druckregelventil 20 gemessen wird.
Nimmt das vierte logische Signal SIG4 den Wert 1 an, so wechseln die Schaltelemente 65, 67 in ihre in 6 dargestellte, untere Schaltstellung. Damit wird nun das erste Ansteuersignal PWMDRV1 dem zweiten Druckregelventil 20 zugeordnet, wobei das zweite Ansteuersignal PWMDRV2 dem ersten Druckregelventil 19 zugeordnet wird. Zugleich wird die erste gemessene Stromgröße I_R an dem zweiten Druckregelventil 20 gemessen, wobei die zweite gemessene Stromgröße I_R,2 an dem ersten Druckregelventil 19 gemessen wird.
Die Umschaltlogik 57 bewirkt also in Abhängigkeit von dem vierten logischen Signal SIG4, dass die Druckregelventile 19, 20 wechselseitig mit den verschiedenen Ansteuersignalen PWMDRV1, PWMDRV2 angesteuert werden, wobei zugleich gewährleistet wird, dass den hierfür vorgesehenen Stromreglern 35, 51 jeweils die richtigen gemessenen Stromgrößen I_R, I_R,2 zugeführt werden.
7 zeigt eine schematische Darstellung des Druckregelventil-Druckreglers 41, der hier als PI(DT₁)-Druckregler ausgeführt ist. Dabei zeigt sich, dass die Ausgangsgröße V_U des Druckregelventil-Druckreglers 41 aus drei summierten Regler-Anteilen besteht, nämlich einem Proportional-Anteil A_P, einem Integral-Anteil A_I, und einem differenziellen Anteil A_DT1. Diese drei Anteile werden in einer Summationsstelle 69 miteinander zu dem unbegrenzten Volumenstrom V_U addiert. Der Proportional-Anteil A_P stellt hierbei das Produkt der in einer Multiplikationsstelle 71 mit dem Wert –1 multiplizierten Regelabweichung e_p mit dem Proportionalbeiwert kp_DRV dar. Der integrierende Anteil A_I resultiert aus der Summe zweier Summanden. Der erste Summand ist hierbei der aktuelle, um einen Abtastschritt T_a verzögerte Integral-Anteil A_I. Der zweite Summand ist das Produkt eines Verstärkungsfaktors r2_DRV und der Summe von aktueller und um einen Abtastschritt verzögerter Regelabweichung e_p – wiederum in der Multiplikationsstelle 71 mit dem Faktor –1 multipliziert. Die Summe beider Summanden wird dabei nach oben auf den maximalen Volumenstrom V_max in einem Begrenzungselement 73 begrenzt. Der Verstärkungsfaktor r2_DRV wird nach folgender Formel berechnet, in welcher tn_DRV eine Nachstellzeit ist:
Der integrierende Anteil A_I hängt davon ab, ob der dynamische Raildruck p_dyn den ersten Druckgrenzwert p_G1 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 7 dargestelltes, achtes Schaltelement 75 wechselt in seine untere Schaltstellung. In dieser Schaltstellung ist der integrierende Anteil A_I identisch mit dem Ausgangssignal des Begrenzungselements 73, das heißt der integrierende Anteil A_I wird auf den maximalen Volumenstrom V_max 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 achte Schaltelement 75 wechselt in seine obere Schaltstellung. Der integrierende Anteil A_I wird in diesem Fall auf den berechneten Volumenstrom V_S,ber gesetzt. Damit stellt der berechnete Soll-Volumenstrom V_S,ber den Initialisierungswert des integrierenden Anteils A_I für den Fall dar, dass der Druckregelventil-Druckregler 41 aktiviert wird, wenn der dynamische Raildruck p_dyn den ersten Druckgrenzwert p_G1 überschreitet.
Die Berechnung des differenziellen Anteils A_DT1 ist im unteren Teil von 7 dargestellt. Dieser Anteil ergibt sich als Summe zweier Produkte. Das erste Produkt resultiert aus einer Multiplikation des Faktor r4_DRV mit dem um einen Abtastschritt verzögerten differenziellen Anteil A_DT1. Das zweite Produkt ergibt sich aus der Multiplikation des Faktors r3_DRV mit der Differenz der mit dem Faktor –1 multiplizierten Regelabweichung e_p und der entsprechend um einen Abtastschritt verzögerten und mit dem Faktor –1 multiplizierten Regelabweichung e_p.
Dabei berechnet sich der Faktor r3_DRV nach folgender Gleichung, in welcher tv_DRV eine Vorhaltzeit und t1_DRV eine Verzögerungszeit ist:
Der Faktor r4_DRV errechnet sich gemäß folgender Gleichung:
Es zeigt sich damit, dass die Verstärkungsfaktoren r2_DRV und r3_DRV von dem Proportionalbeiwert kp_DRV abhängen. Der Verstärkungsfaktor r2_DRV hängt zusätzlich von der Nachstellzeit tn_DRV, der Verstärkungsfaktor r3_DRV von der Vorhaltzeit tv_DRV und der Verzögerungszeit t1_DRV ab. Der Verstärkungsfaktor r4_DRV hängt ebenfalls von der Verzögerungszeit t1_DRV ab.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Logik zur Berechnung des Werts eines fünften logischen Signals SIG5, das verwendet wird, um zu gewährleisten, dass in der ersten und in der zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs die Saugdrossel 9 zu einem dauerhaft geöffneten Betrieb angesteuert wird. Diese Vorgehensweise wird in Zusammenhang mit 9 näher erläutert. Der Wert des fünften logischen Signals SIG5 resultiert aus einem dritten Verundungsglied 77, in dessen ersten Eingang wiederum die Verneinung der Variablen MS eingeht, wobei in den zweiten Eingang das Ergebnis einer vorangegangen Berechnung, die im Folgenden näher erläutert wird, eingeht. Das fünfte logische Signal SIG5 wird beim Start der Brennkraftmaschine 1 zunächst mit dem Wert „falsch“ initialisiert. In einen ersten Eingang eines dritten Veroderungsglieds 79 geht das Ergebnis eines dritten Komparatorelements 81 ein, in welchem geprüft wird, ob der dynamische Raildruck p_dyn größer oder gleich dem dritten Druckgrenzwert p_G3 ist. In den zweiten Eingang des dritten Veroderungsglieds 79 geht das Ergebnis eines Vergleichselements 83 ein, welches prüft, ob der Wert der logischen Variablen 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 Variablen HDSD gleich 0 ist. Somit zeigt sich, dass der Ausgang des dritten Veroderungsglieds 79 den Wert „wahr“ annimmt, wenn zumindest einer der Ausgänge des dritten Komparatorelements 81 oder des Vergleichselements 83 den Wert „wahr“ annimmt. Damit also der Ausgang des dritten Veroderungsglieds 79 den Wert „wahr“ annimmt, muss wenigstens eine der folgenden Bedingungen erfüllt sein: Der dynamische Raildruck p_dyn muss den dritten Druckgrenzwert p_G3 erreicht oder überschritten haben, und/oder es muss ein Sensordefekt des Hochdrucksensors 23 festgestellt worden sein, sodass die Variable HDSD den Wert 1 annimmt. Ist keine dieser Bedingungen erfüllt, weist der Ausgang des dritten Veroderungsglieds 79 den Wert „falsch“ auf.
Der Ausgang des dritten Veroderungsglieds 79 geht in einen ersten Eingang eines vierten Veroderungsglieds 85 ein, in dessen zweiten Eingang der Wert des fünften logischen Signals SIG5 eingeht. Da dieses ursprünglich mit dem Wert „falsch“ initialisiert ist, weist der Ausgang des vierten Veroderungsglieds 85 solange den Wert „falsch“ auf, bis der Ausgang des dritten Veroderungsglieds 79 den Wert „wahr“ annimmt. Ist dies der Fall, springt auch der Ausgang des vierten Veroderungsglieds 85 auf den Wert „wahr“. In diesem Fall springt auch der Wert des dritten Verundungsglieds 77 auf wahr, wenn die Brennkraftmaschine 1 läuft, sodass auch der Wert des fünften logischen Signals SIG5 auf „wahr“ springt. Anhand von 8 zeigt sich, dass der Wert des fünften logischen Signals SIG5 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.
Soll die Saugdrossel 9 auch in der zweiten und/oder in der ersten Betriebsart des Schutzbetriebs dauerhaft geöffnet werden – insbesondere um eine doppelte Regelung des Hochdrucks über die Saugdrossel 9 und die Druckregelventile 19, 20 zu verhindern –, kann dies erreicht werden, indem in dem dritten Komparatorelement 81 der zweite Druckgrenzwert p_G2, oder der erste Druckgrenzwert p_G1 statt des dritten Druckgrenzwerts p_G3 verwendet und mit dem dynamischen Raildruck p_dyn verglichen wird.
9 zeigt eine schematische Darstellung des ersten Hochdruck-Regelkreises 25 inklusive eines neunten Schaltelements 87 zur Darstellung des dauerhaft geöffneten Betriebs der Saugdrossel 9 in der ersten, zweiten und/oder dritten Betriebsart des Schutzbetriebs, wobei in das neunte Schaltelement 87 zu dessen Ansteuerung das fünfte logische Signal SIG5 eingeht, dessen Berechnung in Zusammenhang mit 8 beschrieben wurde. Es ist möglich, dass das neunte Schaltelement 87 als Softwareschalter, also als rein virtueller Schalter ausgebildet ist. Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, dass das neunte Schaltelement 87 als physikalischer Schalter, beispielsweise als Relais, ausgebildet ist.
Wie bereits erläutert, ist eine Eingangsgröße des ersten Hochdruck-Regelkreises 25 der Soll-Hochdruck p_S, der hier in diesem Fall zur Berechnung der Regelabweichung e_p mit dem Ist-Hochdruck p_I verglichen wird. Diese Regelabweichung e_p ist eine Eingangsgröße eines Hochdruckreglers 89, der vorzugsweise als PI(DT₁)-Algorithmus ausgeführt ist. Eine weitere Eingangsgröße des Hochdruckreglers 89 ist bevorzugt ein Proportionalbeiwert kp_SD. Ausgangsgröße des Hochdruckreglers 89 ist ein Kraftstoff-Volumenstrom V_SD für die Saugdrossel 9, zu dem in einer Additionsstelle 91 ein Kraftstoff-Sollverbrauch V_Q addiert wird. Dieser Kraftstoff-Sollverbrauch V_Q wird in einem Berechnungsglied 93 in Abhängigkeit von der Drehzahl n_I und der Soll-Einspritzmenge Q_S berechnet und stellt eine Störgröße des ersten Hochdruck-Regelkreises 25 dar. Als Summe der Ausgangsgröße V_SD des Hochdruckreglers 89 und der Störgröße V_Q ergibt sich ein unbegrenzter Kraftstoff-Sollvolumenstrom V_U,SD. Dieser wird in einem Begrenzungselement 95 in Abhängigkeit von der Drehzahl n_I auf einen maximalen Volumenstrom V_max,SD für die Saugdrossel 9 begrenzt. Als Ausgang des Begrenzungselements 95 ergibt sich ein begrenzter Kraftstoff-Sollvolumenstrom V_S,SD für die Saugdrossel 9, welcher als Eingangsgröße in eine Pumpenkennlinie 97 eingeht. Diese rechnet den begrenzten Kraftstoff-Sollvolumenstrom V_S,SD in einen Kennlinien-Saugdrosselstrom I_KL,SD um.
Weist das neunte Schaltelement 87 den in 9 dargestellten, oberen Schaltzustand auf, was der Fall ist, wenn das fünfte logische Signal SIG5 den Wert „falsch“ aufweist, wird ein Saugdrossel-Sollstrom I_S,SD mit dem Kennlinien-Saugdrosselstrom I_KL,SD gleichgesetzt. Dieser Saugdrossel-Sollstrom I_S,SD stellt die Eingangsgröße eines Saugdrossel-Stromreglers 99 dar, welcher die Aufgabe hat, den Saugdrosselstrom durch die Saugdrossel 9 zu regeln. Eine weitere Eingangsgröße des Saugdrossel-Stromreglers 99 ist unter anderem ein Ist-Saugdrosselstrom I_I,SD. Ausgangsgröße des Saugdrossel-Stromreglers 99 ist eine Saugdrossel-Sollspannung U_S,SD, welche schließlich in einem Berechnungsglied 101 in an sich bekannter Weise in eine Einschaltdauer eines pulsweitenmodulierten Signals PWMSD für die Saugdrossel 9 umgerechnet wird. Mit diesem wird die Saugdrossel 9 angesteuert, wobei das Signal somit insgesamt auf eine Regelstrecke 103 wirkt, welche insbesondere die Saugdrossel 9, die Hochdruckpumpe 11, und den Hochdruckspeicher 13 aufweist. Der Saugdrosselstrom wird gemessen, wobei ein Rohmesswert I_R,SD resultiert, welcher in einem Stromfilter 105 gefiltert wird. Das Stromfilter 105 ist vorzugsweise als PT₁-Filter ausgebildet. Ausgangsgröße dieses Filters ist der Ist-Saugdrosselstrom I_I,SD, welcher wiederum dem Saugdrossel-Stromregler 99 zugeführt wird.
Die Regelgröße des ersten Hochdruck-Regelkreises 25 ist der Hochdruck in dem Hochdruckspeicher 13. Rohwerte dieses Hochdrucks p werden durch den Hochdrucksensor 23 gemessen und durch ein erstes Hochdruck-Filterelement 107 gefiltert, welches als Ausgangsgröße den Ist-Hochdruck p_I hat. Außerdem werden die Rohwerte des Hochdrucks p durch ein zweites Hochdruck-Filterelement 109 gefiltert, dessen Ausgangsgröße der dynamische Raildruck p_dyn ist. Beide Hochdruck-Filterelemente sind vorzugsweise durch einen PT₁-Algorithmus umgesetzt, wobei eine Zeitkonstante des ersten Hochdruck-Filterelements 107 größer ist als eine Zeitkonstante des zweiten Hochdruck-Filterelements 109. Insbesondere ist das zweite Hochdruck-Filterelement 109 als ein schnelleres Filter als das erste Hochdruck-Filterelement 107 ausgebildet. Die Zeitkonstante des zweiten Hochdruck-Filterelements 109 kann auch mit dem Wert Null identisch sein, sodass dann der dynamische Raildruck p_dyn den gemessenen Rohwerten des Hochdrucks p entspricht beziehungsweise mit diesen identisch ist. Mit dem dynamischen Raildruck p_dyn 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 Hochdruck-Regelkreises 25 sind somit neben dem ungefilterten Hochdruck p die gefilterten Hochdruckwerte p_I, p_dyn.
Nimmt das fünfte logische Signal SIG5 den Wert „wahr“ an, schaltet das neunte Schaltelement 87 in seine in 9 dargestellte, untere Schaltposition. In diesem Fall ist der Saugdrossel-Sollstrom I_S,SD nicht mehr identisch mit dem Kennlinien-Saugdrosselstrom I_KL,SD, sondern wird vielmehr mit einem Saugdrossel-Notstrom I_N,SD gleichgesetzt. Der Saugdrossel-Notstrom I_N,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 I_N,SD und die damit verbundene Öffnung der Saugdrossel 9 zuverlässig, dass die Brennkraftmaschine 1 stehen bleibt, wenn sie in der dritten Betriebsart des Schutzbetriebs mit maximal geöffneten Druckregelventilen 19, 20 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. In der ersten und/oder zweiten Betriebsart wird auf diese Weise eine doppelte Regelung des Hochdrucks einerseits über die Saugdrossel 9 und andererseits über die Druckregelventile 19, 20 verhindert.
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 den Druckregelventilen 19, 20 übernommen wird. Darüber hinaus zeigt sich, dass das Einspritzsystem 3 ohne weiteres in Hinblick auf eine Größe einer Brennkraftmaschine 1, mit welcher es verwendet wird, skaliert werden kann, indem die Zahl der Druckregelventile 19, 20 angepasst wird. Somit können insbesondere günstig herstellbare Druckregelventile 19, 20 verwendet werden, wie sie beispielsweise aus der Automobil-Serienproduktion bekannt sind. Tritt beispielsweise ein Kabelbruch eines Saugdrossel-Steckers im unteren Drehzahlbereich auf, so ist in diesem Bereich nach Erreichen oder Überschreiten des ersten oder zweiten Druckgrenzwerts p_G1, p_G2 noch eine stabile Regelung des Hochdrucks mittels der Druckregelventile 19, 20 möglich, da das Fördervermögen der Hochdruckpumpe drehzahlabhängig ist. Dabei können vorbestimmte Motorbetriebswerte, vor allem Emissionswerte, in diesem Fall noch eingehalten werden. Erst in höheren Drehzahlbereichen muss mit einem Überschreiten auch des dritten Druckgrenzwerts p_G3 gerechnet werden. In diesem Fall öffnen die Druckregelventile 19, 20 vollständig, und es muss mit einer Verschlechterung der Motorbetriebswerte, vor allem der Emissionen, gerechnet werden.
Zumindest ein stabiler Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird dann aber weiterhin gewährleistet. Auch bei Ausfall des Hochdrucksensors 23 ist ein stabiler Betrieb der Brennkraftmaschine 1 möglich, auch wenn eventuell in diesem Fall eine Verschlechterung der Betriebswerte eintritt.
Dadurch, dass die Druckregelventile 19, 20 nicht gleichzeitig aktiviert werden, wird verhindert, dass das Einspritzsystem 3 durch zu große Hochdruckgradienten geschädigt wird. Sind mehr als zwei Druckregelventile 19, 20 vorhanden, ist es möglich, für ein Zuschalten jedes dieser Druckregelventile 19, 20 oder auch für ein Zuschalten von Gruppen dieser Druckregelventile 19, 20, separate Druckgrenzwerte festzulegen, die insbesondere in ihrer Größe gestaffelt werden können.
Die Druckregelventile 19, 20 werden durch wechselseitiges Ansteuern gleichmäßig ausgelastet.
Insgesamt zeigt sich auch folgende Funktionsweise für die Brennkraftmaschine 1 beziehungsweise das Einspritzsystem 3:
Diese umfasst mindestens zwei Druckregelventile 19, 20, jedoch kein mechanisches Überdruckventil. Steigt der Hochdruck an, beispielsweise infolge eines Kabelbruchs eines Saugdrossel-Steckers, und erreicht der dynamische Raildruck p_dyn dabei den ersten Druckgrenzwert p_G1, so übernimmt der zweite Hochdruck-Regelkreis 39 durch Ansteuerung eines der Druckregelventile 19, 20 die Regelung des Hochdrucks. Das andere Druckregelventil 20, 19 wird dabei so angesteuert, dass es geschlossen bleibt.
Erreicht oder überschreitet der dynamische Raildruck p_dyn bei laufender Brennkraftmaschine 1 trotz Aktivierung des einen Druckregelventils 19, 20, den zweiten Druckgrenzwert p_G2, welcher bevorzugt größer ist als der erste Druckgrenzwert p_G1, so wird zusätzlich das weitere Druckregelventil 20, 19 zur Regelung des Hochdrucks aktiviert. Vorzugsweise werden beide Druckregelventile 19, 20 mit demselben Sollstrom I_S, I_S,2 angesteuert.
Erreicht oder überschreitet der dynamische Raildruck p_dyn den dritten Druckgrenzwert p_G3, der vorzugsweise größer ist als der erste Druckgrenzwert p_G1 und als der zweite Druckgrenzwert p_G2, oder fällt der Hochdrucksensor 23 aus, so werden die Druckregelventile 19, 20 so angesteuert, dass sie zuverlässig, dauerhaft und bevorzugt vollständig öffnen. In allen Fällen wird bevorzugt zugleich die Saugdrossel 9 so angesteuert, dass sie ebenfalls in vollständig geöffnetem Zustand betrieben wird. Die Druckregelventile 19, 20 werden in vorgebbaren zeitlichen Abständen wechselseitig angesteuert. Ein Wechsel darf dabei nur bei stehender Brennkraftmaschine 1 erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014213648 [0002]
DE 102009031529 B3 [0013, 0023]
DE 102009031527 B3 [0023, 0083]
DE 102009031528 B3 [0083, 0084]

Claims

Einspritzsystem (3) für eine Brennkraftmaschine (1), mit – wenigstens einem Injektor (15), und mit – einem Hochdruckspeicher (13), der einerseits mit dem wenigstens einen Injektor (15) und andererseits über eine Hochdruckpumpe (11) mit einem Kraftstoffreservoir (7) in Fluidverbindung ist, wobei – der Hochdruckpumpe (11) eine Saugdrossel (9) als Druckstellglied zugeordnet ist, gekennzeichnet durch – wenigstens zwei Druckregelventile (19, 20), über welche der Hochdruckspeicher (13) mit dem Kraftstoffreservoir (7) in Fluidverbindung bringbar ist.
Einspritzsystem (3) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Steuergerät (21), welches mit der Saugdrossel (9) und den wenigstens zwei Druckregelventilen (19, 20) wirkverbunden ist, wobei das Einspritzsystem (3) eingerichtet ist, um a) in einem Normalbetrieb einen Hochdruck in dem Hochdruckspeicher (13) durch Ansteuern der Saugdrossel (9) als Druckstellglied zu regeln, wobei bevorzugt wenigstens ein erstes Druckregelventil (19, 20) der wenigstens zwei Druckregelventile (19, 20) zur Erzeugung einer Hochdruck-Störgröße angesteuert wird; um b) in einer ersten Betriebsart eines Schutzbetriebs den Hochdruck in dem Hochdruckspeicher (13) durch Ansteuern des wenigstens einen ersten Druckregelventils (19, 20) als Druckstellglied zu regeln, und um c) in einer zweiten Betriebsart des Schutzbetriebs wenigstens ein zweites Druckregelventil (20, 19) der wenigstens zwei Druckregelventile (19, 20), das von dem wenigstens einen ersten Druckregelventil (19, 20) verschieden ist, zusätzlich zu dem wenigstens einen ersten Druckregelventil (19, 20) als Druckstellglied zur Regelung des Hochdrucks in dem Hochdruckspeicher (13) anzusteuern.
Einspritzsystem (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem (3) eingerichtet ist, um in einer dritten Betriebsart des Schutzbetriebs das wenigstens eine erste Druckregelventil (19, 20) und das wenigstens eine zweite Druckregelventil (20, 19) dauerhaft zu öffnen.
Einspritzsystem (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem (3) eingerichtet ist, um d) in die erste Betriebsart des Schutzbetriebs zu schalten, wenn der Hochdruck einen ersten Druckgrenzwert (p_G1) erreicht oder überschreitet, oder wenn ein Defekt der Saugdrossel (9) erkannt wird, und/oder um e) in die zweite Betriebsart des Schutzbetriebs zu schalten, wenn der Hochdruck einen zweiten Druckgrenzwert (p_G2) erreicht oder überschreitet, und/oder um f) in die dritte Betriebsart des Schutzbetriebs zu schalten, wenn der Hochdruck einen dritten Druckgrenzwert (p_G3) erreicht oder überschreitet, oder wenn ein Defekt eines Hochdruck-Sensors (23) erkannt wird.
Einspritzsystem (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem (3) eingerichtet ist, um in wenigstens einer Betriebsart des Schutzbetriebs die Saugdrossel (9) zu einer dauerhaft geöffneten Position anzusteuern.
Einspritzsystem (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der wenigstens zwei Druckregelventile (19, 20) stromlos offen ausgebildet ist.
Einspritzsystem (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem (3) eingerichtet ist, um ein erstes Ansteuersignal (PWMDRV1) und ein zweites Ansteuersignal (PWMDRV2) zu erzeugen, und um das wenigstens eine erste Druckregelventil (19, 20) und das wenigstens eine zweite Druckregelventil (20, 19) alternierend mit dem ersten Ansteuersignal (PWMDRV1) und dem zweiten Ansteuersignal (PWMDRV2) anzusteuern.
Einspritzsystem (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem (3) frei ist von einem mechanischen Überdruckventil.
Brennkraftmaschine (1), mit einem Einspritzsystem (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) als Großmotor ausgebildet ist.