DE19622776A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

Ein solches Verfahren und eine solche Einrichtung sind aus der DE-OS 195 39 885 bekannt. Dort wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine beschrieben, wobei wenigstens eine Kraftstoffpumpe den Kraftstoff von einem Niederdruckbereich in einen Hochdruckbereich fördert. Der Druck des Kraftstoffs im Hochdruckbereich ist auf einen vorgebbaren Wert regelbar. Durch Ansteuern von Injektoren kann der Kraftstoff den einzelnen Brennräumen der Brennkraftmaschine zugemessen werden. Solche Systeme, bei denen der Kraftstoff unter hohem Druck über Injektoren den Brennräumen zugemessen wird, werden üblicherweise als Common-Rail-Systeme bezeichnet. Solche Systeme können sowohl bei selbstzündenden als auch bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen eingesetzt werden.

Unter ungünstigen Betriebsbedingungen kann die Kraftstofftemperatur bei solchen Common-Rail-Systemen auf Werte ansteigen, die außerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs der einzelnen Komponenten liegen. Die Erhöhung der Kraftstofftemperatur muß durch geeignete Maßnahmen verhindert werden. Dabei soll ein zusätzlicher Kraftstoffkühler vermieden werden.

Vorteile der Erfindung

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, die Erwärmung des Kraftstoffs in Grenzen zu halten. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Fig. 1 zeigt anhand eines Blockdiagrammes ein Common-Rail-System, Fig. 2a zeigt ein Blockdiagramm und Fig. 2b ein Flußdiagramm zur Verdeutlichung einer ersten Ausführungsform. In Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform und in Fig. 4 ein Flußdiagramm einer dritten Ausführungsform dargestellt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Common-Rail-System als Blockdiagramm dargestellt. Ein sogenanntes Rail ist mit 100 bezeichnet. Das Rail 100 dient als Speicher für den unter Druck stehenden Kraftstoff und steht mit Injektoren 110 in Verbindung, die den Kraftstoff in die nicht dargestellten Brennräume der Brennkraftmaschine zumessen. Die Injektoren können von einem Steuergerät 115 mit Ansteuersignalen beaufschlagt werden.

Das Steuergerät 115 verarbeitet Signale eines Drucksensors 120, eines Drehzahlsensors 122 und einer Kraftstoffmengenvorgabe 124 sowie weiterer Sensoren, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine erfassen.

Das Steuergerät 115 beaufschlagt ferner ein Druckregelventil 130 mit einem Ansteuersignal. Das Druckregelventil 130 ist in der Verbindungsleitung zwischen dem Rail 100 und einem Kraftstoffvorratsbehälter 135 angeordnet. Das Druckregelventil 130 ist vorzugsweise derart ausgestaltet, daß es bei einem bestimmten Druck P im Rail 100 die Verbindung zum Kraftstoffvorratsbehälter 135 freigibt. Der Druckwert, bei dem es die Verbindung freigibt, kann mittels des Ansteuersignals variiert werden.

Ferner steht der Kraftstoffvorratsbehälter 135 über eine Vorförderpumpe 140 und eine Hochdruckpumpe 145 mit dem Rail 100 in Verbindung. Zwischen der Hochdruckpumpe 145 und dem Rail 100 kann ein Rückschlagventil 148 angeordnet sein. Zwischen der Vorförderpumpe 140 und der Hochdruckpumpe 145 ist ein Begrenzungsventil 150 angeordnet, das die Verbindung zum Kraftstoffvorratsbehälter 135 freigeben kann.

Die Hochdruckpumpe 145 ist in einer bevorzugten Ausführungsform derart ausgestaltet, daß sie aus zwei oder mehreren Pumpenelementen besteht. Vorzugsweise ist die Hochdruckpumpe als herkömmliche Verteilerpumpe oder Reihenpumpe ausgebildet. Durch ein geeignetes Ansteuersignal A1 kann wenigstens eines der Pumpenelemente in Betrieb genommen oder abgeschaltet werden.

Der Bereich zwischen der Hochdruckpumpe 145 sowie den Injektoren 110 wird als Hochdruckbereich bezeichnet. Der Bereich zwischen Tank 135 und der Hochdruckpumpe 145 wird als Niederdruckbereich bezeichnet.

Der Sensor 230, der das Kraftstofftemperatursignal T erfaßt, kann sowohl im Hochdruckbereich, als auch im Niederdruckbereich angeordnet sein. Des weiteren ist es auch möglich, das Kraftstofftemperatursignal T ausgehend von anderen Betriebsgrößen, insbesondere anderen Temperatursignalen, zu berechnen.

Diese Einrichtung arbeitet nun wie folgt. Die Vorförderpumpe 140 fördert den Kraftstoff aus dem Kraftstoffvorratsbehälter 135 zur Hochdruckpumpe 145. Die Hochdruckpumpe 145 verdichtet den Kraftstoff auf einen relativ hohen Druck. Üblicherweise werden bei Systemen für fremdgezündete Brennkraftmaschinen Druckwerte von 30 bar bis 100 bar und bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen Druckwerte von etwa 1000 bar bis 2000 bar erzielt.

Der Kraftstoff gelangt von der Hochdruckpumpe 145 über das Rückschlagventil 148 in das Rail 100. Dort befindet sich der Kraftstoff unter dem hohen Druck.

Abhängig von dem Ansteuersignal des Steuergeräts 115 geben die Injektoren 110 die Verbindung zwischen dem Rail und den einzelnen Brennräumen frei. Dadurch läßt sich der Einspritzbeginn, das Einspritzende und damit auch die Einspritzmenge der Kraftstoffzumessung in die einzelnen Brennräume von dem Steuergerät 115 abhängig von verschiedenen Betriebskenngrößen steuern.

Baut sich zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe ein zu hoher Kraftstoffdruck auf, so gibt das Begrenzungsventil 150 die Verbindung zum Tank frei.

Der Druck im Hochdruckbereich, insbesondere im Rail 100, wird mittels des Drucksensors 120 erfaßt. Abhängig von diesem Druckwert P berechnet das Steuergerät die Ansteuersignale für die Injektoren 110. Ferner wird dieses Signal zur Druckregelung verwendet, d. h. durch Öffnen und Schließen des Druckregelventils 130 kann der Druck P im Rail auf vorgebbare Werte eingestellt werden.

Die Ansteuerung der Injektoren 110 erfolgt abhängig von der Drehzahl n der gewünschten Kraftstoffmenge QK und dem Druck P im Hochdruckbereich. Insbesondere bei hohen Lasten, d. h. bei großen eingespritzten Kraftstoffmengen, erwärmt sich die Brennkraftmaschine aufgrund der Abwärme. Dies wiederum führt dazu, daß der Kraftstoff sich ebenfalls erwärmt. Aufgrund der Kompression des Kraftstoffes tritt ebenfalls eine Erwärmung auf.

Insbesondere bei kleinen eingespritzten Kraftstoffmengen gelangt ein erheblicher Teil des Kraftstoffes über das Druckregelventil 130 in den Tank 135 zurück und wird erneut verdichtet. Hierdurch ergibt sich eine wesentliche Erwärmung des Kraftstoffes.

Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, daß durch geeignete Beeinflussung von Steuergrößen der Brennkraftmaschine die Kraftstofftemperatur begrenzt wird. Durch geeignete Beeinflussung der Einspritzmenge, des Drucks im Rail, der Fördermenge der Hochdruckpumpe und/oder geeigneter weiterer Größen wird die Kraftstofftemperatur derart beeinflußt, daß diese eine vorgegebene Schwelle nicht überschreitet.

Die Zunahme der Kraftstofftemperatur durch die Abwärme der Brennkraftmaschine kann durch Beschränkung der maximal zulässigen einzuspritzenden Kraftstoffmenge verhindert werden. Die maximal zulässige einzuspritzende Kraftstoffmenge wird hierzu über ein Kennfeld abhängig von der Kraftstofftemperatur T und/oder der Drehzahl N der Brennkraftmaschine beschränkt.

Eine solche Vorgehensweise ist in Fig. 2a als Blockdiagramm dargestellt. Eine Mengenvorgabe 200 verarbeitet das Ausgangssignal eines Fahrpedalgebers 205 und das Ausgangssignal N des Drehzahlgebers 122. Die Mengenvorgabe 200 beaufschlagt eine Minimalauswahl 210 mit einem Signal QK0. Am zweiten Eingang der Minimalauswahl 210 liegt das Ausgangssignal einer ersten Begrenzung 215.

Das Ausgangssignal der ersten Minimalauswahl 210 QK1 gelangt zu einer zweiten Minimalauswahl 220 an deren zweiten Eingang das Ausgangssignal QKT einer Temperaturbegrenzung 225 anliegt. Die Temperaturbegrenzung 225 verarbeitet das Ausgangssignal N des Drehzahlsensors 122 und Ausgangssignal T eines Temperatursensors 230.

Das Ausgangssignal QK2 der zweiten Minimalauswahl 220 gelangt zu einer dritten Minimalauswahl 235, an deren zweiten Eingang das Ausgangssignal einer zweiten Begrenzung 240 anliegt. Das Ausgangssignal QK der dritten Begrenzung 235 dient als einzuspritzendes Kraftstoffmengensignal QK und wird von der Steuerung 115 verarbeitet.

Die Anordnung der Minimalauswahlen 210 und 235 ist nur beispielhaft angegeben. Die beiden Minimalauswahlen können auch zu einer Minimalauswahl zusammengefaßt und an Stelle der Minimalauswahl 210 oder der Minimalauswahl 235 angeordnet sein.

Die Funktionsweise dieser Einrichtung wird anhand des Flußdiagrammes gemäß Fig. 2b erläutert. In einem ersten Schritt 250 bestimmt die Mengenvorgabe 200 ausgehend von dem Fahrerwunschsignal FP, der Drehzahl N und gegebenenfalls weiteren Betriebskenngrößen eine Fahrerwunschmenge QK0. In der ersten Minimalauswahl 210 wird dieses Mengensignal QK0 auf einen höchstzulässigen Wert begrenzt, der von der ersten Begrenzung 215 bereitgestellt wird. Diese Begrenzung ist so gewählt, daß beispielsweise die höchstzulässige Kraftstoffmenge bei einer bestimmten Drehzahl nicht überschritten werden darf. Dieses so begrenzte Mengensignal QK1 steht nach Beendigung des Schrittes 250 zur Verfügung.

Im Schritt 255 erfaßt der Temperatursensor 230 die Temperatur T des Kraftstoffes. Anschließend in Schritt 260 wird überprüft, ob die Temperatur T größer als eine Schwelle TS ist. Ist dies nicht der Fall, so wird von der Minimalauswahl 220 als Signal QK2 das Signal QK1 weitergegeben.

Erkennt die Abfrage 260, daß die Temperatur größer als die Temperaturschwelle ist, so wird in Schritt 270 als Funktion der Drehzahl N und/oder der Temperatur T ein Begrenzungswert QKT vorgegeben. Anschließend wird in Schritt 275 überprüft, ob die Menge QK1 größer als die Menge QKT ist. Ist dies der Fall, so wird in Schritt 280 die Menge QK2 mit dem Wert QKT gesetzt. Andernfalls wird in Schritt 265 der Wert QK2 mit dem Wert QK1 gesetzt.

Anschließend an die Schritte 265 und 280 kann das Signal QK2 von der Minimalauswahl 235 auf das Ausgangssignal einer zweiten Begrenzung 240 begrenzt werden. Das Ausgangssignal der Minimalauswahl 235 dient dann als einzuspritzende Kraftstoffmenge QK, abhängig von der die Steuerung 115 die Injektoren ansteuert.

Bei dieser Ausführungsform wird, wie in Fig. 2b dargestellt, beim Überschreiten einer Temperaturwelle TS die einzuspritzende Kraftstoffmenge QK1 auf einen vorgebbaren Schwellwert QKT begrenzt, der vorzugsweise abhängig von zumindestens der Drehzahl N vorgebbar ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird die maximal zulässige Menge QKT mittels des Kennfeldes 225 als Funktion der Drehzahl N und/oder der Kraftstofftemperatur T vorgegeben.

Die Zunahme der Kraftstofftemperatur durch die Abwärme der Brennkraftmaschine wird durch Beschränkung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge QK verhindert. Die Begrenzung kann zum einen derart realisiert sein, daß die Temperaturbegrenzung 225 als Kennfeld realisiert ist, indem die höchstzulässige Kraftstoffmenge QKT abhängig von Drehzahl N und/oder Temperatur T abgelegt ist und die Wunschmenge mit der Minimalauswahl 220 auf diesen Wert begrenzt wird. Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß bei Überschreiten einer Temperaturschwelle TS die einzuspritzende Kraftstoffmenge auf einen wenigstens von der Drehzahl N abhängigen Wert begrenzt wird.

Bei üblichen Common-Rail-Systemen wird der Kraftstoff von einer ungeregelten Hochdruckpumpe 145 komprimiert. Die Druckregelung erfolgt mittels des Druckregelventils 130, dessen Durchfluß so eingestellt wird, daß sich der gewünschte Druck P im Hochdruckbereich einstellt. Die Kraftstoffmenge, die komprimiert wird, ist durch das Fördervolumen der Pumpe bestimmt.

An einem stationären Betriebspunkt wird die Kraftstoffmenge, die sich aus der Differenz zwischen dem Fördervolumen der Hochdruckpumpe 145, und der in die Brennkraftmaschine eingespritzten Kraftstoffmenge QK ergibt, durch das Druckregelventil 130 abgelassen. Die zur Kompression dieser anschließend wieder abgelassenen Kraftstoffmenge benötigte mechanische Leistung wird in Wärme umgesetzt. Diese Verlustleistung ist im wesentlichen proportional zur Druckdifferenz zwischen Hochdruck- und Niederdruckbereich und der Pumpendrehzahl.

Da die Pumpendrehzahl fest an die Motordrehzahl gekoppelt ist, kann die Kraftstofftemperatur nur durch die Verringerung der Druckdifferenz zwischen dem Hochdruck- und dem Niederdruckbereich, d. h. durch Beschränkung des Drucks P im Hochdruckbereich, beeinflußt werden. Zusätzlich kann die Verlustleistung durch eine Verminderung der Förderkapazität der Hochdruckpumpe 145 reduziert werden.

Eine solche Verminderung der Förderkapazität kann beispielsweise mittels einer sog. Elementabschaltung erfolgen. Eine Beschränkung der Motordrehzahl läßt sich beispielsweise auch mit der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform realisieren.

In Fig. 3 ist die Begrenzung des Raildruckes auf einen temperaturabhängigen Grenzwert anhand eines Blockdiagrammes dargestellt. Bereits in früheren Figuren beschriebene Blöcke sind mit entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet. Eine Solldruckvorgabe 300 verarbeitet das Drehzahlsignal N des Drehzahlsensors 122 und die einzuspritzende Kraftstoffmenge QK des Blockes 124. Ausgehend von diesen Signalen bildet die Solldruckvorgabe 300 einen Sollwert P0 für den Raildruck P.

Dieser Drucksollwert P0 gelangt zu einer Minimalauswahl 310 an deren zweiten Eingang ein Grenzwert P1 anliegt, der von einer Grenzwertvorgabe 315 bereitgestellt wird, die wenigstens ein Temperatursignal T des Temperatursensors 230 verarbeitet.

Am Ausgang der Minimalauswahl 310 liegt der Sollwert PS für den Raildruck an. Dieser gelangt über ein Verknüpfungspunkt 320 zu einem Druckregler 330, der das Druckbegrenzungsventil 130 ansteuert. Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 320 liegt der tatsächliche Druck P1, der mittels des Sensors 120 erfaßt wird.

Diese Einrichtung arbeitet nun wie folgt. Ausgehend von der Drehzahl N, der einzuspritzenden Kraftstoffmenge QK und gegebenenfalls weiteren Größen berechnet die Solldruckvorgabe 300 einen gewünschten Raildruck (P0). Ausgehend von wenigstens der Temperatur T des Kraftstoffes berechnet die Druckbegrenzung 315 einen höchst zulässigen Druckwert P1. Diese beiden Werte werden der Minimalauswahl 310 zugeführt. Diese Minimalauswahl 310 begrenzt den Drucksollwert P0 auf den höchstzulässigen Wert P1. Dies bedeutet, ist der Wert P0 kleiner als der Wert P1, so wird der Wert P0 als Sollwert PS weitergegeben. Übersteigt der Wert P0 den Wert P1, so wird der Wert P1 als Sollwert PS weitergegeben.

Der Wert PS für den Sollwert des Druckes wird im Verknüpfungspunkt 320 mit dem tatsächlichen Druckwert P1 verglichen. Die so gebildete Regelabweichung wird dem Druckregler 330 zugeleitet, der abhängig von dieser Regelabweichung das Ventil 130 ansteuert.

In Fig. 4 ist mittels eines Flußdiagramms ein Verfahren dargestellt, bei dem das Fördervolumen mittels einer sogenannten Elementabschaltung verringert wird.

Dazu ist es erforderlich, daß die Hochdruckpumpe 145 wenigstens ein getrennt ansteuerbares Pumpenelement aufweist. Dies bedeutet, daß ein Ansteuersignal A1 vorgesehen sein muß, wobei wenigstens ein Pumpenelement nur fördert, wenn das erste Ansteuersignal Al vorliegt.

In einem ersten Schritt 400 wird ein Merker TM auf 0 gesetzt. Im anschließenden Schritt 410 wird die Temperatur T des Kraftstoffes erfaßt.

Die anschließende Abfrage 420 überprüft, ob die Temperatur T größer als eine erste Temperaturschwelle TS1 ist. Ist dies der Fall, so wird in Schritt 430 der Merker TM mit 1 gesetzt und in Schritt 440 das Ansteuersignal Al zurückgenommen. Dies hat zur Folge, daß nur noch ein Pumpenelement fördert. Anschließend folgt erneut Schritt 410.

Erkennt die Abfrage 420, daß die Temperatur kleiner ist als die Temperaturschwelle TS1, so überprüft die Abfrage 450, ob der Merker TM mit 1 gesetzt ist. Ist dies nicht der Fall, so folgt unmittelbar Schritt 480, in dem das Ansteuersignal A1 ausgegeben wird. Dies hat zur Folge daß beide Pumpenelemente fördern.

Erkennt die Abfrage 450, daß der Merker TM mit 1 gesetzt ist, so folgt die Abfrage 460, die überprüft, ob die Temperatur T größer als eine zweite Schwelle TS2 ist. Ist dies der Fall, so folgt Schritt 440 in dem das Ansteuersignal A1 zurückgenommen wird. Dies bewirkt, daß nur ein Pumpenelement fördert.

Erkennt die Abfrage 460, daß die Temperatur nicht größer als die Temperaturschwelle TS2 ist, so folgt Schritt 470, in dem der Merker TM mit 0 gesetzt wird. Anschließend folgt ebenfalls Schritt 480.

Der Merker TM zeigt an, bei einem vorhergehenden Durchlauf die Temperatur die Schwelle TS1 überschritten hat. Ist dies der Fall, werden erst bei Unterschreiten einer zweiten Schwelle TS2, die unterhalb der Schwelle TS1 liegt, beide Pumpenelemente wieder in Betrieb genommen.

Ein Pumpenelement wird über eine Hysterese als Funktion der Kraftstofftemperatur abgeschaltet. Dabei muß die Temperaturschwelle so gewählt werden, daß auch bei Abschaltung eines Elements sichergestellt wird, daß das Fördervolumen ausreicht, um den gewünschten Raildruck bei maximaler Einspritzmenge einzustellen.

Die beschriebenen Maßnahmen zur Begrenzung der Kraftstofftemperatur können jeweils einzeln und/oder in Kombination durchgeführt werden. Auch ist es möglich, daß die Maßnahmen nacheinander bei unterschiedlichen Schwellwerten für die Kraftstofftemperatur durchgeführt werden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei dem wenigstens eine Kraftstoffpumpe Kraftstoff von einem Niederdruck- in einen Hochdruckbereich fördert, wobei der Kraftstoff durch Ansteuern von Injektoren den Brennräumen der Brennkraftmaschine zumeßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von einem Temperaturwert eine Beeinflussung von wenigstens einer Steuergröße der Brennkraftmaschine derart erfolgt, daß der Temperaturwert einen Schwellwert nicht überschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturwert ein Wert verwendet wird, der von Temperatur des Kraftstoffes, insbesondere des Kraftstoffs im Hochdruckbereich, abhängt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der Kraftstoffpumpe vermindert wird, wenn der Temperaturwert den Schwellwert überschreitet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der Kraftstoffpumpe mittels einer Elementabschaltung vermindert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Brennkraftmaschine einzuspritzende Kraftstoffmenge begrenzt wird, wenn der Temperaturwert den Schwellwert überschreitet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Brennkraftmaschine einzuspritzende Kraftstoffmenge auf einen von dem Temperaturwert abhängigen Wert begrenzt wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Kraftstoffs im Hochdruckbereich begrenzt wird, wenn der Temperaturwert den Schwellwert überschreitet.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Kraftstoffs im Hochdruckbereich auf einen von wenigstens dem Temperaturwert abhängigen Wert begrenzt wird.

9. Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei dem wenigstens eine Kraftstoffpumpe Kraftstoff von einem Niederdruck- in einen Hochdruckbereich fördert, wobei der Kraftstoff durch Ansteuerung von Injektoren den Brennräumen der Brennkraftmaschine zumeßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die abhängig von einem Temperaturwert wenigstens eine Steuergröße der Brennkraftmaschine derart beeinflussen, daß der Temperaturwert einen Schwellwert nicht überschreitet.