EP1203875A1 - Verfahren zum Schutz eines Verbrennungsmotors vor Überdruck - Google Patents

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EP1203875A1
EP1203875A1 EP00123808A EP00123808A EP1203875A1 EP 1203875 A1 EP1203875 A1 EP 1203875A1 EP 00123808 A EP00123808 A EP 00123808A EP 00123808 A EP00123808 A EP 00123808A EP 1203875 A1 EP1203875 A1 EP 1203875A1
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EP
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fuel
pressure
cylinder
peak
engine
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Hether Lee
Alain Marie Roger Chevalier
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Ford Global Technologies LLC
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    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D37/02—Non-electrical conjoint control of two or more functions of engines, not otherwise provided for one of the functions being ignition
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/24—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents characterised by the use of digital means
    • F02D41/26—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents characterised by the use of digital means using computer, e.g. microprocessor
    • F02D41/28—Interface circuits
    • F02D2041/281—Interface circuits between sensors and control unit

Definitions

  • the invention relates to a method for protecting a Internal combustion engine before overpressure, the pressure in at least a cylinder of the internal combustion engine is measured. Furthermore, the invention relates to a device for performing of such a process.
  • the method serves to protect an internal combustion engine from Overpressure, the pressure in at least one cylinder of the Internal combustion engine is measured.
  • Procedures in which the Pressure measured in a cylinder are different Known purposes.
  • the measured pressure is at U.S. 4,397,285; U.S. 4,549,513; U.S. 4,846,128; US 4 063 238 and US 5 676 113 used the ignition timing to control the performance of the engine to increase.
  • US 5 284 114 US 4 706 628 and US 4,732,126 also discloses the location of the peak pressure to determine within the cylinder, and depending the ignition timing and fuel parameters regulate.
  • US 4,516,401 and US US 4,483,146 known, via a feedback of the cylinder pressure to control the compressor of turbocharger engines.
  • the method according to the invention is characterized in that that the fuel introduction and / or the fuel combustion deviating from those specified by the engine control Values is modified when the peak pressure in one Cylinder of the internal combustion engine a predetermined Threshold value is exceeded, the modification taking place in such a way that the peak pressure mentioned below is below a maximum value remains. Under the peak pressure, the during of the greatest internal cylinder pressure occurring during an engine cycle.
  • the procedure ensures that one for the Combustion engine maximum value to be regarded as load limit of the cylinder pressure is not exceeded by the Peak pressure continuously monitored in at least one cylinder and if the specified threshold value is exceeded by the peak pressure is the one specified by the engine control Suitable fuel introduction and / or fuel combustion Way is modified.
  • the threshold from which the The method being active is typically 5 to 20%, preferably approx. 10% below the maximum value of the Cylinder pressure.
  • the fuel introduction and / or the fuel combustion can be modified in particular by the fact that the Amount of fuel supplied to the internal combustion engine, the ignition point of the air-fuel mixture and / or the fuel injection time be modified.
  • About the above Control variables can specifically influence pressure development be taken in the cylinder space. For example, occurs with a decrease in the amount of fuel supplied a corresponding reduction in peak pressure in the corresponding Cylinder.
  • the fuel quantity is preferably only modified from a reduction in the calculated by the engine control, amount of fuel to be supplied. That means that the invention Proceed the "normally” from the engine control amount of fuel intended for supply decrease at best, but never increase. Such Reducing the amount of fuel is sufficient Purpose to limit the excess pressure in the cylinder space.
  • the pressure in only one cylinder of a multi-cylinder internal combustion engine measured and as representative of all cylinders of the engine accepted.
  • the pressure in several cylinders especially in each cylinder bank of the internal combustion engine and / or in each Cylinder of the internal combustion engine can be measured. hereby the accuracy and security of the protection increase further before overpressure.
  • the method can also be modified fuel introduction and / or fuel combustion differentiate between the cylinders.
  • sizes for each cylinder bank and / or for each cylinder of the internal combustion engine modified separately. To this In this way, critical pressures can be limited to certain cylinders can be targeted in these cylinders without the Performance of the cylinders not affected unnecessarily would be affected.
  • the Modified fuel introduction and / or fuel combustion so that the peak pressure in the cylinder is as close as possible to The maximum value is as long as it is not lower by the engine control Pressure values can be controlled.
  • the procedure only intervenes when the engine control system fuel introduction and / or fuel combustion is specified, which in the engine to a pressure leads that exceeds a predetermined threshold. With The threshold value according to the invention is exceeded The process is active and influences the introduction of fuel and / or fuel combustion in the sense of a reduction the pressure values. In order to do so from the engine control to come as close as possible to the desired conditions advantageously tried the peak pressure in the cylinder as close as possible to the maximum permissible limit of the maximum value to keep. However, as soon as the engine control is one Specifies fuel introduction and / or fuel combustion, which would lead to lower pressure values are immediately implemented these new guidelines.
  • the invention also relates to a device for carrying it out a method of the type discussed above, which a peak pressure regulator contains the input side with at least one arranged in a cylinder of the internal combustion engine Pressure sensor and on the output side with a control device for fuel introduction and / or fuel combustion connected is.
  • the peak pressure regulator is still like this set up that he fuel injection and / or Fuel combustion modified when the peak pressure in the Cylinder exceeds a predetermined threshold, where the modification is done so that the peak pressure in the cylinder remains below a maximum pressure.
  • the control system according to the invention is shown schematically in FIG shown for an internal combustion engine in which it both a gasoline engine and a diesel engine can act.
  • Diesel engines in particular benefit from this Method according to the invention, since they have larger pressure variations exposed within the cylinder and the maximum Peak pressures are far higher than with gasoline engines.
  • Figure 1 shows four arranged in a known manner one behind the other Cylinder 1 of an internal combustion engine.
  • a pressure sensor 3 is arranged, via which the in the cylinder prevailing pressure measured and to a peak pressure regulator C is reported.
  • Such peak pressure regulators C, C ', C '', C '' ' are provided separately for all cylinders of the engine.
  • the output of the controller C acts on actuators of the fuel injection system. This includes the injectors 2 and possibly also the fuel pump.
  • the main regulated variable is the amount of fuel F q injected for each cylinder. This variable can be controlled individually for each cylinder or for several or all cylinders together. Alternatively, the timing of the injection (F tim for a diesel engine) or the ignition timing advance control (for a gasoline engine) can be controlled instead of or together with the amount of fuel F q injected.
  • the sensors used by the control device can be any type of sensor which can give an indication of the pressure P cyl within some or all of the cylinders. These sensors are therefore referred to below as in-cylinder pressure sensors.
  • Typical sensors include direct in-cylinder pressure sensors such as piezoelectric or optical sensors that are mounted directly in the combustion chamber, or indirect in-cylinder pressure sensors such as piezoelectric sensors that are installed in a spark or glow plug, or accelerometers that are mounted outside the combustion chamber.
  • the output signals of the sensors can be converted into pressure signals in a known manner after appropriate preprocessing and calibration. The greater the accuracy of these pressure signals, the better the control according to the invention can be carried out, and the greater the benefit of the invention.
  • Table 1 shows which production tolerances can be compensated for depending on the sensor configuration selected. 1 sensor per ... Dead-spot Head gasket interspaces Injectors-characteristic Combustion chamber related casting / machining tolerances cylinder X X X X cylinder bank X X engine X
  • FIG. 3 shows a flow diagram of a possible control algorithm.
  • the engine control calculates a customary fuel supply strategy based on the accelerator pedal position 11 specified by the driver and other sensor signals 10. The result of this calculation is the quantity of fuel F q d to be injected into the cylinder.
  • the peak pressure P peak is detected by a peak pressure detector 13, which receives the data 12 of the internal cylinder pressure P cyl .
  • This peak pressure P peak is defined as the maximum pressure during an engine cycle. The determination takes place once per engine cycle.
  • the value P peak is temporarily stored in a buffer 14 until a new value overwrites it. This can be done once per cycle, once per cycle or with any other suitable sequence of steps depending on the configuration of the pressure sensors and the number of peak pressure regulators.
  • the peak pressure P peak is then passed to a summer, in which it is subtracted from the value of the maximum permissible pressure P max in the cylinder stored in block 15. The difference thus formed is fed to a P max follow-up controller 16.
  • the purpose of this regulator is to calculate the amount of fuel to be injected in such a way that the peak pressure P peak is regulated to the maximum permissible pressure P max .
  • this regulator is a proportional / integral (PI) or proportional / integral / differential (PID) regulator with an "anti-windup" characteristic, for a smooth transition from or to the original fuel supply strategy (blocks 18 and 19 ) to ensure.
  • the regulator should be calibrated to avoid any excess pressure.
  • the output of the regulator 16 consists of a value F q c for the introduction of fuel.
  • the peak pressure P peak is compared with a predetermined threshold pressure P th , which is selected a few bar below the maximum pressure P max . If the peak pressure remains below the threshold pressure, the original engine control strategy is not changed. This means that, according to block 20, the fuel quantity F is set equal to the fuel quantity F q d specified by the engine control. The motor works safely well below the maximum pressure P max , so that the pressure limiter can remain deactivated.
  • the branch condition could be with everyone other available and torque related Size can be evaluated instead of the amount of fuel.
  • the control strategy for peak pressure in the cylinder interior shown in FIG. 3 was tested on a conventional four-cylinder 2.0-liter diesel engine.
  • the maximum pressure P max was set in the controller to 120 bar and the threshold pressure P th to 10 bar below the maximum pressure (that is to say 110 bar).
  • the engine was initially operated with the peak pressure regulator switched off.
  • FIG. 4 shows the results of this comparison, the peak pressure P peak exceeding the limit value P max of 120 bar several times by more than 10 bar.
  • the top diagram of FIG. 4 shows the peak pressure in the interior of the cylinder on the vertical axis and the duration of the test on the horizontal axis. In comparison, the amount of fuel that is delivered to the cylinders is entered in the lower diagram on the same time axis.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren, mit welchen der Druck im Innenraum mindestens eines Zylinders (1) eines Verbrennungsmotors ständig überwacht wird. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwelldruckes Pth tritt ein Spitzendruckregler (C, C', C'', C''') in Aktion, welcher die Kraftstoffeinleitung und/oder die Kraftstoffverbrennung derartig modifiziert, dass ein zulässiger Maximaldruck Pmax nicht überschritten wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz eines Verbrennungsmotors vor Überdruck, wobei der Druck in mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors gemessen wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
In den vergangenen Jahren haben die zunehmenden Forderungen nach verbesserter Leistungsfähigkeit und besserer Kraftstoffausnutzung dazu geführt, dass die spezifische Leistung von Verbrennungsmotoren immer weiter zugenommen hat. Die spezifische Leistung ist definiert als das Verhältnis zwischen der Leistung und dem Gewicht des Verbrennungsmotors. Als Konsequenz aus dieser Zunahme sind die Drücke in den Zylindern enorm gestiegen und erreichen Werte, bei denen die mechanische Belastung die Grenzen des Materials erreicht. Es ist daher wichtig, die Verbrennungsmotoren so auszulegen, dass auch der im ungünstigsten Fall auftretende Druck innerhalb eines Zylinders in sicheren Grenzen bleibt.
Dies wird üblicherweise durch eine sorgfältige Kalibrierung der Strategie zur Kraftstoffversorgung erreicht. Solche herkömmlichen Steuerungsstrategien für den Spitzendruck müssen mit erheblichen Sicherheitsfaktoren angesetzt werden. Ein Grund hierfür liegt darin, dass die bei der Motorherstellung auftretenden Toleranzen zu erheblichen Streuungen führen, die zum Beispiel für Dieselmotoren einen Unterschied von 20 bar im maximalen Zylinderdruck bedeuten können. Typischerweise sind diese Variationen von Motor zu Motor das Ergebnis der folgenden Faktoren:
  • einem Fehler im oberen Totpunkt aufgrund einer ungenauen Anbringung des Schwungrades;
  • Kopfzwischenräume;
  • Toleranzen des Injektionssystems.
Die Druckdifferenz von Motor zu Motor von bis zu 20 bar hat verschiedene negative Konsequenzen. Für den Motorkonstrukteur, der die gewünschte Leistungsfähigkeit erreichen muss, macht die erforderliche 20 bar Spitzendruck-Sicherheitsgrenze die Verwendung von mehr Materialmasse oder von teureren Materialien notwendig, was die Stückkosten des Motors erhöht. Für den Verbraucher kann die 20 bar Differenz in großen Leistungsvariationen von Motor zu Motor resultieren, so dass einige Verbraucher Fahrzeuge erhalten, die sich im Vergleich zu ähnlichen Motoren als leistungsschwach erweisen.
Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Schutz eines Verbrennungsmotors vor Überdruck in den Zylindern bei verringerten Herstellungskosten sicherzustellen und gleichzeitig die Leistungsschwankungen zwischen gleichen Motoren zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Das Verfahren dient dem Schutz eines Verbrennungsmotors vor Überdruck, wobei der Druck in mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors gemessen wird. Verfahren, bei denen der Druck in einem Zylinder gemessen wird, sind für verschiedene Zwecke bekannt. So wird der gemessene Druck zum Beispiel bei der US 4 397 285, der US 4 549 513, der US 4 846 128, der US 4 063 238 und der US 5 676 113 dazu verwendet, den Zündzeitpunkt zu kontrollieren, um die Leistungsfähigkeit des Motors zu steigern. Aus der US 5 284 114, der US 4 706 628 und der US 4 732 126 ist es ferner bekannt, den Ort des Spitzendruckes innerhalb der Zylinder zu bestimmen, und in Abhängigkeit hiervon den Zündzeitpunkt und die Kraftstoffparameter zu regeln. Schließlich ist es aus der US 4 516 401 und der US 4 483 146 bekannt, über eine Rückkopplung des Zylinderdruckes den Kompressor von Turbolader-Motoren zu kontrollieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinleitung und/oder die Kraftstoffverbrennung abweichend von den von der Motorsteuerung vorgegebenen Werten modifiziert wird, wenn der Spitzendruck in einem Zylinder des Verbrennungsmotors einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, wobei die Modifikation so erfolgt, dass der genannte Spitzendruck nachfolgend unter einem Maximalwert bleibt. Unter dem Spitzendruck wird dabei der während eines Motortaktes auftretende größte Zylinderinnendruck verstanden.
Durch das Verfahren wird sichergestellt, dass ein für den Verbrennungsmotor als Belastungsgrenze anzusehender Maximalwert des Zylinderdruckes nicht überschritten wird, indem der Spitzendruck in mindestens einem Zylinder ständig überwacht und bei Überschreiten des vorgegebenen Schwellwertes durch den Spitzendruck die von der Motorsteuerung vorgegebene Kraftstoffeinleitung und/oder Kraftstoffverbrennung in geeigneter Weise modifiziert wird. Der Schwellwert, ab dem das Verfahren aktiv wird, liegt typischerweise 5 bis 20 %, vorzugsweise ca. 10% unter dem noch zulässigen Maximalwert des Zylinderinnendruckes.
Die Kraftstoffeinleitung und/oder die Kraftstoffverbrennung können insbesondere dadurch modifiziert werden, dass die dem Verbrennungsmotor zugeführte Kraftstoffmenge, der Zündzeitpunkt des Luft-Kraftstoff-Gemisches und/oder der Kraftstoffinjektionszeitpunkt modifiziert werden. Über die genannten Steuerungsgrößen kann gezielt Einfluss auf die Druckentwicklung im Zylinderraum genommen werden. So tritt zum Beispiel bei einer Verringerung der zugeführten Kraftstoffmenge eine entsprechende Minderung des Spitzendruckes im entsprechenden Zylinder ein.
Vorzugsweise besteht die Modifikation der Kraftstoffmenge nur aus einer Verringerung der von der Motorsteuerung berechneten, zuzuführenden Kraftstoffmenge. Das heißt, dass das erfindungsgemäße Verfahren die "normalerweise" von der Motorsteuerung für die Zuführung vorgesehene Kraftstoffmenge allenfalls verringern, niemals jedoch erhöhen kann. Eine solche Verringerung der Kraftstoffmenge genügt dem angestrebten Zweck, den Überdruck im Zylinderraum zu begrenzen.
In der einfachsten Variante des Verfahrens wird der Druck in nur einem Zylinder eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors gemessen und als stellvertretend für alle Zylinder des Motors angenommen. Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann jedoch auch der Druck in mehreren Zylindern, insbesondere in jeder Zylinderbank des Verbrennungsmotors und/oder in jedem Zylinder des Verbrennungsmotors gemessen werden. Hierdurch lässt sich die Genauigkeit und die Sicherheit des Schutzes vor Überdruck weiter erhöhen.
Des weiteren kann das Verfahren auch hinsichtlich der Modifikation der Kraftstoffeinleitung und/oder der Kraftstoffverbrennung zwischen den Zylindern differenzieren. Im einfachsten Fall wird die Kraftstoffeinleitung und/oder die Kraftstoffverbrennung für alle Zylinder des Motors in gleicher Weise modifiziert. Vorzugsweise werden die genannten Größen jedoch für jede Zylinderbank und/oder für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors separat modifiziert. Auf diese Weise können auf bestimmte Zylinder begrenzte kritische Drücke gezielt in diesen Zylindern bekämpft werden ohne dass die Leistungsfähigkeit der nicht betroffenen Zylinder unnötigerweise beeinträchtigt würde.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die Kraftstoffeinleitung und/oder Kraftstoffverbrennung so modifiziert, dass der Spitzendruck im Zylinder möglichst nahe am Maximalwert liegt, solange nicht von der Motorsteuerung niedrigere Druckwerte angesteuert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren greift grundsätzlich nur ein, wenn von der Motorsteuerung eine Kraftstoffeinleitung und/oder Kraftstoffverbrennung vorgegeben wird, welche im Motor zu einem Druck führt, die einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Mit Überschreiten des Schwellwertes wird das erfindungsgemäße Verfahren aktiv und beeinflusst die Kraftstoffeinleitung und/oder Kraftstoffverbrennung im Sinne einer Verminderung der Druckwerte. Um dabei dennoch den von der Motorsteuerung angestrebten Verhältnissen möglichst nahe zu kommen, wird vorteilhafterweise versucht, den Spitzendruck im Zylinder möglichst nahe an der maximal zulässigen Grenze des Maximalwertes zu halten. Sobald jedoch die Motorsteuerung eine Kraftstoffeinleitung und/oder Kraftstoffverbrennung vorgibt, welche zu niedrigeren Druckwerten führen würde, werden sofort diese neuen Vorgaben ausgeführt.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens der oben erläuterten Art, welche einen Spitzendruckregler enthält, der eingangsseitig mit mindestens einem in einem Zylinder des Verbrennungsmotors angeordneten Drucksensor und ausgangsseitig mit einer Steuerungsvorrichtung für die Kraftstoffeinleitung und/oder Kraftstoffverbrennung verbunden ist. Der Spitzendruckregler ist weiterhin so eingerichtet, dass er die Kraftstoffeinleitung und/oder Kraftstoffverbrennung modifiziert, wenn der Spitzendruck im Zylinder einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, wobei die Modifikation so erfolgt, dass der Spitzendruck im Zylinder unter einem Maximaldruck bleibt. Mit einer derartigen Vorrichtung lassen sich die oben erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielen.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
schematisch das erfindungsgemäße Verfahren an einem Vierzylindermotor;
Fig. 2a-f
sechs verschiedene Anordnungsmöglichkeiten für Sensoren und Regeleinrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 3
ein Flussdiagramm des Verfahrensablaufes;
Fig. 4
Kraftstofffluss und zugehörigen Druck im Zylinder beim Stand der Technik;
Fig. 5
Kraftstofffluss, zugehörigen Druck im Zylinder und Regelungsmodi bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Figur 1 ist schematisch das erfindungsgemäße Regelungssystem für eine Brennkraftmaschine dargestellt, bei der es sich sowohl um einen Ottomotor als auch einen Dieselmotor handeln kann. Insbesondere Dieselmotoren profitieren von dem erfindungsgemäßen Verfahren, da sie größeren Druckvariationen innerhalb des Zylinders ausgesetzt sind und die maximalen Spitzendrücke weit höher liegen als bei Benzinmotoren.
Figur 1 zeigt vier in bekannter Weise hintereinander angeordnete Zylinder 1 eines Verbrennungsmotors. In jedem Zylinder 1 ist ein Drucksensor 3 angeordnet, über welchen der in dem Zylinder herrschende Druck gemessen und an einen Spitzendruckregler C gemeldet wird. Derartige Spitzendruckregler C, C', C'', C''' sind für alle Zylinder des Motors separat vorgesehen.
Der Ausgang des Reglers C wirkt auf Aktuatoren des Kraftstoffeinspritzsystems ein. Hierzu zählen die Injektoren 2 und gegebenenfalls auch die Kraftstoffpumpe. Die hauptsächlich geregelte Variable ist die Menge des eingespritzten Kraftstoffes Fq für jeden Zylinder. Diese Variable kann für jeden Zylinder individuell oder für mehrere beziehungsweise für alle Zylinder gemeinsam geregelt werden. Alternativ kann auch die Zeitsteuerung der Injektion (Ftim für einen Dieselmotor) oder die Zündzeitpunktvorlaufsteuerung (für einen Ottomotor) anstelle oder zusammen mit der Menge des eingespritzten Kraftstoffes Fq gesteuert werden.
Die von der Regeleinrichtung verwendeten Sensoren können jede Art von Sensor sein, welcher eine Anzeige des Druckes Pcyl innerhalb einiger oder aller Zylinder geben kann. Diese Sensoren werden daher nachfolgend als Zylinderinnendrucksensoren bezeichnet. Zu typischen Sensoren gehören direkte Zylinderinnendrucksensoren wie zum Beispiel piezoelektrische oder optische Sensoren, die direkt in der Verbrennungskammer angebracht sind, oder indirekte Zylinderinnendrucksensoren wie piezoelektrische Sensoren, die in einer Zünd- oder Glühkerze angebracht sind, oder Beschleunigungsmesser, die außerhalb der Verbrennungskammer angebracht sind. Die Ausgangssignale der Sensoren können in bekannter Weise nach entsprechender Vorverarbeitung und Kalibrierung in Drucksignale umgewandelt werden. Je größer die Genauigkeit dieser Drucksignale ist, um so besser kann die erfindungsgemäße Regelung ausgeführt werden, und um so höher ist der Nutzen der Erfindung.
Während in Figur 1 ein System gezeigt ist, bei dem ein Zylinderinnendrucksensor 3 pro Zylinder und ein Spitzendruckregler C, C', C'', C''' pro Sensor vorhanden ist, kann die Erfindung auch auf Motoren angewendet werden, bei denen nicht alle Zylinder mit Sensoren ausgestattet sind. Zum Beispiel kann nur ein Zylinder pro Motor oder ein Zylinder pro Zylinderbank bei V-Motoren mit einem Sensor ausgestattet sein. Die verschiedenen Konfigurationsmöglichkeiten sind in Figur 2 dargestellt und umfassen folgende Varianten:
  • a) ein Sensor pro Zylinder 1, ein Regler pro Zylinder;
  • b) ein Sensor pro Zylinder, ein Regler pro Zylinderbank;
  • c) ein Sensor pro Zylinder, ein Regler pro Motor;
  • d) ein Sensor pro Bank, ein Regler pro Bank;
  • e) ein Sensor pro Bank, ein Regler pro Motor;
  • f) ein Sensor pro Motor, ein Regler pro Motor.
    • Dabei wird eine bessere Leistung erreicht, wenn ein Sensor in jedem Zylinder angebracht ist. Tabelle 1 zeigt, welche Produktionstoleranzen in Abhängigkeit von der gewählten Sensorkonfiguration kompensiert werden können.
    1 Sensor pro ... Totpunkt-Ort Kopfdichtungszwischenräume Injektoren-charakteristik Verbrennungskammer bezogene Giess- / Bearbeitungstoleranzen
    Zylinder X X X X
    Zylinderbank X X
    Motor X
    Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm eines möglichen Regelalgorithmus. In Block 17 wird von der Motorsteuerung aufgrund der vom Fahrer vorgegebenen Gaspedalstellung 11 sowie anderer Sensorsignale 10 eine übliche Kraftstoffzuführungsstrategie berechnet. Ergebnis dieser Berechnung ist die in den Zylinder zu injizierende Kraftstoffmenge Fq d.
    Parallel hierzu wird von einem Spitzendruckdetektor 13, welcher die Daten 12 des Zylinderinnendrucks Pcyl erhält, der Spitzendruck Ppeak detektiert. Dieser Spitzendruck Ppeak ist als maximaler Druck während eines Motortaktes definiert. Die Bestimmung geschieht einmal pro Motorzyklus. Der Wert Ppeak wird in einem Puffer 14 solange zwischengespeichert, bis ein neuer Wert ihn überschreibt. Dies kann einmal pro Zyklus, einmal pro Takt oder mit jeder anderen geeigneten Schrittfolge in Abhängigkeit von der Konfiguration der Drucksensoren und der Anzahl der Spitzendruckregler erfolgen.
    In einem ersten Zweig des Algorithmus wird der Spitzendruck Ppeak dann an einen Summierer geleitet, in welchem er von dem in Block 15 gespeicherten Wert des maximal zulässigen Drucks Pmax im Zylinder subtrahiert wird. Die so gebildete Differenz wird einem Pmax-Folgeregler 16 zugeleitet. Die Aufgabe dieses Reglers besteht darin, die zu injizierende Kraftstoffmenge derart zu berechnen, dass der Spitzendruck Ppeak auf den maximal zulässigen Druck Pmax geregelt wird. Typischerweise handelt es sich bei diesem Regler um einen Proportional/Integral (PI) oder Proportional/Integral/Differential (PID) Regler mit einer "Anti-Windup"-Eigenschaft, um einen sprunglosen Übergang von beziehungsweise zu der ursprünglichen Kraftstoffversorgungsstrategie (Blöcke 18 und 19) zu gewährleisten. Der Regler sollte so kalibriert sein, dass er jeglichen Drucküberschuss vermeidet. Die Ausgabe des Reglers 16 besteht aus einem Wert Fq c für die Kraftstoffeinleitung.
    Im Block 18 wird der Spitzendruck Ppeak mit einem vorgegebenen Schwelldruck Pth verglichen, welcher einige bar unterhalb des Maximaldruckes Pmax gewählt wird. Wenn der Spitzendruck unter dem Schwelldruck bleibt, wird die ursprüngliche Motorsteuerungsstrategie nicht verändert. Das heißt, dass gemäß Block 20 die Kraftstoffmenge F gleich der von der Motorsteuerung vorgegebenen Kraftstoffmenge Fq d gesetzt wird. Der Motor arbeitet dabei sicher weit unterhalb des Maximaldruckes Pmax, so dass der Druckbegrenzer deaktiviert bleiben kann.
    Wenn der Spitzendruck Ppeak den vorgegebenen Schwelldruck Pth in Block 18 dagegen überschreitet, nähert sich der Motor dem Maximaldruck Pmax an. Gemäß Block 19 können daraufhin verschiedene Maßnahmen ergriffen werden. Der Grund, warum Ppeak mit Pth und nicht direkt mit Pmax verglichen wird, besteht darin, dass dem Spitzendruckregler erlaubt werden soll, seine Regelungsaktionen voraus zu planen und dementsprechend die Drucküberschüsse zu unterdrücken, welche andernfalls bei den großen Zeitverzögerungen in dem System unvermeidbar sein würden.
    Im bereits erwähnten Block 19 wird die Größe des von der Motorsteuerung vorgegebenen Kraftstoffflusses Fq d mit dem vom Folgeregler 16 vorgegebenen Kraftstofffluss Fq c verglichen. Wenn Ppeak in die Nähe von Pmax kommt (das heißt Ppeak > Pth) und Fq d > Eq c ist, ist ein Schutz vor einem Überdruck notwendig, und der Motor wird gemäß Block 21 mit einer Kraftstoffmenge F betrieben, die gleich der vom Pmax-Folgeregler berechneten Menge Fq c ist. Falls der Fahrer jedoch bremst, fällt Fq d unterhalb von Fq c ab, und der Fahrer erlangt die volle Kontrolle zurück (Block 20: F = Fq d). Hierbei handelt es sich um ein Sicherheitskriterium, da die Menge des injizierten Kraftstoffes niemals die Kraftstoffmenge der ursprünglichen Kraftstoffzuführungsstrategie überschreiten kann. Mit anderen Worten hat der Fahrer immer die Kontrolle über die maximale Kraftstoffzufuhr.
    In Block 19 könnte die Verzweigungsbedingung auch mit jeder anderen verfügbaren und mit dem Drehmoment in Beziehung stehenden Größe anstelle der Kraftstoffmenge ausgewertet werden.
    Die in Figur 3 dargestellte Regelungsstrategie für den Spitzendruck im Zylinderinnenraum wurde an einem herkömmlichen Vierzylinder 2.0-Liter Dieselmotor getestet. Der Maximaldruck Pmax wurde im Regler auf 120 bar und der Schwelldruck Pth auf 10 bar unterhalb des Maximaldruckes (das heißt auf 110 bar) gesetzt. Zu Vergleichszwecken wurde der Motor zunächst bei ausgeschaltetem Spitzendruckregler betrieben.
    Figur 4 zeigt die Ergebnisse dieses Vergleiches, wobei der Spitzendruck Ppeak mehrere Male um mehr als 10 bar den Grenzwert Pmax von 120 bar übersteigt. Im oberen Diagramm von Figur 4 sind der Spitzendruck im Zylinderinnenraum auf der vertikalen Achse und die Zeitdauer des Versuches auf der horizontalen Achse eingetragen. Im unteren Diagramm ist im Vergleich hierzu auf derselben Zeitachse die Kraftstoffmenge, die an die Zylinder abgegeben wird, eingetragen.
    In Figur 5 sind die Ergebnisse dargestellt, wenn der Spitzendruckregler eingeschaltet ist und dasselbe Fahrverhalten (dieselben Gaspedalpositionen) auf den Motor angewendet wird. Der im obersten Diagramm dargestellte Spitzendruck Ppeak des Zylinderinnendrucks überschreitet zu keinem Zeitpunkt den Grenzwert Pmax von 120 bar.
    Die durch den Spitzendruckregler vorgenommene Begrenzung der Kraftstoffeinleitung gegenüber der von der Motorsteuerung verfolgten Strategie (vgl. Figur 4 unten) ist aus dem mittleren Diagramm von Figur 5 erkennbar. Ferner ist erkennbar, dass der Spitzendruckregler deaktiviert wird, sobald die Kraftstoffanforderung des Fahrers der vom Spitzendruckregler vorgegebenen Kraftstoffmenge gleich wird. Aufgrund der "Anti-Windup" Eigenschaft wird der vom Spitzendruckregler vorgegebene Kraftstoffmengenwert niemals kleiner als die ursprünglich vorgeschlagene Kraftstoffmenge. Das unterste Diagramm von Figur 5 zeigt auf derselben Zeitachse wie die beiden oberen Diagramme den Modus (0 = ursprüngliche Motorsteuerung oder 1 = Spitzendruckregelung), in welchem die Kraftstoffversorgung gerade betrieben wird.

    Claims (7)

    1. Verfahren zum Schutz eines Verbrennungsmotors vor Überdruck, wobei der Druck (Pcyl) in mindestens einem Zylinder (1) des Verbrennungsmotors gemessen wird,
      dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Spitzendruck (Ppeak) im Zylinderinnenraum einen vorgegebenen Schwellwert (Pth) überschreitet, die Kraftstoffeinleitung und/oder die Kraftstoffverbrennung so modifiziert wird, dass der Spitzendruck nachfolgend unter einem Maximalwert (Pmax) bleibt.
    2. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführte Kraftstoffmenge, der Zündzeitpunkt und/oder der Kraftstoffinjektionszeitpunkt modifiziert werden.
    3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikation der zugeführten Kraftstoffmenge nur aus einer Verringerung der von der Motorsteuerung berechneten zuzuführenden Kraftstoffmenge (Fq d) besteht.
    4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
      dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in jeder Zylinderbank und/oder in jedem Zylinder (1) des Verbrennungsmotors gemessen wird.
    5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinleitung und/oder die Kraftstoffverbrennung in jeder Zylinderbank und/oder jedem Zylinder des Verbrennungsmotors separat modifiziert wird.
    6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinleitung und/oder die Kraftstoffverbrennung so modifiziert werden, dass der Spitzendruck im Zylinder (1) möglichst nahe am Maximalwert (Pmax) liegt, solange nicht von der Motorsteuerung niedrigere Druckwerte angesteuert werden.
    7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, enthaltend einen Spitzendruckregler (C, C', C'', C'''), der eingangsseitig mit mindestens einem in einem Zylinder (1) des Verbrennungsmotors angeordneten Drucksensor (3) und ausgangsseitig mit einer Steuerungsvorrichtung (2) für die Kraftstoffeinleitung und/oder Kraftstoffverbrennung verbunden ist, und welcher so eingerichtet ist, dass er die Kraftstoffeinleitung und/oder die Kraftstoffverbrennung modifiziert, wenn der Spitzendruck (Ppeak) in einem Zylinderinnenraum einen vorgegebenen Schwellwert (Pth) überschreitet, so dass der Spitzendruck unter einem Maximalwert (Pmax) bleibt.
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