DE10038565A1 - Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffversorgungssystems und Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem mit wenigstens einer erstem Pumpe (2) Kraftstoff in einen ersten Druckbereich (5) befördert wird, bei dem mit wenigstens einer zweiten, elektrisch betriebenen Pumpe (6) der Kraftstoff aus dem ersten Druckbereich (5) in einen zweiten Druckbereich (8) mit wenigstens einem Druckspeicher (9) befördert wird, bei dem mit Einspritzventilen (11) der Kraftstoff aus dem zweiten Druckbereich (8, 9) direkt in einen Brennraum (12) eingespritzt wird, wobei die zweite Pumpe (6) in ihrer Drehzahl angesteuert und geregelt (19, 20, 21) wird.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffversorgungssystems für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem Kraftstoff von einer Pumpe in einen Druckspeicher gepumpt und von Einspritzventilen direkt in die Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit einem Druckspeicher und einer Pumpe, mit der dem Druckspeicher Kraftstoff zuführbar ist, und mit Einspritzventilen, mit denen Kraftstoff direkt in die Brennkraftmaschine einspritzbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs sowie ein Speichermedium für ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs.

An eine Brennkraftmaschine beispielsweise eines Kraftfahrzeugs werden immer höhere Anforderungen im Hinblick auf eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der erzeugten Abgase bei einer gleichzeitig erwünschten erhöhten Leistung gestellt. Zu diesem Zweck sind moderne Brennkraftmaschinen mit einem Kraftstoffversorgungssystem versehen bei dem die Zuführung von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine elektronisch, insbesondere mit einem rechnergestützten Steuergerät, gesteuert und/oder geregelt wird.

Bei der sogenannten Benzindirekteinspritzung (BDE) ist es erforderlich, dass der Kraftstoff unter Druck in den Brennraum eingespritzt wird. Zu diesem Zweck ist ein Druckspeicher vorgesehen, in den der Kraftstoff mittels einer Pumpe gepumpt und unter einen hohen Druck gesetzt wird. Von dort wird der Kraftstoff dann über Einspritzventile direkt in die Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt.

Aus der DE 195 48 278 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit Hochdruckeinspritzung insbesondere für Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung bekannt. Hierbei wird von einer Vorförderpumpe Kraftstoff in einen Niederdruckbereich befördert und von einer Hochdruckpumpe in einen Hochdruckbereich, einem sogenannten Common-Rail, befördert. Die Vorförderpumpe befördert den Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratsbehälter, dem Tank, in einen Niederdruckbereich und ist als Elektrokraftstoffpumpe ausgeführt. Parallel zur Elektrokraftstoffpumpe ist ein Druckbegrenzungsventil angeordnet, das bei Überschreitung eines bestimmten Druckes Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich zurück in den Tank des Kraftfahrzeugs leitet. Im Hochdruckbereich ist ein Drucksensor angeordnet, der den Druck im Common-Rail erfasst. Weiterhin ist zwischen dem Hochdruckbereich und dem Tank des Kraftfahrzeugs ein Druckregelventil angeordnet, welches in Abhängigkeit von einem Ansteuerstrom ab einem bestimmten einstellbaren Druck Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich zurück in den Tank leitet. Es ist vorgesehen, dass die Elektrokraftstoffpumpe entsprechend eines Ansteuersignals in der Drehzahl geregelt wird, um die Fördermenge an den aktuellen Bedarf des Motors anzupassen. Bei Systemfehlern kann das Druckregelventil als Notventil zum schnellen Absenken des Druckes im Common-Rail verwendet werden.

Die DE 198 53 823 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem der Kraftstoff von einer ersten, üblicherweise elektromotorisch angetriebenen Kraftstoffpumpe und von einer zweiten, üblicherweise mechanischen Hochdruckpumpe in einen Druckspeicher der Brennkraftmaschine gefördert wird. Die geförderte Kraftstoffmenge ist hierbei durch eine entsprechende Beeinflussung der elektromotorisch angetriebenen ersten Kraftstoffpumpe veränderbar. Auf diese Weise wird dem Druckspeicher die jeweils erforderliche Kraftstoffmenge zugeführt. Die Fördermenge der ersten Kraftstoffpumpe wird in Abhängigkeit von der einzuspritzenden Kraftstoffmenge und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder der Temperatur der angesaugten Luft und/oder der Batteriespannung über ein Kennfeld gesteuert. Um Toleranzen der verschiedenen Kraftstoffpumpen wie auch altersbedingte Veränderungen abzugleichen, wird die Möglichkeit offenbart, das Kennfeld bei jedem Startvorgang der Brennkraftmaschine abzugleichen. Zum Abgleich wird beispielsweise der Ist-Wert des Drucks im Druckspeicher gemessen und mit einem Soll-Wert des Drucks in dem Druckspeicher in Abhängigkeit von der erforderlichen Kraftstoffmenge verglichen. In Abhängigkeit des Vergleichs des bestimmten Ist-Wertes und des Soll-Wertes des Drucks im Druckspeicher wird das Kennfeld abgeglichen. Der Druck im Druckspeicher wird mit einem im Hochdruckkreis angeordneten Drucksensor erfasst. Zur Steuerung des Drucks im Hochdruckspeicher ist im Hochdruckspeicher ein zurück in den Tank des Kraftfahrzeugs befördert. Das Drucksteuerventil kann über ein Eingangssignal geöffnet und geschlossen werden. Es ist weiterhin ein elektronisches Steuergerät vorgesehen, an das das Ausgangssignal des Drucksensors angeschlossen ist und das die Eingangssignale für die erste Kraftstoffpumpe und für das Drucksteuerventil erzeugt. Durch diese Maßnahme kann von dem elektronischen Steuergerät Einfluss auf die Fördermenge der ersten Kraftstoffpumpe sowie auf den Druck im Hochdruckbereich durch das Drucksteuerventil genommen werden.

Aus der noch nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 199 03 272.6-13 ist ein Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem Kraftstoff mittels einer Pumpe in einen Druckspeicher gepumpt und von Einspritzventilen direkt in die Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Es werden die Möglichkeiten offenbart, die Pumpe mechanisch, also durch starre Kopplung an die Brennkraftmaschine, anzutreiben oder die Pumpe als eine elektrische Pumpe auszuführen. Das Gesamtsystem entsprechend der noch nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 199 03 272.6-13 weist eine Elektrokraftstoffpumpe auf, die Kraftstoff aus einem Tank in einen Niederdruckbereich befördert. Von diesem Niederdruckbereich ausgehend wird der Kraftstoff mittels der Hochdruckpumpe in einen Druckbereich bzw. ein Common-Rail befördert. Von diesem Druckbereich ausgehend wird der Kraftstoff mittels Einspritzventilen direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Im Hochdruckbereich des Systems sind zudem ein Drucksensor und ein Drucksteuerventil angeordnet. Sowohl die elektrische Hochdruckpumpe als auch der Drucksensor, die Einspritzventile und das Drucksteuerventil sind mit einem Steuergerät verbunden, das u. a. aufgrund der von dem Drucksensor gelieferten Daten wenigstens die Ansteuerung der elektrischen Hochdruckpumpe, der Einspritzventile und des Drucksteuerventils vornimmt. Zur Steuerung der geförderten Kraftstoffmenge wird die Möglichkeit offenbart, die Drehzahl der Elektrokraftstoffpumpe entsprechend der benötigten Förderleistung zu regeln. Die Ansteuerung des Drucksteuerventils erfolgt mit unterschiedlichen für sich jeweils konstanten Taktverhältnissen, die entsprechend des Betriebszustandes, beispielsweise Start- oder Normalbetrieb ausgewählt werden. Die Besonderheit der noch nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 199 03 272.6-13 ist darin zu sehen, dass die Hochdruckpumpe derart ausgebildet und dimensioniert ist, dass innerhalb einer geringen Zeitdauer, speziell innerhalb von wenigen Umdrehungen der Brennkraftmaschine bereits der für die Einspritzung von Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine ausreichende Druck in dem Druckspeicher vorhanden ist.

Vorteile der Erfindung

Ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffversorgungssystems für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem mit wenigstens einer ersten Pumpe Kraftstoff in einen ersten Druckbereich befördert wird, bei dem mit wenigstens einer zweiten, elektrisch betriebenen Pumpe der Kraftstoff aus dem ersten Druckbereich in einen zweiten Druckbereich mit wenigstens einem Druckspeicher befördert wird, bei dem mit Einspritzventilen der Kraftstoff aus dem zweiten Druckbereich direkt in einen Brennraum eingespritzt wird, ist gegenüber dem Stand der Technik dadurch weitergebildet, dass die zweite Pumpe in ihrer Drehzahl angesteuert und/oder geregelt wird. Dieses erfindungsgemäße Verfahren bietet den großen Vorteil, dass die zweite Pumpe besser an den aktuellen Kraftstoffbedarf der Brennkraftmaschine angepasst werden kann. Unter Berücksichtigung des Energiebedarfs einer Hochdruckpumpe lässt sich durch die erfindungsgemäße Drehzahlregelung der zweiten Pumpe eine Kraftstoffeinsparung gegenüber einem System entsprechend dem Stand der Technik erreichen. Ein solches bedarfsgesteuertes Pumpensystem kann gegenüber dem Stand der Technik Kraftstoff in der Größenordnung von ungefähr 1-2% einsparen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass eine vom Motor benötigte Kraftstoffmenge bestimmt wird und dass wenigstens aus dieser vom Motor benötigten Kraftstoffmenge eine Soll-Drehzahl für die zweite Pumpe bestimmt wird. Hierbei wird die Bestimmung der benötigten Kraftstoffmenge vorteilhafter Weise durch Summenbildung einer applizierbaren Überströmmenge eines Druckreglers im zweiten Druckbereich und einer für die Einspritzung erforderlichen Kraftstoffmenge durchgeführt. Mit anderen Worten, die benötigte Kraftstoffmenge setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: Dies ist zum Einen die für die Einspritzung bzw. die Verbrennung im Brennraum erforderliche Kraftstoffmenge und zum Anderen eine für die ordnungsgemäße Funktion des Druckreglers im zweiten Druckbereich erforderliche Überströmmenge, die über den Druckregler beispielsweise zurück in den Tank oder in den Druckbereich vor die Hochdruckpumpe abfließt. Zur Bestimmung der applizierbaren Überströmmenge des Druckreglers im zweiten Druckbereich kann vorteilhafter Weise ein Festwert appliziert oder ein veränderbarer Wert aus einem betriebspunktabhängigen Kennfeld entnommen werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass zur Berücksichtigung von System- und/oder Komponententoleranzen ein zusätzlicher applizierbarer Offsetwert zur benötigten Kraftstoffmenge hinzuaddiert wird. Hierdurch ergibt sich die benötigte Kraftstoffmenge aus nunmehr drei Komponenten. Die genannten System- und/oder Komponententoleranzen sind in erster Linie fertigungs- und alterungsbedingte Toleranzen des Druckreglers und der elektrisch angetriebenen zweiten Pumpe, aber auch Toleranzen der übrigen Komponenten. Durch diese Maßnahme wird ein gewisser Sicherheitsfaktor geschaffen, der sicherstellt, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch dann noch zuverlässig arbeitet, wenn System- und/oder Komponententoleranzen auftreten.

Vorteilhafter Weise wird die bestimmte Soll-Drehzahl für die zweite Pumpe an eine Drehzahlregeleinrichtung zur Ansteuerung der zweiten Pumpe übertragen und zyklisch aktualisiert. Wie oft die zyklische Aktualisierung durchgeführt wird, hängt hierbei von der Taktfrequenz und der Kapazität der Bestimmungseinheit ab, die die Soll- Drehzahl für die zweite Pumpe bestimmt. Es ist von Vorteil, dass die Bestimmungseinheit bei der Bestimmung der Soll- Drehzahl für die zweite Pumpe die Soll-Drehzahl wenigstens in Abhängigkeit von einer die Änderungsgeschwindigkeit der Motorlast repräsentierenden Größe korrigiert. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird in besonders vorteilhafter Weise auf einen Lastsprung reagiert. Hierdurch wird vermieden, dass es zu unzulässigen Veränderungen des Drucks im Druckspeicher des zweiten Druckbereichs kommt. Praktisch kann die Berücksichtigung der Änderungsgeschwindigkeit der Motorlast durch ein Differenzglied erfolgen. Ein zusätzlicher vorteilhafter Einfluss auf die bestimmte Soll- Drehzahl ergibt sich, wenn in der Bestimmungseinheit für die Soll-Drehzahl die Soll-Drehzahl wenigstens in Abhängigkeit von einer betriebspunktabhängigen Dynamikreserve korrigiert wird. Eine solche betriebspunktabhängige Dynamikreserve hat gegenüber der zuvor genannten Reaktion auf den Lastsprung den Vorteil, dass gegebenenfalls bereits vor einem Lastsprung eine Korrektur der Soll-Drehzahl durchgeführt wird. Die betriebspunktabhängige Dynamikreserve kann hierbei vorteilhafter Weise einem Kennfeld entnommen werden. Praktisch kann sich die betriebspunktabhängige Dynamikreserve in einen Faktor und eine Konstante aufteilen, beispielsweise eine Erhöhung um 10% und/oder eine zusätzliche Förderung von 10 Litern pro Minute.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zur Bestimmung der Soll-Drehzahl der zweiten (elektrischen) Pumpe die Soll- Drehzahl einem über den Druck des zweiten Druckbereichs parametrierten Kennfeld aus Pumpendrehzahl der zweiten Pumpe und Kraftstofffördermenge der zweiten Pumpe entnommen wird oder aus physikalischen Grundgleichungen der zweiten Pumpe bestimmt wird. Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es besonders vorteilhaft möglich, die Soll-Drehzahl der zweiten Pumpe so festzulegen, dass nahezu exakt die vom Motor benötigte Kraftstoffmenge gefördert wird.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die erste Pumpe derart angesteuert und/oder geregelt wird, dass wenigstens die vom Motor benötigte Kraftstoffmenge in den ersten Druckbereich befördert wird. Diese Maßnahme stellt somit eine Vorsteuerung dar.

Ein Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit wenigstens einem Brennraum mit wenigstens einer ersten Pumpe, mittels der Kraftstoff in einen ersten Druckbereich beförderbar ist, mit wenigstens einer zweiten Pumpe, mittels der der Kraftstoff aus dem ersten Druckbereich in einen zweiten Druckbereich beförderbar ist, mit wenigstens einem Druckspeicher im zweiten Druckbereich, mit Einspritzventilen, mittels derer der Kraftstoff aus dem zweiten Druckbereich direkt in den Brennraum einspritzbar ist, mit wenigstens einem druckregelnden und/oder steuernden Mittel, das im zweiten Druckbereich angeordnet ist, wobei die zweite Pumpe als eine elektrische Pumpe ausgeführt ist, ist gegenüber dem Stand der Technik dadurch weitergebildet, dass eine Drehzahlregeleinrichtung zur Ansteuerung der zweiten Pumpe vorgesehen ist und dass ein Steuergerät für die Ansteuerung und/oder Regelung der Drehzahlregeleinrichtung vorgesehen ist. Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Drehzahlregelung der zweiten Pumpe, die als eine elektrische Pumpe ausgeführt ist, besteht die Möglichkeit, das Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine bedarfsgesteuert zu betreiben. Dies bedeutet, dass im Idealfall die Drehzahl der zweiten Pumpe derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass immer nur die für die Brennkraftmaschine erforderliche Kraftstoffmenge gefördert wird. Hierdurch lässt sich der Kraftstoffverbrauch des Gesamtsystems bzw. der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs merklich absenken, da insbesondere die zweite Pumpe einen hohen Bedarf an elektrischer Energie aufweist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ergibt sich dadurch, dass das Steuergerät ein Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine ist. Somit kann auf ein separates Steuergerät für die Ansteuerung und/oder Regelung der Drehzahl verzichtet werden und diese Aufgabe kann vom Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine mit übernommen werden. Die Kommunikation zwischen der Drehzahlregeleinrichtung und dem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine kann beispielsweise über eine direkte Verbindung oder auch über eine indirekte Verbindung, beispielsweise ein Fahrzeug-Bus-System (z. B. CAN-Bus) geschehen.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung ergibt sich dadurch, dass die zweite Pumpe baulich getrennt von dem den Brennraum umschließenden Motorblock angeordnet ist. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme ergeben sich mehr Freiheitsgrade beim Packaging im Motorraum. Die Anordnung der Komponenten im Motorraum wird unabhängiger voneinander und, was von ganz besonderem Vorteil ist, es findet eine thermische Entkoppelung zwischen dem den Brennraum umschließenden Motorblock und dem Kraftstoffversorgungssystem statt. Hierdurch ergeben sich insbesondere in Heißstartsituationen Vorteile, da sich durch die thermische Entkoppelung des Kraftstoffversorgungssystems vom den Brennraum umschließenden Motorblock keine weitere Aufheizung des Kraftstoffs (der sich beispielsweise im Pumpenbereich befindet) nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs im heißen Zustand ergibt.

Vorzugsweise ist das den Druck regelnde und/oder steuernde Mittel ein Druckregler (DR) und/oder ein Druckbegrenzungsventil (DBV) und/oder ein Drucksteuerventil (DSV) und/oder ein Mengensteuerventil (MSV). Insbesondere in Kombination mit einem im zweiten Druckbereich, also dem Hochdruckbereich, angeordneten Drucksensor bildet das den Druck regelnde und/oder steuernde Mittel in Kombination mit der Drehzahlregeleinrichtung für die zweite Pumpe ein System, das entscheidend zur Kraftstoffeinsparung des Gesamtsystems, also der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs insgesamt, beiträgt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Kraftstoffversorgungssystems sieht vor, dass dem Brennraum wenigstens eine Zündvorrichtung (Zündkerze) zugeordnet ist, mittels derer der Kraftstoff in dem Brennraum entzündbar ist und dass der Kraftstoff in dem Brennraum wenigstens in einer ersten Betriebsart während einer Verdichtungsphase und in einer zweiten Betriebsart während einer Ansaugphase einspritzbar ist. Durch diese erfindungsgemäßen Weiterbildungsmerkmale ergibt sich ein Kraftstoffversorgungssystem, das in besonders vorteilhafter Weise bedarfsgesteuert betrieben werden kann. Durch diese Auslegung ergibt sich ein besonders hohes Einsparpotential an Kraftstoff, insbesondere in der ersten Betriebsart, dem sogenannten Schichtbetrieb.

Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Form eines Steuergeräts für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Dabei ist auf einem Speichermedium für das Steuergerät der Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs ein Programm abgespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor im Steuergerät laufend die Ausführung der Schritte des Verfahrens zum Betrieb eines Kraftstoffversorgungssystems für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs bewirkt. In diesem Fall wird also die Erfindung durch ein auf dem Speichermedium abgespeichertes Programm realisiert, so dass dieses mit dem Programm versehene Speichermedium in gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das Programm geeignet ist. Als Speichermedium kann insbesondere ein elektrisches Speichermedium zur Anwendung kommen, beispielsweise ein Read-Only-Memory (ROM) oder ein EPROM.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Im Bereich eines Kraftstoffvorratsbehälters 1 bzw. dem Tank des Kraftfahrzeugs ist eine erste Pumpe 2 angeordnet, die in der Regel als Elektrokraftstoffpumpe ausgeführt ist. Die Elektrokraftstoffpumpe 2 ist über eine Steuerleitung 4 mit dem Motorsteuergerät 3 verbunden. Über die Steuerleitung 4 kann das Motorsteuergerät 3 beispielsweise Einfluss auf die Drehzahl und somit auf die Fördermenge der Elektrokraftstoffpumpe 2 nehmen. Die Elektrokraftstoffpumpe 2 befördert den Kraftstoff aus dem Tank 1 über eine erste Druckleitung 5 zu einer zweiten Pumpe 6. Die zweite Pumpe 6, die als eine elektrisch angetriebene Hochdruckpumpe ausgeführt ist, ist über eine Steuerleitung 7 mit dem Motorsteuergerät 3 verbunden. Die elektrische Hochdruckpumpe 6 befördert den Kraftstoff über eine zweite Druckleitung 8 in einen Druckspeicher 9, ein sogenanntes Common-Rail. Vom Common-Rail 9 ausgehend gelangt der unter hohen Druck gesetzte Kraftstoff über Druckleitungen 10 zu Einspritzventilen 11 (auch Injektoren genannt), mittels derer der Kraftstoff direkt in einen Brennraum 12 einspritzbar ist. Zur Ansteuerung der Einspritzventile 11 sind diese jeweils über eine Ansteuerleitung 13 mit dem Motorsteuergerät 3 verbunden. Zur Erfassung bzw. Messung des Drucks im Common-Rail 9 ist ein Drucksensor 14 im zweiten Druckbereich angeordnet, der ein einen Druck im Common-Rail 9 repräsentierendes Signal über die Signalleitung 15 an das Motorsteuergerät 3 überträgt. Weiterhin ist im Bereich des Common-Rails 9 ein einen Druck regelndes und/oder steuerndes Mittel 16 angeordnet. Hierbei kann es sich um einen Druckregler und/oder ein Druckbegrenzungsventil und/oder ein Drucksteuerventil und/oder ein Mengensteuerventil handeln. Der von dem Druckregelmittel 16 abfließende Kraftstoff gelangt über eine Kraftstoffleitung 18 zurück in den ersten Druckbereich 5. Das Druckregelmittel 16 ist über eine Steuerleitung 17 mit dem Motorsteuergerät 3 verbunden. Für den Fall, dass es sich bei dem Druckregelmittel 16 um einen mechanischen Druckregler handelt, bei dem der Regelungsmechanismus durch eine mechanische Feder realisiert ist, kann die Steuerleitung 17 entfallen. In den anderen Fällen, in denen das Ventil 16 elektrisch ansteuerbar ist, kann das Motorsteuergerät 3 über die Steuerleitung 17 Einfluss auf die Parameter des Ventils 16 nehmen. Dies kann beispielsweise die Einstellung eines vorbestimmten Druckniveaus im Common-Rail 9 sein, ab dessen Überschreitung der Überdruck, der im Common-Rail entstehen würde, dadurch abgebaut wird, dass Kraftstoff über das Ventil 16 zurück in den ersten Druckbereich abfließt (Überströmung).

Der Kern des erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems ist eine Drehzahlregeleinrichtung 19 zur Ansteuerung der elektrischen Hochdruckpumpe 6. Hierzu ist die Drehzahlregeleinrichtung 19 mit einer Steuerleitung 20 mit dem Motorsteuergerät 3 verbunden. Entsprechend der Vorgaben/Ansteuersignale des Motorsteuergeräts 3, die über die Steuerleitung 20 an die Drehzahlregeleinrichtung 19 übertragen werden, wird eine entsprechende Ansteuerung der elektrischn Hochdruckpumpe 6 über die Leitung 21 vorgenommen.

Bei der elektrisch angetriebenen Hochdruckpumpe 6 kann es sich beispielsweise um einen elektrischen Asynchronmotor handeln, der mit einer mechanischen Pumpe gekoppelt ist. Es liegt weiterhin im Rahmen des erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems, dass die Hochdruckpumpeneinheit 6 baulich getrennt von dem den Brennraum umschließenden Motorblock 23 angeordnet ist. Durch diese Anordnung ergeben sich thermische Vorteile, insbesondere in Heißstartsituationen, sowie Vorteile in Bezug auf die Flexibilität beim Einbau des Systems in den Motorraum eine Kraftfahrzeugs (besseres Packaging möglich).

Das in den bisherigen Ausführungen als Motorsteuergerät 3 bezeichnete Steuergerät kann selbstverständlich im allgemeinen Fall ein spezielles Steuergerät sein, das ausschließlich die Ansteuerung der Komponenten des Kraftstoffversorgungssystems als Aufgabe hat. In diesem Fall kann das Steuergerät 3 auch zusammen mit der Drehzahlregeleinrichtung 19 und der Hochdruckpumpe 6 zu einer einzigen baulichen Einheit zusammengefasst werden. Die Zusammenfassung dieser Komponenten zu einer einzigen Steuer-, Regel- und Pumpeneinheit bietet insbesondere Vorteile beim Packaging im Motorraum und bringt für den Kfz- Hersteller den Vorteil, ein bestehendes Motorenkonzept besonders leicht und flexibel mit einem neuen Hochdruck- Kraftstoffversorgungssystem auszustatten.

Für den Fall, dass es sich bei dem Steuergerät 3 um das zentrale Motorsteuergerät des Kraftfahrzeugs handelt, sind diverse weitere Signalleitungen 22 angedeutet, die der Wahrnehmung der weiteren Funktionen des Motorsteuergeräts dienen.

Innerhalb des Steuergerätes 3 befindet sich erfindungsgemäß ein Speichermedium, auf dem ein Programm abgespeichert ist, das die Ausführung der bisher geschilderten Funktionen so wie der Funktionen des erfindungsgemäßen Verfahrens, das im Weiteren im Rahmen der Fig. 2 eingehender erläutert wird, ermöglicht.

Von besonderer Bedeutung ist das erfindungsgemäße Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine, die nach dem Prinzip der Benzindirekteinspritzung (BDE-System) arbeitet. Bei einem solchen System ist jedem Brennraum wenigstens eine Zündkerze zugeordnet, mittels derer der Kraftstoff in dem Brennraum entzündbar ist. Die Zündkerzen, von denen wenigstens eine pro Brennraum/Zylinder der Brennkraftmaschine angeordnet ist, sind in der Darstellung nach Fig. 1 nicht gezeigt. Weiterhin bieten solche Systeme die Möglichkeit, den Kraftstoff wenigstens in einer ersten Betriebsart während einer Verdichtungsphase und in einer zweiten Betriebsart während einer Ansaugphase einzuspritzen. Die zweite Betriebsart, während derer in die Einsaugphase des jeweiligen Brennraums eingespritzt wird, entspricht näherungsweise der homogenen Luft-Gas-Mischung, die im Rahmen der konventionellen (nicht direkten) Einspritzung in den Brennraum gelangt. Die erste Betriebsart, während derer in die Verdichtungsphase des Brennraums eingespritzt wird, wird auch als Schichtbetrieb bzw. Schichtladung bezeichnet. Der Schichtbetrieb bietet sich insbesondere dann an, wenn keine hohen Leistungsanforderungen an die Brennkraftmaschine gestellt werden. In diesem Fall weist die Brennkraftmaschine in der Regel einen geringeren Kraftstoffbedarf auf als im homogenen Betrieb. Das erfindungsgemäße Kraftstoffversorgungssystem ist insbesondere während des Schichtbetriebs hervorragend dazu geeignet, die Brennkraftmaschine bedarfsgesteuert mit dem notwendigen Kraftstoff zu versorgen. Dies bedeutet, dass insbesondere während des Schichtbetriebes sowohl die Drehzahl der Vorförderpumpe 2 als auch die Drehzahl der Hochdruckpumpe 6 reduziert werden kann, was zu einem deutlich verringerten Energiebedarf der Pumpen 2 und/oder 6 führt. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass während des Betriebs mit verringerter Drehzahl der Pumpen 2 und/oder 6 die Belastung für die jeweilige Pumpe nicht so hoch ist wie bei maximaler Drehzahl und somit von einer längeren Lebensdauer der Pumpen 2 und/oder 6 ausgegangen werden kann.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Kraftstoffversorgungssystems für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Das Verfahren dient der Drehzahlsteuerung und/oder -regelung einer elektrisch angetriebenen Hochdruckpumpe entsprechend dem Kraftstoffversorgungssystem mit der entsprechenden Hochdruckpumpe 6 nach Fig. 1.

Das Verfahren startet in einem Schritt 101 damit, dass die Menge des für die Einspritzung erforderlichen Kraftstoffs bestimmt wird. In der Regel kann davon ausgegangen werden, dass diese Daten bereits im Motorsteuergerät 3 vorliegen, da diese Daten auch benötigt werden, um die Einspritzzeitpunkte und die Einspritzdauer der Injektoren 11 zu steuern. Nachdem die Menge an Kraftstoff für die Einspritzung bestimmt worden ist, geht das Verfahren zu einem Schritt 102 über, indem eine applizierbare Überströmmenge für das den Druck regelnde und/oder steuernde Mittel 16 bestimmt wird. Unabhängig davon, ob es sich bei dem den Druck regelnden und/oder steuernden Mittel um einen (mechanischen) Druckregler, ein Druckbegrenzungsventil, ein Drucksteuerventil oder ein Mengensteuerventil handelt, ist in der Regel eine bestimmte Überströmmenge erforderlich, um eine ordnungsgemäße Funktion des den Druck regelnden und/oder steuernden Mittels zu gewährleisten.

Die applizierbare Überströmmenge des Druckreglers 16 kann als ein Festwert appliziert werden; es besteht erfindungsgemäß jedoch auch die Möglichkeit, die dem jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine entsprechende Überströmmenge des Druckreglers 16 aus einem betriebspunktabhängigen Kennfeld zu entnehmen. Ein solches betriebspunktabhängiges Kennfeld kann beispielsweise im Speicher des Motorsteuergeräts 3 abgelegt sein. Je nach verwendetem Typ von Druckregler 16 kann die eine oder die andere Variante zur Bestimmung der applizierbaren Überströmmenge sinnvoll sein. Die entsprechende Auswahl wird hierbei dem Fachmann überlassen.

Nachdem in Schritt 102 des Verfahrens die applizierbare Überströmmenge des Druckreglers 16 bestimmt worden ist, geht das Verfahren zu einem Schritt 103 über, in dem zur Berücksichtigung von System- und/oder Komponententoleranzen ein applizierbarer Offsetwert bestimmt wird. Dies ist insbesondere mit Blick auf den Druckregler 16 und die elektrische Hochdruckpumpe 6 von Bedeutung, da diese Komponenten herstellungs- und/oder alterungsbedingte Komponententoleranzen aufweisen. Auch hier besteht die Möglichkeit, wie schon im Schritt 102 bei der Bestimmung der applizierbaren Überströmmenge, den Offsetwert zur Berücksichtigung von System- und/oder Komponententoleranzen als einen konstanten Wert festzulegen oder einen betriebspunktabhängigen Offsetwert aus einem Kennfeld zu entnehmen, das wiederum im Motorsteuergerät 3 abgelegt sein kann.

In Schritt 104 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nunmehr die vom Motor benötigte Kraftstoffmenge durch Summenbildung der in den Schritten 101, 102 und 103 ermittelten Kraftstoffmengenanteile bestimmt. Es liegt hierbei weiter im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass beispielsweise die Schritte 102 und 103 zu einem einzigen konstanten Wert und/oder einem konstanten Faktor zusammengefasst werden können und sich somit die vom Motor benötigte Kraftstoffmenge aus der Summe des in Schritt 101 bestimmten Kraftstoffs für die Einspritzung und der entsprechenden Konstanten und/oder aus der Multiplikation der in Schritt 101 ermittelten Kraftstoffmenge mit dem entsprechenden Faktor ergibt.

Um aus der vom Motor benötigten Kraftstoffmenge zu einer Soll-Drehzahl für die elektrische Hochdruckpumpe 6 zu gelangen, wird in Schritt 105 einem über den Druck des zweiten Druckbereichs 8 parametrierten Kennfeld aus Pumpendrehzahl der zweiten Pumpe 6 und Kraftstofffördermenge der zweiten Pumpe 6 die Soll-Drehzahl der zweiten Pumpe 6 entnommen. Die hierzu notwendige Kennlinienschar kann ebenfalls im Motorsteuergerät 3 abgelegt sein. Alternativ ist es möglich, die Soll-Drehzahl aus physikalischen Grundgleichungen der zweiten Pumpe 6 zu bestimmen.

Die auf diesem Weg in Schritt 105 bestimmte Soll-Drehzahl der zweiten Pumpe 6 wird in Schritt 108 von dem Motorsteuergerät 3 über die Steuerleitung 2 an die Drehzahlregeleinrichtung 19 übertragen, die entsprechend des Ansteuersignals über die Steuerleitung 21 die entsprechende Soll-Drehzahl für die Hochdruckpumpe 6 einregelt/angesteuert. Im Anschluss an diesen Schritt 108 beginnt das Verfahren zyklisch erneut bei Schritt 101. Der direkte Übergang von Schritt 105 zu Schritt 108 ist in der Fig. 2 durch die gestrichelte Linie angedeutet.

Alternativ zu dem direkten Übergang von Schritt 105 zu Schritt 108 des Verfahrens kann entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Schritten 106 und 107 jeweils eine Korrektur des zuvor bestimmten Soll-Drehzahl- Wertes für die zweite Pumpe 6 vorgenommen werden. Hierbei wird in Schritt 106 die bestimmte Soll-Drehzahl in Abhängigkeit von einer die Änderungsgeschwindigkeit der Motorlast repräsentierenden Größe korrigiert. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme kann die Soll-Drehzahl in Reaktion auf einen Lastsprung besonders vorteilhaft angepasst werden. Praktisch kann die die Änderungsgeschwindigkeit der Motorlast repräsentierende Größe aus einer Differenzierung der Lastanforderung gewonnen werden. Hierzu kann beispielsweise innerhalb des Steuergeräts 3 ein entsprechendes Differenzierglied vorgesehen sein.

Im Anschluss an die in Schritt 106 erfolgte erste Korrektur der in Schritt 105 bestimmten Soll-Drehzahl für die elektrische Hochdruckpumpe 6 wird in Schritt 107 eine zweite Korrektur des bestimmten Drehzahl-Sollwertes durchgeführt. Hierbei wird in Schritt 107 die bestimmte Soll-Drehzahl in Abhängigkeit von einer betriebspunktabhängigen Dynamikreserve korrigiert. Die in Schritt 107 durchgeführte Korrektur kann beispielsweise aus einem Faktor und/oder einer zusätzlichen Konstante bestehen, die einem betriebspunktabhängigen Kennfeld entnommen werden können, das im Motorsteuergerät 3 abgelegt ist. Praktisch ergibt sich beispielsweise ein Faktor von 10% und/oder eine Konstante von 10 Litern.

Im Anschluss an die in Schritt 107 durchgeführte zweite Korrektur der Soll-Drehzahl der elektrischen Hochdruckpumpe 6 wird zum Schritt 108 übergegangen, indem, wie zuvor schon erläutert, die Soll-Drehzahl an die Drehzahlregeleinrichtung 19 übertragen wird. Von hier aus schreitet das Verfahren zyklisch mit Schritt 101 fort.

Es liegt weiterhin im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass die in den Schritten 106 und 107 durchgeführten Korrekturen zu einem einzigen empirisch ermittelten Korrekturfaktor und/oder einer einzigen empirisch ermittelten Korrekturkonstante zusammengefasst werden und das Verfahren entsprechend vereinfacht/beschleunigt wird.

Neben der Bestimmung der Soll-Drehzahl für die elektrisch Hochdruckpumpe 6 wird vom Motorsteuergerät 3 die Elektrokraftstoffpumpe 2 über eine Steuerleitung 4 angesteuert. Die Ansteuerung der Elektrokraftstoffpumpe 2 erfolgt derart, dass die erste Pumpe 2 derart angesteuert und/oder geregelt wird, dass wenigstens die vom Motor benötigte Kraftstoffmenge in den ersten Druckbereich 5 befördert wird. Mit anderen Worten: Es wird nur so viel Kraftstoff von der Elektrokraftstoffpumpe gefördert, wie auch wirklich vom Motor benötigt wird.

Als dritte Komponente, auf die das Motorsteuergerät 3 im Zusammenhang mit dem Kraftstoffversorgungssystem Einfluss nimmt, wird entsprechend der in Schritt 102 des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmten applizierbaren Überströmmenge über die Steuerleitung 17 das Druckregelmittel 16 angesteuert, um die entsprechende Überströmmenge einzustellen.

Insgesamt ergibt sich somit ein bedarfsgesteuertes Kraftstoffversorgungssystem, das in idealer Weise an die vom Motor benötigte Kraftstoffmenge angepasst ist und bezüglich Energiebedarf, Lebensdauer, Geräuschentwicklung und damit verbundener Emissionen deutliche Vorteile gegenüber den Systemen des Standes der Technik aufweist.

Claims (19)

1. Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffversorgungssystems für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs,
bei dem mit wenigstens einer ersten Pumpe (2) Kraftstoff in einen ersten Druckbereich (5) befördert wird,
bei dem mit wenigstens einer zweiten, elektrisch betriebenen Pumpe (6) der Kraftstoff aus dem ersten Druckbereich (5) in einen zweiten Druckbereich (8) mit wenigstens einem Druckspeicher (9) befördert wird,
bei dem mit Einspritzventilen (11) der Kraftstoff aus dem zweiten Druckbereich (8, 9) direkt in einen Brennraum (12) eingespritzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Pumpe (6) in Ihrer Drehzahl angesteuert und/oder geregelt (19, 20, 21) wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Motor benötigte Kraftstoffmenge bestimmt wird und dass wenigstens aus dieser vom Motor benötigten Kraftstoffmenge eine Solldrehzahl für die zweite Pumpe bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der benötigten Kraftstoffmenge wenigstens durch Summenbildung (104) einer applizierbaren Überströmmenge (102) eines Druckreglers im zweiten Druckbereich und einer für die Einspritzung erforderlichen Kraftstoffmenge (101) erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die applizierbare Überströmmenge (102) des Druckreglers im zweiten Druckbereich als ein Festwert appliziert oder einem betriebspunktabhängigen Kennfeld entnommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich, zur Berücksichtigung von System- und/oder Komponententoleranzen, ein applizierbarer Offsetwert (103) zur benötigten Kraftstoffmenge hinzuaddiert (104) wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Solldrehzahl für die zweite Pumpe an eine Drehzahlregeleinrichtung (19) zur Ansteuerung (21) der zweiten Pumpe (6) übertragen (108) und zyklisch aktualisiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Solldrehzahl wenigstens in Abhängigkeit von einer die Änderungsgeschwindigkeit der Motorlast repräsentierenden Größe korrigiert (106) wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Solldrehzahl wenigstens in Abhängigkeit von einer betriebspunktabhängigen Dynamikreserve korrigiert (107) wird.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Solldrehzahl der zweiten Pumpe (6) die Solldrehzahl
einem über den Druck des zweiten Druckbereichs parametrierten Kennfeld aus Pumpendrehzahl der zweiten Pumpe und Kraftstoffördermenge der zweiten Pumpe entnommen wird (105) oder
aus physikalischen Grundgleichungen der zweiten Pumpe bestimmt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pumpe (2) derart angesteuert und/oder geregelt wird, dass wenigstens die vom Motor benötigte Kraftstoffmenge in den ersten Druckbereich (5) befördert wird.

11. Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs,
mit wenigstens einem Brennraum (12),
mit wenigstens einer ersten Pumpe (2) mittels der Kraftstoff in einen ersten Druckbereich (5) beförderbar ist,
mit wenigstens einer zweiten Pumpe (6) mittels der der Kraftstoff aus dem ersten Druckbereich (5) in einen zweiten Druckbereich (8) beförderbar ist,
mit wenigstens einem Druckspeicher (9) im zweiten Druckbereich (8),
mit Einspritzventilen (11) mittels derer der Kraftstoff aus dem zweiten Druckbereich (8, 9) direkt in den Brennraum (12) einspritzbar ist,
mit wenigstens einem einen Druck regelnden und/oder steuernden Mittel (16), das im zweiten Druckbereich (8, 9) angeordnet ist,
wobei die zweite Pumpe (6) als eine elektrische Pumpe ausgeführt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Drehzahlregeleinrichtung (19) zur Ansteuerung (21) der zweiten Pumpe (6) vorgesehen ist, und
dass ein Steuergerät (3) für die Ansteuerung (20) und/oder Regelung der Drehzahlregeleinrichtung (19) vorgesehen ist.

12. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (3) ein Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine ist.

13. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Pumpe (6) baulich getrennt vom den Brennraum umschließenden Motorblock (23) angeordnet ist.

14. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das den Druck regelnde und/oder steuernde Mittel (16) ein Druckregler und/oder ein Druckbegrenzungsventil und/oder ein Drucksteuerventil und/oder ein Mengensteuerventil ist.

15. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennraum (12) wenigstens eine Zündvorrichtung zugeordnet ist, mittels derer der Kraftstoff in dem Brennraum (12) entzündbar ist.

16. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff in den Brennraum (12) wenigstens in einer ersten Betriebsart während einer Verdichtungsphase und in einer zweiten Betriebsart während einer Ansaugphase einspritzbar ist.

17. Steuergerät für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Durchführung der Schritte des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche von 1 bis 10 vorhanden sind.

18. Speichermedium für ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, auf dem ein Programm abgespeichert ist, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor im Steuergerät, laufend die Ausführung der Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche von 1 bis 10 bewirkt.

19. Vorrichtung zum Betrieb eines Kraftstoffversorgungssystems für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs,
mit wenigstens einer ersten Pumpe (2), um Kraftstoff in einen ersten Druckbereich (5) zu befördern,
mit wenigstens einer zweiten elektrisch betriebenen Pumpe (6), um den Kraftstoff aus dem ersten Druckbereich (5) in einen zweiten Druckbereich (8) mit wenigstens einem Druckspeicher (9) zu befördern,
mit Einspritzventilen (11), um den Kraftstoff aus dem zweiten Druckbereich (8, 9) direkt in einen Brennraum (12) einzuspritzen,
dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (19, 20, 21) vorhanden sind, um die zweite Pumpe (6) in Ihrer Drehzahl anzusteuern und/oder zu regeln.