DE10042356A1 - Verfahren zur Verkürzung der Startzeit bei Brennkraftmaschinen mit Speichereinspritzsystem - Google Patents

Verfahren zur Verkürzung der Startzeit bei Brennkraftmaschinen mit Speichereinspritzsystem

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Verkürzung der Startzeit bei Brennkraftmaschinen mit Speichereinspritzsystem wird der Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher (20) des Kraftstoffversorgungssystems während des Startvorganges auf einen maximalen Wert eingestellt, indem das Druckregelventil (24) geschlossen wird, sobald das Ansteuern eines Starterrelais (LV_RLY_ST = 1) zum Betätigen des elektrischen Starters der Brennkraftmaschine erkannt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verkürzung der Startzeit bei Brennkraftmaschinen mit Speichereispritzsystem gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.
Bei der Kraftstoffversorgung von Brennkraftmaschinen werden zunehmend Speichereinspritzsysteme eingesetzt, bei denen mit sehr hohen Einspritzdrücken gearbeitet wird. Derartige Spei­ chereinspritzsysteme sind als sog. Common-Rail-Einspritz­ systeme (für Dieselmotoren) und als sog. HPDI-Einspritzsys­ teme ("High Pressure Direct Injection"; für Ottomotoren) be­ kannt. Gemeinsames Merkmal dieser Einspritzsysteme ist ein alle Brennräume versorgender gemeinsamer Kraftstoffdruckspei­ cher, der über eine Hochdruckpumpe mit Kraftstoff beauf­ schlagt wird, und von dem aus die Injektoren oder Einspritz­ ventile an den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine versorgt werden. Das Öffnen und Schließen der Einspritzventi­ le wird in der Regel elektromagnetisch, in neueren Anwendun­ gen aber auch auf piezoelektrischem Wege, gesteuert. Die ein­ gespritzte Kraftstoffmenge ist proportional zur Öffnungsdauer des Einspritzventils und dem System- oder Einspritzdruck im gemeinsamen Druckspeicher, der über einen Drucksensor am Druckspeicher gemessen wird.
Für den Start als auch für den laufenden Betrieb einer derart ausgerüsteten Brennkraftmaschine ist jeweils ein bestimmtes Druckniveau im Kraftstoffspeicher notwendig. Insbesondere zum Starten der Brennkraftmaschine ist ein bestimmter Mindest­ druck im Kraftstoffspeicher erforderlich, so dass hier ein möglichst schneller Druckaufbau wünschenswert ist.
Bei bekannten Speichereinspritzsystemen versorgt eine Nieder­ druckkraftstoffpumpe die Einlassseite einer Hochdruckpumpe mit einem Basisvordruck. Typischerweise wird diese Nieder­ druckpumpe elektrisch betrieben und ist mit einem mechanisch wirkenden Druckregelventil versehen, das eine Rückführleitung zum Kraftstofftank aufweist. Von der kontinuierlich fördern­ den Kraftstoffhochdruckpumpe, beispielsweise einer mechanisch angetriebenen Radialkolbenpumpe, wird der Kraftstoffspeicher mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagt. Die­ ser wird über die Einspritzventile in die Brennräume einge­ bracht.
Der Druck im Kraftstoffspeicher kann bei Verwendung einer Konstantstromhochdruckpumpe beispielsweise mittels eines Druckregelventils, eines sogenannten Kraftstoffdruckregula­ tors, auf einen gewünschten Wert eingeregelt werden. Dieses Kraftstoffdruckregelventil ist über eine zusätzliche Leitung mit der Niederdruckseite des Systems oder mit dem Kraftstoff­ tank verbunden und lässt überschüssigen Kraftstoff in den Tank zurückfließen, sobald es über ein Steuersignal geöffnet wird. Er ist typischerweise als elektrohydraulisches Ventil ausgebildet und bezieht sein Steuersignal über ein in einer Steuereinheit aufbereitetes Messsignal eines Drucksensors, der sich am Kraftstoffspeicher befindet.
Bei Verwendung einer volumenstromgesteuerten Hochdruckpumpe kann dieses Ventil entfallen, da hier der Druck im Kraft­ stoffspeicher permanent gemessen wird und in Abhängigkeit vom gewünschten Druckniveau ein Volumenstromsteuerventil in der Zuleitung von der Hochdruckpumpe zum Kraftstoffspeicher öff­ net und überschüssigen Kraftstoff zum Niederdruckteil der Kraftstoffversorgung bzw. zum Tank zurückfließen lässt.
Bei diesen bekannten Systemen wird ein schneller Druckaufbau im Kraftstoffspeicher erzielt, indem die Information "Brenn­ kraftmaschine läuft" zum Schließen des Druckregelventils bzw. zum Schließen des Volumenstromsteuerventils verwendet wird. Diese Information wird nach erfolgter Synchronisation mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gebildet.
Ziel der Erfindung ist es, beim Starten einer Brennkraftma­ schine einen möglichst schnellen Druckaufbau im Kraftstoff­ speicher zu erreichen.
Dieses Ziel der Erfindung wird durch die Merkmale des unab­ hängigen Anspruchs erreicht. Ein Vorteil der Erfindung be­ steht darin, dass die erste verfügbare Information für das Starten der Brennkraftmaschine verwendet werden kann, um ei­ nen schnellen Druckaufbau im Kraftstoffspeicher sicherzustel­ len. Sobald ein elektronisches Starterrelais betätigt ist und die Motorsteuerung die Entscheidung eines Hochdruckstarts vorgenommen hat, wird der jeweilige Aktuator (Druckregelven­ til oder Volumenstromsteuerventil) so angesteuert, dass ein schneller Druckaufbau erfolgen kann. Durch die Hochdruck­ kraftstoffpumpe wird nun Kraftstoff in den Kraftstoffspeicher gefördert, wodurch ein schneller Druckaufbau sichergestellt ist. Zur Ansteuerung des Druckregelventils wird die Informa­ tion "Starter-Relais betätigt" zusätzlich zur logischen Vari­ able "Hochdruckstart gefordert" benutzt.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläu­ tert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Kraftstoffsystems mit kontinuierlich fördernder Hochdruckpumpe,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Kraftstoffdruckregel­ ventils und
Fig. 3 eine beispielhafte Startstrategie einer Brennkraft­ maschine mit Druckregelventil im Kraftstoffsystem.
In der Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines Kraftstoffver­ sorgungssystems einer diesel- oder benzinbetriebenen Brenn­ kraftmaschine dargestellt, bei dem eine Niederdruckpumpe 8 ü­ ber eine Leitung 4 Kraftstoff von einem Tank 2 in Richtung einer Hochdruckpumpe 16 fördert. Am Förderausgang der Nieder­ druckpumpe 8 befindet sich ein Überdruckventil 10, ein sog. Regulator oder Druckregelventil, das ggf. überschüssigen Kraftstoff über ein Rücklaufleitung 6 zum Tank 2 zurückflie­ ßen lässt. Der Förderausgang 12 der Niederdruckpumpe 8 ist mit einer Zuleitung 14 zur Hochdruckpumpe 16 verbunden, deren Förderausgang 18 zum Kraftstoffspeicher 20, dem sog. Rail bzw. Common-Rail, führt. Vom Kraftstoffspeicher 20 führen je­ weils Leitungen zu den Injektoren 30, die mechanisch, elekt­ romagnetisch oder bspw. auf piezoelektrischem Wege angesteu­ ert sind und die für eine zeitgenaue Einspritzung des Kraft­ stoffs in die Brennräume der Brennkraftmaschine sorgen.
Vom Kraftstoffspeicher 20 führt weiterhin eine Leitung 22 zu einem Druckregelventil 24, im dargestellten Ausführungsbei­ spiel ein lineares elektrohydraulisches Ventil, das seine Steuersignale von einer zentralen Steuereinheit 32 erhält. Diese zentrale Steuereinheit 32 ist wiederum mit einem Druck­ sensor 28 verbunden, der den Kraftstoffdruck im Kraftstoff­ speicher 20 permanent aufnimmt und seine elektrischen Signale an die Steuereinheit 32 liefert. Das Druckregelventil 24 ist mit wenigstens einem Kraftstoffabfluss 26 versehen, der mit der Zulaufleitung 14 zur Hochdruckpumpe 16 bzw. mit der Zu­ leitung 12 von der Niederdruckpumpe 8 verbunden ist. Dadurch kann bei Ansteuerung des Stellelementes des Druckregelventils 24, beispielsweise einer elektromagnetischen Spule, über­ schüssiger Kraftstoff vom Kraftstoffspeicher 20 zur Nieder­ druckseite des Systems abfließen, wodurch sich der Druck im Kraftstoffspeicher bei Bedarf rasch erniedrigt. Die Ablauf­ leitung 26 vom Druckregelventil 24 kann in einer Variante e­ benso direkt zum Tank 2 zurückführen, was allerdings den Nachteil hat, dass die Niederdruckpumpe 8 insgesamt ein grö­ ßeres Kraftstoffvolumen fördern muss. Bei einem solchen System fördert die Hochdruckpumpe 16 permanent Kraftstoff mit konstantem Volumenstrom in den Kraftstoffspeicher 20, wogegen bei einem volumenstromgesteuerten System die Ausgangsseite der Hochdruckpumpe über ein von der zentralen Steuereinheit angesteuerten Volumenstromsteuerventil mit der Niederdruck­ seite des hydraulischen Systems verbunden ist.
In Fig. 2 ist ein schematischer Aufbau eines beispielhaften Druckregelventils 24 dargestellt, wobei gleiche Teile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Sobald ein Steuersignal von der zentralen Steuereinheit 32 für das An­ steuern der elektrischen Spule 24.1 sorgt, öffnet ein Ventil­ sitz 24.2, der mit einem Kolben 24.3 mit dem Schaltelement der Spule 24.1 verbunden ist. Durch die Öffnung des Ventil­ sitzes 24.2 ist eine Verbindung hergestellt zwischen der Lei­ tung 22 vom Kraftstoffspeicher 20 und der Ablaufleitung 26 zur Niederdruckseite des Systems, die mit der Zuführleitung 14 zur Hochdruckpumpe 16 in Verbindung steht. Im dargestell­ ten Ausführungsbeispiel ist das Druckregelventil 24 mit zwei Abläufen 26.1, 26.2 versehen. Das Druckregelventil 24 kann je nach Spulenspannung kontinuierlich von geschlossenem in einen voll geöffneten Zustand gesteuert werden, wodurch eine schnelle und präzise Druckregelung im Kraftstoffspeicher 20 ermöglicht ist.
In einem Zeitdiagramm der Fig. 3 ist eine beispielhafte Startstrategie des Kraftstoffversorgungssystems mit Druckre­ gelventil entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 verdeutlicht. Auf der horizontalen Achse des Di­ agrammes ist die Zeit t qualitativ aufgetragen; dargestellt ist der Ausschnitt während des Startvorganges von t0 (Brenn­ kraftmaschine im Ruhezustand) über das Zeitintervall t1 < t < t3 (Brennkraftmaschine wird gestartet) bis zur Zeit t < t3 (Brennkraftmaschine läuft). Auf der vertikalen Achse des Di­ agrammes ist der prozentuale Ansteuerungsgrad der elektromag­ netischen Spule 24.1 des Druckregelventils 24 in Prozent von der maximalen Ansteuerspannung FPAPWMmax aufgetragen. Diese Ansteuerspannung FPAPWM ist ein pulsweitenmoduliertes Span­ nungssignal.
Unterhalb des Diagrammes sind in horizontaler Richtung, d. h. mit der gleichen Zeitachse t, mehrere logische Signale aufge­ tragen, welche jeweils die Werte 0 oder 1 annehmen können. So zeigt das Signal LV_ES = 0 an, dass die Brennkraftmaschine läuft; bei einem Wert LV_ES = 1 befindet sich die Brennkraft­ maschine demzufolge im Ruhezustand. Das logische Signal LV_RLY_ST zeigt den Status des Starterrelais an, wobei der Wert LV_RLY_ST = 1 ein angesteuertes Starterrelais anzeigt. Das dritte logische Signal LV_ST_H_PRS zeigt an, ob ein Hoch­ druckstart gefordert ist (LV_ST_H_PRS = 1) oder nicht (LV_ST_H_PRS = 0).
Im folgenden wird ein Startvorgang anhand des Diagramms dar­ gestellt. Bei einem Signal FPAPWM = 70% ist das Druckregel­ ventil 24 als vollständig geschlossen anzusehen; die Verbin­ dung zwischen dem Kraftstoffzufluss 22 vom Kraftstoffspeicher 20 und den Kraftstoffabflüssen 26.1, 26.2 ist bei geschlosse­ nem Ventilsitz 24.2 unterbrochen. In diesem geschlossenen Zu­ stand kann somit der Druck im Kraftstoffspeicher 20 schnell aufgebaut werden. Da jedoch die Spule 24.1 im Druckregelven­ til 24 für eine dauerhafte Beaufschlagung mit diesem Span­ nungsniveau aufgrund des dadurch recht hohen Stromflusses nicht ausgelegt ist, darf dieses Tastverhältnis der pulswei­ tenmodulierten Spannung FPAPWM nicht unmittelbar nach Anlegen der Batteriespannung an der Motorsteuerung (der zentralen Steuereinheit 32) anliegen, beispielsweise wenn die Klemme 15 die volle Bordnetzspannung führt, ohne dass sogleich die Brennkraftmaschine durch Betätigen des elektrischen Starters gestartet werden soll.
Sobald zum Zeitpunkt t = t1 der Fahrer den Starterknopf betä­ tigt, wonach von der zentralen Steuereinheit 32 bzw. der Mo­ torsteuerung das Ansteuern des Starterrelais erkannt wird (LV_RLY_ST = 1) und ein Hochdruckstart gefordert ist (LW_ST_H_PRS = 1), wird ohne nennenswerte Zeitverzögerung die Spule 24.1 des Druckregelventils 24 mit der maximal zulässi­ gen pulsweitenmodulierten Spannung beaufschlagt (FPAPWM = 70%). Bisher bekannte Schaltstrategien ließen das Druckregel­ ventil 24 erst dann schließen, wenn zum Zeitpunkt t = t2 der Lauf der Brennkraftmaschine erkannt wurde (LV_ES = 0). Gegen­ über dieser Strategie entsteht mit dem vorliegend beschriebe­ nen Verfahren ein Zeitgewinn Δt = t2 - t1, was einen signifi­ kant schnelleren Druckaufbau im Kraftstoffspeicher beim Star­ ten der Brennkraftmaschine bedeutet. Ab dem Zeitpunkt t = t3 wenn der Starterknopf nicht mehr betätigt ist, kann die Druckregelung im Kraftstoffspeicher 20 wieder je nach Bedarf von der zentralen Steuereinheit 32 erfolgen, was im Diagramm durch den Abfall der Spannung FPAPWM auf einen Wert von < 30% verdeutlicht wird.
Das dargestellte Verfahren ist nicht beschränkt auf Kraft­ stoffsysteme mit kontinuierlich fördernder Hochdruckpumpe und Druckregelventil am Ausgang des Kraftstoffspeichers, sondern kann ebenso Anwendung finden bei Systemen mit volumenstromge­ steuerter Hochdruckpumpe. Statt des Druckregelventils wird in diesem Fall das Volumenstromsteuerventil unmittelbar nach dem Ansteuern des Starterrelais (LV_RLY_ST = 1) geschlossen, so dass der gesamte von der Hochdruckpumpe geförderte Kraft­ stoffstrom zum schnellen Druckaufbau in den Kraftstoffspei­ cher geleitet wird und kein Abfluss zum Niederdruckteil des Systems erfolgt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Verkürzung der Startzeit bei Brennkraftma­ schinen mit Speichereinspritzsystem, wobei der Kraftstoff­ druck in einem Kraftstoffspeicher (20) eines Kraftstoffver­ sorgungssystems während des Startvorganges der Brennkraftma­ schine auf einen maximalen Wert eingestellt wird,
wobei dem Kraftstoffspeicher (20) über eine Zuführeinrichtung (8, 16) Kraftstoff zugeführt wird,
wobei der Druck im Kraftstoffspeicher (20) bestimmt wird, und
wobei über ein Druckregelventil (24) Kraftstoff vom Kraft­ stoffspeicher (20) abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckregelventil (24) geschlossen wird, sobald das An­ steuern eines Starterrelais (LV_RLY_ST = 1) zum Betätigen des elektrischen Starters der Brennkraftmaschine erkannt wird.
2. Verfahren zur Verkürzung der Startzeit bei Brennkraftma­ schinen mit Speichereinspritzsystem, wobei der Kraftstoff­ druck in einem Kraftstoffspeicher (20) eines Kraftstoffver­ sorgungssystems während des Startvorganges der Brennkraftma­ schine auf einen maximalen Wert eingestellt wird,
wobei dem Kraftstoffspeicher (20) über eine Zuführeinrichtung (8, 16) Kraftstoff zugeführt wird,
wobei der Druck im Kraftstoffspeicher (20) bestimmt wird, und
wobei über ein Druckregelventil die Kraftstoffzufuhr von der Zuführeinrichtung (8, 16) zum Kraftstoffspeicher (20) gesteu­ ert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckregelventil geschlossen wird, sobald das Ansteuern eines Starterrelais (LV_RLY_ST = 1) zum Betätigen des elekt­ rischen Starters der Brennkraftmaschine erkannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei eingeschalteter Zündung und gewünschtem Hochdruckstart der Brennkraftmaschine (LV_ST_H_PRS = 1) das Druckregelventil (24) über ein Steuersignal von der zentralen Steuereinheit (32) geschlossen wird, sobald das Ansteuern des Starterrelais (LV_RLY_ST = 1) zum Betätigen des elektrischen Starters der Brennkraftmaschine erkannt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei eingeschalteter Zündung und gewünschtem Hochdruckstart der Brennkraftmaschine (LV_ST_H_PRS = 1) das Druckregelventil über ein Steuersignal von der zentralen Steuereinheit (32) geschlossen wird, sobald das Ansteuern des Starterrelais (LV_RLY_ST = 1) zum Betätigen des elektrischen Starters der Brennkraftmaschine erkannt wird.
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