DE10046588B4

DE10046588B4 - Einspritzanlage und zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE10046588B4
Application number: DE2000146588
Authority: DE
Inventors: Gerhard Eser; Michael Dr. Henn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2020-09-21
Also published as: DE10046588A1; FR2814202B1; FR2814202A1

Abstract

Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine mit
einer Pumpe (5) zur Förderung von Kraftstoff,
einem der Pumpe (5) stromabwärts nachgeordneten Druckspeicher (8) zur Speicherung des einzuspritzenden Kraftstoffs, einem zwischen der Pumpe (5) und dem Druckspeicher (8) angeordneten steuerbaren Ventil (6) mit einer Durchlassstellung und einer Sperrstellung, und
einer Steuereinheit (10) zur wechselweisen Schaltung des Ventils (6) in die Durchlassstellung und die Sperrstellung,
wobei die Steuereinheit (10) einen Signaleingang zur Aufnahme eines den Kraftstoffbedarf wiedergebenden Anforderungssignals (P_IST) und
eine Berechnungseinheit aufweist, um in Abhängigkeit von dem Anforderungssignal Ansteuerzeiten (r) für das Ventil (6) zu berechnen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit (10) eine Vergleichereinheit (24, 27) aufweist, um die in Abhängigkeit von dem Anforderungssignal (P_IST) berechnete Ansteuerzeit mit einem unteren Grenzwert und/oder einem oberen Grenzwert zu vergleichen und die berechnete Ansteuerzeit beim Unterschreiten des unteren Grenzwerts durch einen Minimalwert und/oder beim Überschreiten des oberen Grenzwerts durch einen...

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren gemäß Anspruch 8.

Es sind sogenannte Common-Rail-Einspritzanlagen bekannt, bei denen die einzelnen Injektoren durch einen gemeinsamen Druckspeicher (englisch: Common Rail) mit Kraftstoff versorgt werden. Die Kraftstoffzufuhr zu dem Druckspeicher erfolgt hierbei durch eine Hochdruckpumpe, wobei zwischen der Hochdruckpumpe und dem Druckspeicher ein steuerbares Ventil angeordnet ist, was eine Einstellung des gewünschten Drucks in dem Druckspeicher ermöglicht. Beim Unterschreiten des gewünschten Drucks wird dieses Ventil geöffnet, so dass die Hochdruckpumpe Kraftstoff in den Druckspeicher fördert, was zu einer Druckerhöhung führt. Beim Überschreiten des gewünschten Drucks schließt das Ventil dagegen oder wird in eine Bypass-Stellung gebracht, in der Kraftstoff in den Vorlauf zurück gefördert wird, so dass in beiden Fällen der Druck in dem Druckspeicher abnimmt, bis wieder der gewünschte Druck erreicht ist. Die Steuerung des Ventils erfolgt hierbei in Abhängigkeit von dem Kraftstoffbedarf, der beispielsweise durch Messung des in dem Druckspeicher herrschenden Kraftstoffdrucks ermittelt werden kann. Beim Unterschreiten des gewünschten Kraftstoffdrucks in dem Druckspeicher werden die Ansteuerzeiten, innerhalb derer das zwischen der Hochdruckpumpe und dem Druckspeicher angeordnete Ventil geöffnet ist, verlängert, wohingegen die Ansteuerzeiten verringert werden, wenn der in dem Druckspeicher herrschende Druck zu groß ist.

Nachteilig an der vorstehend beschriebenen bekannten Einspritzanlage ist die Tatsache, dass das zwischen der Hochdruckpumpe und dem Druckspeicher angeordnete Ventil kein beliebig dynamisches Schalten ermöglicht. Vielmehr weist das Ventil eine Totzeit auf, durch welche die minimalen Öffnungs- bzw. Sperrzeiten nach unten begrenzt werden.

Aus der DE 198 34 120 A1 ist eine Kraftstoffversorgungsanlage für eine Brennkraftmaschine bekannt, wobei die Kraftstoffversorgungsanlage ein Steuerventil umfasst, dessen Antriebsmagnet in einer Ausgangsstellung gerade so stark bestromt wird, dass das Ventilglied des Steuerventils gerade noch in der Ausgangsstellung bleibt. Durch geringfügige Änderung der Bestromung des Antriebsmagneten kann das Umschalten des Steuerventils in die Endstellung innerhalb kurzer Zeit erfolgen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebene bekannte Einspritzanlage dahingehend zu verbessern, dass die Totzeit des zwischen der Hochdruckpumpe und dem Druckspeicher angeordneten Ventils berücksichtigt wird. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Betriebsverfahren für eine derartige Einspritzanlage anzugeben.

Die Aufgabe wird, ausgehend von der eingangs beschriebenen bekannten Einspritzanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. -hinsichtlich des Betriebsverfahrens – durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst.

Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, die in Abhängigkeit von dem Kraftstoffbedarf berechneten Ansteuerzeiten für das zwischen der Hochdruckpumpe und dem Druckspeicher angeordnete Ventil auf ihre technische Realisierbarkeit zu überprüfen, um sicherzustellen, dass die berechneten Ansteuerzeiten auch von dem Ventil bauartbedingt realisiert werden können.

Zur Berücksichtigung der minimalen Öffnungszeit des Ventils wird die in Abhängigkeit von dem Kraftstoffbedarf berechnete Ansteuerzeit des Ventils vorzugsweise mit einem vorgegebenen unteren Grenzwert verglichen und beim Erreichen oder Unterschreiten des Grenzwerts durch einen vorgegebenen Minimalwert ersetzt, der von dem Ventil technisch realisierbar ist. Als unterer Grenzwert eignet sich vorzugsweise das doppelte der Totzeit des Ventils, jedoch sind auch andere Grenzwerte möglich. Falls die in Abhängigkeit von dem Kraftstoffbedarf berechnete Ansteuerzeit den vorgegebenen unteren Grenzwert unterschreitet, so wird die Ansteuerzeit vorzugsweise auf Null gesetzt, jedoch sind auch andere Minimalwerte möglich.

Zur Berücksichtigung der bauartbedingten minimalen Sperrzeit des Ventils wird die in Abhängigkeit von dem Kraftstoffbedarf berechnete Ansteuerzeit vorzugsweise mit einem vorgegebenen oberen Grenzwert verglichen und beim Erreichen oder Überschreiten des oberen Grenzwerts durch einen vorgegebenen Maximalwert ersetzt. Der bei dem Vergleich als Vergleichswert herangezogene obere Grenzwert ist vorzugsweise gleich dem gesamten Steuerintervall abzüglich der doppelten Totzeit des Ventils, jedoch sind auch andere Grenzwerte möglich. Beim Überschreiten oder Erreichen des oberen Grenzwerts wird die in Abhängigkeit von dem Kraftstoffbedarf berechnete Ansteuerzeit des Ventils vorzugsweise durch das gesamte Steuerintervall ersetzt, so dass das Ventil während dieses Steuerintervalls durchgehend geöffnet ist, was zu einer maximalen Kraftstoffförderung führt.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Einspritzanlage,
2 die Steuereinheit der in 1 dargestellten Einspritzanlage zur Steuerung des Bypass-Ventils als Blockschaltbild,
3A, 3B das Betriebsverfahren der in 1 dargestellten Einspritzanlage als Flußdiagramm sowie
4 ein Zeitdiagramm zur Verdeutlichung der Ansteuerung des Ventils.
Die in 1 dargestellte Common-Rail-Einspritzanlage weist zur Kraftstoffförderung aus einem Kraftstofftank 1 eine Nie derdruckpumpe 2 auf, die über eine mit der Brennkraftmaschine mechanisch gekoppelte Antriebswelle 3 mechanisch angetrieben wird. Alternativ hierzu kann die Niederdruckpumpe 2 auch durch einen Elektromotor angetrieben werden. Zur Druckregelung im Niederdruckbereich ist der Niederdruckpumpe 2 ein Druckregler 4 nachgeordnet, der beim Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldrucks einen Teil des von der Niederdruckpumpe 2 geförderten Kraftstoffstroms abzweigt und in den Kraftstofftank 1 zurückführt. Beim Unterschreiten des gewünschten Kraftstoffdrucks wird dagegen von dem Druckregler 4 kein Kraftstoff in den Kraftstofftank 1 zurückgeführt, damit der gewünschte Druck von der Niederdruckpumpe 2 möglichst schnell aufgebaut wird.
Der Niederdruckpumpe 2 ist stromabwärts eine Hochdruckpumpe 5 nachgeordnet, die den zur Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennräume der Brennkraftmaschine erforderlichen Kraftstoffdruck erzeugt und über ein Bypass-Ventil 6 und ein Rückschlagventil 7 einem Druckspeicher 8 zuführt. Der Druckspeicher 8 ist wiederum mit vier Injektoren verbunden, die in der Zeichnung nur schematisch dargestellt sind und den Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine einspritzen.
Das Bypass-Ventil 6 kann wahlweise in einer Durchlassstellung oder in einer Sperrstellung betrieben werden, wobei der Kraftstoffstrom von der Hochdruckpumpe 5 zu dem Druckspeicher 8 in der Durchlassstellung des Bypass-Ventils 6 freigegeben wird, wohingegen der von der Hochdruckpumpe 5 geförderte Kraftstoffstrom in der Sperrstellung des Bypass-Ventils über eine Rückführleitung 9 in den Niederdruckbereich der Einspritzanlage zurückgeführt wird. Auf diese Weise ermöglicht das Bypass-Ventil 6 eine Steuerung des Drucks in dem Druckspeicher 8. Beim Überschreiten des gewünschten Drucks in dem Druckspeicher 8 wird das Bypass-Ventil 6 in die Sperrstellung geschaltet, damit kein weiterer Kraftstoff in den Druckspeicher 8 gefördert wird, wodurch der Kraftstoffdruck abnimmt. Beim Unterschreiten des gewünschten Kraftstoffdrucks wird das Bypass-Ventil dagegen in die Durchlaßstellung geschaltet, damit der Kraftstoffstrom von der Hochdruckpumpe 5 zu dem Druckspeicher 8 freigegeben wird, wodurch der Kraftstoffdruck ansteigt.
Alternativ zu der in der Zeichnung dargestellten Anordnung kann die Rückführleitung 9 auch direkt in den Kraftstofftank 1 münden.
Die Steuerung des Bypass-Ventils 6 erfolgt durch eine Steuereinheit 10, die eingangsseitig mit einem Drucksensor 11 verbunden ist, der den in dem Druckspeicher 8 herrschenden Kraftstoffdruck misst, um den Kraftstoffdruck regeln zu können. Weiterhin ist die Steuereinheit 10 mit einem Drehzahlsensor 12 verbunden, der die Drehzahl der Antriebswelle 3 misst.
Im folgenden wird nun anhand des in 2 dargestellten Blockschaltbildes die Funktionsweise der Steuereinheit 10 beschrieben, die in den 3A und 3B als Flussdiagramm dargestellt ist.
Zunächst wird von einem Subtrahierer 13 die Differenz ΔP zwischen dem aktuellen Kraftstoffdruck P_IST und dem gewünschten Kraftstoffdruck P_SOLL berechnet.
In Abhängigkeit von der Druckabweichung ΔP wird dann von einer Recheneinheit 14 die gewünschte Kraftstoffmenge F_SOLL berechnet, die dann von einer Vergleichereinheit 15 mit dem Wert Null verglichen wird, der in einem Referenzelement 16 gespeichert ist. Dieser Vergleich dient lediglich dazu, den Absolutwert der gewünschten Kraftstoffmenge F_SOLL unter Ausschaltung des Vorzeichens zu berechnen, so dass am Ausgang der Vergleichereinheit 15 in der Regel die gewünschte Kraftstoffmenge F_SOLL erscheint.
Weiterhin weist die Steuereinheit 10 einen Temperatursensor 17 auf, der ausgangsseitig mit einer Recheneinheit 18 verbunden ist, die in Abhängigkeit von der Temperatur T die maximal förderbare Kraftstoffmenge F_MAX berechnet wird. Sowohl die am Ausgang der Vergleichereinheit 15 erscheinende gewünschte Kraftstoffmenge F_SOLL als auch die am Ausgang der Recheneinheit 18 erscheinende maximal förderbare Kraftstoffmenge F_MAX wird einer weiteren Vergleichereinheit 19 zugeführt, die den Minimalwert k₁ dieser beiden Werte berechnet.
Der Minimalwert k₁ wird einer Recheneinheit 20 zugeführt, die eingangsseitig mit der Recheneinheit 18 verbunden ist und den Quotienten k₂ aus dem Minimalwert k₁ und der maximal förderbaren Kraftstoffmenge F_MAX berechnet.
Weiterhin weist die Steuereinheit 10 eine Recheneinheit 21 auf, die eingangsseitig mit dem Drehzahlsensor 12 verbunden ist und in Abhängigkeit von der Drehzahl n die sogenannte Segmentzeit T_SEG berechnet. Darüber hinaus ist in der Steuereinheit 10 in einem Referenzelement 22 die bauartbedingte Totzeit T_tot des Bypass-Ventils 6 gespeichert, wobei die Totzeit T_tot und die Segmentzeit T_SEG einer Recheneinheit 23 zugeführt werden, die den Quotienten k₃ aus der Totzeit T_tot und der Segmentzeit T_SEG berechnet und einer Vergleichereinheit 24 zuführt.
Darüber hinaus ist die Recheneinheit 23 ausgangsseitig mit einem Subtrahierer 25 verbunden, der die Differenz k₄ aus dem in einem Referenzelement 26 gespeicherten Referenzwert 1 und dem Quotienten k₃ berechnet und als Wert k₄ einer Vergleichereinheit 27 zuführt.
Die Vergleichereinheit 27 überprüft also, ob die Ansteuerzeit des Bypass-Ventils 6 so groß ist, dass die innerhalb des Steuerintervalls verbleibende Sperrzeit des Bypass-Ventils 6 von diesem bauartbedingt nicht mehr realisiert werden kann. Dies ist der Fall, wenn der Wert k₂ kleiner als der Wert k₄ ist. In diesem Fall steuert die Vergleichereinheit 27 einen nachgeordneten Schalter 28 so an, dass dieser die eingangsseitig an dem Schaltelement anliegende maximale Kraftstoffmenge F_MAX ausgangsseitig abgibt.
Im Gegensatz dazu überprüft die Vergleichereinheit 24, ob die in Abhängigkeit von dem Kraftstoffbedarf berechnete Durchlasszeit (Ansteuerzeit) des Bypass-Ventils 6 die bauartbedingte minimale Durchlasszeit unterschreitet. Hierzu vergleicht die Vergleichereinheit 24 den eingangsseitig anliegenden Wert k₂ mit dem ebenfalls eingangsseitig anliegenden Wert k₃ und falls der Wert von k₂ größer als der Wert von k₃ ist, so steuert die Vergleichereinheit 24 einen nachgeordneten Schalter 29 so an, dass dieser den eingangsseitig anliegenden und in einem Referenzelement 30 gespeicherten Wert Null auswählt und ausgangsseitig bereitstellt.
Im folgenden wird nun zunächst der Fall beschrieben, dass der Schalter 28 die maximal förderbare Kraftstoffmenge F_MAX auswählt, wohingegen der Schalter 29 das Ausgangssignal des Schaltelements 28 auswählt. In diesem Fall liegt an dem ersten Eingang eines nachgeschalteten Rechenelements 31 die maximal förderbare Kraftstoffmenge F_MAX, der in einem Referenzelement 32 gespeicherte Wert 100 sowie die maximal förderbare Kraftstoffmenge F_MAX an, so dass die Recheneinheit das Produkt aus der maximal förderbaren Kraftstoffmenge F_MAX, und dem Wert 100 bildet und anschließend durch die maximal förderbare Kraftstoffmenge F_MAX teilt, so dass am Ausgang der Recheneinheit 31 der Wert r = 100 erscheint. Dies bedeutet, dass die Ansteuerzeit des Bypass-Ventils 6 100 der Dauer des Steuerintervalls ist, d.h. das Bypass-Ventil 6 öffnet durchgehend.
Im folgenden wird nun der Fall beschrieben, dass das Schaltelement 29 eingangsseitig das Referenzelement 30 auswählt, so dass am Ausgang der Recheneinheit 31 r = 0 erscheint, d.h. das Bypass-Ventil 6 ist während des gesamten Steuerintervalls geschlossen.
Zwischen den beiden vorstehend beschriebenen Werten sind beliebige Übergangszustände möglich, die sich aus dem Verhältnis der gewünschten Kraftstoffmenge F_SOLL und der maximal förderbaren Kraftstoffmenge F_MAX ergeben und zu unterschiedlichen Werten von r führen.
Die eigentliche Ansteuerung des Bypass-Ventils 6 erfolgt durch einen nachgeschalteten Impulsgeber 33, der in jedem Steuerintervall entsprechend dem Wert von r jeweils Low- bzw.
High-Pegel erzeugt und damit das Bypass-Ventil 6 entweder in die Durchlassstellung oder in die Sperrstellung schaltet, wie aus dem in 4 dargestellten exemplarischen Zeitdiagramm ersichtlich ist.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine mit einer Pumpe (5) zur Förderung von Kraftstoff, einem der Pumpe (5) stromabwärts nachgeordneten Druckspeicher (8) zur Speicherung des einzuspritzenden Kraftstoffs, einem zwischen der Pumpe (5) und dem Druckspeicher (8) angeordneten steuerbaren Ventil (6) mit einer Durchlassstellung und einer Sperrstellung, und einer Steuereinheit (10) zur wechselweisen Schaltung des Ventils (6) in die Durchlassstellung und die Sperrstellung, wobei die Steuereinheit (10) einen Signaleingang zur Aufnahme eines den Kraftstoffbedarf wiedergebenden Anforderungssignals (P_IST) und eine Berechnungseinheit aufweist, um in Abhängigkeit von dem Anforderungssignal Ansteuerzeiten (r) für das Ventil (6) zu berechnen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) eine Vergleichereinheit (24, 27) aufweist, um die in Abhängigkeit von dem Anforderungssignal (P_IST) berechnete Ansteuerzeit mit einem unteren Grenzwert und/oder einem oberen Grenzwert zu vergleichen und die berechnete Ansteuerzeit beim Unterschreiten des unteren Grenzwerts durch einen Minimalwert und/oder beim Überschreiten des oberen Grenzwerts durch einen Maximalwert zu ersetzen.
Einspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (6) eine Totzeit aufweist, wobei der Grenzwert von der Totzeit des Ventils abhängig ist.
Einspritzanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Grenzwert im wesentlichen gleich der doppelten Totzeit des Ventils (6) ist.
Einspritzanlage nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Minimalwert gleich Null ist.
Einspritzanlage nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (6) eine Totzeit aufweist, wobei obere Grenzwert von der Totzeit des Ventils (6) abhängig ist.
Einspritzanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung des Ventils (6) jeweils zyklisch innerhalb eines vorgegebenen Steuerintervalls erfolgt, wobei der obere Grenzwert im wesentlichen dem Steuerintervall abzüglich der doppelten Totzeit des Ventils (6) ist.
Einspritzanlage nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung des Ventils (6) jeweils zyklisch innerhalb eines vorgegebenen Steuerintervalls erfolgt, wobei der Maximalwert gleich dem Steuerintervall ist.
Verfahren zum Betrieb einer Einspritzanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den folgenden Schritten: – Berechnung der Ansteuerzeit aus dem den Kraftstoffbedarf wiedergebenden Anforderungssignal, – Schalten des Ventils (6) für die Dauer der Ansteuerzeit in die Durchlassstellung, – Nach Ablauf der Ansteuerzeit Schalten des Ventils (6) in die Sperrstellung für die restliche Zeit eines vorgegebenen Steuerintervalls, dadurch gekennzeichnet, dass die berechnete Ansteuerzeit mit einem unteren Grenzwert und/oder einem oberen Grenzwert verglichen wird und die berechnete Ansteuerzeit beim Unterschreiten des unteren Grenzwerts durch einen Minimalwert und/oder beim Überschreiten des oberen Grenzwerts durch einen Maximalwert ersetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (6) eine Totzeit aufweist, wobei der untere Grenzwert von der Totzeit des Ventils (6) abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Grenzwert im wesentlichen gleich der doppelten Totzeit des Ventils (6) ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Minimalwert gleich Null ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (6) eine Totzeit aufweist, wobei der obere Grenzwert von der Totzeit des Ventils (6) abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung des Ventils (6) jeweils zyklisch innerhalb eines vorgegebenen Steuerintervalls erfolgt, wobei der obere Grenzwert im wesentlichen gleich dem Steuerintervall abzüglich der doppelten Totzeit des Ventils (6) ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung des Ventils (6) jeweils zyklisch innerhalb eines vorgegebenen Steuerintervalls erfolgt, wobei der Maximalwert gleich dem Steuerintervall ist.