DE102004062613A1

DE102004062613A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE102004062613A1
Application number: DE102004062613A
Authority: DE
Inventors: Axel Dipl.-Ing. Wachtendorf; Leonhard Dipl.-Ing. Lang; Nicola Piantadosi
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2024-12-25
Also published as: EP1828580B1; US20080072880A1; CN101087938B; US7438051B2; WO2006072285A1; EP1828580A1; CN101087938A; DE102004062613B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren mit einem geregelten Hochdrucksystem und einem gesteuerten Niederdrucksystem, wobei zur Einstellung eines variablen Vordruckes im Niederdrucksystem in einem Adaptionsmodus ein Adaptionswert zur Korrektur des Soll-Vordruckes ermittelt wird. Im Adaptionsmodus wird dazu der Vordruck gezielt verändert, bis durch eine Reglerantwort des Hochdruckreglers des Hochdrucksystems Dampfblasen detektiert werden. Bei Detektion von Dampfblasen werden aktuelle Verfahrensparameter des Kraftstoffversorgungssystems ermittelt und aus diesen der Adaptionswert abgeleitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren mit einem Einspritzsystem mittels einer Hochdruckpumpe, insbesondere für die Versorgung von Common-Rail-Systemen, bei welchen eine Vorförderpumpe die Hochdruckpumpe mit Kraftstoff versorgt.
Es ist bekannt, zur Verbesserung der Leistung von Verbrennungsmotoren mit Zylinder-Einspritzsystem und der Reduzierung von Abgas, den Kraftstoffeinspritzdruck so zu erhöhen, dass der Kraftstoff in feine Tröpfchen zerstäubt wird. Das Kraftstoffversorgungssystem von Verbrennungsmotoren ist deshalb so aufgebaut, dass die für derzeitige Systeme typischen Werte für den Hochdruck von 4 bis 10 Mpa erreicht werden.

Bekannte Kraftstoffversorgungssysteme, wie beispielsweise in der DE 41 26 640 A1 beschrieben, sind in ein Niederdruck- und in ein Hochdrucksystem unterteilt. Der aus dem Kraftstofftank mittels einer Niederdruckkraftstoffpumpe vorgeförderte und unter einen geringen Vordruck gesetzte Kraftstoff wird an die Hochdruckpumpe, die als Radial-Kolbenpumpe ausgeführt ist, geliefert. Der Kraftstoffdruck wird auf einen vorbestimmten Druckwert weiter angehoben. Der Systemdruck wird im Hochdrucksystem geregelt, wobei der Ist-Druck mittels eines Hochdrucksensors erfasst wird, in einer Motorsteuereinheit mit einem Soll-Druck verglichen wird und ein Stellwert für ein Druckbegrenzungsventil ermittelt wird. In einer gemeinsamen Hochdruck-Sammelleitung (Common-Rail) wird der erforderliche Druck eingestellt und die überschüssige Kraftstoffmenge über eine Rückstromleitung zum Tank abgedrosselt. Der Hochdruck wird unabhängig von der in den Verbrennungsmotor eingespritzten Kraftstoffmenge auf den Hochdruck-Sollwert geregelt. Die überschüssige Kraftstoffmenge kann auch gezielt in einem zusätzlichem Spülstrom geführt werden. Allerdings stellt sich hier das Problem einer übermäßigen Aufheizung des Kraftstoffs.

Gemäß der DE 196 52 831 A1 kann der Kraftstoff statt zum Tank zurück geleitet, auch in die Hochdruckpumpe zurückgeführt und dort sofort wieder komprimiert werden, was den Wirkungsgrad des Kraftstoffversorgungssystem verbessert.

Der Soll-Druck des Niedrigdrucksystems wird üblicherweise ebenfalls geregelt und variabel in Abhängigkeit von der Dampfdruckkurve des im schlechtesten Fall anzunehmenden Kraftstoffs und ermittelten Adaptionswerten vorgegeben.

Der mittels eines Niederdrucksensor erfasste Ist-Druck wird mit dem Soll-Druck verglichen und in einer Motor-Steuereinheit zu einer Reglerantwort verarbeitet, wobei gleichzeitig ein angepasster Adaptionswert für den Soll-Druck ermittelt und eingestellt wird. Mittels der Reglerantwort der Niederdruckregelung, Solldruck, Adaptionswert und dem aktuellen Kraftstoffmassenfluss wird in der Motor-Steuereinheit ein Kennfeld mit Werten für die Förderleistungsanforderung der Niederdruckpumpe, die üblicherweise als elektrische Kraftstoffpumpe ausgeführt ist, adressiert und ein Leistungswert für die Pumpe ermittelt und ausgegeben.

Im Heiß- sowie im Kaltstart nimmt üblicherweise der Soll-Druck seine höchsten Werte an. Im Heißstart muss eine Dampfblasenbildung vermieden werden, da die Hochdruckpumpe bei Dampfblasenbildung keinen Hochdruck mehr erzeugen kann und im Kaltstart muss von den Einspritzventilen eine große Kraftstoffmenge in den Brennraum bei noch nicht aktiver Hochdruckpumpe eingespritzt werden.

Mit steigendem Vordruck sinkt jedoch die Förderleistung der Niederdruckpumpe, so dass bei bestimmten Betriebspunkten mit hohem Soll-Druck die Niederdruckpumpe sehr stark belastet wird und unter Umständen an ihre Fördergrenzen stößt.

Um einerseits eine Dampfblasenbildung in der Brennkraftmaschine zu verhindern und andererseits die Versorgung der Brennkraftmaschine mit Kraftstoff in allen Betriebszuständen sicher zu stellen, wird in der DE 199 51 410 A1 vorgeschlagen, einen möglichst geringen Vordruck, bei dem ein Verdampfen des Kraftstoffs noch vermieden wird, einzustellen. Dazu wird die aktuelle Temperatur des Kraftstoffs in der Hochdruckpumpe ermittelt und in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur die Niederdruckpumpe derart angesteuert oder geregelt, dass diese den ermittelten Vordruck erzeugt.

Neben der Temperatur hat jedoch auch die Qualität des Kraftstoffs entscheidenden Einfluss auf die Dampfblasenbildung, da unterschiedliche Kraftstoffe bei unterschiedlichen Temperaturen verdampfen. Um eine sichere Funktionsweise der Brennkraftmaschine zu gewährleisten, wird üblicherweise der Vordruck auf den worstcase-Fall mit einer großen Toleranzsteuerung eingestellt. Eine optimale Einstellung des Vordrucks ist somit nicht oder nur durch weitere Maßnahmen, wie beispielsweise eine zusätzliche Betankungserkennung, möglich. Des Weiteren verändern sich die Systemeigenschaften der Drucksysteme während der Lebensdauer der Brennkraftmaschine, die mit den bekannten Regelungen nicht oder nur durch weiter erhöhte Toleranzen ausgeglichen werden können, was ebenfalls zu einem erhöhten Druckniveau im Kraftstoffversorgungssystem und damit zu einer unnötig hohen Leistungsaufnahme der Niederdruckpumpe führt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache, genaue und sichere Einstellung des durch eine Niederdruckpumpe erzeugten Vordrucks zur Förderung von Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor zu gewährleisten.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 15.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren, bei welchem eine Niederdruckpumpe und eine Hochdruckpumpe den Kraftstoff für den Verbrennungsmotor fördern, wobei die Niederdruckpumpe eine Fördermenge an Kraftstoff für die Hochdruckpumpe bereitstellt und einen an der Hochdruckpumpe anliegenden Vordruck erzeugt und die Hochdruckpumpe die Fördermenge mit einem Einspritzdruck in einem Einspritzsystem des Verbrennungsmotors bereitstellt und bei welchem der Vordruck auf einen durch die Dampfdruckkurve eines Kraftstoffs bestimmten, variablen Soll-Vordruck eingestellt wird, der Einspritzdruck mit einem Hochdruckregler geregelt wird und ein mit dem Soll-Vordruck korrespondierender Ansteuerwert der Niederdruckpumpe mit einem Adaptionswert korrigiert wird ist dadurch gekennzeichnet, dass der Adaptionswert in einem Adaptionsmodus der Kraftstoffversorgung ermittelt wird, wobei im Adaptionsmodus der Vordruck verändert wird, bis sich Dampfblasen vor der Hochdruckpumpe bilden, die Bildung von Dampfblasen durch die Änderung einer Reglerantwort des Hochdruckreglers detektiert werden und bei einer Detektion von Dampfblasen aktuelle Verfahrensparameter, vorzugsweise Leistungsmerkmale der Niederdruckpumpe und die Temperatur des Kraftstoffs, ermittelt werden, aus welchen der Adaptionswert abgeleitet wird. Der mit dem Adaptionswert eingestellte Soll-Vordruck ist dabei immer höher als der Dampfdruck des Kraftstoffs. Im Adaptionsmodus werden dabei die Dampfblasen derart erzeugt, dass die volle Funktion des Motors in jeder Phase gegeben ist. Um dies zu gewährleisten, ist die Dampfblasenbildung vorzugsweise nur sehr kurz bzw. im Ansatz vorhanden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung eines Verbrennungsmotors umfasst zumindest ein geregeltes Hochdrucksystem und ein gesteuertes Niederdrucksystem. Das geregelte Hochdrucksystem weist zumindest ein Einspritzsystem zum Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsmotor, eine Hochdruckpumpe zum Fördern von Kraftstoff aus dem Niederdrucksystem in das Einspritzsystem und einen Hochdruckregler zur Regelung eines Einspritzdruckes im Einspritzsystem auf. Das gesteuerte Niederdrucksystem weist zumindest eine Niederdruckpumpe zum Fördern von Kraftstoff aus einem Tank in das Hochdrucksystem, eine Steuereinheit zur Einstellung eines durch die Dampfdruckkurve eines Kraftstoffs vorgegebenen variablen Soll-Vordrucks im Niederdrucksystem mit einer Adaptionseinheit zum Erzeugen eines Adaptionswertes in einem Adaptionsmodus zur Korrektur des vorgegebenen Soll-Vordruckes auf. Die Adaptionseinheit weist dabei zumindest eine Einheit zum Auslösen des Adaptionsmodus, bei welchem ein Vordruck im Niederdrucksystem variiert wird, Mittel zum Erfassen der Änderung einer Reglerantwort des Hochdruckreglers im Adaptionsmodus bei der Bildung von Dampfblasen im Niederdrucksystem, Mittel zum Erfassen von Verfahrensparametern und eine Einheit zum Ableiten des Adaptionswertes aus den erfassten Verfahrensparametern auf.

Als Verbrennungsmotoren, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Kraftstoff versorgt werden, kommen sowohl Dieselmotoren als auch fremdgezündete Motoren in Betracht.

Mit Hilfe des Hochdruckreglers wird erfindungsgemäß in einem Adaptionsmodus eine Aussage über das Ausgasungsverhalten des Kraftstoffs und den Zustand der Niederdruckpumpe getroffen. Sobald sich im Adaptionsmodus vor der Hochdruckpumpe Dampfblasen bilden, verschlechtert sich der Liefergrad der Hochdruckpumpe. Der Hochdruckregler zeigt stets eine deutliche Reglerantwort auf den sich verschlechternden Liefergrad. Diese Reglerantwort wird verwendet, um einen Adaptionswert zur Korrektur des von der Niederdruckpumpe einzustellenden Soll-Vordruckes zu ermitteln.

Vorzugsweise wird der Vordruck im Adaptionsmodus durch eine Schwingungsaufprägung auf den mit dem Soll-Vordruck korrespondierenden Ansteuerwert der Niederdruckpumpe verändert, so dass auf die Förderleistung der Niederdruckpumpe eine Schwingung aufgeprägt wird. Während dieser Druckschwingung ist die Hochdruckreglerüberwachung aktiv. Kommt es im Schwingungstal zu einer Dampfblasenbildung vor der Hochdruckpumpe, wird dies durch die Änderung der Reglerantwort detektiert. Tritt keine Veränderung des Reglerwertes auf, wird der Soll-Vordruck um einen definierten Wert abgesenkt und der Adaptionsmodus fortgesetzt, bis eine Detektion von Dampfblasen erfolgt ist. Der Soll-Vordruck wird insbesondere durch die Absenkung eines anliegenden Adaptionsstartwertes abgesenkt. Um sicher zu stellen, dass der abgesenkte Adaptionsstartwert den Soll-Vordruck nicht dauerhaft bis zu einer Dampfblasenbildung absenkt, wird vorzugsweise der bei Dampfblasenbildung ermittelte abgesenkte Adaptionsstartwert um einen definierten Wert hoch gesetzt und so aus dem abgesenkten Adaptionsstartwert der Adaptionswert abgeleitet.

Die aufgeprägte Schwingung stellt im Adaptionsmodus den Vordruck so ein, dass sich stets nur kurzzeitig Dampfblasen im Kraftstoff bilden können und damit ein Druckeinbruch im Hochdrucksystem vermieden wird.

Der Hochdruckregler regelt vorzugsweise den Einspritzdruck im Einspritzsystem mittels einer mengengeregelten Hochdruckpumpe. Das Einspritzsystem ist dabei vorzugsweise als Common-Rail-System (System mit gemeinsamer Leitung) ausgeführt. Die Druckerzeugung und die Kraftstoffeinspritzung sind beim Common-Rail-System voneinander getrennt bzw. entkoppelt. Die Hochdruckpumpe erzeugt kontinuierlich einen bestimmten Hochdruck, welcher im Einspritzsystem als Einspritzdruck permanent zur Verfügung steht. Der Hochdruck wird in der gemeinsamen Leitung des Einspritzsystems geregelt und gespeichert und über kurze Einspritzleitungen den Injektoren zum Einspritzen des Kraftstoffs in die Zylinder des Motors zur Verfügung gestellt. Dabei wird üblicherweise ein Hochdruck im zweistelligen Mpa Bereich in der Leitung erzeugt.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung, bei welcher die Kraftstoffversorgung rücklauffrei d.h. ohne Kraftstoffrückführung erfolgt, wird zur Förderung des Kraftstoffs von der Hochdruckpumpe, welche insbesondere als Hub-Kolbenpumpe ausgeführt ist, bei der Abwärtsbewegung des Kolbens ein Volumen an Kraftstoff über ein geöffnetes Mengensteuerventil, welches zwischen der Hoch- und der Niederdruckpumpe angeordnet ist, in den Hubraum der Pumpe gefördert. Bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens und geschlossenem Mengensteuerventil wird der Kraftstoff verdichtet und in das Einspritzsystem gefördert. Die Druckerfassung erfolgt dabei vorzugsweise über einen im Einspritzsystem angeordneten Hochdrucksensor. Die Einstellung des Soll-Einspritzdruckes erfolgt mittels der Hochdruckregelung, bei welcher das Mengensteuerventil als Stellglied verwendet wird.

Zum Ermitteln des Adaptionswertes wird der Vordruck verändert, insbesondere durch schrittweises Absenken der Förderleistung der Niederdruckpumpe, die vorzugsweise als elektrische Kraftstoffpumpe ausgeführt ist, gesenkt, bis Dampfblasen im System detektiert werden. Die Dampfblasenbildung hängt mit dem spezifischen Dampfdruck, d.h. mit dem spezifischen Druck des gesättigten Dampfes des Kraftstoffes zusammen. Dieser setzt sich aus der Summe der Partialdrücke seiner einzelnen Bestandteile zusammen und ist von der Temperatur abhängig. Wird der Vordruck im Niederdrucksystem geringer als der spezifische Dampfdruck des Kraftstoffs, bilden sich Dampfblasen. Im Adoptionsmodus wird sich zielgerichtet an die Dampfdruckgrenze des Kraftstoffs herangetastet, bis der Liefergrad der Hochdruckpumpe sich signifikant verschlechtert und eine definierte Abweichung der Reglerantwort erreicht wird.

Besteht der in den Hub- bzw. Kompressionsraum der Hochdruckpumpe eingefüllte Kraftstoff in Anteilen aus Dampfblasen, muss beispielsweise ein zusätzliches Kompressionsvolumen zum Zusammenschieben der Dampfblasen zur Verfügung gestellt werden, um die gleiche Menge Kraftstoff zu fördern. Die Änderung dieser Reglerantwort kann vorzugsweise zur Detektierung von Dampfblasen genutzt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Vordruck im Adaptionsmodus solange schrittweise, mit oder ohne Schwingungsaufprägung, abgesenkt, bis eine vorgegebene maximal zulässige Änderung der Reglerantwort oder ein minimal zulässiger Vordruck erreicht wird. Dabei wird vorzugsweise beim Start des Adaptionsmodus der Soll-Vordruck aus der Dampfdruckkurve des im schlechtesten Fall anzunehmenden Kraftstoffs vorgegeben. Die Dampfdruckkurve zeigt die Temperaturabhängigkeit des Dampfdrucks und ist im Druck-Temperatur-Diagramm als Grenzkurve zwischen den zwei Phasen flüssig und gasförmig dargestellt. Die Dampfdruckkurve ist abhängig von der Kraftstoffart. Der im schlechtesten Fall anzunehmende Kraftstoff, ist der Kraftstoff mit der höchsten Flüchtigkeit, beispielsweise frisch getankter Winterkraftstoff mit einem Dampfdruck von 12 bis 14 PSI.

Bei Erreichen der vorgegebenen maximal zulässigen Änderung der Reglerantwort wird in einer vorteilhaften Ausführung der aktuelle Wert der Förderleistung der Niederdruckpumpe und der aktuelle Wert der Temperatur des Kraftstoffs mit geeigneten Mitteln erfasst und aus diesen Werten der Adaptionswert in der Einheit zum Ableiten des Adaptionswertes ermittelt. Die Ermittlung erfolgt vorzugsweise über Kennfelder mit Kennlinien, die für bestimmte Förderleistungen und Temperaturen die zugehörigen Adaptionswerte vorgeben.

Bei Erreichen der vorgegebenen maximal zulässigen Änderung der Reglerantwort wird in einer weiteren vorteilhaften Ausführung der aktuelle Wert des abgesenkten Vordrucks erfasst, um einen definierten Wert erhöht und daraus aktuelle Adaptionswert abgeleitet.

Der Adaptionswert wird vorzugsweise gespeichert und für eine Berechnung der Förderleistungsanforderung der Niederdruckpumpe verwendet.

Der ermittelte Adaptionswert repräsentiert sowohl die Toleranzlage der Niederdruckpumpe als auch die aktuelle Ausgasungsaktivität des Kraftstoffs. Veränderungen hinsichtlich der Ausgasungsaktivität und der Pumpeneigenschaften werden damit berücksichtigt und die Niederdruckpumpe kann bei Einstellung des mit dem ermittelten Adaptionswert korrigierten Soll-Vordrucks mit optimaler niedriger Leistungsaufnahme arbeiten.

Der Adaptionswert wird nicht ständig während der Kraftstoffversorgung ermittelt, sondern in einem Adaptionsmodus, der vorzugsweise in regelmäßigen Abständen oder durch definierte Randbedingungen durch eine Einheit zum Auslösen des Adaptionsmodus ausgelöst wird, beispielsweise dann, wenn der Motor eine definierte Zeit betrieben worden ist, getankt worden ist oder nach längerer Stillstandzeit neu gestartet wird. Wobei der Adaptionsmodus vorzugsweise erst dann gestartet wird, wenn stabile Betriebs- bzw. Systembedingungen vorliegen, insbesondere wenn der Kraftstoffmassenfluss und die Temperatur des Kraftstoffs vor der Hochdruckpumpe stabil sind. Nach der Ermittlung des Adaptionswertes wird der Adaptionsmodus wieder verlassen und die Kraftstoffversorgung läuft im normalen Betrieb, wobei im Niederdrucksystem der korrigierte Soll-Vordruck-Verlauf eingestellt wird und der Einspritzdruck im Hochdrucksystem geregelt wird. Eine angemessene Häufigkeit des Adaptionsmodus stellt sicher, dass Veränderungen hinsichtlich der Kraftstoffqualität und Eigenschaften der Niederdruckpumpe rechtzeitig berücksichtigt werden.

Die Erfindung wird im weiteren an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt dazu
1 eine schematische Darstellung des Kraftstoffversorgungssystems gemäß Beispiel A und B
2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Steuerung der Niederdruckpumpe mit einem Adaptionsmodus gem. 4 (Beispiel A)
3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Steuerung der Niederdruckpumpe mit einem Adaptionsmodus gem. 5 (Beispiel B)
4 schematische Darstellung des Adaptionsmodus ohne Schwingungsaufprägung (Beispiel A)
5 schematische Darstellung des Adaptionsmodus mit Schwingungsaufprägung (Beispiel B)
Beispiel A : Adaptionsmodus ohne Schwingungsaufprägung
1 zeigt einen schematischen Aufbau eines beispielhaften erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems mit einem geregelten rücklauffreien Hochdrucksystem 1 und einem gesteuerten Niederdrucksystem 2 zur Versorgung eines direkteinspritzenden Verbrennungsmotors 4 mit Kraftstoff aus einem Tank (nicht dargestellt).
Die Niederdruckpumpe 7 ist als elektrische Kraftstoffpumpe ausgebildet und fördert den Kraftstoff aus einem Tank zur Hochdruckpumpe 5. Der von der Niederdruckpumpe 7 geförderte Kraftstoff liegt mit einem Vordruck an der Hochdruckpumpe 5 an.
Das Hochdrucksystem 1 ist ein geregeltes System. Die Hochdruckpumpe 5 ist als mengengeregelte Hub-Kolbenpumpe mit einem Mengensteuerventil 19 ausgeführt und versorgt das Einspritzsystem 3 mit Kraftstoff. Das Einspritzsystem 3 ist als Common-Rail-System ausgeführt, so dass die Hochdruckpumpe 5 einen permanenten hohen Einspritzdruck im Einspritzsystem 3 erzeugt. Der Hochdruckregler 6 regelt den Einspritzdruck, wobei der Ist-Einspritzdruck über einen im Einspritzsystem 3 angeordneten Hochdrucksensor 20 erfasst wird und im Hochdruckregler 6 zu einem Stellsignal für das Mengensteuerventil 19 verarbeitet wird.
Zum Befüllen des Hub- bzw. Kompressionsraumes der Hochdruckpumpe 5 bewegt sich der Kolben der Hochdruckpumpe abwärts, wobei das Mengensteuerventil 19 geöffnet ist und Kraftstoff aus dem Niederdrucksystem 2 in das Hochdrucksystem 1 gefördert wird. Der Liefergrad ist dabei abhängig vom Vordruck und der Qualität des Kraftstoffs. Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens der Hochdruckpumpe 5 wird der Kraftstoff nur dann komprimiert, wenn das Mengensteuerventil 19 geschlossen ist. Die Zeitdauer, die das Mengensteuerventil 19 geschlossen bleibt, bestimmt die in das Einspritzsystem 3 geförderte Menge an Kraftstoff.
Das Niederdrucksystem 2 ist ein gesteuertes System. Der Soll-Vordruck des gesteuerten Niederdrucksystems 2 wird variabel durch die Dampfdruckkurve 9 des im schlechtesten Fall anzunehmenden Kraftstoffs beispielsweise Winterkraftstoff mit 12 bis 14 PSI und einen in einem Adaptionsmodus ermittelten Adaptionswert durch die Steuereinheit 8 vorgegeben. Der Adaptionswert repräsentiert dabei sowohl die aktuelle Toleranzlage der Niederdruckpumpe 7, als auch die aktuelle Kraftstoffqualität.
Die Steuerung des Niederdrucksystems 2 ist in 2 dargestellt. Mit der Summe des sich aus der Dampfdruckkurve 9 ergebenden Druckwertes und des Adaptionswertes sowie der aktuellen Kraftstoffdurchflussmenge wird ein Vorsteuerkennfeld 16 adressiert. Das Vorsteuerkennfeld 16 beinhaltet Werte für die Förderleistungsanforderung der Niederdruckpumpe 7 in Abhängigkeit von Druck und Kraftstoffdurchflussmenge. Der Wert für die Förderleistungsanforderung wird über die Spannungs-, die Startüberschwinger und die Schubabschaltungs-Korrektur 18 korrigiert und an die Leistungsendstufe der Niederdruckpumpe 7 ausgegeben.
Der Adaptionswert wird in einem, in 4 schematisch dargestellten, Adaptionsmodus mittels der Adaptionseinheit 10 ermittelt. Die Ermittlung erfolgt nicht kontinuierlich, sondern wird in einzelnen diskreten Ereignissen aktiv gelernt. Ein Lernereignis findet statt, wenn vorher definierte Randbedingungen erfüllt sind und in der Einheit zum Auslösen 11 des Adaptionsmodus 12 Lernbedarf erkennt. Lernbedarf wird erkannt, wenn der Verbrennungsmotor 4 nach einer Abstellzeit neu gestartet wird und der Tankfüllstand eine signifikante Änderung erfahren hat oder wenn der Verbrennungsmotor 4 eine definierte Zeit betrieben wurde. Zu den definierten Randbedingungen gehören ebenfalls stabile Betriebsbedingungen des Kraftstoffversorgungssystems, welche beispielsweise durch eingeschwungene Verfahrensparameter wie Temperatur des Kraftstoffs und Kraftstoffmassenfluss auf einem definierten Niveau erkannt werden.
Erkennt die Einheit zum Auslösen 11 ein Lernereignis, wird mittels eines Schalters 17 auf den Adoptionsmodus 12 umgeschaltet und gestartet. Dieser senkt die Förderleistungsanforderung (4, Kurve y2) der Niederdruckpumpe 7 schrittweise ab, wobei der Vordruck (4, Kurve y1) im Niederdrucksystem abfällt, bis sich Dampfblasen vor der Hochdruckpumpe 5 bilden. Als Kriterium der Detektion der Dampfblasenbildung wird eine bestimmte Änderung der Reglerantwort (4, Kurve y4) des Hochdruckreglers 6 verwendet. Besteht der in die Hochdruckpumpe 5 geförderte Kraftstoff in Anteilen aus Dampfblasen, muss das Mengensteuerventil 19 länger geschlossen bleiben, um die gleiche Menge an Kraftstoff in das Einspritzsystem 3 zu fördern. Es muss ein zusätzliches Kompressionsvolumen zum Zusammenschieben der Dampfblasen zur Verfügung gestellt werden, wodurch sich die Reglerantwort um einen bestimmten Druckwert erhöht. Die Änderung wird mit Mitteln zum Erfassen der Änderung der Reglerantwort 13 registriert, wobei bei einer Erhöhung der Reglerantwort um einen definierten Druckwert von beispielsweise 0,3 Mpa die Erfassung der zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Temperatur des Kraftstoffs (4, Kurve y3) vor der Hochdruckpumpe 5 und der an der Leistungsendstufe der Niederdruckpumpe 7 anliegenden Förderleistungsanforderung ausgelöst wird. Diese Parameter werden mit entsprechenden Mitteln zum Erfassen von Verfahrensparametern 14, insbesondere mit Mitteln zum Erfassen der Temperatur 14.2 und Mitteln zum Erfassen von Leistungsmerkmalen 14.1 der Niederdruckpumpe 7 ermittelt und in der Einheit zum Ableiten 15 gespeichert. Die abgespeicherten Werte der aktuellen Förderleistungsanforderung und Temperatur des Kraftstoffs werden in ein Kennfeld der Einheit zum Ableiten 15 eingelesen, wobei mit dem Kennfeld aus den abgespeicherten Werten ein aktueller Adaptionswert abgeleitet wird. Dieses Kennfeld kann beispielsweise vorher empirisch ermittelt worden sein. Alternativ kann anstelle des Kennfeldes auch eine empirisch ermittelte Formel Verwendung finden.
Der aktive Adaptionsmodus 12 wird danach wieder verlassen. Die Umstellung auf den normalen Betrieb erfolgt mit dem Schalter 17, wobei der frühste Zeitpunkt der Umstellung auf den normalen Betrieb der Zeitpunkt der Detektion von Dampfblasen ist und der späteste Zeitpunkt der Umstellung, der Zeitpunkt der Ermittlung des Adaptionswertes sein sollte, um den Liefergrad der Hochdruckpumpe 5 nicht signifikant zu verschlechtern.
Im normalen Betrieb erfolgt die Steuerung des Vordrucks des Niederdrucksystems 2 dann mit einem korrigierten Soll-Vordruck, der sich aus der Summe des sich aus der Dampfdruckkurve 9 ergebenden Druckwertes in Abhängigkeit von der Temperatur des Kraftstoffs vor der Hochdruckpumpe und dem aktuell ermittelten Adaptionswert ergibt.
Beispiel B: Adaptionsmodus mit Schwinqungsaufprägunq
Das Kraftstoffversorgungssystems im Beispiel B besteht, analog zu Beispiel A ebenfalls aus einem geregelten rücklauffreien Hochdrucksystem 1 und einem gesteuerten Niederdrucksystem 2, wie in 1 dargestellt. Die Funktionsweise unterscheidet sich durch die Ausführung des Adaptionsmodus mit einer Schwingungsaufprägung auf die Förderleistungsanforderung der Niederdruckpumpe 7.
Das Hochdrucksystem 1 ist, wie bereits in Beispiel A ausgeführt, ein geregeltes System.
Das Niederdrucksystem 2 ist ein gesteuertes System und in 3 schematisch dargestellt. Der Soll-Vordruck des gesteuerten Niederdrucksystems 2 wird variabel durch die Dampfdruckkurve 9 vorgegeben, indem die Temperatur des Kraftstoffs vor der Hochdruckpumpe 5 mit Mitteln zum Erfassen der Temperatur 14.2 erfasst wird und an ein durch die Dampfdruckkurve 9 des im schlechtesten Fall anzunehmenden Kraftstoffs, beispielsweise Winterkraftstoff mit 12 bis 14 PSI, vorgegebenes Kennfeld eingelesen wird, daraus ein Druckwert abgeleitet und ein Adaptionswert addiert wird. Der Adaptionsstartwert und/oder in einem Adaptionsmodus ermittelte Adaptionswert wird durch die Adaptionseinheit 10 vorgegeben. Der im Adaptionsmodus ermittelte Adaptionswert repräsentiert dabei sowohl die aktuelle Toleranzlage der Niederdruckpumpe 7, als auch die aktuelle Kraftstoffqualität.
Mit dem korrigierten Soll-Vordruck wird ein Vorsteuerkennfeld 16 adressiert. Das Vorsteuerkennfeld 16 beinhaltet Werte für die Förderleistungsanforderung der Niederdruckpumpe 7 in Abhängigkeit vom Druck. Der Wert für die Förderleistungsanforderung wird über die Spannungs-, die Startüberschwinger und die Schubabschaltungs-Korrektur 18 korrigiert und an die Leistungsendstufe der Niederdruckpumpe 7 ausgegeben.
Der Adaptionswert wird in einem, in 5 schematisch dargestellten, Adaptionsmodus mittels der Adaptionseinheit 10 ermittelt. Die Ermittlung erfolgt nicht kontinuierlich, sondern wird, wie in Beispiel A ausgeführt, in einzelnen diskreten Ereignissen aktiv gelernt.
Erkennt die Einheit zum Auslösen 11 ein Lernereignis, wird der Adoptionsmodus 12 gestartet, wobei der anliegende Adaptionsstartwert in einem ersten Schritt unverändert bleibt und der Förderleistungsanforderung (5, Kurve y2) der Niederdruckpumpe 7 eine Schwingung aufgeprägt wird, wobei der Vordruck im Niederdrucksystem entsprechend variiert wird. Werden keine Dampfblasen detektiert, wird der vorgegebenen Adaptionsstartwert (5, Kurve y1) schrittweise abgesenkt, bis sich Dampfblasen vor der Hochdruckpumpe 5 bilden. Als Kriterium der Detektion der Dampfblasenbildung wird eine bestimmte Änderung der Reglerantwort (S, Kurve y3) des Hochdruckreglers 6 verwendet. Diese Änderung wird mit Mitteln zum Erfassen der Änderung der Reglerantwort 13 registriert, wobei bei einer Erhöhung der Reglerantwort um einen definierten Volumenwert der zu diesem Zeitpunkt vorliegende abgesenkte Adaptionsstartwert erfasst wird. Dieser Verfahrensparameter wird in der Einheit zum Ableiten 15 gespeichert und um einen Sicherheitswert erhöht und damit der Adaptionswert abgeleitet.
Der aktive Adaptionsmodus 12 wird danach wieder verlassen. Im normalen Betrieb erfolgt die Steuerung des Vordrucks des Niederdrucksystems 2 dann mit einem korrigierten Soll-Vordruck, der sich aus der Summe des sich aus der Dampfdruckkurve 9 ergebenden Druckwertes und dem aktuell ermittelten Adaptionswert ergibt.

1: Hochdrucksystem
2: Niederdrucksystem
3: Einspritzsystem
4: Verbrennungsmotor
5: Hochdruckpumpe
6: Hochdruckregler
7: Niederdruckpumpe
8: Steuereinheit
9: Dampfdruckkurve
10: Adaptionseinheit
11: Einheit zum Auslösen
12: Adaptionsmodus
13: Mittel zum Erfassen der Änderung der Reglerantwort
14: Mittel zum Erfassen von Verfahrensparameter
14.1: Mittel zum Erfassen von Leistungsmerkmalen
14.2: Mittel zum Erfassen der Temperatur
15: Einheit zum Ableiten
16: Vorsteuerkennfeld
17: Schalter
18: Korrektur
19: Mengensteuerventil
20: Hochdrucksensor

Claims

Verfahren zur Kraftstoffversorgung eines Verbrennungsmotors, bei welchem – eine Niederdruckpumpe und eine Hochdruckpumpe einen Kraftstoff für den Verbrennungsmotor fördern, wobei – die Niederdruckpumpe eine Fördermenge an Kraftstoff für die Hochdruckpumpe bereitstellt und einen an der Hochdruckpumpe anliegenden Vordruck erzeugt und – die Hochdruckpumpe die Fördermenge mit einem Einspritzdruck in einem Einspritzsystem des Verbrennungsmotors bereitstellt und bei welchem – der Vordruck auf einen durch die Dampfdruckkurve eines Kraftstoffs bestimmten, variablen Soll-Vordruck eingestellt wird, – der Einspritzdruck mit einem Hochdruckregler geregelt wird und – ein mit dem Soll-Vordruck korrespondierender Ansteuerwert der Niederdruckpumpe mit einem Adaptionswert korrigiert wird dadurch gekennzeichnet, dass – der Adaptionswert in einem Adaptionsmodus ermittelt wird, wobei – im Adaptionsmodus – der Vordruck verändert wird, bis sich Dampfblasen vor der Hochdruckpumpe bilden, – eine Bildung von Dampfblasen durch die Änderung einer Reglerantwort des Hochdruckreglers detektiert wird und – bei einer Detektion von Dampfblasen aktuelle Verfahrensparameter ermittelt werden, aus denen der Adaptionswert abgeleitet wird, – wobei ein Soll-Vordruck eingestellt wird, der höher als der Dampfdruck des Kraftstoffs ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vordruck im Adaptionsmodus durch eine Schwingungsaufprägung auf den mit dem Soll-Vordruck korrespondierenden Ansteuerwert der Niederdruckpumpe verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vordruck im Adaptionsmodus schrittweise abgesenkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Adaptionsmodus in vorbestimmten Abständen bei stabilen Betriebsbedingungen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Adaptionsmodus nach einem Neustart des Motors bei stabilen Betriebsbedingungen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Vordruck aus der Dampfdruckkurve des im schlechtesten Fall anzunehmenden Kraftstoffs vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vordruck im Adaptionsmodus abgesenkt wird, bis eine vorgegebene maximal zulässige Änderung der Reglerantwort erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vordruck durch Absenken eines Adaptionsstartwertes abgesenkt wird und der abgesenkte Adaptionsstartwert als aktueller Verfahrensparameter ermittelt wird, aus dem der Adaptionswert abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungsmerkmale der Niederdruckpumpe als aktuelle Verfahrensparameter ermittelt werden, aus denen der Adaptionswert abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kraftstoffs als aktueller Verfahrensparameter ermittelt wird, aus dem der Adaptionswert abgeleitet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen der vorgegebenen maximal zulässigen Änderung der Reglerantwort der aktuelle Wert der Förderleistung der Niederdruckpumpe und der aktuelle Wert der Temperatur des Kraftstoffs erfasst werden und aus diesen Werten der Adaptionswert abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Adaptionswert aus zumindest einem Kennfeld, welches Verfahrensparametern Adaptionswerte zuordnet, abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Adaptionsmodus nach Ermittlung des Adaptionswertes verlassen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung von Dampfblasen durch ein, sich als Reglerantwort ergebendes, zusätzlich aufzubringendes Kompressionsvolumen der Hochdruckpumpe zur Förderung einer gleichen Menge an Kraftstoff detektiert wird.
Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung eines Verbrennungsmotors, zumindest umfassend – ein geregeltes Hochdrucksystem (1) mit zumindest – einem Einspritzsystem (3) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsmotor (4), – einer Hochdruckpumpe (5) zum Fördern von Kraftstoff aus einem Niederdrucksystem (2) in das Einspritzsystem (3) und – einem Hochdruckregler (6) zur Regelung eines Einspritzdruckes im Einspritzsystem (3) und – ein gesteuertes Niederdrucksystem (2) mit zumindest – einer Niederdruckpumpe (7) zum Fördern von Kraftstoff aus einem Tank in das Hochdrucksystem (1) und – einer Steuereinheit (8) zur Einstellung eines, durch die Dampfdruckkurve (9) eines Kraftstoffs vorgegebenen, variablen Soll-Vordrucks im Niederdrucksystem (2), mit einer Adaptionseinheit (10) zum Erzeugen eines Adaptionswertes in einem Adaptionsmodus (12) zur Korrektur des vorgegebenen Soll-Vordruckes, wobei die Adaptionseinheit (10) zumindest – eine Einheit zum Auslösen (11) des Adaptionsmodus (12), bei welchem ein Vordruck im Niederdrucksystem verändert wird, – Mittel zum Erfassen der Änderung einer Reglerantwort (13) des Hochdruckreglers (6) im Adaptionsmodus (12) bei der Bildung von Dampfblasen im Niederdrucksystem, – Mittel zum Erfassen von Verfahrensparametern (14) und – eine Einheit zum Ableiten (15) des Adaptionswertes aus den erfassten Verfahrensparametern umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckregler (6) zur Regelung des Einspritzdruckes mit einem Mengensteuerventil (19), welches zwischen der Niederdruckpumpe (7) und der Hochdruckpumpe (5) angeordnet ist, und einem Hochdrucksensor (20), welcher im Einspritzsystem (3) angeordnet ist, verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe (5) eine Hub-Kolbenpumpe ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen der Änderung der Reglerantwort (13), Mittel zum Erfassen eines zusätzlich aufzubringendes Kompressionsvolumen der Hochdruckpumpe zur Förderung einer gleichen Menge an Kraftstoff bei der Bildung von Dampfblasen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckpumpe (7) eine elektrische Kraftstoffpumpe ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen von Verfahrensparametern (14), Mittel zum Erfassen von Leistungsmerkmalen (14.1) der Niederdruckpumpe umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen von Verfahrensparametern (14) Mittel zum Erfassen der Temperatur (14.2) des Kraftstoffs umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zum Ableiten (15) des Adaptionswertes zumindest ein Kennfeld, welches Verfahrensparametern Adaptionswerte zuordnet, aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem (3) ein Common-Rail-System ist.