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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Hochdruckpumpe mit einem hydraulischen Ventil.
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In Hochdruckpumpen zur Förderung von Kraftstoff in Einspritzsystemen für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen werden insbesondere hydraulische Ventile verwendet. Derartige Ventile unterliegen starken Beanspruchungen, insbesondere wenn sie Dauerbelastungen ausgesetzt sind, wie dies in Hochdruckpumpen der Fall sein kann. Da Hochdruckpumpen Drücken von beispielsweise 2000 bar oder mehr ausgesetzt sind, werden hohe Anforderungen an die Ventile in derartigen Pumpen gestellt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Hochdruckpumpe zu schaffen, das beziehungsweise die einen zuverlässigen Betrieb der Hochdruckpumpe ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben einer Hochdruckpumpe mit einem hydraulischen Ventil, das einen Schließkörper aufweist, der von einem elektromagnetischen Aktuator zum Schließen des Ventils betätigbar ist. Dabei umfasst das Verfahren folgende Schritte. Der Aktuator wird für eine vorgegebene Aktivierungsdauer aktiviert mit einem vorgegebenen Stellsignal zum Schließen des Ventils. Des Weiteren wird ein Verlauf einer Aktuatorspannung erfasst zumindest während einer vorgegebenen Diagnosephase, die zeitlich nach der Aktivierungsdauer liegt, insbesondere sich direkt daran anschließt, und die zumindest einen zu erwartenden Öffnungszeitpunkt des Ventils umfasst. Es wird eine erste Kenngröße ermittelt, die einen ersten Zeitpunkt oder einen ersten Kurbelwellenwinkel repräsentiert, bei der die erfasste Aktuatorspannung in der Diagnosephase nach einer vorgegeben Schließdauer des Ventils ein lokales Minimum aufweist. Ferner wird die ermittelte erste Kenngröße mit einer vorgegebenen Referenzkenngröße verglichen, die repräsentativ ist für einen Referenzzeitpunkt oder einen Referenzkurbelwellenwinkel. Abhängig von dem Vergleich wird ein vorgegebenes Kontrollsignal signalisiert.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass während der Aktivierung des elektromagnetischen Aktuators ein magnetisches Feld in einen Anker des Aktuators und/oder in den Schließkörper induziert wird. Der Anker und/oder der Schließkörper können eine Flussdichte-Feldstärke-Kennlinie mit einer Hysterese aufweisen. Dies bedeutet, auch wenn die magnetische Feldstärke gleich null ist in dem Anker und/oder dem Schließkörper, kann der Anker und/oder der Schließkörper eine vorgegebene Flussdichte aufweisen. Eine Bewegung des Ankers und/oder des Schließkörpers beim Öffnen des Ventils kann daher eine Spannung induzieren in einen Magnetkreis des Aktuators, insbesondere in eine Spule des Aktuators. Während einer Öffnungsphase des Ventils weist die Aktuatorspannung daher einen spezifischen Verlauf auf. Für einen vorgegebenen Betriebsbereich der Hochdruckpumpe ist dieser spezifische Verlauf jeweils ähnlich. Die erfasste Aktuatorspannung weist bei der ersten Kenngröße, die repräsentativ ist für den ersten Zeitpunkt oder die erste Kurbelwellenwinkelstellung, ein lokales Minimum auf. Das lokale Minimum der Aktuatorspannung charakterisiert eine maximale Geschwindigkeit des Schließkörpers beziehungsweise ein Anschlagen des Ankers. Eine zeitliche Lage des lokalen Minimums ist beispielsweise abhängig von einem maximalen Druck, der in dem Druckraum der Hochdruckpumpe erzeugt wird. Ein Vergleich der ersten Kenngröße, bei der die erfasste Aktuatorspannung das lokale Minimum aufweist, mit der vorgegebenen Referenzkenngröße ermöglicht, eine Fehlfunktionen des Ventils und/oder der Hochdruckpumpe zu detektieren und zu signalisieren. Damit können vorgegebene Maßnahmen rechtzeitig eingeleitet werden, sodass aufgrund der Fehlfunktion des Ventils und/oder der Hochdruckpumpe keine weiteren Schäden auftreten. Dies kann einen Beitrag leisten, einen zuverlässigeren Betrieb der Hochdruckpumpe zu ermöglichen. Vorteilhafterweise kann so mit geringem Aufwand ein Hochdruckpumpensystem mit einer weitere Kontrollfunktion ausgestattet werden, die für Diagnosezwecke und/oder eine End-of-Line-Prüfung genutzt werden kann. Wird die Hochdruckpumpe als Kraftstoffpumpe für ein Kraftstoffsystem eines Kraftfahrzeuges genutzt, kann dies einen Beitrag leisten, eine Lebensdauer der Kraftstoffpumpe, eines Injektors, eines Common Rails und/oder von Leitungen zu erhöhen und/oder eine Ausfallwahrscheinlichkeit dieser Komponenten zu reduzieren, da ein Auftreten eines Überdrucks in diesen Komponenten weitgehend vermieden werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird abhängig von dem Vergleich der ermittelten ersten Kenngröße mit der vorgegebenen Referenzkenngröße ein Druck in einem Druckraum der Hochdruckpumpe ermittelt und ein erstes Kontrollsignal signalisiert, das repräsentativ ist für den Druck. Eine zeitliche Lage der ersten Kenngröße, bei der die Aktuatorspannung das lokale Minimum aufweist, kann abhängig von einem maximalen Druck sein, der in dem Druckraum der Hochdruckpumpe erzeugt wird. Ein Vergleich der ersten Kenngröße mit der vorgegebenen Referenzkenngröße ermöglicht beispielsweise zu detektieren, ob der in dem Druckraum erzeugte maximale Druck einen vorgegebenen Sollwert aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann so ein unkontrolliertes Ansteigen des Drucks im Druckraum der Hochdruckpumpe, beispielsweise aufgrund einer Fehlinformation eines Hochdrucksensors der Hochdruckpumpe, erkannt und signalisiert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird abhängig von einem Vergleich von mehreren erfassten ersten Kenngrößen detektiert, ob das Ventil eine Fehlfunktion aufweist, und wenn das Ventil eine Fehlfunktion aufweist, wird ein zweites Kontrollsignal signalisiert. Bei einer regelmäßigen Förderung eines Fluids durch die Hochdruckpumpe ist bei einem jeweiligen Pumpzyklus die erste Kenngröße, bei der das lokale Minimum auftritt, zumindest näherungsweise gleich. Bei einer Fehlfunktion des Ventils kann sich die zeitliche Lage des lokalen Minimums jeweils verändern. Beispielsweise kann, wenn das Ventil hängen bleibt, die zeitliche Lage des lokalen Minimums oszillieren.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Hochdruckpumpe mit einem Ventil in einem Längsschnitt,
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2 ein Diagramm mit mehreren Signalverläufen und
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3 ein Ablaufdiagramm für ein Programm zum Betreiben der Hochdruckpumpe.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt eine Hochdruckpumpe 10 mit einem Pumpengehäuse 12. Die Hochdruckpumpe 10 ist vorzugsweise als Radialkolbenpumpe ausgebildet. Die Hochdruckpumpe 10 kann beispielsweise als Kraftstoffhochdruckpumpe einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine ausgebildet sein und Kraftstoff zu einem als Hochdruckkraftstoffspeicher ausgebildeten Fluidspeicher, dem so genannten Common Rail, mit hohem Druck pumpen.
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In dem Pumpengehäuse 12 ist ein Pumpenkolben 14 bewegbar gelagert. In dem Pumpengehäuse 12 befindet sich an einem Ende des Pumpenkolbens 14 ein Druckraum 16. Um den Druckraum 16 mit Fluid befüllen zu können, weist dieser eine Zulaufleitung 18 auf, in der vorzugsweise ein als Einlassventil ausgebildetes Ventil 20 angeordnet ist. Das als Einlassventil ausgebildete Ventil 20 ist vorzugsweise als digital geschaltetes Ventil ausgebildet. Das Ventil 20 erleichtert die Befüllung des Druckraums 16 und verhindert beim Befüllen das Zurückströmen des Fluids aus der Zulaufleitung 18. Der Druckraum 16 weist weiter eine Ablaufleitung 22 auf, in der ein als Auslassventil ausgebildetes weiteres Ventil 24 angeordnet ist. Damit kann Fluid aus dem Druckraum 16 ausgestoßen werden.
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Die Hochdruckpumpe 10 weist weiter eine Antriebswelle 26 auf, die mit einem Exzenterring 28 in Wirkverbindung steht und in einer Drehrichtung D im Uhrzeigersinn drehbar ist. Anstelle des Exzenterrings 28 kann auch eine Nockenwelle eingesetzt werden. Alternativ kann die Hochdruckpumpe 10 auch als Kurbeltriebpumpe ausgeführt sein.
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Das Ventil 20 hat ein Ventilgehäuse 30 mit einer Ausnehmung. In dem Ventilgehäuse 30 sind eine Feder 32, ein Schließkörper 34 und ein Dichtelement 36 angeordnet. Die Feder 32 spannt das Dichtelement 36 über den Schließkörper 34 vor, indem sie sich an einer Wand der Ausnehmung des Ventilgehäuses 30 abstützt. Das Ventil 20 hat weiter einen gegenüber dem Ventilgehäuse 30 fest angeordneten Dichtsitz 38.
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Das Ventil 20 weist weiter einen Aktuator 40 auf. Der Aktuator 40 weist insbesondere eine Magnetspule auf. Der Aktuator umfasst beispielsweise einen Anker 41, der mechanisch gekoppelt ist mit dem Schließkörper 34. Der Schließkörper 34 kann von dem Aktuator 40 betätigt werden.
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Im Folgenden soll die Funktionsweise der Hochdruckpumpe 10 und des Ventils 20 beschrieben werden:
Während einer ersten Pumpphase PH1 (2) wird durch eine Drehbewegung der Antriebswelle 26 in der Drehrichtung D der Pumpenkolben 14 mittels des Exzenterrings 28 zu der Antriebswelle 26 hin bewegt, bis er einen unteren Totpunkt erreicht. Dabei öffnet das Ventil 20 aufgrund der Federkraft der Feder 32 und einer Druckdifferenz vor und hinter dem Ventil 20. Das Dichtelement 36 hebt von dem Dichtsitz 38 ab. Der Druckraum 16 wird nun mit Fluid befüllt.
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Während einer zweiten Pumpphase PH2 (2) wird durch eine weitere Drehbewegung der Antriebswelle 26 in der Drehrichtung D der Pumpenkolben 14 durch den Exzenterring 28 von der Antriebswelle 26 weg bewegt und verdichtet dabei das in dem Druckraum 16 befindliche Fluid. Bereits zeitlich kurz vor Beginn dieser zweiten Pumpphase PH2 kann zu einem vorgegebenen Aktivierungszeitpunkt eine Aktivierung des Aktuators zum Schließen des Ventils 20 begonnen werden, beispielsweise kann der Aktuator durch Anlegen einer vorgegebenen Spannung an den Aktuator zum Schließen des Ventils 20 aktiviert werden. Durch das Aktivieren des Aktuators für eine vorgegebene Aktivierungsdauer mit einem vorgegebenen Stellsignal kann eine entgegen der Federkraft wirkende Aktuatorkraft auf den Schließkörper 34 wirken. Durch die Bewegung des Schließkörpers 34 in Richtung der Aktuatorkraft und der herrschenden Druckverhältnisse vor und hinter dem Ventil 20 kann sich das Dichtelement an den Dichtsitz anlegen. Das Ventil 20 ist nun hydraulisch geschlossen und ein Füllstrom durch das Ventil 20 ist unterbunden. Während einer Zeitdauer nach der Aktivierung des Aktuators 40, in der das Ventil 20 geschlossen ist, kehrt die erfasste Aktuatorspannung U_A zumindest näherungsweise auf einen Ausgangsspannungswert zurück, der beispielsweise 0 V sein kann (2). Das in dem Druckraum 16 verdichtete Fluid kann nun vollständig über das als Auslassventil ausgebildete weitere Ventil aus der Hochdruckpumpe 10 ausgestoßen werden. Nachdem der Pumpenkolben den oberen Totpunkt überschritten hat, beginnt erneut eine weitere erste Pumpphase und das Ventil 20 kann sich wieder öffnen.
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Während der vorhergehenden Aktivierung des elektromagnetischen Aktuators wurde ein magnetisches Feld in den Anker 41 des Aktuators oder den Schließkörper 34 induziert. Der Anker und/oder der Schließkörper 34 können eine Flussdichte-Feldstärke-Kennlinie mit einer Hysterese aufweisen, sodass auch, wenn die magnetische Feldstärke 0 ist, in dem Anker und/oder dem Schließkörper 34, der Anker 41 oder der Schließkörper 34 eine vorgegebene Flussdichte aufweisen kann. Eine Bewegung des Ankers und/oder des Schließkörpers 34 beim Öffnen des Ventils 20 kann eine Spannung induzieren in einem Magnetkreis des Aktuators, insbesondere in der Spule 43 des Aktuators. Die erfasste Aktuatorspannung U_A weist daher bei einer ersten Kenngröße TW_min, die repräsentativ ist für einen ersten Zeitpunkt oder einen ersten Kurbelwellenwinkel, ein lokales Minimum auf. Das lokale Minimum der Aktuatorspannung U_A charakterisiert eine maximale Geschwindigkeit des Schließkörpers 34 beziehungsweise ein Anschlagen des Ankers.
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2 zeigt ein Diagramm mit einem zeitlichen Verlauf eines ersten U_A1 und zweiten Aktuatorspannungssignals U_A2, eines Kolbenhubsignals H_K und eines ersten H_V1 und zweiten Ventilhubsignals H_V2. Das erste Aktuatorspannungssignal U_A1 und das erste Ventilhubsignal H_V1 wurden beispielsweise für einen ersten Betriebsbereich der Hochdruckpumpe 10 erfasst, beispielsweise für einen Betriebsbereich, bei dem beispielsweise das zu pumpende Fluid mit einem Druck von 0 bar beaufschlagt wird. Das zweite Aktuatorspannungssignal U_A2 und das zweite Ventilhubsignal H_V2 wurden beispielsweise für einen ersten Betriebsbereich der Hochdruckpumpe 10 erfasst, beispielsweise für einen Betriebsbereich, bei dem beispielsweise das zu pumpende Fluid mit einem Druck von 1000 bar beaufschlagt wird.
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Das Diagramm zeigt das erste U_A1 und zweite Aktuatorspannungssignal U_A2 zumindest für einen gesamten Pumpzyklus. Das erste U_A1 und zweite Aktuatorspannungssignal U_A2 umfasst somit jeweils auch die Aktivierungsdauer, während der der Aktuator 40 mit dem vorgegebenen Stellsignal zum Schließen des Ventils 20 aktiviert wird. Das Ventil 20 schließt jeweils kurz nachdem der Pumpenkolben 14 einen unteren Totpunkt durchlaufen hat. Während der Zeitdauer, in der das Ventil 20 geschlossen ist, geht das erste U_A1 und zweite Aktuatorspannungssignal U_A2 auf näherungsweise 0 V zurück. Nachdem der Pumpenkolben 14 den oberen Totpunkt überschritten hat, kann sich das Ventil 20 wieder öffnen. Das erste Aktuatorspannungssignal U_A1 weist bei der ersten Kenngröße TW_min das lokale Minimum auf. Das zweite Aktuatorspannungssignal U_A2 weist zeitlich später, bei einer weiteren ersten Kenngröße TW_min' das lokale Minimum auf. Eine zeitliche Lage des lokalen Minimums ist beispielsweise abhängig von einem Druck, der in dem Druckraum 16 der Hochdruckpumpe 10 herrscht. Bei einem größeren Druck im Druckraum 16 dauert eine Öffnungsphase des Ventils 20 länger als bei einem geringeren Druck.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Programm zum Betreiben der Hochdruckpumpe 10. Nach dem Start des Programms wird in einem Schritt S01 der Aktuator 40 für die vorgegebene Aktivierungsdauer mit dem vorgegebenen Stellsignal zum Schließen des Ventils 20 aktiviert. In einem Schritt S03 wird ein Verlauf der Aktuatorspannung U_A erfasst während einer vorgegebenen Diagnosephase, die zeitlich nach. der vorgegebenen Aktivierungsdauer liegt und die zumindest einen zu erwartenden Öffnungszeitpunkt des Ventils 20 umfasst. In einem Schritt S05 wird die erste Kenngröße TW_min ermittelt, die beispielsweise repräsentativ ist für den ersten Kurbelwellenwinkel, bei der die erfasste Aktuatorspannung U_A nach einer vorgegeben Schließdauer des Ventils 20 ein lokales Minimum aufweist. In einem Schritt S07 wird die erste Kenngröße TW_min mit einer Referenzkenngröße TW_ref vergleichen, die beispielsweise repräsentativ ist für einen Referenzkurbelwellenwinkel, und in dem Schritt S09 wird abhängig von dem Vergleich der ersten Kenngröße TW_min mit der Referenzkenngröße TW_ref ein vorgegebenes Kontrollsignal signalisiert.
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Beispielsweise kann in dem Schritt S09 abhängig von dem Vergleich der ermittelten ersten Kenngröße TW_min mit der vorgegebenen Referenzkenngröße TW_ref ein Druck in dem Druckraum 16 der Hochdruckpumpe 10 ermittelt werden und ein erstes Kontrollsignal K1 signalisiert werden, das repräsentativ ist für den Druck.
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Alternativ oder Zusätzlich kann in dem Schritt S09 abhängig von einem Vergleich von mehreren erfassten ersten Kenngrößen TW_min detektiert werden, ob das Ventil 20 eine Fehlfunktion aufweist, und wenn das Ventil 20 eine Fehlfunktion aufweist, kann ein zweites Kontrollsignal K2 signalisiert wird werden.
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Eine Vorrichtung zum Betreiben der Hochdruckpumpe 10 kann eine Recheneinheit mit einem Speicher umfassen und ausgebildet sein, die Programmschnitte des Programms zum Betreiben der Hochdruckpumpe 10 auszuführen. Die Vorrichtung kann beispielsweise Teil einer Motorsteuerung sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hochdruckpumpe
- 12
- Pumpengehäuse
- 14
- Pumpenkolben
- 16
- Druckraum
- 18
- Zulaufleitung
- 20
- Ventil
- 22
- Ablaufleitung
- 24
- weiteres Ventil
- 26
- Antriebswelle
- 28
- Exzenterring
- 30
- Ventilgehäuse
- 32
- Feder
- 34
- Schließkörper
- 36
- Dichtelement
- 38
- Dichtsitz
- 40
- Aktuator
- 41
- Anker
- 43
- Spule
- D
- Drehrichtung
- H_K
- Kolbenhubsignal
- H_V1
- erstes Ventilhubsignal
- H_V2
- zweites Ventilhubsignal
- K1, K2
- erstes Kontrollsignal, zweites Kontrollsignal
- PH1
- erste Pumpphase
- PH2
- zweite Pumpphase
- TW_min
- erste Kenngröße
- TW_min'
- weitere erste Kenngröße
- TW_ref'
- erste Referenzkenngröße
- U_A
- Aktuatorspannung
- U_A1
- erstes Aktuatorspannungssignal
- U_A2
- zweites Aktuatorspannungssignal
