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Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für eine Elektro-Kraftstoffpumpe, die Kraftstoff aus einem Tank insbesondere eines Kraftfahrzeugs zu einem Verbraucher und insbesondere zur Eingangsseite einer Hochdruckpumpe fördert, welche diesen geförderten Kraftstoff unter hohem Druck für die Einspritzung in die Brennräume einer Brennkraftmaschine oder dergleichen bereitstellt, wobei die Elektro-Kraftstoffpumpe hinsichtlich ihrer Förderleistung anhand eines eine Betriebsgröße des Verbrauchers oder der Brennkraftmaschine und zumindest eine weitere Randbedingung berücksichtigenden Bedarfskennfeldes vorgesteuert wird. Zum Stand der Technik wird neben der
DE 10 2007 062 215 A1 auf die
DE 10 2008 055 747 A1 verwiesen.
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In Kraftstoffversorgungssystemen von Brennkraftmaschinen werden zur Förderung des benötigten Kraftstoffs eine oder mehrere elektrische Kraftstoffpumpen (im weiteren auch mit den Buchstaben „EKP” abgekürzt) verwendet. Bei Brennkraftmaschinen, die mit direkter Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum arbeiten, dient eine EKP als Vorförderpumpe im sich an die EKP anschließenden sog. Kraftstoffniederdrucksystem zur Versorgung einer oder mehrerer Kraftstoffhochdruckpumpen (im weiteren auch mit den Buchstaben „HDP” abgekürzt) mit dem benötigten Kraftstoffvolumenstrom (Fördermenge) und Kraftstoffniederdruck (Vorförderdruck) aus dem Kraftstofftank. Wenngleich in der weiteren Beschreibung nurmehr von einer Brennkraftmaschine und einer dieser vorgeschalteten Hochdruckpumpe gesprochen wird, so ist doch die vorliegende Erfindung auf beliebige Verbraucher von Kraftstoff und insbesondere auf solche in einem Kraftfahrzeug anwendbar.
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Zur Ansteuerung einer oder mehrerer EKP eines Kraftstoffversorgungssystems einer Brennkraftmaschine sind nach dem Stand der Technik verschiedene Möglichkeiten bekannt. So kann die Ansteuerung der EKP in Form einer Vollansteuerung, nämlich einer Förderung des maximal benötigten Kraftstoffvolumenstroms bei einem maximal benötigten Vorförderdruck oder in Form einer bedarfsabhängigen Ansteuerung erfolgen. Bei einer bedarfsabhängigen Ansteuerung wird in einer Ausprägungsform. beispielsweise bei konstant maximalem Vorförderdruck des Kraftstoffsystems nur die Fördermenge der EKP variiert. Hierbei handelt es sich um eine sog. Last-Drehzahl-Regelung. In einer weiteren Ausprägungsform der bedarfsabhängigen Ansteuerung wird mit Hilfe einer Closed-Loop-Druckregelung unter Rückgriff auf die Messwerte eines Drucksensors im Kraftstoff-Niederdrucksystem sowohl die Fördermenge der EKP als auch deren Vor-Förderdruck geregelt. Hierfür wird folglich ein Sensor zur Erfassung des Kraftstoff-Drucks im Kraftstoffniederdrucksystem, d. h. im Bereich stromab der Elektro-Kraftstoffpumpe und stromauf der Kraftstoffhochdruckpumpe (HDP) benötigt.
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Die nach dem Stand der Technik bekannten Arten zur Ansteuerung einer EKP weisen je nach Ausführung verschieden stark ausgeprägte Nachteile auf. So wird bei Anwendung der genannten Vollansteuerung einer EKP unabhängig vom tatsächlichen momentanen Bedarf des Kraftstoffversorgungssystems stets bei maximal erforderlichem Vorförderdruck die maximal erforderliche Kraftstoffmenge gefördert. Dies ist mit einer hohen elektrischen Leistungsaufnahme der EKP verbunden. Eine hohe elektrische Leistungsaufnahme der EKP führt zu einer erhöhten Belastung der elektrischen Komponenten wie EKP, Batterie eines mit diesem Kraftstoffversorgungssystem ausgerüsteten Kraftfahrzeugs, dessen elektrischem Leitungssystem und Generator beziehungsweise allgemein einer elektrischen Stromquelle. Diese Komponenten müssen daher unter Umständen größer dimensioniert werden, was ein erhöhtes Gewicht und erhöhte Kosten zur Folge hat, oder sie weisen beispielsweise im Fall der Batterie eine geringere Lebensdauer auf. Der erhöhte Verbrauch an elektrischer Leistung führt auch zu einer Vergeudung von erzeugter elektrischer Energie; bei einem Kraftfahrzeug mit Brennkraftmaschine als Antriebsaggregat erhöht dies beispielsweise dessen/deren Kraftstoffverbrauch.
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Ein Kraftstoffversorgungssystem mit konstantem beziehungsweise nahezu konstantem maximalen Vorförderdruck und nur variabler bedarfsabhängiger Fördermenge der EKP kann diese Nachteile nur zum Teil kompensieren, da der benötigte Vorförderdruck nicht in allen Betriebszuständen eines Kraftstoffversorgungssystems maximal hoch ist. Auch dies führt zu einer hohen elektrischen Leistungsaufnahme der EKP mit den oben beschriebenen Nachteilen. Ein oben weiterhin genanntes Kraftstoffversorgungssystem mit Closed-Loop-Druckregelung und einem Drucksensor im Kraftstoffniederdrucksystem kann den jeweils bedarfsabhängig benötigten Vorförderdruck optimal einregeln und auch die Fördermenge der EKP bedarfsabhängig anpassen und damit die elektrische Leistungsaufnahme der EKP deutlich verringern. Jedoch ist ein solches System aufgrund des benötigten Kraftstoff-Niederdrucksensors mit hohen Kosten verbunden.
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Demgegenüber vorteilhafter ist es also, wie grundsätzlich bekannt (vgl. hierzu bspw. die beiden eingangs genannten Schriften) die Fördermenge der EKP und den Vorförderdruck des Niederdruck-Kraftstoffsystems durch eine geeignete Ansteuerung der EKP bedarfsabhängig vorzusteuern. Die bedarfsabhängig benötigte Fördermenge der EKP und der benötigte Vorförderdruck des Kraftstoffsystems wird vorzugsweise mit Hilfe von Bedarfskennfeldern in Abhängigkeit vom Betriebspunkt (= „Betriebsgröße”) der Brennkraftmaschine ermittelt und daraus eine benötigte Soll-Ansteuerung der EKP ermittelt und vorgegeben, aufgrund derer die EKP eine gewisse Förderleistung erbringt. Eine geeignete Soll-Ansteuerung der EKP kann beispielsweise in Form einer Soll-Drehzahl als Vorgabe für ein geeignetes EKP-Steuergerät beispielsweise mit anschließender Drehzahlregelung der EKP realisiert werden. Eine weitere geeignete Soll-Ansteuerung der EKP kann beispielsweise ein geeignetes Spannungssignal zur Ansteuerung der EKP sein.
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Vorliegend wurde erkannt, dass für ein solches grundsätzlich bekanntes Betriebsverfahren die Fördercharakteristik üblicher Elektro-Kraftstoffpumpen, die als Strömungspumpen ausgebildet sind, vorteilhaft ist. Eine allgemein als Nachteil dieses Pumpentyps betrachtete Eigenschaft, nämlich ein vom Gegendruck der Pumpe abhängiger Fördervolumenstrom bei konstanter geeigneter Ansteuerung der EKP wird im Rahmen eines solchen Betriebsverfahrens vorteilhaft genutzt, wenn die EKP zumindest einen Teil ihres Förder-Volumenstroms in einen Druckspeicher, der auch durch ein sich an die EKP anschließendes Leitungssystemdargestellt sein kann, fördert. Fördert nämlich die EKP bei bedarfsgerechter Soll-Ansteuerung einen Volumenstrom der größer ist als der benötigte Volumenstrom, so steigt der Druck im Druckspeicher und damit auch der Gegendruck an der EKP an, da die aus dem Druckspeicher entnommene Menge kleiner ist als die in den Druckspeicher hinein geförderte Kraftstoffmenge, und es reduziert sich demzufolge selbsttätig die Fördermenge, d. h. der geförderte Volumenstrom der EKP. Diese Reduzierung der Fördermenge erfolgt bei konstanter Soll-Ansteuerung der EKP mit gleichzeitig ansteigendem Vorförderdruck so lange, bis beispielsweise in einem stationären Betriebspunkt die in den Druckspeicher hinein geförderte Kraftstoffmenge gleich der aus dem Druckspeicher entnommen Kraftstoffmenge ist. Fördert hingegen die EKP bei bedarfsgerechter Soll-Ansteuerung einen Volumenstrom, der kleiner ist als der benötigte Volumenstrom, so sinkt der Druck im Druckspeicher und damit auch der Gegendruck an der EKP, da die aus dem Druckspeicher entnommene Menge größer ist als die in den Druckspeicher hinein geförderte Kraftstoffmenge, und es erhöht sich demzufolge selbsttätig die Fördermenge, d. h. der geförderter Volumenstrom der EKP. Diese Erhöhung der Fördermenge erfolgt bei konstanter Soll-Ansteuerung der EKP mit gleichzeitig absinkendem Vorförderdruck so lange, bis beispielsweise in einem stationären Betriebspunkt die in den Druckspeicher hinein geförderte Kraftstoffmenge gleich der entnommen Kraftstoffmenge ist.
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Jedoch hat sich gezeigt, dass eine solche Vorsteuerung einer Elektro-Kraftstoffpumpe anhand eines Bedarfskennfelds einer weiteren Anpassung bedarf, wenn (neben der Brennkraftmaschine oder dgl.) ein weiterer Abnehmer für den geförderten Kraftstoff-Volumenstrom vorhanden ist, was insbesondere dann der Fall ist, wenn innerhalb des Kraftstofftanks in grundsätzlich bekannter Weise eine Saugstrahlpumpe vorgesehen ist, die mit Hilfe eines Teilstromes des von der Elektro-Kraftstoffpumpe geförderten Kraftstoffstroms Kraftstoff aus einem Bereich des Tanks in einen anderen Bereich des Tanks fördert (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
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Die Lösung dieser Aufgabe ist für ein Betriebsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Bedarf einer im Tank angeordneten Saugstrahlpumpe, die mit Hilfe eines Teilstromes des von der Elektro-Kraftstoffpumpe geförderten Kraftstoffstroms Kraftstoff aus einem Bereich des Tanks in einen anderen Bereich des Tanks fördert, in der Vorsteuerung mit berücksichtigt wird. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
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Insbesondere in Kraftstofftanks in Kraftfahrzeugen finden sich oftmals eine oder mehrere Saugstrahlpumpen (im weiteren auch mit den Buchstaben „SSP” abgekürzt), mit Hilfe derer eine sichere Kraftstoffversorgung an der Ansaugstelle der EKP auch bei geringen Füllständen im Kraftstofftank sicher gestellt wird. Beispielsweise fördert eine SSP Kraftstoff aus einem Teilraum des Tanks in einen sog. Schwalltopf, in welchem sich die EKP befindet oder der Kraftstofftank ist von der sog. Sattelbauart, wobei eine SSP den Kraftsoff aus der bspw. linken Tankhälfte in die rechte Tankhälfte fördert, in welcher sich die EKP befindet. Angetrieben werden solche Saugstrahlpumpen (SSP) bekanntlich von einem Teilstrom des von der EKP geförderten Kraftstoffstroms, der hierzu aus dem genannten Kraftstoffniederdrucksystem quasi zurück in das im Tank befindliche Kraftstoffvolumen fördert.
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Vorliegend wurde erkannt, dass sich die Charakteristik einer oder mehrerer im Kraftstoffversorgungssystem bzw. im Tank vorhandener Saugstrahlpumpe(n) (SSP) ebenfalls vorteilhaft nutzen lässt. Beispielsweise ist bei geringen Volumenstrombedarfen der Brennkraftmaschine (beispielsweise der Bedarf des Einspritzsystems oder der Bedarf der Kraftstoffhochdruckpumpe HDP des Einspritzsystems) der von einer oder mehrerer SSP benötigte Treibvolumenstrom zum Betrieb der SSP häufig deutlich größer als der Volumenstrombedarf der Brennkraftmaschine. Häufig erfolgt die Anordnung der Brennkraftmaschine in einem Kraftstoffsystem in einer Parallelschaltung mit einer oder mehrerer SSP. Unter Anwendung der elektrischen Analogie über die Parallelschaltung von elektrischen Widerständen zeigt sich, dass der analoge Gesamtwiderstand” des Systems, der von der EKP zur korrekten Versorgung des Brennkraftmaschines und der SSP überwunden werden muss, dem folgenden Zusammenhang entspricht:
„Gesamtwiderstand” im Kraftstoffsystem = („Widerstand” der Brennkraftmaschine multipliziert mit dem „Widerstand” der SSP und dividiert durch die Summe aus dem („Widerstand” der Brennkraftmaschine und dem „Widerstand” der SSP).
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Falls also der von der Brennkraftmaschine abgenommene Volumenstrom wesentlich geringer und somit der „Widerstand” der Brennkraftmaschine wesentlich höher als der Volumenstrom bzw. „Widerstand” der SSP ist, so kann der Gesamtwiderstand des Kraftstoffsystems näherungsweise auf den Widerstand der SSP reduziert werden. Das Verhalten des Gesamtkraftstoffsystems kann daher bei einem geringen Kraftstoff-Volumenstrombedarf der Brennkraftmaschine durch das Verhalten der Saugstrahlpumpe approximiert werden. Beispielsweise wird dazu bei der Ermittlung der Soll-Ansteuerung der EKP in diesen Betriebszuständen nur der Kraftstoff-Volumenstrombedarf der SSP berücksichtigt, was den Aufwand der Ermittlung der Soll-Ansteuerung der EKP reduziert. Bei erhöhten Kraftstoff-Volumenstrombedarfen der Brennkraftmaschine können in die Ansteuerung der EKP entsprechend der Gesetzmäßigkeiten der Parallelschaltung von elektrischen Widerständen (vgl. oben) alle Kraftstoff-Volumenströme mit einbezogen werden. Der von der EKP geförderte Kraftstoffvolumenstrom entspricht dann in diesen Betriebszuständen besser dem tatsächlichen Bedarf.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich auch durch die Berücksichtigung des Füllstands des Kraftstoff-Tanks. Wie bereits erwähnt werden SSP zum Transport von Kraftstoff von beispielsweise schlecht zugänglichen Stellen des Tanks an die Ansaugstelle der EKP (häufig in einem Schwalltopf gelegen) verwendet. Gibt es Betriebszustände, bei denen ohnehin sichergestellt ist, dass sich an der Ansaugstelle der EKP eine ausreichende Menge von Kraftstoff befindet, so insbesondere oberhalb eines bestimmten Füllstands des Tanks oder des genannten Schwalltopfs, so muss die SSP nicht notwendigerweise betrieben werden. Dies kann geeignet bei der Ermittlung der benötigten Fördermenge der EKP und/oder des benötigten Vorförderdrucks des Niederdruckkraftstoffsystems berücksichtigt werden, d. h. es wird in einer elektronischen Steuereinheit aus dem Füllstand im Tank oder in einem die Elektro-Kraftstoffpumpe aufnehmenden Schwalltopf abgeleitet, ob die Saugstrahlpumpe betrieben werden muss und es wird diese nur bejahendenfalls mit einem Kraftstoff-Teilstrom versorgt.
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Zur Ermittlung der benötigten Fördermenge der EKP und/oder des benötigten Vorförderdrucks im Niederdruckkraftstoffsystem können als Basis für die Ansteuerung der EKP verschiedene Eingangsgrößen herangezogen werden. So ergibt sich der benötigte Kraftstoff-Volumenstrom der EKP, nämlich deren Fördermenge häufig aus der Summe des Bedarfs der Brennkraftmaschines und der Bedarfe der gegebenenfalls mehreren Saugstrahlpumpen. Der Kraftstoff-Volumenstrombedarf der SSP, d. h. deren benötigter Treibvolumenstrom hängt dabei häufig vom Kraftstoffdruck in der vom Niederdruckkraftstoffsystem versorgten Treibleitung der SSP und beispielsweise von der geometrischen Gestaltung der SSP, so insbesondere dem Düsendurchmesser der SSP, ab. Weiter ergibt sich beispielsweise der benötigte Vorförderdruck im Niederdruckkraftstoffsystem häufig aus der Absicht, Dampfblasenbildung beziehungsweise Kavitation im Kraftstoffsystem zu vermeiden. Der benötigte Vorförderdruck des Kraftstoffsystems muss beispielsweise bei allen auftretenden Kraftstoff-Temperaturen im Kraftstoffsystem über den Werten der Dampfdruckkurve des verwendeten Kraftstoffs liegen. Treten darüber hinaus Druckschwingungen im Kraftstoffsystem auf, können die Druckwerte der Dampfdruckkurve des Kraftstoffs beispielsweise bei höheren lokalen Strömungsgeschwindigkeiten auch lokal unterschritten werden, wodurch es zu Dampfblasenbildung beziehungsweise Kavitationserscheinungen kommen kann. Nachdem Druckschwingungen im Kraftstoffsystem dynamische Effekte sind, können bei der Ermittlung des benötigten Vorförderdrucks des Kraftstoffsystems auch dynamische Größen wie Kraftstoffvolumenströme, Drehzahlen von Wellen (beispielsweise die Kurbelwellendrehzahl der Brennkraftmaschine) und/oder lineare oder rotatorische Geschwindigkeiten von relevanten Bauteilen herangezogen werden.
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In einer vereinfachten erfindungsgemäßen Systemauslegung können für verschiedene Eingangsgrößen, welche die benötigte Fördermenge der EKP und/oder den benötigten Vorförderdruck des Kraftstoffsystems beeinflussen auch bestimmte Worst-Case-Annahmen, so beispielsweise in Form einer maximalen Kraftstofftemperatur oder einer maximalen Wellendrehzahl, getroffen werden. Die Ermittlung der benötigten Fördermenge der EKP und/oder des benötigten Vorförderdrucks des Kraftstoffsystems vereinfacht sich dadurch. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zur Ermittlung der benötigten Fördermenge der EKP und/oder des benötigten Vorförderdrucks des Kraftstoffsystems nur solche Eingangsgrößen verwendet, die beispielsweise in einer elektronischen Steuereinheit der Brennkraftmaschine oder anderweitig bereits zur Verfügung stehen. Beispielsweise kann so auf zusätzliche Sensoren zur Erfassung von Eingangsgrößen verzichtet werden. Beispielshaft sei hier (nochmals) genannt, dass die Temperatur des Kraftstoffs insbesondere im Hinblick auf die Vermeidung von Dampfblasenbildung im Kraftstoffstrom insbesondere stromab der Elektro-Kraftstoffpumpe in der Vorsteuerung mit berücksichtigt wird.
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Um eine sichere Funktion des Kraftstoffniederdrucksystems bei der bedarfsgerechten Ansteuerung der EKP sicherzustellen, können Verhaltens-Streuungen oder Toleranzen von relevanten Bauteilen beziehungsweise Komponenten des Kraftstoffsystems bei der Ermittlung der benötigten Fördermenge der EKP und/oder des benötigten Vorförderdrucks des Kraftstoffsystems mit berücksichtigt werden. Beispielsweise kann der benötigte Vorförderdruck des Kraftstoffsystems um Vorhalte für konstante oder beispielsweise kraftstoffvolumenstromabhängige Druckverluste erweitert werden. Solche Druckverluste treten beispielsweise bei der Durchströmung eines Kraftstofffilters oder bei der Durchströmung von Kraftstoffleitungen auf. Beispielsweise kann auch die Streuung der Fördercharakteristik der EKP in einen Vorhalt bezüglich des benötigten Vorförderdrucks des Kraftstoffsystems übersetzt werden. Liefert ein bestimmtes Exemplar einer EKP (sog. „Minimums-EKP”) beispielsweise gegenüber einer durchschnittlichen EKP (sog. „mittlere EKP”) bei gleicher Ansteuerung einen reduzierten Kraftstoffvolumenstrom, so kann dies über folgenden Zusammenhang in einen zusätzlichen Druckvorhalt bei der Ermittlung der notwendigen Soll-Ansteuerung der EKP umgerechnet werden:
Druckvorhalt = (Volumenstrom der „Minimums-EKP” minus Volumenstrom der „mittleren EKP”)/(partielle Ableitung des Volumenstroms der EKP nach dem Gegendruck der EKP).
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die genannten Vorhalte beispielsweise für Druckverluste von Bauteilen oder Komponenten des Kraftstoffsystems abhängig von bestimmten Eingangsgrößen gemacht werden. Beispielsweise variiert der Druckverlust eines Kraftstofffilters unter anderem mit dem Verschmutzungsgrad des Kraftstofffilters, wobei ein steigender Verschmutzungsgrad steigende Druckverluste bei Durchströmung des Kraftstofffilters verursacht. Häufig nimmt der Verschmutzungsgrad des Kraftstofffilters mit der Betriebszeit des Kraftstofffilters zu. Des Weiteren führt beispielsweise mit zunehmender Betriebszeit zunehmender Verschleiß an der EKP zu einer Verringerung der Förderleistung bei gleicher Ansteuerung der EKP, weshalb besonders vorteilhaft die jeweilige Betriebszeit direkt oder indirekt zur Anpassung beispielsweise der Vorhalte für die Druckverluste im System oder für Vorhalte zur Alterung der EKP berücksichtigt werden kann. Eine direkte Berücksichtigung der Betriebszeit ist mittels eines Zeitmessers und Zählers möglich, während für eine sog. indirekte Berücksichtigung der Betriebszeit beispielsweise der Kilometerstands-Zähler eines Kraftfahrzeugs, in dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, herangezogen werden kann.
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Da die auftretenden Toleranzen und Streuungen von Bauteilen und Komponenten des Kraftstoffsystems in Form der oben genannten Vorhalte häufig zu einer Erhöhung der benötigten Fördermenge der EKP und/oder des benötigten Vorförderdrucks des Kraftstoffsystems führen, ist es besonders vorteilhaft, die Systemkonfiguration bezüglich ihrer Lage in den Streubändern und Toleranzfeldern möglichst genau zu kennen, so beispielsweise ob eine sog. „Minimums-EKP” oder ob eine o. g. „mittlere EKP” verbaut ist. Damit können die notwendigen Vorhalte der benötigten Fördermenge der EKP und/oder des benötigten Vorförderdrucks des Kraftstoffsystems systemspezifisch reduziert werden. Beispielsweise kann dies durch eine Prüfung der verwendeten Komponenten des Niederdruck-Kraftstoffsystems in Verbindung mit einer Ermittlung beispielsweise der Fördercharakteristik der verwendeten EKP und/oder beispielsweise einer Ermittlung der Charakteristik der verwendeten SSP erfolgen. Die Anpassung der Vorhalte auf diese oder andere Komponenten kann dann genau abgestimmt auf das jeweils verbaute System erfolgen.
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Was die vorteilhaften Vorhalte für einen Druckverlust infolge einer Verschmutzung des Kraftstofffilters und/oder für eine reduzierte Förderleistung aufgrund von Verschleiß der EKP betrifft, so können diese die fehlende Information über die Höhe des sich im Niederdrucksystem tatsächlich einstellenden Kraftstoff-Drucks, die für eine sichere Funktion des Systems auch wegen Streubändern von Bauteilen und Komponenten des Niederdruck-Kraftstoffsystems eigentlich benötigt würde, jedoch nicht vorliegt, zumindest im wesentlichen ersetzen. Solche Vorhalte werden also gemacht, um auch ein Kraftstoffversorgungssystem mit Komponenten an den Grenzen der Streubänder funktionssicher betreiben zu können, und zwar auch dann, wenn eine bereits genannte „Minimums-EKP” verbaut ist. Solche Vorhalte für den Förderstrom der EKP und/oder für den Vorförderdruck des Kraftstoffversorgungssystems können konstant vorgeben sein oder in besonders vorteilhafter Weise in Abhängigkeit bestimmter Eingangsgrößen variabel, das heißt beispielsweise abhängig vom Betriebszustand, angepasst werden. So nimmt der Druckverlust über ein Kraftstofffilter mit steigendem Verschmutzungsgrad des Kraftstofffilters zu. Der Verschmutzungsgrad eines Kraftstofffilters nimmt dabei im Allgemeinen mit der Betriebszeit des Kraftstofffilters zu. Der Druckabfall über einen verschmutzten Kraftstofffilter kann beispielsweise bei der Ermittlung eines benötigten Vorförderdrucks des Kraftstoffsystems als konstanter Druckvorhalt berücksichtigt werden.
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Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausbildung der vorliegenden Erfindung ist es, nicht einen konstanten Druckvorhalt für einen verschmutzten Kraftstofffilter bei der Ermittlung des benötigten Vorförderdrucks der EKP zu berücksichtigen, sondern diesen beispielsweise über ein Modell des Druckabfalls über dem Verschmutzungsgrad variabel und zum Beispiel abhängig von der Betriebszeit des Kraftstofffilters zu gestalten. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung dieser Erfindung wird zum Beispiel bei einem neuen Kraftstofffilter nur ein geringer Druckverlust über den Kraftstofffilter vorgehalten. Dieser Druckvorhalt wird dann mit laufender Betriebszeit des Kraftstofffilters entsprechend der zunehmenden Verschmutzung geeignet erhöht. Die Erhöhung des Druckvorhalts für den Kraftstofffilter über beispielsweise der Betriebszeit kann dabei nach beliebigen, vorzugebenden Gesetzmäßigkeiten erfolgen. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist dabei zum Beispiel die Annahme eines linear oder stufenweise mit der Betriebszeit (siehe weiter oben: direkt oder indirekt) des Kraftstofffilters zunehmenden Druckvorhalts; alternativ kann eine genauere Berücksichtigung des Verschmutzungsverhaltens und des damit notwendigen variablen Druckvorhalts über der Betriebszeit über ein sog. Verschmutzungsmodell umgesetzt sein. Dabei sind neben der Betriebszeit weitere Eingangsgrößen, beispielsweise die Kraftstofftemperatur oder die Kraftstoffsorte möglich, die einen variablen Druckvorhalt für die Druckverluste am Kraftstofffilter beeinflussen. Beispielsweise hängt die Kraftstoffdichte von der Kraftstoffsorte und von der Kraftstofftemperatur ab und die Kraftstoffdichte beeinflusst ebenfalls die Druckverluste und damit den notwendigen Druckvorhalt am Kraftstofffilter.
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Des Weiteren kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch der mit der Betriebszeit der EKP zunehmende Verschleiß der Elektro-Kraftstoffpumpe, so beispielsweise der mechanische Verschleiß des Pumpenwerks, in Form eines konstanten oder variablen Förderstromvorhalts der EKP und/oder in Form eines konstanten oder variablen Vorhalts des Vorförderdrucks bei der Ermittlung der benötigten Ansteuerung der EKP berücksichtigt werden. Im Allgemeinen nimmt bei konstanter Ansteuerung die Fördermenge einer EKP mit zunehmendem Verschleiß ab. Die mechanischen Bauteile einer EKP unterliegen während des Betriebs einem kontinuierlichen Verschleiß. Um eine sichere Funktion eines Kraftstoffversorgungssystems mit bedarfsabhängiger Vorsteuerung der EKP während der gesamten Systemlebensdauer sicherzustellen, kann dieser Verschleiß in Form eines Förderstromvorhalts oder in Form eines Vorhalts für den Vorförderdruck berücksichtigt werden. Ein positiver Förderstromvorhalt, d. h. Vorhalt des Kraftstoffvolumenstroms führt bei einem Kraftstoffsystem mit erfindungsgemäßer bedarfsabhängiger Vorsteuerung der EKP beim Betrieb mit einer neuen EKP wie weiter oben erläutert zu einer Erhöhung des Vorförderdrucks und lässt sich damit direkt in einen Druckvorhalt zur Erhöhung des Vorförderdrucks umrechnen. Im Folgenden wird daher nur mehr von einem Druckvorhalt gesprochen.
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Verwendet man beispielsweise einen konstanten Druckvorhalt, wird bereits eine neuere EKP, die keinen bzw. allenfalls nur geringen Verschleiß zeigt, dem Druckvorhalt entsprechend zu hoch angesteuert und liefert einen um mindestens den Druckvorhalt für den EKP-Verschleiß zu hohen Vorförderdruck. Dies verringert zwar das Potential zur Absenkung der elektrischen Leistungsaufnahme der EKP, erlaubt aber einen betriebssicheren Betrieb auch bei verschlissener EKP. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht nun vor, den Druckvorhalt für den Verschleiß der EKP nicht konstant, sondern abhängig vom jeweiligen Verschleißzustand der EKP variabel zu gestalten. Bei einer neueren EKP, die keinen bzw. allenfalls nur geringen Verschleiß zeigt, wird somit nur ein geringerer Druckvorhalt gemacht, während bei einer EKP mit hoher Laufzeit der Druckvorhalt geeignet erhöht wird. Die Erhöhung des Druckvorhalts für den Verschleißzustand der EKP kann dabei nach beliebigen, vorzugebenden Gesetzmäßigkeiten beispielsweise in Abhängigkeit von der Betriebszeit der EKP, die auch anhand der Laufleistung eines Kfz ermittelt werden kann, in dem diese EKP arbeitet, erfolgen. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist dabei zum Beispiel die Annahme eines linear oder stufenweise mit der Betriebszeit (oder dgl.) der EKP zunehmenden Druckvorhaltes aufgrund des Verschleißzustandes der EKP. Eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung dieser Anpassung des Druckvorhalts zur Berücksichtigung des Verschleißzustandes der EKP ist die genaue Berücksichtigung des Verschleißverhaltens und des damit notwendigen variablen Druckvorhalts über ein geeignetes Verschleißmodell. Neben der Betriebszeit sind dabei weitere Eingangsgrößen, so beispielsweise die Kraftstofftemperatur oder die Kraftstoffsorte möglich, die einen variablen Druckvorhalt für den Verschleißzustand der EKP beeinflussen. Beispielsweise hängt die Kraftstoffdichte von der Kraftstoffsorte und von Kraftstofftemperatur ab und die Kraftstoffdichte beeinflusst ebenfalls die von der EKP geförderte Fördermenge und damit den notwendigen Druckvorhalt für den variablen Verschleißzustand der EKP.
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Weiter kann bei geeigneter Kraftstoffsystemkonfiguration ein gegebenenfalls vorhandener Kraftstoff-Hochdrucksensor, der den Kraftstoff-Druck stromab einer eingangs genannten und der EKP nachgeschalteten Kraftstoff-Hochdruckpumpe (HDP) ermittelt, genutzt werden, um den Druck im Niederdruckkraftstoffsystem zu ermitteln. Weiter kann ein eventuell vorhandenes Signal der Stromaufnahme der EKP dazu genutzt werden, den mit der vorhandenen Soll-Ansteuerung der EKP erhaltenen Vorförderdruck näher einzugrenzen. Dies kann beispielsweise über die Korrelation der elektrischen Leistungsaufnahme der EKP mit ihrer hydraulischen Leistung über ihren Wirkungsgrad erfolgen. Wird im Kraftstoffniederdrucksystem werter ein hydraulisches Ventil, beispielsweise ein Druckbegrenzungsventil zum Bauteilschutz verwendet, kann bei geeigneter Kraftstoffsystemkonfiguration mit Hilfe eines eventuell vorhandenen Kraftstoffhochdrucksensors, ausgehend von einem niedrigen Systemdruck des Kraftstoffniederdrucksystems, bei einer stetig zunehmenden Ansteuerung der EKP und damit stetig zunehmendem Vorförderdruck ein Ansprechen dieses Ventils bei Überschreiten seines in relativ engen Grenzen bekannten Öffnungsdrucks detektiert werden. Beispielsweise lassen sich so aus dem bekannten Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils und der zu diesem Zeitpunkt bekannten Soll-Ansteuerung der EKP die Toleranzlagen beziehungsweise die tatsächlich auftretenden Streuungen im Kraftstoffsystem werter eingrenzen. Die benötigten Vorhalte für die Fördermenge der EKP und beziehungsweise oder für den benötigten Vorförderdruckdruck des Kraftstoffsystems lassen sich damit verringern. Dies hat eine weitere Verringerung der elektrischen Leistungsaufnahme der EKP zur Folge.
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In Kombination mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Kraftstoffsystem mit bedarfsabhängiger Vorsteuerung der EKP sind auch weitere vorteilhafte Möglichkeiten zur Umsetzung von Diagnose- und Notlaufkonzepten möglich. Beispielsweise kann über eine eventuell vorhandene Kraftstoffhochdruckregelung oder einen eventuell vorhanden Kraftstoffhochdrucksensor eine Unterschreitung des minimal erforderlichen Vorförderdrucks der EKP zur Vermeidung von Dampfblasenbildung beziehungsweise zur Vermeidung von Kavitation detektiert werden: Kommt es infolge der Unterschreitung des minimal erforderlichen Vorförderdrucks zu einer Dampfblasenbildung beziehungsweise zur Kavitation im Niederdruckkraftstoffsystem, kann bei bestimmten Hochdruckpumpenkonzepten der Wirkungsgrad der HDP einbrechen. Dadurch reduziert sich die geförderte Kraftstoffmenge der HDP stark. Bei einer eventuell vorhandenen Kraftstoffhochdruckregelung führt dies zu erhöhten Ausschlägen des Hochdruckreglers, der versucht, den Kraftstoffhochdruck trotz des Wirkungsgradeinbruchs an der HDP weiterhin auf seinen Sollwert zu regeln. Diese Ausschläge des Hochdruckreglers können detektiert werden. Mit Hilfe eines eventuell vorhandenen Kraftstoffhochdrucksensors lassen sich auch Einbrüche des Kraftstoffdrucks im Hochdrucksystem als Folge der verringerten geförderten Kraftstoffmenge der HDP erkennen. Die Anzahl dieser detektierten Ausschläge des Hochdruckreglers beziehungsweise der Einbrüche des Kraftstoffhochdrucks des Kraftstoffsystems, verursacht durch eine falsche Soll-Ansteuerung der EKP bezüglich des Vorförderdrucks beziehungsweise durch sonstige Fehler im Kraftstoffsystem, lässt sich aufsummieren und kann beispielsweise bei Überschreitung einer definierten Anzahl (= sog. Schaltschwelle) als Auslöser für eine Umschaltung in einen Notlaufbetrieb verwendet werden.
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Zur weiteren Verdeutlichung ist in der beigefügten Prinzipskizze ein sog. Niederdruckkraftstoffsystem mit einer erfindungsgemäß betriebenen Elektro-Kraftstoffpumpe auf das wesentliche abstrahiert dargestellt. Dabei ist mit der Bezugsziffer 1 ein Kraftstoff-Tank eines Kraftfahrzeugs gekennzeichnet und mit der Bezugsziffer 2 ein sog. Schwalltopf, aus dem eine Elektro-Kraftstoffpumpe 3 (EKP) Kraftstoff zu einem Verbraucher, hier einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 4 (HDP) fördert, welche einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine diesen angeförderten Kraftstoff unter hohem Druck zur Einspritzung in die Maschinen-Brennräume zur Verfügung stellt. In den Schwalltopf 2 gelangt Kraftstoff aus dem Tank 1 mittels einer in der vorliegenden Skizze außerhalb des Tanks 1, bevorzugt jedoch innerhalb des Tanks 1 angeordneten Saugstrahlpumpe 5 (SSP), deren Förderstrom (= Treibvolumenstrom) von der EKP 3 bereit gestellt wird. Dementsprechend verzweigt sich die Förderleitung 6 der EKP 3 stromauf eines Druckhalteventils 7 in einen Nebenzweig 8, in welchem gegebenenfalls ein schaltbares Sperrventil 9, welches auch ein einstellbares Regelventil sein kann, vorgesehen ist und der zur SSP 5 führt. Das bereits genannte Druckhalteventil 7 befindet sich im zur HDP 4 führenden Hauptzweig 10, in welchem weiterhin ein Kraftstoff-Filter 11 vorgesehen ist, stromab dessen eine ein Druckbegrenzungsventil 12 enthaltende Rückführleitung 13 in den Tank 1, genauer in dessen Schwalltopf 2 zurück führt, wobei über dieses Druckbegrenzungsventil 12 der maximale Druck im gezeigten Niederdruckkraftstoffsystem festgelegt ist.
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Die Elektro-Kraftstoffpumpe 3 wird wie vorstehend beschrieben betrieben, wobei die Saugstahlpumpe 5 nur dann betrieben wird, wenn dies zur Befüllung des Schwalltopfes 2 erforderlich ist. Ist hingegen der mittels eines nicht gezeigten Sensors ermittelte Füllstand im Schwalltopf so hoch, dass die EKP 3 für eine hinreichende Zeit ausreichend Kraftstoff fördern kann, so schaltet eine nicht dargestellte elektronische Steuereinheit das Sperrventil 9 in seine geschlossene Position, so dass kein unnötiges und energieverzehrendes Umwälzen von Kraftstoff durch die SSP 5 erfolgt.
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Das oben beschriebene Betriebsverfahren zeichnet sich durch eine bedarfsgerechte Ansteuerung der EKP und damit eine deutlich verringerte hydraulische Leistung und deutlich verringerte elektrische Leistungsaufnahme der EKP in weiten Betriebsbereichen aus. Die Verringerung der elektrischen Leistungsaufnahme führt bei Systemen, bei denen die elektrische Energie durch Wandlung beispielsweise aus chemischer Energie eines Kraftstoffs erzeugt wird, zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs. Durch den in weiten Betriebsbereichen geringeren Systemdruck des Kraftstoffniederdrucksystems und die verringerte hydraulische und elektrische Leistungsaufnahme können die Komponenten des Kraftstoffsystems beispielsweise weniger stark dimensioniert werden. Beispielsweise können sich dadurch Vorteile hinsichtlich des notwendigen Bauraumes, der Kosten oder des Gewichts der Kraftstoffsystemkomponenten ergeben. Durch die Verringerung der umgesetzten Leistung kann sich auch der auftretende Verschleiß von Komponenten und Bauteilen des Kraftstoffsystems verringern, wobei vorteilhafterweise vorliegend auch aufgezeigt wurde, wie Toleranzen und Alterungserscheinungen, die bei einem Kraftstofffilter durch höhere Druckverluste und bei einer EKP durch eine verringerte Förderleistung sichtbar werden, kompensiert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007062215 A1 [0001]
- DE 102008055747 A1 [0001]
