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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
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Mengensteuerventile, beispielsweise in einer Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine, sind vom Markt her bekannt. Mengensteuerventile werden im Allgemeinen elektromagnetisch betrieben und sind häufig ein integraler Bestandteil einer Hochdruckpumpe der Kraftstofffördereinrichtung. Das Mengensteuerventil steuert die zu einem Hochdruckspeicher (”Rail”) gepumpte Kraftstoffmenge, von wo aus Kraftstoff zu den Einspritzventilen der Brennkraftmaschine geleitet wird. Ein mit einem Ventilkörper des Mengensteuerventils gekoppelter Anker kann durch Magnetkraft bewegt werden. Der Ventilkörper meist eines Einlassventils der Hochdruckpumpe – kann gegen einen Ventilsitz anschlagen, beziehungsweise von dem Ventilsitz abgehoben werden. Dadurch kann eine Kraftstoffmenge der Brennkraftmaschine geregelt werden.
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Eine Patentveröffentlichung aus diesem Fachgebiet ist beispielsweise die
EP 1 042 607 B1 .
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass ein Mengensteuerventil (Zumesseinrichtung) einer Kraftstofffördereinrichtung – insbesondere während eine Brennkraftmaschine bei mittleren oder niedrigen Drehzahlen betrieben wird – mit vergleichsweise geringer elektrischer Energie angesteuert werden kann. Das Betriebsgeräusch des Mengensteuerventils kann gesenkt und die Dauerfestigkeit erhöht werden.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine, bei dem zur Einstellung einer Fördermenge eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung eines in einem Zulauf zu einem Förderraum der Kraftstofffördereinrichtung angeordneten Mengensteuerventils geschaltet wird. Dazu wird der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung bei jedem Schaltvorgang, bei welchem ein Anker in Richtung auf einen Hubanschlag bewegt werden soll, mittels der Ansteuerung Energie zugeführt. Beispielsweise erfolgt das Schalten des Mengensteuerventils zweimal, dreimal oder sogar viermal während einer Umdrehung einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine. Zum sicheren Schalten des Mengensteuerventils und zum Erreichen kurzer Schaltzeiten auch bei der größtmöglichen Drehzahl der Nockenwelle bzw. der Brennkraftmaschine sind vergleichsweise hohe Energien erforderlich.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bei Drehzahlen unterhalb der Höchstdrehzahl die Anforderung an eine kurze Schaltzeit entsprechend weniger kritisch ist. Somit wird erfindungsgemäß die Stärke der der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung zum Schalten zugeführten Energie, insbesondere eines der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung zugeführten Stroms und/oder eine Höhe einer an die elektromagnetische Betätigungseinrichtung angelegten Spannung, wenigstens zeitweise von einer Drehzahl der Nockenwelle bzw. der Brennkraftmaschine abhängig gemacht, und zwar dahingehend, dass sie bei niedrigen Drehzahlen geringer ist als bei großen.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Energie nur während einer Anzugsphase, während der der Anker der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung von einer ersten in eine zweite Position bewegt wird, von der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängt. Die Anzugsphase benötigt besonders viel Energie um eine jeweils erforderliche kurze Schaltzeit zu erreichen. Somit ist die erfindungsgemäße Abhängigkeit der Ansteuerung von der Drehzahl der Brennkraftmaschine während der Anzugsphase besonders effizient. Die Ansteuerung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung während einer auf die Anzugsphase folgenden Haltephase kann im Wesentlichen unabhängig von der Drehzahl erfolgen.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Energie mit steigender Drehzahl erhöht wird, wobei der Zusammenhang monoton ist. Dadurch wird berücksichtigt, dass die Bewegung des Ankers entsprechend der Drehzahl im Allgemeinen schneller erfolgen muss. Vorzugsweise erfolgt dies unter Verwendung einer stetigen und monotonen Kennlinie.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die Energie derart gesteuert wird, dass das Mengensteuerventil innerhalb eines für eine jeweilige Drehzahl vorgesehenen Zeitintervalls sicher geschaltet werden kann. Das Zeitintervall ist für niedrigere Drehzahlen im Allgemeinen größer als für höhere Drehzahlen, und ist jeweils so bemessen, dass das Mengensteuerventil korrekt arbeiten kann. Der dadurch mögliche zeitliche Spielraum wird erfindungsgemäß genutzt, um eine Anzugsdauer des Ankers bei niedrigen Drehzahlen im Rahmen des jeweiligen Zeitintervalls zu verlängern. Dazu ist eine jeweils geringere Energie erforderlich.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der Strom und/oder die Spannung zur Ansteuerung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung getaktet werden. Beispielsweise wird die elektromagnetische Betätigungseinrichtung mittels eines elektronischen Schalters mehrmals während der Anzugsphase und/oder der Haltephase des Ankers an eine Betriebsspannung angeschaltet und wieder davon abgeschaltet. Ein dabei eingestelltes Tastverhältnis bestimmt somit den mittleren Strom während der Ansteuerung. Das Tastverhältnis wird so eingestellt, dass der mittlere Strom in erfindungsgemäßer Weise von der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängt. Vorzugsweise erfolgt ein Betätigen des elektronischen Schalters in Abhängigkeit von je einer unteren und oberen Stromschwelle. Wenn der durch eine Spule der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung fließende Strom die untere Stromschwelle unterschreitet, dann wird der elektronische Schalter geschlossen und somit die Spule an die Betriebsspannung geschaltet. Dadurch erhöht sich der über die Spule fließende Strom – und eine dadurch bewirkte magnetische Kraft – kontinuierlich. Wenn der durch die Spule fließende Strom die obere Stromschwelle überschreitet, dann wird der elektronische Schalter geöffnet und somit die Spule von der Betriebsspannung abgeschaltet. Dadurch vermindert sich der über die Spule fließende Strom – und entsprechend die magnetische Kraft – kontinuierlich. Im Allgemeinen sind die für die Anzugsphase und die Haltephase verwendeten Stromschwellen jeweils unterschiedlich.
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Alternativ zur Verwendung von Stromschwellen ist es auch möglich, die elektromagnetische Betätigungseinrichtung mittels einer ”vorgesteuerten” pulsweitenmodulierten Spannung anzusteuern, wobei die bestimmenden Parameter für jeweils mindestens eine Ansteuerung im voraus eingestellt werden. Erfindungsgemäß werden diese Parameter so eingestellt, dass die Stärke der der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung zum Schalten zugeführten Energie wenigstens zeitweise von der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängt.
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Das Verfahren ist besonders einfach durchführbar, wenn es mittels eines Computerprogramms auf einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (”Steuergerät”) der Brennkraftmaschine durchgeführt wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Einrichtung des Steuergeräts durch Laden des Computerprogramms mit den Merkmalen des unabhängigen Computerprogramm-Anspruchs von einem Speichermedium. Unter dem Speichermedium wird insofern jede Vorrichtung verstanden, die das Computerprogramm in gespeicherter Form enthält.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 ein vereinfachtes Schema einer Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine;
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2 eine Schnittdarstellung einer Hochdruckpumpe der Kraftstofffördereinrichtung zusammen mit einem Mengensteuerventil und einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung;
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3 ein Zeitdiagramm einer Ansteuerung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung;
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4 ein Diagramm eines Anzugsstroms und einer Anzugszeit über einer Drehzahl der Brennkraftmaschine; und
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5 ein vereinfachtes Blockdiagramm zur ergänzenden Darstellung des Verfahrens.
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Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt eine Kraftstofffördereinrichtung 1 einer Brennkraftmaschine in einer stark vereinfachten Darstellung. Aus einem Kraftstofftank 3 wird Kraftstoff über eine Saugleitung 4, mittels einer Vorförderpumpe 5, über eine Niederdruckleitung 7, und über ein von einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 9 (”Elektromagnet”) betätigbares Mengensteuerventil 10 einer (hier nicht weiter erläuterten) Hochdruckpumpe 11 zugeführt. Stromabwärts ist die Hochdruckpumpe 11 über eine Hochdruckleitung 12 an einen Hochdruckspeicher 13 (”Common Rail”) angeschlossen. Sonstige Elemente, wie beispielsweise Ventile der Hochdruckpumpe 11, sind in der 1 nicht gezeichnet. Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 9 wird durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 angesteuert, auf welcher ein Computerprogramm 18 ablauffähig ist.
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Es versteht sich, dass das Mengensteuerventil 10 auch als Baueinheit mit der Hochdruckpumpe 11 ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann das Mengensteuerventil 10 ein zwangsweise offenbares Einlassventil der Hochdruckpumpe 11 sein. Alternativ kann das Mengensteuerventil 10 auch eine andere Betätigungseinrichtung als den Elektromagneten 9 aufweisen, beispielsweise einen Piezoaktor.
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Beim Betrieb der Kraftstofffördereinrichtung 1 fördert die Vorförderpumpe 5 Kraftstoff vom Kraftstofftank 3 in die Niederdruckleitung 7. Dabei steuert das Mengensteuerventil 10 die einem Arbeitsraum der Hochdruckpumpe 11 zugeführte Kraftstoffmenge, indem ein Anker des Elektromagneten 9 von einer ersten in eine zweite Position – und umgekehrt – bewegt wird. Das Mengensteuerventil 10 kann somit geschlossen und geöffnet werden.
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2 zeigt eine ausschnittsweise Schnittdarstellung (Längsschnitt) der Hochdruckpumpe 11 der Kraftstofffördereinrichtung 1 zusammen mit dem Mengensteuerventil 10 und der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 9. Die dargestellte Anordnung umfasst ein Gehäuse 20, in welchem im in der Zeichnung oberen Bereich die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 9, im mittleren Bereich das Mengensteuerventil 10, und im unteren Bereich ein Förderraum 22 zusammen mit einem Kolben 24 der Hochdruckpumpe 11 angeordnet sind.
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Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 9 ist in einem Ventilgehäuse 26 angeordnet, und umfasst eine Spule 28, einen Anker 30, einen Polkern 32, eine Ankerfeder 34, einen Ruhesitz 36 und einen Hubanschlag 38. Der Ruhesitz 36 stellt die erste Position des Ankers 30 dar, und der Hubanschlag 38 stellt die zweite Position des Ankers 30 dar. Der Anker 30 beaufschlagt mittels eines Koppelelements 40 einen Ventilkörper 42. In der Zeichnung oberhalb des Ventilkörpers 42 ist ein zugehöriger Dichtsitz 44 angeordnet. Der Dichtsitz 44 ist Teil eines topfförmigen Gehäuseelements 46, welches unter anderem den Ventilkörper 42 und eine Ventilfeder 48 umschließt. Dichtsitz 44 und Ventilkörper 42 bilden das Einlassventil der Hochdruckpumpe 11.
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Dargestellt ist in der 2 der unbestromte Zustand der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 9. Dabei wird der Anker 30 mittels der Ankerfeder 34 in der Zeichnung nach unten gegen den Ruhesitz 36 gedrückt. Über das Koppelelement 40 wird dadurch der Ventilkörper 42 entgegen der Kraft der Ventilfeder 48 beaufschlagt, wodurch das Einlassventil bzw. das Mengensteuerventil 10 öffnet. Dadurch wird eine fluidische Verbindung zwischen der Niederdruckleitung 7 und dem Förderraum 22 hergestellt.
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Im bestromten Zustand der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 9 wird der Anker 30 von dem Polkern 32 magnetisch angezogen, wodurch das mit dem Anker 30 verbundene Koppelelement 40 in der Zeichnung nach oben bewegt wird. Dadurch kann – bei entsprechenden fluidischen Druckverhältnissen – der Ventilkörper 42 durch die Kraft der Ventilfeder 48 gegen den Dichtsitz 44 gedrückt werden, und das Einlassventil bzw. das Mengensteuerventil 10 somit schließen. Dies kann beispielsweise erfolgen, wenn der Kolben 24 in dem Förderraum 22 eine Arbeitsbewegung (in der Zeichnung nach oben) durchführt, wobei Kraftstoff über ein dabei geöffnetes Rückschlagventil 60 in die Hochdruckleitung 12 gefördert werden kann.
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Das Öffnen bzw. das Schließen des Mengensteuerventils 10 erfolgt in Abhängigkeit mehrerer Größen: Erstens abhängig von den durch die Ankerfeder 34 und die Ventilfeder 48 ausgeübten Kräften. Zweitens abhängig von dem in der Niederdruckleitung 7 und dem Förderraum 22 herrschenden Kraftstoffdruck. Drittens abhängig von der Kraft des Ankers 30, welche im Wesentlichen von einem aktuell durch die Spule 28 fließenden Strom I bestimmt wird. Insbesondere kann der Strom I – wiederum abhängig auch von den jeweiligen Kraftstoffdrücken – den Zeitpunkt des Öffnens bzw. Schließens des Ventilkörpers 42 beeinflussen und somit die Menge des zu fördernden Kraftstoffs wesentlich steuern.
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3 zeigt ein Zeitdiagramm einer Ansteuerung des Mengensteuerventils 10. In dem in der Zeichnung dargestellten Koordinatensystem sind Ströme I1 (durchgezogen) und I2 (gestrichelt), welche über die Spule 28 der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 9 fließen, über einer Zeit t aufgetragen. Ein Doppelpfeil 62 kennzeichnet die Bestromung für eine Anzugsphase und ein Doppelpfeil 64 kennzeichnet die Bestromung für eine Haltephase des Ankers 30 der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 9. Während der Anzugsphase wird der Anker 30 durch magnetische Kraft von dem Ruhesitz 36 bis zu dem Hubanschlag 38 bewegt. Während der Haltephase wird der Anker 30 durch eine – im Allgemeinen geringere – magnetische Kraft an dem Hubanschlag 38 in seiner Position gehalten. Nachfolgend wird zunächst der Verlauf des Stroms I1 beschrieben, welcher bei einer vergleichsweise hohen Drehzahl 72 (vergleiche 4) der Brennkraftmaschine zur Ansteuerung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 9 verwendet wird.
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Zu einem Zeitpunkt t0 beginnt die Anzugsphase, wobei der Strom I1 vergleichsweise schnell ansteigt und ab einem Zeitpunkt t1a um einen Mittelwert 66a getaktet wird. Zu einem Zeitpunkt t2 beginnt die Bestromung für die Haltephase, wobei der Strom I1 um einen Mittelwert 68 getaktet wird. Dier Mittelwert 68 ist kleiner als der Mittelwert 66a. Zu einem Zeitpunkt t3 wird die Ansteuerung beendet, wodurch der Strom I1 rasch auf Null vermindert wird.
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Bei einer niedrigeren Drehzahl 72 der Brennkraftmaschine wird die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 9 mit dem Strom I2 angesteuert, das heißt, Schaltschwellen (nicht dargestellt), welche während der Anzugsphase das Einschalten und das Abschalten des Stroms I2 steuern, sind in Bezug auf Schaltschwellen des Stroms I1 niedriger eingestellt. Dadurch ergibt sich für den Verlauf des Stroms I2 während der Anzugsphase ein entsprechend kleinerer Mittelwert 66b. Somit ist die benötigte Energie während der Anzugsphase ebenfalls kleiner und ein Betriebsgeräusch beim Anschlagen des Ankers 30 an dem Hubanschlag 38 wird vermindert. Dabei wird zugleich eine Anzugsdauer des Ankers 30 zwar verlängert, wobei die Zeitdifferenz zwischen t2 und t0 vergrößert und somit die Anzugsphase 62 verlängert wird, jedoch ohne die korrekte Funktion des Mengensteuerventils 10 zu beeinträchtigen.
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Die die Verläufe der Ströme I1 und I2 bestimmenden Schaltschwellen (nicht dargestellt), beziehungsweise die sich daraus ergebenden Mittelwerte 66a und 66b sind jeweils so gewählt, dass ein sicheres Anschlagen des Ankers 30 an dem Hubanschlag 38 und somit ein sicheres Schalten des Mengensteuerventils 10 in allen Betriebsfällen ermöglicht wird. Bedingt durch den während der Anzugsphase im Mittel kleineren Strom I2 wird der Anker 30 im Vergleich zum Strom I1 mit einer geringeren Kraft beschleunigt und schlägt entsprechend verzögert an. Dies wird nachfolgend mit der 4 näher erläutert werden.
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4 zeigt ein Koordinatensystem, in welchem Mittelwerte 66 eines während der Anzugsphase über die Spule 28 fließenden Stroms I sowie zugehörige Anzugsdauern 70 linear über einer Drehzahl 72 der Brennkraftmaschine aufgetragen sind. Die Anzugsdauer 70 charakterisiert den Zeitraum vom Beginn der Bestromung der Spule 28 zum Zeitpunkt t0 bis zum erstmaligen Anschlagen des Ankers 30 an dem Hubanschlag 38. Die Mittelwerte 66 sind vorliegend durch Stützstellen 74 bestimmt, welche beispielsweise in einem Kennfeld der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 der Brennkraftmaschine abgespeichert sein können. Die Mittelwerte 66 des Stroms I charakterisieren – insbesondere wenn die Spule 28 während der Anzugsphase an eine konstante Quellspannung geschaltet wird – außerdem eine Energie, welche während der Anzugsphase der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 9 zugeführt wird.
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Man erkennt, dass die Mittelwerte 66 des Stroms I mit größer werdender Drehzahl 72 monoton zunehmen. Weil der Kolben 24 der Hochdruckpumpe 11 ebenfalls in Abhängigkeit von der Drehzahl 72 bewegt wird, wird der mögliche Zeitraum zur Bewegung des Ventilkörpers 42 bzw. des Ankers 30 entsprechend kleiner, also kritischer. Diesem Umstand wird durch die sich mit stärkerer Bestromung vermindernden Anzugsdauern 70 in passender Weise begegnet. Dies erfolgt wie oben bereits beschrieben derart, dass ein sicheres Schalten des Mengensteuerventils 10 bei jeder Drehzahl 72 ermöglicht wird.
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5 zeigt ein vereinfachtes Ablaufschema zur Ansteuerung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 9. Das dargestellte Verfahren wird vorzugsweise mittels des Computerprogramms 18 in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 der Brennkraftmaschine durchgeführt. In einem ersten Block 76 beginnt die dargestellte Prozedur, wobei die aktuelle Drehzahl 72 der Brennkraftmaschine ermittelt wird. In einem zweiten Block 78 werden anhand der ermittelten Drehzahl 72 zwei Stützstellen 74 aus einem Kennfeld gelesen. Danach wird zwischen diesen beiden Stützstellen 74 interpoliert, um einen jeweiligen Mittelwert 66 genau passend zur Drehzahl 72 zu bestimmen. Aus dem Mittelwert 66 werden geeignete Schaltschwellen (ohne Bezugszeichen) für das Einschalten und das Ausschalten des Stroms I ermittelt.
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In einem dritten Block 80 werden die ermittelten Schaltschwellen dazu verwendet, die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 9 bzw. die Spule 28 während der Anzugsphase des Ankers 30 anzusteuern. Das Verfahren der 5 kann zyklisch wiederholt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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