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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
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Vom Markt her bekannt sind Kraftstoffsysteme für Brennkraftmaschinen, welche mindestens eine elektrisch angetriebene Kraftstoffförderpumpe umfassen. Insbesondere ist dies eine Vorförderpumpe des Kraftstoffsystems, welche Kraftstoff zu einer stromabwärts angeordneten Hochdruckpumpe fördert. In einer vorbekannten Ausführungsform des Kraftstoffsystems kann eine überschüssige Fördermenge der elektrisch angetriebenen Kraftstoffförderpumpe mittels eines Überströmventils zurück in einen Kraftstoffbehälter gefördert werden.
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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 eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm 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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Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass eine Förderleistung einer elektrisch angetriebenen Kraftstoffförderpumpe für ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine mittels Taktung eines Relais gesteuert bzw. geregelt werden kann. Insbesondere kann in einem Fehlerfall, wenn das Kraftstoffsystem beispielsweise wegen einer defekten Zumesseinrichtung oder eines klemmenden Überströmventils eine zu hohe Kraftstoffmenge fördert, die Förderleistung der elektrisch angetriebenen Kraftstoffförderpumpe kontrolliert vermindert werden. Dadurch kann die Verfügbarkeit der Brennkraftmaschine insgesamt erhöht werden, ohne dass zusätzliche Bauelemente wie etwa eine halbleiterbestückte Endstufe erforderlich sind, wodurch Kosten gespart werden.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben des Kraftstoffsystems für die Brennkraftmaschine, wobei das Kraftstoffsystem mindestens eine elektrisch angetriebene Kraftstoffförderpumpe umfasst. Vorliegend wird unter einer "elektrischen Kraftstoffförderpumpe" eine Kombination aus einem Gleichstrommotor und einer damit gekoppelten mechanischen Pumpe verstanden. Dabei wird die elektrische Kraftstoffförderpumpe mittels eines Relais periodisch getaktet in der Art einer Pulsweitenmodulation an eine Betriebsspannung bzw. an ein Massepotenzial geschaltet. Die Betriebsspannung ist beispielsweise die Spannung einer Fahrzeugbatterie. Das Relais kann ein vergleichsweise einfaches und kostengünstiges "Standardrelais" sein, welches im Allgemeinen bereits vorhanden ist und dazu verwendet wird, um einen elektrischen Anschluss der Kraftstoffförderpumpe während des Betriebs der Brennkraftmaschine dauernd an die Betriebsspannung bzw. an das Massepotenzial zu schalten.
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Die Erfindung macht sich unter anderem die Tatsache zunutze, dass die Kraftstoffförderpumpe eine mechanische Trägheit und die übrigen Elemente des Kraftstoffsystems eine Art von hydraulischer Trägheit aufweisen. Dadurch kann die sich ergebende Förderleistung auch dann relativ konstant sein, wenn die Taktung des Relais bedingt durch dessen Bauart mit einer vergleichsweise niedrigen Frequenz erfolgt und eine Glättung des Stroms allein aufgrund der Induktivität der Kraftstoffförderpumpe nicht möglich ist. Im Wesentlichen verhält sich das erfindungsgemäße Kraftstoffsystem so, als ob die Kraftstoffförderpumpe jeweils mit einer äquivalenten "analogen" Spannung angesteuert würde.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass ein Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation in Abhängigkeit von einer zu fördernden Kraftstoffmenge gesteuert und/oder geregelt wird. Dadurch kann die Förderleistung der Kraftstoffförderpumpe auf einfache Weise und über einen vergleichsweise weiten Drehzahlbereich kontrolliert verändert werden. Dies erfolgt beispielsweise unter Verwendung eines Computerprogramms. Zusätzliche Bauelemente sind dazu im Allgemeinen nicht erforderlich.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass eine Frequenz der Pulsweitenmodulation 1 Hertz bis 100 Hertz, vorzugsweise in etwa 10 Hertz beträgt. Eine Frequenz in der Größenordnung von 10 Hertz stellt einen besonders geeigneten Kompromiss zum Schalten eines für die elektrisch angetriebenen Kraftstoffförderpumpe üblicherweise verwendeten Standardrelais dar. Einerseits ist diese Schaltfrequenz niedrig genug, dass das Relais störungsfrei schalten kann. Andererseits ist diese Schaltfrequenz hoch genug, um kurzzeitige Schwankungen der Förderleistung klein zu halten.
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Die Erfindung ist besonders nützlich, wenn die Steuerung und/oder die Regelung des Tastverhältnisses in Abhängigkeit von einem mittleren Kraftstoffdruck in einem Hochdruckspeicher ("Rail") erfolgt, wobei der Kraftstoffdruck über mindestens eine Periode der Pulsweitenmodulation gemittelt wird. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu verwendet werden, um eine einer stromabwärts der elektrisch angetriebenen Kraftstoffförderpumpe angeordneten Hochdruckpumpe zugeführte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von dem Kraftstoffdruck zu regeln. Die Mittelung des Kraftstoffdrucks über mindestens eine Periode der Pulsweitenmodulation ermöglicht eine besonders stabile und präzise Regelung. Eine Zumesseinrichtung, beispielsweise ein Mengensteuerventil oder eine verstellbare Drossel stromaufwärts der Hochdruckpumpe, ist dabei nicht zwingend erforderlich.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die elektrische Kraftstoffförderpumpe eine Vorförderpumpe in dem Kraftstoffsystem ist. Die Förderleistung der Vorförderpumpe ist – verglichen mit der Hochdruckpumpe – gering. Entsprechend ist auch die elektrische Leistung der Kraftstoffförderpumpe vergleichsweise gering, so dass diese mittels des Relais besonders gut getaktet betrieben werden kann. Allgemein ist ein Relais ein kostengünstiges und übliches Mittel, um eine elektrische Kraftstoffförderpumpe zu schalten.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in einem ersten Betriebszustand die elektrische Kraftstoffförderpumpe mittels des Relais dauernd an die Betriebsspannung geschaltet wird, und dass in einem zweiten Betriebszustand die elektrische Kraftstoffförderpumpe mittels des Relais periodisch getaktet in der Art der Pulsweitenmodulation an die Betriebsspannung geschaltet wird. Der erste Betriebszustand ist vorzugsweise ein normaler, das heißt als fehlerfrei angenommener Betrieb des Kraftstoffsystems. Dabei wird das Relais nicht getaktet, so dass die elektrische Kraftstoffförderpumpe dauernd fördert. Die mechanische und elektrische Dauerfestigkeit des Relais ist dadurch entsprechend groß. Die Einstellung der effektiv geförderten Kraftstoffmenge erfolgt in diesem Betriebszustand über andere Mittel.
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Der zweite Betriebszustand ist dagegen ein Not-Betriebszustand des Kraftstoffsystems, in welchem eine Vorrichtung (Zumesseinrichtung, Mengensteuerventil, Überströmventil) des Kraftstoffsystems, welche in dem ersten Betriebszustand eine zu fördernde Kraftstoffmenge steuert, die zu fördernde Kraftstoffmenge im Wesentlichen nicht mehr steuert bzw. nicht mehr steuern kann. Dennoch kann dank der Erfindung das Kraftstoffsystem bzw. die Brennkraftmaschine weiterhin betrieben werden. Es kann zugleich ein Warnsignal an einen Betreiber der Brennkraftmaschine bzw. an einen Kraftfahrer erfolgen, wodurch beispielsweise eine Heimkehr des Kraftfahrzeugs ermöglicht oder eine Werkstatt erreicht werden kann. Im Allgemeinen ist also ein kurzfristiges Abschalten der Brennkraftmaschine nicht erforderlich und somit eine Weiterfahrt möglich.
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Es ist denkbar, das erfindungsgemäße Verfahren auch in dem ersten Betriebszustand durchzuführen. Dadurch ergeben sich vergleichsweise große Kostenvorteile, da eine Zumesseinrichtung bzw. ein Mengensteuerventil wegen der erfindungsgemäßen Regelung der Vorförderpumpe entbehrlich ist. In diesem Fall sollte das Relais eine entsprechende mechanische und elektrische Dauerfestigkeit aufweisen.
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Das Verfahren kann besonders einfach und kostengünstig mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung für die Brennkraftmaschine durchgeführt werden, vorzugsweise unter Verwendung eines Computerprogramms. Zusätzliche Bauelemente sind dabei im Allgemeinen entbehrlich, wodurch Kosten gespart werden.
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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 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems für eine Brennkraftmaschine;
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2 ein erstes Zeitdiagramm zum Betreiben einer Kraftstoffförderpumpe;
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3 ein zweites Zeitdiagramm zum Betreiben der Kraftstoffförderpumpe; und
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4 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben des Kraftstoffsystems nach 1.
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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 ein Kraftstoffsystem 10 für eine (nicht dargestellte) Brennkraftmaschine in einer vereinfachten Darstellung. Aus einem Kraftstofftank 12 wird Kraftstoff über eine Saugleitung 14, mittels einer durch Gleichstrom elektrisch angetriebenen Kraftstoffförderpumpe 16 (Vorförderpumpe), über eine Niederdruckleitung 18, und über ein von einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 20 betätigbares Mengensteuerventil 22 ("Zumesseinrichtung") einer Hochdruckpumpe – nachfolgend als Kolbenpumpe 24 bezeichnet – zugeführt. Stromabwärts ist die Kolbenpumpe 24 über eine Hochdruckleitung 26 an einen Hochdruckspeicher 28 ("Common Rail") angeschlossen. An dem Hochdruckspeicher 28 ist ein Drucksensor 29 angeordnet, welcher den in dem Hochdruckspeicher 28 herrschenden Kraftstoffdruck ermitteln kann. Sonstige Elemente, wie beispielsweise Ventile der Kolbenpumpe 24, sind in der 1 nicht gezeichnet.
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Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 20 wird durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 30 angesteuert, welche einen Datenspeicher 32 sowie ein Computerprogramm 34 umfasst. Über elektrische Leitungen 36 bzw. 38 bzw. 39 ist die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 30 mit dem Mengensteuerventil 22 bzw. einem Relais 40 bzw. dem Drucksensor 29 verbunden.
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Das Relais 40 umfasst eine Magnetspule 42, welche mittels eines nicht dargestellten Ankers einen Schaltkontakt 44 betätigen kann. Die Magnetspule 42 ist mit einem Anschluss an ein Massepotenzial 46 und mit einem anderen Anschluss an die elektrische Leitung 38 angeschlossen. Der Schaltkontakt 44 ist mit einem Anschluss an eine Betriebsspannung 48 und mit einem anderen Anschluss an einen ersten Anschluss 50 der Kraftstoffförderpumpe 16 angeschlossen. Ein zweiter Anschluss 52 der Kraftstoffförderpumpe 16 ist vorliegend an das Massepotenzial 46 angeschlossen. Zwischen der elektrischen Leitung 38 und dem Massepotenzial 46 liegt eine Ansteuerspannung 54 des Relais 40, und zwischen den Anschlüssen 50 und 52 liegt eine Pumpenspannung 56 der Kraftstoffförderpumpe 16.
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In einer nicht dargestellten – funktionsäquivalenten – weiteren Ausführungsform des Kraftstoffsystems 10 ist der Anschluss 50 dauernd mit der Betriebsspannung 48 verbunden und der Schaltkontakt 44 des Relais 40 ist in die elektrische Leitung zwischen dem Anschluss 52 und dem Massepotenzial 46 geschaltet. In einer nicht gezeigten alternativen Ausführungsform des Mengensteuerventils 22 ist dieses als Baueinheit mit der Kolbenpumpe 24 ausgebildet. Beispielsweise kann das Mengensteuerventil 22 ein zwangsweise öffenbares Einlassventil der Kolbenpumpe 24 sein.
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Im Betrieb des Kraftstoffsystems 10 fördert die elektrisch angetriebene Kraftstoffförderpumpe 16 Kraftstoff vom Kraftstofftank 12 in die Niederdruckleitung 18. Dabei steuert das Mengensteuerventil 22 die einem Arbeitsraum 25 der Kolbenpumpe 24 zugeführte Kraftstoffmenge. Das Mengensteuerventil 22 kann in Abhängigkeit von einem jeweiligen Bedarf an Kraftstoff geschlossen und geöffnet werden. Der Kraftstoff ist beispielsweise Benzin oder Dieselkraftstoff.
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Ein Kraftstoffdruck in dem Hochdruckspeicher 28 wird mit dem Drucksensor 29 ermittelt und ein dem Kraftstoffdruck entsprechendes Signal wird über die Leitung 39 an die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 30 übermittelt. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 30 ist vorliegend derart programmiert, das sie einen Regelkreis bildet, um den Kraftstoffdruck auf einen Sollwert zu regeln. Dazu wird in einem ersten Betriebszustand ("Normalbetrieb") die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 20 entsprechend angesteuert.
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In einem zweiten Betriebszustand (Fehlerfall, bspw. Ausfall der Betätigungseinrichtung 20 durch Bruch der elektrischen Leitung 36) wird das Relais 40 periodisch getaktet in der Art einer Pulsweitenmodulation 59 (siehe die 2) an die Betriebsspannung 48 geschaltet. Dabei wird der Kraftstoffdruck in dem Hochdruckspeicher 28 über mindestens eine Periode 61 (siehe die 2) der Pulsweitenmodulation 59 gemittelt. Der Regelkreis umfasst vorliegend einen mittels elektronischer Bauelemente und/oder mittels des Computerprogramms 34 ausgeführten PID-Regler (PID bedeutet: Proportional, Integral, Differenzial).
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Dabei beträgt die Frequenz der Pulsweitenmodulation 59 vorliegend in etwa 10 Hertz. Somit wird der Schaltkontakt 44 mit dieser Frequenz periodisch fortlaufend geschlossen und geöffnet. Dies ergibt eine mittlere Spannung bzw. einen mittleren Strom an dem ersten Anschluss 50, welche entsprechend einem Tastverhältnis 60 (siehe die 2) der Pulsweitenmodulation 59 kleiner sind als die Betriebsspannung 48 bzw. ein maximaler Betriebsstrom der Kraftstoffförderpumpe 16.
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2 zeigt ein erstes Zeitdiagramm zum Betrieb der Kraftstoffförderpumpe 16. Eine in der Zeichnung obere Kurve stellt eine Kraftstofffördermenge 58 über einer Zeit t dar. Zwei in der Zeichnung untere Kurven stellen eine Pulsweitenmodulation 59 zur Ansteuerung der Kraftstoffförderpumpe 16 dar. Eine mit breiter Strichstärke gezeichnete Kurve stellt die Pumpenspannung 56 dar, und eine mit dünner Strichstärke gezeichnete Kurve stellt die zugehörige Ansteuerspannung 54 des Relais 40 dar. Die Pulsweitenmodulation 59 weist, wie oben bereits erwähnt, ein Tastverhältnis 60 und eine Periode 61 auf.
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Die Ansteuerspannung 54 und die Pumpenspannung 56 sind in der Zeichnung mit einer vergleichsweise groben Quantisierung in Bezug auf die Zeit t und die jeweilige Amplitude dargestellt. Tatsächlich handelt es sich dabei um "analoge" Spannungen. Die Pumpenspannung 56 weist bei jedem Impuls einen steilen Anstieg auf einen jeweiligen Maximalwert auf, welcher in etwa der Betriebsspannung 48 entspricht. Nach dem Ende des jeweiligen Impulses fällt die Pumpenspannung 56 in etwa entsprechend einer Exponentialfunktion rasch ab und ist bis zum Beginn des jeweils folgenden Impulses nahezu auf Null vermindert. Wegen der vergleichsweise niedrigen Frequenz der Pulsweitenmodulation 59 ist die Taktung der Pumpenspannung 56 deutlich sichtbar.
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Man erkennt, dass trotz der vergleichsweise geringen Frequenz der Pulsweitenmodulation 59 von 10 Hertz sich eine im Wesentlichen konstante Kraftstofffördermenge 58 über der Zeit t ergibt. Dies ist insbesondere möglich wegen der mechanischen Trägheit der Kraftstoffförderpumpe 16 sowie der hydraulischen Trägheit des Kraftstoffsystems 10 insgesamt. Die der Kraftstofffördermenge 58 zugeordnete Kurve ist erkennbar geglättet. Vorliegend beträgt die Kraftstofffördermenge 58 in etwa 20 Prozent einer möglichen Vollfördermenge.
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3 zeigt ein zweites Zeitdiagramm zum Betrieb der Kraftstoffförderpumpe 16. Eine in der Zeichnung untere Kurve stellt das Tastverhältnis 60 der Pumpenspannung 56 dar. Vorliegend wird das Tastverhältnis 60 zu Versuchszwecken stetig über der Zeit t vermindert, wobei sich fortlaufend eine kleinere mittlere Pumpenspannung 56 ergibt.
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Eine in der Zeichnung von 3 obere Kurve zeigt die zu dem Tastverhältnis 60 jeweils zugehörige Kraftstofffördermenge 58. Man erkennt, dass die Kraftstofffördermenge 58 mit kleiner werdendem Tastverhältnis 60 stetig abnimmt und sich somit ein eindeutiger Zusammenhang zwischen beiden Kurven ergibt. Die Länge des in der 3 dargestellten Zeitintervalls beträgt in etwa das Hundertfache der Länge des in der 2 dargestellten Zeitintervalls. Somit sind die in der 3 sichtbaren kurzeitigen Schwankungen der Kraftstofffördermenge 58 zu den Schwankungen der Kraftstofffördermenge 58 in der 2 vergleichbar.
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4 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben des Kraftstoffsystems 10. In einem Startblock 62 beginnt die in der 4 dargestellte Prozedur, welche beispielsweise mittels des Computerprogramms 34 abgearbeitet werden kann.
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In einem folgenden Block 64 wird das Relais 40 dauernd an die Betriebsspannung 48 geschaltet, sofern die – in den Figuren nicht dargestellte – Brennkraftmaschine in Betrieb ist. In einem Abfrageblock 66 wird geprüft, ob eine mittels des Mengensteuerventils 22 durchgeführte Regelung des Kraftstoffdrucks in dem Hochdruckspeicher 28 als fehlerfrei bewertet ist. Falls zutreffend, so wird auf einen normalen Betrieb des Kraftstoffsystems 10 geschlossen und an den Anfang des Blocks 64 zurück verzweigt.
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Falls unzutreffend, so wird auf einen gestörten Betrieb des Kraftstoffsystems 10 geschlossen. In diesem Betriebszustand kann das Mengensteuerventil 22 die zu fördernde Kraftstoffmenge im Wesentlichen nicht mehr steuern. Beispielsweise ist das Mengensteuerventil 22 defekt oder die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 20 ist stromlos (Kontaktfehler oder "Steckerabfall") und das Mengensteuerventil 22 somit dauernd ganz oder vergleichsweise weit geöffnet. Dann wird nachfolgend ein Notbetrieb für das Kraftstoffsystem 10 durchgeführt, indem mittels Taktung des Relais 40 eine alternative Regelung des Kraftstoffdrucks in dem Hochdruckspeicher 28 erfolgt.
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Dazu wird in einem folgenden Block 68 mittels des Drucksensors 29 der aktuell in dem Hochdruckspeicher 28 herrschende Kraftstoffdruck ermittelt und mit einem Sollwert verglichen. In einem folgenden Block 70 wird dann, wenn der aktuelle Kraftstoffdruck unterhalb des Sollwerts liegt, das Tastverhältnis 60 um einen Differenzwert erhöht. Wenn der aktuelle Kraftstoffdruck oberhalb des Sollwerts liegt, wird dagegen das Tastverhältnis 60 um einen Differenzwert vermindert. Die dadurch bestimmte Regelung der Kraftstofffördermenge 58 erfolgt vorliegend mittels eines PID-Reglers. Je nachdem, ob die Regelung digital oder analog ausgeführt wird, ist der besagte Differenzwert endlich oder verschwindend klein.
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In einem folgenden Block 72 kann ein einmaliger Eintrag in einen Fehlerspeicher der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 30 erfolgen, und es wird ergänzend ein Warnhinweis beispielsweise am Armaturenbrett eines Kraftfahrzeugs ausgegeben. Danach führt die Prozedur zurück an den Eingang des Abfrageblocks 66.
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Das Verfahren ermöglicht es ebenso – abweichend von der oben beschriebenen Prozedur – die Regelung der Kraftstoffförderpumpe 16 mittels Taktung des Relais 40 bzw. mittels der Blöcke 68, 70 und 72 auch in einem normalen Betrieb des Kraftstoffsystems 10 durchzuführen. Dabei ist das Mengensteuerventil 22 gegebenenfalls entbehrlich.
