DE102013214083B3

DE102013214083B3 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102013214083B3
Application number: DE102013214083.5A
Authority: DE
Inventors: Hans Riepl; Tobias Ritsch
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2033-07-19
Also published as: CN105593500A; KR20160029131A; US9739209B2; US20160177842A1; WO2015007446A1; KR101884098B1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Verbrennungsmotors beschrieben. Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst einen Hochdruckspeicher (Rail) und eine Kraftstoff in den Hochdruckspeicher fördernde Kraftstoffhochdruckpumpe mit digitalem Einlassventil. Die Zahl der Ansteuerpulse für das digitale Einlassventil und damit die Zahl der Pumpenförderhübe gegenüber der Zahl der Einspritzvorgänge eines Injektors des Einspritzsystems wird reduziert, um auf diese Weise die Geräuschentwicklung und den Energieverbrauch zu verringern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Verbrennungsmotors, das einen Hochdruckspeicher (Rail) und eine Kraftstoff in den Hochdruckspeicher fördernde Kraftstoffhochdruckpumpe mit digitalem Einlassventil aufweist.
Derartige Kraftstoffeinspritzsysteme finden in modernen Benzin- oder Dieselmotoren Verwendung. Sie weisen neben den Einspritzinjektoren, dem Hochdruckspeicher (Rail) auch eine Kraftstoffhochdruckpumpe zur Erzeugung des notwendigen Drucks auf. Hierbei wird Kraftstoff aus einem Kraftstofftank von einer Vorförderpumpe der Hochdruckpumpe zugeführt, die den Kraftstoff unter hohem Druck zum Hochdruckspeicher fördert. Die Einspritzinjektoren werden über den Hochdruckspeicher (Rail) gespeist.
In modernen Einspritzsystemen finden Kraftstoffhochdruckpumpen mit digitalen Einlassventilen Verwendung. Als digitales Einlassventil wird hier ein solches bezeichnet, das lediglich eine Auf- oder Zu-Stellung einnimmt und nicht zur Einnahme von Zwischenstellungen angesteuert wird. Derartige digitale Einlassventile werden elektromagnetisch betätigt. In der Einlassphase wird das Einlassventil geöffnet, so dass der Kolben der Hochdruckpumpe Kraftstoff in den Zylinder saugen kann. In der Förderphase wird das Einlassventil geschlossen, und der Kolben der Hochdruckpumpe drückt Kraftstoff in das Hochdrucksystem.
Bei anderen Ausführungsformen (stromlos geschlossenes Ventil D/V) wird das Einlassventil beim Ansaugen elektrisch offengehalten und in der Ausstoßphase deaktiviert, wenn eine Förderung gewünscht wird.
Für die Betätigung eines derartigen digitalen Einlassventils wird elektrische Energie benötigt. Weiterhin wird aufgrund des Öffnens/Schließens des digitalen Einlassventils ein Schaltgeräusch erzeugt. Derartige Geräuschemissionen sind unerwünscht. Auch besteht generell ein Interesse daran, den Energieverbrauch von solchen Einspritzsystemen zu senken.
Zur Verringerung der Geräuschemissionen aufgrund der Ansteuerung und damit des Schließens und/oder Öffnens eines digitalen Einlassventils sind bestimmte Verfahren bekannt. Ein Beispiel hierfür besteht darin, ein spezielles Stromprofil zur Ansteuerung des digitalen Einlassventils zu verwenden. Dieses Verfahren ist relativ aufwendig.
Aus der DE 10 2012 200 764 B3 ist ein Common-Rail-Einspritzsystem für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei dem die Zahl der Ansteuerpulse für ein digitales Einlassventil und damit die Zahl der Pumpenförderhübe gegenüber der Zahl der Einspritzvorgänge eines Injektors des Einspritzsystems reduziert wird. Unter Verwendung einer abmessungstechnisch minimierten Hochdruckpumpe soll eine hinreichende Druckversorgung des Einspritzsystems ermöglicht werden.
Es ist ferner bekannt, eine Hockdruckpumpe unterhalb eines Soll-Raildrucks ( US 7 373 924 B1 ) oder unterhalb einer Drehzahlschwelle ( DE 10 2005 013 917 A1 ) bzw. im Leerlauf ( EP 2 287 457 A1 ) zu deaktivieren.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems der eingangs geschilderten Art zur Verfügung zu stellen, das mit einfachen Mitteln einen besonders geräuscharmen Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
Bei den vorstehend beschriebenen Kraftstoffeinspritzsystemen erfolgt die Förderung der Kraftstoffhochdruckpumpe üblicherweise synchron zur Einspritzung, d. h. auf jede Einspritzung erfolgt oder verläuft zeitgleich ein Pumpenförderhub, der den Mengenverlust durch die Einspritzung und eventuell vorhandene Leckagen ausgleicht. Hiervon wird nunmehr bei dem erfindungsgemäßen Verfahren abgewichen. Erfindungsgemäß wird gezielt eine nichteinspritzsynchrone Pumpenförderung durchgeführt. Mit anderen Worten, die Zahl der Ansteuerpulse für das digitale Einlassventil an der Hochdruckpumpe wird im Vergleich zur Zahl der Einspritzvorgänge reduziert, was zu einer Verringerung der Geräuschemission durch das digitale Einlassventil und zu einer Reduzierung des Energiebedarfes durch die Ansteuerung führt. Durch die Schalthäufigkeitsreduzierung wird zudem die Lastspielzahl (Zahl der Ventilbewegungen über die Lebenszeit) vermindert, was sich ebenfalls positiv auf die Haltbarkeit der Hochdruckpumpe bzw. des Einlassventils auswirkt. Versuchstechnisch wurde festgestellt, dass sich bereits durch die Einsparung eines Schaltvorganges gegenüber der bekannten einspritzsynchronen Betätigung des Einlassventils eine Geräuschreduzierung von etwa 4 dB (A) erreicht wird.
Dabei wird die Zahl der Ansteuerpulse unter Berücksichtigung eines in Abhängigkeit von Emissionsgrenzwerten des Verbrennungsmotors einzuhaltenden Raildruckgrenzwertes bzw. Raildruckbereiches reduziert.
Hierbei wird berücksichtigt, dass die Zahl der Ansteuerpulse für das digitale Einlassventil und damit die Zahl der Pumpenförderhübe gegenüber der Zahl der Einspritzvorgänge nur so weit reduziert wird, dass hierdurch ein Raildruckgrenzwert oder Raildruckbereich eingehalten wird, der sich aus Emissionsgrenzwerten des Verbrennungsmotors ergibt. Solche Emissionsgrenzwerte, beispielsweise solche aus der Abgasgesetzgebung (EU4, EU5, EU6 etc.), und die daraus resultierenden Raildruckgrenzwerte oder Raildruckbereiche sind bekannt oder können berechnet oder versuchstechnisch ermittelt werden. Beispielsweise zeigen Verbrennungsuntersuchungen mit Diesel-Common-Rail-Einspritzsystemen, dass eine motorabhängige Abweichung von bis zu 16% vom Drucksetpunkt zur Erreichung der aktuellen Emissionsgrenze (EU6) zulässig sein kann. Wenn ein solcher Raildruckgrenzwert oder Raildruckbereich ermittelt worden ist, kann erfindungsgemäß so vorgegangen werden, dass im Betrieb des Verbrennungsmotors die Zahl der eingesparten Ansteuerpulse sukzessive erhöht wird, bis der entsprechende Raildruckgrenzwert oder die Untergrenze des Raildruckbereiches erreicht ist, wonach das Einlassventil wieder angesteuert wird, um erneut mit der Förderung zu beginnen.
Die Hochdruckpumpe wird dabei so angesteuert, dass nach der Reduzierung der Zahl der Ansteuerpulse eine größere Kraftstoffmenge gefördert wird, um den entstandenen Druckverlust auszugleichen.
Hierbei wird die Zahl der Ansteuerpulse vorzugsweise in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors und damit der geforderten Einspritzmenge und/oder eventuell vorhandenen Leckage reduziert. Beispielsweise wird die Zahl der Ansteuerpulse im Leerlauf oder in Teillast verringert.
Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der einzuhaltende Raildruckgrenzwert oder Raildruckbereich für den Verbrennungsmotor in dessen Entwicklungsphase versuchstechnisch bestimmt. Im nachfolgenden Betrieb des Verbrennungsmotors wird dann das digitale Einlassventil der Hochdruckpumpe so angesteuert, dass mindestens ein Schaltvorgang des Einlassventils eingespart wird, ohne dass der versuchstechnisch ermittelte Raildruckgrenzwert oder der entsprechende Raildruckbereich unterschritten bzw. verlassen wird.
Wie bereits erwähnt, wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugweise nur in bestimmten Teilen des Motorkennfeldes, wie im Leerlauf oder unter Teillast, durchgeführt.
Um eine Umschaltmöglichkeit vorzusehen, mit der von einer einspritzsynchronen Ansteuerung des Einlassventils zu einer nichteinspritzsynchronen Ansteuerung umgeschaltet werden kann, wird zweckmäßigerweise ein entsprechendes Motorkennfeld in der Motorsteuereinrichtung implementiert. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Raildruckregelungsstrategie ausgeführt werden.
Bei einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein durch die Einspritzung bewirkter Druckabfall vorausberechnet und hierdurch ein einzuhaltender Raildruckgrenzwert oder Raildruckbereich festgelegt, oberhalb bzw. innerhalb von dem die Pumpenförderung durch Reduzierung der Ansteuerpulse zeitweise deaktiviert wird. Hierbei kann über die von der Motorsteuereinrichtung berechnete Einspritzmenge durch die physikalische Beziehung Druckabfall = Kompressionsmodul des Kraftstoffes × Volumenänderung im Hochdruck/gesamtes Hochdruckvolumen der Druckabbau durch die Einspritzung vorausberechnet werden. Die entsprechenden motorspezifischen Daten, wie Hochdruckvolumen, und kraftstoffspezifischen Daten werden dabei in der Motorsteuereinrichtung hinterlegt.
Durch die entsprechende Deaktivierung des digitalen Einlassventils werden die Geräuschemissionen in entsprechend relevanten Betriebszuständen, vor allem im Leerlauf, reduziert. Ferner wird hierdurch zur Verringerung des Energiebedarfes beigetragen. Die Anzahl der Ventilschaltungen über die Lebensdauer nimmt ebenfalls ab.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei einem Einspritzsystem Anwendung finden, bei dem die Kraftstoffhochdruckpumpe zusätzlich zum digitalen Einlassventil ein digitales Auslassventil aufweist. Hierbei wird das digitale Auslassventil entsprechend dem digitalen Einlassventil angesteuert.
Eine Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit bestehenden Geräuschminderungsmaßnahmen, beispielsweise der Whispering-Funktion, zur Ansteuerung des digitalen Einlassventils der Hochdruckpumpe ist möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles im Einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockdiagramm der einzelnen Verfahrensschritte.
In Schritt 1 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird versuchstechnisch ein Grenzwert für den Raildruck ermittelt, bis zu dem der Raildruck absinken kann, ohne dass hierdurch entsprechende Emissionsgrenzwerte aus der Abgasgesetzgebung, beispielsweise EU6, überschritten werden. Der entsprechende Grenzwert bzw. Grenzbereich für den Raildruck wird in der Motorsteuereinrichtung hinterlegt. Ferner wird in Schritt 2 ein entsprechendes Kennfeld in Abhängigkeit von beispielsweise der Motordrehzahl und der Einspritzmenge etc. implementiert, um eine Umschaltung auf die erfindungsgemäße Raildruckregelungsstrategie zu ermöglichen.
Im Betrieb des Kraftstoffeinspritzsystems bzw. des entsprechenden Fahrzeuges wird in Schritt 3 des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn sich der Motor z. B. im Leerlauf befindet, auf die erfindungsgemäße Raildruckregelungsstrategie umgeschaltet. Hierbei wird die Kraftstoffförderung durch die Hochdruckpumpe, d. h. das Ansteuern des digitalen Einlassventils der Hochdruckpumpe, so lange ausgesetzt, bis der hinterlegte Raildruckgrenzwert erreicht ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein, zwei oder mehr Förderhübe handeln, so dass ein, zwei oder mehr Schaltvorgänge für das Einlassventil entfallen. Das Realisieren der erfindungsgemäßen Raildruckstrategie durch Deaktivieren des Einlassventils bis zum Erreichen des Raildruckgrenzwertes findet in Schritt 4 statt.
Wenn der hinterlegte Grenzwert für den Raildruck erreicht ist, wird das digitale Einlassventil der Hochdruckpumpe wieder aktiviert, und es wird eine größere Menge Kraftstoff in das Rail gefördert, um den entstandenen Druckverlust rascher auszugleichen. Dies ist in Schritt 5 dargestellt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Verbrennungsmotors, das einen Hochdruckspeicher (Rail) und eine Kraftstoff in den Hochdruckspeicher fördernde Kraftstoffhochdruckpumpe mit digitalem Einlassventil aufweist, wobei die Zahl der Ansteuerpulse für das digitale Einlassventil und damit die Zahl der Pumpenförderhübe gegenüber der Zahl der Einspritzvorgänge eines Injektors des Einspritzsystems unter Berücksichtigung eines in Abhängigkeit von Emissionsgrenzwerten des Verbrennungsmotors einzuhaltenden Raildruckgrenzwertes oder Raildruckbereiches reduziert wird und wobei die Hochdruckpumpe so angesteuert wird, dass nach der Reduzierung der Zahl der Ansteuerpulse eine größere Kraftstoffmenge gefördert wird, um den entstandenen Druckverlust auszugleichen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Ansteuerpulse in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors und damit der geforderten Einspritzmenge und/oder eventuell vorhandenen Leckage reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der einzuhaltende Raildruckgrenzwert oder Raildruckbereich für den Verbrennungsmotor in dessen Entwicklungsphase versuchstechnisch bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es nur in bestimmten Teilen des Motorkennfeldes, wie im Leerlauf oder unter Teillast, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein entsprechendes Motorkennfeld in der Motorsteuereinrichtung zur Umschaltung der durchgeführten Raildruckregelungsstrategie von einspritzsynchron auf nichteinspritzsynchron implementiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Einspritzung bewirkter Druckabfall vorausberechnet wird und hierdurch ein einzuhaltender Raildruckgrenzwert oder Raildruckbereich festgelegt wird, oberhalb bzw. innerhalb von dem die Pumpenförderung durch Reduzierung der Ansteuerpulse zeitweise deaktiviert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche für ein Einspritzsystem, bei dem die Kraftstoffhochdruckpumpe zusätzlich zum digitalen Einlassventil ein digitales Auslassventil aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Auslassventil entsprechend dem digitalen Einlassventil angesteuert wird.