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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines unerwünschten Schließens eines elektrischen Saugventils einer Hochdruckpumpe.
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Stand der Technik
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Saugventile mit einem frei beweglichen Ventilkolben können in Kombination mit Kolbenpumpen als Hochdruckpumpen eingesetzt werden, um Kraftstoff bis zu einem gewünschten Druckwert, dem Raildruck, zu verdichten und in einen Druckspeicher (als Rail oder Common-Rail bezeichnet) weiterzuleiten. Das Saugventil öffnet im Saughub des Kolbens und lässt Kraftstoff nachfließen und schließt im Druckhub des Kolbens, um den Kraftstoff nicht in den Niederdruck abfließen zu lassen.
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Ein derartiges Saugventil kann auch als elektrisches Saugventil mit einem elektrisch verstellbaren Wegbegrenzungsanschlag für den Ventilkolben ausgebildet sein, wobei die Verstellung durch eine Spule mit einem Magnetanker realisiert wird. Dabei besteht keine mechanische Verbindung zwischen dem Magentanker und dem Ventilkolben. Eine mechanische Feder übt eine mechanische Federkraft auf den Magnetanker aus und hält diesen in einer Grundposition. Durch Bestromen der Spule wird eine Position des Magnetankers relativ zu der Spule verändert, insbesondere entgegen der Federkraftwirkung der mechanischen Feder. Diese Position des Magnetankers stellt den Wegbegrenzungsanschlag für den Ventilkolben dar und bestimmt somit den minimal oder maximal (je nach Ausgestaltung) möglichen Öffnungsgrad des Saugventils.
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Bei Common-Rail-Systemen können elektrische Saugventile verwendet werden, die im stromlosen Zustand der Spule auch im Druckhub geöffnet sind, d.h. der Magnetanker begrenzt den Rückweg des Ventilkolbens im stromlosen Zustand maximal. Die Grundposition des Magnetankers im stromlosen Zustand definiert dabei einen Wegbegrenzungsanschlag, bei welchem der Ventilkolben das Saugventil nicht vollständig schließt und das Saugventil geöffnet ist. Durch Anlegen einer Spannung an die Spule wird der minimal mögliche Öffnungsgrad des Saugventils verringert. Solche Ventile werden als "stromlos offen" bezeichnet.
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Saugventile können in Kombination mit Hochdruckpumpen eingesetzt werden, um den Raildruck mittels aus einem Kraftstofftank zugeleiteter Kraftstofffördermenge zu regeln. Dabei wird in einem Saughub der Hochdruckpumpe Kraftstoff durch Saugventil in einen Förderraum der Hochdruckpumpe gesaugt. Das Fördervolumen der Hochdruckpumpe kann durch Veränderung der Magnetankerposition gesteuert werden, d.h. die maximal mögliche Fördermenge wird erzielt, wenn der Magnetanker den Rückweg des Ventilkolbens nicht begrenzt. In einem Förderhub bzw. Druckhub übt der Kraftstoff im Förderraum eine Kraft bzw. Druck auf den Ventilkolben aus und bewegt diesen in Richtung des Magnetankers und somit des aktuellen Wegbegrenzungsanschlags. Je nach Lage des Wegbegrenzungsanschlags und dem damit verbundenen minimalen Öffnungsgrad des Saugventils kann dabei mehr oder weniger Kraftstoff wieder in den Kraftstofftank rückgeführt werden. Der Kraftstoff in dem Förderraum wird somit verdichtet und ein Druck in dem Förderraum erhöht sich. Sobald dieser Druck den Raildruck übersteigt, öffnet ein weiteres Ventil und der Kraftstoff wird in das Common-Rail gefördert.
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In einem Fehlerfall kann es dazu kommen, dass sich das Saugventil ungewollter Weise vollständig schließt, weil der Rückweg des Ventilkolben nicht, wie gewünscht, begrenzt wird. Ein derartiger Fehlerfall kann bzw. können beispielsweise ein Bruch der mechanischen Feder oder unzulässige hydraulische Kräfte im Förderraum, die größer als die mechanische Federkraft sind, sein. Der Magnetanker wird somit nicht mehr in der angesteuerten Position gehalten.
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In einem derartigen Fehlerfall kann es zu einer unerwünschten Förderung von Kraftstoff in das Common-Rail kommen. Ein derartiges unerwünschtes Schließen des Saugventils kann somit zu einem unzulässigen Druckanstieg in dem Common-Rail führen. Dieser unzulässige Druckanstieg muss schnellstmöglich abgebaut werden, um Beschädigungen, beispielsweise eine externe Leckage, zu verhindern. Daher soll ein unerwünschtes Schließen des Saugventils schnellstmöglich erkannt werden.
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Dazu kann beispielsweise eine hochaufgelöste Überwachung des Raildrucks durchgeführt werden. Somit kann ein unzulässiger Druckanstieg bestimmt und somit ein unerwünschtes Schließen des Saugventils erkannt werden. Allerdings kann zwischen dem unerwünschten Schließen des Saugventils und dem Bestimmen des unzulässigen Druckanstiegs eine vergleichsweise lange Zeit verstreichen. Gegebenenfalls kann es dann schon zu Beschädigungen gekommen sein.
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Es ist daher wünschenswert, eine Möglichkeit bereitzustellen, um ein unerwünschtes Schließen eines elektrischen Saugventils schnellstmöglich, insbesondere bei Eintreten dieses Ereignisses, erkennen zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Erkennen eines unerwünschten Schließens eines elektrischen Saugventils einer Hochdruckpumpe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Das elektrische Saugventil ist so ausgebildet, dass es in einem stromlosen Zustand ohne Ansteuerung geöffnet ist und nicht vollständig geschlossen werden kann, auch wenn der Ventilkolben mit einer Kraft in Schließrichtung, insbesondere durch einen Kraftstoffstrom, beaufschlagt wird. Wird die Spule bestromt bzw. angesteuert, kann sich das Saugventil teilweise oder komplett schließen, wenn es, insbesondere durch einen Kraftstoffstrom, mit einer Kraft beaufschlagt wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein unerwünschtes Schließen des elektrischen Saugventils erkannt, indem die Spule auf eine Induktionsspannung bzw. einen Induktionsstrom hin überwacht wird. Bei einem unerwünschten Schließen wird das Saugventil komplett geschlossen, obwohl die Spule nicht entsprechend angesteuert wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein unerwünschtes Schließen des Saugventils instantan erkannt. Das unerwünschte Schließen wird schnellstmöglich und unmittelbar nach dem Eintreten dieses Ereignisses erkannt. Das unerwünschte Schließen wird nicht durch eine Überwachung der Folgen dieses unerwünschten Schließens erkannt, beispielsweise eines unzulässigen Druckanstiegs, sondern durch Überwachung des Saugventils selbst. Somit vergeht nicht zunächst ein Zeitintervall, bis das unerwünschte Schließen erkannt wird.
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Das Saugventil weist insbesondere eine Spule und einen darin beweglichen einen Magnetanker, einen Ventilkolben und eine mechanische Feder auf. Insbesondere hält die mechanische Feder den Magnetanker in einer Grundposition, wodurch ein Wegbegrenzungsanschlag des Ventilkolbens derart realisiert ist, dass das Saugventil geöffnet ist, auch dann, wenn der Ventilkolben, insbesondere durch einen Kraftstoffstrom, mit einer Kraft beaufschlagt wird und gegen den Magnetanker gedrückt wird. Bei elektrischer Ansteuerung (d.h. Bestromung) der Spule des Saugventils, wird der Magnetanker von der Spule angezogen, insbesondere entgegen der Federkraftwirkung der mechanischen Feder. Dadurch wird auch die Lage des Wegbegrenzungsanschlags für den Ventilkolben verändert. Wird der Ventilkolben, insbesondere durch einen Kraftstoffstrom, mit einer Kraft beaufschlagt kann er bis zu diesem Wegbegrenzungsanschlag gedrückt werden. Das Saugventil kann somit teilweise oder komplett geschlossen werden.
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Wird das Saugventil unerwünscht komplett geschlossen, obwohl die Spule nicht entsprechend elektrisch angesteuert wird, drückt der Ventilkolben den Magnetanker gegen die mechanische Feder. Durch die damit verbundene Bewegung des Magnetankers wird in der Spule eine Spannung induziert. Erfindungsgemäß wird daher die Spannung bzw. der Strom an der Spule überwacht. Wird dabei eine induzierte Spannung bzw. ein induzierter Strom erkannt, wird somit auch ein unerwünschtes Schließen des Saugventils erkannt.
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Vorzugsweise wird daher überwacht, ob die Spannung an der Spule einen Schwellwert erreicht. Insbesondere ist dieser Schwellwert ein oberer Schwellwert. Erreicht die Spannung an der Spule diesen Schwellwert bzw. überschreitet die Spannung an der Spule den oberen Schwellwert, bedeutet dies, dass in der Spule eine Spannung induziert wird und dass das Saugventil unerwünscht geschlossen wurde. Der Schwellwert wird dabei zweckmäßig derart gewählt, dass Toleranzen der Spannung an der Spule nicht zu einem Fehlerkennung führen.
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Bevorzugt wird mit Erkennen des unerwünschten Schließens des Saugventils eine Schutzmaßnahme durchgeführt. Durch das schnellstmögliche Erkennen des unerwünschten Schließens können somit auch nötige Schmutzmaßnahmen schnellstmöglich eingeleitet und durchgeführt werden. Somit kann verhindert werden, dass es durch das unerwünschte Schließen zu Beschädigungen der Hochdruckpumpe oder mit der Hochdruckpumpe verbundenen Bauteilen kommt.
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Vorteilhaft werden ein Federbruch der mechanischen Feder und/oder unzulässige hydraulische Kräfte im Förderraum, die größer als die mechanische Federkraft sind, in dem Saugventil erkannt. Zu einem unerwünschten Schließen des Saugventils kommt es insbesondre dann, wenn die mechanische Feder den Magnetanker nicht mehr in seiner Grundposition halten kann. Der Ventilkolben kann den Magentanker dabei gegen die gebrochene bzw. defekte mechanische Feder drücken.
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Die Erfindung eignet sich für sämtliche Arten von Pumpen, welche ein Saugventil umfassen. Besonders bevorzugt wird die Kraftstoffpumpe im Zuge eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Verbrennungsmotors benutzt, wie detailliert anhand der nachfolgenden Figuren erläutert wird.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt zwei schematische Darstellungen eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine mit einer Hochdruckpumpe und einem Saugventil, das zur Durchführung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Saugventils, das zur Durchführung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Hochdruckpumpe und eines Saugventils, die zur Durchführung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind.
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4 zeigt eine schematische ein Diagramm einer Spannung über die Zeit, das im Zuge einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens erfasst werden kann.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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1a zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems 10 einer Brennkraftmaschine. Dieses umfasst eine elektrische Kraftstoffpumpe 11, mit der Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 12 gefördert und über ein Kraftstofffilter 13 weitergepumpt wird. Die Kraftstoffpumpe 11 ist dazu geeignet, einen Niederdruck zu erzeugen. Zur Steuerung und/oder Regelung dieses Niederdrucks ist ein Niederdruckregler 14 vorgesehen, der mit dem Ausgang des Kraftstofffilters 13 verbunden ist, und über den Kraftstoff wieder zum Kraftstofftank 12 zurückgeführt werden kann.
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An dem Ausgang des Kraftstofffilters 13 ist des Weiteren eine Serienschaltung aus einer mechanischen Hochdruckpumpe 15 und einem elektrischen Saugventil 16 angeschlossen. Der Ausgang der Hochdruckpumpe 15 ist mit einem Druckspeicher 18 verbunden, an dem eine Mehrzahl von Einspritzventilen 19 angeschlossen ist. Der Druckspeicher 18 wird häufig auch als Rail oder Common-Rail bezeichnet. Des Weiteren ist am Druckspeicher 18 ein Drucksensor 20 angeschlossen. Ein Druckregler 33 empfängt einen Ist-Druckwert vom Drucksensor 20 und regelt diesen mittels des elektrischen Saugventils 16 auf einen Soll-Druckwert. Die Ansteuerung des elektrischen Saugventils 16 und der Druckregler 33 selbst sind dabei beispielsweise durch ein Computerprogramm auf einer Steuer- und Regeleinrichtung 100 realisiert, wobei der Ist-Druckwert des Drucksensors 20 verwendet wird.
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In 1b ist eine weitere mögliche Ausgestaltung des Kraftstoffeinspritzsystems 10 analog zu 1a dargestellt. Der Druckspeicher 18 weist dabei ein zusätzliches Druckregelelement 17, insbesondere ein Druckregelventil, auf. Über eine Anbindung 21 ist dieses Druckregelelement 17 mit dem Niederdruckbereich, insbesondere mit dem Kraftstofftank 12 verbunden.
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Das in den 1a und 1b dargestellte Kraftstoffeinspritzsystem 10 dient im vorliegenden Beispiel dazu, die Einspritzventile 19 einer vierzylindrigen Brennkraftmaschine mit ausreichendem Kraftstoff und notwendigem Kraftstoffdruck zu versorgen, sodass eine zuverlässige Einspritzung und ein sicherer Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet ist.
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Das elektrische Saugventil 16 ist in 2 im Detail dargestellt. Es weist eine Spule 21, eine Feder 29, einen Magnetanker 22 und einen Ventilkolben 31 auf. Zwischen dem Magnetanker 22 und dem Ventilkolben 31 besteht keine mechanische Verbindung. In einem in 2a dargestellten stromlosen Zustand wird der Magnetanker 22 durch die Feder 29 in einer Grundposition gehalten. Wird der Ventilkolben 31 mit einer Kraft FH (insbesondere Hydraulikkraft) beaufschlagt, wird der Ventilkolben maximal bis zu der Position des Magnetankers 22 gedrückt. Die Position des Magnetankers 22 stellt somit einen Wegbegrenzungsanschlag für den Ventilkolben 31 dar. Eine mechanische Federkraft FF der Feder 29 wirkt dabei der Kraft FH entgegen. FF ist dabei in jedem Fall größer als FH.
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Wird eine Spannung an die Spule 21 angelegt, wird der Magnetanker 21 gegen die Kraftwirkung der Feder 29 bewegt. Somit wird auch der Wegbegrenzungsanschlag für den Ventilkolben 31 verändert. Der Ventilkolben 31 kann durch die auf ihn wirkende Kraft FH somit weiter in Richtung eines Ventilsitzes 32 bewegt werden. Somit wird ein minimaler Öffnungsgrad des Saugventils 16 verringert.
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In 2b ist der Fall dargestellt, dass, beispielsweise aufgrund eines Federbruchs oder anderer Fehlerfälle, in denen die Kraft FH größer als die mechanische Federkraft FF der Feder 29 ist, ein unerwünschtes Schließen des Saugventils 16 eintritt. Obwohl die Spule 21 dabei nicht entsprechend angesteuert wird, befindet sich der Ventilkolben 31 am Ventilsitz 32 und das Saugventil 16 ist vollständig geschlossen. Der Ventilkolben 31 drückt durch die auf ihn wirkende Kraft FH den Magnetanker 22 entgegen der Kraftwirkung der Feder 29. Die mechanische Federkraft FF der Feder 29 ist somit kleiner als die Kraft FH und kann dieser nicht mehr entgegenwirken.
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In 3 sind nun das Saugventil 16 gemäß 2 und die Hochdruckpumpe 15 gemäß 1 im Detail dargestellt. Die Hochdruckpumpe 15 weist einen Kolben 23 auf, der von einem Nocken 24 betätigt wird. Der Nocken ist insbesondere pumpenseitig in einem Pumpengehäuse der Hochdruckpumpe 15 angeordnet. Insbesondere ist die Nockenbewegung durch eine zweckmäßige Anbindung (z.B. eine mechanische Welle) an die Brennkraftmaschine angebunden.
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Des Weiteren ist die Hochdruckpumpe 15 mit einem Ventil 25 versehen. Zwischen dem Saugventil 16, dem Kolben 23 und dem Ventil 25 ist ein Förderraum 26 der Hochdruckpumpe 15 vorhanden.
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Mit dem Saugventil 16 kann der Förderraum 26 von einer Kraftstoffzufuhr durch die elektrische Kraftstoffpumpe 11 und damit von dem Niederdruck abgetrennt werden. Mit dem Ventil 25 kann der Förderraum 26 von dem Druckspeicher 18 und damit von dem Hochdruck abgetrennt werden.
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In einem Ausgangszustand ist das Saugventil 16 im stromlosen Zustand komplett geöffnet und das Ventil 25 geschlossen. Das Ventil 25 wird durch den Druck einer Feder oder entsprechendes geschlossen gehalten. In einem Saughub der Hochdruckpumpe 15 bewegt sich der Nocken 24 im Zuge einer Drehbewegung in Richtung des Pfeils 27 und der Kolben 23 bewegt sich in Richtung des Pfeils 28. Aufgrund des geöffneten Saugventils 16 strömt somit Kraftstoff in den Förderraum 26.
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In einem Förderhub bzw. Druckhub der Hochdruckpumpe 15 ist das Magnetventil 22 zunächst noch geöffnet. Der Kolben 23 bewegt sich entgegen der Richtung des Pfeils 28. Aufgrund des geöffneten Saugventils 16 wird damit Kraftstoff aus dem Förderraum 26 zurück in Richtung zu der elektrischen Kraftstoffpumpe 11 gefördert bzw. rückgeführt.
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Wird an die Spule 21 eine Spannung angelegt und wird die Spule 21 somit erregt, bewegt sich der Magnetanker 22 entgegen der Kraftwirkung der Feder 29. Der Kraftstoff drückt gegen den Ventilkolben 31 und beaufschlagt diesen mit der Kraft FH. Der Ventilkolben 31 wird somit in Richtung des Ventilsitzes 32 gedrückt, bis der Ventilkolben 31 schließlich an dem Ventilsitz 32 anschlägt. Das Saugventil 16 ist somit geschlossen. Durch die weitere Hubbewegung des Kolbens 23 wird im Förderraum 26 ein Druck aufgebaut. Mit Erreichen des Druckes, welcher im Druckspeicher 18 herrscht, wird das Ventil 25 geöffnet und die Restmenge in den Druckspeicher gefördert.
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Die Menge des zu dem Druckspeicher 18 geförderten Kraftstoffs hängt davon ab, wann das Saugventil 16 in seinen geschlossenen Zustand übergeht. Je früher das Saugventil 16 geschlossen wird, desto mehr Kraftstoff wird über das Ventil 25 in den Druckspeicher 18 gefördert.
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Geht das Saugventil 16 unerwünscht in seinen geschlossenen Zustand über, obwohl die Spule 21 nicht entsprechend erregt wird, wie es anhand von 2b erläutert wurde, wird eine unerwünschte Menge an Kraftstoff zu dem Druckspeicher 18 gefördert. Ein unerwünschtes Schließen des Saugventils 16 kann zu einem unzulässigen Druckanstieg in dem Druckspeicher 18 führen.
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Um ein derartiges unerwünschtes Schließen des Saugventils 16 frühzeitig zu erkennen, wird im Zuge einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Spannung an der Spule 21 permanent überwacht. Insbesondere wird diese Spannung durch die Steuer- und Regeleinrichtung 100 überwacht, die dazu eingerichtet ist, die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
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In 4 ist schematisch ein Diagramm 200 der Spannung U an der Spule 21 über die Zeit t dargestellt, wie es von der Steuer- und Regeleinrichtung 100 im Zuge der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfasst werden kann.
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In einem Bereich 201 des Diagramms 200 bis zu einem Zeitpunkt t1 verläuft die Spannung U an der Spule 21 nahe dem Wert 0. Die Spannung schwankt dabei nur leicht im Bereich der Toleranz. Zum Zeitpunkt t1 tritt ein Peak 202 in dem Spannungsverlauf an der Spule 21 auf. Die Spannung U erreicht dabei einen Schwellwert und überschreitet einen oberen Grenzwert US. Dies bedeutet, dass der Magnetankers 22 entgegen der Kraftwirkung der Feder 29 bewegt wird und das Saugventil 15 geschlossen wird. Diese Bewegung des Magnetankers 22 induziert in der Spule 21 eine Spannung, welche sich als Peak 202 in dem erfassten Diagramm 200 der Spannung U an der Spule 21 wiederspiegelt.
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Durch Erkennen dieses Peaks 202 bzw. durch das damit verbundene Erreichen eines Schwellwerts bzw. durch das Überschreiten des Grenzwerts US wird somit ein unerwünschtes Schließen des Saugventils 15 erkannt.
