DE102014206231A1

DE102014206231A1 - Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckpumpe eines Einspritzsystems und Einspritzsystem

Info

Publication number: DE102014206231A1
Application number: DE102014206231.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Wirkowski
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2015-10-08
Also published as: KR101835258B1; KR20160140862A; WO2015150013A1; CN106536903A; US20170030288A1

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckpumpe eines Einspritzsystems und ein Einspritzsystem beschrieben. Bei dem Verfahren geht es darum, zusätzliche Pulse, mit denen ein Ventil der Hochdruckpumpe beaufschlagt wird, abzuschalten, wenn die ermittelte Spulentemperatur des Ventils einen Grenzwert übersteigt. Dies wird beispielsweise dann durchgeführt, wenn das Ventil mit zusätzlichen Pulsen zur Geräuschminderung („Flüsterfunktion“) beaufschlagt wird. Es werden Strom- und Spannungsinformationen vom Ansteuersignal des Ventils der Hochdruckpumpe genutzt, um dessen Temperatur zu messen und durch diese Informationen ein Abschalten von zusätzlichen Strompulsen dann durchzuführen, wenn eine Überhitzungsgefahr des Ventils besteht. Ferner wird ein Einspritzsystem eines Verbrennungsmotors beschrieben, das eine Hochdruckpumpe mit einem Ventil und eine entsprechende Steuereinheit aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckpumpe eines Einspritzsystems eines Verbrennungsmotors, bei dem ein Ventil der Hochdruckpumpe über eine Steuereinheit durch Beaufschlagung der Spule des Ventils mit einem Steuerimpuls auf- und/oder zugesteuert wird.
Bei Einspritzsystemen von Verbrennungsmotoren wird der erforderliche Kraftstoffdruck durch mechanisch angetriebene Hochdruckpumpen erzeugt. Derartige Hochdruckpumpen sind beispielsweise als Radialkolbenpumpen ausgebildet und besitzen ein Pumpengehäuse, in dem ein Pumpenkolben bewegbar gelagert ist. Im Pumpengehäuse befindet sich an einem Ende des Pumpenkolbens ein Druckraum. Um den Druckraum mit Fluid befüllen zu können, weist dieser eine Zulaufleitung auf, in der ein als Einlassventil ausgebildetes Ventil angeordnet ist. Dieses Ventil ist vorzugsweise als digital geschaltetes Ventil ausgebildet. Ferner besitzt der Druckraum eine Ablaufleitung, in der ein als Auslassventil ausgebildetes weiteres Ventil angeordnet ist. Damit kann Fluid aus dem Druckraum ausgestoßen werden.
Derartige Ventile unterliegen starken Beanspruchungen, insbesondere wenn sie Dauerbelastungen, wie z.B. in Hochdruckpumpen, ausgesetzt sind. Da Hochdruckpumpen Drücken von beispielsweise 2.000 bar oder mehr ausgesetzt sind, werden hohe Anforderungen an die Ventile in derartigen Pumpen gestellt. Sowohl beim Schließen als auch beim Öffnen dieser Ventile können Geräusche auftreten.
Es ist bekannt, bei derartigen Ventilen neben einem Öffnungs- und/oder Schließpuls einen zusätzlichen Bremspuls zur Geräuschreduktion vorzusehen. Durch zusätzliche Beaufschlagung mit einem derartigen Bremspuls oder „Flüsterpuls“ kann das Ventil derart langsam geschlossen bzw. langsam geöffnet werden, dass die Geräuschentwicklung des Ventils klein gehalten und dennoch ein zuverlässiges und ausreichend rasches Schließen bzw. Öffnen des Ventils erreicht werden kann. Des Weiteren kann der Verschleiß des Ventils klein gehalten werden. Einzelheiten eines derartigen Bremspulses bzw. „Flüsterpulses“ sind beispielsweise in der DE 10 2011 075 269 A1 beschrieben.
Die durch die Hochdruckpumpe verbrauchte elektrische Leistung ist von der Ansteuerung der Hochdruckpumpe abhängig. So wird die verbrauchte elektrische Leistung durch den vorstehend erwähnten zusätzlichen Bremspuls bzw. „Flüsterpuls“ erhöht. Ist die Pumpe jedoch schon durch Einwirkung von außen, beispielsweise durch Motorabwärme und/oder hohe Außentemperatur thermisch hoch beansprucht, kann es nötig sein, die zugeführte elektrische Energie zu reduzieren, damit das entsprechende Ventil nicht „abbrennt“. Dabei kann durch zu hohe Temperaturen der Isolationswerkstoff der zugehörigen Spule versagen und ein Kurzschluss zwischen den Windungen auftreten. Der dadurch verringerte Spulenwiderstand führt zu einem höheren Stromschluss, der wiederum zu einer höheren Temperatur führt. Es entsteht daher ein Kausalkreis, der innerhalb kürzester Zeit ein Versagen des Ventils zur Folge hat. Auch ist dadurch die Gefahr eines Brandes gegeben.
Um dieses Problem zu lösen, hat man die elektrische Belastung der Hochdruckpumpe verringert. Hierbei wurden zusätzliche Funktionen der Hochdruckpumpe, wie beispielsweise der vorstehend genannte Bremspuls bzw. „Flüsterpuls“, ab einer gewissen Drehzahl blind abgeschaltet, und zwar ungeachtet der Notwendigkeit einer Abschaltung. Nachteile in der Funktionsweise der Hochdruckpumpe, insbesondere eine entsprechende Geräuschentwicklung der Ventile, wurden hingenommen. Da aber durch den zusätzlichen „Flüsterpuls“ das Geräusch der Hochdruckpumpe durch Minimierung der Kräfte auf die beweglichen Teile der Pumpe reduziert wird, verschlechtert sich durch das frühe Abschalten des „Flüsterpulses“ auch die Haltbarkeit der Hochdruckpumpe, insbesondere der Ventile derselben. Durch das bekannte Abschalten ohne wirkliche Notwendigkeit wird somit die Lebensdauer der Hochdruckpumpe verkürzt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, mit dem einer Überhitzungsgefahr einer Hochdruckpumpe eines Einspritzsystems auf besonders einfache und wirksame Weise begegnet werden kann.
Dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der angegebenen Art gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:
Messen des elektrischen Stromes, den das Ventil zum Öffnen und/oder Schließen verbraucht,
Messen der am Ventil anliegenden elektrischen Spannung,
Berechnen des elektrischen Widerstandes der Spule,
Ermitteln der Spulentemperatur aus dem berechneten Spulenwiderstand und
Abschalten von zusätzlichen Pulsen, mit denen das Ventil beaufschlagt wird, wenn die ermittelte Spulentemperatur einen Grenzwert übersteigt.
Erfindungsgemäß erfolgt daher kein blindes Abschalten von zusätzlichen Pulsen, insbesondere eines „Flüsterpulses“, sondern die zusätzlichen Pulse werden gezielt abgeschaltet, wenn die ermittelte Spulentemperatur einen Grenzwert übersteigt. Wird dabei eine Temperatur ermittelt, bei der ein Schaden an der Spule entstehen kann, werden die zusätzlichen Pulse ausgeschaltet. Dies geschieht somit aber erst bei der Gefahr des tatsächlichen Schadens, und nicht schon aus Vorsicht. Durch das Abschalten der zusätzlichen Pulse wird die Pumpe elektrisch weniger beansprucht, und die Spulentemperatur sinkt.
Zur Ermittlung der Spulentemperatur werden der elektrische Strom, der vom Ventil zum Öffnen und/oder Schließen verbraucht wird, sowie die am Ventil anliegende elektrische Spannung gemessen, woraus der elektrische Widerstand der Spule berechnet wird. Dieser Wert ist abhängig vom Spulenwiderstand bei Nominaltemperatur (20 °C) und der Spulentemperatur. Die Spulentemperatur ist somit bei einer bestimmten Spule eindeutig einer Temperatur zugeordnet, die durch einfache Rechenoperationen ermittelt werden kann. Wenn die ermittelte Spulentemperatur einen Grenzwert übersteigt, werden zusätzliche Pulse abgeschaltet, so dass eine einfache und wirksame Überlastsicherung erreicht wird.
Wie eingangs erwähnt, werden zusätzliche Impulse insbesondere aufgebracht, um eine Geräuschminimierung der Hochdruckpumpe bzw. der entsprechenden Ventile zu bewirken. Erfindungsgemäß werden daher vorzugsweise zusätzliche Pulse, mit denen das Ventil zur Geräuschminderung beaufschlagt wird, abgeschaltet. Der entsprechende „Flüsterpuls“ wird daher abgeschaltet, wenn eine Temperatur ermittelt wird, bei der ein Schaden an der Spule entstehen kann. Übertemperaturschäden an der Spule werden daher erfindungsgemäß insbesondere bei einem „Flüsterpuls“ vermieden. Hierdurch wird auch eine Erweiterung des Betriebsbereiches des „Flüsterpulses“ (gegenüber einer Blindabschaltung) erreicht. Insgesamt ist die Pumpe daher auch in einem erweiterten Betriebsbereich leise und ihre Lebenserwartung steigt.
Vorzugsweise wird der Strom, den das Ventil zum Öffnen und/oder Schließen verbraucht, von einem Shuntwiderstand in der Steuereinheit gemessen. Da ein derartiger Shuntwiderstand wegen der vorstehend beschriebenen Flüsterfunktion ohnehin in der Steuereinheit enthalten ist, ist die erfindungsgemäß vorgesehene Überlastsicherung bei dieser Ausführungsform nicht mit Mehrkosten verbunden.
Bei Bekanntsein des Spulenwiderstandes kann sinnvollerweise ein Widerstand bei Normaltemperatur gemessen und für die Berechnung des aktuellen Spulentemperaturwertes abgespeichert werden. So kann beispielsweise der Widerstand bei 20 °C (R20) gemessen werden. Dies kann am besten dann durchgeführt werden, wenn der zugehörige Motor länger als 12 Stunden steht. Dies kann ermittelt werden durch den „Engine off Timer“ und/oder durch den gleichen Temperaturmesswert der Kühlwassertemperatur (TCO) und der Umgebungstemperatur (TAM).
Der Widerstand kann aber auch bei einer anderen Temperatur als 20 °C gemessen werden. Die Berechnung wird dann einfacherweise auf den R20-Wert bezogen.
Als Ventil der Hochdruckpumpe wird insbesondere ein Einlassventil derselben angesteuert.
Erfindungsgemäß werden somit die Strom- und Spannungsinformationen vom Ansteuersignal eines Ventils der Hochdruckpumpe genutzt, um dessen Temperatur (die Spulentemperatur) zu messen und durch diese Informationen ein Abschalten von zusätzlichen Strompulsen, insbesondere dem „Flüsterpuls“, dann durchzuführen, wenn eine Überhitzungsgefahr des Ventils besteht.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Einspritzsystem eines Verbrennungsmotors mit einer Hochdruckpumpe mit einem Ventil und einer Steuereinheit zum Auf- und/oder Zusteuern des Ventils durch Beaufschlagung einer Spule des Ventils mit einem Strompuls.
Erfindungsgemäß umfasst ein derartiges Einspritzsystem ferner:
eine Einrichtung zum Messen des elektrischen Stromes, den das Ventil zum Öffnen und/oder Schließen verbraucht,
eine Einrichtung zum Messen der am Ventil anliegenden elektrischen Spannung,
eine Einrichtung zum Berechnen des elektrischen Widerstandes der Spule,
eine Einrichtung zum Ermitteln der Spulentemperatur aus dem berechneten Spulenwiderstand,
eine Einrichtung zur Beaufschlagung des Ventils mit zusätzlichen Pulsen und
eine Einrichtung zum Abschalten der Einrichtung zur Beaufschlagung des Ventils mit zusätzlichen Pulsen, wenn die ermittelte Spulentemperatur einen Grenzwert übersteigt.
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Einrichtungen können in die Steuereinheit des Verbrennungsmotors integriert sein.
Bei der Einrichtung zur Beaufschlagung des Ventils mit zusätzlichen Pulsen handelt es sich vorzugsweise um eine solche zur Beaufschlagung des Ventils mit Pulsen zur Geräuschminderung („Flüsterpuls“).
Die Einrichtung zum Messen des elektrischen Stromes, den das Ventil zum Öffnen und/oder Schließen verbraucht, ist vorzugsweise ein Shuntwiderstand in der Steuereinheit. Ein solcher Shuntwiderstand ist ohnehin vorhanden, wenn eine Einrichtung zur Erzeugung eines „Flüsterpulses“ vorgesehen ist.
Das Einspritzsystem kann ferner eine Einrichtung zum Messen des Spulenwiderstandes bei Normaltemperatur aufweisen.
Das Ventil der Hochdruckpumpe ist vorzugsweise ein Einlassventil derselben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Hochdruckpumpe mit einem Ventil in einem Längsschnitt; und
2 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt auf schematische Weise eine Hochdruckpumpe 10 eines Einspritzsystems eines Verbrennungsmotors. Die Pumpe 10 besitzt ein Pumpengehäuse 12 und ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Radialkolbenpumpe ausgebildet. Im Pumpengehäuse 12 ist ein Pumpenkolben 14 bewegbar gelagert. Im Pumpengehäuse 12 befindet sich an einem Ende des Pumpenkolbens 14 ein Druckraum 16. Um den Druckraum 16 mit Fluid befüllen zu können, weist dieser eine Zulaufsleitung 18 auf, in der ein als Einlassventil ausgebildetes Ventil 20 angeordnet ist. Das als Einlassventil ausgebildete Ventil 20 ist hierbei als digital geschaltetes Ventil ausgebildet. Das Ventil 20 erleichtert die Befüllung des Druckraumes 16 und verhindert beim Befüllen das Zurückströmen des Fluids aus der Zulaufleitung 18. Der Druckraum 16 weist ferner eine Ablaufleitung 22 auf, in der ein als Auslassventil ausgebildetes weiteres Ventil 24 angeordnet ist. Damit kann Fluid aus dem Druckraum 16 ausgestoßen werden.
Die Pumpe 10 weist weiter eine Antriebswelle 26 auf, die mit einem Exzenterring 28 in Wirkverbindung steht und in einer Drehrichtung D im Uhrzeigersinn drehbar ist.
Das Ventil hat ein Ventilgehäuse mit einer Ausnehmung, in der eine Feder 32, ein Stift 34 und ein Dichtelement 36 angeordnet sind. Die Feder 32 spannt das Dichtelement 36 über den Stift 34 vor, indem sie sich an einer Wand der Ausnehmung abstützt. In der Ausnehmung befindet sich weiter ein gegenüber dem Ventilgehäuse 29 fest angeordneter Dichtsitz 38, der Durchgangsausnehmungen aufweist. Über die Durchgangsausnehmungen kann Fluid strömen, wenn das Dichtelement 36 nicht am Dichtsitz 38 anliegt.
Das Ventil 20 weist ferner einen Aktuator 42 auf. Der Aktuator 42 ist als Magnetspule ausgebildet. Der Stift 34 ist teilweise innerhalb des Aktuators 42 angeordnet und kann vom Aktuator 42 betätigt werden.
Der genaue Aufbau eines derartigen Ventils ist in der eingangs bereits genannten DE 10 2011 075 269 A1 beschrieben. Das Ventil ist so konzipiert und funktioniert derart, dass durch das Aufbringen von zusätzlichen Strompulsen eine Geräuschminderung beim Öffnen des Ventils erreicht wird. Diese sogenannte „Flüsterfunktion“ ist in der vorstehend genannten Veröffentlichung im Einzelnen beschrieben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden nunmehr diese zusätzlichen Pulse, mit denen das Ventil zur Geräuschminderung beaufschlagt wird („Flüsterfunktion“), abgeschaltet, wenn die ermittelte Spulentemperatur des Ventils einen Grenzwert übersteigt. Hierbei wird der „Flüsterpuls“ nicht blind ab einer gewissen Drehzahl abgeschaltet, sondern es wird, wie in 2 schematisch gezeigt, in Schritt 1 der elektrische Strom gemessen, den das Ventil zum Öffnen verbraucht. In Schritt 2 wird die am Ventil anliegende elektrische Spannung gemessen. Aus den beiden Werten wird nach der Formel R = U/I der Widerstand der Ventilspule errechnet (Schritt 3). Dieser Wert ist abhängig vom Spulenwiderstand bei Nominaltemperatur (20 °C) und der Spulentemperatur. Die Spulentemperatur ist somit bei einer bestimmten Spule eindeutig einer Temperatur zugeordnet. Die Spulentemperatur lässt sich dann wie folgt berechnen (Schritt 4): Rt = R20·(1 + a20·(t – 20°C)) → t = 20°C + (Rt/R20 – 1)/a20.
Wird hierbei eine Temperatur ermittelt, bei der ein Schaden an der Spule entstehen kann, wird der „Flüsterpuls“ ausgeschaltet (Schritt 5). Dies geschieht somit aber erst bei der Gefahr eines tatsächlichen Schadens, und nicht schon aus Vorsicht. Durch das Abschalten des Pulses wird die Pumpe elektrisch weniger beansprucht.
Die in der obigen Gleichung enthaltenen Parameter haben die folgende Bedeutung:

Rt: = Widerstand bei Temperatur t
R20: = Widerstand bei 20 °C
t: = gesuchte Temperatur
a20: = Temperaturkoeffizient

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011075269 A1 [0004, 0031]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckpumpe eines Einspritzsystems eines Verbrennungsmotors, bei dem ein Ventil der Hochdruckpumpe über eine Steuereinheit durch Beaufschlagung einer Spule des Ventils mit einem Stromimpuls auf- und/oder zugesteuert wird, mit den folgenden Schritten: Messen des elektrischen Stromes, den das Ventil zum Öffnen und/oder Schließen verbraucht, Messen der am Ventil anliegenden elektrischen Spannung, Berechnen des elektrischen Widerstandes der Spule, Ermitteln der Spulentemperatur aus dem berechneten Spulenwiderstand und Abschalten von zusätzlichen Pulsen, mit denen das Ventil beaufschlagt wird, wenn die ermittelte Spulentemperatur einen Grenzwert übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Pulse, mit denen das Ventil zur Geräuschminderung beaufschlagt wird, abgeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom, den das Ventil zum Öffnen und/oder Schließen verbraucht, von einem Shuntwiderstand in der Steuereinheit gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bekanntsein des Spulenwiderstandes ein Widerstand bei Normaltemperatur gemessen und für die Berechnung des aktuellen Spulentemperaturwertes abgespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ventil der Hochdruckpumpe ein Einlassventil derselben angesteuert wird.
Einspritzsystem eines Verbrennungsmotors mit einer Hochdruckpumpe (10) mit einem Ventil (20) und einer Steuereinheit zum Auf- und/oder Zusteuern des Ventils (20) durch Beaufschlagung einer Spule (42) des Ventils (20) mit einem Strompuls, wobei das Einspritzsystem ferner umfasst: eine Einrichtung zum Messen des elektrischen Stromes, den das Ventil (20) zum Öffnen und/oder Schließen verbraucht, eine Einrichtung zum Messen der am Ventil (20) anliegenden elektrischen Spannung, eine Einrichtung zum Berechnen des elektrischen Widerstandes der Spule (42), eine Einrichtung zum Ermitteln der Spulentemperatur aus dem berechneten Spulenwiderstand, eine Einrichtung zur Beaufschlagung des Ventils (20) mit zusätzlichen Pulsen und eine Einrichtung zum Abschalten der Einrichtung zur Beaufschlagung des Ventils (20) mit zusätzlichen Pulsen, wenn die ermittelte Spulentemperatur einen Grenzwert übersteigt.
Einspritzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Beaufschlagung des Ventils (20) mit zusätzlichen Pulsen eine solche zur Beaufschlagung des Ventils (20) mit Pulsen zur Geräuschminderung ist.
Einspritzsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Messen des elektrischen Stromes, den das Ventil (20) zum Öffnen und/oder Schließen verbraucht, ein Shuntwiderstand in der Steuereinheit ist.
Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Einrichtung zum Messen des Spulenwiderstandes bei Normaltemperatur aufweist.
Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (20) der Hochdruckpumpe (10) ein Einlassventil derselben ist.