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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betreiben einer Hochdruckpumpe, wobei insbesondere ein physikalischer Förderbeginnwinkel bestimmt wird.
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Stand der Technik
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In Kraftstoffeinspritzanlagen werden Hochdruckpumpen zur Zufuhr von Kraftstoff verwendet. So werden in Druckspeicher-Einspritzanlagen Hochdruckpumpen eingesetzt, um Kraftstoff bis zu einem gewünschten Druckwert, dem Raildruck, zu verdichten und in das Rail, das einen Druckspeicher darstellt, weiterzuleiten. Die Druckspeicher-Einspritzanlage zeichnet sich durch eine Trennung von Druckerzeugung und eigentlichem Einspritzvorgang aus.
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Bekannt ist eine Hochdruckpumpe mit kraftstoffgeschmiertem Triebwerk bzw. Verbrennungsmotor, bei der die Mengenzumessung der Fördermenge über ein Saugventil erfolgt. Saugventile wiederum werden in Pumpen zum Steuern eines Zuflusses einer Flüssigkeit eingesetzt. Wird das Saugventil mit einem elektrischen Signal angesteuert, so wird dieses als elektrisches Saugventil bezeichnet. In diesem wird üblicherweise ein Elektromagnet verwendet, der mit einer Spule zusammenwirkt, um einen Anker zu bewegen. Die Bewegung des Ankers betätigt das Saugventil, d. h. dieses ist je nach Ankerposition geöffnet bzw. offen oder geschlossen bzw. zu.
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Bei Hochdruckpumpen erfolgt die Kraftstoffzufuhr regelmäßig über komplexe Durchflusskanäle im Pumpengehäuse. Der Kraftstoff wird zunächst durch das Pumpengehäuse geführt, bevor er über das Saugventil in einen Pumpenarbeitsraum der Hochdruckpumpe gelangt.
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Bei Hochdruckpumpen mit elektrisch gesteuerten Zumess-Saugventilen muss der Förderbeginnwinkel auf der Nockenbahn exakt bestimmt werden, um ein Optimum an Regelqualität zu erhalten. Der Förderbeginnwinkel wird dabei in Abhängigkeit vom oberen Totpunkt des Pumpennockens bestimmt. Optisch, d. h. durch Betrachtung der Hochdruckpumpe von außen, ist der obere Totpunkt (OT) nicht erkennbar. Die Hochdruckpumpe wird zwar orientiert angebaut, es ergeben sich jedoch durch Anbau-Toleranzen und Exemplar-Streuung des Ventilverhaltens Streuungen des physikalischen Förderbeginnwinkels. Da ein Schließen des elektrischen Saugventils aber nur erreicht wird, wenn die Anzugsstromdauer ausreichend ist, wird derzeit ein erheblicher Vorhalt bei der Applikation berücksichtigt.
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Zu beachten ist, dass die Orientierung des Pumpennocken-OT zum Motor-OT toleranzbehaftet ist. Außerdem ergeben sich durch Exemplar-Streuungen, Kraftstoffviskosität sowie durch Lebensdauerdrift Unterschiede im Ventilverhalten. Für eine optimale Regelqualität aber auch aus Sicherheitsgründen, um bspw. eine ungewollte Förderung zu verhindern, sollte der Förderbeginnwinkel möglichst exakt bestimmt werden. Bekannte Verfahren zur OT- bzw. Förderbeginnwinkel-Bestimmung analysieren ein Hochdrucksignal, d. h. bspw. das Raildrucksensor-Signal.
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Die Druckschrift
DE 10 2014 223 322 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erkennung der Pumpenorientierung einer Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem ansteuerbaren Saugventil in einer Brennkraftmaschine. Bei diesem wird aus einem Raildrucksignal auf eine Pumpenposition in Bezug auf die Nockenposition der Brennkraftmaschine geschlossen.
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Wenn der exakte Förderbeginnwinkel der Hochdruckpumpe ermittelt werden kann, kann auch die Anzugsstromdauer der Hochdruckpumpe optimiert werden, wodurch sich durch reduzierte thermische Belastung im Steuergerät und durch reduzierte elektrische Bauteilbelastung des elektrischen Saugventils verringerte Bauteilbelastungen ergeben. Dies führt über die Lebendauer in jedem Fahrzeug wegen des geringeren Stromverbrauchs zu einer CO2-Reduzierung. In einer Fahrzeugflotte ist eine statistische CO2-Reduzierung zu erreichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Das Verfahren dient zum Betreiben einer Hochdruckpumpe in einer Einspritzanlage eines Verbrennungsmotors. Insbesondere dient das Verfahren zum Detektieren bzw. Erfassen des Ventilschließens des elektrischen Saugventils, was dem physikalischen Förderbeginnwinkel entspricht, durch Analyse des Druckverlaufs im Niederdruckbereich der Einspritzanlage vor der Hochdruckpumpe. Alternativ oder ergänzend dient das Verfahren zum Detektieren bzw. Erfassen des Ventilöffnens des elektrischen Saugventils, was dem physikalischen Förderendewinkel entspricht, durch Analyse des Druckverlaufs im Niederdruckbereich der Einspritzanlage vor der Hochdruckpumpe. Die Messung des Niederdruck-Signals kann dabei durch einen serienmäßig eingebauten Drucksensor im Hochdruckpumpen-Zulauf durchgeführt werden.
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Das Verfahren kommt bei einer Einspritzanlage mit einem Niederdruckbereich und einem Hochdruckbereich zur Anwendung. Die betriebene Hochdruckpumpe stellt dabei den Übergang zwischen Niederdruckbereich und Hochdruckbereich dar, da diese mit Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich versorgt wird und diesen Kraftstoff mit erhöhtem Druck in den Hochdruckbereich fördert. Eine solche Einspritzanlage ist bspw. eine Common-Rail-Einspritzanlage.
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Mit dem Verfahren kann ein Förderwinkel, d. h. ein Förderbeginnwinkel und/oder ein Förderendewinkel, bestimmt werden, wozu ein Druckverlauf im Niederdruckbereich ausgewertet wird. Dieser Druckverlauf kann an unterschiedlichen Stellen im Niederdruckbereich erfasst werden. So kann ein ggf. ohnehin vorhandener Drucksensor am Zulauf der Hochdruckpumpe verwendet werden. Alternativ oder ergänzend kann ein Sensor am Rücklauf der Hochdruckpumpe genutzt werden. Werden mehrere Sensoren verwendet, so können von Sensoren erfasste Druckverläufe plausibilisiert werden. Ggf. kann durch Vergleich von an unterschiedlichen Positionen eingesetzten Drucksensoren auch eine Aussage über die Laufzeit getroffen werden, um diese bei der Analyse der erfassten Verläufe zu berücksichtigen bzw. deren Einfluss zu eliminieren.
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In einer Ausgestaltung dient das Verfahren zur Adaption der Anzugsstromdauer durch Schaltzeiterkennung bei einer Hochdruckpumpe mit elektrischem Saugventil.
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Im Gegensatz zu bekannten Verfahren, die ein Hochdrucksignal auswerten, wird bei dem Verfahren ein Niederdrucksignal analysiert. Es zeigt sich, dass das Hochdrucksignal aus unterschiedlichen Gründen hinsichtlich des Förderbeginnwinkels weniger präzise als das Niederdrucksignal ist. Dies liegt bspw. an Störungen durch Einspritzungen und an Totzeiten im Druckaufbau.
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Es zeigt sich, dass beim Schließen des Saugventils eine Druckwelle im Niederdruckbereich, bspw. in der Zulaufleitung der Hochdruckpumpe, erzeugt wird. Der Beginn der Druckwelle entspricht dem physikalischen Schließzeitpunkt des Ventils und somit kann der Förderbeginnwinkel für jedes Hochdruckpumpen-Exemplar mit spezifischem Anbau exakt bestimmt werden. Durch eine Implementierung dieser Erkennung in einer Software-Funktion, kann der Förderbeginnwinkel spezifisch für jedes Exemplar, d. h. für jede Hochdruckpumpe unter Berücksichtigung der Anbausituation am Motor, ermittelt werden und sogar eine Veränderungen bzw. eine Drift im Förderbeginnwinkel über der Laufzeit kompensiert werden. Das Ende der Förderung entspricht dem Hochdruckpumpen-OT. Dieser ist durch das Ende des charakteristischen Niederdruck-Verlaufs erkennbar.
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Bei einer Ausführungsform des vorgestellten Verfahrens kann bspw. vorgesehen sein, bei einem Neufahrzeug mit einer Anzugsstromdauer zu beginnen, die ein sicheres Schalten ermöglicht. Dies bedeutet, dass auch für worst case Exemplarstreuungen sowie bei worst case Bedingungen hinsichtlich Bauteildrift und Kraftstoffviskosität ein sicheres Schalten gewährleistet ist. Durch Erkennung des tatsächlichen Förderbeginnwinkels kann dann individuell in jedem Fahrzeug die Anzugsstromdauer auf das nötige Maß reduziert werden. Durch kontinuierliches Überprüfen des tatsächlichen Förderbeginnwinkels kann erkannt werden, ob eine Erhöhung der Anzugsstromdauer aufgrund von Verschleiß oder Viskositätsänderung des Kraftstoffs erforderlich ist.
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Die vorgestellte Anordnung ist zur Durchführung des hierin beschriebenen Verfahrens eingerichtet. Ausführungsformen der Anordnung dienen zur Durchführung von Ausführungen des beschriebenen Verfahrens.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend 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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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Ausführung einer Hochdruckpumpe.
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2 zeigt in einem Graphen den Verlauf von Messgrößen.
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3 zeigt in einem Graphen den Verlauf von Messgrößen.
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4 zeigt drei Graphen das Driftverhalten.
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5 zeigt Verläufe von Messgrößen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt eine Ausführung einer Hochdruckpumpe, die insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Diese Hochdruckpumpe 10 umfasst eine Pumpenkammer 12, in der ein Kolben 14 über einen Nocken 16 angetrieben hoch und runter bewegt wird. Ein Pfeil 18 verdeutlicht die Bewegungsrichtung während der Ausstoßphase, in der zunächst verdichtet wird.
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Die Darstellung zeigt weiterhin ein Saugventil 20, in diesem Fall ein elektrisches Saugventil, eine Zulaufleitung 22 und eine Rücklaufleitung 24, die auf der Niederdruckseite der Hochdruckpumpe 10 vorgesehen sind. Weiterhin ist eine Hochdruckleitung 26 zum Zuführen von unter Druck stehendem Kraftstoff, typischerweise zu einem Hochdruckspeicher bzw. Rail, vorgesehen.
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Das Saugventil 20 umfasst einen Anker 30, der mit einer Feder 32 derart vorgespannt ist, dass das Saugventil 20 in unbestromtem Zustand geöffnet ist. In diesem Fall wird der Kraftstoff in Richtung eines Pfeils 34 gefördert. Wird das Saugventil 20 angesteuert, so schließt dieses und Kraftstoff wird in einer Ausstoßphase in Richtung eines Pfeils 36 zu der Hochdruckseite gefördert.
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Mit dem Verfahren können nunmehr Anbautoleranzen der Hochdruckpumpe 10 erkannt werden. Alternativ oder ergänzend kann das Verfahren zur Adaption einer Anzugsstromdauer oder einer Anzugsstromstärke eingesetzt werden.
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2 zeigt den Verlauf von Messgrößen zur Verdeutlichung des Verfahrens. Dabei zeigt eine erste Kurve 50 den Verlauf der Drehzahl des Verbrennungsmotors, eine zweite Kurve 52 den Verlauf der Einspritzmenge, eine dritte Kurve 54 den Verlauf des Solldrucks im Rail, eine vierte Kurve 56 den Verlauf des Istdrucks, aufgenommen mit einem ersten Sensor, eine fünfte Kurve 58 den Verlauf des berechneten, im Sensor hinterlegten Winkels, eine sechste Kurve 60 den Verlauf eines Kurbelwellensignals, eine siebte Kurve 62 den Verlauf eines Nockenwellensignals, eine achte Kurve 64 den Verlauf des Stroms für das elektrische Schaltventil, eine neunte Kurve 66 den Verlauf eines Drucks in der Zulaufleitung, eine zehnte Kurve 68 den Verlauf eines Drucks in der Rücklaufleitung und eine elfte Kurve 70 den Verlauf des Istdrucks im Rail, aufgenommen mit einem zweiten Sensor.
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Die Erkennung des charakteristischen Druckverlaufs im Niederdruck, bspw. zu erkennen anhand der neunten Kurve 66, sollte durch eine geeignete Software-Struktur bzw. -Modellierung umgesetzt werden
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Zu erkennen ist eine erste Phase 80 vor dem physikalischen Schließen, in der der Druck sehr wenig oszilliert. Es folgt eine zweite Phase 82 mit einem starken und steilen Druckeinbruch. Anschließend folgen Oszillationen und ein Abklingen und ein Ende der Oszillationen. Anschließend folgt eine dritte Phase 84 mit sehr geringen Oszillationen von ca. 5°KW. Es folgt ein Druckanstieg, der durch den Saughub des Hochdruckpumpen-Kolbens verursacht wird. Ein physikalischer Förderbeginnwinkel 90 ist mit einem Doppelpfeil gekennzeichnet. Ein zeitlicher Bereich 100 ist weiterhin gekennzeichnet, auf den in 4 und 5 eingegangen wird.
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3 zeigt den Verlauf der Messgrößen entsprechend 2, wobei in der neunten Kurve 66, die den Verlauf des Drucks in der Zulaufleitung wiedergibt, ein physikalischer Förderbeginn 92 eingetragen ist. Dieser kann bspw. mit einem Piezosensor aufgenommen werden.
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4 zeigt in drei Graphen das Driftverhalten neuer Komponenten. Dabei ist in einem ersten Graphen 150 der nominale Fall dargestellt mit einer ersten Kurve 152, die den Verlauf des Ansteuerstroms für das Schaltventil wiedergibt, und einer zweiten Kurve 154, die den Druckverlauf in der Zulaufleitung auf der Niederdruckseite darstellt.
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Ein zweiter Graph 160 zeigt eine negative Drift und kleine Anzugszeit. Weiterhin ist mit einer ersten Kurve 162 der Verlauf des Ansteuerstroms für das Schaltventil und mit einer zweiten Kurve 164 der Druckverlauf in der Zulaufleitung auf der Niederdruckseite wiedergegeben. Der Unterschied zum nominalen Fall des ersten Graphen ist mit Pfeilen 166 verdeutlicht.
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Ein dritter Graph 170 zeigt eine positive Drift und große Anzugszeit. Weiterhin ist mit einer ersten Kurve 172 der Verlauf des Ansteuerstroms für das Schaltventil wiedergegeben. Eine zweite Kurve 174 stellt den Druckverlauf in der Zulaufleitung auf der Niederdruckseite dar. Der Unterschied zum nominalen Fall des ersten Graphen ist mit Pfeilen 176 verdeutlicht.
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5 veranschaulicht das Ergebnis aus 4 in einem Graphen. Die Darstellung zeigt eine erste Kurve 200, die den Ansteuerstrom mit einer Anzugsphase 202 und einer Haltephase 204 wiedergibt. Eine zweite Kurve 210 zeigt den Verlauf des Drucks in der Zulaufleitung im idealen Fall. Eine dritte Kurve 212 zeigt den Druckverlauf bei negativer Drift, eine vierte Kurve 214 den Druckverlauf bei positiver Drift, die mit Pfeilen 220 angezeigt ist.
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Um ein sicheres Schließen des Ventils über der Lebensdauer zu gewährleisten, kann die Drift kompensiert werden. Diese kann auch rechnerisch ermittelt werden.
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Anhand von Messungen kann an zwei Beispielen gezeigt werden, dass eine mögliche Drift kompensiert werden kann. Es ist ausdrücklich zu bemerken, dass die Werte in den Messungen nur Beispiele sind, es sind auch andere Werte möglich, je nach Ausführung des Schaltventils.
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Zum einen kann dies durch eine Erhöhung der Anzugszeit erfolgen. Bei einer Anzugszeit kleiner 1,5 ms ist kein deutliches Ventilschließen erkennbar. Dies erkennt man anhand des fehlenden charakteristischen Druck-Peaks im Zulaufdruck, der sich beim Schließen des Ventils ergibt. Eine Anzugszeit größer 1,7 ms führt zu einem anhand des Zulaufdruck-Peaks deutlich erkennbaren Schließen des Ventils.
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Zum anderen kann eine mögliche Drift durch eine Erhöhung des Anzugsstrom erfolgen. Beispielhafte Messungen zeigen, dass bei einem Anzugsstrom von 9 A ein deutliches Ventilschließen nicht erkennbar ist. Bei Strömen größer 9 A ist das Ventil robust geschlossen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014223322 A1 [0007]
