DE102016204408A1

DE102016204408A1 - Verfahren zum Ermitteln eines Sollwertes für eine Stellgröße zur Ansteuerung einer Niederdruckpumpe

Info

Publication number: DE102016204408A1
Application number: DE102016204408.7A
Authority: DE
Inventors: Klaus Joos; Alexander Schenck Zu Schweinsberg; Joerg Kuempel; Michael Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2017-09-21
Also published as: WO2017157736A1; KR20180122682A; CN108779732A; US20190063359A1; US10859023B2; CN108779732B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Sollwertes für eine Stellgröße zur Ansteuerung einer Niederdruckpumpe (125) in einem Kraftstoffversorgungssystem (100) für eine Brennkraftmaschine (180) mit einem Hochdruckspeicher (160) und einer Hochdruckpumpe (!50) mit einem Mengensteuerventil (200), wobei die Niederdruckpumpe (125) derart angesteuert wird, dass ein von der Niederdruckpumpe (125) bereitgestellter Druck über mehrere Ansaugphasen hinweg, in welchen von der Niederdruckpumpe (125) geförderter Kraftstoff (111) von der Hochdruckpumpe (150) über das Mengensteuerventil angesaugt wird, reduziert wird, wobei das Mengensteuerventil während jeder der mehreren Ansaugphasen wenigstens zeitweise in einer Schließ-Stellung gehalten wird, in der es mittels Druckbeaufschlagung von einer der Niederdruckpumpe (125) zugewandten Seite geöffnet werden kann, und wobei der Sollwert unter Berücksichtigung eines Ansteuerwertes der Stellgröße, bei dem ein Einbruch einer Fördermenge der Hochdruckpumpe (150) erkannt wird, ermittelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Sollwertes für eine Stellgröße zur Ansteuerung einer Niederdruckpumpe sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
In modernen Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschinen werden in Kraftstoffniederdrucksystemen, d.h. im Niederdruckbereich der Kraftstoffversorgung, meist eine oder mehrere elektrische Kraftstoffpumpen als Niederdruckpumpe, insbesondere in Form sog. Vorförderpumpen (engl. Pre-Supply-Pump) verwendet, mittels welcher der Kraftstoff aus einem Kraftstofftank zu einer Hochdruckpumpe befördert wird.
Damit werden die Vorteile der schnellen Verfügbarkeit durch Kraftstoffvorförderung einer elektrischen Kraftstoffpumpe beim Start mit den Vorteilen der hydraulischen Effizienz einer mittels der Brennkraftmaschine angetriebenen Hochdruckpumpe vereint. Zudem kann die Kraftstoffförderung bedarfsgerecht erfolgen. Eine elektrische Kraftstoffpumpe benötigt in der Regel eine eigene Steuerung bzw. Regelung und weist zu diesem Zweck eine Elektronik auf, die bspw. in die Kraftstoffpumpe integriert sein kann.
Aus der DE 101 58 950 C2 ist bspw. ein Verfahren zum Betreiben einer Niederdruckpumpe zur Versorgung einer Hochdruckpumpe mit Kraftstoff, worüber der Kraftstoff wiederum in einen Hochdruckspeicher gefördert wird, bekannt. Ein Vorsteuerwert für einen von der Niederdruckpumpe bereitgestellten Druck wird hierbei unter Berücksichtigung einer Druck-Temperaturbeziehung und dem Auftreten einer Kavitation in der Hochdruckpumpe nach Absenken des von der Niederdruckpumpe bereitgestellten Drucks eingestellt. Eine solche Kavitation wird dabei anhand einer Instabilität einer Druckregelung für den Hochdruckspeicher erkannt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Ermitteln eines Sollwertes für eine Stellgröße zur Ansteuerung einer Niederdruckpumpe sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Ermitteln eines Sollwertes für eine Stellgröße zur Ansteuerung einer Niederdruckpumpe in einem Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine mit einem Hochdruckspeicher und einer Hochdruckpumpe mit einem Mengensteuerventil. Im Rahmen der Erfindung kann insbesondere ein Sollwert für eine Stellgröße zur Ansteuerung einer Niederdruckpumpe so ermittelt werden, dass ein erwünschter Vordruck an der Hochdruckpumpe anliegt. Ein beispielhafter erwünschter Vordruck zeichnet sich dadurch aus, dass er so klein wie möglich und so groß wie nötig ist. Eine bevorzugte Stellgröße ist eine Amplitude und/oder ein Tastgrad (z.B. für PWM) eines Ansteuerstroms und/oder einer Ansteuerspannung eines Elektromotors der Niederdruckpumpe.
Das Mengensteuerventil dient zur Einstellung der Fördermenge der Hochdruckpumpe. So kann das Mengensteuerventil bspw. während einer Förderphase zunächst noch zum Niederdruckbereich hin offen sein, sodass zunächst noch Kraftstoff zurück in den Niederdruckbereich gedrückt wird, und erst mit Schließen des Mengensteuerventils wird dann Kraftstoff über ein geeignetes Auslassventil in den Hochdruckspeicher gefördert. Als Mengensteuerventil kann dabei ein stromlos geschlossenes oder ein stromlos offenes Mengensteuerventil verwendet werden. Der Unterschied besteht dabei darin, dass bei letzterem eine entsprechende Magnetspule bestromt werden muss, um ein Schließen des Ventils zu ermöglichen, während bei ersterem dann ein Schließen des Ventils möglich ist, wenn die Magnetspule nicht bestromt ist. Zum Offenhalten des Ventils kann dabei jeweils eine geeignete Feder verwendet werden, die gegen eine Schließfeder andrückt. Für eine detaillierte Beschreibung eines solchen Mengensteuerventils sei an dieser Stelle auf die Figurenbeschreibung verwiesen.
Dabei wird nun die Niederdruckpumpe durch Variation des Werts der Stellgröße derart angesteuert, dass ein von der Niederdruckpumpe bereitgestellter Druck (Vordruck für die Hochdruckpumpe) über mehrere Ansaugphasen hinweg, in welchen von der Niederdruckpumpe geförderter Kraftstoff von der Hochdruckpumpe über das Mengensteuerventil angesaugt wird, reduziert wird. Hierzu ist keine Ermittlung des tatsächlichen Drucks nötig, sondern es kann bspw. einfach ein Ansteuerstrom oder eine andere geeignete Stellgröße reduziert werden, wodurch auch der mittels der Niederdruckpumpe, bei der es sich bspw. um eine elektrische Kraftstoffpumpe handeln kann, aufgebaute Druck reduziert wird. Die Reduzierung kann dabei bspw. kontinuierlich oder schrittweise erfolgen.
Das Mengensteuerventil wird während jeder der mehreren Ansaugphasen wenigstens zeitweise in einer Schließ-Stellung gehalten, in der es mittels Druckbeaufschlagung von einer der Niederdruckpumpe zugewandten Seite geöffnet werden kann. Je nachdem, ob ein stromlos geschlossenes oder ein stromlos offenes Mengensteuerventil verwendet wird, kann hierzu eine Bestromung während der entsprechenden Zeitdauer erfolgen oder unterbleiben. In dieser Schließ-Stellung wird das Mengensteuerventil mittels der erwähnten Schließfeder geschlossen und gerade nicht dauerhaft offen gehalten. Sofern nun genügend Druck auf der der Niederdruckpumpe zugewandten Seite vorherrscht bzw. ein genügend hoher Unterdruck auf der einem Förder- bzw. Saugvolumen der Hochdruckpumpe zugewandten Seite des Mengensteuerventils aufgebaut ist, kann das Mengensteuerventil durch den Kraftstoff geöffnet werden.
Der Sollwert wird nun unter Berücksichtigung eines Ansteuerwertes der Stellgröße bei dem, insbesondere während einer Ansaugphase, ein Einbruch einer Fördermenge der Hochdruckpumpe erkannt wird, ermittelt. Auf diese Weise kann ohne Verwendung eines Drucksensors im Niederdruckbereich ein Sollwert für die Stellgröße ermittelt werden, bei dem der erwünschte Vordruck an der Hochdruckpumpe anliegt, wobei insbesondere zum einen ein ausreichend hoher Druck bereitgestellt wird, um die gewünschte Fördermenge der Hochdruckpumpe nicht zu beeinträchtigen, und zum anderen nicht unnötig hoher Druck aufgebaut wird, der zur Bereitstellung der gewünschten Fördermenge der Hochdruckpumpe nicht benötigt wird. Als Sollwert kann dann bspw. der erwähnte Ansteuerwert verwendet werden, wobei es jedoch zweckmäßig sein kann, einen geeigneten Offset zu ergänzen. Auf diese Weise kann die Niederdruckpumpe auch ohne Regelung, wofür ein Drucksensor im Niederdruckbereich nötig wäre, einen geeigneten Druck bereitstellen.
Das vorgeschlagene Verfahren macht sich weiterhin zunutze, dass durch die Verwendung der erwähnten Schließ-Stellung des Mengensteuerventils während der Ansaugphasen ein Druckabfall über dem Mengensteuerventil während der Ansaugphasen realisiert werden kann. Bei dauerhaft geöffnetem Mengensteuerventil während der Ansaugphase kann sich nur bei sehr begrenzten Betriebsbereichen im Bereich des Mengensteuerventils Dampf bilden, der nötig ist, um einen Einbruch der Fördermenge der Hochdruckpumpe zu provozieren. Vielmehr bildet sich Dampf bevorzugt im Bereich heißer Komponenten, die jedoch meist nicht im Bereich des Mengensteuerventils liegen. Im Falle einer solchen Dampfbildung wird das Fördervolumen der Hochdruckpumpe nicht vollständig mit Kraftstoff, sondern teilweise auch mit Dampf gefüllt, welcher in der Förderphase zunächst komprimiert werden muss, wodurch die Fördermenge einbricht.
Da bei dem vorgeschlagenen Verfahren das Mengensteuerventil in der Saugphase durch den Kraftstoff gegen die Schließfeder aufgedrückt werden kann und auch aufgedrückt werden muss, entsteht ein Druckabfall über dem Mengensteuerventil. Dieser Druckabfall, d.h. ein reduzierter Druck im Bereich des Fördervolumens, bewirkt dabei eine schnellere und effektivere Dampfbildung. Auf diese Weise können die Betriebsbereiche, bei denen der Einbruch der Fördermenge provoziert und auch hinreichend genau erkannt werden kann, deutlich ausgeweitet werden. Dies betrifft bspw. weitere Drehzahlbereiche und weitere Temperaturbereiche. Insbesondere können auf diese Weise bspw. auch Drücke unterhalb von 1 bar, wie sie zur Dampfbildung zweckmäßig sind, erreicht werden, was alleine durch Ansteuerung der Niederdruckpumpe kaum erreicht werden kann.
Vorzugsweise wird das Mengensteuerventil ab einer der jeweiligen Ansaugphase vorausgehenden Förderphase, in der Kraftstoff von der Hochdruckpumpe in den Hochdruckspeicher gefördert wird, in der Schließ-Stellung gehalten. In der Förderphase wird das Mengensteuerventil in die Schließ-Stellung gebracht, so dass durch die Verringerung des Saug- bzw. Fördervolumens aufgrund der Kolbenbewegung in der Hochdruckpumpe Kraftstoff über ein Auslassventil in den Hochdruckspeicher gefördert wird. Da sich an die Förderphase eine Ansaugphase anschließt, kann die Schließ-Stellung beibehalten werden. Dies ist insbesondere bei Verwendung eines stromlos geöffneten Mengensteuerventils vorteilhaft, da hier zum Halten der Schließ-Stellung eine Bestromung der Magnetspule des Mengensteuerventils nötig ist. Damit kann ein geeigneter Haltestrom beibehalten werden, der in der Regel niedriger ist als ein Anzugsstrom zum initialen Anziehen des Magnetankers, welcher andernfalls erneut aufgebracht werden müsste.
Vorteilhafterweise wird der Einbruch der Fördermenge der Hochdruckpumpe unter Berücksichtigung einer Änderung im Rahmen einer Regelung eines Drucks im Hochdruckspeicher erkannt. Zweckmäßig kann es dabei sein, wenn die Änderung im Rahmen der Regelung des Drucks im Hochdruckspeicher eine Änderung einer Regelgröße (Istwert), und/oder eine Änderung und/oder eine Anforderung zur Änderung einer Stellgröße der Regelung des Drucks im Hochdruckspeicher umfasst. Der Druck im Hochdruckspeicher wird in der Regel im Rahmen einer Regelung mit dem Druck als Regelgröße geregelt. Als Stellgröße kann bspw. ein Förderwinkel, also bspw. ein Winkel der Nockenwelle der Brennkraftmaschine, über welche ein Kolben der Hochdruckpumpe auf und ab bewegt wird, verwendet werden. Sobald der Druck im Hochdruckspeicher einbricht, kann daher, um dem Druckabfall entgegen zu wirken, der Winkel der Nockenwelle, ab welchem die Schließ-Stellung des Mengensteuerventils eingenommen wird, in Richtung früher verstellt werden, um die Fördermenge zu erhöhen. Größen im Zusammenhang mit der Regelung des Drucks im Hochdruckspeicher ermöglichen demnach eine sichere Erkennung eines Einbruchs der Fördermenge.
Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, wenn der Einbruch der Fördermenge der Hochdruckpumpe unter Berücksichtigung einer Änderung eines Druckanstiegs im Hochdruckspeicher erkannt wird. Zweckmäßigerweise wird hierzu die Hochdruckpumpe zur Erkennung des Einbruchs der Fördermenge in Vollförderung betrieben, d.h. die Förderung von Kraftstoff erfolgt über die gesamte Hubphase des Kolbens hinweg, also vom unteren bis zum oberen Totpunkt. Sofern nun aufgrund der Dampfbildung das Fördervolumen reduziert wird, kann keine Erhöhung des Fördervolumens mehr vorgenommen werden und der Druckanstieg im Hochdruckspeicher wird geringer.
Vorzugsweise wird die Hochdruckpumpe mittels einer Zwei-Punkt-Regelung in Vollförderung betrieben. Bei einer solchen Zwei-Punkt-Regelung handelt es sich um einen Betrieb der Hochdruckpumpe, bei dem immer nur bei Unterschreiten eines Soll-Drucks im Hochdruckspeicher eine Vollförderung durchgeführt wird, bis dieser oder ggf. ein weiterer, etwas höherer, Soll-Druck überschritten wird. Zwischen zwei Druckanstiegen wird der Druck im Hochdruckspeicher dann langsam durch die Entnahme von Kraftstoff zur Einspritzung in die Brennkraftmaschine abgebaut. Ein solcher Betriebsmodus ist dabei in der Regel für eine Hochdruckpumpe ohnehin vorgesehen, so dass das vorgeschlagene Verfahren sehr einfach und schnell durchgeführt werden kann.
Vorzugsweise wird das Mengensteuerventil ab einer einer jeweiligen Förderphase, insbesondere einer Förderphase mit Vollförderung, vorausgehenden Ansaugphase bis nach dem Beginn der Förderphase, in der Kraftstoff von der Hochdruckpumpe (in den Hochdruckspeicher (160) gefördert wird, in der Schließ-Stellung gehalten. Beim Betrieb mit Vollförderung kann das Mengensteuerventil während der gesamten Ansaugphase in der Schließ-Stellung gehalten werden, damit das Mengensteuerventil in dieser Saugphase durch den Kraftstoff gegen die Schließfeder aufgedrückt werden muss und der gewünschte Druckabfall über dem Mengensteuerventil entsteht. Anschließend kann das Mengensteuerventil über den unteren Totpunkt hinaus bis in die Förderphase hinein gehalten werden, um die Vollförderung auszulösen. Dies ist insbesondere bei Verwendung eines stromlos geöffneten Mengensteuerventils vorteilhaft, da hier zum Halten der Schließ-Stellung eine Bestromung der Magnetspule des Mengensteuerventils nötig ist. Damit kann ein geeigneter Haltestrom beibehalten werden, der in der Regel niedriger ist als ein Anzugsstrom zum initialen Anziehen des Magnetankers, welcher andernfalls erneut aufgebracht werden müsste.
Vorzugsweise wird das Verfahren für unterschiedliche Kraftstofftemperaturen durchgeführt, so dass Sollwerte für unterschiedliche Kraftstofftemperaturen ermittelt werden. Dabei wird bspw. die Kraftstofftemperatur in der Hochdruckpumpe berücksichtigt, da dort durch die Dampfbildung des Kraftstoffs der Einbruch der Förderfunktion der Hochdruckpumpe ausgelöst wird. Die Kraftstofftemperatur in der Hochdruckpumpe kann dabei gemessen werden oder aber auch durch ein geeignetes Kraftstofftemperaturmodell geschätzt werden. Im Ergebnis kann daraus die Niederdruckpumpe bei jeder (beliebigen) Kraftstofftemperatur (z.B. durch Inter- oder Extrapolation) mit einem geeigneten Sollwert für die Stellgröße angesteuert werden, sodass unabhängig von der Kraftstofftemperatur der erwünschte Vordruck an der Hochdruckpumpe anliegt.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms 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 magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch ein Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine, welches für ein erfindungsgemäßes Verfahren verwendet werden kann.
2 zeigt schematisch eine Hochdruckpumpe mit Mengensteuerventil.
3 zeigt Verläufe eines Hubs eines Kolbens der Hochdruckpumpe und eines Stroms eines zugehörigen Mengensteuerventils bei einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren.
4 zeigt Verläufe von Ventilhüben und Drücken in einem Mengensteuerventil bei dem in 3 dargestellten Verfahren.
5 zeigt Verläufe eines Hubs des Kolbens der Hochdruckpumpe und eines Stroms eines zugehörigen Mengensteuerventils bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
6 zeigt Verläufe von Ventilhüben und Drücken in einem Mengensteuerventil bei dem in 5 dargestellten Verfahren.
7 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform anhand verschiedener Größen.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch ein Kraftstoffversorgungssystem 100 für eine Brennkraftmaschine 180, welches für ein erfindungsgemäßes Verfahren verwendet werden kann, gezeigt.
Das Kraftstoffversorgungssystem 100 umfasst dabei einen Kraftstofftank 110, der mit Kraftstoff 111 befüllt ist. In dem Kraftstofftank 110 ist eine Tankeinbaueinheit 115 angeordnet, welche wiederum einen Vorfördertopf 116 aufweist, in welchem eine Niederdruckpumpe 125, bspw. in Form einer elektrischen Kraftstoffpumpe, angeordnet ist.
Der Vorfördertopf 115 kann über eine im Kraftstofftank 110 außerhalb des Vorfördertopfes angeordnete Saugstrahlpumpe 120 (oder ggf. auch mehrere Saugstrahlpumpen) mit Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 110 befüllt werden. Die elektrische Kraftstoffpumpe 125 kann über eine hier als Pumpensteuergerät ausgebildete Recheneinheit 140 angesteuert werden, so dass Kraftstoff aus dem Vorfördertopf 115 über einen Filter 130 einer Hochdruckpumpe 150 zugeführt wird.
Für eine detailliertere Beschreibung der Hochdruckpumpe 150, die hier über eine hier als weiteres Pumpensteuergerät ausgebildete Recheneinheit 145 angesteuert wird, sei an dieser Stelle auf 2 verwiesen. In der Niederdruckleitung ist zudem ein Druckbegrenzungsventil 117 vorgesehen.
Die Hochdruckpumpe 150 wird in der Regel über die Brennkraftmaschine 180 bzw. deren Nockenwelle angetrieben. Von der Hochdruckpumpe 150 wird dann der Kraftstoff in einen Hochdruckspeicher 160 gefördert, von welchem aus der Kraftstoff über Kraftstoffinjektoren 170 der Brennkraftmaschine 180 zugeführt werden kann. Am Hochdruckspeicher 160 ist weiterhin ein Drucksensor 165 vorgesehen, mit dem ein Druck im Hochdruckspeicher erfasst werden kann.
Eine Ansteuerung der Brennkraftmaschine 180 bzw. der Kraftstoffinjektoren 170 kann dabei über ein von den Pumpensteuergeräten 140 und 145 verschiedenes Motorsteuergerät 195 erfolgen, wobei die Steuergeräte dann miteinander kommunizieren können. Es ist jedoch auch denkbar, ein gemeinsames Steuergerät zu verwenden.
In 2 ist schematisch eine Hochdruckpumpe 150 mit Mengensteuerventil 200 detaillierter als in 1 dargestellt. Die Hochdruckpumpe 150 weist einen Kolben 190 auf, der über einen Nocken 186 an einer Nockenwelle 185 der Brennkraftmaschine auf und ab bewegt wird. Auf diese Weise wird ein Fördervolumen 250 verkleinert bzw. vergrößert.
Das Mengensteuerventil 200 weist eine Einlassöffnung 235 auf, über welche Kraftstoff, der von der Niederdruckpumpe bereitgestellt wird, in das Fördervolumen 250 gelangen kann. Mittels eines Einlassventils 230 mit einer Schließfeder 231, welches Teil des Mengensteuerventils 200 ist, kann eine der Einlassöffnung 235 folgende Öffnung verschlossen werden.
Weiterhin ist eine Magnetspule 210 vorgesehen, die Teil eines Elektromagneten sein kann, die mit einer Spannung U versorgt und mit einem Strom I bestromt werden kann. Die Spannung U und der Strom I können dabei bspw. über das entsprechende Pumpensteuergerät 145 bereitgestellt werden.
Weiterhin ist eine Feder 220 gezeigt, die einen Bolzen 225, an dessen der Magnetspule zugewandtem Ende ein Magnetanker 215 befestigt ist, in Richtung des Einlassventils 230 drückt. Ohne Bestromung der Magnetspule 210 wird somit das Einlassventil 230 dauerhaft offen gehalten. Es handelt sich somit um ein stromlos offenes Mengensteuerventil. Hierzu sei angemerkt, dass die Federkraft der Feder 220 größer ist als diejenige der Schließfeder 231.
Wenn die Magnetspule 210 nun mit einem hinreichend hohen Strom bestromt wird, so wird der Bolzen 225 mittels des Magnetankers 215 entgegen der Feder 220 bewegt. Auf diese Weise wird das Einlassventil 225 durch die Schließfeder 231 geschlossen, es kann jedoch mittels Druckbeaufschlagung geöffnet werden.
Weiterhin ist ein Auslassventil 240 mit einer Schließfeder 241 vorgesehen, worüber Kraftstoff aus dem Fördervolumen 250 über eine Auslassöffnung 245 zum Hochdruckspeicher gefördert werden kann.
In 3 sind Verläufe eines Hubs h_K des Kolbens der Hochdruckpumpe und des Stroms I des zugehörigen Mengensteuerventils bei einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren jeweils über einem Nockenwellenwinkel bzw. Winkel φ dargestellt. Weiterhin ist die Hochdruckpumpe mit Mengensteuerventil, wie sie in Bezug auf 2 näher beschrieben wurde, für verschiedene Winkel in einer jeweiligen Stellung gezeigt.
Zunächst befindet sich der Kolben der Hochdruckpumpe aufgrund der Drehung des Nockens in einer Abwärtsbewegung, wie dies beispielhaft mit der Stellung der Hochdruckpumpe für den Winkel φ₁ gezeigt ist. Hierbei handelt es sich um eine Ansaugphase, d.h. von der Niederdruckpumpe bereitgestellter Kraftstoff wird in das Fördervolumen der Hochdruckpumpe gesaugt. Das Mengensteuerventil wird hierzu nicht bestromt und ist somit dauerhaft geöffnet. Auf diese Weise kann Kraftstoff ungehindert in das Fördervolumen strömen. Das Auslassventil ist hierbei geschlossen.
Bei dem Winkel φ₂ ist der untere Totpunkt des Kolbens erreicht und die Ansaugphase ist beendet. Anschließend bewegt sich der Kolben wieder nach oben in Richtung oberer Totpunkt, wie dies beispielhaft mit der Stellung der Hochdruckpumpe für den Winkel φ₃ gezeigt ist. Das Mengensteuerventil ist hierbei immer noch dauerhaft geöffnet, was bedeutet, dass Kraftstoff aus dem Fördervolumen zunächst wieder über die Einlassöffnung zurück in den Niederdruckbereich gedrückt wird.
Erst während der Aufwärtsbewegung des Kolbens wird die Magnetspule mit einem Strom I bestromt, sodass der Magnetanker mit dem Bolzen das Einlassventil freigibt und es sich schließen kann, wie dies beispielhaft mit der Stellung der Hochdruckpumpe für den Winkel φ₄ gezeigt ist. Der Strom kann dabei, wie im Bereich um den Winkel φ₄ zu sehen, zunächst einen Anzugsstrom und anschließend einen etwas geringeren Haltestrom umfassen, sodass der Magnetanker nach dem Anziehen noch angezogen gehalten werden kann.
Sobald das Mengensteuerventil bzw. das Einlassventil schließen kann, wird der Kraftstoff aus dem Fördervolumen nun nicht mehr zurück in den Niederdruckbereich sondern über das Auslassventil und die Auslassöffnung in den Hochdruckspeicher gefördert, wie dies beispielhaft mit der Stellung der Hochdruckpumpe für den Winkel φ₅ gezeigt ist. Erst mit Erreichen des oberen Totpunkts durch den Kolben beim Winkel φ₆ ist die Förderung beendet.
Hierzu ist anzumerken, dass der Strom I bereits vor Erreichen des oberen Totpunkts zurückgenommen werden kann, da das Einlassventil durch den hohen Druck im Fördervolumen auch entgegen die Öffnungskraft der Feder geschlossen bleibt. Durch geeignete Wahl des Zeitpunkts bzw. des entsprechenden Winkels, zu dem das Mengensteuerventil geschlossen wird, kann die Fördermenge und damit der Druckaufbau im Hochdruckspeicher eingestellt bzw. geregelt werden.
In 4 sind Verläufe von Ventilhüben h und Drücken P in bar in dem Mengensteuerventil bei dem in 3 dargestellten Verfahren jeweils über der Zeit t in ms gezeigt. Während h_M den Hub des Magnetankers zeigt, ist mit h_E der Hub des Einlassventils dargestellt. P_E zeigt einen zugehörigen Druck am Einlassventil und P_F einen zugehörigen Druck im Fördervolumen. Die Verläufe in der Zeit zwischen ca. 3 ms und ca. 11 ms entsprechen dabei in etwa den in 3 zwischen den Winkeln φ₄ und φ₆ gezeigten Situationen, was der Förderphase ab dem Schließen des Mengensteuerventils aufgrund der Bestromung entspricht. Die Verläufe zwischen ca. 11 ms und ca. 26 ms dagegen entsprechen in etwa den in 3 zwischen φ₆und φ₄ gezeigten Situationen, was der Ansaugphase und der Förderphase bis vor dem Schließen des Mengensteuerventils entspricht.
An den Verläufen der Drücke während der Ansaugphase ist zu erkennen, dass der Druck P_E am Einlassventil und der Druck P_F im Fördervolumen nahezu identisch sind. Allenfalls ein sehr geringer Druckabfall vom Einlassventil hin zum Fördervolumen ist zu erkennen. Dies bedeutet, dass nahezu keine Dampfbildung am Einlassventil erfolgen kann, weshalb auch ein Einbruch der Fördermenge nur schwierig zu erkennen ist, wie eingangs erläutert wurde.
In 5 sind Verläufe des Hubs h_K des Kolbens der Hochdruckpumpe und des Stroms I des zugehörigen Mengensteuerventils bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform jeweils über einem Nockenwellenwinkel bzw. Winkel φ dargestellt.
Weiterhin ist die Hochdruckpumpe mit Mengensteuerventil, wie sie in Bezug auf 2 näher beschrieben wurde, für verschiedene Winkel in einer jeweiligen Stellung gezeigt. Der Verlauf entspricht hier demjenigen, wie er in 3 dargestellt ist, jedoch mit dem Unterschied, dass der Ansteuerstrom, der kurz vor dem Winkel φ₄ einsetzt, nicht noch während der Förderphase, d.h. der Aufwärtsbewegung des Kolbens, beendet wird, sondern weiterhin aufrechterhalten wird.
Dies führt dazu, dass der Strom I auch noch in der darauffolgenden Ansaugphase anliegt, wie dies hier auf der linken Seite des Verlaufs zu sehen ist. Der Ansteuerstrom wird hier erst kurz vor Ende der Ansaugphase, d.h. kurz vor Erreichen des unteren Totpunkts beim Winkel φ₂ zurückgenommen.
Das Mengensteuerventil befindet sich damit während der Ansaugphase in einer Schließ-Stellung, in der es mittels Druckbeaufschlagung von Seiten der Niederdruckpumpe geöffnet werden kann, wie dies beispielhaft mit der Stellung der Hochdruckpumpe für den Winkel φ₁ gezeigt ist.
In 6 sind die zugehörigen Verläufe der Ventilhübe h und Drücke P in dem Mengensteuerventil jeweils über der Zeit t in ms gezeigt. Wie auch in 4 sind hier mit h_M der Hub des Magnetankers und mit h_E der Hub des Einlassventils dargestellt. P_E zeigt einen zugehörigen Druck am Einlassventil und P_F einen zugehörigen Druck im Fördervolumen.
Die Verläufe in der Zeit zwischen ca. 3 ms und ca. 20 ms entsprechen dabei in etwa den in 3 zwischen den Winkeln φ₄ und φ₂ gezeigten Situationen. Im Vergleich mit 4 ist dabei zu erkennen, dass der Hub h_E des Einlassventils gemäß 6 in der Zeit zwischen ca. 11 ms und ca. 20 ms, das heißt in der Ansaugphase, deutlich geringer ist. Dies liegt daran, dass das Einlassventil nicht dauerhaft offen gehalten wird, sondern nur durch den Kraftstofffluss während der Ansaugphase geöffnet wird, wodurch ein Druckabfall entsteht.
Dies führt im Weiteren auch dazu, dass während der Ansaugphase, also in der Zeit zwischen ca. 11 ms und ca. 20 ms der Druck P_E am Einlassventil und der Druck P_F im Fördervolumen deutlich unterschiedlich sind. Hier ist ein Druckabfall von ca. 0,5 bar zu erkennen, wodurch im Fördervolumen die Dampfbildung begünstigt wird. Dies führt, wie eingangs bereits ausführlich erläutert, zu einer einfacheren und besseren Erkennung des Einbruchs der Fördermenge in weiteren Betriebsbereichen. Damit lässt sich der Sollwert für die Stellgröße zur Ansteuerung der Niederdruckpumpe sehr einfach ermitteln.
Der in 5 gezeigte Verlauf des Ansteuerstrom I kann dabei insbesondere auch nur während einer Zeitdauer, in welcher der Sollwert ermittelt werden soll, verwendet werden. Im Übrigen, d.h. bei regulärem Betrieb, kann weiterhin der in 3 gezeigte Verlauf verwendet werden. Weiterhin sei angemerkt, d.h. bei Verwendung eines stromlos geschlossenen Mengensteuerventils der Verlauf des Ansteuerstroms in etwa entgegensetzt ist.
In 7 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform anhand verschiedener Größen dargestellt. Hierzu sind Verläufe einer Stellgröße der Niederdruckpumpe, hier ein Ansteuerstrom I_A, ein zugehöriger, von der Niederdruckpumpe bereitgestellter Druck P_N, eine Fördermenge M der Hochdruckpump und ein Druck P_H im Hochdruckspeicher jeweils über der Zeit t gezeigt.
Der Ansteuerstrom I_A der Niederdruckpumpe kann nun, wenn ein Sollwert ermittelt werden soll, bspw. kontinuierlich über mehrere Ansaugphasen der Hochdruckpumpe hinweg reduziert werden. Dementsprechend geht auch der damit bereitgestellte Druck P_N zurück, welcher jedoch nicht gemessen werden muss. Die Fördermenge M bleibt zunächst noch konstant, so dass der Druck P_H im Hochdruckspeicher gut geregelt und eingehalten werden kann.
Zum Zeitpunkt t₀ soll nun der Punkt erreicht sein, an dem die Dampfbildung im Fördervolumen der Hochdruckpumpe aufgrund des immer weiter sinkenden Drucks P_N so stark zugenommen hat, dass die Fördermenge einbricht. Der Einbruch der Fördermenge M führt nun bspw. auch zu einem kurzfristigen Absinken des Drucks P_H im Hochdruckspeicher, was zum einen direkt gemessen, zum anderen aber auch im Rahmen der Regelung dieses Drucks anhand von Reglergrößen erkannt werden kann.
Der zu dem Zeitpunkt t₀ verwendete Ansteuerwert I’_A für den Ansteuerstrom kann nun zur Ermittlung des Sollwerts I_V verwendet werden. Bspw. kann hierzu einfach ein geeigneter Offset ergänzt werden.
Vorzugsweise werden Sollwerte für unterschiedliche Kraftstofftemperaturen ermittelt, so dass für jede Kraftstofftemperatur (z.B. durch Inter- oder Extrapolation) ein geeigneter Sollwert für die Stellgröße, hier den Ansteuerstrom, verwendet werden kann so, dass ein erwünschter Vordruck an der Hochdruckpumpe anliegt. Ein erwünschter Vordruck zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass er so klein wie möglich und so groß wie nötig ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10158950 C2 [0004]

Claims

Verfahren zum Ermitteln eines Sollwertes (I_V) für eine Stellgröße zur Ansteuerung einer Niederdruckpumpe (125) in einem Kraftstoffversorgungssystem (100) für eine Brennkraftmaschine (180) mit einem Hochdruckspeicher (160) und einer Hochdruckpumpe (150) mit einem Mengensteuerventil (200), wobei die Niederdruckpumpe (125) durch Variation des Werts der Stellgröße derart angesteuert wird, dass ein von der Niederdruckpumpe (125) bereitgestellter Druck (P_N) über mehrere Ansaugphasen hinweg, in welchen von der Niederdruckpumpe (125) geförderter Kraftstoff (111) von der Hochdruckpumpe (150) über das Mengensteuerventil (200) angesaugt wird, reduziert wird, wobei das Mengensteuerventil (200) während jeder der mehreren Ansaugphasen wenigstens zeitweise in einer Schließ-Stellung gehalten wird, in der es mittels Druckbeaufschlagung von einer der Niederdruckpumpe (125) zugewandten Seite geöffnet werden kann, und wobei der Sollwert (I_V) unter Berücksichtigung eines Ansteuerwertes (I’_A) der Stellgröße, bei dem ein Einbruch einer Fördermenge (M) der Hochdruckpumpe (150) erkannt wird, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Mengensteuerventil (200) ab einer der jeweiligen Ansaugphase vorausgehenden Förderphase, in der Kraftstoff (111) von der Hochdruckpumpe (150) in den Hochdruckspeicher (160) gefördert wird, in der Schließ-Stellung gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Einbruch der Fördermenge (M) der Hochdruckpumpe (150) unter Berücksichtigung einer Änderung im Rahmen einer Regelung eines Drucks (P_H) im Hochdruckspeicher (160) erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Änderung im Rahmen der Regelung des Drucks (P_H) im Hochdruckspeicher (160) eine Änderung einer Regelgröße, und/oder eine Änderung und/oder eine Anforderung zur Änderung einer Stellgröße bezüglich der Regelung des Drucks (P_H) im Hochdruckspeicher (160) umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Einbruch der Fördermenge (M) der Hochdruckpumpe (150) unter Berücksichtigung einer Änderung eines Druckanstiegs im Hochdruckspeicher (160) erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Hochdruckpumpe (150) zur Erkennung des Einbruchs der Fördermenge (M), insbesondere mittels einer Zwei-Punkt-Regelung, in Vollförderung betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Mengensteuerventil (200) ab einer einer jeweiligen Förderphase vorausgehenden Ansaugphase bis nach dem Beginn der Förderphase, in der Kraftstoff (111) von der Hochdruckpumpe (150) in den Hochdruckspeicher (160) gefördert wird, in der Schließ-Stellung gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Niederdruckpumpe (125) mit dem ermittelten Sollwert (I_V) für die Stellgröße angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sollwert (I_V) in Abhängigkeit von einer Kraftstofftemperatur ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Mengensteuerventil (200) ein stromlos geschlossenes oder ein stromlos offenes Mengensteuerventil verwendet wird.
Recheneinheit (145), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (145) dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (145) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 12.