DE102016206762A1

DE102016206762A1 - Verfahren zum Ermitteln eines Anbaulagewinkels einer Hochdruckpumpe

Info

Publication number: DE102016206762A1
Application number: DE102016206762.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Becker; Guenter Veit; Till Wokoeck; Ulrich Gerstung; Markus Reinoehl; Udo Schulz; Tobias Hillenbrand; Martin Friedrich; Liv Proenneke; Stephan Rittler; Markus Strasser; Andreas Koch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2016-04-21
Publication date: 2017-02-02
Also published as: CN106401829B; CN106401829A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Anbaulagewinkels einer Hochdruckpumpe (15) mit einem elektrischen Saugventil (16) in Bezug zu einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, bei der die Hochdruckpumpe (15) zum Fördern von Kraftstoff aus einem Niederdruckbereich über ein Fördervolumen (26) der Hochdruckpumpe (15) in einen Hochdruckspeicher (18) verwendet wird, wobei bei dem Saugventil (16) eine Wegbegrenzung (33) für einen Ventilkolben (30), der den Niederdruckbereich von dem Fördervolumen (26) der Hochdruckpumpe (15) trennt, mittels eines Elektromagneten (32) zwischen einer ersten Stellung, bei der der Ventilkolben (30) nicht schließbar ist, und einer zweiten Stellung, bei der der Ventilkolben (30) schließbar ist, verstellbar ist, wobei ein Wert eines Kurbelwellenwinkels ermittelt wird, bei dem, wenn die zweite Stellung der Wegbegrenzung (33) eingestellt wird, eine Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher (18) während einer vollständigen Kompressionsphase der Hochdruckpumpe (15) auftritt, und wobei aus dem Wert des Kurbelwellenwinkels auf den Anbaulagewinkel der Hochdruckpumpe (15) geschlossen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Anbaulagewinkels einer Hochdruckpumpe sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Saugventile mit einem frei beweglichen Ventilkolben können in Kombination mit Kolbenpumpen als Hochdruckpumpen eingesetzt werden, um Kraftstoff bis zu einem gewünschten Druckwert, dem sog. Raildruck, zu verdichten und in einen Hochdruckspeicher (Common-Rail) weiterzuleiten. Das Saugventil öffnet im Saughub des Kolbens und lässt Kraftstoff nachfließen und kann im Kompressionshub des Kolbens so angesteuert werden, dass es schließt, um den Kraftstoff nicht in den Niederdruck abfließen zu lassen.
Aus der DE 10 2013 201 974 A1 ist bspw. ein Saugventil bekannt, bei dem ein elektrisches Schaltventil verwendet wird, um den Weg für den Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich in das Fördervolumen der Hochdruckpumpe zu öffnen oder zu schließen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Ermitteln eines Anbaulagewinkels einer Hochdruckpumpe 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 Anbaulagewinkels einer Hochdruckpumpe mit einem elektrischen Saugventil in Bezug zu einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, bei der die Hochdruckpumpe zum Fördern von Kraftstoff aus einem Niederdruckbereich über ein Fördervolumen der Hochdruckpumpe in einen Hochdruckspeicher verwendet wird. Dabei ist bei dem Saugventil eine Wegbegrenzung für einen Ventilkolben, der den Niederdruckbereich von dem Fördervolumen der Hochdruckpumpe trennt, mittels eines Elektromagneten zwischen einer ersten Stellung, bei der der Ventilkolben nicht schließbar ist, und einer zweiten Stellung, bei der der Ventilkolben schließbar ist, verstellbar. Es wird ein Wert eines Kurbelwellenwinkels ermittelt, bei dem, wenn die zweite Stellung der Wegbegrenzung eingestellt wird, eine Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher während einer vollständigen Kompressionsphase der Hochdruckpumpe auftritt, und aus dem Wert des Kurbelwellenwinkels wird auf den Anbaulagewinkel der Hochdruckpumpe geschlossen.
Bei einem solchen Saugventil besteht in der Regel keine mechanische Verbindung zwischen der Wegbegrenzung, bei der es sich bspw. um einen Magnetanker handeln kann, und dem Ventilkolben. Eine mechanische Feder kann eine mechanische Federkraft auf den Magnetanker ausüben und hält diesen in einer Grundposition. Durch Bestromen des Elektromagneten wird eine Position des Magnetankers relativ zu dem Elektromagneten verändert, insbesondere entgegen der Federkraftwirkung der mechanischen Feder, so dass die Wegbegrenzung von der ersten Stellung zur zweiten Stellung wechselt. Dies bedeutet, dass das Saugventil im stromlosen Zustand in der Regel geöffnet ist und nur im bestromten Zustand ein vollständiges Schließen möglich ist, sofern ein Druck auf den Ventilkolben ausgeübt wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass zwar bei einer Ansaugphase der Hochdruckpumpe Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich in das Fördervolumen der Hochdruckpumpe gesaugt wird, jedoch Kraftstoff dann während einer Kompressionsphase vom Fördervolumen in den Hochdruckspeicher gefördert wird, wenn das Saugventil vollständig geschlossen ist. Andernfalls wird während einer Kompressionsphase Kraftstoff zurück in den Niederdruckbereich gefördert.
Nachteilig bei einer solchen Hochdruckpumpe kann nun jedoch sein, dass der Anbaulagewinkel, d.h. ein einem oberen Totpunkt (Übergang von Kompressionsphase in Ansaugphase) eines Aktors der Hochdruckpumpe, bspw. einem Kolben, entsprechender Kurbelwellenwinkel, nicht bei jeder Brennkraftmaschine gleich sein muss. Dies kann bspw. an Bauteiltoleranzen oder an der Fertigung oder am Einbau liegen. Um jedoch einen Druck im Hochdruckspeicher gezielt einstellen oder regeln zu können, kann mit dem erwähnten elektrischen Saugventil die Förderung von Kraftstoff während einer Kompressionsphase gezielt eingestellt werden, indem bspw. bei einem bestimmten Kurbelwellenwinkel das Saugventil geschlossen wird. Hierzu ist jedoch die Kenntnis über den genauen Anbaulagewinkel nötig, da andernfalls weniger oder mehr Kraftstoff als gewollt gefördert bzw. verdichtet wird.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist es nun möglich, für eine Hochdruckpumpe mit elektrischem Saugventil den Anbaulagewinkel zu ermitteln. Dabei wird ausgenutzt, dass es einen Kurbelwellenwinkel gibt, bei dem, wenn das Saugventil geschlossen bzw. die zweite Stellung eingestellt wird, eine Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher während einer gesamten Kompressionsphase auftritt. Es handelt sich hierbei um eine sog. Vollförderung. Diese tritt immer dann auf, wenn der Elektromagnet derart bestromt wird, dass die Wegbegrenzung erst dann in die erste Stellung zurückkehrt, wenn die Hochdruckpumpe einen unteren Totpunkt (Übergang von Ansaugphase in Kompressionsphase) bereits überschritten hat. Hierbei ist zu beachten, dass das Ende der Bestromung zeitlich nicht mit dem Erreichen der ersten Stellung zusammen fallen muss. Der Grund hierfür liegt darin, dass nach dem Ende der Bestromung die Wegbegrenzung noch nicht gleich in die erste Stellung zurück geht, sondern sich zunächst die Magnetkraft im Elektromagneten abbauen und dann die Wegbegrenzung in die erste Stellung fallen muss. Dann ist in der nun bereits vorliegenden Kompressionsphase eine Rückkehr der Wegbegrenzung in die erste Stellung nicht mehr möglich, da bereits Druck auf den Ventilkolben und darüber auf die Wegbegrenzung ausgeübt wird. Folglich wird über die gesamte Kompressionsphase hinweg Kraftsoff in den Hochdruckspeicher gefördert. Dies kann bspw. am Druckaufbau im Hochdruckspeicher, bspw. mittels Auswertung von Drucksensoren, erkannt werden. Die Zeitdauer der Kompressionsphase kann dabei bspw. einfach anhand der aktuellen Drehzahl der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Von dem Wert des Kurbelwellenwinkels, bei dem Vollförderung auftritt, kann nun auf den Kurbelwellenwinkel des oberen Totpunkts des Aktors der Hochdruckpumpe bzw. den Anbaulagewinkel geschlossen werden. Dies ist bspw. über die Zeitdauer der Ansaugphase, die von der Drehzahl abhängt, und die Zeitdauer, die die Wegbegrenzung nach Bestromungsende in der zweiten Stellung verbringt, möglich. Letztere kann bspw. über die Ansteuerdauer des Elektromagneten und Erfahrungswerte oder Testmessungen ermittelt werden. Mit dem so ermittelten Anbaulagewinkel ist es nun möglich, das elektrische Saugventil gezielt zu schließen, um einen gewünschten Druck im Hochdruckspeicher aufzubauen.
Vorzugsweise wird der Wert des Kurbelwellenwinkels ermittelt, indem ein Kurbelwellenwinkel, bei dem die zweite Stellung der Wegbegrenzung eingestellt wird, solange verändert wird, bis die Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher während einer vollständigen Kompressionsphase der Hochdruckpumpe erkannt wird. Dies kann bspw. beim erstmaligen Betrieb der Hochdruckpumpe erfolgen. Auf diese Weise kann sehr einfach und schnell der Anbaulagewinkel ermittelt werden.
Zweckmäßigerweise wird der Kurbelwellenwinkel, bei dem die zweite Stellung der Wegbegrenzung eingestellt wird, von einem Kurbelwellenwinkel vor einem Kurbelwellenwinkel, der einem oberen Totpunkt des Aktors der Hochdruckpumpe entspricht, in eine Richtung verschoben. Dies kann bspw. eine Richtung hin zu dem Kurbelwellenwinkel, der dem oberen Totpunkt entspricht, sein. Dies ist insbesondere bei einem zunächst unbekannten Anbaulagewinkel bzw. Kurbelwellenwinkel, der einem oberen Totpunkt des Aktors der Hochdruckpumpe entspricht, vorteilhaft, da auf diese Weise der Anbaulagewinkel sehr einfach ermittelt werden kann.
Es ist von Vorteil, wenn der Wert des Kurbelwellenwinkels, bei dem, wenn die zweite Stellung der Wegbegrenzung eingestellt wird, eine Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher während einer vollständigen Kompressionsphase der Hochdruckpumpe auftritt, wenigstens zeitweise während einer Auslaufphase der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Auf diese Weise kann berücksichtigt werden, dass das Provozieren einer solchen Vollförderung unter Umständen problematisch sein kann, wenn sich ein Druck in dem Hochdruckspeicher bereits an einer Zulässigkeitsgrenze befindet. Eine weitere Druckerhöhung ist dann bspw. nicht mehr wünschenswert. Indem nun jedoch wenigstens zeitweise während einer Auslaufphase der Brennkraftmaschine, in welcher die Kraftstoffzuführung zur Brennkraftmaschine bereits abgestellt ist und die Drehzahl der Brennkraftmaschine bereits abnimmt, die Vollförderung provoziert wird, wird eine unerwünschte Druckerhöhung im Hochdruckspeicher vermieden, da der Druck im Hochdruckspeicher aufgrund der geringeren Drehzahl der Brennkraftmaschine ohnehin nicht sehr hoch ist, zumindest jedoch weit genug von einer eventuellen Zulässigkeitsgrenze entfernt ist. Zweckmäßig ist es dabei, den Wert des Kurbelwellenwinkels, bei dem, wenn die zweite Stellung der Wegbegrenzung eingestellt wird, eine Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher während einer vollständigen Kompressionsphase der Hochdruckpumpe auftritt, erst ab Beginn der Auslaufphase zu ermitteln, da dann die Vollförderung problemlos provoziert werden kann. Es ist jedoch auch denkbar, bereits vor Beginn der Auslaufphase mit dem Provozieren der Vollförderung zu beginnen, bspw. nachdem ein Abstellsignal für die Brennkraftmaschine erkannt wurde.
Vorteilhafterweise wird, wenn bis zum Ende der Auslaufphase der Brennkraftmaschine die Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher während einer vollständigen Kompressionsphase der Hochdruckpumpe nicht erkannt wurde, der Kurbelwellenwinkel, bei dem die zweite Stellung der Wegbegrenzung eingestellt wird, in wenigstens einer nachfolgenden Auslaufphase der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung des zum Ende der jeweils vorhergehenden Auslaufphase erreichten Zwischenwertes dieses Kurbelwellenwinkels solange verändert, bis die Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher während einer vollständigen Kompressionsphase der Hochdruckpumpe erkannt wird. Es kann vorkommen, dass durch eine schrittweise Verstellung des Kurbelwellenwinkels, bei dem die zweite Stellung der Wegbegrenzung eingestellt wird, d.h. dem Förderbeginnwinkel, aufgrund kleiner Schrittweiten die Vollförderung nicht bis zum Ende der Auslaufphase erreicht wird. Wenn nun der bis dahin erreichte Zwischenwert des Kurbelwellenwinkels bspw. abgespeichert und bei einer der nachfolgenden Auslaufphasen wieder verwendet wird, muss nicht von vorne mit der schrittweisen Veränderung des Kurbelwellenwinkels begonnen werden und die Vollförderung kann schneller erreicht werden. Es kann dabei auch vorkommen dass insgesamt mehr als zwei Auslaufphasen nötig sind, bis die Vollförderung erreicht wird.
Es ist von Vorteil, wenn der Wert des Kurbelwellenwinkels unter Berücksichtigung einer Drehzahl der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Auf diese Weise kann der Anbaulagewinkel noch genauer ermittelt werden, da die Dauer von Ansaug- und Kompressionsphase von der Drehzahl abhängt.
Vorzugsweise wird der Wert des Kurbelwellenwinkels ermittelt, indem eine Drehzahl der Brennkraftmaschine ermittelt wird, ab welcher eine Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher während einer vollständigen Kompressionsphase der Hochdruckpumpe auftritt, wenn die zweite Stellung der Wegbegrenzung eingestellt wird. Da die Drehzahl die Dauer der Ansaug- und der Kompressionsphase bestimmt, kann es sein, dass bei einer geringen Drehzahl die Ansaugphase so lange dauert, dass die Wegbegrenzung in jedem Fall in die erste Stellung zurückkehrt. Wenn nun bspw. von kleinen Drehzahlen beginnend die Drehzahl ermittelt wird, ab welcher die Vollförderung auftritt, entspricht der ermittelte Wert des Kurbelwellenwinkels sehr genau dem Kurbelwellenwinkel des oberen Totpunkts.
Vorteilhafterweise wird der Wert des Kurbelwellenwinkels bei einer Drehzahl ermittelt, bei welcher eine Zeitdauer einer Ansaugphase der Hochdruckpumpe einer Zeitdauer von einem Einstellen der zweiten Stellung bis zu einer Rückkehr zur ersten Stellung entspricht. Wenn die Zeitdauer von einem Einstellen der zweiten Stellung bis zu einer Rückkehr zur ersten Stellung bzw. die Zeitdauer, die die Wegbegrenzung in der zweiten Einstellung verbringt, ermittelt werden kann oder bekannt ist, kann gezielt die entsprechende Drehzahl eingestellt werden. Hier entspricht der ermittelte Wert des Kurbelwellenwinkels sehr genau dem Kurbelwellenwinkel des oberen Totpunkts.
Vorzugsweise wird, nachdem die Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher während einer vollständigen Kompressionsphase der Hochdruckpumpe erkannt worden ist, der Kurbelwellenwinkel weiterhin solange verändert, bis bei einem weiteren Wert des Kurbelwellenwinkels eine Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher mit einer geringeren Menge als derjenigen Menge bei Förderung während der vollständigen Kompressionsphase erkannt wird, wobei aus dem weiteren Wert des Kurbelwellenwinkels auf den Anbaulagewinkel der Hochdruckpumpe geschlossen wird. Mit anderen Worten kann also, nachdem die Vollförderung erreicht worden ist, der Kurbelwellenwinkel, bei dem die zweite Stellung der Wegbegrenzung eingestellt wird, solange weiterverstellt werden, bis die geförderte Kraftstoffmenge wieder abnimmt. Dieser Kurbelwellenwinkel wird dabei also durch die gesamte Ansaugphase hindurch verschoben, bis der nachfolgende untere Totpunkt überschritten worden ist. In diesem Fall nimmt daher die Fördermenge wieder ab, da nunmehr der Förderbeginnwinkel erst nach Überschreiten des unteren Totpunktes liegt. Damit kann also über den unteren Totpunkt auf den Anbaulagewinkel geschlossen werden.
Es ist von Vorteil, wenn eine gewünschte Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher unter Berücksichtigung des ermittelten Anbaulagewinkels durch Vorgabe eines Kurbelwellenwinkels, bei dem die zweite Stellung der Wegbegrenzung eingestellt wird, erfolgt. Auf diese Weise kann eine sehr genaue Einstellung oder Regelung eines gewünschten Drucks im Hochdruckspeicher erfolgen.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät, insbesondere ein Motor- oder Pumpensteuergerät, 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 Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einer Hochdruckpumpe mit einem Saugventil, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
2 zeigt schematisch eine Hochdruckpumpe mit Saugventil, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
3 zeigt schematisch einen Hubverlauf einer Hochdruckpumpe.
4 zeigt schematisch Hubverläufe einer idealen und einer realen Hochdruckpumpe sowie einen Stellungsverlauf eines Saugventils.
5 zeigt schematisch Verläufe von Drehzahl und Saugrohrdruck in einer Auslaufphase einer Brennkraftmaschine.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch ein Kraftstoffeinspritzsystem 10 einer Brennkraftmaschine 40 gezeigt. Dieses umfasst beispielhaft eine elektrische Kraftstoffpumpe 14, mittels welcher Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 12 entnommen und über einen Kraftstofffilter 13 zu einer Hochdruckpumpe 15 gefördert werden kann. Der Bereich vor der Hochdruckpumpe 15 stellt somit einen Niederdruckbereich dar. Die Hochdruckpumpe 15 ist in der Regel mit der Brennkraftmaschine 40 bzw. deren Nockenwelle verbunden und kann damit angetrieben werden.
Die Hochdruckpumpe 15 weist ein elektrisches Saugventil 16 auf, welches in Bezug auf 2 detaillierter erläutert wird. Der Ausgang der Hochdruckpumpe 15 ist mit einem Hochdruckspeicher 18, dem sog. Rail, verbunden, an dem eine Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren 19 angeschlossen ist. Über die Kraftstoffinjektoren 19 wiederum kann Kraftstoff in die Brennkraftmaschine 40 eingebracht werden. Weiterhin ist am Hochdruckspeicher 18 ein Drucksensor 20 vorgesehen, der dazu eingerichtet ist, einen Druck im Hochdruckspeicher 18 zu erfassen.
Weiterhin ist eine als Steuergerät ausgebildete Recheneinheit 80 gezeigt, die beispielhaft dazu eingerichtet ist, die Brennkraftmaschine 40 bzw. die Kraftstoffinjektoren 19 und die Hochdruckpumpe 15 mit elektrischem Saugventil 16 anzusteuern. Weiterhin kann das Steuergerät 80 Signale des Drucksensors 20 einlesen und so den Druck im Hochdruckspeicher 18 erfassen.
In 2 sind die Hochdruckpumpe 15 und das elektrisches Saugventil 16 aus 1 detaillierter dargestellt. Die Hochdruckpumpe 15 weist als Aktor einen Kolben 23 auf, der von einem Nocken 24 betätigt wird. Der Nocken kann pumpenseitig in einem Pumpengehäuse der Hochdruckpumpe 15 angeordnet sein. Insbesondere ist die Nockenbewegung durch eine zweckmäßige Anbindung (z.B. über die Nockenwelle) an die Brennkraftmaschine angebunden. In der hier gezeigten Stellung befindet sich der Kolben 23 an einem oberen Totpunkt, d.h. an einem Übergang von einer Ansaugphase in eine Kompressionsphase.
Weiterhin weist die Hochdruckpumpe 15 ein Auslassventil 25 auf, über welches ein Fördervolumen 26 der Hochdruckpumpe 15 an den Hochdruckspeicher angebunden ist. Das Auslassventil 25 kann bspw. mittels einer Feder als Rückschlagventil ausgebildet sein, so dass nur dann Kraftstoff vom Fördervolumen 26 in den Hochdruckspeicher gefördert werden kann, wenn ein genügend hoher Druck im Fördervolumen 26 vorherrscht.
Das elektrische Saugventil 16 weist einen Ventilkolben 30 auf, der den Niederdruckbereich von dem Fördervolumen 26 der Hochdruckpumpe 15 trennt. Ein Kraftstofffluss vom Niederdruckbereich ist hier mittels eines Pfeiles gezeigt.
Weiterhin weist das elektrische Saugventil 16 einen Elektromagneten 32 mit einer Spule 31 auf. Die Spule 31 kann bspw. an das Steuergerät angebunden sein, so dass die Spule 31 bzw. der Elektromagnet 32 bestromt werden kann. Weiterhin ist eine Wegbegrenzung 33 vorgesehen, die vorliegend als Anker für den Elektromagneten ausgebildet ist.
In unbestromtem Zustand des Elektromagneten 32 kann der Anker 33 bspw. mittels einer oder mehrerer Federn vom Elektromagneten 32 weg in Richtung Ventilkolben 30 gedrückt werden. In diesem stromlosen Zustand befindet sich das elektrische Saugventil 16 bzw. die Wegbegrenzung 33, wie hier beispielhaft gezeigt, in einer ersten Stellung S₁.
In der ersten Stellung S₁ kann der Ventilkolben 30 nicht vollständig schließen bzw. den Niederdruckbereich nicht vollständig von dem Fördervolumen 26 abtrennen, da der Anker 33 den Weg des Ventilkolbens 25 begrenzt.
Wird die Spule 31 bzw. der Elektromagnet 32 bestromt, so bewegt sich der Anker 33 in Richtung des Elektromagneten 32 und somit weg vom Ventilkolben 30. In diesem bestromten Zustand befindet sich das elektrische Saugventil 16 bzw. die Wegbegrenzung 33 in einer zweiten Stellung S₂.
In der zweiten Stellung S₂ kann der Ventilkolben 30 vollständig schließen bzw. den Niederdruckbereich vollständig von dem Fördervolumen 26 abtrennen, da der Anker 33 den Weg des Ventilkolbens 25 nicht mehr begrenzt. In geschlossenem Zustand verschließt der Ventilkolben 30 den Ventilsitz 35.
Im Folgenden soll nun kurz die Funktionsweise der Hochdruckpumpe 15 zusammen mit dem elektrischen Saugventil 16 erläutert werden. In einem Ausgangszustand sind das Saugventil 16 und insbesondere der Ventilkolben 30 im stromlosen Zustand geöffnet und das Auslassventil 25 geschlossen.
In einem Saughub bzw. einer Ansaugphase der Hochdruckpumpe 15 bewegt sich der Nocken 24 im Zuge einer Drehbewegung, wie dies durch einen Pfeil angedeutete ist, und der Kolben 23 bewegt sich nach unten, d.h. in Richtung des Nockens 24. Aufgrund des geöffneten Saugventils 16 wird somit Kraftstoff in das Fördervolumen 26 gesaugt.
In einem Förderhub bzw. einer Kompressionsphase der Hochdruckpumpe 15 ist der Elektromagnet 32 zunächst noch unbestromt, d.h. der Anker 33 befindet sich in der ersten Stellung S₁. Der Kolben 23 bewegt sich nach oben und aufgrund des geöffneten Saugventils 16 wird damit Kraftstoff aus dem Förderraum 26 zurück in Richtung zu der elektrischen Kraftstoffpumpe 11 gefördert. Hierzu sei angemerkt, dass der Ventilkolben 30 trotz des im Fördervolumen 26 erzeugten Druckes bzw. des Kraftstoffflusses in Richtung Niederdruckbereich nicht vollständig schließt, da der Anker 33 den Weg des Ventilkolbens 30 begrenzt.
Wird nun, bspw. noch während der Kompressionsphase, die Spule 31 bzw. der Elektromagnet 32 bestromt, so bewegt sich der Anker 33 in die zweite Stellung S₂. Der Ventilkolben 30 kann somit durch den Druck des Kraftstoffs im Fördervolumen 26 bzw. den Kraftstofffluss in Richtung Niederdruckbereich in den Ventilsitz 32 gedrückt werden. Das Saugventil 16 ist somit geschlossen. Durch die weitere Hubbewegung des Kolbens 23 wird im Fördervolumen 26 nun weiter Druck aufgebaut. Mit Erreichen eines genügend hohen Druckes wird das Auslassventil 25 geöffnet und Kraftstoff in den Hochdruckspeicher gefördert.
In 3 ist schematisch ein Verlauf h eines Hubs einer idealen Hochdruckpumpe über dem Kurbelwellenwinkel KW gezeigt. Unter einer idealen Hochdruckpumpe soll hier verstanden werden, dass der Anbaulagewinkel bzw. der Winkel φ_OT des oberen Totpunkts dem Sollwert entspricht.
Zusätzlich zum Winkel φ_OT des oberen Totpunkts sind der Winkel φ*_UT des dem oberen Totpunkt vorausgehenden unteren Totpunkts der Hochdruckpumpe und ein Förderbeginnwinkel φ_F der idealen Hochdruckpumpe gezeigt. Unter dem Förderbeginnwinkel soll hier der Winkel verstanden werden, zu dem das elektrische Saugventil geschlossen wird, so dass Kraftstoff in den Hochdruckspeicher gefördert wird. Wie oben bereits erwähnt, liegt der Förderbeginnwinkel φ_F hier zwischen dem unteren Totpunkt φ*_UT und dem oberen Totpunkt φ_OT. Die genaue Lage wird dabei durch die gewünschte zu fördernde Kraftstoffmenge vorgegeben und mittels des Steuergeräts, d.h. geeigneter Bestromung des Elektromagneten, eingestellt. Die Förderung von Kraftsoff findet somit in dem Winkelbereich zwischen Förderbeginnwinkel φ_F und Winkel des darauffolgenden oberen Totpunkts φ_OT statt.
Da, wie eingangs bereits erwähnt, der tatsächliche Anbaulagewinkel bzw. Winkel des oberen Totpunkts einer Hochdruckpumpe nicht immer dem idealen Wert entspricht, kann der tatsächliche Winkel des Totpunkts nach vorne oder nach hinten verschoben sein. In der Regel liegt der tatsächliche Winkel des oberen Totpunkts in einem Bereich zwischen φ_OT – ∆φ_T und φ_OT + ∆φ_T, wobei ∆φ_T einen Toleranzwinkel, wie er bspw. bei der Montage auftreten kann, angibt.
In 3 sind weiterhin zwei mögliche tatsächliche Winkel für obere Totpunkte einer Hochdruckpumpe (hierbei handelt es sich dann um reale Hockdruckpumpen) gezeigt. Der Winkel φ'_OT zeigt eine Verschiebung des oberen Totpunkts nach hinten, d.h. er liegt später als im idealen Fall. Der Winkel φ''_OT zeigt eine Verschiebung des oberen Totpunkts nach vorne, d.h. er liegt früher als im idealen Fall.
Mit φ'_F bzw. φ''_F sind die zugehörigen Förderbeginnwinkel zu den gezeigten Winkeln der oberen Totpunkte der realen Hochdruckpumpen gezeigt. Wenn der tatsächliche Winkel des oberen Totpunkts der Hochdruckpumpe jedoch nicht bekannt ist, kann in der Regel nur der ideale Winkel als Förderbeginn verwendet werden. Dies bedeutet jedoch, dass bspw. zu wenig oder zu viel Kraftstoff gefördert wird.
In den gezeigten Beispielen findet die Förderung somit im Winkelbereich zwischen φ_F und φ'_OT anstatt zwischen φ'_F und φ'_OT statt, d.h. es wird zu viel Kraftstoff gefördert, oder die Förderung findet im Winkelbereich zwischen φ_F und φ''_OT anstatt zwischen φ''_F und φ''_OT statt, d.h. es wird zu wenig Kraftstoff gefördert.
In 4 sind Verläufe der Hübe h einer idealen und h'' einer realen Hochdruckpumpe, deren Anbaulagewinkel nach vorne verschoben ist, über dem Kurbelwellenwinkel KW gezeigt. Die Winkel entsprechen dabei dem in 3 gezeigten Fall mit nach vorne verschobenem Anbaulagewinkel, wobei hier der Winkel φ_UT des dem oberen Totpunkts folgenden unteren Totpunkt gezeigt ist.
Zusätzlich ist nun eine Stellung S des elektrischen Saugventils über der Zeit t gezeigt. Die Stellung S wechselt zum Zeitpunkt t₀ von der ersten Stellung S₁ in die zweite Stellung S₂, d.h. das elektrische Sauventil schließt. Der Zeitpunkt t₀ entspricht dabei dem Förderbeginnwinkel φ_F der idealen Hochdruckpumpe. Um die Stellung zu wechseln, kann der Elektromagnet geeignet angesteuert werden. Da hier in der Regel zunächst ein Magnetfeld aufgebaut werden muss, muss bereits vor dem Zeitpunkt t₀ mit der Bestromung begonnen werden.
Der Verlauf der Stellung zeigt nun während der Zeitdauer ∆t₁, d.h. zwischen t₀ und t₁, eine Haltephase, d.h. eine Phase der Bestromung. Zum Zeitpunkt t₁ wird die Bestromung beendet, jedoch bleibt das elektrische Saugventil noch in der zweiten Stellung S₂, und zwar für eine Zeitdauer ∆t₂, d.h. einer Öffnungsphase, in der sich bspw. das Magnetfeld abbaut. Erst zum Zeitpunkt t₂ kann das elektrische Saugventil dann schließen.
Für den Fall der idealen Hubkolbenpumpe, d.h. den Verlauf h, bedeutet der gezeigte Verlauf der Stellung S, dass das elektrische Saugventil vor Erreichen des unteren Totpunkts mit dem Winkel φ_UT durch die Hochdruckpumpe schließen kann. Da sich die Hochdruckpumpe hier noch in der Ansaugphase befindet, kann das elektrische Saugventil auch tatsächlich schließen.
Im Falle der realen Hochdruckpumpe, d.h. des Verlaufs h'', hingegen, erreicht die Hochdruckpumpe den unteren Totpunkt, d.h. den Winkel φ''_UT bereits bevor das elektrische Saugventil schließen kann, d.h. vor dem Zeitpunkt t₂. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Ansteuerung des Elektromagneten wie für den Fall einer idealen Hochdruckpumpe erfolgt, da der tatsächliche Förderbeginnwinkel φ''_F nicht bekannt ist.
In diesem Fall befindet sich die Hochdruckpumpe zum Zeitpunkt t₂ bereits in der Kompressionsphase, was bedeutet, dass der Ventilkolben 30 gegen den Anker 33 gedrückt wird. Somit kann der Anker 33 trotz stromlosem Elektromagneten nicht in die erste Stellung S₁ zurückkehren und das elektrische Saugventil bleibt die gesamte Kompressionsphase lang geschlossen. Dies bedeutet, es liegt eine sog. Vollförderung vor, d.h. es wird die gesamte Kompressionsphase lang Kraftstoff in den Hochdruckspeicher gefördert.
In 5 sind schematisch Verläufe von Drehzahl und Saugrohrdruck in einer Auslaufphase einer Brennkraftmaschine dargestellt. Hierzu sind in einem oberen Diagramm Drehzahl n in 1/min und ein Druck in mbar jeweils über einem Kurbelwellenwinkel KW in ° dargestellt.
Gegen Ende einer Ausgangsphase P₁ wird das Abstellen der Brennkraftmaschine initiiert, d.h. der Saugrohrdruck P steigt an und die Drehzahl n nimmt, ausgehend von einer Leerlaufdrehzahl von hier ca. 750/min, während der Auslaufphase P_A ab. Die Auslaufphase P_A lässt sich weiterhin in eine Ausdrehphase P₂ und eine Auspendelphase P₃ unterteilen. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, kann die Brennkraftmaschine in der Auspendelphase P₃ auch zurückschwingen.
In einem unteren Diagramm, in dem die Drehzahl n in 1/min über einem Kurbelwellenwinkel KW in ° aufgetragen ist, ist ein Ausschnitt der Auslaufphase P_A aus dem oberen Diagramm detaillierter dargestellt. Neben dem Verlauf n, der einem Verlauf der Drehzahl bei offener Drosselklappe entspricht, sind zudem ein Verlauf n' bei geschlossener Drosselklappe sowie ein Verlauf n'' bei optimierter Stellung der Drosselklappe dargestellt. Der genaue Drehzahlverlauf in der Auslaufphase lässt sich somit gezielt beeinflussen.
Die Vollförderung, wie sie anhand von 4 erläutert wurde, wird sich nun für die Erfindung zunutze gemacht. Dazu kann nun der Förderbeginnwinkel bzw. der Zeitpunkt t₀ von links beginnend, bspw. bei φ_A, solange in Richtung des oberen Totpunkts, d.h. in 4 nach rechts, verschoben werden, bis eine Vollförderung auftritt. Die Vollförderung kann bspw. über die Zeitdauer der Druckerhöhung im Hochdruckspeicher mittels des Drucksensors ermittelt werden.
Der Zeitpunkt, zu dem damit begonnen wird, den Förderbeginnwinkel bzw. den Zeitpunkt t₀ zu verschieben, kann dabei bspw. bei dem Beginn der Auslaufphase P_A liegen. Jedoch ist es auch denkbar, dass dieser Zeitpunkt bereits etwas früher liegt, da – je nach Situation – bspw. davon ausgegangen werden kann, dass die Vollförderung nicht sofort eintreten wird, sodass insofern die Gefahr eines zu hohen Drucks im Hochdruckspeicher gering ist.
Aus dem Wert φ'''_F des Kurbelwellenwinkels, bei dem, wenn die zweite Stellung S₂ des elektrischen Saugventils eingestellt wird, die Vollförderung auftritt, kann nun auf den tatsächlichen Winkel φ''_OT des oberen Totpunkts der Hochdruckpumpe geschlossen werden.
Hierzu kann bspw. zunächst die Zeitdauer, in der sich das elektrische Saugventil in der zweiten Stellung befindet, d.h. ∆t₁ + ∆t₂, ermittelt werden. Dies ist bspw. über die Bestromungsdauer und einen Mess- oder Erfahrungswert für die Schließdauer möglich. Diese Zeitdauer ∆t₁ + ∆t₂ kann über die Drehzahl der Brennkraftmaschine nun in eine Kurbelwellenwinkeldifferenz φ(∆t₁ + ∆t₂) umgerechnet werden.
Da die Differenz zwischen dem Winkel φ_OT des oberen Totpunkts und dem Winkel φ_UT des unteren Totpunkts bekannt ist, bspw. 90° wie in 2 zu sehen, und da der Zeitpunkt t₂ bei erstmaligem Auftreten der Vollförderung zumindest im Wesentlichen auf den Winkel φ_UT des unteren Totpunkts fällt, kann so sehr einfach der tatsächliche Winkel φ''_OT des oberen Totpunkts ermittelt werden. Dieser ergibt sich bspw. als φ''_OT = φ'''_F – (φ(∆t₁ + ∆t₂) – (φ_UT – φ_OT)).
Es kann nun auch vorkommen, dass, falls die Vollförderung während der Auslaufphase provoziert werden soll, während der Auslaufphase durch ein schrittweises Verschieben des Förderbeginnwinkels bzw. des Zeitpunkts t₀ keine Vollförderung erreicht wird, da die Brennkraftmaschine und damit auch die Hochdruckpumpe nicht mehr dreht. Wie der 5 zu entnehmen ist, dauert die Auslaufphase nur einige Umdrehungen lang an.
Ein Kurbelwellenwinkel, der im genannten Fall bspw. beim Ende der Auslauphase erreicht worden ist, ist hier mit einem Zwischenwert φ_Z bezeichnet. In einer nachfolgenden Auslaufphase, bspw. der nächsten oder der übernächsten, kann nun erneut begonnen werden, den Förderbeginnwinkel bzw. den Zeitpunkt t₀ zu verschieben. Hier kann nun bei dem Zwischenwert φ_Z gestartet werden und es muss nicht erneut beim Winkel φ_A gestartet werden. Auf diese Weise kann auch trotz kleiner Schrittweiten und kurzer Auslaufphase der Anbaulagewinkel während einer Auslaufphase sehr genau ermittelt werden.
Weiterhin ist es nun – unabhängig davon, ob die Vollförderung während einer Auslaufphase oder während eines regulären Betriebs der Brennkraftmaschine provoziert wurde – möglich, den Förderbeginnwinkel bzw. den Zeitpunkt t₀ nach Erreichen der Vollförderung noch weiter zu verschieben, bis eine geringere Kraftstoffmenge als bei Vollförderung gefördert wird. Dies wird dann erreicht, nachdem der Zeitpunkt t₂ durch die gesamte Förderphase, die in 4 nach dem Winkel φ_UT bzw. φ''_UT beginnt, hindurch bis in die darauffolgende Ansaugphase verschoben wird. Dann kann das Saugventil auch bei beginnt der darauffolgenden Förderphase offen bleiben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013201974 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Ermitteln eines Anbaulagewinkels (φ''_OT) einer Hochdruckpumpe (15) mit einem elektrischen Saugventil (16) in Bezug zu einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine (40), bei der die Hochdruckpumpe (15) zum Fördern von Kraftstoff aus einem Niederdruckbereich über ein Fördervolumen (26) der Hochdruckpumpe (15) in einen Hochdruckspeicher (18) verwendet wird, wobei bei dem Saugventil (16) eine Wegbegrenzung (33) für einen Ventilkolben (30), der den Niederdruckbereich von dem Fördervolumen (26) der Hochdruckpumpe (15) trennt, mittels eines Elektromagneten (32) zwischen einer ersten Stellung (S₁), bei der der Ventilkolben (30) nicht schließbar ist, und einer zweiten Stellung (S₂), bei der der Ventilkolben (30) schließbar ist, verstellbar ist, wobei ein Wert (φ'''_F) eines Kurbelwellenwinkels ermittelt wird, bei dem, wenn die zweite Stellung (S₂) der Wegbegrenzung (33) eingestellt wird, eine Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher (18) während einer vollständigen Kompressionsphase der Hochdruckpumpe (15) auftritt, und wobei aus dem Wert (φ'''_F) des Kurbelwellenwinkels auf den Anbaulagewinkel (φ''_OT) der Hochdruckpumpe (15) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wert (φ'''_F) des Kurbelwellenwinkels ermittelt wird, indem ein Kurbelwellenwinkel, bei dem die zweite Stellung (S₂) der Wegbegrenzung (33) eingestellt wird, solange verändert wird, bis die Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher (18) während einer vollständigen Kompressionsphase der Hochdruckpumpe (15) erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Kurbelwellenwinkel, bei dem die zweite Stellung (S₂) der Wegbegrenzung (33) eingestellt wird, von einem Kurbelwellenwinkel (φ_A) vor einem Kurbelwellenwinkel, der einem oberen Totpunkt eines Aktors (23) der Hochdruckpumpe (15) entspricht, in eine Richtung verschoben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wert (φ'''_F) des Kurbelwellenwinkels, bei dem, wenn die zweite Stellung (S₂) der Wegbegrenzung (33) eingestellt wird, eine Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher (18) während einer vollständigen Kompressionsphase der Hochdruckpumpe (15) auftritt, wenigstens zeitweise während einer Auslaufphase (P_A) der Brennkraftmaschine (40) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 in Rückbezug zumindest auf Anspruch 2 oder 3, wobei, wenn bis zum Ende der Auslaufphase (P_A) der Brennkraftmaschine (40) die Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher (18) während einer vollständigen Kompressionsphase der Hochdruckpumpe (15) nicht erkannt wurde, der Kurbelwellenwinkel, bei dem die zweite Stellung (S₂) der Wegbegrenzung (33) eingestellt wird, in wenigstens einer nachfolgenden Auslaufphase der Brennkraftmaschine (40) unter Berücksichtigung des zum Ende der jeweils vorhergehenden Auslaufphase erreichten Zwischenwertes (φ_Z) dieses Kurbelwellenwinkels solange verändert wird, bis die Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher (18) während einer vollständigen Kompressionsphase der Hochdruckpumpe (15) erkannt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wert (φ'''_F) des Kurbelwellenwinkels unter Berücksichtigung einer Drehzahl der Brennkraftmaschine (40) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wert (φ'''_F) des Kurbelwellenwinkels ermittelt wird, indem eine Drehzahl der Brennkraftmaschine (40) ermittelt wird, ab welcher eine Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher (18) während einer vollständigen Kompressionsphase der Hochdruckpumpe (15) auftritt, wenn die zweite Stellung (S₂) der Wegbegrenzung (33) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wert (φ'''_F) des Kurbelwellenwinkels bei einer Drehzahl ermittelt wird, bei welcher eine Zeitdauer einer Ansaugphase der Hochdruckpumpe einer Zeitdauer (∆t₁ + ∆t₂) von einem Einstellen der zweiten Stellung (S₂) bis zu einer Rückkehr zur ersten Stellung (S₁) entspricht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei, nachdem die Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher (18) während einer vollständigen Kompressionsphase der Hochdruckpumpe (15) erkannt worden ist, der Kurbelwellenwinkel weiterhin solange verändert wird, bis bei einem weiteren Wert des Kurbelwellenwinkels eine Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher (18) mit einer geringeren Menge als derjenigen Menge bei Förderung während der vollständigen Kompressionsphase erkannt wird, und wobei aus dem weiteren Wert des Kurbelwellenwinkels auf den Anbaulagewinkel (φ''_OT) der Hochdruckpumpe (15) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine gewünschte Förderung von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher (18) unter Berücksichtigung des ermittelten Anbaulagewinkels (φ''_OT) durch Vorgabe eines Kurbelwellenwinkels, bei dem die zweite Stellung (S₂) der Wegbegrenzung (33) eingestellt wird, erfolgt.
Recheneinheit (80), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (80) dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (80) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 12.