DE102018201184A1

DE102018201184A1 - Verfahren zur Ansteuerung einer elektromotorisch angetriebenen Niederdruck-Kraftstoffpumpe in einem Kraftstoffversorgungssystem eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102018201184A1
Application number: DE102018201184.2A
Authority: DE
Inventors: Raul Ramos-Alonso; Martin Wanitzek
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2018-01-25
Publication date: 2018-10-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektromotorisch angetriebenen Niederdruck-Kraftstoffpumpe in einem Kraftstoffversorgungssystem eines Kraftfahrzeugs, welches weiterhin eine Hochdruckpumpe aufweist, welche versorgt durch die elektromotorisch angetriebene Kraftstoffpumpe aus einem Niederdruckbereich den Kraftstoff weiter verdichtet und unter Hochdruck für eine Einspritzung direkt in die Zylinder einer Brennkraftmaschine bereitstellt und wobei betriebspunktabhängig aus einem Arbeitsraum der Hochdruckpumpe eine Teilmenge von Kraftstoff in den stromauf der Hochdruckpumpe liegenden Niederdruckbereich des Kraftstoffversorgungssystems zurück geführt wird. Vorzugsweise wird aus der Drehzahl der Brennkraftmaschine eine mögliche Frequenz von durch die besagte Rückführung erzeugten Druckschwingungen im Niederdruckbereich abgeleitet und es wird die Drehzahlregelung des die Niederdruck-Kraftstoffpumpe antreibenden Elektromotors hieran solchermaßen angepasst, dass der Kraftstoff-Förderstrom der Niederdruck-Kraftstoffpumpe gegenphasig zu den aus der Kraftstoff-Rückführung von der Hochdruckpumpe resultierenden Druckschwingungen vergrößert und verringert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektromotorisch angetriebenen, insbesondere bedarfsgeregelten Niederdruck-Kraftstoffpumpe in einem Kraftstoffversorgungssystem eines Kraftfahrzeugs, welches weiterhin eine Hochdruckpumpe aufweist, welche versorgt durch die elektromotorisch angetriebene Kraftstoffpumpe aus einem Niederdruckbereich den Kraftstoff weiter verdichtet und unter Hochdruck für eine Einspritzung direkt in die Zylinder einer Brennkraftmaschine bereitstellt und wobei betriebspunktabhängig aus einem Arbeitsraum der Hochdruckpumpe eine Teilmenge von Kraftstoff in den stromauf der Hochdruckpumpe liegenden Niederdruckbereich des Kraftstoffversorgungssystems zurück geführt wird. Zum Stand der Technik wird neben der DE 100 01882 A1 und der DE 10 2014 213 182 A1 und der DE 198 41 329 A1 auf die DE 10 2006 026 641 A1 verwiesen.
Bei der Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzung für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen wird der Kraftstoff mittels einer von einem Elektromotor angetriebenen Kraftstoffpumpe, welche vorliegend als Niederdruck-Kraftstoffpumpe bezeichnet wird, mit relativ geringem Druck aus einem Kraftstofftank zur Einlassseite einer Hochdruckpumpe gefördert, welche dann den Kraftstoff derart weiter verdichtet, dass dieser direkt in die Zylinder der Brennkraftmaschine, in welchen durch die Vorverdichtung von Luft bereits ein hoher Druck herrscht, eingespritzt werden kann. Grundsätzlich bekannt ist es dabei, die Niederdruck-Kraftstoffpumpe bedarfsgeregelt zu betreiben, d.h. deren Fördermenge an den von der Brennkraftmaschine (bzw. von der besagten Hochdruckpumpe) nachgefragten Kraftstoffbedarf anzupassen, jedoch ist dies für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich.
Es sind Bauarten von Hochdruckpumpen bekannt, bei denen zumindest in gewissen Betriebspunkten (der mit dem Kraftstoff versorgten Brennkraftmaschine) eine gewisse Teilmenge des zunächst in einen Arbeitsraum der Hochdruckpumpe geförderten Kraftstoffs in den Bereich vor dem Einlass der Hochdruckpumpe zurück gelangt. In diesem sog. Niederdruckbereich des Kraftstoffversorgungssystems, in welchem im Wesentlichen der von der Niederdruck-Kraftstoffpumpe bereit gestellte Kraftstoffdruck herrscht, kann es durch die Einleitung von zusätzlichem Kraftstoff aus der Hochdruckpumpe bzw. aus deren genannten Arbeitsraum, in welchem sich noch kein hoch verdichteter Kraftstoff befindet, zu Druckschwingungen kommen, auch wenn dieser zurück geführte Kraftstoff im Wesentlichen unter einem ähnlichen Druck steht wie im genannten Niederdruckbereich.
Die Frequenz dieser Druckschwingungen liegt üblicherweise im Bereich zwischen 10 Hertz und 250 Hz, wobei die von der Niederdruck-Kraftstoffpumpe geförderten Volumenströme und die von der Hochdruckpumpe in das Kraftstoff-Leitungssystem zurück gedrückten Kraftstoff-Volumina einander entgegen wirken. Diese Druckschwingungen prägen sich dabei abhängig vom aktuellen Kraftstoffbedarf sowie von der Drehzahl der Brennkraftmaschine und den Eigenfrequenzen des Systems unterschiedlich aus. Nachteiligerweise können diese Druckschwingungen negative Auswirkungen auf die Akustik und/oder die Bauteil-Lebensdauer und/oder die Robustheit der gesamten Kraftstoffversorgungsanlage haben.
Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlregelung des die Niederdruck-Kraftstoffpumpe antreibenden Elektromotors solchermaßen erfolgt, dass der Kraftstoff-Förderstrom der Niederdruck-Kraftstoffpumpe gegenphasig zu Druckschwingungen im Niederdruckbereich, welche aus der genannten Kraftstoff-Rückführung von der Hochdruckpumpe resultieren, vergrößert und verringert wird. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Es wurde erkannt, dass die Amplituden der im Niederdruckbereich auftretenden Druckschwingungen weniger vom vorliegenden Druckniveau als vielmehr von der Anregungsfrequenz, welche dem System von der Hochdruckpumpe aufgeprägt wird, abhängig sind. Diese Druckschwingungen im System können dabei sogar Drehzahlschwankungen an der Niederdruck-Kraftstoffpumpe hervorrufen, welche von der bislang üblichen, d.h. in einer elektronischen Steuereinheit implementierten Drehzahlregelung des diese Pumpe antreibenden Elektromotors ausgeglichen wird, bzw. es wird bislang versucht, diese aufgeprägten Drehzahlschwingungen der Niederdruck-Kraftstoffpumpe auszugleichen, ohne dass hierdurch der eigentlichen Ursache, nämlich den Druckschwingungen im Niederdruckbereich des Kraftstoffversorgungssystems, entgegen gewirkt wird.
Einen anderen Weg beschreitet nun die vorliegende Erfindung. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des jeweiligen Kraftstoffversorgungssystems können zunächst die jeweiligen spezifischen Eigenschaften des Systems, nämlich beispielsweise dessen Eigenfrequenz und dessen betriebspunktabhängige Schwingungsamplituden selbstständig erkannt und somit quasi „erlernt“ und daraufhin bei der Ansteuerung der Niederdruck-Kraftstoffpumpe beispielsweise neben dem aktuellen Kraftstoffbedarf geeignet berücksichtigt werden. Diese genannte Berücksichtigung kann oder soll dabei dahingehend erfolgen, dass die durch Rückführung von Kraftstoff aus einem Arbeitsraum der Hochdruckpumpe in den Niederdruckbereich des Kraftstoffversorgungssystems resultierenden Druckschwingungen verringert oder idealerweise im Wesentlichen ausgelöscht werden. Dies kann durch eine entsprechend höherfrequente Änderung der Antriebsleistung des die Niederdruck-Kraftstoffpumpe antreibenden Elektromotors erfolgen, womit im Niederdruckbereich quasi Gegenschwingungen (im Kraftstoff) erzeugt werden, welche die aus der genannten Rückführung von Kraftstoff resultierenden Schwingungen im Niederdruckbereich idealerweise auslöschen bzw. solche zumindest verringern. Der Begriff „höherfrequent“ soll dabei verdeutlichen, dass es sich nicht um die Anpassung an den aktuellen Kraftstoffbedarf der Brennkraftmaschine handelt, sondern um eine höheren Frequenzbereich, nämlich beispielsweise in der Größenordnung der weiter oben genannten 10 Hertz bis 250 Hertz.
Grundsätzlich ist es möglich, die Phasenlage und Amplitude einer aus der relativ hochfrequenten Änderung der Antriebsleistung resultierenden der Gegenschwingung auch zusätzlich zur Frequenz einer solchen Gegenschwingung ohne feste Vorgaben zeitlich über eine so lange Zeitspanne zu verändern bzw. anzupassen, bis mit einem geeigneten eingesetzten Erkennungsprinzip - hierauf wird an späterer Stelle noch eingegangen - ein gewünschtes Ergebnis, nämlich möglichst geringe oder praktisch keine Druckschwingungen im Kraftstoff-Niederruckbereich, erreicht ist. Beispielsweise gebe es als Ausgangsgröße eines vorstehend kurz erwähnten iterativen Prozesses einen als optimal definierten zeitlichen elektrischen Stromverlauf vorzugsweise mit bekannter Frequenz der gewünschten Gegenschwingung und es werden daraufhin gleichzeitig oder zeitlich nacheinander die Phasenlage und die Größe der Drehzahlschwankungen des die Niederdruck-Kraftstoffpumpe antreibenden Elektromotors solange variiert, bis die im Niederdrucksystem erkannte Druckschwingung hinreichend gering ist. Ein erfindungsgemäßes Kraftstoffversorgungssystem kann dabei vorab mit Erfahrungsgrößen bzw. Applikationsgrößen als Startpunkt programmiert werden oder vollkommen selbstständig die Systemeigenschaften „erlernen“. Auch schleichende Veränderungen oder umweltabhängige und sonstige Veränderungen (bspw. der Viskosität über der Temperatur oder andere Kraftstoffeigenschaften und vieles mehr) können damit erkannt und ausgeglichen werden.
Bereits kurz erwähnt wurde, dass in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Frequenz der gewünschten durch die Ansteuerung der Niederdruck-Kraftstoffpumpe im Niederdruckbereich erzeugten Gegenschwingung(en) im Wesentlichen bekannt sein kann. Es kann nämlich anhand der Drehzahl der Brennkraftmaschine auf die Frequenz der Schwingungsanregung durch von der Hochdruckpumpe zurückgeführten Kraftstoff geschlossen werden bzw. es kann diese genannte Frequenz grundsätzlich ermittelt, d.h. in einer elektronischen Rechen- und Steuereinheit berechnet werden. Dies ist insofern korrekt, als die Arbeitsfrequenz der Hochdruckpumpe anhand der konstruktiven Gegebenheiten, nämlich der Anzahl der Antriebsnocken und der Verdichterkolben sowie der mechanischen Anbindung an die bspw. Nockenwelle der Brennkraftmaschine stets proportional zur Kurbelwellendrehzahl der Brennkraftmaschine ist und damit bekannt ist. Mit dieser bekannten Anregungsfrequenz ist es nun möglich, die Drehzahl-Regelung der Niederdruck-Kraftstoffpumpe solchermaßen anzupassen, dass diese Pumpe im Wissen um die auf die Hochdruckpumpe zurückzuführende Druckschwingung gegenphasig zu dieser (von der Hochdruckpumpe aufgeprägten) Druckschwingung quasi beschleunigt (d.h. kurzzeitig mit erhöhter Drehzahl betrieben) und abgebremst (d.h. kurzzeitig mit verringerter Drehzahl betrieben) wird, um durch einen daraus resultierenden periodisch zunehmenden und abnehmenden Kraftstoff-Förderstrom die von der Hochdruckpumpe aufgeprägten Druckschwingungen zu glätten.
Damit ist also ohne aufwändige mechanische Hilfsmaßnahmen (wie bspw. externe Druckdämpfer) eine Druckstabilisierung mit wenig schwellender Belastung auf die Komponenten des Kraftstoffniederdrucksystems erzielbar. Es wird einfach die Drehzahl der elektromotorisch angetriebenen Kraftstoffpumpe gegenphasig zur Hochdruckpumpenfrequenz moduliert, was aufgrund der Möglichkeit einer bspw. viermaligen Strom-Kommutierung bei der Ansteuerung des (üblicherweise im Drehzahlbereich zwischen 2000 und 8000 Umdrehungen pro Minute rotierenden) Elektromotors, welcher die Niederdruck-Kraftstoffpumpe antreibt, einfach möglich ist. Dabei kann (bzw. können) die geeignete Phasenlage, d.h. die Zeitpunkte, zu denen eine Erhöhung oder eine Verringerung des Kraftstoff-Förderstroms benötigt wird, durch Messung verschiedener physikalischer Größen ermittelt werden oder wie weiter vorstehend beschrieben wurde quasi iterativ ermittelt werden. In diesem Sinne wird also aus der Drehzahl der Brennkraftmaschine eine mögliche Frequenz von durch die besagte Rückführung erzeugten Druckschwingungen im Niederdruckbereich abgeleitet und es wird die Drehzahlregelung des die Niederdruck-Kraftstoffpumpe antreibenden Elektromotors hieran solchermaßen angepasst, dass der Kraftstoff-Förderstrom der Niederdruck-Kraftstoffpumpe gegenphasig zu den aus der Kraftstoff-Rückführung resultierenden Druckschwingungen vergrößert und verringert wird.
Bevorzugt erfolgt die Ermittlung der Phasenlage aus Kenngrößen, welche aus der bisher üblichen Drehzahlregelung der Niederdruck-Kraftstoffpumpe ableitbar sind, so bspw. aus den zeitlichen Verläufen des elektrischen Stroms oder der elektrischen Spannung für den die Niederdruck-Kraftstoffpumpe antreibenden Elektromotor oder der Drehzahl dieses Elektromotors, welche wie bereits weiter oben erläutert im Stand der Technik als Reaktion auf die Druckschwingungen zu beobachten sind. Sobald aus dieser Beobachtung dann die aktuelle Phasenlage bekannt ist, wird erfindungsgemäß die Niederdruck-Kraftstoffpumpe quasi gegenüber diesem bekannten Stand der Technik voreilend solchermaßen angesteuert, dass deren sich mit der (wie erläutert) bekannten Frequenz ändernder, d.h. periodisch zunehmender und abnehmender Kraftstoff-Förderstrom dem Auftreten dieser Druckschwingungen bereits entgegenwirkt, ehe diese überhaupt von der Drehzahlregelung nach dem bisherigen Stand der Technik festgestellt werden können. Eine alternative Möglichkeit zur Ermittlung der Phasenlage der erfindungsgemäß zu kompensierenden Druckschwingungen besteht in der Auswertung geeigneter Sensorsignale, so insbesondere eines relativ schnell messenden Drucksensors, welcher den im besagten Niederdruckbereich herrschenden Kraftstoff-Druck und somit auch die darin auftretenden Druckschwingungen misst. Neben dem beschriebenen Verfahren wird vorliegend auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, implementiert als Computerprogrammprodukt auf einer (geeigneten) elektronischen Steuer- und Recheneinheit, beansprucht, welche die vorstehend beschriebenen Rechenschritte und Ansteuerungsschritte durchführt, d.h. bspw. aus der bekannten Drehzahl der Brennkraftmaschine die zu wählende Frequenz ermittelt und durch Variation von Phasenlage und Amplitude die im Niederdruckbereich auftretenden Druckschwingungen idealerweise minimiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10001882 A1 [0001]
DE 102014213182 A1 [0001]
DE 19841329 A1 [0001]
DE 102006026641 A1 [0001]

Claims

Verfahren zur Ansteuerung einer elektromotorisch angetriebenen, insbesondere bedarfsgeregelten Niederdruck-Kraftstoffpumpe in einem Kraftstoffversorgungssystem eines Kraftfahrzeugs, welches weiterhin eine Hochdruckpumpe aufweist, welche versorgt durch die elektromotorisch angetriebene Niederdruck-Kraftstoffpumpe aus einem Niederdruckbereich den Kraftstoff weiter verdichtet und unter Hochdruck für eine Einspritzung direkt in die Zylinder einer Brennkraftmaschine bereitstellt und wobei betriebspunktabhängig aus einem Arbeitsraum der Hochdruckpumpe eine Teilmenge von Kraftstoff in den stromauf der Hochdruckpumpe liegenden Niederdruckbereich des Kraftstoffversorgungssystems zurück geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlregelung des die Niederdruck-Kraftstoffpumpe antreibenden Elektromotors solchermaßen erfolgt, dass der Kraftstoff-Förderstrom der Niederdruck-Kraftstoffpumpe gegenphasig zu Druckschwingungen im Niederdruckbereich, welche aus der genannten Kraftstoff-Rückführung von der Hochdruckpumpe resultieren, vergrößert und verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus der Drehzahl der Brennkraftmaschine eine mögliche Frequenz von durch die besagte Rückführung erzeugten Druckschwingungen im Niederdruckbereich abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Phasenlage der durch die Vergrößerung und Verringerung des Kraftstoff-Förderstroms zu bekämpfenden Druckschwingungen aus der Reaktion der ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgenden Drehzahlregung des besagten Elektromotors auf solche Druckschwingungen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Phasenlage der durch die Vergrößerung und Verringerung des Kraftstoff-Förderstroms zu bekämpfenden Druckschwingungen mittels eines geeigneten Sensors ermittelt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche in Form eines auf einer geeigneten elektronischen Steuer- und Recheneinheit implementierten Computerprogrammprodukts.