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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vorförderpumpe in einem Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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In modernen Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschinen werden im Niederdruckbereich der Kraftstoffversorgung meist eine oder mehrere elektrische Kraftstoffpumpen als Vorförderpumpe bzw. Niederdruckpumpe, insbesondere in Form sog. Vorförderpumpen (engl. Pre-Supply-Pump) verwendet, mittels welcher der Kraftstoff aus einem Kraftstofftank zu einer Hochdruckpumpe gefördert wird.
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Damit werden die Vorteile der schnellen Verfügbarkeit durch Kraftstoffvorförderung einer elektrischen Kraftstoffpumpe beim Start mit den Vorteilen der mechanischen 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 44 43 879 B4 ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, eine Kraftstoffpumpe bedarfsgerecht zu betreiben.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Vorförderpumpe 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.
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer Vorförderpumpe (auch als Niederdruckpumpe bezeichnet), insbesondere in Form einer elektrischen bzw. elektronischen Kraftstoffpumpe (auch unter der Abkürzung EKP bekannt, wobei z.B. zwischen sog. EC bzw. elektronisch kommutierten und sog. DC bzw. gleichstrombetriebenen Pumpen unterschieden werden kann) in einem Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine. Dabei wird Kraftstoff mittels der Vorförderpumpe, nachdem er typischerweise aus einem Kraftstofftank entnommen wurde, einer Hochdruckpumpe zugeführt. Denkbar und üblich ist auch, dass die Vorförderpumpe direkt in dem Kraftstofftank angeordnet ist. Danach wird der Kraftstoff insbesondere mittels der Hochdruckpumpe einem Hochdruckspeicher, auch unter dem Begriff Rail oder Common-Rail bekannt, zugeführt. Vom Hochdruckspeicher aus kann der Kraftstoff dann mittels Kraftstoffinjektoren in die Brennkraftmaschine bzw. deren Brennräume oder Zylinder eingebracht werden. Als Brennkraftmaschine kommt dabei sowohl ein Dieselmotor als auch ein Benzinmotor mit entsprechendem Kraftstoff in Betracht, insbesondere jeweils mit sog. Direkteinspritzung.
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Eine Möglichkeit, eine solche Vorförderpumpe zu betreiben, ist in einem (vor)gesteuerten Betrieb. Hierbei wird ein bestimmter Sollwert einer von der Vorförderpumpe zu fördernden Kraftstoffmenge eingestellt und zunächst beibehalten, ggf. in Abhängigkeit von Einflussgrößen wie z.B. einem aktuellen Bedarf, dem einzustellenden Druck, und ggf. der Temperatur.
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Eine andere Möglichkeit, die Vorförderpumpe zu betreiben, ist, den bereitgestellten Kraftstoffdruck auf einen bestimmten bzw. vorgegebenen Druckwert zu regeln. Insbesondere ist es dabei auch möglich, eine Betriebsart zu wählen, die die Vorsteuerung und die Regelung vereint.
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Diese Möglichkeiten erlauben zwar eine relativ genaue Einstellung eines gewünschten Kraftstoffdrucks bzw. einer gewünschten Fördermenge, haben jedoch einen relativ hohen Energieverbrauch. Dies liegt darin begründet, dass die Vorförderpumpe dauerhaft in Betrieb ist und dabei bei geringen Förderleistungen in einem ungünstigen Wirkungsgrad betrieben wird.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass (nur dann) begonnen wird, die Vorförderpumpe in einem Fördermodus anzusteuern, wenn ein erstes Kriterium für eine vorgegebene Größe erfüllt ist. Zudem wird die Vorförderpumpe (dann) nur solange in dem Fördermodus angesteuert, bis ein zweites Kriterium für die vorgegebene Größe erfüllt ist. Unter Ansteuern (im Fördermodus) der Vorförderpumpe ist dabei zu verstehen, dass die Vorförderpumpe dabei aktiv Kraftstoff fördert, beispielsweise indem ein verwendeter elektrischer Motor bestromt wird.
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Hierbei kommen nun insbesondere zwei Varianten in Betracht, die jedoch auch kombiniert werden können. Vorzugsweise umfasst die erste Größe einen Kraftstoffdruck - insbesondere ein Vordruck der Hochdruckpumpe -in einem der Vorförderpumpe nachgeordneten Bereich im Kraftstoffversorgungsystem, wobei das erste Kriterium umfasst, dass der Kraftstoffdruck bei einem vorgegebenen unteren Schwellwert oder darunter liegt, und das zweite Kriterium umfasst, dass der Kraftstoffdruck einen vorgegebenen oberen Schwellwert erreicht oder überschritten hat.
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Bei dieser Art des Betriebs handelt es sich insbesondere um eine sog. Zwei-Punkt-Regelung, bei der der Kraftstoffdruck zwischen dem oberen und dem unteren Schwellwert (dabei ist der obere Schwellwert entsprechend größer als der untere Schwellwert) - mithin innerhalb eines Kraftstoffdruckbandes - gehalten wird. Bei Ansteuerung kann die Vorförderpumpe dabei zweckmäßigerweise mit einer - insbesondere gegenüber einer bei herkömmlichem Betrieb - erhöhten Leistung betrieben werden.
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Bei der anderen Variante ist es bevorzugt, wenn die erste Größe eine Zeit umfasst (bzw. die Zeit betrifft), wobei das erste Kriterium umfasst, dass ein vorgegebenes erstes Zeitintervall abgelaufen ist, und wobei das zweite Kriterium umfasst, dass ein vorgegebenes zweites Zeitintervall abgelaufen ist. Mit anderen Worten wird die Vorförderpumpe also nur zeitweise im Fördermodus betrieben. Dieser Betrieb kann somit als Zwei-Punkt-Steuerung bezeichnet werden.
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Bei Kraftstoffversorgungssystemen - speziell bei Kraftstoffversorgungssystemen für PKW - sollten dabei Randbedingungen für die untere und obere Druckschwelle (also insbesondere bei der erwähnten ersten Variante) berücksichtigt werden. Insbesondere bezüglich der Schallemissionen (Hörbarkeit im Innenraum) kann die obere Schwelle entsprechend angepasst und insbesondere nicht zu hoch gewählt werden. Ebenso spielen die Kraftstofftemperaturen im Niederdrucksystem - besonders die Temperatur sowohl in der Hochdruckpumpe als auch im Vorratsbehälter bzw. Tank - eine gewisse Rolle.
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Auch sollte die Vorförderpumpe im geregelten Betrieb nicht den maximal möglichen Druck aufbauen, da nahe dem höchstmöglichen Druck die nötige Zeit zum Druckaufbau stark ansteigt, weil die Fördermenge bzw. Förderleistung zurückgeht bzw. einbricht.
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Besonders bevorzugt ist es auch, dass die Vorförderpumpe, wenn sie nicht in dem Fördermodus angesteuert wird, in einem Ruhemodus angesteuert wird, wobei in dem Ruhemodus eine geringere Förderleistung als in dem Fördermodus vorgegeben wird.
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Generell ist es möglich, die Vorförderpumpe, wenn sie nicht in dem Fördermodus angesteuert wird, gar nicht anzusteuern bzw. mit einer Förderleistung von Null im Ruhemodus. Damit wird also insgesamt nur zwischen Ein und Aus der Vorförderpumpe (d.h. zwischen einem eingeschalteten und einem ausgeschalteten Zustand) gewechselt, mithin eine übliche Zwei-Punkt-Regelung oder Zwei-Punkt-Steuerung verwendet.
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Gegenüber einer fehlenden Ansteuerung wird im Ruhemodus vorzugsweise aber eine Ansteuerung mit gewisser Förderleistung vorgenommen. Damit wird nicht mehr zwischen Ein und Aus, sondern zwischen einer hohen und einer niedrigen Förderleistung gewechselt. Somit kann von einer adaptieren Zwei-Punkt-Regelung oder Zwei-Punkt-Steuerung gesprochen werden. Damit kann verhindert werden, dass die Vorförderpumpe völlig zum Stillstand kommt und sich Gasblasen in der Vorförderpumpe ansammeln, die ein erneutes Anlaufen erschweren.
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Vorzugsweise wird in dem Ruhemodus eine Förderleistung von höchstens 25%, bevorzugt zwischen 5% und 15%, besonders bevorzugt höchstens 10%, einer maximalen Förderleistung der Vorförderpumpe vorgegeben bzw. verwendet. Eine solche Förderleistung kann beispielsweise durch eine entsprechende Taktung im Sinne eine pulsbreitenmodulierten (PWM) Ansteuerung mit einem Tastgrad bzw. einer Taktung von beispielsweise 10% bewirkt werden. Eine entsprechende Förderleistung im Fördermodus kann natürlich entsprechend vorgegeben werden. In dem Fördermodus wird bevorzugt eine Förderleistung von mehr als 25%, bevorzugt zwischen 70% und 100%, einer maximalen Förderleistung der Vorförderpumpe vorgegeben bzw. verwendet. Ein letztlich verwendeter Wert kann dabei auch von einer Kennlinie der Vorförderpumpe abhängen.
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Ein Beispiel für eine Taktung im Fördermodus ist beispielsweise 70%, wodurch die Pumpe leiser als bei 100% bzw. maximaler Förderleistung ist (es handelt sich dabei um eine zusätzliche Geräuschmaßnahme). Bei hohen Temperaturen im Tank ist es auch zweckmäßig, die Taktung im Ruhemodus zu erhöhen. Dadurch werden Dampfblasen in der Vorförderpumpe vermieden, da diese nicht zum Stillstand kommt.
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Bei hoher Temperatur an der Hochdruckpumpe (die Hochdruckpumpe benötigt dann einen hohen Druck) oder aber bei hohem Durchfluss kann von dem vorgeschlagenen Betrieb mit Fördermodus und Ruhemodus eine Umschaltung auf Dauerbetrieb wie bisher üblich erfolgen. Vorteilhaft ist das vorgeschlagene Verfahren insbesondere im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine.
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Auf diese Weise kann eine erhebliche Leistungseinsparung erreicht werden, was auch mit einer entsprechend hohen Reduktion der Kohlenstoffdioxidemission einhergeht, insbesondere auch trotz der erwähnten kurzzeitigen, gegenüber herkömmlichem Betrieb erhöhten Leistung. Der Einsatz einer Zwei-Punkt-Regelung oder Zwei-Punkt-Steuerung bei Kraftstoffvorpumpen bzw. Vorförderpumpen wurde bisher unter anderem aufgrund von Geräuschproblemen und Problemen bei Wiederanlauf nicht in Betracht gezogen. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren, insbesondere den bevorzugten Ausgestaltungen treten solche Probleme jedoch nicht mehr auf.
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Eine typische Verteilung von Fördermodus zu Ruhemodus kann bei beispielsweise ca. 3 Sekunden Fördermodus und 30 Sekunden Ruhemodus liegen, zumindest bei Phasen mit geringer Last bzw. geringem Verbrauch der Brennkraftmaschine. Damit kann sich eine Energieeinsparung von teils über 80% gegenüber herkömmlichem Betrieb ergeben, und zwar trotz der mitunter gegenüber herkömmlichem Betrieb erhöhten Leistung. Anzumerken ist, dass insbesondere durch ein verbautes Rückschlagventil in der Vorförderpumpe weiterhin ausreichend Druck im Niederdrucksystem vorhanden bleibt, um die Hochdruckpumpe ohne Dampfblasen zu betreiben.
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Ergänzend sei erwähnt, dass mit dem vorgeschlagenen Verfahren nicht nur eine Reduktion der Kohlenstoffdioxidemission erreicht wird, sondern auch eine mitunter deutlich verlängerte Lebensdauer der Vorförderpumpe. Die Pumpe kann daher z.B. günstiger ausgelegt werden. Auch kann eine Kraftstofftemperatur niedriger gehalten werden, was eine geringere Belastung entsprechender Bereiche des Kraftstoffversorgungssystems bedeutet.
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Vorzugsweise wird der Kraftstoffdruck mittels eines in dem der Vorförderpumpe nachgeordneten Bereich im Kraftstoffversorgungsystem angeordneten Kraftstoffdrucksensors erfasst. Dieser Kraftstoffdrucksensor kann an ein ausführendes Steuergerät, beispielsweise ein Pumpen- oder Motorsteuergerät, angeschlossen sein. Bei dem Bereich, in dem der Druck erfasst bzw. ermittelt wird, kann es sich insbesondere um einen Bereich zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe handeln, d.h. der Kraftstoffdruck entspricht dem von der Vorförderpumpe bereitgestellten Druck, der dann auch dem Vordruck für die Hochdruckpumpe entspricht.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät, insbesondere ein Pumpensteuergerät oder Motorsteuergerät, eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte 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.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch ein Kraftstoffversorgungssystem mit einer Vorförderpumpe, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren verwendbar ist.
- 2 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist schematisch und beispielhaft ein Kraftstoffversorgungssystem 100 einer Brennkraftmaschine 150 eines Kraftfahrzeugs mit einer Vorförderpumpe 120 dargestellt. Dabei wird Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 110 mittels der Vorförderpumpe 120, ggf. über Filter 115, 116, zu einer Hochdruckpumpe 130 gefördert. In der Vorförderpumpe 120 ist zudem ein Rückschlagventil 121 verbaut. Durch die an die Vorförderpumpe 120 angeschlossenen Leitungen sowie auch den Filter 116 wird dabei ein gewisser Druckspeicher im Niederdruckbereich gebildet.
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Die Hochdruckpumpe 130 ist an die Brennkraftmaschine 150 gekoppelt und kann über diese angetrieben werden. Von der Hochdruckpumpe 130 wird der Kraftstoff einem Hochdruckspeicher 140 zugeführt. Vom Hochdruckspeicher 140 wiederum wird der Kraftstoff über (nicht dargestellte) Kraftstoffinjektoren der Brennkraftmaschine 150 zugeführt.
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Bei der Vorförderpumpe 120 handelt es sich insbesondere um eine mittels eines Elektromotors betriebene Vorförderpumpe bzw. eine sog. elektrische bzw. elektronische Kraftstoffpumpe, die sich insbesondere in einem Niederdruckkraftstoffkreislauf bzw. Niederdruckbereich des Kraftstoffversorgungssystems 100 befindet.
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Der Vorförderpumpe 120 ist eine als Pumpensteuergerät 170 ausgebildete Recheneinheit zugeordnet, welche zum Ansteuern bzw. zum Regeln der Vorförderpumpe 120 vorgesehen ist und dazu über eine entsprechende Ausstattung wie beispielsweise einen Mikrocontroller, Messtechnik und eine geeignete Software verfügt. Weiterhin ist in einem Bereich zwischen der Vorförderpumpe 120 und der Hochdruckpumpe 130 ein Kraftstoffdrucksensor 175 vorgesehen, mittels dessen der Kraftstoffdruck p erfasst und beispielsweise an das Pumpensteuergerät 170 übermittelt werden kann. Im Falle einer Steuerung der Vorförderpumpe ist ein solcher Kraftstoffdrucksensor nicht nötig.
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Zudem ist eine als Motorsteuergerät 180 ausgebildete Recheneinheit vorgesehen, die entsprechend an die Brennkraftmaschine 150 angebunden ist. Denkbar ist, dass das Motorsteuergerät 180 auch an das Pumpensteuergerät 170 (datenübertragend) angebunden ist, um bei Bedarf Daten dorthin zu übermitteln bzw. von dort zu erhalten oder auch, um die Vorförderpumpe zu steuern bzw. zu regeln. Denkbar ist beispielsweise, dass Informationen über den Kraftstoffdruck, auch den Solldruck, anstatt von dem Kraftstoffdrucksensor 175 von dem Motorsteuergerät 180 an das Pumpensteuergerät übermittelt werden. Anzumerken ist, dass die Regelung bzw. Steuerung der Vorförderpumpe dabei generell hinsichtlich einer zunächst unbestimmten Größe erfolgt, lediglich ein gewisser Wert, z.B. zwischen 0 und 100% wird eingeregelt bzw. gesteuert. Ob dieser Wert dann in eine Leistung, einen Durchfluss, einen Druck, eine Drehzahl, eine Solldruckvorgabe oder dergleichen umgesetzt wird, ist zunächst noch nicht relevant.
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In 2 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu ist ein Kraftstoffdruck p als Größe und dessen Verlauf über einer Zeit t aufgetragen. Zudem sind ein oberer Schwellwert po und ein unterer Schwellwert pu für den Kraftstoffdruck gezeigt. Bei dem Kraftstoffdruck p handelt es sich wie oben beschrieben insbesondere um den Vordruck der Hochdruckpumpe, der von der Vorförderpumpe bereitgestellt wird.
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Sobald der Kraftstoffdruck p unter den unteren Schwellwert pu gefallen ist bzw. diesen erreicht hat, wird begonnen, die Vorförderpumpe in einem Fördermodus anzusteuern, sodass der Kraftstoffdruck wieder erhöht wird. Die Ansteuerung im Fördermodus dauert solange an, bis der Kraftstoffdruck p den oberen Schwellwert po erreicht bzw. diesen überschritten hat. Die Zeitdauer der Ansteuerung ist hierbei mit Δt1 bezeichnet.
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Anschließend wird die Ansteuerung der Vorförderpumpe im Ruhemodus fortgesetzt, was ggf. auch mit einer Aussetzung der Ansteuerung einhergehen kann, und zwar solange, bis der Kraftstoffdruck p wieder unter den unteren Schwellwert pu gefallen ist bzw. diesen erreicht hat. Diese Zeitdauer im Ruhemodus ist hierbei mit Δt2 bezeichnet. Durch diese (adaptierte) Zwei-Punkt-Regelung kann ein besonders energie- und kohlenstoffdioxidarmer Betrieb der Vorförderpumpe erreicht werden.
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Die Schwellwerte bzw. die entsprechende Förderleistung der Pumpe in dem jeweiligen Modus kann auch entsprechend angepasst werden, wie vorstehend erläutert. Anzumerken ist, dass eine Zwei-Punkt-Steuerung, wie sie ebenfalls vorgeschlagen wird, einfach anhand der erwähnten Zeitdauern bzw. Zeitintervalle Δt1 und Δt2 erfolgen kann, wobei der Kraftstoffdruck nicht berücksichtigt werden muss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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