DE10340160A1

DE10340160A1 - Verfahren zur Steuerung eines Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystems als Common-Rail Einspritzsystem und Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem

Info

Publication number: DE10340160A1
Application number: DE2003140160
Authority: DE
Inventors: Johann Gessler; Oliver Richarz
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2003-09-01
Filing date: 2003-09-01
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2023-09-02
Also published as: DE10340160B4; WO2005024224A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystems (1) einer Brennkraftmaschine (2), wobei das Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem (1) wenigstens einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher als Kraftstoff-Rail (3) aufweist. Kraftstoff wird dabei mit einer motormechanisch gekoppelten Kraftstoff-Hochdruckpumpe (4) in den Kraftstoff-Rail (3) gefördert, der von dort gesteuert jeweils einem Zylinder zugeordneten Einspritzventil (10) zugeführt wird. Wenigstens ein steuerbares Heizelement (12) ist im Kraftstoff-Hochdruckspeicher (3) zur steuerbaren Erwärmung des Kraftstoffs angeordnet. Erfindungsgemäß wird zum Brennkraftmaschinenstart vor dem Brennkraftmaschinenanlauf bei noch nicht laufender Kraftstoff-Hochdruckpumpe (4) der Kraftstoff im hermetisch geschlossenen Raum des Kraftstoff-Hochdruckspeichers (3) mittels des wenigstens einen Heizelements (12) für einen thermischen Druckaufbau im Kraftstoff vorerwärmt und anschließend wird der Brennkraftmaschinenanlauf aktiviert. Mittels dem Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem (1) als Common-Rail-Einspritzsystem ist das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystems als Common-Rail Einspritzsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem als Common-Rail Einspritzsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

In einer bekannten Anordnung (US Statutory Invention Registration H1,820) ist an einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine ein Kraftstoff-Hochdruckspeicher als Kraftstoff-Rail angebracht. Der Kraftstoff-Hochdruckspeicher ist einerseits mit einer in üblicher Weise motormechanisch gekoppelten Kraftstoff-Hochdruckpumpe verbunden und andererseits über Einspritzleitungen mit den Zylindern zugeordneten, steuerbaren Einspritzventilen hydraulisch verbunden. Zudem sind im Kraftstoff-Hochdruckspeicher ein steuerbares elektrisches Heizelement sowie ein Temperatursensor angebracht, welcher an eine Steuereinheit zur Steuerung des Heizelements angeschlossen ist.

Das Heizelement wird hier bei niedrigen Umgebungstemperaturen während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine aktiviert, um durch eine Temperaturerhöhung des Kraftstoffs dessen Viskosität zu reduzieren. Damit können das Einspritzverhalten und die Verbrennung verbessert werden, was in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine zu höherer Motorleistung und qualitativ verbesserten Abgasen führen kann.

Problematisch ist sowohl bei einer solchen Anordnung als auch bei Common-Rail Einspritzsystemen ohne Heizelement im Kraftstoff-Rail der Start der Brennkraftmaschine insbesondere bei tiefen Umgebungstemperaturen: Die Brennkraftmaschine kann ersichtlich nur anspringen, wenn im Kraftstoff-Hochdruckspeicher, d. h. im Kraftstoff-Rail der Kraftstoff-Hochdruck aufgebaut ist. Dazu muss die motormechanisch gekoppelt angetriebene Kraftstoff-Hochdruckpumpe durch eine Ansteuerung des elektrischen Anlassers und einen Motoranlauf über eine bestimmte Zeit aktiviert werden, bis der erforderliche Hochdruck erreicht ist. Diese Vorlaufzeit vor dem Anspringen der Brennkraftmaschine zum Druckaufbau mit Hilfe der motormechanisch gekoppelten Kraftstoff-Hochdruckpumpe war bisher zwangsläufig erforderlich, wobei das Anspringverhalten bei tiefen Temperaturen durch hohe Kraftstoffviskositäten in bekannter Weise ohnehin problematisch ist.

Bei einer weiter bekannten Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail Einspritzsystem ( DE 199 49 812 A1 ) wird ebenfalls während des Motorbetriebs der Kraftstoff im Bereich des Einspritzventils erwärmt dergestalt, dass bei Einspritzen des Kraftstoff in den Zylinder ein großer Teil des Kraftstoffs verdampft wird. Dadurch sollen vorteilhafte Voraussetzungen für die Verbrennung des Kraftstoffs geschaffen werden, wobei der Kraftstoffdruck im Kraftstoff-Hochdruckspeicher der Kraftstoff-Rail reduziert werden kann. Die Aufheizung des Kraftstoffs wird hier beim Betrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und ein Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem als Common-Rail Einspritzsystem zur Verfügung zu stellen, womit ein vereinfachter und besserer Brennkraftmaschinenstart ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 wird zum Brennkraftmaschinenstart vor dem Brennkraftmaschinenanlauf bei noch nicht angelaufener Brennkraftmaschine und damit noch nicht laufender Kraftstoff-Hochdruckpumpe der Kraftstoff im hermetisch geschlossenen Raum des Kraftstoff-Hochdruckspeichers mittels des wenigstens einen Heizelements für einen thermischen Druckaufbau im Kraftstoff vorerwärmt und vorgeheizt. Anschließend wird dann der Brennkraftmaschinenanlauf aktiviert. Damit werden bereits vor dem Anlauf der Brennkraftmaschine optimale Bedingungen für einen Brennkraftmaschinenstart im Kraftstoff-Hochdruckspeicher hergestellt, in dem eine thermische Druckerhöhung aufgebaut wird. Diese Druckerhöhung muss nicht wie bisher durch einen ungünstigen Brennkraftmaschinenvorlauf und einen Anlauf der motormechanisch gekoppelten Kraftstoff-Hochdruckpumpe vor dem Anspringen der Brennkraftmaschine herbeigeführt werden. Zudem wird durch die Aufheizung des Kraftstoffs dessen Viskosität schon vor der ersten Einspritzung reduziert, so dass bereits bei der ersten Einspritzung durch hohen Kraftstoffdruck und vorgeheizten Kraftstoff optimierte Verbrennungsverhältnisse vorliegen. Dadurch springt die Brennkraftmaschine beim Start sofort auch bei tiefen Umgebungstemperaturen an mit sofortiger guter Motorleistung und guter Abgasqualität.

Gemäß Anspruch 2 soll nach der Kraftstoff-Vorerwärmung der Brennkraftmaschinenanlauf und -start durch eine Ansteuerung des elektrischen Anlassers und einer entsprechenden Einspritzventilansteuerung erfolgen. Da durch die Kraftstoff-Vorerwärmung der Hochdruckaufbau im Kraftstoff erfolgt ist und insbesondere bei tiefen Temperaturen die Viskosität des Kraftstoffs reduziert ist, kann bei guten Startverhalten der elektrische Anlasser vergleichsweise weniger stark dimensioniert werden, was zu Gewichts- und Kostenvorteilen führt.

Gemäß Anspruch 3 ist es in einer besonders bevorzugten Ausführung gegebenenfalls auch möglich auf den elektrischen Anlasser ganz zu verzichten und den Brennkraftmaschinenstart ausschließlich durch Ansteuerung der Einspritzventile nach der Kraftstoff-Verwärmung durchzuführen. Durch die mittels der Kraftstoff-Vorerwärmung optimale Startvorbereitung kann die Brennkraftmaschine ohne zusätzliche Anlasserhilfe sofort anspringen.

Um sicherzustellen, dass während der Kraftstoff-Vorerwärmung der Kraftstoff-Hochdruckspeicher für den Hochdruckaufbau sicher hermetisch geschlossen ist und kein Druckverlust gegebenenfalls über die (noch nicht laufende) Kraftstoff-Hochdruckpumpe erfolgt soll gemäß Anspruch 4 dieser in der Verbindung zur Kraftstoff-Rail ein steuerbares Absperrventil und/oder ein Rückschlagventil zugeordnet werden.

Gemäß Anspruch 5 wird bei einem Startvorgang ein Startbetätigungselement, insbesondere ein Zündschlüssel betätigt, wodurch zuerst während der Kraftstoffvorheizzeit das wenigstens eine Heizelement angesteuert wird. Danach werden der Anlasser und/oder die Einspritzventile über die Steuereinheit selbsttätig angesteuert. Das Ende der Aufheizzeit kann dabei zeitgesteuert oder in Abhängigkeit vorgebbarer Schwellwerte für die Kraftstofftemperatur und/oder den Kraftstoffdruck gesteuert werden.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird hinsichtlich des Kraftstoffhochdruckeinspritzsystems als Common-Rail Einspritzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst, wobei die weiteren Unteransprüche zweckmäßige Weiterbildungen beinhalten.

Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystems, und
2 eine schematische Darstellung eines Einspritzventils mit zugeordnetem Heizelement.
In 1 ist schematisch ein Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem 1 als Common-Rail Einspritzsystem dargestellt. Dabei ist einer hier nur als schematisches Rechteck dargestellten Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine 2 ein Kraftstoff-Hochdruckspeicher als Kraftstoff-Rail 3 zugeordnet. Mit der Kraftstoff-Rail 3 ist eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe 4 über eine Verbindungsleitung 5 verbunden. In der Verbindungsleitung 5 ist ein Rückschlagventil 6 angeordnet, so dass die Kraftstoff-Rail 3 vor einem durch einen elektrischen Anlasser 7 herbeiführbaren Brennkraftmaschinenanlauf ein hermetisch geschlossener Raum ist. Alternativ oder zusätzlich kann in einer Verbindungsleitung 5 bzw. an der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 4 ein entsprechend steuerbares Absperrventil angeordnet sein. Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 4 wird durch eine motormechanische Kopplung 8 durch die Brennkraftmaschine 2 angetrieben, so dass Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 9 zur Kraftstoff-Rail 3 gepumpt werden kann.
Jeden Zylinder der Brennkraftmaschine 2, die hier beispielhaft als Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine ausgeführt ist, ist ein Einspritzventil 10 zugeordnet, die jeweils mittels einer Einspritzleitung 11 mit der Kraftstoff-Rail 3 hydraulisch verbunden sind. Die Einspritzleitungen 11 sind dabei im Hochdruckspeicherbereich zugehörig. Jedem Einspritzventil 10 ist ein Heizelement 12, das als elektrische Heizspirale ausgebildet ist, zugeordnet, wobei das Heizelement 12 unmittelbar vor dem Einspritzventil 10 innerhalb der Einspritzleitung 11 angeordnet ist.
Des weiteren sind an der Kraftstoff-Rail 3 ein Temperatursensor 13 und ein Drucksensor 14 angeordnet, mittels denen der aktuellen Temperatur bzw. der aktuelle Druck des Kraftstoffes innerhalb der Kraftstoff-Rail 3 ermittelt werden kann. Diese Messsignale werden in einer Steuereinheit 15 verarbeitet, mittels der die Einspritzventile 10 die Heizelemente 12 und der Anlasser 7 gesteuert werden können. Zur Veranschaulichung der entsprechenden Steuerung und/oder Regelung durch die Steuereinheit 15 sind von dieser ausgehend in 1 entsprechende Leitungen schematisch zu den jeweiligen Bauteil eingezeichnet.
In 2 ist schematisch ein Einspritzventil 10 mit einer entsprechend angebundenen Einspritzleitung 11 dargestellt. Aufgrund der Schnittdarstellung der Einspritzleitung 11 ist das als Heizspirale ausgebildete Heizelement 12 innerhalb der Einspritzleitung 11 zu erkennen. Die Heizspirale 12 ist dabei koaxial zur Achsrichtung der Einspritzleitung 11 ausgerichtet. Der Durchmesser der Heizspirale 12 ist dabei kleiner als der Innendurchmesser der Einspritzleitung 11, so dass die Heizspirale 12 vom Kraftstoff umspült wird. Die elektrischen Zuführleitungen 16 zur Heizspirale 12 sind dabei dicht, sowie elektrisch isoliert und wärmegedämmt durch die Wand der Einspritzleitung 11 geführt. Die Zuführleitungen 16 sind mit der Steuereinheit 15 gekoppelt, wobei in 2 die in 1 gezeigten angeschlossenen Leitungen an der Steuereinheit 15 aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zum Brennkraftmaschinenstart vor dem Brennkraftmaschinenanlauf der Kraftstoff im hermetisch geschlossenen Raum des Kraftstoff-Hochdruckspeichers 3 mittels der Heizelemente 12 für einen termischen Druckaufbau im Kraftstoff vorerwärmt und vorgeheizt. Dabei ist die Brennkraftmaschine 2 noch nicht angelaufen und somit ist auch die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 4 aufgrund der motormechanischen Kopplung 8 noch nicht angelaufen. Die Kraftstoffvorheizzeit kann dabei zeitgesteuert oder in Abhängigkeit vorgegebener Schwellwerte für die Kraftstofftemperatur und/oder den Kraftstoffdruck begrenzt werden. Die Kraftstofftemperatur und/oder der Kraftstoffdruck werden dabei durch den Temperatursensor 13 und/oder den Drucksensor 14 ermittelt. Nach Beendigung der Kraftstoffvorheizzeit wird der Brennkraftmaschinenanlauf aktiviert, d. h. dass beispielsweise der elektrische Anlasser 7 und/oder die Einspritzventile 10 über die Steuereinheit 15 angesteuert und entsprechend aktiviert werden. Somit werden bereits vor dem Anlauf der Brennkraftmaschine 2 optimale Bedingungen für einen Brennkraftmaschinenstart in der Kraftstoff-Rail 3 hergestellt. Zudem wird durch die Kraftstoffaufheizung die Viskosität des Kraftstoffes schon vor der ersten Einspritzung reduziert, so dass bereits vor der ersten Einspritzung durch hohen Kraftstoffdruck und entsprechend vorgeheizten Kraftstoff optimierte Verbrennungsverhältnisse vorbereitet werden. Das Verfahren kann dabei mit den im 1 beschriebenen Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem 1 als Common-Rail Einspritzsystem durchgeführt werden.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystems als Common-Rail Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, wobei das Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem wenigstens einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher als Kraftstoff-Rail aufweist, in den Kraftstoff mit einer motormechanisch gekoppelten Kraftstoff-Hochdruckpumpe gefördert wird, der von dort gesteuerten, jeweils einem Zylinder zugeordneten Einspritzventilen zugeführt wird, mit wenigstens einem steuerbaren Heizelement im Kraftstoff-Hochdruckspeicher zur steuerbaren Erwärmung des Kraftstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass zum Brennkraftmaschinenstart vor dem Brennkraftmaschinenanlauf bei noch nicht laufender Kraftstoff-Hochdruckpumpe (4) der Kraftstoff im hermetisch geschlossenen Raum des Kraftstoff-Hochdruckspeichers (3) mittels des wenigstens einen Heizelements (12) für einen thermischen Druckaufbau im Kraftstoff vorerwärmt wird und anschließend der Brennkraftmaschinenanlauf aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Anlasser (7) vorgesehen ist und nach der Kraftstofferwärmung für den Brennkraftmaschinenanlauf und -start sowohl der Anlasser (7) als auch die Einspritzventile (10) für deren Aktivierung angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Kraftstofferwärmung für den Brennkraftmaschinenanlauf und -start die Einspritzventile (10) angesteuert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff-Hochdruckpumpe (14) in der Verbindung zur Kraftstoff-Rail (3) ein steuerbares Absperrventil und/oder ein Rückschlagventil (6) zugeordnet ist, womit der Kraftstoff-Hochdruckspeicher (3) während der Kraftstofferwärmung vor dem Brennkraftmaschinenanlauf hermetisch geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Betätigung eines Startbetätigungselements, insbesondere eines Zündschlüssels, zuerst das wenigstens eine Heizelement (12) angesteuert wird, und dass nach einer vorgegebenen Aufheizzeit und/oder einer mittels eines Temperatursensors (13) ermittelten vorgegebenen Kraftstofftemperatur und/oder eines mittels eines Drucksensors (14) ermittelten Kraftstoffdrucks der Anlasser (7) und/oder die Einspritzventile (10) selbsttätig angesteuert werden.
Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem als Common-Rail Einspritzsystem zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine (2) ein Kraftstoff-Hochdruckspeicher als Kraftstoff-Rail (3) angebracht ist, dass der Kraftstoff-Hochdruckspeicher (3) einerseits mit einer motormechanisch gekoppelten Kraftstoff-Hochdruckpumpe (4) verbunden ist, der ein steuerbares Absperrventil und/oder Rückschlagventil (6) zugeordnet ist, dass der Kraftstoff-Hochdruckspeicher (3) andererseits über dem Hochdruckspeicherbereich zugehörigen Einspritzleitungen (11) mit jeweils den Zylindern zugeordneten steuerbaren Einspritzventilen (10) hydraulisch verbunden ist, dass im Kraftstoff Hochdruckspeicher (3) wenigstens ein steuerbares Heizelement (12) angeordnet ist, und dass mittels einer Steuereinheit (15) zur Steuerung eines Brennkraftmaschinenstarts vor einem Brennkraftmaschinenanlauf die Ansteuerung des wenigstens einen Heizelements (12) für eine Kraftstoff-Vorerwärmung durchführbar ist.
Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Kraftstoff-Hochdruckspeicher (3) wenigstens ein Temperatursensor (13) und/oder wenigstens ein Drucksensor (14) angebracht sind, mit denen das Erreichen in der Steuereinheit (15) vorgebbarer Schwellwerte ermittelbar ist, und nach Erreichen eines oder mehrerer dieser Schwellwerte die Kraftstoff-Vorerwärmung beendbar und der Brennkraftmaschinenanlauf initiierbar ist.
Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Einspritzventil (10) ein Heizelement (12) zugeordnet ist, das unmittelbar vor dem Einspritzventil (10) in der Einspritzleitung (11) angeordnet ist.
Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (12) als elektrische Heizspirale ausgebildet ist, die etwa in Achsrichtung der Einspritzleitung (11) ausgerichtet ist.