DE10351914A1

DE10351914A1 - Verfahren zum Vorsteuern einer Hub Kolben Kraftstoffpumpe einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10351914A1
Application number: DE10351914A
Authority: DE
Inventors: Axel Wachtendorf; Leonhard Lang
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2005-09-15
Also published as: ATE518054T1; EP1529948B1; EP1529948A3; EP1529948A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorsteuern einer Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine ein Hochdruckrail und damit verbundene Einspritzventile aufweist. Hierbei wird aus den Eingangswerten Kraftstoffvolumenentnahme vevphh aus dem Hochdruckrail durch die Einspritzventile pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe, Kraftstoffvolumen vdaavst, welches für eine Änderung des Solldruckes DELTAp¶soll_rail¶ im Hochdruckrail pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe benötigt wird, Hubvolumen vkdavst, welches der Kolben der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zur Verdichtung des Kraftstoffes von Niederdruck auf Druck im Hochdruckrail pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe benötigt, sowie Volumenverlust vvlfghdp durch nicht optimalen Liefergrad aufgrund von Dampfblasenbildung im Kraftstoff pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe Schließ- und Öffnungszeitpunkte für ein Mengenstellwerk der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorsteuern einer Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine ein Hochdruckrail und damit verbundene Einspritzventile aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Mengenstellwerk einer Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe für eine Kraftstoffversorgung einer Brennkraftmaschine legt eine Kraftstoffmenge fest, die in der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe komprimiert und in ein Hochdruckrail geschoben wird. In einem Motorsteuergerät ist ein Regelalgorithmus implementiert, der die Öffnungs- und Schließzeiten bzw. -winkel des Mengenstellwerkes der Pumpe berechnet. Diese Öffnungs- und Schließzeiten werden in Form eines elektrischen Signals an das Mengenstellwerk ausgegeben. Für eine abgas- und verbrauchsoptimale Gemischbildung in einem Brennraum der Brennkraftmaschine muß der Kraftstoffdruck und die zur Einspritzung zur Verfügung stehende Kraftstoffmenge im Hochdruckrail so genau wie möglich bereitgestellt werden.

Bei einem bekannten Algorithmus für die Ansteuerung des Mengenstellwerkes sind eine Vorsteuerung und ein Regler vorgesehen. In der Vorsteuerung wird die Zeitdauer für die Ansteuerung mit eingeschränkter Genauigkeit ermittelt. Eingangssignale der Vorsteuerung sind die Sollwerte für Kraftstoffdruck und -menge. Auf Basis dieser Sollwerte werden Kennfelder adressiert, in denen ein Ansteuerwinkel abgelegt ist. Diese Kennfelder bilden nicht die physikalischen Gegebenheiten in der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe nach, sondern sind empirisch an exemplarisch ausgewählten Pumpen ermittelt. Durch die Verwendung eines Reglers besteht die Möglichkeit, die in der Vorsteuerung ermittelte Ansteuerdauer des Mengenstellwerkes zu korrigieren. Der Regler arbeitet auf Basis einer Istdruck-Erfassung mit einem Sensor im Hochdruckrail. Dieser Regler ist als PI-Regler ausgelegt. Diese Korrektur ist notwendig, da von den Vorsteuerkennfeldern folgende Zusammenhänge nicht berücksichtigt werden können:

– Die Toleranzlagenstreuung der Pumpe in der Serie.
– Fehler in den Vorsteuerkennfeldern.
– Physikalische Abhängigkeiten, wie beispielsweise Temperaturabhängigkeiten.

Je genauer die Vorsteuerkennfelder den realen Bedingungen entsprechen, desto kleiner fallen die Eingriffe des Reglers aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der obengenannten Art bzgl. Ansteuerung des Mengenstellwerks der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zum Erzielen einer hohen Genauigkeit bzgl. der Bereitstellung der Kraftstoffeinspritzmenge und des Kraftstoffeinspritzdruckes im Hochdruckrail zu verbessern und gegen Störungen robuster zu machen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß aus den Eingangswerten Kraftstoffvolumenentnahme vevphh aus dem Hochdruckrail durch die Einspritzventile pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe, Kraftstoffvolumen vdaavst, welches für eine Änderung des Solldruckes Δp_{soll_rail} im Hochdruckrail pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe benötigt wird, Hubvolumen vkdavst, welches der Kolben der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zur Verdichtung des Kraftstoffes von Niederdruck auf Druck im Hochdruckrail pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe benötigt, sowie Volumenverlust vvlfghdp durch nicht optimalen Liefergrad aufgrund von Damfblasenbildung im Kraftstoff pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe Schließ- und Öffnungszeitpunkte für ein Mengenstellwerk der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe bestimmt werden.

Dies hat den Vorteil, daß eine höhere Genauigkeit bei geringerem Applikationsaufwand und besserer Diagnosefähigkeit erzielt wird, wobei unterschiedliche Pumpenkonzepte realisierbar sind.

Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in
1 ein schematisches Schaltbild eines bekannten, rücklauffreien Kraftstoffsystems,
2 ein schematisches Schaltbild der Funktionsweise einer Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
3 ein Kennfeld für die Kompressibilität des Kraftstoffs in Abhängigkeit von Druck und Temperatur.
4 eine schematische Darstellung der Ansteuerung eines Mengenstellwerkes einer Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe,
1 veranschaulicht ein rücklauffreies Kraftstoffsystem mit einem Kraftstofftank 10, einer elektrischen Kraftstoffpumpe 12, einem Kraftstoff-Filter 14, einer Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe bzw. Hochdruckpumpe (HDP) 16 mit Mengenstellwerk, einem Hochdruckrail 18, mehreren Hochdruckeinspritzventilen (HDEV) 20, einer Rücklaufleitung 22, einem Druckbegrenzungsventil (DBV) 24, einem Motorsteuergerät (ECU) 26, einem Niederdrucksensor 28, einem Hochdrucksensor 30 und einer Leistungsendstufe 32 zum Ansteuern der Kraftstoffpumpe 12. Linie 34 trennt das Kraftstoffsystem in eine Hochdruckseite 36 und eine Niederdruckseite 36. Die elektrische Kraftstoffpumpe (EKP) 12 dient als Vorförderpumpe für die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe (HDP) 16. Die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe (HDP) 16 stellt den Kraftstoffdruck in der Verteilerleiste bzw. Hochdruckrail 18 ein. Die Hochdruckeinspritzventile 20 werden aus der Hochdruckrail 20 mit Kraftstoff versorgt. Über die Rücklaufleitung 22 fließt Kraftstoff zurück, wenn der Druck in der Hochdruckrail einen sicherheitskritischen Grenzwert überschreitet. Dies kann nur im Fehlerfall eintreten. Eine nicht dargestellte Leckageleitung der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe (HDP) 16 führt Kraftstoff ab, der in der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe (HDP) 16 zwischen Kolben und Zylinder entweicht. Diese Menge ist jedoch relativ klein.
Die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 umfaßt, wie aus 2 ersichtlich, einen Kolben 40 in einem Zylinder 42, der eine Hubbewegung ausführt. Diese Hubbewegung unterteilt sich in eine Ab- und Aufwärtsbewegung. In der Abwärtsbewegung wird ein Hubraum mit Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 10 des Niederdrucksystems 38 mit Kraftstoff befüllt. In der Aufwärtsbewegung erfolgt die Kompression des Kraftstoffes. Ein Mengenstellwerk in Form eines Mengensteuerventils 44 trennt während eines vorbestimmten Teils des Aufwärtshubes den Kompressionsraum von der Versorgungsseite bzw. Niederdruckseite 38. Während desjenigen Abschnittes der Aufwärtsbewegung des Kolbens 40, der zur Kompression des Kraftstoffes genutzt werden soll, trennt das Mengenstellwerk 44 die Verbindung zwischen Hubraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 und Versorgungsleitung 46. Während desjenigen Abschnittes der Aufwärtsbewegung des Kolbens 40, der nicht zur Kompression des Kraftstoffes genutzt werden soll, öffnet das Mengenstellwerk 44 die Verbindung zwischen dem Hubraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 und der Versorgungsleitung 46. Es entsteht ein Schließintervall, das im Kompressionstakt der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 liegt.
Die Lage des Intervalls im Kompressionstakt ist prinzipiell frei wählbar. Üblicherweise wird entweder der Schließ- oder der Öffnungszeitpunkt auf einen der Totpunkte der Bewegung des Kolbens 40 gelegt. Mit beiden Konzepten ist es möglich, den effektiven Kompressionshub einzustellen. Der Hubraum ist mit dem Hochdruckrail 18 des Hochdrucksystems 36 über ein Rückschlagventil 48 verbunden. Sobald der Druck im Hubraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 größer wird als der Druck im Hochdruckrail 18, strömt der komprimierte Kraftstoff aus dem Hubraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 in das Hochdruckrail 18. Die Motorsteuerung 26 (1) gibt den Schaltimpuls an das Mengensteuerventil (44) des Mengenstellwerkes aus. Die Zeitdauer dieses Schaltimpulses legt unter Berücksichtigung der Kolbengeschwindigkeit und Kolbenposition den effektiven Hub fest.
4 veranschaulicht die Ansteuerung des Mengenstellwerkes 44 mit den zwei unterschiedlichen Konzepten. Hierzu veranschaulicht ein Graph 50 die Bewegung des Kolbens 40 zwischen einem oberen Totpunkt 52 und einem unteren Totpunkt 54, wobei sich eine Füllung 56 und eine Kompression 58 zyklisch abwechseln. Gemäß einem ersten Konzept mit Schließintervall am Beginn des Kompressionshubes 58, wie mit Pfeilen 60 (Kompressionsphase gemäß Konzept I) angedeutet, zeigt Graph 62 ein Ansteuersignal für das Mengensteuerventil 44 zwischen 0V und 12V, ein Graph 64 einen Zustand des Mengensteuerventils 44 zwischen "offen" 66 und "geschlossen" 68 und ein Graph 70 einen Druck im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 zwischen einem Niederdruck p_niederdruck 72 im Niederdrucksystem 38 und einem Hochdruck p_HD-rail 74 im Hochdrucksystem 36 bzw. Hochdruckrail 18. Gemäß einem zweiten Konzept mit Schließintervall am Ende des Kompressionshubes 58, wie mit Pfeilen 76 (Kompressionsphase gemäß Konzept II) angedeutet, zeigt Graph 78 ein Ansteuersignal für das Mengensteuerventil 44 zwischen 0V und 12V, ein Graph 80 einen Zustand des Mengensteuerventils 44 zwischen "offen" 82 und "geschlossen" 84 und ein Graph 86 einen Druck im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 zwischen einem Niederdruck p_niederdruck 88 im Niederdrucksystem 38 und einem Hochdruck p_HD-rail 90 im Hochdrucksystem 36 bzw. Hochdruckrail 18.
Das Schließintervall 60 bzw. 76 des Mengenstellwerkes 44 liegt zwischen dem unteren Totpunkt 54 und dem oberen Totpunkt 52 des Kolbens 40 der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 bezogen auf einen sich im Zylinder 42 aufwärts bewegenden Kolben 40. Prinzipiell ist es egal, ob das Schließintervall direkt nach durchschreiten des unteren Totpunktes 54 beginnt (Konzept I, Pfeil 60) oder mit erreichen des oberen Totpunktes 52 endet (Konzept II, Pfeil 76). Beide Konzepte führen zum Druckaufbau. Aus energetischen Gründen ist aber das zweite Konzept (Pfeil 76) zu bevorzugt. Der Kompressionsvorgang 60 bzw. 76 wird durch verschließen des Mengenstellwerkes 44 bei sich aufwärts bewegendem Kolben 40 ausgelöst. Das sich in diesem Moment im Kompressionsraum befindliche Kraftstoffvolumen hat annähernd Niederdruckniveau. Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 40 erhöht sich der Druck. Steigt der Druck im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 über den im Hochdruckrail 18 herrschenden Druck p_HD-rail, dann öffnet sich das Rückschlagventil 48 und der Kraftstoff strömt aus dem Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 in das Hochdruckrail 18. Dies erfolgt so lange, wie der Druck im Kompressionsraum über dem Druck p_HD-rail im Hochdruckrail 18 gehalten wird. Beendet wird der effektive Kompressionshub durch Öffnen des Mengenstellwerkes 44 bzw. sobald der Kolben 40 seinen oberen Totpunkt 52 erreicht. Je nach Pumpenkonstruktion und -Konzept kann ein Restvolumen am Ende des Kompressionsvorgangs 58 im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 verbleiben.
Der Kraftstoff, beispielsweise Ottokraftstoff, ändert unter Druck sein Volumen. Diese Volumenänderung ergibt sich aus ΔV = V0·Δp·χwobei V₀ ein Ausgangsvolumen [mm³], Δp eine Druckänderung [bar], χ eine Kompressibilitätszahl [1/bar] und ΔV eine Volumenänderung [mm³] ist. Die eine Kompressibilitätszahl χ [1/bar] für das zu komprimierende Fluid ergibt sich in Abhängigkeit von Temperatur und Druck aus einer Kennlinienschar gemäß 3. Die 3 zeigt auf einer horizontalen Achse 92 einen Druck in [bar] und auf einer vertikalen Achse 94 die Kompressibilität in [E-4/bar]. Die Kennlinien entsprechen von oben nach unten einer Temperatur von 413K, 393K, 373K, 353K, 333K, 313K, 293K, 273K, 253K und 233K. Die Kompressibilität ist empirisch ermittelt und bezieht sich bei dem dargestellten Beispiel auf Superbenzin, das bei 15°C und 1 bar die Dichte ρ = 0,7647 g/cm³ aufweist.
Erfindungsgemäß werden zur Berechnung der Volumenänderung bei der Kompression von Kraftstoff die Größen Druckänderung, Temperaturänderung, Ausgangsvolumen, Ausgangsdruck und Ausgangstemperatur sowie ein Kompressibilitätskennfeld der verwendeten Kraftstoffsorte verwendet.
Für die Berechnung der Dichteänderung durch Kompression wird zunächst die Dichte des Kraftstoffes für den jeweiligen Betriebspunkt berechnet. Die Dichte ist gemäß folgender Formel abhängig von der Kompressibilität und dem Druck:
wobei ρ_Kraftstoff eine Dichte des Kraftstoffes in [g/mm³], ρ_norm eine Dichte des Kraftstoffes unter Normbedingungen in [g/mm³], p_Kraftstoff ein Druck des Kraftstoffes [bar], ], p_norm ein Normdruck in [bar] und χ_Kraftstoff eine Kompressibilität des Kraftstoffes ist. Dieser Zusammenhang ist gültig für Kraftstoff in flüssiger Form.
Größen, die nicht direkt gemessen werden können, müssen mit Hilfe von Modellen nachgebildet werden. Dies betrifft in dem vorliegenden Anwendungsfall die Temperatur. Für die Kompressibilitätsbestimmung ist es notwendig, an zwei Stellen des Kraftstoffsystems die Temperatur des Kraftstoffes zu modellieren, nämlich die Temperatur des Kraftstoffes beim Einströmen in den Kompressionsraum t_flvrhdp und die Temperatur des Kraftstoffes im Hochdruckrail t_krail. Für t_flvrhdp wird ein Kennfeld adressiert, welches im Versuch empirisch ermittelt wird. Die Temperatur t_krail des Kraftstoffes im Hochdruckrail 18 hängt von verschiedenen Einflußgrößen ab. Ausgangspunkt ist die Eintrittstemperatur t_flvrhdp des Kraftstoffes in die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16. Der Kraftstoff durchfließt zunächst die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16, die Kraftstoffleitung und dann das Hochdruckrail 18. Es findet ein Wärmeübergang aufgrund der Berührung des Kraftstoffes mit den Innenflächen der kraftstoffdurchflossenen Bauteile statt. Die Quelle der Wärme sind der Motorblock bzw. die Umgebungsluft im Motorraum sowie die Verdichtungsarbeit in der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16. Diese Wärmeeinträge tragen im folgenden die Namen t_emotr, t_eulr und t_krailnp. Der Kraftstoff strömt über das geöffnete Mengenstellwerk 44 mit der Temperatur t_flvrhdp in den Kompressionsraum ein. Dort wird der Kraftstoff verdichtet und strömt über das Rückschlagventil 48 in das Hochdruckrail 18. Durch diesen thermodynamischen Prozeß erfolgt ein Temperatureintrag t_krailnp in den Kraftstoff. Für t_krail gilt: tkrail = tflvhdp + temotr + teulr + tkrailnp temotr = f((tmot – tkrailnp); QKraftstoff) tkrailnp = f((prail – pNiederdruckseite)) teulr = f(tUmgebung; VFahrzeug)
Die Abhängigkeiten von t_emotr, t_eulr, und t_krailnp werden empirisch ermittelt und in Kennlinien und Kennfeldern abgelegt.
Mittels einer Tiefpaßfilterung wird das dynamische Verhalten der Temperatur t_krail im Hochdruckrail 18 erfaßt. Das Zeitverhalten des Filters wird in Abhängigkeit vom Kraftstoffmassenfluß Q_Kraftstoff) sowie von der Differenz aus t_mot und t_krailnp festgelegt.
Erfindungsgemäß basiert die Vorsteuerung der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 auf der Berechnung des Hubvolumens des Kolbens 40, das für die Kompression des Kraftstoffes genutzt werden soll. Festgelegt wird dieses Hubvolumen durch Schließ- und Öffnungszeitpunkte des Mengenstellwerkes 44 unter Berücksichtigung der Pumpengeometrie. Das zu komprimierende Kraftstoffvolumen ergibt sich aus den Anforderungen der Motorsteuerung 26 hinsichtlich Soll-Kraftstoffdruck im Hochdruckrail 18 und Kraftstoffmenge sowie den aktuellen Betriebsparametern, wie Temperatur und Ist-Drücke.
Das von den Hochdruckeinspritzventilen 20 aus dem Hochdruckrail entnommene Kraftstoffvolumen muß von der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 wieder dem Hochdruckrail 18 zugeführt werden. Das aus dem Hochdruckrail 18 entnommene Volumen vevphh 96 (2) ergibt sich aus:

wobei

vevphh: Kraftstoffvolumenentnahme aus dem Hochdruckrail durch die Einspritzventile in [mm³/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
kmphvst: Kraftstoffmassenentnahme durch die Einspritzventile aus dem Hochdruckrail pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe in [g/Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
ρ_krarvst: Dichte des Kraftstoffes bei Ausströmen aus dem Hochdruckrail 18 in [g/mm³].
ρ_rohnvst: Normdichte des Kraftstoffes (sortenabhängig) in [g/mm³].
P_rail: Druck im Hochdruckrail 18 in [bar].
p_norm: Normdruck in [bar].
χ_Krail: Kompressibilität des Kraftstoffes im Hochdruckrail in [1/bar].
dmkrhdev: Kraftstoffmenge durch die Hochdruckeinspritzventile (HDEV) 20 berechnet aus Ventilöffnungszeiten in [g/min].
ishdpvst: Anzahl der Lastspiele der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe pro min in [1/min].
nnw: Nockenwellendrehzahl in [1/min].
nahdpanz: Anzahl der Nocken auf der Nockenwelle für den Antrieb der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe [dimensionslos].

Eine Erhöhung des Drucks im Hochdruckrail 18 läßt such nur über ein zusätzliches Kraftstoffvolumen vdaavst 98 (2)d erreichen. Bei positivem Solldruckgradienten muß daher eine zusätzliche Kraftstoffmenge in das Hochdruckrail 18 gepumpt werden. Weil diese Zusatzmenge nicht von dem Hochdruckrail 18 entnommen wird, kommt es zu einer Druckerhöhung im Hochdruckrail 18. Soll sich der Druck im Hochdruckrail 18 dagegen verringern, dann muß dem Hochdruckrail 18 ein kleineres Kraftstoffvolumen zugeführt werden, wie diesem durch die Hochdruckeinspritzventile 20 entnommen worden ist. Dieses Mindervolumen ergibt sich bei einem negativen Solldruckgradienten. In diesem Fall erhält das berechnete Volumen ein negatives Vorzeichen. Formeltechnisch läßt sich dieser Zusammenhang folgendermaßen erfassen: vdaavst = Δpsoll_rail·VHDRL·χKrail wobei

vdaavst: Volumen Kraftstoff für Druckauf- und -abbau pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe [mm³/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
Δp_{soll_rail}: Solldruckveränderung pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe [bar/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
Y_HDRL: Volumen des gesamten Hochdruckbereiches bestehend aus Hochdruckrail und Hochdruckleitungen in [mm³].
χ_Krail: Kompressibilität des Kraftstoffes im Hochdruckrail in [1/bar].

Hierbei ist Δp_{soll_rail} folgendermaßen definiert: Δp_{soll_rail} > 0 bedeutete, daß der Solldruckgradient positiv ist und Δp_{soll_rail} < 0 bedeutete, daß der Solldruckgradient negativ ist.
Als nächstes wird eine Volumenänderung vdaavst 100 (2) durch Kompression berücksichtigt. Wenn der Kompressionsvorgang beginnt, befindet sich der Kraftstoff zunächst noch auf Niederdruckniveau. Durch den sich nach oben bewegenden Kolben 40 kommt es zu einem Druckanstieg. Erst wenn Druckausgleich zwischen dem Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 und dem Hochdruckrail 18 besteht, öffnet sich das dazwischen befindliche Rückschlagventil 48. Das Hubvolumen, das der Kolben für die Verdichtung von Niederdruck- auf Raildruckniveau benötigt, ist zurückzuführen auf die Kompressibilität des Kraftstoffes. Dieses Hubvolumen wird erfindungsgemäß bei der Berechnung der Ansteuerung des Mengenstellwerkes 44 berücksichtigt und wird zu den zuvor berechneten Volumina vevphh (Kraftstoffvolumenentnahme aus dem Hochdruckrail durch die Einspritzventile) und vdaavst (Volumen Kraftstoff für Druckauf- und -abbau im Hochdruckrail 18) hinzu addiert. Dieses Zusatzvolumen berechnet sich wie folgt:
Vkomp = vevphh + vdaavst + vtotraumwobei

vkdavst: Volumen für Kompression bis Druckausgleich zwischen Kompressionsraum in der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 und dem Hochdruckrail 18 in [mm³/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
χ_Khdp: Kompressibilität des Kraftstoffs bei Einströmen in den Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe in [1/bar].
V_komp: Kraftstoffvolumen das sich bei Druckausgleich im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe befindet in [mm³/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
vdaavst: Volumen Kraftstoff für Druckauf- und -abbau pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe [mm³/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe]. vevphh = Kraftstoffvolumenentnahme aus dem Hochdruckrail durch die Einspritzventile in [mm³/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
vtotraum: Kraftstoffvolumen im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 bei Ende des Kompressionsvorganges in [mm³/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].

Wenn das Mengenstellwerk 44 im unteren Totpunkt des Kolbens 40 der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 schließt (vgl. Pfeil 60 in 4 gemäß Konzept I) und der Druckaufbau beginnt, muß stets der gesamte sich im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 befindliche Kraftstoff von Niederdruck- auf Raildruckniveau gebracht werden. Für Pumpenkonzepte, die prinzipbedingt immer um unteren Totpunkt des Kolbens 40 der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 das Mengenstellwerk 44 schließen und mit einem variablen Öffnungszeitpunkt des Mengenstellwerks 44 ihre Förderleistung einstellen, läßt sich vkdavst (Volumen für Kompression bis Druckausgleich zwischen Kompressionsraum in der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 und dem Hochdruckrail 18) alternativ etwas einfacher darstellen: vkdast = χKhdp·Δp·VKompressionsraum wobei

V_{Kompressionsraum}: Volumen des Kompressionsraumes der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 in [mm³].

Die Befüllung des Kompressionsraumes der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 erfolgt während sich der Kolben 40 abwärts bewegt. Es muß soviel Kraftstoff in den Kompressionsraum nachgefüllt werden, wie im Kompressionstakt zuvor in das Hochdruckrail 18 abgegeben worden ist. Dynamische Strömungseffekte können jedoch dazu führen, daß die Befüllung nicht gleichmäßig erfolgt. Durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten und nicht optimale Ein strömkanäle entstehen punktuell Zonen mit niedrigem Druckniveau. In diesen Zonen kann es dazu kommen, daß der Kraftstoff unter Temperatureinwirkung von der flüssigen in die gasförmige Phase übergeht. Dies beinhaltet eine Volumenvergrößerung. Die so entstandenen Dampfblasen befinden sich entweder bereits im Kompressionsraumes der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 oder werden vom Kraftstoffstrom mitgerissen und gelangen so in den Kompressionsraum. Unter Druckerhöhung durch den beginnenden Kompressionsvorgang bilden sich diese Blasen zurück. Es kommt zu einer Volumenverringerung. Das Hubvolumen, das der Kolben 40 der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 bei geschlossenem Mengenstellwerk 44 benötigt, um diese Volumenänderung zu kompensieren wird im folgenden vvlfghdp genannt. Dieses Volumen vvlfghdp 102 (2) wird erfindungsgemäß bei der Festlegung des zu komprimierenden Gesamtvolumen berücksichtigt.
wobei

vvlfghdp: Volumenverlust durch nicht optimalen Liefergrad aufgrund von Damfblasenbildung im Kraftstoff pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe [mm³].
lfgrhdp: Liefergrad bei der Füllung des Kompressionsraumes der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe [dimensionslos]. Definition: 0 < lfgrhdp < 1 0 = keine Füllung 1 = 100% Füllung

lfgrhdp = f (kmeshdp; tflvrhdp)·f(nmot; pniederdruck)

kmeshdp: Kraftstoffmasse, die durch das Mengenstellwerk in das Hochdruckrail pro Hub einströmt in [g/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
tflvrhdp: Temperatur des Kraftstoffes beim Einströmen in den Kompressionsraum in [°C].
nmot: Motordrehzahl in [1/min].
p_niederdruck: Kraftstoffdruck auf einer Niederdruckseite in [kPa].

Mit kmeshdp, tflvrhdp, nmot und p_niederdruck werden Kennfelder adressiert, die im Versuch empirisch ermittelt werden.
Das zu komprimierende Gesamtvolumen ergibt sich aus der Addition der voranstehend ermittelten Volumina gemäß: vkhdpvst = vevphh + vkdavst + vdaavst + vvlfghdpwobei

vkhdpvst: Pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zu komprimierendes Gesamtvolumen [mm³].

In vielen Anwendungsfällen wird die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe über einen Nocken auf einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetrieben. Die Welle ist dabei winkelsynchron mit der antreibenden Kurbelwelle verbunden. Die Hubbewegungen des Kolbens der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe erfolgen in einem solchen Fall winkelsynchron zur Kurbelwelle. Die Ansteuerung des Mengenstellwerkes erfolgt dann in vorteilhafter Weise abhängig von dem Kurbelwinkel. Hierbei wird der Schließ- und Öffnungswinkel des Mengenstellwerkes bezogen auf den Kurbelwinkel bestimmt. Zum Umsetzen des zu komprimierende Gesamtvolumens in ein kurbelwellensynchrones Ansteuern des Mengenstellwerkes wird die Anbindung der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe formeltechnisch erfaßt. Dazu ist das Übersetzungsverhältnis und die Anzahl der Nocken auf der Nockenwelle, die der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zugeordnet sind, zu beachten. Die eigentliche Hubbewegung wird durch die geometrische Form des Nockens festgelegt. Der zurückgelegte Hub ergibt in Verbindung mit dem Durchmesser des Kolbens das Hubvolumen der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe. Es ergibt sich folgende Formel:
wobei

skhdp: Kompressionshub des Kolbens der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe, der für das zu komprimierende Gesamtvolumen vkhdpvst erforderlicher ist [mm].
vkhdpvst: Pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zu komprimierendes Gesamtvolumen [mm³].
r_Kolben: Radius des Kolbens der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe [mm].

dwmsvsvg = Erhebungskurve_Nocken(skhdp)

dwmsvsvg: Deltakurbelwinkel, den das Mengenstellwerk geschlossen bleibt in [°KW].

Der Deltakurbelwinkel dwmsvsvg bezieht sich auf den Teil der steigenden Flanke des Antriebsnockens für die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe, der konzeptbedingt für das Kompressionsintervall genutzt wird.

10: Kraftstofftank
12: Kraftstoffpumpe
14: Kraftstoff-Filter
16: Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe bzw. Hochdruckpumpe (HDP)
18: Hochdruckrail
20: Hochdruckeinspritzventile (HDEV)
22: Rücklaufleitung
24: Druckbegrenzungsventil (DBV)
26: Motorsteuergerät/ECU)
28: Niederdrucksensor
30: Hochdrucksensor
32: Leistungsendstufe
34: Linie
36: Hochdruckseite
38: Niederdruckseite
40: Kolben
42: Zylinder
44: Mengenstellwerk/Mengensteuerventil
46: Versorgungsleitung
48: Rückschlagventil
50: Graph: die Bewegung des Kolbens 40
52: oberer Totpunkt
54: unterer Totpunkt
56: Füllung
58: Kompression
60: Pfeil: Kompressionsphase gemäß Konzept I
62: Graph: Ansteuersignal für Mengensteuerventil 44 (Konzept I)
64: Graph: Zustand des Mengensteuerventils 44 (Konzept I)
66: Zustand: "offen" (Konzept I)
68: Zustand: "geschlossen" (Konzept I)
70: Graph: Druck im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 (Konzept I)
72: Niederdruck p_niederdruck (Konzept I)
74: Hochdruck p_HD-rail (Konzept I)
76: Pfeil: Kompressionsphase gemäß Konzept II
78: Graph: Ansteuersignal für Mengensteuerventil 44 (Konzept II)
80: Graph: Zustand des Mengensteuerventils 44 (Konzept II)
82: Zustand: "offen" (Konzept II)
84: Zustand: "geschlossen" (Konzept II)
86: Graph: Druck im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 (Konzept II)
88: Niederdruck p_niederdruck (Konzept II)
90: Hochdruck p_HD-rail (Konzept II)
92: horizontale Achse
94: vertikale Achse
96: vevphh
98: vdaavst
100: vkdavst
102: vvlfghdp
dmkrhdev: Durch die Einspritzventile strömende Kraftstoffmenge in [g/min] berechnet aus Ventilöffnungszeiten.
dwmsvsvg: Deltakurbelwinkel, den das Mengenstellwerk geschlossen bleibt in [°KW].
Erhebungskurve_Nocken(skhdp): Kennlinie, die eine Geometrie einer steigenden Flanke eines Antriebsnockens der Nockenwelle für die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe für den erforderlichen Kompressionshub skhdp beschreibt.
ishdpvst: Anzahl der Lastspiele der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe pro min in [1/min]. kmeshdp Kraftstoffmasse, die durch das Mengenstellwerk in das Hochdruckrail pro Hub einströmt in [g/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
kmphvst: Kraftstoffmassenentnahme durch die Einspritzventile aus dem Hochdruckrail pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe in [g/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
lfgrhdp: Liefergrad bei der Füllung des Kompressionsraumes der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe [dimensionslos].
nahdpanz: Anzahl der Nocken auf der Nockenwelle für den Antrieb der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe [dimensionslos].
nmot: Motordrehzahl in [1/min].
nnw: Nockenwellendrehzahl in [1/min].
p_niederdruck: Kraftstoffdruck auf einer Niederdruckseite in [kPa].
P_norm: Normdruck in [bar].
p_rail: Druck im Hochdruckrail in [bar].
Δp: Druckänderung in [bar].
Δp_{soll_rail}: Änderung des Solldruckes im Hochdruckrail [bar/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
Q_Kraftstoff: Kraftstoffmassenfluß
r_Kolben: Radius des Kolbens der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe [mm].
ρ_krarvst: Dichte des Kraftstoffes bei Ausströmen aus dem Hochdruckrail in [g/mm³].
ρ_rohnvst: Normdichte des Kraftstoffes (sortenabhängig) in [g/mm³].
skhdp: Kompressionshub, der für das zu komprimierende Gesamtvolumen vkhdpvst erforderlicher ist (mm].
t_emotr: Temperatur Motorblock [°C].
t_eulr: Temperatur Umgebungsluft im Motorraum [°C].
tflvrhdp: Temperatur des Kraftstoffes beim Einströmen in den Kompressionsraum in [°C].
t_krail: Temperatur im Hochdruckrail 18 [°C].
t_krailnp: Temperatur durch Verdichtungsarbeit in Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 [°C].
V_HDRL: Volumen des gesamten Hochdruckbereiches bestehend aus Hochdruckrail und Hochdruckleitungen in [mm³].
V_komp: Kraftstoffvolumen das sich bei Druckausgleich im Kompressionsraum befindet in [mm³/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
V_{Kompressionsraum}: Volumen des Kompressionsraumes der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe in [mm³]
vdaavst: Kraftstoffvolumen, welches für eine Änderung des Solldruckes Δp_{soll_rail} im Hochdruckrail benötigt wird, in [mm³/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe]. vevphh Kraftstoffvolumenentnahme aus dem Hochdruckrail durch die Einspritzventile in [mm³/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
vkdavst: Hubvolumen, welches der Kolben der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zur Verdichtung des Kraftstoffes von Niederdruck auf Druck im Hochdruckrail benötigt in [mm³/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
vkhdpvst: Pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zu komprimierendes Gesamtvolumen [mm³].
vtotraum: Kraftstoffvolumen im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe bei Ende des Kompressionsvorganges in [mm³/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
vvlfghdp: Volumenverlust durch nicht optimalen Liefergrad aufgrund von Damfblasenbildung im Kraftstoff pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe [mm³].
χ_Khdp: Kompressibilität des Kraftstoffs bei Einströmen in den Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe in [1/bar].
χ_Krail: Kompressibilität des Kraftstoffes im Hochdruckrail in [1/bar].

Claims

Verfahren zum Vorsteuern einer Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine ein Hochdruckrail und damit verbundene Einspritzventile aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Eingangswerten Kraftstoffvolumenentnahme vevphh aus dem Hochdruckrail durch die Einspritzventile pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe, Kraftstoffvolumen vdaavst, welches für eine Änderung des Solldruckes Δp_{soll_rail} im Hochdruckrail pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe benötigt wird, Hubvolumen vkdavst, welches der Kolben der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zur Verdichtung des Kraftstoffes von Niederdruck auf Druck im Hochdruckrail pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe benötigt, sowie Volumenverlust vvlfghdp durch nicht optimalen Liefergrad aufgrund von Dampfblasenbildung im Kraftstoff pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe Schließ- und Öffnungszeitpunkte für ein Mengenstellwerk der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zu komprimierendes Gesamtvolumen vkhdpvst gemäß der Summe: vkhdpvst = vevphh + vkdavst + vdaavst + vvlfghdpberechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem zu komprimierendes Gesamtvolumen vkhdpvst ein dafür erforderlicher Kompressionshub skhdp des Kolbens der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe gemäß
berechnet wird, wobei r_Kolben ein Radius des Kolbens der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe von einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird, wobei Schließ- und Öffnungszeitpunkte als Deltakurbelwinkel dwmsvsvg, den das Mengenstellwerk geschlossen bleibt, gemäß dwmsvsvg = Erhebungskurve_Nocken(skhdp)bestimmt wird, wobei die Funktion Erhebungskurve_Nocken(skhdp) eine Geometrie einer steigenden Flanke eines Antriebsnockens der Nockenwelle für die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe in Form einer Kennlinie für den erforderlichen Kompressionshub skhdp beschreibt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffvolumenentnahme vevphh gemäß
berechnet wird, wobei kmphvst eine Kraftstoffmassenentnahme durch die Einspritzventile aus dem Hochdruckrail pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe in und ρ_krarvst eine Dichte des Kraftstoffes bei Ausströmen aus dem Hochdruckrail ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffvolumenentnahme kmphvst gemäß
berechnet wird, wobei dmkrhdev eine durch die Einspritzventile strömende Kraftstoffmenge berechnet aus Ventilöffnungszeiten und ishdpvst eine Anzahl der Lastspiele der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe pro min ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Anzahl der Lastspiele der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe ishdpvst gemäß ishdpvst = nnw·nahdpanzberechnet wird, wobei nnw eine Nockenwellendrehzahl und nahdpanz eine Anzahl der Nocken auf der Nockenwelle für den Antrieb der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe ist.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ρ_krarvst gemäß
berechnet wird, wobei ρ_rohnvdt, eine Normdichte des Kraftstoffes, p_rail ein Druck im Hochdruckrail in, p_norm, ein Normdruck und χ_Krail eine Kompressibilität des Kraftstoffes im Hochdruckrail ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoffvolumen vdaavst gemäß vdaavst = Δpsoll_rail·VHDRL·χKrail berechnet wird, wobei Δp_{soll_rail} eine Änderung des Solldruckes im Hochdruckrail, V_HDRL ein Volumen des gesamten Hochdruckbereiches bestehend aus Hochdruckrail und Hochdruckleitungen und χ_Krail eine Kompressibilität des Kraftstoffes im Hochdruckrail ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Δp_{soll_rail} größer 0 ist, wenn ein Solldruckgradient positiv ist, und daß Δp_{soll_rail} kleiner 0 ist, wenn ein Solldruckgradient negativ ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hubvolumen vkdavst gemäß
berechnet wird, wobei χ_Khdp eine Kompressibilität des Kraftstoffs bei Einströmen in den Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe, Δp eine Druckänderung und V_komp ein Kraftstoffvolumen das sich bei Druckausgleich im Kompressionsraum befindet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoffvolumen V_komp gemäß Vkomp = vevphh + vdaavst + vtotraumberechnet wird, wobei vtotraum ein Kraftstoffvolumen im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe bei Ende des Kompressionsvorganges ist.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Mengenstellwerk an einem unteren Totpunkt des Kolbens der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe geschlossen wird, wobei das Hubvolumen vkdavst gemäß vkdasvt = χKhdp·Δp·VKompressionsraum berechnet wird, wobei V_{Kompressionsraum} ein Volumen des Kompressionsraumes der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe, Δp eine Druckänderung und χ_Khdp eine Kompressibilität des Kraftstoffs bei Einströmen in den Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenverlust vvlfghdp gemäß
berechnet wird, wobei lfgrhdp ein Liefergrad bei der Füllung des Kompressionsraumes der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß 0 < lfgrhdp < 1 ist, wobei 0 = keine Füllung und 1 = 100%-Füllung ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Liefergrad lfgrhdp gemäß lfgrhdp = f(kmeshdp; tflvrhdp)·f(nmot; pniederdruck))berechnet wird, wobei kmeshdp eine Kraftstoffmasse, die durch das Mengenstellwerk in das Hochdruckrail pro Hub einströmt, tflvrhdp eine Temperatur des Kraftstoffes beim Einströmen in den Kompressionsraum, nmot eine Motordrehzahl und p_niederdruck) ein Kraftstoffdruck auf einer Niederdruckseite ist.