EP1091120A2 - Verfahren zum Ermitteln oder Steuern eines Betriebsparameters einer Pumpe - Google Patents

Verfahren zum Ermitteln oder Steuern eines Betriebsparameters einer Pumpe Download PDF

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EP1091120A2
EP1091120A2 EP00121761A EP00121761A EP1091120A2 EP 1091120 A2 EP1091120 A2 EP 1091120A2 EP 00121761 A EP00121761 A EP 00121761A EP 00121761 A EP00121761 A EP 00121761A EP 1091120 A2 EP1091120 A2 EP 1091120A2
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EP
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pump
pressure
angular position
fuel
volume
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EP1091120A3 (de
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Hinrich Dr. Krüger
Eckbert Zander
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/06—Control using electricity
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B11/00—Equalisation of pulses, e.g. by use of air vessels; Counteracting cavitation
    • F04B11/005—Equalisation of pulses, e.g. by use of air vessels; Counteracting cavitation using two or more pumping pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B49/225—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00 by means of valves with throttling valves or valves varying the pump inlet opening or the outlet opening
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    • F04B2201/1208—Angular position of the shaft
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    • F04B2205/06—Pressure in a (hydraulic) circuit
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    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2205/00—Fluid parameters
    • F04B2205/13—Pressure pulsations after the pump

Definitions

  • the invention relates to a method for determining or controlling an operating parameter of a pump according to the preamble of claim 1.
  • fuel is supplied by one Prefeed pump removed from a tank and a high pressure pump fed.
  • the high pressure pump supplies a fuel reservoir, the so-called common rail, with fuel.
  • On injectors are connected to the fuel accumulator, which are controlled by a control unit and accordingly inject fuel into an internal combustion engine.
  • the Amount of fuel that is in the high pressure accumulator from the High pressure pump is pumped through a volume flow control valve in the suction area of the high pressure pump.
  • Superfluous Fuel is drawn from the fuel reservoir via a Pressure control valve returned to the tank. Warmed up when relaxing the fuel, so that the temperature of the Fuel in the fuel tank increases.
  • a power loss represents.
  • the object of the invention is a method for determining or to provide control of an operating parameter of a pump, which is an improved mode of operation of the pump enables.
  • An advantage of the invention is that the location of Extreme pressure during a compression process of the pump in the volume into which the pump pumps medium and that based on the temporal position and / or angular position the extreme pressure determines an operating parameter of the pump and / or the pump is controlled.
  • Fig. 1 shows a fuel tank 1, from which a prefeed pump 2 takes fuel and via a volume flow control valve 3 and a feed line 19 to a high pressure pump 4.
  • the high pressure pump 4 compresses the supplied fuel and delivers the compressed fuel through a drain 20 on to a fuel accumulator 5.
  • injection valves 6 are connected, the Controlled by a control unit 8 via a third control line 16 become. According to the control by the control unit 8 give the injectors 6 fuel from the fuel accumulator 5 in the internal combustion engine 17.
  • a pressure control valve 7 connected via an output line communicates with the fuel tank 1.
  • the Pressure control valve 7 is connected to a second control line 12 with the control unit 8 in connection.
  • a pressure sensor 14 arranged on the fuel accumulator 5, which has a second data line 13 with the control unit 8 in connection stands.
  • Sensors 15 are assigned to internal combustion engine 17, which are connected to the control unit 8 via a fourth data line 18 are.
  • the control unit 8 is also above a first one Data line 10 with a data memory 9 in connection. Furthermore, the control device 8 is via a first control line 11 connected to the volume flow control valve 3.
  • the pre-feed pump 2 and the high pressure pump 4 become mechanical driven by the internal combustion engine 17.
  • the speed the pre-feed pump 2 and the speed of the high pressure pump 4 are proportional to the speed of the internal combustion engine 17.
  • Die High-pressure pump 4 is, for example, a radial piston pump with three pistons 22, as shown in Fig. 2.
  • Fig. 2 shows schematically the piston arrangement of a radial piston pump with three pistons.
  • Each piston 22 is over a first one Check valve 23 in the inlet and via a second check valve 25 in the process with the feed line 19 or with the Derivation 20 connected.
  • the piston 22 of the radial piston pump are star-shaped around a rotary shaft 21 of the high pressure pump 4 arranged, which is driven by the internal combustion engine 17 becomes.
  • the rotary shaft 21 is surrounded by an eccentric ring 26, which the eccentric rotational movement of the rotary shaft 21 in implements a radial stroke movement of the pistons 22.
  • the piston 22 is the 360 ° during an entire revolution Rotary shaft 21 from its bottom dead center to top dead center moved and then from top dead center back to bottom dead center moves.
  • the piston 22 is from the upper Dead center moved to bottom dead center and over a first one Check valve 23 fuel from the feed line 19 in the Cylinder chamber 24 sucked.
  • the piston 22 is positively guided so that regardless of the amount of fuel that over the first check valve 23 is sucked in, always from the lower Dead center to top dead center and then to bottom Dead center moves during one revolution of the rotary shaft 21.
  • the first check valve 23 is biased by a spring 27.
  • the spring 27 ensures that a vacuum is always in the cylinder chamber 24 and not in the feed line 19. Vacuum can arise, for example, when the volume flow control valve 3 less fuel supplied to the piston 22 is considered due to the size of the cylinder chamber 24 a suction process between the top dead center and the bottom Dead center could be sucked in by the piston 22.
  • the piston 22 is from the lower Dead center shifted to top dead center.
  • the degree of filling of the cylinder chamber 24 defines that of the piston 22 Amount of fuel delivered during a compression process firmly.
  • the piston 22 pushes during a compression process each the amount of fuel in the discharge line 20 that during of the suction process was sucked into the cylinder chamber 24.
  • High pressure pump 4 is in by pushing out fuel the fuel accumulator 5 a pressure wave in the fuel accumulator 5 generated.
  • the pressure waves generated by the three pistons 22 are due to the phase shift of the movements of the three pistons 22 with the same delivery of the three pistons by 120 ° each transferred.
  • 3A and Fig. 3B show the delivery volume flow V of the piston 22 as a function of of the angle of rotation ⁇ of the rotary shaft 21 for different Filling levels.
  • the piston 22 moves from the bottom Dead center UT to top dead center OT.
  • 3A and FIG. 3B shows the front of the control unit 8 measured via the pressure sensor 14 Pressure signal p shown for the piston 22. Basically applies that if more fuel from the fuel storage 5 flows as from the high pressure pump 4 in the Fuel storage is promoted, the pressure in the fuel storage drops because the mass balance is negative.
  • the pressure in the fuel accumulator 5 increases a positive mass balance, i.e. if more fuel in the fuel storage is promoted as it flows out, on.
  • V of the piston 22 is shown in dashed lines, in which the middle Inflow into the fuel accumulator 5 whose mean outflow corresponds.
  • N the areas of a negative mass balance and thus a pressure drop in the fuel accumulator or with P the Areas of a positive pressure balance and thus a pressure increase marked in the fuel storage 5.
  • the delivery flow of the piston 22 is at a fill level F of the cylinder chamber 24 is represented by 100%, i.e. that the volume flow control valve 3 opened so far by the control unit 8 will that during the suction process of the piston 22 Cylinder chamber 24 is completely filled with fuel.
  • the delivery volume flow V of the piston increases 22 first from bottom dead center UT, then to to drop towards top dead center again. Because of this The course of the volume flow is the mass balance in Fuel store 5 first negative, then positive and for Again negative.
  • the measurement diagram shown in FIG. 3B corresponds to one Filling degree F of the cylinder chamber 24 of 25%.
  • the points of a balanced mass balance are at Transition from the negative mass balance N to the positive mass balance P and from the positive mass balance P back to negative mass balance N over the pumping movement of the piston 22 from bottom dead center UT to top dead center OT towards shifted to the top dead center.
  • Fig. 3A 3B shows fluctuations in the mass balance and thus remain in the pressure of the fuel accumulator 5.
  • the position of the multi-piston pumps also shifts Extreme pressure with different filling levels of the cylinder chambers. 4 is the shift of the pressure maximum for simulates a three-piston pump, as shown in Fig. 3 is.
  • the graphic clearly shows that the situation of the pressure maximum with decreasing delivery rate and thus decreasing Degree of filling of the cylinder chambers towards larger pump angles and thus moves towards top dead center OT.
  • FIG. 5 shows a method for operating a pump according to Figures 1 and 2 described.
  • Starts at program point 40 the engine 17 by a starter and rotates the pre-feed pump 2 and the high pressure pump 4 with predetermined Initial speeds.
  • the control unit 8 opens it Volume flow control valve 3 to a cross section, for the Starting process is stored in the data memory 9.
  • the opening cross section of the volume flow control valve 3 selected as large as possible when starting the internal combustion engine 17, so that the high pressure pump 4 as quickly as possible the operation of the internal combustion engine 17 required fuel pressure builds up in the fuel accumulator 5.
  • the control unit 8 determines at program point 41 the angular position of the pressure tip in relation to the rotational position the rotary shaft 21.
  • the bottom and top dead center UT, TDC of the piston 22 are predetermined angular values of the rotating shaft 21 assigned.
  • control unit 8 determines the angle difference to the top dead center of the piston 22, from which the pressure peak was generated.
  • the angular position of the pressure tip can So also directly from the evaluation of an amplitude and one Phase response of the pressure curve can be obtained.
  • the control unit 8 calculates from the angular position the pressure peak the fuel volume delivered by the piston 22.
  • a table is stored in the data memory 9, in which 4 values for the pistons 22 of the high pressure pump the fuel volume delivered depending on the angular position the pressure peak are stored.
  • the delivery volume of Pump 4 per revolution of the rotary shaft 21 depending on the angular positions of the pressure peaks generated in the pressure accumulator 5 measured during one revolution of the rotary shaft 21 and as a function of the angular positions of the pressure peak in the data memory 9 filed.
  • the pressure peaks of the three Piston 22 of the pump 4 evaluated during one revolution the rotary shaft 21 are generated.
  • a Type of calculation averaged the angular positions of the pressure peaks, generated during one revolution of the rotary shaft 21 become.
  • a mean Delivery rate read from the table from the data memory 9, which multiplied by the number of three pistons and thus the delivery rate of the high pressure pump 4 per revolution the rotating shaft 21 is calculated.
  • 22 is used for each piston measured the angular position of the pressure wave and based on the three angular positions each calculated the delivery of the pistons, the fuel during one revolution of the rotary shaft 21 promote. The sum of the three production quantities becomes the Flow rate of the high pressure pump 4 calculated for one revolution.
  • control unit 8 Quantity of fuel delivered via the fuel injection valves 6 determined.
  • that of the high pressure pump 4 fuel quantity delivered over a certain period of time determined and the over the same period of the amount of fuel delivered to the injection valves 6 is determined. This is done from the fuel pressure that occurs during the injection processes prevailed in the fuel store 5 and the opening times of the injection valves 6, the injection valves 6 amount of fuel delivered during the specified period calculated.
  • the control unit compares the data from the Period from the high pressure pump 4 to the fuel accumulator 5 amount of fuel delivered with the via the injection valves 6 amount of fuel delivered over the same period and checks whether the pressure in the fuel accumulator 5 changes accordingly the difference has increased or decreased. Is that true Change in fuel pressure in the fuel accumulator 5 not with the high pressure pump 4 and the Injectors 6 discharged fuel amount match, so a defect such as increased leakage in the injection system recognized.
  • the control unit 7 shows a method for controlling the volume flow control valve 3 depending on the angular position of the pressure peaks, generated by the pistons 22 in the fuel accumulator 5 become.
  • the control unit determines at program point 60 8 the angular position of the pressure extremes of the piston 22. From the The control unit 8 calculates the table in the data memory 9 correspondingly from the high pressure pump 4 into the fuel accumulator 5 amount of fuel delivered. The amount of fuel delivered compares control unit 8 at program point 61 a target delivery rate specified by a control program.
  • An embodiment of the method according to FIG. 7 is based on that the volume flow control valve based on one of one Control program predetermined target angle position for the pressure peak is controlled.
  • the control program depends on this a desired angular position of operating parameters of the internal combustion engine for the pressure peak.
  • the control unit 8 measures via the pressure sensor 14 the position of the pressure peak and compares the measured position with the target position of the Pressure peak.
  • the measured angular position of the pressure peak is in comparison to the target angular position too close to the top dead center of the promoting piston, then the opening cross section of the Volume flow control valve 3 enlarged by a predetermined value.
  • the predetermined value is preferably proportional to the difference angle between the target angular position and the measured angular position of the pressure peak.
  • the measured angular position of the pressure peak is in comparison to the target angular position too far from top dead center, then the opening cross section of the volume flow control valve reduced by a predetermined value.
  • the specified value is proportional to the difference angle between the target angular position and the measured Angle position of the pressure tip.
  • a preferred embodiment of the method according to FIG. 7 is based on the fact that the control unit 8 determines the angular position of the Pressure peaks of at least two pistons delivering one after the other 22 determined and the angular position of the pressure peaks used to the volume flow control valve 3 in the way control that the angular positions of the successive conveying Pistons 22 are identical, so that equal funding by the piston 22 is reached. It will be the same size Flow through the piston 22 of the high pressure pump 4 thereby achieved that the volume flow control valve 3 controlled in this way is that the angular positions of the pressure peaks of the different pistons 22 are the same. This procedure allows a simple process for controlling equal opportunities several pistons 22 of a high pressure pump 4.
  • the method described can be applied to any type of pump and not limited to the system described.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Ermitteln oder Steuern eines Betriebsparameters einer Pumpe beschrieben, bei der die durch den Pumpvorgang der Pumpe erzeugten Druckspitzen in einem Kraftstoffspeicher gemessen werden und die Winkelposition der Druckspitze zum Ermitteln eines Betriebsparameters oder zum Steuern der Pumpe verwendet wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln oder Steuern eines Betriebsparameters einer Pumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei Common-Rail-Einspritzanlagen wird Kraftstoff von einer Vorförderpumpe aus einem Tank entnommen und einer Hochdruckpumpe zugeführt. Die Hochdruckpumpe versorgt einen Kraftstoffspeicher, das sogenannte Common-Rail, mit Kraftstoff. An den Kraftstoffspeicher sind Einspritzventile angeschlossen, die von einem Steuergerät gesteuert werden und entsprechend der Steuerung Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine einspritzen. Bei einer volumenstromgeregelten Hochdruckpumpe wird die Menge des Kraftstoffs, die in den Hochdruckspeicher von der Hochdruckpumpe gepumpt wird, durch ein Volumenstromregelventil im Ansaugbereich der Hochdruckpumpe festgelegt. Überflüssiger Kraftstoff wird aus dem Kraftstoffspeicher über ein Druckregelventil zum Tank zurückgeführt. Beim Entspannen erwärmt sich der Kraftstoff, so daß auch die Temperatur des Kraftstoffs im Kraftstofftank zunimmt. Zudem wird für die Verdichtung des Kraftstoffs durch die Hochdruckpumpe relativ viel Energie benötigt, so daß überflüssiger Kraftstoff, der über das Druckregelventil abgeführt wird, eine Verlustleistung darstellt.
Für eine geringe Verlustleistung und eine geringe Erwärmung des Kraftstoffs im Kraftstofftank ist eine genaue Steuerung und dazu eine genaue Ermittlung der Betriebsparameter der Hochdruckpumpe notwendig.
Die Aufgabe der Erfindung beruht darin, ein Verfahren zum Ermitteln oder Steuern eines Betriebsparameters einer Pumpe bereitzustellen, das eine verbesserte Betriebsweise der Pumpe ermöglicht.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Ein Vorteil der Erfindung beruht darin, daß die Lage von Druckextrema während eines Verdichtungsvorgangs der Pumpe in dem Volumen ermittelt wird, in das die Pumpe Medium pumpt und daß anhand der zeitlichen Position und/oder Winkelposition der Druckextrema ein Betriebsparameter der Pumpe ermittelt und/oder die Pumpe gesteuert wird.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert; es zeigt
  • Fig. 1 einen Aufbau einer Einspritzanlage,
  • Fig. 2 eine Radialkolbenpumpe,
  • Fig. 3A und Fi. 3 Meßdiagramme bei Voll- bzw. Teilförderung,
  • Fig. 4 ein Diagramm, das die Position eines Druckminima bezogen auf einen Pumpenwinkel und einen Fördergrad einer Dreikolben-Hochdruckpumpe zeigt,
  • Fig. 5 ein Verfahren zum Steuern einer Pumpe,
  • Fig. 6 ein Verfahren zum Steuern eines Volumenstromregelventils, und
  • Fig. 7 ein Verfahren zum Steuern des Volumenstromes zur Pumpe.
    • Fig. 1 zeigt einen Kraftstofftank 1, aus dem eine Vorförderpumpe 2 Kraftstoff entnimmt und über ein Volumenstromregelventil 3 und einer Zuleitung 19 einer Hochdruckpumpe 4 zuführt. Die Hochdruckpumpe 4 verdichtet den zugeführten Kraftstoff und gibt den verdichteten Kraftstoff über eine Ableitung 20 an einen Kraftstoffspeicher 5 weiter. An den Kraftstoffspeicher 5 sind Einspritzventile 6 angeschlossen, die über eine dritte Steuerleitung 16 von einem Steuergerät 8 gesteuert werden. Entsprechend der Steuerung durch das Steuergerät 8 geben die Einspritzventile 6 Kraftstoff vom Kraftstoffspeicher 5 in die Brennkraftmaschine 17 ab.
    An den Kraftstoffspeicher 5 bzw. an die Hochdruckpumpe 4 ist ein Druckregelventil 7 angeschlossen, das über eine Ausgangsleitung mit dem Kraftstofftank 1 in Verbindung steht. Das Druckregelventil 7 steht über eine zweite Steuerleitung 12 mit dem Steuergerät 8 in Verbindung. Weiterhin ist ein Drucksensor 14 am Kraftstoffspeicher 5 angeordnet, der über eine zweite Datenleitung 13 mit dem Steuergerät 8 in Verbindung steht. Der Brennkraftmaschine 17 sind Sensoren 15 zugeordnet, die über eine vierte Datenleitung 18 an das Steuergerät 8 angeschlossen sind. Das Steuergerät 8 steht zudem über eine erste Datenleitung 10 mit einem Datenspeicher 9 in Verbindung. Weiterhin ist das Steuergerät 8 über eine erste Steuerleitung 11 an das Volumenstromregelventil 3 angeschlossen.
    Die Vorförderpumpe 2 und die Hochdruckpumpe 4 werden mechanisch von der Brennkraftmaschine 17 angetrieben. Die Drehzahl der Vorförderpumpe 2 und die Drehzahl der Hochdruckpumpe 4 sind proportional zur Drehzahl der Brennkraftmaschine 17. Die Hochdruckpumpe 4 ist beispielsweise eine Radialkolbenpumpe mit drei Kolben 22, wie in Fig. 2 dargestellt.
    Fig. 2 zeigt schematisch die Kolbenanordnung einer Radialkolbenpumpe mit drei Kolben. Jeder Kolben 22 ist über ein erstes Rückschlagventil 23 im Zulauf und über ein zweites Rückschlagventil 25 im Ablauf mit der Zuleitung 19 bzw. mit der Ableitung 20 verbunden. Die Kolben 22 der Radialkolbenpumpe sind sternförmig um eine Drehwelle 21 der Hochdruckpumpe 4 angeordnet, die von der Brennkraftmaschine 17 angetrieben wird. Die Drehwelle 21 ist von einem Exzenterring 26 umgeben, der die exzentrische Rotationsbewegung der Drehwelle 21 in eine radiale Hubbewegung der Kolben 22 umsetzt.
    Der Kolben 22 wird während einer ganzen Umdrehung um 360° der Drehwelle 21 von seinem unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegt und anschließend vom oberen Totpunkt wieder zurück zum unteren Totpunkt bewegt.
    Während eines Ansaugvorgangs wird der Kolben 22 vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt bewegt und über ein erstes Rückschlagventil 23 Kraftstoff aus der Zuleitung 19 in die Zylinderkammer 24 gesaugt. Der Kolben 22 ist zwangsgeführt, so daß er unabhängig von der Kraftstoffmenge, die über das erste Rückschlagventil 23 angesaugt wird, sich immer vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt und anschließend zum unteren Totpunkt während einer Umdrehung der Drehwelle 21 bewegt. Das erste Rückschlagventil 23 ist durch eine Feder 27 vorgespannt. Die Feder 27 sorgt dafür, daß ein Unterdruck immer in der Zylinderkammer 24 und nicht in der Zuleitung 19 entsteht. Unterdruck kann beispielsweise dann entstehen, wenn vom Volumenstromregelventil 3 weniger Kraftstoff dem Kolben 22 zugeführt wird, als aufgrund der Größe der Zylinderkammer 24 bei einem Ansaugvorgang zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt vom Kolben 22 angesaugt werden könnte.
    Der Füllgrad der Zylinderkammer 24 nach einem Ansaugvorgang, bei dem sich der Kolben 22 am unteren Totpunkt befindet, wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch den Öffnungsquerschnitt des Volumenstromregelventils 3 eingestellt.
    Bei einem Verdichtungsvorgang wird der Kolben 22 vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt verschoben. Dabei wird der Kraftstoff, der sich in einer Zylinderkammer 24 befindet, vom Kolben 22 über das zweite Rückschlagventil 25 zur Ableitung 20 und in den Kraftstoffspeicher 5 gepumpt.
    Der Füllgrad der Zylinderkammer 24 legt die vom Kolben 22 während eines Verdichtungsvorganges geförderte Kraftstoffmenge fest. Der Kolben 22 schiebt bei einem Verdichtungsvorgang jeweils die Menge Kraftstoff in die Ableitung 20, die während des Ansaugvorgangs in die Zylinderkammer 24 eingesaugt wurde. Bei jedem Verdichtungsvorgang eines der drei Kolben 22 der Hochdruckpumpe 4 wird durch das Ausschieben von Kraftstoff in den Kraftstoffspeicher 5 eine Druckwelle im Kraftstoffspeicher 5 erzeugt.
    Die von den drei Kolben 22 erzeugten Druckwellen sind aufgrund der Phasenverschiebung der Bewegungen der drei Kolben 22 bei gleicher Fördermenge der drei Kolben um jeweils 120° versetzt.
    Der Zeitpunkt und damit die Winkelposition, zu der die Druckwelle eines Kolbens 22 im Kraftstoffspeicher 5 erzeugt wird, hängt vom Füllgrad der Zylinderkammer 24 ab. Fig. 3A und Fig. 3B zeigen den Fördervolumenstrom V des Kolbens 22 in Abhängigkeit vom Drehwinkel α der Drehwelle 21 für unterschiedliche Füllgrade. Der Kolben 22 bewegt sich dabei vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT. Weiterhin ist in Fig. 3A und Fig. 3B das vorn Steuergerät 8 über den Drucksensor 14 gemessene Drucksignal p für den Kolben 22 dargestellt. Grundsätzlich gilt, daß dann, wenn mehr Kraftstoff aus dem Kraftstoffspeicher 5 abfließt als von der Hochdruckpumpe 4 in den Kraftstoffspeicher gefördert wird, der Druck im Kraftstoffspeicher abfällt, da die Massenbilanz negativ ist. Im Gegensatz dazu steigt der Druck im Kraftstoffspeicher 5 bei einer positiven Massenbilanz, d.h. wenn mehr Kraftstoff in den Kraftstoffspeicher gefördert wird als daraus abfließt, an. In Fig. 3A und Fig. 3B ist jeweils der Fördervolumenstrom V des Kolbens 22 strichliert eingezeichnet, bei dem der mittlere Zufluß in den Kraftstoffspeicher 5 dessen mittleren Abfluß entspricht. Im Vergleich zum wirklichen Förderstrom sind dann mit N die Bereiche einer negativen Massenbilanz und damit eines Druckabfalls im Kraftstoffspeicher bzw. mit P die Bereiche einer positiven Druckbilanz und damit eines Druckanstiegs im Kraftstoffspeicher 5 gekennzeichnet.
    In Fig. 3A ist der Förderstrom des Kolbens 22 bei einem Füllgrad F der Zylinderkammer 24 von 100% dargestellt, d.h., daß das Volumenstromregelventil 3 vom Steuergerät 8 soweit geöffnet wird, daß während des Ansaugvorgangs des Kolbens 22 die Zylinderkammer 24 vollständig mit Kraftstoff gefüllt wird. Wie Fig. 3A zeigt, steigt der Fördervolumenstrom V des Kolbens 22 vom unteren Totpunkt UT aus zuerst an, um dann bis zum oberen Totpunkt OT hin wieder abzufallen. Aufgrund dieses Verlaufs des Fördervolumenstroms ist die Massenbilanz im Kraftstoffspeicher 5 zuerst negativ, dann positiv und zum Schluß wieder negativ. Diese Schwankungen der Massenbilanz führen über die Pumpenbewegung des Kolbens 22 vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT zu einem etwa sinusförmigen Verlauf des Drucksignals p im Kraftstoffspeicher 5, mit einem Druckminimum und einem Druckmaximum jeweils am Übergang von der negativen zur positiven bzw. von der positiven zur negativen Massenbilanz.
    Das in Fig. 3B dargestellte Meßdiagramm entspricht einem Füllgrad F der Zylinderkammer 24 von 25%. Dies bedeutet, daß das Volumenstromregelventil 3 vom Steuergerät 8 soweit geöffnet wird, daß während des Ansaugvorgangs des Kolbens 22 die Zylinderkammer 24 nur zu 25% mit Kraftstoff gefüllt wurde. Wie der Verlauf des Fördervolumenstroms V des Kolbens 22 zeigt, sind die Punkte einer ausgeglichenen Massenbilanz beim Übergang von der negativen Massenbilanz N zur positiven Massenbilanz P und von der positiven Massenbilanz P wieder zur negativen Massenbilanz N über die Pumpbewegung des Kolbens 22 vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT in Richtung auf den oberen Totpunkt hin verschoben. Hierdurch ergibt sich dann, wie der Verlauf des Drucksignals p im Kraftstoffspeicher 5 zeigt, auch eine Verschiebung der Druckextrema in Richtung auf den oberen Totpunkt OT. Aus der Verschiebung der Druckextrema läßt sich somit auf den Füllgrad der Zylinderkammer 24 in der Hochdruckpumpe 4 schließen.
    Bei Mehrkolbenpumpen kommt es zu einer Überlagerung der Förderströme der einzelnen Kolben, wobei jedoch die in Fig. 3A und Fig. 3B gezeigten Schwankungen in der Massenbilanz und damit im Druck des Kraftstoffspeichers 5 erhalten bleiben. Auch bei Mehrkolbenpumpen verschiebt sich die Position der Druckextrema bei unterschiedlichem Füllgrad der Zylinderkammern. In Fig. 4 ist die Verschiebung des Druckmaximums für eine Dreikolbenpumpe simuliert, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Der Graphik ist deutlich zu entnehmen, daß sich die Lage des Druckmaximums bei abnehmendem Fördergrad und damit abnehmendem Füllgrad der Zylinderkammern hin zu größeren Pumpenwinkeln und damit in Richtung auf den oberen Totpunkt OT verschiebt.
    Entsprechend verschiebt sich die Lage des Druckminimums in Richtung auf den oberen Totpunkt OT.
    In Fig 5 wird ein Verfahren zum Betreiben einer Pumpe nach den Figuren 1 und 2 beschrieben. Bei Programmpunkt 40 startet die Brennkraftmaschine 17 durch einen Anlasser und dreht dabei die Vorförderpumpe 2 und die Hochdruckpumpe 4 mit vorgegebenen Anfangsdrehzahlen. Zudem öffnet das Steuergerät 8 das Volumenstromregelventil 3 auf einen Querschnitt, der für den Startvorgang im Datenspeicher 9 abgelegt ist. Im allgemeinen wird der Öffnungsquerschnitt des Volumenstromregelventils 3 beim Starten der Brennkraftmaschine 17 möglichst groß gewählt, damit die Hochdruckpumpe 4 möglichst schnell einen für den Betrieb der Brennkraftmaschine 17 erforderlichen Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher 5 aufbaut. Nach dem Startvorgang werden die Vorförderpumpe 2 und die Hochdruckpumpe 4 von der Brennkraftmaschine 17 angetrieben.
    Anschließend bestimmt bei Programmpunkt 41 das Steuergerät 8 die Winkelposition der Druckspitze in Bezug auf die Drehposition der Drehwelle 21. Der untere und der obere Totpunkt UT, OT des Kolbens 22 sind vorgegebenen Winkelwerten der Drehwelle 21 zugeordnet. Aus der Winkelposition der Druckspitze bei Programmpunkt 42 ermittelt das Steuergerät 8 die Winkeldifferenz zum oberen Totpunkt des Kolbens 22, von dem die Druckspitze erzeugt wurde. Die Winkelposition der Druckspitze kann also auch direkt aus der Auswertung einer Amplituden- und eines Phasenganges des Druckverlaufs gewonnen werden. Bei Programmpunkt 43 berechnet das Steuergerät 8 aus der Winkelposition der Druckspitze das von dem Kolben 22 geförderte Kraftstoffvolumen. Dazu ist im Datenspeicher 9 eine Tabelle abgelegt, in der für die Kolben 22 der Hochdruckpumpe 4 Werte für das geförderte Kraftstoffvolumen in Abhängigkeit von der Winkelposition der Druckspitze abgelegt sind.
    Diese Daten werden in entsprechenden Versuchsreihen experimentell ermittelt. Durch entsprechende Versuche wird eine Abhängigkeit zwischen der Winkelposition, bei der die Druckspitze im Kraftstoffspeicher 5 auftritt, und dem Füllgrad der Zylinderkammer 24 experimentell ermittelt und im Datenspeicher 9 abgelegt. Zudem wird das Fördervolumen eines Kolbens 22 in Abhängigkeit von der Winkelposition der im Druckspeicher 5 erzeugten Druckspitze experimentell gemessen und als Funktion der Winkelposition der Druckspitze, d. h. des Druckmaximums bzw. des Druckminimums im Datenspeicher 9 abgelegt.
    In einer weiteren Ausführungsform wird das Fördervolumen der Pumpe 4 pro Umdrehung der Drehwelle 21 in Abhängigkeit von den Winkelpositionen der im Druckspeicher 5 erzeugten Druckspitzen während einer Umdrehung der Drehwelle 21 gemessen und als Funktion der Winkelpositionen der Druckspitze im Datenspeicher 9 abgelegt. Dazu werden die Druckspitzen der drei Kolben 22 der Pumpe 4 ausgewertet, die während einer Umdrehung der Drehwelle 21 erzeugt werden. Dazu werden nach einer Berechnungsart die Winkelpositionen der Druckspitzen gemittelt, die während einer Umdrehung der Drehwelle 21 erzeugt werden. Anhand der gemittelten Winkelposition wird eine mittlere Fördermenge aus der Tabelle aus dem Datenspeicher 9 ausgelesen, die mit der Anzahl drei der Kolben multipliziert wird und somit die Fördermenge der Hochdruckpumpe 4 pro Umdrehung der Drehwelle 21 berechnet wird.
    In einer weiteren Berechnungsmethode wird für jeden Kolben 22 die Winkelposition der Druckwelle gemessen und anhand der drei Winkelpositionen jeweils die Fördermenge der Kolben berechnet, die während einer Umdrehung der Drehwelle 21 Kraftstoff fördern. Aus der Summe der drei Fördermengen wird die Fördermenge der Hochdruckpumpe 4 für eine Umdrehung berechnet.
    Bei der Ermittlung der Tabelle für die Festlegung des Fördervolumens in Abhängigkeit von der Winkelposition der Druckspitze wird vom Steuergerät 8 das Volumenstromregelventil 3 nach vorbestimmten Werten in der Weise geöffnet, daß festgelegte Fördervolumen erzeugt werden. In Abhängigkeit von dem Fördervolumen werden die Winkeldifferenzen, die die Druckspitzen zum oberen Totpunkt OT aufweisen, vom Steuergerät 8 gemessen. Entsprechend den Versuchen wird eine Tabelle im Datenspeicher 9 abgelegt, die das vom Kolben 22 geförderte Kraftstoffvolumen in Abhängigkeit von der Winkeldifferenz der Druckspitze zum oberen Totpunkt OT festlegt.
    Der von dem Steuergerät ermittelte Wert für das durch den Kolben 22 bzw. die Pumpe 4 geförderte Kraftstoffvolumen wird im Datenspeicher 9 abgelegt. Anschließend wird nach Programmpunkt 41 zurückverzweigt.
    Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens nach Figur 5 beruht darin, daß die von der Hochdruckpumpe 4 geförderte Kraftstoffmenge K mit Hilfe einer analytisch oder empirisch bestimmten Formel in Echtzeit berechnet wird: K=n*V*F bzw. K=n*V*f(W), wobei mit K die geförderte Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit,
  • mit n die Drehzahl der Drehwelle 21 pro Zeiteinheit,
  • mit V das Hubvolumen der Zylinderkammer,
  • mit F der Fördergrad der Hochdruckpumpe 4 und
  • mit f eine Förderfunktion bezeichnet ist, die abhängig von der Winkelposition W der Druckspitze den Fördergrad der Pumpe angibt.
    • In Fig. 6 ist ein Verfahren zum Erkennen eines Defektes in der Einspritzanlage dargestellt. Bei Programmpunkt 50 liest das Steuergerät 8 die Winkelposition der Druckextrema aus dem Datenspeicher 9 aus, die zuvor entsprechend dem Verfahren nach Fig. 5 ermittelt wurden. Aus der Winkelposition wird dann in Programmpunkt 51 entsprechend der im Datenspeicher 9 abgelegten Tabelle die von der Pumpe 4 geförderte Kraftstoffmenge bestimmt.
    Anschließend wird bei Programmpunkt 52 vom Steuergerät 8 die über die Kraftstoffeinspritzventile 6 abgegebene Kraftstoffmenge ermittelt. Bei Programmpunkt 52 wird die von der Hochdruckpumpe 4 über einen bestimmten Zeitraum geförderte Kraftstoffmenge ermittelt und die über den gleichen Zeitraum von den Einspritzventilen 6 abgegebene Kraftstoffmenge ermittelt. Dazu wird aus dem Kraftstoffdruck, der während der Einspritzvorgänge im Kraftstoffspeicher 5 herrschte und den Öffnungszeiten der Einspritzventile 6, die von Einspritzventilen 6 während des festgelegten Zeitraums abgegebene Kraftstoffmenge berechnet.
    Bei Programmpunkt 53 vergleicht das Steuergerät die über den Zeitraum von der Hochdruckpumpe 4 zum Kraftstoffspeicher 5 geförderte Kraftstoffmenge mit der über die Einspritzventile 6 über den gleichen Zeitraum abgegebene Kraftstoffmenge und überprüft, ob sich der Druck im Kraftstoffspeicher 5 entsprechend der Differenz erhöht oder erniedrigt hat. Stimmt die Veränderung des Kraftstoffdruckes im Kraftstoffspeicher 5 nicht mit der über die Hochdruckpumpe 4 geführte und über die Einspritzventile 6 abgeführte Kraftstoffmenge überein, so wird ein Defekt wie z.B. erhöhte Leckage in der Einspritzanlage erkannt.
    Fig. 7 zeigt ein Verfahren zum Steuern des Volumenstromregelventils 3 in Abhängigkeit von der Winkelposition der Druckspitzen, die durch die Kolben 22 im Kraftstoffspeicher 5 erzeugt werden. Bei Programmpunkt 60 ermittelt das Steuergerät 8 die Winkelposition der Druckextrema des Kolbens 22. Aus der Tabelle im Datenspeicher 9 berechnet das Steuergerät 8 die entsprechend von der Hochdruckpumpe 4 in den Kraftstoffspeicher 5 geförderte Kraftstoffmenge. Die geförderte Kraftstoffmenge vergleicht das Steuergerät 8 bei Programmpunkt 61 mit einer von einem Steuerprogramm vorgegebenen Sollfördermenge.
    Weicht die geförderte Menge von der Sollfördermenge ab, so ändert das Steuergerät 8 bei Programmpunkt 62 entsprechend den Öffnungsquerschnitt des Volumenstromregelventils 3, so daß die der Hochdruckpumpe zugeführte und damit die von der Hochdruckpumpe 4 geförderte Kraftstoffmenge an die Sollfördermenge angepaßt wird. Auf diese Weise wird das Volumenstromregelventil 3 in Abhängigkeit von der Winkelposition der Druckspitze gesteuert.
    Eine Ausführungsform des Verfahrens nach Figur 7 beruht darin, daß das Volumenstromregalventil anhand einer von einem Steuerprogramm vorgegebenen Sollwinkelposition für die Druckspitze gesteuert wird. Das Steuerprogramm gibt dazu abhängig von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine eine Sollwinkelposition für die Druckspitze an. Das Steuergerät 8 mißt über den Drucksensor 14 die Position der Druckspitze und vergleicht die gemessene Position mit der Sollposition der Druckspitze.
    Liegt die gemessene Winkelposition der Druckspitze im Vergleich zur Sollwinkelposition zu nahe am oberen Totpunkt des fördernden Kolbens, dann wird der Öffnungsquerschnitt des Volumenstromregelventils 3 um einen vorgegebenen Wert vergrößert. Vorzugsweise ist der vorgegebene Wert proportional zu dem Differenzwinkel zwischen der Sollwinkelposition und der gemessenen Winkelposition der Druckspitze.
    Liegt die gemessene Winkelposition der Druckspitze im Vergleich zur Sollwinkelposition zu weit weg vom oberen Totpunkt, dann wird der Öffnungsquerschnitt des Volumenstromregelventils um einen vorgegebenen Wert verkleinert. Vorzugsweise ist der vorgegebene Wert proportional zu dem Differenzwinkel zwischen der Sollwinkelposition und der gemessenen Winkelposition der Druckspitze.
    Auf diese Weise wird eine direkte Regelung des Öffnungsquerschnitts des Volumenstromregelventils in Abhängigkeit von der Winkelposition der Druckspitze ermöglicht.
    Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach Fig. 7 beruht darin, daß das Steuergerät 8 die Winkelposition der Druckspitzen mindestens zweier nacheinander fördernder Kolben 22 ermittelt und die Winkelposition der Druckspitzen dazu verwendet, um das Volumenstromregelventil 3 in der Weise zu steuern, daß die Winkelpositionen der nacheinander fördernden Kolben 22 identisch sind, so daß eine Gleichförderung durch die Kolben 22 erreicht wird. Damit wird eine gleich große Fördermenge durch die Kolben 22 der Hochdruckpumpe 4 dadurch erreicht, daß das Volumenstromregelventil 3 in der Weise gesteuert wird, daß die Winkelpositionen der Druckspitzen der verschiedenen Kolben 22 gleich sind. Diese Vorgehensweise erlaubt ein einfaches Verfahren zur Steuerung der Gleichförderung mehrerer Kolben 22 einer Hochdruckpumpe 4.
    Das beschriebene Verfahren ist auf jede Art von Pumpe anwendbar und nicht auf das beschriebene System beschränkt.

    Claims (9)

    1. Verfahren zum Ermitteln oder Steuern eines Betriebsparameters einer Pumpe,
      wobei der Pumpe Pumpmedium zugeführt wird, und
      wobei wenigstens ein Verdrängerelement von einer Drehwelle der Pumpe angetrieben wird, das während eines Verdichtungsvorgangs Pumpmedium in ein Volumen pumpt,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß die Lage eines Druckextremums in dem Volumen (20, 5) während des Pumpvorgangs ermittelt wird, und
      daß abhängig von der zeitlichen Position und/oder Winkelposition des Druckextremums ein Betriebsparameter der Pumpe (4) ermittelt und/oder ein Betriebsparameter der Pumpe (4) gesteuert wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von der zeitlichen Position und/oder Winkelposition des Druckextremums die von wenigstens einem Verdrängerelement (22) in das Volumen (20, 5) geförderte Menge an Pumpmedium bestimmt wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Pumpe (4) zugeführte Menge an Pumpmedium eingestellt wird, oder daß der Winkelbereich, in dem das Verdrängerelement (22) während des Verdichtungsvorganges Pumpmedium in das Volumen (20, 5) pumpt, abhängig von der Menge des zugeführten Pumpmediums eingestellt wird,
      daß die Winkelposition des Druckextremums erfaßt wird, und
      daß in Abhängigkeit von der Winkelposition des Druckextrema die vom Verdrängerelement (22) in das Volumen (20, 5) gepumpte Menge an Pumpmedium ermittelt wird.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von abhängig von der zeitlichen Position und/oder Winkelposition des Druckextremums die Zufuhr an Pumpmedium zur Pumpe (4) gesteuert wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Pumpe (4) zugeführte Menge an Pumpmedium eingestellt wird, oder daß der Winkelbereich, in dem das Verdrängerelement (22) während des Verdichtungsvorganges Pumpmedium in das Volumen (20, 5) pumpt, abhängig von der Menge des zugeführten Pumpmediums eingestellt wird,
      daß die Winkelposition des Druckextrema erfaßt wird, und
      daß abhängig von der Winkelposition des Druckextremums die der Pumpe zugeführte Menge an Pumpmedium eingestellt wird.
    6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Tabelle verwendet wird, in der abhängig von der Winkelposition des Druckextremums die Fördermenge des Verdrängerelementes abgelegt ist, und
      daß anhand der Werte in der Tabelle die Fördermenge des Verdrängerelementes (22) bestimmt wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördermenge der Pumpe (4) abhängig von der Drehzahl der Pumpe (4), abhängig vom Hubvolumen der Pumpe (4) pro Umdrehung der Drehwelle (21) und abhängig von der Winkelposition der Druckextrema berechnet wird, wobei eine Tabelle verwendet wird, in der das Fördervolumen der Pumpe (4) abhängig von der Winkelposition der Druckextrema abgelegt ist.
    8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlichen Positionen und/oder die Winkelpositionen der Druckextrema zweier beliebiger aufeinanderfolgender Verdrängerelemente (22) der Pumpe (4) bestimmt werden, und
      daß die der Pumpe (4) zugeführte Menge an Pumpmedium in Abhängigkeit von der Winkelposition der zwei Druckextrema in der Weise so eingestellt wird, daß die zwei Verdrängerelemente eine nahezu gleich große Menge an Medium in das Volumen (20, 5) pumpen.
    9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Pumpe (4) eine Kraftstoffpumpe verwendet wird, wobei an das als Leitung (20) und Kraftstoffspeicher (5) ausgebildete Volumen ein Einspritzventil (6) angeschlossen ist,
      daß die während eines Vergleichszeitraums vom Einspritzventil (6) abgegebene Kraftstoffmenge ermittelt wird,
      daß die abgegebene Kraftstoffmenge mit dem Fördervolumen verglichen wird, und
      daß aufgrund des Vergleichs eine Aussage über die Funktionsweise der Einspritzanlage getroffen wird.
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