EP1091120B1 - 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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EP1091120B1
EP1091120B1 EP00121761A EP00121761A EP1091120B1 EP 1091120 B1 EP1091120 B1 EP 1091120B1 EP 00121761 A EP00121761 A EP 00121761A EP 00121761 A EP00121761 A EP 00121761A EP 1091120 B1 EP1091120 B1 EP 1091120B1
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EP
European Patent Office
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pump
pressure
fuel
angular position
volume
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EP00121761A
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EP1091120A2 (de
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Hinrich Dr. Krüger
Eckbert Zander
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • 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
    • F04B49/065—Control using electricity and making use of computers
    • 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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    • F04B49/22—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
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B2201/00—Pump parameters
    • F04B2201/12—Parameters of driving or driven means
    • F04B2201/1208—Angular position of the shaft
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F04B2205/06—Pressure in a (hydraulic) circuit
    • F04B2205/063—Pressure in a (hydraulic) circuit in a reservoir linked to the pump outlet
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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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 operating a Fuel injection system and a pump according to the preamble of claims 1 and 4.
  • fuel is from a Pre-feed pump taken from a tank and a high-pressure pump fed.
  • the high pressure pump supplies a fuel storage, the so-called common rail, with fuel.
  • At fuel injectors are connected to the fuel reservoir, which are controlled by a controller and accordingly the controller inject fuel into an internal combustion engine.
  • a volume flow controlled high pressure pump is the Amount of fuel that enters the high-pressure accumulator from the High-pressure pump is pumped through a flow control valve set in the intake of the high pressure pump.
  • Unnecessary Fuel is from the fuel tank via a Pressure control valve returned to the tank. Heated while 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 operating a Fuel injection system with a pump to provide the simplified control and monitoring of the Fuel injection system allows.
  • An advantage of the invention lies in the fact that the location of Druckextra during a compression process of the pump in the Volume is determined, in which the pump pumps medium and that based on the temporal position and / or angular position of Pressure extrema 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 a flow control valve 3 and a supply line 19 of a high-pressure pump 4 feeds.
  • the high-pressure pump 4 compresses the supplied fuel and gives the compressed fuel via a drain 20 to a fuel tank 5 on.
  • injection valves 6 are connected, the controlled by a control unit 8 via a third control line 16 become.
  • the injectors 6 deliver fuel from the fuel accumulator 5 in the engine 17 from.
  • a pressure control valve 7 connected via an output line is in communication with the fuel tank 1.
  • the Pressure control valve 7 is connected via a second control line 12th with the control unit 8 in connection.
  • a pressure sensor 14 arranged on the fuel reservoir 5, which has a second data line 13 to the controller 8 in conjunction stands.
  • the internal combustion engine 17 are associated with sensors 15, which is connected via a fourth data line 18 to the control unit 8 are.
  • the control unit 8 also has a first one Data line 10 with a data memory 9 in conjunction. Furthermore, the control unit 8 via a first control line 11 connected to the flow control valve 3.
  • the prefeed pump 2 and the high pressure pump 4 are mechanical driven by the internal combustion engine 17.
  • the speed the prefeed pump 2 and the speed of the high pressure pump. 4 are proportional to the speed of the 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 assembly of a radial piston pump with three pistons.
  • Each piston 22 is above a first one Check valve 23 in the inlet and a second check valve 25 in the process with the supply line 19 or with the Derivative 20 connected.
  • the pistons 22 of the radial piston pump are star-shaped around a rotary shaft 21 of the high pressure pump. 4 arranged, driven by the internal combustion engine 17 becomes.
  • the rotary shaft 21 is surrounded by an eccentric ring 26, the eccentric rotational movement of the rotary shaft 21 in a radial lifting movement of the piston 22 is implemented.
  • the piston 22 is 360 ° during one complete revolution Rotary shaft 21 from its bottom dead center to top dead center moved and then from top dead center back to moved bottom dead center.
  • the piston 22 from the top Dead center moves to bottom dead center and over a first Check valve 23 fuel from the supply line 19 in the Cylinder chamber 24 sucked.
  • the piston 22 is forced, so that it is independent of the amount of fuel that exceeds the first check valve 23 is sucked, always from the bottom Dead center to top dead center and then to the bottom Dead center during one revolution of the rotary shaft 21 moves.
  • the first check valve 23 is biased by a spring 27.
  • the spring 27 ensures that a negative pressure always in the cylinder chamber 24 and not in the supply line 19 is formed. For example, negative pressure can occur when the volume flow control valve 3 less fuel supplied to the piston 22 is, as due to the size of the cylinder chamber 24 at a suction between the top dead center and the bottom Dead center could be sucked by the piston 22.
  • the degree of filling of the cylinder chamber 24 after a suction process, in which the piston 22 is at the bottom dead center is in the illustrated embodiment by the opening cross-section of the flow control valve 3 is set.
  • the piston 22 from the lower Dead center shifted to top dead center. It is the Fuel, which is located in a cylinder chamber 24, from Piston 22 via the second check valve 25 for discharge 20 and pumped into the fuel tank 5.
  • the degree of filling of the cylinder chamber 24 defines that of the piston 22nd during a compression process funded amount of fuel firmly.
  • the piston 22 pushes in a compression process each amount of fuel in the derivative 20, during of the suction process was sucked into the cylinder chamber 24.
  • In each compression operation of the three pistons 22 of the High pressure pump 4 is activated by pushing fuel in the fuel reservoir 5, a pressure wave in the fuel tank 5 generated.
  • the pressure waves generated by the three pistons 22 are due the phase shift of the movements of the three pistons 22 at the same flow rate of the three pistons by 120 ° added.
  • Fig. 3A and Fig. 3B show the delivery volume flow V of the piston 22 in dependence from the rotational angle ⁇ of the rotary shaft 21 for different Filling levels.
  • the piston 22 moves from the bottom Dead center UT to top dead center OT.
  • Pressure signal p for the piston 22 shown. in principle holds that, if more fuel from the fuel tank 5 drains as from the high pressure pump 4 in the Fuel storage is promoted, the pressure in the fuel tank falls, because the mass balance is negative.
  • the pressure in the fuel accumulator 5 increases a positive mass balance, i. if more fuel in the fuel storage is conveyed as it drains off, at.
  • the delivery volume flow is in each case V of the piston 22 shown in dashed lines, in which the middle Inflow into the fuel tank 5 whose average outflow equivalent.
  • N the areas of a negative mass balance and thus a pressure drop in the fuel tank or with the P Areas of a positive pressure balance and thus an increase in pressure characterized in fuel storage 5.
  • the flow rate of the piston 22 at a degree of filling F of the cylinder chamber 24 of 100%, that is the volume flow control valve 3 from the control unit 8 so far opened is that during the suction of the piston 22, the Cylinder chamber 24 is completely filled with fuel.
  • the delivery volume flow V of the piston increases 22 from bottom dead center UT to first, then to to drop back to top dead center OT. Because of this History of the flow rate is the mass balance in Fuel storage 5 negative first, then positive and to End negative again.
  • the measurement diagram shown in Fig. 3B corresponds to a Filling degree F of the cylinder chamber 24 of 25%.
  • V of the piston 22nd shows that the points of a balanced mass balance are 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 via the pumping movement of the piston 22 from bottom dead center UT to top dead center OT in the direction moved to top dead center.
  • This results then how the course of the pressure signal p in the fuel tank 5 also shows a shift in the pressure extrema Direction to top dead center OT. From the shift of Printing extreme can thus be on the degree of filling of the cylinder chamber Close 24 in the high pressure pump 4.
  • FIG. 5 shows a method for operating a pump Figures 1 and 2 described.
  • the control unit 8 opens the Volume flow control valve 3 to a cross section for the Boot process is stored in the data memory 9.
  • the opening cross section of the flow control valve. 3 selected as large as possible when starting the internal combustion engine 17, so that the high pressure pump 4 as fast as possible for the operation of the internal combustion engine 17 required fuel pressure builds up in the fuel tank 5.
  • the feed pump 2 and the high pressure pump. 4 driven by the internal combustion engine 17.
  • the controller 8 the angular position of the pressure peak with respect to the rotational position the rotary shaft 21.
  • the lower and upper dead center UT, OT of the piston 22 are predetermined angular values of the rotary shaft 21 assigned.
  • Program point 42 determines the control unit 8, the angular difference to the top dead center of the piston 22 from which the pressure peak was generated.
  • the angular position of the pressure peak can So also directly from the evaluation of an amplitude and a Phase response of the pressure curve can be obtained.
  • At program point 43 calculates the control unit 8 from the angular position the pressure peak the volume of fuel delivered by the piston 22.
  • a table is stored in the data memory 9, in the for the piston 22 of the high pressure pump 4 values for the delivered fuel volume as a function of the angular position the pressure peak are stored.
  • the delivery volume of Pump 4 per revolution of the rotary shaft 21 as a function of 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.
  • These are the pressure peaks of the three Piston 22 of the pump 4 evaluated, during a revolution the rotary shaft 21 are generated. This will be after a Calculation method averages the angular positions of the pressure peaks, which generates during one revolution of the rotary shaft 21 become. Based on the average angular position is a mean Delivery rate from the table read from the data memory 9, multiplied by the number three of the pistons is and thus the flow rate of the high-pressure pump 4 per revolution the rotation shaft 21 is calculated.
  • the flow control valve. 3 opened according to predetermined values in such a way that specified Delivery volume can be generated.
  • the angle differences that the pressure peaks to the top dead center OT from the control unit 8 measured.
  • a table in the data memory 9 stored, which funded by the piston 22 Fuel volume as a function of the angular difference of the Pressure peak to top dead center OT sets.
  • Fig. 6 is a method for detecting a defect in the injection system shown.
  • program point 50 reads the control unit 8, the angular position of the pressure extrema from the Data storage 9 off, previously according to the procedure were determined according to FIG. 5. From the angular position becomes then in program item 51 corresponding to the data memory in the 9th table stored the funded by the pump 4 amount of fuel certainly.
  • the controller compares the over the Period from the high pressure pump 4 to the fuel tank. 5 delivered amount of fuel with the via the injectors 6 fuel delivered over the same period and checks whether the pressure in the fuel tank 5 accordingly the difference has increased or decreased. Is that true? Change of the fuel pressure in the fuel storage 5 not with the guided over the high pressure pump 4 and over Injectors 6 discharged fuel amount, so if a defect such as increased leakage in the injection system recognized.
  • Fig. 7 shows a method for controlling the flow control valve 3 depending on the angular position of the pressure peaks, generated by the piston 22 in the fuel tank 5 become.
  • the controller determines 8 shows the angular position of the pressure extremes of the piston 22. From the Table in the data memory 9, the controller 8 calculates the according to the high-pressure pump 4 in the fuel tank 5 amount of fuel delivered. The amount of fuel delivered compares the controller 8 at program point 61 with a predetermined delivery rate by a control program.
  • the controller 8 at program point 62 changes the controller 8 at program point 62 accordingly the opening cross-section of the volume flow control valve 3, so that the high-pressure pump and thus supplied by the High-pressure pump 4 delivered amount of fuel to the desired delivery is adapted. In this way, the flow control valve 3 depending on the angular position of Pressure peak controlled.
  • An embodiment of the method according to FIG. 7 is based on that the flow control valve based on one of a Control program predetermined target angular position for the pressure peak is controlled.
  • the control program is dependent on it of operating parameters of the internal combustion engine, a desired angular position 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 nominal position of the Pressure peak.
  • the opening cross section of Volume flow control valve 3 increased by a predetermined value.
  • the predetermined value is proportional to the difference angle between the desired angular position and the measured angular position of the pressure peak.
  • the opening cross section of the flow control valve reduced by a predetermined value.
  • the given value is proportional to the difference angle between the desired angular position and the measured Angular position of the pressure peak.
  • a preferred embodiment of the method according to FIG. 7 is based in that the control unit 8, the angular position of the Pressure peaks of at least two consecutively conveying piston 22 determined and the angular position of the pressure peaks to used to the volume flow control valve 3 in the way Control that the angular positions of successive promotional Piston 22 are identical, so that an equal promotion by the piston 22 is reached.
  • This will be an equal size
  • Flow rate through the piston 22 of the high pressure pump 4 thereby achieved that the flow control valve 3 is controlled in the manner is that the angular positions of the pressure peaks of the different pistons 22 are the same.
  • This procedure allows a simple method for controlling the equal promotion a plurality of pistons 22 of a high-pressure pump 4th
  • the method described is applicable to any type of pump and not limited to the described system.

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  • Control Of Non-Positive-Displacement Pumps (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffeinspritzanlage und einer Pumpe gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 4.
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.
Aus der WO 97/32128 und der US 4 964 985 sind Verfahren zum Ermitteln und Steuern einer Pumpe abhängig vom zeitlichen Verlauf der Winkelposition des Druckextremums im Fördervolumen der Pumpe bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffeinspritzanlage mit einer Pumpe bereit zu stellen, die eine vereinfachte Steuerung und Überwachung der Kraftstoffeinspritzanlage ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und durch die Merkmale des Anspruchs 4 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 vom 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 Volumenstromregelventil 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 (6)

    1. Verfahren zum Betreiben in einer Kraftstoff-Einspritzanlage mit einer Pumpe (4),
      wobei der Pumpe (4) Pumpmedium zugeführt wird,
      wobei wenigstens ein Verdrängerelement (22) von einer Drehwelle (21) der Pumpe (4) angetrieben wird, das während eines Verdichtungsvorgangs Pumpmedium in ein Volumen (5,20) pumpt, und
      wobei die Lage eines Druckextremums in dem Volumen (20, 5) während des Pumpvorgangs ermittelt wird,
      dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der zeitlichen Position und/oder Winkelposition des Druckextremums die Zufuhr an Pumpmedium zur Pumpe (4) gesteuert wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, 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.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, 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.
    4. Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff-Einspritzanlage mit einer Pumpe (4),
      wobei der Pumpe (4) Pumpmedium zugeführt wird,
      wobei wenigstens ein Verdrängerelement (22) von einer Drehwelle (21) der Pumpe (4) angetrieben wird, das während eines Verdichtungsvorgangs Pumpmedium in ein Volumen (5,20) pumpt,
      und
      wobei die Lage eines Druckextremums in dem Volumen (20, 5) während des Pumpvorgangs ermittelt wird,
      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.
    5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, 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.
    6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, 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 Druckextremums berechnet wird, wobei eine Tabelle verwendet wird, in der das Fördervolumen der Pumpe (4) abhängig von der Winkelposition des Druckextremums abgelegt ist.
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    Publication Number Publication Date
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