WO2003054381A1 - Vorrichtung und verfahren zur regelung des steuerventils einer hochdruckpumpe - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur regelung des steuerventils einer hochdruckpumpe Download PDF

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pump piston
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PCT/DE2002/004501
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Gerhard Eser
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F02M2200/60—Fuel-injection apparatus having means for facilitating the starting of engines, e.g. with valves or fuel passages for keeping residual pressure in common rails

Definitions

  • the invention relates to a fuel pump for supplying the injection system of an internal combustion engine with fuel according to the preamble of claim 1, a fuel injection system according to the preamble of claim 11, and a method for operating such a fuel pump according to the preamble of claim 14.
  • the fuel is transported from the tank to a fuel rail by means of a pump arrangement, which serves as a storage container for the fuel.
  • the fuel is already under high pressure in the fuel rail.
  • the fuel can be injected directly into the cylinders via injection valves connected to the rail.
  • the pump arrangement comprises a high-pressure fuel pump. Fuel is supplied to this fuel pump via a low-pressure inlet, and the fuel pressure is increased by means of the pump piston. The fuel then reaches the fuel rail via the high-pressure outlet of the fuel pump.
  • a control valve is provided for this purpose at the low-pressure inlet, which can be closed via a valve control signal. It is necessary that this control valve be reliably closed during the upward movement of the pump piston so that the fuel pressure required for high-pressure direct injection can be built up in the interior of the pump and in the fuel rail connected to the high-pressure outlet of the pump.
  • a high-pressure pump typically also has a check valve arranged at the high-pressure outlet, which is intended to prevent fuel from flowing back from the fuel rail into the high-pressure pump.
  • a fuel injection system with a backing pump, a high-pressure feed pump and a storage line is known, which is hydraulically connected to the high-pressure feed pump via a check valve. Injectors of an internal combustion engine are connected to the storage line.
  • the high pressure feed pump has an overflow valve which is used to control the amount of fuel discharged into the storage line.
  • the high-pressure feed pump has a pump chamber which is delimited by a plunger. The plunger is driven by a drive shaft that has several cams. Depending on the movement of the plunger and the closed state of the overflow valve, the amount of fuel and the fuel pressure with which fuel is fed into the storage line is determined.
  • the check valve opens at a very early point in time because the pressure in the pump interior exceeds the counteracting pressure in the rail at a very early point in time.
  • the check valve may even open before the control valve closes. In this case, during the upward movement of the
  • the fuel pump according to the invention for supplying fuel to the injection system of an internal combustion engine has a low-pressure inlet, via which fuel is supplied to the fuel pump.
  • the fuel pump has a high pressure outlet as well as a control valve and a pump piston.
  • the control valve can be used to interrupt the fuel supply via the low pressure input as a function of a valve control pulse.
  • the valve control pulse for interrupting the fuel supply is active at the point in time at which the pressure wave generated by the upward movement of the pump piston arrives at the control valve.
  • the invention is based on the knowledge that the static fuel pressure in the fuel pump is often not sufficient to ensure reliable closing of the control valve, and therefore dynamic effects must be exploited to avoid the problems encountered in the prior art solutions.
  • the upward movement of the pump piston causes a pressure wave in the pump.
  • this pressure wave is used to support the closing of the control valve.
  • the control valve is controlled with the aid of the valve control pulse when the pressure wave at the location of the control valve assumes its maximum value.
  • the valve control pulse must be active at this time.
  • the use of the fuel pump according to the invention in particular enables a so-called high-pressure start, in which a certain pressure level must already be present in the rail for the first injection.
  • the pump piston is driven by means of a pump cam attached to a camshaft.
  • the delivery rate of the fuel pump is also automatically displayed when the engine speed is increased. lifted. This can cover the increased fuel consumption of the engine.
  • valve control pulse is triggered with a defined delay time compared to the bottom dead center of the pump piston. While in the high-pressure pumps of the prior art the valve control pulse was triggered at the beginning of the upward movement of the pump piston, that is to say at bottom dead center, the valve control pulse is triggered with a delay in the solution according to the invention, in each case when that of the upward movement of the Piston generated pressure wave arrives at the control valve.
  • the valve control pulse is triggered by a defined delay after bottom dead center to ensure that the control valve closes reliably.
  • the speed-dependent delay time can easily be taken into account when generating the valve control signal.
  • the point in time at which the valve control pulse is triggered is determined by the point of the highest pump piston speed during the upward movement of the pump piston, taking into account the running time required for the pressure wave to propagate from the pump piston to the control valve.
  • the dynamic effect of the pressure wave generated by the upward movement of the pump piston to close the control valve it must first be determined at which point of the upward movement of the piston the maximum pressure amplitude occurs.
  • the fuel pressure p depends on the formula
  • the maximum amplitude of the fuel pressure occurs at the point of upward movement of the piston at which the piston speed speed v is maximum.
  • the running time of the pressure wave from the pump piston to the control valve must also be taken into account. This consideration of the pump geometry causes an additional delay in the time at which the valve control pulse should be triggered.
  • the deceleration of the valve control pulse with respect to the bottom dead center position is additionally reduced with increasing engine speed. Since the pressure amplitude in the fuel is proportional to the respective pump piston speed and the pump piston speeds increase with increasing speed, higher pressures also result in higher pressures inside the pump. Therefore, at a high speed, there is already a sufficient pressure amplitude at an earlier point in time, which can support the closing of the control valve, and in this respect the delay time can be reduced. A speed-dependent delay of the valve control pulse enables optimal operation of the high pressure pump.
  • the deceleration of the valve control pulse is defined as the deceleration angle with respect to the camshaft angle corresponding to the bottom dead center position of the pump piston.
  • the delay time by which the valve control pulse is to be decelerated from the bottom dead center position can be converted into a correction angle with respect to the rotating camshaft or the rotating pump cam.
  • the camshaft After the bottom dead center position has been passed, the camshaft must rotate by exactly this correction angle, and then the valve control pulse must be triggered.
  • the corresponding camshaft position can serve as a trigger for the generation of the valve control pulse.
  • the deceleration angle is between 15 ° and 45 °.
  • an extended valve control pulse is used as the valve control pulse, which remains active until the time at which the pressure wave generated by the upward movement of the pump piston arrives at the control valve.
  • an extended valve control pulse is used, which is always released at the same time. The duration of the extended control pulse is selected so that the control pulse is still active when the pressure wave generated by the upward movement of the pump piston arrives at the control valve.
  • the pressure wave supports the closing of the control valve.
  • valve control pulse It is advantageous if the lengthening of the valve control pulse also decreases with increasing engine speed. As the engine speed increases, both the pump piston speed and the pressure amplitude in the fuel increase. Therefore, at higher speeds, there are higher pressures inside the pump. At a high speed, there is already a sufficient pressure amplitude at an earlier point in time, which supports the closing of the control valve. At high speeds, the valve control pulse must longer than at low speeds. The fuel pump can therefore be operated optimally with a speed-dependent extension of the control pulse.
  • the control valve is an electromagnetically actuated control valve
  • the valve control pulse is an electrical valve control pulse.
  • an electromagnetic control valve has a coil with which a magnetic field can be generated. The armature of the solenoid valve is accelerated towards the valve seat by the magnetic field, and the valve is thereby closed.
  • the electrical valve control pulse required to actuate the valve can be generated with the aid of an electrical or electronic control circuit. This enables an exact time control of the valve control pulse and thus also an exact time control of the closing of the valve.
  • the fuel pump has a check valve at the high-pressure outlet, which prevents the fuel from flowing back from the injection system back into the fuel pump.
  • the check valve remains closed. A backflow of fuel back into the pump, which would reduce the high pressure generated in the fuel rail, can be prevented in this way.
  • the check valve is only opened if the pressure in the pump interior is higher than the pressure in the fuel rail , With the help of the check valve, the high pressure required in the fuel rail can be built up in a short time.
  • the fuel injection system comprises a low pressure pump which supplies fuel to the low pressure inlet of the fuel pump, and a fuel rail which is connected to the high pressure outlet of the fuel pump.
  • the fuel rail supplies the required fuel to a number of injection valves.
  • a pump arrangement which comprises a low-pressure pump and a high-pressure pump according to the invention, enables a rapid pressure build-up in the fuel rail.
  • a short starting time is made possible in internal combustion engines with a storage injection system.
  • the fuel rail has a pressure sensor that detects the fuel pressure within the fuel rail.
  • the pressure sensor can in particular be used to determine whether or not the fuel pressure required for high-pressure direct injection has already been reached in the rail.
  • the delivery rate of the fuel pump is varied as a function of the fuel pressure determined by the pressure sensor.
  • the delivery rate of the fuel pump according to the invention is thus set with the aid of a control circuit, the delivery rate being regulated as a function of the difference between the actual value and the setpoint value of the fuel pressure.
  • the method according to the invention is used to operate a fuel pump which delivers the fuel by means of a pump piston and supplies an injection system with fuel via a high-pressure outlet.
  • the fuel supply to the fuel pump via a low pressure inlet can be carried out by means of of a control valve are interrupted as a function of a valve control pulse.
  • the valve control pulse is activated to interrupt the fuel supply at the time when the pressure wave generated by the upward movement of the pump piston arrives at the control valve.
  • 1 shows an overview of a complete accumulator injection system with a pump arrangement which comprises a low-pressure pump and a fuel pump; 2 shows a cross section of a fuel pump; 3 shows a representation of the pump piston movement and the valve control signal for the various phases passed by the fuel pump;
  • Fig. 4 shows a plot of the pump piston elevation as a function of the camshaft angle
  • Fig. 5 is a plot of the pump piston speed as
  • FIG. 8 shows a representation which relates to the second embodiment of the invention and from which the position of the extended valve control pulse relative to the pump piston movement can be seen;
  • FIG. 9 is a plot of measurement results, which shows the relationship between the percentage elongation of the valve control pulse and the engine speed.
  • 1 shows an overview of an accumulator injection system for an internal combustion engine.
  • the fuel passes from a tank 1 via a tank line 2 to a low-pressure pump 3, which is preferably an electrical low-pressure pump.
  • a mechanical pressure regulator 4 the amount of fuel delivered by the low-pressure pump 3 is regulated in such a way that fuel with a suitable base pressure is available at a low-pressure inlet 6 of a fuel pump 8 via a fuel line 5. Excess fuel is returned to tank 1 via a tank return line 7.
  • a quantity-controlled low-pressure pump can also be used.
  • the fuel pump 8 It is the task of the fuel pump 8 to convey the fuel supplied via the low pressure inlet 6 to a fuel rail 11.
  • a certain pressure level in the fuel rail 11 is required for the operation of an internal combustion engine with high pressure direct injection.
  • the fuel pump 8, which can be designed as a single-piston high-pressure pump, for example, brings the fuel to the required high pressure level. Via a high-pressure outlet 9 and a check valve 10, the fuel reaches the fuel rail 11, which serves as a storage container for the fuel under high pressure.
  • the check valve 10 prevents the fuel from flowing back from the fuel rail 11 into the fuel pump 8.
  • a number of injection valves 12 are connected to the fuel rail 11, via which the fuel can be injected directly into the respective cylinder interior.
  • the pressure prevailing in the fuel rail 11 can be detected with the aid of the fuel pressure sensor 13.
  • the measured pressure value is transmitted via a signal line 14 to a control unit 15, which is designed in the form of an engine control unit and compares the actual value of the fuel pressure in the rail with the target value and from the difference between the two Values generated an actuating signal 16.
  • the fuel pump 8 comprises a control valve 18, with which the delivery capacity of the fuel pump 8 is regulated as a function of the control signal 16. The more the actual value deviates from the target value, the higher the delivery rate of the fuel pump 8 is selected. The delivery rate is determined by the point in time at which the control valve 18 closes in the pump stroke.
  • the structure of a single-piston high-pressure pump is shown in cross section in FIG. 2.
  • Fuel is supplied to the fuel pump via a low pressure connection 17.
  • the control valve 18 has a closing element which can be pressed against a valve seat 21 by an electromagnet in order to close the low-pressure connection 17.
  • the closing member is exposed to the pressure in the pump interior 19, which also presses the closing member against the valve seat 21 with a force.
  • the control valve 18 is designed as an inward opening, i.e. opening towards the pump interior 19
  • Control valve formed, which opens against the pressure in the pump interior 19.
  • a valve control pulse 16 is applied to the electromagnetic control valve 18 by the control device 15 (see also FIG.
  • control unit 15 is connected to a memory in which the methods and characteristic fields are stored which are required to control the control valve 18.
  • a pump cam 22 is connected to a rotating camshaft 23.
  • a pump piston 24 is alternately moved up and down by means of the pump cam 22.
  • the control valve 18 is closed, then the pressure in the pump interior 19 located fuel 25 exerted an increasing pressure by means of the pump piston 24.
  • the check valve 10 opens and the fuel 25 reaches the fuel rail via the high-pressure connection 27 of the injection system.
  • the control valve 18 remains open, and new fuel can get into the pump interior 19 from the low-pressure connection 17.
  • the fuel pressure in the pump interior 19 is lower than the fuel pressure on the other side of the check valve 10, that is to say on the side of the high-pressure connection 27, and therefore the check valve 10 remains closed during the downward movement of the pump piston 24. This prevents fuel from flowing back into the fuel pump from the fuel rail.
  • FIG 3 shows an overview of the various phases that occur during the operation of a single-piston high-pressure pump.
  • the control valve is open and fuel flows into the pump interior from the low-pressure inlet.
  • the check valve is closed.
  • control valve With a subsequent upward movement 29 of the pump piston, the control valve is initially still open. The control valve is closed by a valve control pulse 30. As the pump piston continues to move upward, pressure builds up inside the pump, which opens the check valve. The fuel is pressed into the fuel rail from the interior of the pump via the high-pressure connection.
  • Fig. 4 the pump piston elevation (in mm) as a function of the camshaft angle (in degrees) for the upward movement of the Pump piston plotted, which is available to the control unit as a characteristic. The question arises at which point the valve control pulse should be triggered to close the control valve during the upward movement of the pump piston.
  • valve control pulse was triggered at the start of the upward movement of the pump piston, that is to say shortly after the bottom dead center was passed by the pump piston.
  • valve control pulse If the valve control pulse is then triggered, the control valve cannot be closed or cannot be kept closed due to the low pressure in the pump interior. During the further upward movement of the pump piston, fuel also escapes through the control valve back into the low-pressure circuit. The escaping fuel prevents the pressure in the fuel rail from building up quickly, and this affects the behavior of the injection system, particularly when starting.
  • the pump piston speed (in mm / ms) for various engine speeds is plotted as a function of the camshaft angle (in degrees) in FIG. 5. These characteristics are available to the control unit. Due to the shape of the pump cam, the Fuel pump, to which the curves refer, reaches the maximum of the pump piston speed at a camshaft angle of approximately 25 °.
  • the relationship between the speed amplitude v of the pump piston and the fuel pressure p can be determined using the
  • p denotes the density of the fuel
  • c denotes the phase velocity or sound velocity of a longitudinal wave in the fuel. Since p and c are constants, there is a direct proportionality between the speed v of the pump piston and the fuel pressure p.
  • phase velocity or sound velocity c of a longitudinal wave in a liquid The following applies to the phase velocity or sound velocity c of a longitudinal wave in a liquid:
  • p denotes the density of the fuel
  • K the compression modulus
  • ⁇ the compressibility of the fuel
  • a sufficiently high pressure amplitude at the control valve would cause the control valve to close quickly and reliably.
  • the maximum pressure amplitude at the pump piston occurs at the point of the upward movement at which the pump piston speed is maximum. In the example shown in FIG. 5, this is the case at a camshaft angle of approximately 25 °.
  • the valve control pulse for closing the control valve is set down at the point with the highest pump piston speed with additional consideration of the pump geometry.
  • the control pulse for the control valve is triggered exactly when the pressure wave caused by the upward movement of the pump piston arrives at the control valve. Even if the static pressure conditions are not sufficient to ensure that the control valve closes safely, the inventive consideration of the additional dynamic effect of the arrival of the pressure wave on the control valve enables the control valve to be closed securely.
  • valve control pulse 34 The necessary delay of the valve control pulse can be specified as a correction angle compared to the bottom dead center position.
  • Fig. 6 it is shown how, by means of the correction angle 31, the previous valve control pulse 32, which in the solutions of the prior art. Technology was triggered at the start of the upward movement 33 of the pump piston, is output with a delay.
  • the valve control pulse 34 according to the invention triggers the closing of the control valve precisely when the incoming one
  • Pressure wave supports the closing process. Values for the correction angle as a function of the load and / or the speed of the internal combustion engine and / or the pressure in the fuel rail are stored in the memory of the control unit.
  • the characteristic curve is stored in the memory of the control unit. The reason for the reduction in the minimum required engine speed is that the pressure wave caused by the pump piston has already reached the control valve at the point in time at which the valve control pulse is triggered and there is therefore a sufficient pressure amplitude on the control valve for reliable closing. This is only the case with smaller correction angles if the speed and thus also the pump piston speed are sufficiently high. If the speed exceeds a maximum value of 1200, for example
  • valve control pulse can close the control valve at the point in time at which the desired delivery rate is achieved.
  • valve control pulse 35 of defined length was triggered at the start of the upward movement 36 of the pump piston.
  • an extended valve control pulse 37 is used, which is still active when the pressure wave caused by the pump piston movement arrives.
  • Values for the time extension of the control pulse depending on the load and / or speed of the internal combustion engine, on the pressure in the fuel rail and on the correction angle, are stored in the memory of the control unit.
  • the closing of the control valve is supported by the pressure wave, so that reliable closing and rapid pressure build-up are ensured.
  • valve control pulse As a combination is also possible between a valve control pulse according to FIG. 6 that is shifted in time with respect to bottom dead center and a valve control pulse that is extended in time according to FIG. 9, it can be seen that by lengthening the valve control pulse it is possible to significantly lower the minimum engine speed required for the pressure build-up.
  • the pressure wave caused by the movement of the pump piston contributes to the closing of the valve, and therefore lower pressure amplitudes can be used in the area of the longer valve control pulses.
  • the invention is particularly advantageous when the internal combustion engine is started, in which the actual pressure in the fuel rail 11 is lower than a desired target pressure.
  • the control valve 18 was closed in this situation at the bottom dead center of the pump piston 24 in order to set a maximum delivery rate of the high-pressure pump 8.
  • the control valve 18 is only closed later and maximum delivery capacity is dispensed with in favor of a safe closing of the control valve 18.

Abstract

Um in einer Brennkraftmaschine das Kraftstoff-Rail der Speichereinspritzanlage mit Kraftstoff zu versorgen, ist eine Hochdruckpumpe vorgesehen. Während des Pumptakts wird das eingangsseitige Steuerventil der Pumpe geschlossen, um den Pumpeninnenraum von der Niederdruckseite zu trennen. Erfindungsgemäss ist der Ventilsteuerpuls, mit dem das Steuerventil geschlossen wird, zu dem Zeitpunkt aktiv, zu dem die von der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens erzeugte Druckwelle am Steuerventil eintrifft. Durch die eintreffende Druckwelle wird das Schliessen des Steuerventils unterstützt.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zur Regelung des Steuerventils einer Hochdruckpumpe
Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffpumpe zur Versorgung der Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Kraftstoff-Ein- spritzsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Kraftstoffpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
Brennkraftmaschinen mit Hochdruck-Direkteinspritzung gewinnen im Motorenbau zunehmend an Bedeutung. Bei den sogenannten Speichereinspritzsystemen wird der Kraftstoff durch eine Pum- penanordung vom Tank zu einem Kraftstoff-Rail befördert, welches als Vorratsbehälter für den Kraftstoff dient. Im Kraftstoff-Rail steht der Kraftstoff bereits unter hohem Druck. Über an das Rail angeschlossene Einspritzventile kann der Kraftstoff direkt in die Zylinder eingespritzt werden.
Um den Kraftstoff mit hohem Druck in das Kraftstoff-Rail befördern zu können, umfasst die Pumpenanordnung eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe. Über einen Niederdruckeingang wird dieser Kraftstoffpumpe Kraftstoff zugeführt, und mittels des Pumpkolbens wird der Kraftstoffdruck erhöht. Über den Hochdruckausgang der Kraftstoffpumpe gelangt der Kraftstoff dann zum Kraftstoff-Rail.
Damit im Pumpeninnenraum durch Aufwärtsbewegen des Pump ol- bens der notwendige Druck erzeugt werden kann, uss der Pum^ peninnenraum zu Beginn des Pumpvorgangs von der Niederdruckseite getrennt werden. Bei den Lösungen des Stands der Technik ist hierzu am Niederdruckeingang ein Steuerventil vorge- sehen, das über ein Ventilsteuersignal geschlossen werden kann. Es ist notwendig, dass dieses Steuerventil während der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens zuverlässig geschlossen wird, damit im Pumpeninnenraum und in dem am Hochdruckausgang der Pumpe angeschlossenen Kraftstoff-Rail der für die Hochdruck-Direkteinspritzung benötigte Kraftstoffdruck aufgebaut werden kann.
Neben dem eingangsseitigen Steuerventil weist eine Hochdruckpumpe typischerweise noch ein am Hochdruckausgang angeordnetes Rückschlagventil auf, welches verhindern soll, dass Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Rail zurück in die Hochdruck- pumpe strömt.
Aus DE 197 08 152 AI ist ein Kraftstoff-Einspritzsystem mit einer Vorpumpe, einer Hochdruck-Zuführpumpe und einer Speicherleitung bekannt, die mit der Hochdruck-Zuführpumpe über ein Rückschlagventil hydraulisch verbunden ist. An die Speicherleitung sind Einspritzventile einer Brennkraftmaschine angeschlossen. Die Hochdruck-Zuführpumpe weist ein Überströmventil auf, das zur Steuerung der in die Speicherleitung abgegebene Kraftstoffmenge verwendet wird. Die Hochdruck-Zu- führpumpe weist eine Pumpkammer auf, die von einem Plunger begrenzt ist. Der Plunger wird über eine Antriebswelle angetrieben, die mehrere Nocken aufweist. Abhängig von der Bewegung des Plungers und des Schließzustandes des Überström-Ven- tiles wird die Kraftstoffmenge und der Kraftstoffdruck fest- gelegt, mit dem Kraftstoff in die Speicherleitung gefördert wird.
Im Fall von niedrigem Kraftstoffdruck im Rail, also beispielsweise kurz nach dem Starten der Brennkraftmaschine, öffnet sich das Rückschlagventil bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt, weil der Druck im Pumpeninnenraum bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt den entgegenwirkenden Druck im Rail übersteigt. Es kann sogar vorkommen, dass sich das Rückschlagventil noch vor dem Schließen des Steuerventils öffnet. In diesem Fall kann sich während der Aufwärtsbewegung des
Pumpkolbens in der Kraftstoffpumpe kein genügend hoher Kraftstoffdruck aufbauen, weil der Kraftstoff wegen des geringen Drucks im Rail über das Rückschlagventil entweicht. Wenn dann der Ventilsteuerpuls zum Schließen des Steuerventils ausgelöst wird, wird das Steuerventil infolge des unzureichenden Pumpeninnendrucks nicht geschlossen bzw. nicht geschlossen gehalten. Dadurch entweicht auch Kraftstoff durch das Steuerventil zurück in den Niederdruckkreis. Der entweichende Kraftstoff verhindert einen zufriedenstellenden Druckaufbau im Kraftstoff-Rail. Insbesondere -beim Starten des Motors macht sich dieses Problem störend bemerkbar.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Kraftstoffpumpe sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftstoffpumpe zur Verfügung zu stellen, wobei die Zuverlässigkeit beim Schließen des niederdruckseitigen Steuerventils verbessert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kraftstoffpumpe gemäß Anspruch 1, durch ein Kraftstoff-Einspritzsystem gemäß Anspruch 11 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftstoffpumpe gemäß Anspruch 14 gelöst.
Die erfindungsgemäße Kraftstoffpumpe zur Versorgung der Ein- spritzanlage einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff weist einen Niederdruckeingang auf, über den der Kraftstoffpumpe Kraftstoff zugeführt wird. Darüber hinaus weist die Kraft- stoffpumpe einen Hochdruckausgang sowie ein Steuerventil und einen Pumpkolben auf. Mit dem Steuerventil kann die über den Niederdruckeingang erfolgende Kraftstoffzufuhr in Abhängigkeit von einem Ventilsteuerpuls unterbrochen werden. Erfindungsgemäß ist der Ventilsteuerpuls zur Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr zu dem Zeitpunkt aktiv, zu dem die von der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens erzeugte Druckwelle am Steu- - erventil eintrifft.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der stati- sehe Kraftstoffdruck in der Kraftstoffpumpe häufig nicht ausreichend ist, um ein zuverlässiges Schließen des Steuerventils zu gewährleisten, und dass deshalb dynamische Effekte ausgenützt werden müssen, um die bei den Lösungen des Stands der Technik auftretenden Probleme zu vermeiden.
Durch die Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens wird in der Pumpe eine Druckwelle hervorgerufen. Erfindungsgemäß wird diese Druckwelle dazu ausgenutzt, das Schließen des Steuerventils zu unterstützen. Hierzu wird das Steuerventil mit Hilfe des Ventilsteuerpulses gezielt dann angesteuert, wenn die Druckwelle am Ort des Steuerventils ihren Maximalwert annimmt. Zu diesem Zeitpunkt muss der Ventilsteuerpuls aktiv sein.
Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe ist gewährleistet, dass das Steuerventil während des Pumptakts geschlossen wird. Anders als bei den Lösungen des Stands der Technik ist das Entweichen von Kraftstoff in den Niederdruckkreis ausgeschlossen. Dadurch wird einerseits der Druckaufbau im Pumpeninnenraum, andererseits aber auch der Druckaufbau im Kraftstoff-Rail verbessert und beschleunigt.
Dies macht sich insbesondere in der Startphase der Brennkraftmaschine bemerkbar, weil hier der anfänglich Kraftstoffdruck im Kraftstoff-Rail noch sehr niedrig ist und deshalb innerhalb kurzer Zeit ein hoher Kraftstoffdruck aufgebaut werden muss. Durch Messungen an einer realen Pumpe, welche mit einer erfindungsgemäßen Steuerventilregelung ausgestattet wurde, konnte eine signifikante Verkürzung der Startzeit nachgewiesen werden.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe ermöglicht insbesondere einen sogenannten Hochdruckstart, bei dem zur ersten Einspritzung bereits ein bestimmtes Druckniveau im Rail vorliegen muss.
Es ist von Vorteil, wenn der Pumpkolben mittels eines auf ei- ner Nockenwelle angebrachten Pumpnockens angetrieben wird. Auf diese Weise wird beim Hochfahren der Motordrehzahl automatisch auch die Förderleistung der Kraftstoffpumpe mit ange- hoben. Dadurch kann der erhöhte Kraftstoffbedarf des Motors gedeckt werden.
Es ist von Vorteil, wenn der Ventilsteuerpuls gegenüber dem unteren Totpunkt des Pumpkolbens um eine definierte Verzögerungszeit verzögert ausgelöst wird. Während bei den Hochdruckpumpen des Stands der Technik der Ventilsteuerpuls jeweils zu Beginn der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens, also etwa beim unteren Totpunkt, ausgelöst wurde, wird der Ven- tilsteuerpuls bei der erfindungsgemäßen Lösung verzögert ausgelöst, und zwar jeweils dann, wenn die von der Aufwärtsbewegung des Kolbens erzeugte Druckwelle am Steuerventil eintrifft. Der Ventilsteuerpuls wird um eine definierte Verzögerung nach dem unteren Totpunkt ausgelöst, damit das zuverläs- sige Schließen des Steuerventils gewährleistet ist. Die drehzahlabhängige Verzögerungszeit lässt sich auf einfache Weise bei der Erzeugung des Ventilsteuersignals berücksichtigen.
Dabei ist es von Vorteil, wenn der Zeitpunkt, zu dem der Ven- tilsteuerpuls ausgelöst wird, durch den Punkt der größten Pumpkolbengeschwindigkeit während der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens unter Einbeziehung der für die Ausbreitung der Druckwelle vom Pumpkolben bis zum Steuerventil benötigten Laufzeit festgelegt ist. Um den dynamischen Effekt der von der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens erzeugten Druckwelle zum Schließen des Steuerventils ausnutzen zu können, muss zunächst ermittelt werden, an welchem Punkt der Aufwärtsbewegung des Kolbens die maximale Druckamplitude auftritt. Der Kraftstoffdruck p hängt gemäß der Formel
p = p-c - v
von der Kraftstoffdichte p, der Phasengeschwindigkeit bzw. Schallgeschwindigkeit im Kraftstoff c, sowie von der Pumpkol- bengeschwindigkeit v ab. Da p und c konstant sind, tritt die Maximalamplitude des Kraftstoffdrucks an dem Punkt der Aufwärtsbewegung des Kolbens auf, an dem die Kolbengeschwindig- keit v maximal ist. Um den optimalen Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem der Ventilsteuerpuls ausgelöst werden soll, muss aber zusätzlich auch die Laufzeit der Druckwelle vom Pumpkolben zum Steuerventil berücksichtigt werden. Diese Berücksichti- gung der Pumpengeometrie bewirkt eine zusätzliche Verzögerung des Zeitpunkts, zu dem der Ventilsteuerpuls ausgelöst werden sollte.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfin- düng wird die Verzögerung des Ventilsteuerpulses gegenüber der unteren Totpunktposition mit zunehmender Motordrehzahl zusätzlich verkleinert. Da die Druckamplitude im Kraftstoff proportional zur jeweiligen Pumpkolbengeschwindigkeit ist und die Pumpkolbengeschwindigkeiten mit steigender Drehzahl zu- nehmen, kommt es bei höheren Drehzahlen auch zu höheren Drücken im Pumpeninnenraum. Deshalb liegt bei hoher Drehzahl bereits zu einem früheren Zeitpunkt eine ausreichende Druckamplitude vor, welche das Schließen des Steuerventils unterstützen kann, und insofern kann die Verzögerungszeit verkleinert werden. Eine drehzahlabhängige Verzögerung des Ventilsteuerpulses ermöglicht insofern einen optimalen Betrieb der Hochdruckpumpe .
Es ist von Vorteil, wenn die Verzögerung des Ventilsteuerpul- ses als Verzögerungswinkel gegenüber dem der unteren Totpunktposition des Pumpkolbens entsprechenden Nockenwellenwinkel festgelegt wird. Bei gegebener Drehzahl kann die Verzögerungszeit, um die der Ventilsteuerpuls gegenüber der unteren Totpunktposition verzögert werden soll, in einen Korrektur- winkel in Bezug auf die rotierende Nockenwelle bzw. den rotierenden Pumpnocken umgerechnet werden. Nachdem die untere Totpunktposition durchlaufen ist, muss sich die Nockenwelle um genau diesen Korrekturwinkel weiterdrehen, und dann muss der Ventilsteuerpuls ausgelöst werden. Dadurch kann die ent- sprechende Nockenwellenstellung als Auslöser für die Erzeugung des Ventilsteuerpulses dienen. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung beträgt der Verzögerungswinkel zwischen 15° und 45°.
Bei einer vorteilhaften alternativen Ausführungsform der Er- findung wird als Ventilsteuerpuls ein verlängerter Ventilsteuerpuls verwendet, der bis zu dem Zeitpunkt aktiv bleibt, zu dem die von der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens erzeugte Druckwelle am Steuerventil eintrifft. Anstatt einen Ventilsteuerpuls von konstanter Länge zu verwenden, welcher dann so verzögert wird, dass er zum Zeitpunkt des Eintreffens der Druckwelle am Steuerventil aktiv ist, wird bei dieser Ausführungsform der Erfindung ein verlängerter Ventilsteuerpuls verwendet, der stets zum gleichen Zeitpunkt abgesetzt wird. Dabei wird die Dauer des verlängerten Steuerpulses so gewählt, dass der Steuerpuls noch aktiv ist, wenn die von der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens erzeugte Druckwelle beim Steuerventil eintrifft. Auch bei dieser alternativen Ausführungsform der Erfindung unterstützt die Druckwelle das Schließen des Steuerventils. Insbesondere bei Verwendung ei- nes elektromagnetisch betätigten Steuerventils, bei dem der Anker des Magnetventils mittels einer Spule in Richtung Ventilsitz beschleunigt wird, ergibt sich bei der Verwendung eines verlängerten Ventilsteuerpulses der zusätzliche Vorteil, dass das magnetische Feld der Spule über einen längeren Zeit- räum hinweg aufgebaut werden kann. Wegen der dadurch erzielbaren höheren Magnetfeldstärke wird die Zuverlässigkeit beim Betätigen des Magnetventils weiter erhöht.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Verlängerung des Ven- tilsteuerpulses mit steigender Motordrehzahl zusätzlich abnimmt. Mit steigender Motordrehzahl nehmen sowohl die Pumpkolbengeschwindigkeit als auch die Druckamplitude im Kraftstoff zu. Daher kommt es bei höheren Drehzahlen auch zu höheren Drücken im Pumpeninnenraum. Bei hoher Drehzahl liegt be- reits zu einem früheren Zeitpunkt eine ausreichende Druckamplitude vor, welche das Schließen des Steuerventils unterstützt. Bei hohen Drehzahlen muss der Ventilsteuerpuls weni- ger stark verlängert werden als bei niedrigen Drehzahlen. Mit einer drehzahlabhängigen Verlängerung des Steuerpulses kann die Kraftstoffpumpe daher optimal betrieben werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Steuerventil um ein elektromagnetisch betätigtes Steuerventil, und bei dem Ventilsteuerpuls handelt es sich um einen elektrischen Ventilsteuerpuls. Ein derartiges elektromagnetisches Steuerventil weist eine Spule auf, mit der ein Magnetfeld erzeugt werden kann. Durch das Magnetfeld wird der Anker des Magnetventils in Richtung Ventilsitz beschleunigt, und dadurch wird das Ventil geschlossen. Der zur Betätigung des Ventils erforderliche elektrische Ventilsteuerpuls kann mit Hilfe einer elektrischen oder elektronischen Regelschaltung erzeugt werden. Dadurch wird eine exakte zeitliche Kontrolle des Ventilsteuerpulses und somit auch eine exakte zeitliche Kontrolle des Schließens des Ventils ermöglicht.
Es ist von Vorteil, wenn die Kraftstoffpumpe am Hochdruckausgang ein Rückschlagventil aufweist, welches ein Rückströmen des Kraftstoffs von der Einspritzanlage zurück in die Kraftstoffpumpe verhindert. Solange der Druck im Pumpeninnenraum geringer ist als der Druck im Kraftstoff-Rail, bleibt das Rückschlagventil geschlossen. Ein Rückströmen von Kraftstoff zurück in die Pumpe, das den im Kraftstoff-Rail erzeugten Hochdruck verringern würde, kann auf diese Weise verhindert werden.. Das Rückschlagventil wird nur geöffnet, wenn der Druck im Pumpeninnenraum höher ist als der Druck im Kraft- stoff-Rail. Mit Hilfe des Rückschlagventils kann in kurzer Zeit der im Kraftstoff-Rail benötigte Hochdruck aufgebaut werden. Insbesondere bei einem Hochdruckstart ist zur ersten Einspritzung ein bestimmtes Druckniveau im Rail erforderlich, das bei Verwendung eines Rückschlagventils in kurzer Zeit aufgebaut werden kann, so dass die Startzeit verkürzt wird. Das erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzsystem umfasst neben einer erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe eine Niederdruckpumpe, welche dem Niederdruckeingang der Kraftstoffpumpe Kraftstoff zuführt, sowie ein Kraftstoff-Rail, welches mit dem Hochdruckausgang der Kraftstoffpumpe verbunden ist. Das Kraftstoff-Rail führt einer Anzahl von Einspritzventilen den benötigten Kraftstoff zu. Eine Pumpenanordnung, welche eine Niederdruckpumpe und eine erfindungsgemäße Hochdruckpumpe umfasst, ermöglicht einen schnellen Druckaufbau im Kraftstoff- Rail. Insbesondere bei Verwendung der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe wird dadurch bei Brennkraftmaschinen mit Speichereinspritzsystem eine kurze Startzeit ermöglicht.
Dabei ist es von Vorteil, wenn das Kraftstoff-Rail einen Drucksensor aufweist, welcher den Kraftstoffdruck innerhalb des Kraftstoff-Rails erfasst. Mittels des Drucksensors kann insbesondere ermittelt werden, ob der für die Hochdruck-Direkteinspritzung notwendige Kraftstoffdruck im Rail bereits erreicht ist oder nicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Förderleistung der Kraftstoffpumpe in Abhängigkeit von dem durch den Drucksensor ermittelten Kraftstoffdruck variiert. Je niedriger der im Kraftstoff-Rail gemessene Istwert des Kraftstoffdrucks im Vergleich zum gewünschten Sollwert des Kraftstoffdrucks ist, umso höher wird die Förderleistung der Kraftstoffpumpe gewählt. Die Förderleistung der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe wird also mit Hilfe eines Regelkreises eingestellt, wobei die Regelung der Förder- leistung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Istwert und Sollwert des Kraftstoffdrucks erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betrieb einer Kraftstoffpumpe, welche den Kraftstoff mittels eines Pumpkolbens fördert und über einen Hochdruckausgang eine Einspritzanlage mit Kraftstoff versorgt. Die über einen Niederdruckeingang erfolgende Kraftstoffzufuhr der Kraftstoffpumpe kann mittels eines Steuerventils in Abhängigkeit von einem Ventilsteuerpuls unterbrochen werden. Dabei wird der Ventilsteuerpuls zur Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr zu dem Zeitpunkt aktiviert, zu dem die von der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens erzeugte Druckwelle am Steuerventil eintrifft.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele weiter beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Überblick über ein komplettes Speichereinspritzsystem mit einer Pumpenanordnung, welche eine Niederdruckpumpe und eine Kraftstoffpumpe umfasst; Fig. 2 eine Darstellung einer Kraftstoffpumpe im Querschnitt; Fig. 3 eine Darstellung der Pumpkolbenbewegung und des Ventilsteuersignals für die verschiedenen von der Kraftstoffpumpe durchlaufenen Phasen;
Fig. 4 eine Auftragung der Pumpkolbenerhebung als Funktion des Nockenwellenwinkels; Fig. 5 eine Auftragung der Pumpkolbengeschwindigkeit als
Funktion des Nockenwellenwinkels für verschiedene Drehzahlen; Fig. 6 eine Darstellung, aus der die Lage des um einen Korrekturwinkel verschobenen Ventilsteuerpulses relativ zur Pumpkolbenbewegung hervorgeht; Fig. 7 eine Darstellung, welche die minimale für den Druckaufbau im Rail erforderliche Motordrehzahl als Funktion des Korrekturwinkels zeigt;
Fig. 8 eine Darstellung, welche sich auf die zweite Ausführungsform der Erfindung bezieht und aus der die Lage des ver- längerten Ventilsteuerpulses relativ zur Pumpkolbenbewegung hervorgeht;
Fig. 9 eine Auftragung von Messergebnissen, welche den Zusammenhang zwischen der prozentualen Verlängerung des Ventilsteuerpulses und der Motordrehzahl zeigt. In Fig. 1 ist ein Speichereinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine im Überblick dargestellt. Der Kraftstoff gelangt von einem Tank 1 über eine Tankleitung 2 zu einer Niederdruckpumpe 3, bei der es sich vorzugsweise um eine elekt- rische Niederdruckpumpe handelt. Mit Hilfe eines mechanischen Druckreglers 4 wird die von der Niederdruckpumpe 3 geförderte Kraftstoffmenge so eingeregelt, dass über eine Kraftstoffleitung 5 an einem Niederdruckeingang 6 einer Kraftstoffpumpe 8 Kraftstoff mit einem geeigneten Basisvordruck bereitsteht. Überschüssiger Kraftstoff gelangt über eine Tankrückführlei- tung 7 zurück zum Tank 1. Anstelle des mechanischen Druckreglers 4 kann auch eine mengengeregelte Niederdruckpumpe verwendet werden.
Es ist Aufgabe der Kraftstoffpumpe 8, den über den Niederdruckeingang 6 zugeführten Kraftstoff zu einem Kraftstoff- Rail 11 zu befördern. Für den Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Hochdruckdirekteinspritzung ist ein bestimmtes Druckniveau im Kraftstoff-Rail 11 erforderlich. Die Kraft- stoffpumpe 8, welche beispielsweise als Einkolben-Hochdruck- pumpe ausgeführt sein kann, bringt den Kraftstoff auf das erforderliche hohe Druckniveau. Über einen Hochdruckausgang 9 und ein Rückschlagventil 10 gelangt der Kraftstoff zum Kraftstoff-Rail 11, das als Vorratsbehälter für den unter hohem Druck stehenden Kraftstoff dient. Das Rückschlagventil 10 verhindert ein Rückströmen des Kraftstoffs vom Kraftstoff- Rail 11 in die Kraftstoffpumpe 8. Mit dem Kraftstoff-Rail 11 sind eine Anzahl von Einspritzventilen 12 verbunden, über die der Kraftstoff direkt in die jeweiligen Zylinderinnenräume eingespritzt werden kann.
Der im Kraftstoff-Rail 11 herrschende Druck kann mit Hilfe des Kraftstoffdrucksensors 13 erfasst werden. Über eine Signalleitung 14 wird der gemessene Druckwert zu einer Kontroll- einheit 15 übermittelt, die in Form eines Motorsteuergerätes ausgebildet ist und den Istwert des Kraftstoffdrucks im Rail mit dem Sollwert vergleicht und aus der Differenz beider Werte ein Stellsignal 16 erzeugt. Die Kraftstoffpumpe 8 um- fasst ein Steuerventil 18, mit dem die Förderleistung der Kraftstoffpumpe 8 in Abhängigkeit von dem Stellsignal 16 eingeregelt wird. Je stärker der Istwert vom Sollwert abweicht, umso höher wird die Förderleistung der Kraftstoffpumpe 8 gewählt. Die Förderleistung wird durch den Zeitpunkt festgelegt, zu dem das Steuerventil 18 im Pumphub schließt.
In Fig. 2 ist der Aufbau einer Einkolben-Hochdruckpumpe im Querschnitt dargestellt. Über einen Niederdruckanschluss 17 wird der Kraftstoffpumpe Kraftstoff zugeführt. Durch Schließen des elektromagnetischen Steuerventils 18 kann der Niederdruckanschluss 17 vom Pumpeninnenraum 19 getrennt werden. Das Steuerventil 18 weist ein Schließglied auf, das von einem Elektromagneten gegen einen Ventilsitz 21 gedrückt werden kann, um den Niederdruckanschluss 17 zu schließen. Dabei ist das Schließglied dem Druck im Pumpeninnenraum 19 ausgesetzt, der das Schließglied zudem mit einer Kraft gegen den Ventilsitz 21 drückt. Das Steuerventil 18 ist als ein nach innen öffnendes, d.h. in Richtung Pumpeninnenraum 19 öffnendes
Steuerventil ausgebildet, das gegen den Druck im Pumpeninnenraum 19 öffnet.
Hierzu wird an das elektromagnetische Steuerventil 18 vom Steuergerät 15 ein Ventilsteuerpuls 16 angelegt (s. a. Fig.
1) . Dadurch wird ein Magnetfeld aufgebaut, das einen Anker 20 des Ventils in Richtung Ventilsitz 21 beschleunigt und so das Steuerventil 18 schließt. Das Steuergerät 15 ist mit einem Speicher verbunden, in dem Verfahren und Kennliniefelder ab- gelegt sind, die zur Steuerung des Steuerventils 18 benötigt werden.
Ein Pumpnocken 22 ist mit einer rotierenden Nockenwelle 23 verbunden. Mittels des Pumpnockens 22 wird ein Pumpkolben 24 abwechselnd aufwärts und abwärts bewegt. Während der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens 24 wird das Steuerventil 18 geschlossen, anschließend wird auf den im Pumpeninnenraum 19 befindlichen Kraftstoff 25 mittels des Pumpkolbens 24 ein zunehmender Druck ausgeübt. Sobald der Kraftstoffdruck im Pumpeninnenraum 19 höher ist als der Kraftstoffdruck auf der anderen Seite des Rückschlagventils 10, das auf der Seite eines Hochdruckanschlusses 27 angeordnet ist, öffnet sich das Rückschlagventil 10, und der Kraftstoff 25 gelangt über den Hoch- druckanschluss 27 zum Kraftstoff-Rail des Einspritzsystems.
Während der Abwärtsbewegung des Pumpkolbens 24 dagegen bleibt das Steuerventil 18 geöffnet, und vom Niederdruckanschluss 17 her kann neuer Kraftstoff in den Pumpeninnenraum 19 gelangen. Während der Abwärtsbewegung des Pumpkolbens 24 ist der Kraftstoffdruck im Pumpeninnenraum 19 geringer als der Kraftstoffdruck auf der anderen Seite des Rückschlagventils 10, also auf der Seite des Hochdruckanschlusses 27, und daher bleibt das Rückschlagventil 10 während der Abwärtsbewegung des Pumpkolbens 24 geschlossen. Dadurch wird vermieden, dass Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Rail zurück in die Kraftstoffpumpe strömen kann.
In Fig. 3 sind die verschiedenen Phasen, die beim Betrieb einer Einkolbenhochdruckpumpe auftreten, im Überblick dargestellt. Während einer Abwärtsbewegung 28 des Pumpkolbens ist das Steuerventil geöffnet, und Kraftstoff strömt vom Nieder- druckeingang her in den Pumpeninnenraum. Das Rückschlagventil ist dabei geschlossen.
Bei einer sich anschließenden Aufwärtsbewegung 29 des Pumpkolbens ist das Steuerventil zunächst noch geöffnet. Durch einen Ventilsteuerpuls 30 wird das Steuerventil geschlossen. Bei der weiteren Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens baut sich im Pumpeninnenraum ein Druck auf, der das Rückschlagventil öffnet. Der Kraftstoff wird vom Pumpeninnenraum über den Hochdruckanschluss in das Kraftstoff-Rail gedrückt.
In Fig. 4 ist die Pumpkolbenerhebung (in mm) als Funktion des Nockenwellenwinkels (in Grad) für die Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens aufgetragen, die als Kennlinie dem Steuergerät zur Verfügung steht. Es stellt sich die Frage, an welcher Stelle während der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens der Ventilsteuerpuls zum Schließen des Steuerventils ausgelöst wer- den soll.
Bei den Lösungen des Stands der Technik wurde der Ventilsteuerpuls am Beginn der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens ausgelöst, also kurz nachdem der untere Totpunkt vom Pumpkolben durchlaufen wurde.
Im Fall von niedrigem Kraftstoffdruck im Kraftstoff-Rail ist es vorgekommen, dass das Rückschlagventil bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt, nämlich noch vor dem Schließen des Steuerventils, geöffnet wird. In diesem Fall kann sich während der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens kein genügend hoher Kraftstoffdruck im Pumpeninnenraum aufbauen, da der Kraftstoff aufgrund des geringen Drucks im Kraftstoff-Rail über das Rückschlagventil entweicht.
Wenn dann der Ventilsteuerpuls ausgelöst wird, kann infolge des zu geringen Drucks im Pumpeninnenraum das Steuerventil nicht geschlossen bzw. nicht geschlossen gehalten werden. Während der weiteren Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens ent- weicht deshalb auch Kraftstoff durch das Steuerventil zurück in den Niederdruckkreis. Der entweichende Kraftstoff verhindert einen schnellen Druckaufbau im Kraftstoff-Rail, und dadurch wird das Verhalten des Einspritzsystems insbesondere beim Starten beeinträchtigt.
Um ein zuverlässiges Schließen des Steuerventils zu gewährleisten, werden bei der erfindungsgemäßen Lösung dynamische Effekte in der Pumpe ausgenutzt. Hierzu ist in Fig. 5 die Pumpkolbengeschwindigkeit (in mm/ms) für verschiedene Motor- drehzahlen als Funktion des Nockenwellenwinkels (in Grad) aufgetragen. Diese Kennlinien stehen dem Steuergerät zur Verfügung. Bedingt durch die Form des Pumpnockens wird bei der Kraftstoffpumpe, auf die sich die Kurven beziehen, das Maximum der Pumpkolbengeschwindigkeit bei einem Nockenwellenwinkel von ungefähr 25° erreicht.
Der Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeitsamplitude v des Pumpkolbens und dem Kraftstoffdruck p kann mit Hilfe der
Formel
p = p • c • v
hergestellt werden, wobei p die Dichte des Kraftstoffs bezeichnet, und wobei c die Phasengeschwindigkeit bzw. Schallgeschwindigkeit einer Längswelle im Kraftstoff bezeichnet. Da es sich bei p und c um Konstanten handelt, ergibt sich eine direkte Proportionalität zwischen der Geschwindigkeit v des Pumpkolbens und dem Kraftstoffdruck p .
Für die Phasengeschwindigkeit bzw. Schallgeschwindigkeit c einer Längswelle in einer Flüssigkeit gilt:
Figure imgf000017_0001
Hierbei bezeichnet p die Dichte des Kraftstoffs, K das Kompressionsmodul und χ die Kompressibilität des Kraftstoffs.
Eine genügend hohe Druckamplitude am Steuerventil würde ein rasches und zuverlässiges Schließen des Steuerventils bewirken. Am Pumpkolben tritt die maximale Druckamplitude an dem Punkt der Aufwärtsbewegung auf, an dem die Pumpkolbengesch- windigkeit maximal ist. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel ist dies bei einem Nockenwellenwinkel von etwa 25° der Fall.
Um aber nun am Ort des Steuerventils die maximale Druckamplitude zum Schließen des Steuerventils ausnutzen zu können, muss zusätzlich die Laufzeit der Druckwelle vom Pumpkolben zum Steuerventil berücksichtigt werden. Diese durch die Pum- pengeometrie festgelegte, für die Druckausbreitung benötigte Zeit muss in Form einer zusätzlichen Verzögerung des Ventilsteuerpulses berücksichtigt werden.
Erfindungsgemäß wird der Ventilsteuerpuls zum Schließen des Steuerventils an der Stelle mit der größten Pumpkolbengeschwindigkeit unter zusätzlicher Berücksichtigung der Pumpengeometrie abgesetzt. Der Steuerpuls für das Steuerventil wird bei dieser Vorgehensweise genau dann ausgelöst, wenn die von der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens verursachte Druckwelle beim Steuerventil eintrifft. Auch wenn die statischen Druckverhältnisse nicht ausreichen, um ein sicheres Schließen des Steuerventils zu gewährleisten, wird durch die erfindungsgemäße Berücksichtigung des zusätzlichen dynamischen Effekts des Eintreffens der Druckwelle am Steuerventil ein sicheres Schließen des Steuerventils ermöglicht.
Die notwendige Verzögerung des Ventilsteuerpulses kann als Korrekturwinkel gegenüber der unteren Totpunktposition ange- geben werden. In Fig. 6 ist gezeigt, wie durch den Korrekturwinkel 31 der frühere Ventilsteuerpuls 32, der bei den Lösungen des Stands der. Technik zu Beginn der Aufwärtsbewegung 33 des Pumpkolbens ausgelöst wurde, verzögert ausgegeben wird. Der erfindungsgemäße Ventilsteuerpuls 34 löst das Schließen des Steuerventils genau dann aus, wenn die eintreffende
Druckwelle den Schließvorgang unterstützt. Werte für den Korrekturwinkel in Abhängigkeit von der Last und / oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine und / oder dem Druck im Kraftstoffrail sind im Speicher des Steuergerätes abgelegt.
In Fig. 7 ist eine Kennlinie für die minimale Motordrehzahl, die für den Druckaufbau im Kraftstoff-Rail benötigt wird, als Funktion des verwendeten Korrekturwinkel aufgetragen. Wenn der Korrekturwinkel relativ groß gewählt wird, dann kann auch mit einer relativ geringen Motordrehzahl der benötigte Druck im Rail aufgebaut werden. Die Kennlinie ist im Speicher des Steuergerätes abgelegt. Der Grund für die Verringerung der minimal benötigten Motordrehzahl ist, dass die vom Pumpkolben verursachte Druckwelle zu dem Zeitpunkt, zu dem der Ventilsteuerpuls ausgelöst wird, das Steuerventil bereits erreicht hat und somit am Steuerventil eine für ein zuverlässiges Schließen ausreichende Druckamplitude vorliegt. Dies ist bei kleineren Korrekturwinkeln nur dann der Fall, wenn die Drehzahl und somit auch die Pumpkolbengeschwindigkeit hinreichend hoch sind. Überschreitet die Drehzahl einen maximalen Wert von beispielsweise 1200
U/min, so ist keine Korrektur mehr erforderlich und der Ventilsteuerpuls kann das Steuerventil zu dem Zeitpunkt schließen, mit dem die gewünschte Förderleistung erreicht wird.
In Fig. 8 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der der Ventilsteuerpuls verlängert wird. Bei den Lösungen des Stands der Technik wurde zu Beginn der Aufwärtsbewegung 36 des Pumpkolbens ein Ventilsteuerpuls 35 von definierter Länge ausgelöst. Gemäß der zweiten Ausführungs- form der Erfindung wird anstelle des Ventilsteuerpulses 35 ein verlängerter Ventilsteuerpuls 37 verwendet, der beim Eintreffen der durch die Pumpkolbenbewegung verursachten Druckwelle noch aktiv ist. Werte für die zeitliche Verlängerung des Steuerimpulses abhängig von Last- und / oder Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängig vom Druck im Kraftstoffrail und abhängig vom Korrekturwinkel sind im Speicher des Steuergerätes abgelegt. Auch bei dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung wird das Schließen des Steuerventils durch die Druckwelle unterstützt, so dass ein zuverlässiges Schließen und ein rascher Druckaufbau gewährleistet ist. Darüber hinaus wird einer Magnetspule des Steuerventils durch die Verlängerung des Ventilsteuerpulses mehr Energie zugefügt. Dadurch ist es möglich, das zum Schließen des Ventils erforderliche Druckniveau abzusenken. Selbstverständlich ist auch eine Kom- bination zwischen einem zeitlich gegenüber dem unteren Totpunkt verschobenen Ventilsteuerpuls gemäß Figur 6 und einem zeitlich verlängertem Ventilsteuerpuls gemäß Figur 8 möglich. Anhand der in Fig. 9 gezeigten Messergebnisse kann erkannt werden, dass es durch Verlängern des Ventilsteuerpulses möglich ist, die für den Druckaufbau minimal erforderliche Mo- tordrehzahl signifikant abzusenken. Bei verlängerten Ventilsteuerpulsen trägt die von der Pumpkolbenbewegung verursachte Druckwelle zum Schließen des Ventils bei, und daher kommt man im Bereich der längeren Ventilsteuerpulse mit niedrigeren Druckamplituden aus. Wegen der Proportionalität zwischen Pumpkolbengeschwindigkeit und Druckamplitude bedeutet dies auch, dass eine niedrigere Pumpkolbengeschwindigkeit und somit auch eine niedrigere Motordrehzahl ausreicht, um die zum Schließen des Ventils erforderliche Druckamplitude bereitzustellen. Bei Verwendung kurzer Ventilsteuerpulse sind hinge- gen nach wie vor hohe Motordrehzahlen erforderlich. Die Kennlinie der Figur 9 ist im Speicher des Steuergerätes abgelegt.
Die Erfindung ist insbesondere bei einem Start der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei dem der Istdruck im Kraftstoffrail 11 niedriger ist als ein gewünschter Solldruck. Nach den bisherigen Steuerverfahren wurde in dieser Situation das Steuerventil 18 beim unteren Totpunkt des Pumpkolbens 24 geschlossen, um eine maximale Förderleistung der Hochdruckpumpe 8 einzustellen. Im Gegensatz zu dieser Vorge- hensweise wird das Steuerventil 18 erst später geschlossen und dabei auf maximale Förderleistung zugunsten eines sicheren Schließens des Steuerventils 18 verzichtet.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffpumpe (8) zur Versorgung der Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff, mit - einem Niederdruckeingang (6), über den der Kraftstoffpumpe (8) Kraftstoff zugeführt wird,
- einem Steuerventil (18), mit dem die über den Niederdruckeingang (6) erfolgende Kraftstoffzufuhr in Abhängigkeit von einem Ventilsteuerpuls unterbrechbar ist, der von einem Steuergerät (15) abgegeben wurde,
- einem Pumpkolben (24),
- einem Hochdruckausgang (9), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Ventilsteuerpuls zur Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr zu dem Zeitpunkt aktiv ist, zu dem die von der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens (24) erzeugte Druckwelle am Steuerventil (18) eintrifft (Fig. 1 und 2) .
2. Kraftstoffpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpkolben (24) mittels eines auf einer Nockenwelle
(23) angebrachten Pumpnockens (22) angetrieben wird (Fig. 2) .
3. Kraftstoffpumpe nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (15) den Ventilsteuer- puls gegenüber dem unteren Totpunkt des Pumpkolbens (24) um eine definierte Verzögerungszeit verzögert auslöst (Fig. 3) .
4. Kraftstoffpumpe (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (15) den Zeit- punkt, zu dem der Ventilsteuerpuls ausgelöst wird, durch den Punkt der größten Pumpkolbengeschwindigkeit während der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens (24) unter Einbeziehung der für die Ausbreitung der Druckwelle vom Pumpkolben (24) bis zum Steuerventil (18) benötigten Laufzeit festlegt.
5. Kraftstoffpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (15) die Verzögerungs- zeit des Ventilsteuerpulses gegenüber der unteren Totpunktposition des Pumpkolbens (24) mit zunehmender Motordrehzahl verkleinert (Fig. 9) .
6. Kraftstoffpumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (15) die Verzögerungszeit des Ventilsteuerpulses als Korrekturwinkel (31) gegenüber dem der unteren Totpunktposition des Pumpkolbens (24) entsprechenden Nockenwellenwinkel festlegt (Fig. 6) .
7. Kraftstoffpumpe nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (15) als Ventilsteuerpuls einen verlängerten Ventilsteuerpuls (37) verwendet, der bis zu dem Zeitpunkt aktiv bleibt, zu dem die von der Auf- wärtsbewegung des Pumpkolbens erzeugte Druckwelle am Steuerventil eintrifft (Fig. 8) .
8. Kraftstoffpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (15) den Zeitpunkt, bis zu dem der ver- längerte Ventilsteuerpuls (37) aktiv bleibt, durch den Punkt der größten Pumpkolbengeschwindigkeit während der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens (24) unter Einbeziehung der für die Ausbreitung der Druckwelle vom Pumpkolben (24) bis zum Steuerventil (18) benötigten Laufzeit festlegt.
9. Kraftstoffpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Steuerventil (18) um ein elektromagnetisch betätigtes Steuerventil handelt, und dass es sich bei dem Ventilsteuerpuls (30, 34, 37) um einen elektrischen Ventilsteuerpuls handelt.
10. Kraftstoffpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffpumpe (8) am Hochdruckausgang (9) ein Rückschlagventil (10) aufweist, welches ein Rückströmen des Kraftstoffs von einem Kraftstoffrail (11) zurück in die Kraftstoffpumpe (8) verhindert (Fig. 1 und 2) .
11. Kraftstoff-Einspritzsystem, mit
- einer Kraftstoffpumpe (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
- einer Niederdruckpumpe (3) , welcher dem Niederdruckeingang (6) der Kraftstoffpumpe (8) Kraftstoff zuführt,
- einem Kraftstoff-Rail (11), welches mit dem Hochdruckausgang (9) der Kraftstoffpumpe (8) verbunden ist, und das den Einspritzventilen (12) den benötigten Kraftstoff zuführt (Fig. 1) .
12. Kraftstoff-Einspritzsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff-Rail (11) einen Drucksensor (13) aufweist, welcher den Kraftstoffdruck innerhalb des
Kraftstoff-Rails (11) erfasst (Fig. 1) .
13. Kraftstoff-Einspritzsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (15) die Förderleistung der Kraftstoffpumpe (8) in Abhängigkeit von dem durch den Drucksensor (13) ermittelten Kraftstoffdruck variiert.
14. Verfahren zum Betrieb einer Kraftstoffpumpe (8), welche den Kraftstoff mittels eines Pump olbens (24) fördert und über einen Hochdruckausgang (9) damit eine Einspritzanlage versorgt, wobei die über einen Niederdruckeingang (6) erfol- gende Kraftstoffzufuhr zur Kraftstoffpumpe mittels eines
Steuerventils (18) in Abhängigkeit von einem Ventilsteuerpuls unterbrechbar ist, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgenden Schritt: - Anlegen des Ventilsteuerpulses am Steuerventil (18) zur Un- terbrechung der Kraftstoffzufuhr zu dem Zeitpunkt, zu dem eine von der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens (24) erzeugte Druckwelle am Steuerventil (18) eintrifft (Fig. 1 und 2) .
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpkolben (24) mittels eines auf einer Nockenwelle (23) angebrachten Pumpnockens (22) angetrieben wird (Fig. 2) .
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteuerpuls gegenüber dem unteren Totpunkt des Pumpkolbens (24) um eine definierte Verzögerungszeit verzögert ausgelöst wird (Fig. 5) .
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt, zu dem der Ventilsteuerpuls ausgelöst wird, abhängig von einer größten Pumpkolbengeschwindigkeit während der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens (24) unter Einbeziehung der für die Ausbreitung der Druckwelle vom Pumpkolben (24) bis zum Steuerventil (18) benötigten Laufzeit festgelegt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Verzögerungszeit des Ventilsteuerpulses gegenüber dem unteren Totpunkt des Pumpkolbens (24) mit zunehmender Motordrehzahl verkleinert wird (Fig. 9) .
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Verzögerungszeit des Ventilsteuerpulses als Korrekturwinkel (31) gegenüber dem der unteren Totpunktposition des Pumpkolbens entsprechenden Nockenwellenwinkel festgelegt wird (Fig. 6) .
20. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Ventilsteuerpuls ein verlängerter Ventilsteuerpuls (37) verwendet wird, der bis zu dem Zeitpunkt aktiv bleibt, zu dem die von der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens (24) erzeugte Druckwelle am Steuerventil (18) eintrifft (Fig. 8) .
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt, bis zu dem der verlängerte Ventilsteuerpuls (37) aktiv bleibt, durch den Punkt der größten Pumpkolbengeschwindigkeit während der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens (24) unter Einbeziehung der für die Ausbreitung der Druckwelle vom Pumpkolben (24) bis zum Steuerventil (18) benötigten Laufzeit festgelegt wird.
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