WO2008043637A1 - Verfahren zur durchführung eines hochdruckstarts einer brennkraftmaschine, steuervorrichtung und brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur durchführung eines hochdruckstarts einer brennkraftmaschine, steuervorrichtung und brennkraftmaschine Download PDF

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WO2008043637A1
WO2008043637A1 PCT/EP2007/059694 EP2007059694W WO2008043637A1 WO 2008043637 A1 WO2008043637 A1 WO 2008043637A1 EP 2007059694 W EP2007059694 W EP 2007059694W WO 2008043637 A1 WO2008043637 A1 WO 2008043637A1
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pressure
internal combustion
combustion engine
fuel
accumulator
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PCT/EP2007/059694
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Martin Bretl
Benoit Chapuis
Martin Cwielong
Matthias Wiese
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Continental Automotive Gmbh
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/04—Pumps peculiar thereto

Definitions

  • the invention relates to a method for carrying out a high pressure start of an internal combustion engine, a
  • Control device which is designed such that it can perform the method, as well as an internal combustion engine with such a control device.
  • the fuel is injected directly into the combustion chamber by means of an injection valve.
  • a low-pressure start and a high-pressure start can be performed.
  • the fuel is injected at a pressure of typically 5 to 8 bar.
  • the so-called wall film are especially at low temperatures.
  • the starting process of the internal combustion engine is preferably carried out as a high-pressure start, in which the fuel with significantly higher pressure, typically 20 to 30 bar, is injected into the combustion chamber.
  • the finer atomization of the fuel significantly reduces the accumulation of fuel at low temperatures, which has a positive effect on fuel consumption and pollutant emissions.
  • a problem with the high-pressure start is a sufficiently rapid and stable pressure build-up in the injection system to ensure a rapid start and a stable combustion.
  • the published patent application DE 10 2004 029 378 A1 discloses a method for starting an internal combustion engine, in which pressure is already activated before the starter is activated is built up in the injection system by operation of the fuel pump. Further, it is suggested in this document that upon actuation of the starter first the crankshaft is rotated, without an injection is triggered. This ensures that by means of coupled to the crankshaft fuel pump before discontinuation of the first injection, a sufficiently high fuel pressure is built up.
  • a method for performing a high-pressure start according to claim 1 relates to an internal combustion engine, in which for conveying fuel from a fuel tank to a pressure accumulator, a high-pressure pump and for controlling the Pressure in the accumulator Druckeinstellstoff is used.
  • the high-pressure pump is operated before performing fuel injection into a combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the pressure adjusting means is controlled in such a way that, during operation of the high-pressure pump, the pressure build-up in the pressure accumulator is delayed by way of a pressure limit value above which the fuel injection is released.
  • the invention is based on the finding that a stable pressure build-up in the pressure accumulator of the internal combustion engine is also due to the fact that the high-pressure pump is fully operational after a standstill phase and can provide its full pumping capacity.
  • the pumping volume of the high-pressure pump must be completely filled with fuel and, in particular in the case of high-pressure pumps with hydraulic power transmission, also the drive units are filled with hydraulic fluid. If the high-pressure pump has several pump units, as in the case of a multi-piston positive displacement pump, it may happen that initially only a portion of the pump units bring full pumping power for the reasons mentioned above, so that a relatively rapid pressure build-up is possible beyond the pressure limit However, after the first fuel injection comes to a significant pressure drop in the accumulator.
  • the Druckeinstellstoff is driven according to the invention such that when operating the high-pressure pump, the pressure build-up in the accumulator over the fuel injection releasing pressure limit is delayed. As a result, an early release of the fuel injection is prevented and the full performance or operational readiness of the high-pressure pump is achieved. In the subsequent pressure build-up in the accumulator over the pressure limit, the pressure in the pressure accumulator even after discontinuation of the first
  • the Druckeinstellstoff is controlled such that during the delay, the pressure in the pressure accumulator is increased up to a pressure value which is below the pressure limit.
  • This embodiment of the method has the advantage that even during the delay, a certain pressure build-up takes place in the pressure accumulator.
  • the pressure after the delay time can be increased faster to above the pressure limit.
  • a very quick release of the fuel injection and a faster start of the internal combustion engine are possible.
  • the pressure build-up on the pressure limit value according to claim 3 is delayed by a predetermined number of rotation cycles of the internal combustion engine, according to claim 4 for a predetermined period of time and according to claim 5 by a predetermined number of cycles of the high-pressure pump.
  • the embodiment of claim 3 is directed in particular to internal combustion engines, in which the fuel pump is coupled to the crankshaft of the internal combustion engine and is driven by them.
  • the embodiments according to claims 4 and 5, however, are also applicable to internal combustion engines, in which the high-pressure pump has an independent drive. In all cases, that is
  • the duration of the delay is determined as a function of a temperature.
  • the viscosities of the fuel and any hydraulic fluid are temperature dependent. At low temperatures, the delay must therefore last longer than at high temperatures.
  • the pressure adjusting means is controlled such that the pressure build-up on the pressure limit is maximum.
  • This embodiment of the method allows the fastest possible pressure increase in the pressure accumulator over the pressure limit and thus a quick release of the injection. This allows the startup process to be performed quickly.
  • a control device is designed such that it can carry out the method according to claim 1.
  • the internal combustion engine according to claim 9 comprises such a control device. In both cases, reference is made to the advantages mentioned with respect to claim 1.
  • Figure 1 is a schematic representation of a
  • Figure 2 is a schematic representation of a
  • FIGS. 3A and 3B show diagrams of the pressure curve in FIG.
  • FIG. 4 shows a flowchart of a method for carrying out a high-pressure start of the internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 1 with a
  • Fuel supply system shown schematically. For the sake of clarity, the representation is made much simpler.
  • the internal combustion engine 1 comprises at least one cylinder 2 and a piston 3 which can be moved up and down in the cylinder 2.
  • the internal combustion engine 1 further comprises an intake tract in which a mass air flow sensor 5, a throttle valve 6 and a suction pipe 7 are located downstream of an intake opening 4 for drawing in fresh air are arranged.
  • the intake opens into a limited by the cylinder 2 and the piston 3 combustion chamber.
  • the fresh air required for combustion is introduced into the combustion chamber via the intake tract, wherein the fresh air supply is controlled by opening and closing an intake valve 8.
  • the internal combustion engine 1 shown here is an internal combustion engine 1 with direct fuel injection, in which the fuel necessary for the combustion is injected directly into the combustion chamber via an injection valve 9.
  • the combustion exhaust gases are discharged via an exhaust valve 11 in an exhaust gas tract of the internal combustion engine 1 and cleaned by means of a arranged in the exhaust gas catalytic converter 12.
  • the internal combustion engine 1 further has a coolant temperature sensor 14 for detecting the coolant temperature T, a rotational speed sensor 15 for detecting the rotational speed of the crankshaft 13 and a
  • Exhaust gas temperature sensor 16 for detecting the exhaust gas temperature.
  • the internal combustion engine 1 is assigned a fuel supply system which has a fuel tank 17 and a fuel pump 18 arranged therein.
  • the fuel is supplied by means of the fuel pump 18 via a supply line 19 to a pressure accumulator 20.
  • This is a common pressure accumulator 20, from which the injection valves 9 are supplied for several cylinders 2 with pressurized fuel.
  • a fuel filter 21 and a high-pressure pump 22 are further arranged.
  • the high-pressure pump 22 serves to supply the fuel delivered by the fuel pump 18 at relatively low pressure (about 3 bar) to the pressure accumulator 20 at high pressure (typically up to 150 bar).
  • the high-pressure pump 22 is thereby driven by means of its own drive (not shown), for example an electric motor, or by corresponding coupling with the crankshaft 13.
  • a pressure adjustment means 23 for example a pressure control valve or a quantity control valve, is disposed on it via which the fuel in the pressure accumulator 20 can flow back into the supply line 19 or the fuel tank 17 via a return line 24.
  • a pressure sensor 25 is further provided for monitoring the pressure in the accumulator 20.
  • the internal combustion engine 1 is associated with a control device 26, which is connected via signal and data lines with all actuators and sensors.
  • control device 26 are key-based
  • Control device 26 via the data and signal lines to the fuel pump 18, the Druckeinstellstoff 23, the Pressure sensor 25, the air mass sensor 5, the throttle valve 6, the spark plug 10, the injection valve 9, the
  • Coolant temperature sensor 14, the speed sensor 15 and the exhaust gas temperature sensor 16 is coupled. Further, the control device 26 is connected to other, not shown in Figure 1 sensors and actuators, such as the starter, the accelerator pedal or ABS sensors.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a drive unit 27 of the high-pressure pump 22 is shown schematically.
  • High-pressure pump 22 has two areas separated by a metal bellows 28. This is a fuel-side delivery region 29 and an oil-side pumping region 30, which are formed in a housing 31 of the high-pressure pump 22.
  • the oil-side pumping area 30 has a drive space 32 in which a swash plate 33 is rotatably mounted.
  • the swash plate 33 is coupled via suitable coupling elements, for example a drive belt (not shown) with the crankshaft 13 of the internal combustion engine 1 (shown here only schematically), so that it also leads to rotation of the swash plate 33 upon rotation of the crankshaft 13.
  • the oil-side pumping area 30 further has a cylinder-like bore 35, in which a piston-like punch 36 is arranged displaceable back and forth (double arrow).
  • the cylinder-like punch 36 is coupled to a driving element 37 movably mounted on the swashplate 33 such that rotation of the swashplate 33 results in a reciprocating movement of the punch within the bore 35.
  • the entire oil-side pumping area 30 is filled with an operating oil.
  • the operating oil is passed from a reservoir (not shown) via a feed line 38 into the pumping area 30 and discharged via a discharge line 39 back into the reservoir.
  • the operating oil not only serves to transfer the pump energy of the punch 36 on the metal bellows 28, but also ensures a adequate lubrication of all moving parts in the oil-side pumping area 30th
  • the fuel-side delivery region 29 has a pumping volume 40 in which the metal bellows 28 can contract and expand.
  • the metal bellows 28 serves to reliably separate the oil-side pumping region 30 from the fuel-side delivery region 29. This ensures that no mixing of the operating oil with the fuel occurs. Because the interior of the
  • Metal bellows is completely filled with operating oil, this acts as a pneumatic fluid, so that it comes in the reciprocation of the piston-like punch to a corresponding contraction or expansion of the metal bellows in the pumping volume 40.
  • the feed valve 41 In a subsequent expansion of the metal bellows closes the feed valve 41 and the fuel is supplied via a discharge valve 42 and the pressure accumulator-side supply line 19 with high pressure to the pressure accumulator 20.
  • the high pressure pump 22 causes the fuel delivered from the low pressure fuel pump 18 to be supplied to the pressure accumulator 20 at high pressure.
  • the pressure accumulator 20 serves as a reservoir for pressurized fuel.
  • the operating oil from the oil-side pumping area 30 at least partially drains out via the discharge line 39 into the storage container.
  • fuel may flow from the pump volume 40 in the pump region 30 at a longer standstill of the internal combustion engine 1, either in the direction of the pressure accumulator 20 or in the direction of the fuel tank 17.
  • the pumping volume 40 would not be completely filled with fuel.
  • the drive space 32 would not be completely filled with operating oil.
  • operating oil in the pump region 30 and fuel in the delivery region 29 can therefore come to different levels. In this state is the
  • High pressure pump 22 is not fully operational and does not deliver its full pumping power.
  • the crankshaft 13 is set in rotation by means of an electric starter (not shown).
  • the rotation of the crankshaft 13 also leads to a rotation of the swash plates in the high pressure pump 22 and thus to a pressure buildup of the fuel in the pressure accumulator 20.
  • a pressure limit be exceeded.
  • the pressure in the pressure accumulator 20 is monitored by the control device 26 by means of the pressure sensor 25. Only when the pressure limit value is exceeded, the control device 26 outputs a corresponding signal for enabling the first injection.
  • FIG. 3A shows the pressure p in the pressure accumulator 20 over time t as a diagram for a method known from the prior art for carrying out a high-pressure start. According to this method takes place when cranking the crankshaft 13 through the starter at time tl an immediate pressure build-up in the accumulator 20 instead. If, however, the high-pressure pump 22 has a plurality of drive units 27, as shown by way of example in FIG. 2, these drive units 27 can be filled unevenly with operating oil or with fuel. As a result, it may happen that immediately after the rotation of the crankshaft 13 by the starter to a strong pressure increase in the first
  • Pressure accumulator 20 via the pressure limit P thres and thus comes to a quick release of the first injection.
  • a considerable pressure drop in the pressure accumulator 20 occurs immediately after the first injection. Therefore, subsequent injections must be delayed until the pressure p in the pressure accumulator 20 returns was established above the pressure limit Pthres. This leads to an uncomfortable starting behavior and to a prolonged boot process.
  • the method is started in step 100, for example, when the ignition of the internal combustion engine 1 is switched on.
  • the coolant temperature T is detected via the coolant temperature sensor 14.
  • a condition for ending the delay of the pressure build-up in the pressure accumulator 20 via the pressure limit P thres is determined in step 102, a condition for ending the delay of the pressure build-up in the pressure accumulator 20 via the pressure limit P thres .
  • the dependence of the condition on the temperature T is due to the fact that the viscosity of the operating oil and also of the fuel depend on the temperature. At low temperatures, therefore, there is a prolonged delay in the build-up of pressure and, at high temperatures, very little or no delay in the buildup of pressure.
  • control device 26 checks whether the
  • the controller 26 controls the pressure adjusting means 23, i. the quantity control valve or the pressure control valve, in step 104 such that the pressure in the pressure accumulator 20 remains below the pressure limit Pthres until the predetermined condition for completion of the delay is met in step 105.
  • control device 26 controls the pressure adjusting means 23 in step 106 such that there is a maximum pressure build-up in the pressure accumulator 20 via the pressure limit P thres . This results in a release of the injection and the high-pressure start can be started.
  • step 107 the process is ended.
  • FIG. 3B A further embodiment of the method is shown in FIG. 3B as a dashed line.
  • the controller 26 may control the Druckeinstellstoff 23 such that it comes during the delay of the pressure build-up to a partial pressure build-up in the pressure accumulator 20, wherein the pressure p remains in the pressure accumulator 20 during the delay below the pressure limit Pthres. Due to the partial pressure build-up, there is the advantage that after the condition for ending the deceleration a very rapid pressure build-up above the pressure threshold P thress and a quick start of the internal combustion engine 1 is possible.

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Abstract

Bei bekannten Verfahren zur Durchführung eines Hochdruckstarts einer Brennkraftmaschine kann es zu einem unkomfortablen Startverhalten kommen. Es wird ein Verfahren zur Durchführung eines Hochdrucksstarts einer Brennkraftmaschine (1) bereitgestellt, bei der zum Fördern von Kraftstoff von einem Kraftstofftank (17) zu einem Druckspeicher (20) eine Hochdruckpumpe (22) und zur Steuerung des Drucks im Druckspeicher (20) ein Druckeinstellmittel (23) verwendet wird, wobei die Hochdruckpumpe (22) vor Durchführung einer Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum der Brennkraftmaschine (1) betrieben wird, und das Druckeinstellmittel (23) derart angesteuert wird, dass während des Betriebs der Hochdruckpumpe (22) der Druckaufbau im Druckspeicher (20) über einen Druckgrenzwert pTHRES, bei dessen Überschreitung die Kraftstoffeinspritzung freigegeben wird, verzögert wird.

Description

Verfahren zur Durchführung eines Hochdruckstarts einer Brennkraftmaschine, Steuervorrichtung und Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung eines Hochdruckstarts einer Brennkraftmaschine, eine
Steuervorrichtung, welche derart ausgebildet ist, dass sie das Verfahren durchführen kann, sowie eine Brennkraftmaschine mit einer derartigen Steuervorrichtung.
Bei einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung wird der Kraftstoff mittels eines Einspritzventils unmittelbar in den Brennraum eingespritzt. Zum Starten einer solchen Brennkraftmaschine kann sowohl ein Niederdruckstart als auch ein Hochdruckstart durchgeführt werden. Bei einem Niederdruckstart wird der Kraftstoff mit einem Druck von typischerweise 5 bis 8 bar eingespritzt. Gerade bei niedrigen Temperaturen kommt es dabei zu einer Anlagerung von Kraftstoffteilen an den kalten Brennraumwänden, dem so genannten Wandfilm. Diese Kraftstoffablagerungen nehmen nur teilweise oder gar nicht an der Verbrennung teil. Dadurch kommt es zu einem deutlich erhöhtem Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß während des Startvorgangs. Aus diesem Grund wird der Startvorgang der Brennkraftmaschine vorzugsweise als Hochdruckstart durchgeführt, bei dem der Kraftstoff mit deutlich höherem Druck, typischerweise 20 bis 30 bar, in den Brennraum eingespritzt wird. Durch die feinere Zerstäubung des Kraftstoffs wird Anlagerung von Kraftstoff bei niedrigen Temperaturen erheblich reduziert, was sich positiv auf dem Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen auswirkt. Problematisch am Hochdruckstart ist jedoch ein ausreichend schneller und stabiler Druckaufbau im Einspritzsystem, um einen zügigen Start und eine stabile Verbrennung sicherzustellen .
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2004 029 378 Al ist ein Verfahren zum Start einer Brennkraftmaschine bekannt geworden, bei dem schon vor Aktivierung des Anlassers Druck im Einspritzsystem durch Betrieb der Kraftstoffpumpe aufgebaut wird. Ferner wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, dass bei Betätigung des Anlassers zunächst die Kurbelwelle in Drehung versetzt wird, ohne dass eine Einspritzung ausgelöst wird. Dadurch wird erreicht, dass mittels der mit der Kurbelwelle gekoppelten Kraftstoffpumpe vor Absetzen der ersten Einspritzung ein ausreichend hoher Kraftstoffdruck aufgebaut wird.
Es ist ferner bekannt, dass die Einspritzung bei Erreichen eines Druckgrenzwertes im Einspritzsystem freigegeben wird, welcher darauf hinweist, dass ausreichend hoher Druck vorherrscht .
Durch das bekannte Verfahren wird zwar ein frühzeitiger Druckaufbau im Einspritzsystem und somit eine schnelle Freigabe der Einspritzung erreicht, jedoch kann es nach Absetzen der ersten Einspritzung zu einem Druckeinbruch im Einspritzsystem und somit zu einem unkomfortablen Startverhalten der Brennkraftmaschine kommen.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, eine Steuervorrichtung und eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, welche ein verbessertes Startverhalten während eines Hochdruckstarts gewährleisten.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren, die Steuervorrichtung und die Brennkraftmaschine gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst .
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche .
Ein Verfahren zur Durchführung eines Hochdruckstarts gemäß dem Anspruch 1 bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine, bei der zum Fördern von Kraftstoff von einem Kraftstofftank zu einem Druckspeicher eine Hochdruckpumpe und zur Steuerung des Drucks in dem Druckspeicher ein Druckeinstellmittel verwendet wird. Gemäß dem Verfahren wird die Hochdruckpumpe vor Durchführung einer Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum der Brennkraftmaschine betrieben. Das Druckeinstellmittel wird dabei derart angesteuert, dass während des Betriebs der Hochdruckpumpe der Druckaufbau im Druckspeicher über einen Druckgrenzwert, bei dessen Überschreitung die Kraftstoffeinspritzung freigegeben wird, verzögert wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein stabiler Druckaufbau im Druckspeicher der Brennkraftmaschine auch dadurch bedingt ist, dass die Hochdruckpumpe nach einer Stillstandsphase voll betriebsbereit ist und ihre volle Pumpleistung erbringen kann. Beispielsweise muss das Pumpvolumen der Hochdruckpumpe vollständig mit Kraftstoff und, insbesondere bei Hochdruckpumpen mit hydraulischer Leistungsübertragung, auch die Antriebseinheiten mit Hydraulikfluid gefüllt sind. Weist die Hochdruckpumpe, wie beispielsweise bei einer Mehrkolben-Verdrängerpumpe, mehrere Pumpeinheiten auf, so kann es vorkommen, dass anfangs nur ein Teil der Pumpeinheiten aus oben genannten Gründen volle Pumpleistung bringen, sodass zwar ein relativ schneller Druckaufbau bis über den Druckgrenzwert möglich ist, es jedoch nach der ersten Kraftstoffeinspritzung zu einem erheblichen Druckeinbruch im Druckspeicher kommt. Um dies zu verhindern, wird das Druckeinstellmittel gemäß der Erfindung derart angesteuert, dass bei Betrieb der Hochdruckpumpe der Druckaufbau im Druckspeicher über den die Kraftstoffeinspritzung freigebenden Druckgrenzwert verzögert wird. Dadurch wird eine frühzeitige Freigabe der Kraftstoffeinspritzung unterbunden und die volle Leistungsfähigkeit bzw. Betriebsbereitschaft der Hochdruckpumpe wird erreicht. Bei dem anschließenden Druckaufbau im Druckspeicher über dem Druckgrenzwert kann der Druck im Druckspeicher selbst nach Absetzen der ersten
Einspritzungen deutlich stabiler gehalten werden. Starke Einbrüche des Drucks im Druckspeicher und das damit verbundene unkomfortable Startverhalten können verhindert werden .
In einer Ausgestaltung des Verfahrens gemäß Anspruch 2 wird das Druckeinstellmittel derart angesteuert, dass während der Verzögerung der Druck im Druckspeicher bis zu einem Druckwert gesteigert wird, welcher unterhalb des Druckgrenzwertes liegt .
Diese Ausgestaltung des Verfahrens bietet den Vorteil, dass schon während der Verzögerung ein gewisser Druckaufbau im Druckspeicher stattfindet. Somit kann der Druck nach Ablauf der Verzögerungszeit schneller bis über den Druckgrenzwert gesteigert werden. Somit sind eine sehr schnelle Freigabe der Kraftstoffeinspritzung und ein schnellerer Start der Brennkraftmaschine möglich.
In weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens wird der Druckaufbau über den Druckgrenzwert gemäß Anspruch 3 um eine vorgegebene Anzahl von Drehzyklen der Brennkraftmaschine, gemäß Anspruch 4 um eine vorgegebene Zeitspanne und gemäß Anspruch 5 um eine vorgegebene Anzahl von Arbeitszyklen der Hochdruckpumpe verzögert. Dabei richtet sich die Ausgestaltung gemäß Anspruch 3 insbesondere auf Brennkraftmaschinen, bei denen die Kraftstoffpumpe mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist und durch diese angetrieben wird. Die Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 4 und 5 sind hingegen auch auf Brennkraftmaschinen anwendbar, bei denen die Hochdruckpumpe über einen eigenständigen Antrieb verfügt. In alles Fällen ist die
Verzögerung des Druckaufbaus auf einfache Weise steuerbar.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 6 wird die Dauer der Verzögerung in Abhängigkeit von einer Temperatur bestimmt. Die Viskositäten des Kraftstoffs und des eventuellen Hydraulikfluids sind temperaturabhängig. Bei tiefen Temperaturen muß die Verzögerung deshalb länger dauern als bei hohen Temperaturen.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 7 wird nach der Verzögerung das Druckeinstellmittel derart angesteuert, dass der Druckaufbau über den Druckgrenzwert maximal ist .
Diese Ausgestaltung des Verfahrens erlaubt einen schnellstmöglichen Druckanstieg im Druckspeicher über den Druckgrenzwert und somit eine schnelle Freigabe der Einspritzung. Dadurch kann der Startvorgang schnell durchgeführt werden.
Eine Steuervorrichtung gemäß dem Anspruch 8 ist derart ausgebildet, dass sie das Verfahren gemäß dem Anspruch 1 ausführen kann. Die Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 9 umfasst eine derartige Steuervorrichtung. In beiden Fällen wird auf die bezüglich Anspruch 1 genannten Vorteile verwiesen .
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer
Brennkraftmaschine,
Figur 2 eine schematische Darstellung einer
Hochdruckpumpe für den Kraftstoff,
Figuren 3A und 3B Diagramme zur Darstellung des Druckverlaufs im
Druckspeicher während des Startvorganges, Figur 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Durchführung eines Hochdruckstarts der Brennkraftmaschine .
In Figur 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 mit einem
Kraftstoffversorgungssystem schematisch dargestellt. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit ist die Darstellung stark vereinfacht ausgeführt.
Die Brennkraftmaschine 1 umfasst mindestens einen Zylinder 2 und einen in dem Zylinder 2 auf und ab bewegbaren Kolben 3. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst ferner einen Ansaugtrakt, in dem stromabwärts einer Ansaugöffnung 4 zum Ansaugen von Frischluft ein Luftmassensensor 5, eine Drosselklappe 6 sowie ein Saugrohr 7 angeordnet sind. Der Ansaugtrakt mündet in einem durch den Zylinder 2 und den Kolben 3 begrenzten Brennraum. Die zur Verbrennung nötige Frischluft wird über den Ansaugtrakt in den Brennraum eingeleitet, wobei die Frischluftzufuhr durch Öffnen und Schließen eines Einlassventils 8 gesteuert wird. Bei der hier dargestellten Brennkraftmaschine 1 handelt es sich um eine Brennkraftmaschine 1 mit Kraftstoffdirekteinspritzung, bei der der für die Verbrennung nötige Kraftstoff über ein Einspritzventil 9 unmittelbar in den Brennraum eingespritzt wird. Zur Zündung der Verbrennung dient eine ebenfalls in dem Brennraum ragende Zündkerze 10. Die Verbrennungsabgase werden über ein Auslassventil 11 in einen Abgastrakt der Brennkraftmaschine 1 abgeführt und mittels eines im Abgastrakt angeordneten Abgaskatalysators 12 gereinigt. Die Kraftübertragung an einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) geschieht über eine mit dem Kolben 3 gekoppelte Kurbelwelle 13. Die Brennkraftmaschine 1 verfügt ferner über einen Kühlmitteltemperatursensor 14 zur Erfassung der Kühlmitteltemperatur T, einen Drehzahlsensor 15 zur Erfassung der Drehzahl der Kurbelwelle 13 sowie einen
Abgastemperatursensor 16 zur Erfassung der Abgastemperatur. Der Brennkraftmaschine 1 ist ein Kraftstoffversorgungssystem zugeordnet, welches einen Kraftstofftank 17 sowie eine darin angeordnete Kraftstoffpumpe 18 aufweist. Der Kraftstoff wird mittels der Kraftstoffpumpe 18 über eine Versorgungsleitung 19 einem Druckspeicher 20 zugeführt. Dabei handelt es sich um einen gemeinsamen Druckspeicher 20, von dem aus die Einspritzventile 9 für mehrere Zylinder 2 mit druckbeaufschlagtem Kraftstoff versorgt werden. In der Versorgungsleitung 19 sind ferner ein Kraftstofffilter 21 und eine Hochdruckpumpe 22 angeordnet. Die Hochdruckpumpe 22 dient dazu, den durch die Kraftstoffpumpe 18 mit relativ niedrigem Druck (ca. 3 Bar) geförderten Kraftstoff dem Druckspeicher 20 mit hohem Druck zuzuführen (typischerweise bis zu 150 bar) . Die Hochdruckpumpe 22 wird dabei mittels eines eigenen Antriebs (nicht dargestellt), beispielsweise eines Elektromotors, oder durch entsprechende Koppelung mit der Kurbelwelle 13 angetrieben. Zur Steuerung des Drucks im Druckspeicher 20 ist an diesem ein Druckeinstellmittel 23, beispielsweise ein Drucksteuerventil oder ein Mengensteuerventil angeordnet, über welches der in dem Druckspeicher 20 befindliche Kraftstoff über eine Rückflussleitung 24 in die Versorgungsleitung 19 bzw. den Kraftstofftank 17 zurückfließen kann. Zur Überwachung des Drucks im Druckspeicher 20 ist ferner ein Drucksensor 25 vorgesehen.
Der Brennkraftmaschine 1 ist eine Steuervorrichtung 26 zugeordnet, welche über Signal- und Datenleitungen mit allen Aktuatoren und Sensoren verbunden ist. In der Steuervorrichtung 26 sind kennfeidbasierte
Motorsteuerungsfunktionen (KFl bis KF5) softwaremäßig implementiert. Basierend auf den Messwerten der Sensoren und den kennfeidbasierten Motorsteuerungsfunktionen werden Steuersignale an die Aktuatoren der Brennkraftmaschine 1 und des Kraftstoffversorgungssystems ausgesendet. So ist die
Steuervorrichtung 26 über die Daten- und Signalleitungen mit der Kraftstoffpumpe 18, dem Druckeinstellmittel 23, dem Drucksensor 25, dem Luftmassensensor 5, der Drosselklappe 6, der Zündkerze 10, dem Einspritzventil 9, dem
Kühlmitteltemperatursensor 14, dem Drehzahlsensor 15 und dem Abgastemperatursensor 16 gekoppelt. Ferner ist die Steuervorrichtung 26 mit anderen, in Figur 1 nicht dargestellten Sensoren und Aktuatoren, wie beispielsweise dem Anlasser, dem Gaspedal oder ABS-Sensoren verbunden.
In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Antriebseinheit 27 der Hochdruckpumpe 22 schematisch dargestellt. Die
Hochdruckpumpe 22 weist zwei durch einen Metallfaltenbalg 28 getrennte Bereiche auf. Dabei handelt es sich um einen kraftstoffseitigen Förderbereich 29 und einen ölseitigen Pumpbereich 30, welche in einem Gehäuse 31 der Hochdruckpumpe 22 ausgebildet sind. Der ölseitige Pumpbereich 30 weist einen Antriebsraum 32 auf, in dem eine Taumelscheibe 33 drehbar gelagert ist. Die Taumelscheibe 33 ist über geeignete Kopplungselemente, beispielsweise einem Antriebsriemen (nicht dargestellt) mit der Kurbelwelle 13 der Brennkraftmaschine 1 (hier nur schematisch dargestellt) gekoppelt, so dass es bei Drehung der Kurbelwelle 13 auch zu einer Drehung der Taumelscheibe 33 führt.
Der ölseitige Pumpbereich 30 weist ferner eine zylinderartige Bohrung 35 auf, in welcher ein kolbenartiger Stempel 36 hin und her verschieblich (Doppelpfeil) angeordnet ist. Der zylinderartige Stempel 36 ist mit einem an der Taumelscheibe 33 beweglich gelagerten Mitnahmeelement 37 derart gekoppelt, dass eine Drehung der Taumelscheibe 33 zu einer Hin- und Herbewegung des Stempels innerhalb der Bohrung 35 führt. Der gesamte ölseitige Pumpbereich 30 ist mit einem Betriebsöl gefüllt. Das Betriebsöl wird von einem Vorratsbehälter (nicht dargestellt) über eine Zuführleitung 38 in den Pumpbereich 30 geleitet und über eine Abführleitung 39 wieder in den Vorratsbehälter abgeführt. Das Betriebsöl dient dabei nicht nur zur Übertragung der Pumpenergie des Stempels 36 auf dem Metallfaltenbalg 28, sondern gewährleistet auch eine ausreichende Schmierung aller beweglichen Teile in dem ölseitigen Pumpbereich 30.
Der kraftstoffseitige Förderbereich 29 weist ein Pumpvolumen 40 auf, in dem sich der Metallfaltenbalg 28 kontrahieren und ausdehnen kann. Der Metallfaltenbalg 28 dient dabei der sicheren Abtrennung des ölseitigen Pumpbereichs 30 vom kraftstoffseitigen Förderbereich 29. Dadurch wird sichergestellt, dass es zu keiner Vermischung des Betriebsöls mit dem Kraftstoff kommt. Da der Innenraum des
Metallfaltenbalgs vollständig mit Betriebsöl gefüllt ist, wirkt dieses als Pneumatikfluid, so dass es bei der Hin- und Herbewegung des kolbenartigen Stempels zu einer entsprechenden Kontraktion bzw. Expansion des Metallfaltenbalgs im Pumpvolumen 40 kommt.
Wie oben schon erwähnt wurde, kommt es bei Drehung der Kurbelwelle 13 zu einer Rotation der Taumelscheibe 33 und zu einer Hin- und Herbewegung des kolbenartigen Stempels 36 in der Bohrung 35 des Pumpbereiches. Das als Pneumatikfluid dienende Betriebsöl bewirkt, dass durch die Pumpbewegung des kolbenartigen Stempels 36 in der Bohrung 35 der Metallfaltenbalg 28 innerhalb des Pumpvolumens im Förderbereich 29 kontrahiert und expandiert. Bei einer Kontraktion des Metallfaltenbalgs 28 (in Figur 2 in Pfeilrichtung nach rechts) kommt es somit zu einem Ansaugeffekt, wobei Kraftstoff über die tankseitige Versorgungsleitung 19 und ein Zuführventil 41 in das Pumpvolumen 40 angesaugt werden. Bei einer anschließenden Expansion des Metallfaltenbalgs schließt das Zuführventil 41 und der Kraftstoff wird über ein Abführventil 42 und über die druckspeicherseitige Versorgungsleitung 19 mit hohem Druck dem Druckspeicher 20 zugeführt. Die Hochdruckpumpe 22 bewirkt, dass der von der Kraftstoffpumpe 18 mit niedrigem Druck geförderte Kraftstoff dem Druckspeicher 20 mit hohem Druck zugeführt wird. Der Druckspeicher 20 dient dabei als Reservoir für mit Druck beaufschlagtem Kraftstoff. Bei längerem Stillstand der Brennkraftmaschine 1 läuft das Betriebsöl aus dem ölseitigen Pumpbereich 30 über die Abführleitung 39 in den Vorratsbehälter zumindest teilweise ab. Gleichzeitig kann es vorkommen, dass aus dem Pumpvolumen 40 im Pumpbereich 30 Kraftstoff bei einem längeren Stillstand der Brennkraftmaschine 1 entweder in Richtung des Druckspeichers 20 oder in Richtung des Kraftstofftanks 17 zurückfließt. In diesem Fall wäre das Pumpvolumen 40 nicht vollständig mit Kraftstoff gefüllt. Im vorher genannten Fall wäre der Antriebsraum 32 nicht vollständig mit Betriebsöl gefüllt. Bei einer Hochdruckpumpe 22 mit mehreren solchen Antriebseinheiten 27 kann es daher zu unterschiedlichen Füllständen an Betriebsöl im Pumpbereich 30 und Kraftstoff im Förderbereich 29 kommen. In diesem Zustand ist die
Hochdruckpumpe 22 nicht vollständig betriebsbereit und liefert nicht ihre volle Pumpleistung.
Bei einem Startvorgang der Brennkraftmaschine 1 wird die Kurbelwelle 13 mittels eines elektrischen Anlassers (nicht dargestellt) in Rotation versetzt. Durch die Drehung der Kurbelwelle 13 kommt es auch zu einer Drehung der Taumelscheiben in der Hochdruckpumpe 22 und somit zu einem Druckaufbau des Kraftstoffes im Druckspeicher 20. Zur Durchführung eines Hochdruckstarts bei der Brennkraftmaschine 1 mit Kraftstoff-Direkteinspritzung muss vor Absetzen der ersten Einspritzung in den Brennraum der Brennkraftmaschine 1 ein Druckgrenzwert überschritten werden. Der Druck im Druckspeicher 20 wird von der Steuervorrichtung 26 mittels des Drucksensors 25 überwacht. Erst bei Überschreiten des Druckgrenzwertes gibt die Steuervorrichtung 26 ein entsprechendes Signal zur Freigabe der ersten Einspritzung aus. Dadurch, dass die Hochdruckpumpe 22, wie oben erläutert, nach längerem Stillstand der Brennkraftmaschine 1 nicht sofort die volle Förderleistung erbringt, besteht die Gefahr eines verzögerten und unkomfortablen Startverhaltens der Brennkraftmaschine 1 beim Hochdruckstart. Dieses Problem wird anhand von Figur 3A näher erläutert.
In der Figur 3A ist der Druck p im Druckspeicher 20 über der Zeit t als Diagramm für ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zur Durchführung eines Hochdruckstarts dargestellt. Gemäß diesem Verfahren findet beim Andrehen der Kurbelwelle 13 durch den Anlasser zum Zeitpunkt tl ein sofortiger Druckaufbau im Druckspeicher 20 statt. Weist die Hochdruckpumpe 22 jedoch mehrere Antriebseinheiten 27, wie sie beispielhaft in Figur 2 dargestellt sind, auf, so können diese Antriebseinheiten 27 ungleichmäßig mit Betriebsöl bzw. mit Kraftstoff gefüllt sein. Dadurch kann es vorkommen, dass es unmittelbar nach der Drehung der Kurbelwelle 13 durch den Anlasser zunächst zu einem starken Druckanstieg im
Druckspeicher 20 über den Druckgrenzwert Pthres und somit zu einer schnellen Freigabe der ersten Einspritzung kommt. Da jedoch zu diesem Zeitpunkt noch nicht alle Antriebseinheiten 27 der Hochdruckpumpe 22 ihre volle Pumpleistung erreicht haben, kommt es unmittelbar nach der ersten Einspritzung zu einem erheblichen Druckabfall im Druckspeicher 20. Daher müssen nachfolgende Einspritzungen solange verzögert werden, bis der Druck p im Druckspeicher 20 wieder über den Druckgrenzwert Pthres aufgebaut wurde. Dies führt zu einem unkomfortablen Startverhalten und zu einem verlängerten Startvorgang.
Dieses Problem wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst. Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird anhand des Ablaufdiagramms in Figur 4 in Verbindung mit dem Diagramm der Figur 3B näher erläutert. Dabei ist in Figur 3B der Druck p im Druckspeicher 20 über der Zeit t dargestellt.
Das Verfahren wird in Schritt 100 beispielsweise bei Anschalten der Zündung der Brennkraftmaschine 1 gestartet. In einem Schritt 101 wird die Kühlmitteltemperatur T über den Kühlmitteltemperatursensor 14 erfasst. In Abhängigkeit von der ermittelten Kühltemperatur T wird in Schritt 102 eine Bedingung zur Beendigung der Verzögerung des Druckaufbaus im Druckspeicher 20 über den Druckgrenzwert Pthres ermittelt. Unter dieser Bedingung ist beispielsweise eine vorgegebene Zeitspanne nach Betätigung des Anlassers, eine vorgegebene Anzahl an Umdrehungen der Kurbelwelle 13 oder eine gewisse Anzahl an Arbeitszyklen der Hochdruckpumpe 22 zu verstehen. Die Abhängigkeit der Bedingung von der Temperatur T ist dadurch zu begründen, dass die Viskosität des Betriebsöls und auch des Kraftstoffes von der Temperatur abhängen. Bei tiefen Temperaturen kommt es daher zu einer längeren Verzögerung des Druckaufbaus und bei hohen Temperaturen zu sehr kurzen oder gar keiner Verzögerung des Druckaufbaus.
In einem Schritt 103 prüft die Steuervorrichtung 26, ob der
Anlasser betätigt wurde bzw. ob die Kurbelwelle 13 dreht. Ist dies zum Zeitpunkt tθ der Fall, steuert die Steuervorrichtung 26 das Druckeinstellmittel 23, d.h. das Mengensteuerventil oder das Drucksteuerventil, in Schritt 104 derart an, dass der Druck im Druckspeicher 20 solange unterhalb des Druckgrenzwertes Pthres bleibt, bis im Schritt 105 die vorgegebene Bedingung zur Beendigung der Verzögerung erfüllt ist .
Nach Erfüllung der Bedingung zum Zeitpunkt tl' steuert die Steuervorrichtung 26 das Druckeinstellmittel 23 in Schritt 106 derart an, dass es zu einem maximalen Druckaufbau im Druckspeicher 20 über den Druckgrenzwert Pthres kommt. Dadurch kommt es zu einer Freigabe der Einspritzung und der Hochdruckstart kann begonnen werden. In Schritt 107 wird das Verfahren beendet .
Durch die Verzögerung des Druckaufbaues im Druckspeicher 20 über den Druckgrenzwert Pthres kommt es zu einer verzögerten Freigabe der Einspritzung, wodurch sämtliche Einspritzventile 9 der Brennkraftmaschine 1 geschlossen bleiben. Dies wird dadurch realisiert, dass die Steuervorrichtung 26 das Drucksteuerventil bzw. das Mengensteuerventil derart einstellt, dass es zu einem Rückfluss von Kraftstoff aus dem Druckspeicher 20 in die Versorgungsleitung 19 bzw. in den Kraftstofftank 17 kommt (siehe Fig. 1) . Da die Kurbelwelle 13 während dieser Verzögerung durch den Anlasser gedreht wird, kommt es auch zu einem Betrieb der Hochdruckpumpe 22, bei dem alle Antriebseinheiten 27 zumindest einen Arbeitszyklus durchführen. Während der Verzögerung besteht demnach ausreichend Zeit, dass der ölseitige Pumpbereich 30 und der kraftstoffseitige Förderbereich 29 sämtlicher
Antriebseinheiten 27 der Hochdruckpumpe 22 vollständig mit Betriebsöl bzw. mit Kraftstoff gefüllt werden und somit die Hochdruckpumpe 22 ihre volle Betriebsbereitschaft und Förderleistung erreicht. Erst nach Erfüllung der Bedingung steuert die Steuervorrichtung 26 das Druckeinstellmittel 23 zum Zeitpunkt tl' derart an, dass es zu einem schnellen Druckaufbau innerhalb des Druckspeichers und zu einer schnellen Freigabe der ersten Einspritzung kommt. Dadurch, dass die Hochdruckpumpe 22 nun ihre volle Betriebsbereitschaft und Förderleistung erreicht hat, kommt es auch nach Absetzen der ersten Einspritzungen zu einem deutlich geringeren Druckeinbruch im Druckspeicher 20, so dass die nachfolgenden Einspritzungen schnell und sicher durchgeführt werden können. Dadurch wird das gesamte Startverhalten der Brennkraftmaschine 1 deutlich verbessert.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens ist in Figur 3B als gestrichelte Linie dargestellt. Danach kann die Steuervorrichtung 26 das Druckeinstellmittel 23 derart ansteuern, dass es während der Verzögerung des Druckaufbaus zu einem teilweisen Druckaufbau im Druckspeicher 20 kommt, wobei der Druck p im Druckspeicher 20 während der Verzögerung unterhalb des Druckgrenzwertes Pthres bleibt. Durch den teilweisen Druckaufbau ergibt sich der Vorteil, dass nach Erfüllung der Bedingung zur Beendigung der Verzögerung ein sehr schneller Druckaufbau über dem Druckgrenzwert Pthres und ein schneller Start der Brennkraftmaschine 1 möglich ist. Be zugs zeichenl i ste :
1 Brennkraftmaschine
2 Zylinder
3 Kolben
4 Ansaugöffnung
5 Luftmassensensor
6 Drosselklappe
7 Saugrohr
8 Einlassventil
9 Einspritzventil
10 Zündkerze
11 Auslassventil
12 Abgaskatalysator
13 Kurbelwelle
14 Kühlmitteltemperatursensor
15 Drehzahlsensor
16 Abgastemperatursensor
17 Kraftstofftank
18 Kraftstoffpumpe
19 Versorgungsleitung
20 Druckspeieher
21 Kraftstofffilter
22 Hochdruckpumpe
23 Druckeinstellmittel
24 Rückflussleitung
25 Drucksensor
26 Steuervorrichtung
27 Antriebseinheit
28 Metallfaltenbalg
29 Förderbereich
30 Pumpbereich
31 Gehäuse
32 Antriebsräum
33 Taumelscheibe
34 Kupplungselement
35 Bohrung Stempel
Mitnahmeelement
ZuführIeitung
Abführleitung
Pumpvolumen
Zuführventil
Abführventil

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Durchführung eines Hochdrucksstarts einer Brennkraftmaschine (1), bei der zum Fördern von Kraftstoff von einem Kraftstofftank (17) zu einem
Druckspeicher (20) eine Hochdruckpumpe (22) und zur Steuerung des Drucks im Druckspeicher (20) ein Druckeinstellmittel (23) verwendet wird, wobei die Hochdruckpumpe (22) vor Durchführung einer Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum der Brennkraftmaschine (1) betrieben wird, und das Druckeinstellmittel (23) derart angesteuert wird, dass während des Betriebs der Hochdruckpumpe (22) der Druckaufbau im Druckspeicher (20) über einen Druckgrenzwert PTHRES, bei dessen Überschreitung die
Kraftstoffeinspritzung freigegeben wird, verzögert wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Druckeinstellmittel (23) derart angesteuert wird, dass während der Verzögerung der Druck p im Druckspeicher (20) bis zu einem Druckwert gesteigert wird, welcher unterhalb des Druckgrenzwerts PTHRES liegt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Verzögerung eine vorgegebene Anzahl von Drehzyklen der
Brennkraftmaschine (1) anhält.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Verzögerung eine vorgegebene Zeitspanne anhält.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Verzögerung eine vorgegebene Anzahl von Arbeitszyklen der Hochdruckpumpe (22) anhält.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dauer der Verzögerung in Abhängigkeit von einer Temperatur bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei nach der Verzögerung das Druckeinstellmittel (23) derart angesteuert wird, dass der Druckaufbau über den Druckgrenzwert PTHRES maximal ist.
8. Steuervorrichtung (26) für eine Brennkraftmaschine (1), bei der zum Fördern von Kraftstoff von einem Kraftstofftank (17) zu einem Druckspeicher (20) eine Hochdruckpumpe (22) und zur Steuerung des Drucks p im Druckspeicher (20) ein Druckeinstellmittel (23) verwendet wird, wobei die Steuervorrichtung (26) derart ausgebildet ist, dass zur Durchführung eines Hochdruckstarts der Brennkraftmaschine (1) - die Hochdruckpumpe (22) vor Durchführung einer Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum der Brennkraftmaschine (1) betrieben wird, und das Druckeinstellmittel (23) derart angesteuert wird, dass während des Betriebs der Hochdruckpumpe (22) der Druckaufbau im Druckspeicher (20) über einen
Druckgrenzwert PTHRES, bei dessen Überschreitung die Kraftstoffeinspritzung freigegeben wird, verzögert wird.
9. Brennkraftmaschine (1) mit einer Steuervorrichtung (26) nach Anspruch 8.
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