WO2015007446A1 - Verfahren zum betreiben eines kraftstoffeinspritzsystems eines verbrennungsmotors - Google Patents

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Hans Riepl
Tobias Ritsch
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Continental Automotive Gmbh
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    • F02D1/02—Controlling fuel-injection pumps, e.g. of high pressure injection type not restricted to adjustment of injection timing, e.g. varying amount of fuel delivered
    • F02D1/06—Controlling fuel-injection pumps, e.g. of high pressure injection type not restricted to adjustment of injection timing, e.g. varying amount of fuel delivered by means dependent on pressure of engine working fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a fuel injection system of an internal combustion engine, which has a high-pressure accumulator (rail) and a fuel in the high-pressure accumulator-promoting high-pressure fuel pump with digital inlet valve.
  • the high-pressure accumulator (rail), they also have a high-pressure fuel pump for generating the necessary pressure.
  • fuel is supplied from a fuel tank by a prefeed pump of the high-pressure pump, which promotes the fuel under high pressure to the high-pressure accumulator.
  • the injection injectors are fed via the high-pressure accumulator (rail).
  • Such digital A ⁇ outlet valves are electromagnetically operated.
  • the intake valve is opened so that the piston of the high pressure pump can suck fuel into the cylinder.
  • the inlet valve is closed and the piston of the high pressure pump forces fuel into the high pressure system.
  • the intake valve is electrically open during suction. held and deactivated in the ejection phase when a promotion is desired.
  • the present invention has for its object to provide a method for operating a fuel injection system of the type described available, which enables a simple low-noise operation of the high-pressure fuel pump by simple means.
  • the number of drive pulses to the digital intake valve on the high pressure pump is reduced compared to the number of injections, resulting in a reduction in noise emission by the digital intake valve and a reduction in power demand by the driver. Due to the switching frequency reduction, the number of load cycles (number of valve movements over the lifetime) is also reduced, which likewise has a positive effect on the durability of the high-pressure pump or of the inlet valve.
  • Experimental ⁇ technically it was found that already by the saving of a switching operation compared to the known injection-synchronous operation of the intake valve, a noise reduction of about 4 dB (A) is achieved.
  • the number of drive pulses is reduced, taking into ⁇ schreibung by adhering depending on emission limits of the engine rail pressure limit value or rail pressure range.
  • the number of drive pulses for the digital inlet valve and thus the number of pump delivery strokes is only reduced so far compared to the number of injection operations that a rail pressure limit or rail pressure range is maintained, resulting from emission limit values of the internal combustion engine results.
  • emission limit values for example those from the exhaust gas legislation (EU4, EU5, EU6 etc.), and the resulting rail pressure limit values or rail pressure ranges are known or can be calculated or determined experimentally.
  • combustion investigations with diesel common-rail injection Systems that an engine-dependent deviation of up to 16% from the pressure set point may be allowed to reach the current emission limit (EU6).
  • the procedure according to the invention can be successively increased during operation of the internal combustion engine until the corresponding rail pressure limit value or the lower limit of the rail pressure range is reached, after which the intake valve is actuated again to start again with the promotion.
  • the number of drive pulses is preferably from ⁇ dependence on the operating state of the engine and thus may reduce the required injection quantity and / or before ⁇ handenen leakage.
  • the number of drive pulses is reduced at idle or in partial load.
  • the high-pressure pump is specifically controlled in such a way that, after the number of drive pulses has been reduced, a larger quantity of fuel is conveyed in order to compensate for the pressure loss.
  • the rail pressure limit value or rail pressure range to be maintained for each internal combustion engine is determined experimentally in its development phase.
  • the digital A ⁇ inlet valve of the high pressure pump is then driven so that at least a switching operation of the intake valve is saved, is without the rail pressure limit value tentatively technically determined or the corresponding rail pressure range below or leave.
  • the method according to the invention is preferably carried out only in certain parts of the engine map, such as during idling or under partial load.
  • a corresponding engine map is expediently implemented in the engine control device.
  • the rail pressure control strategy according to the invention can be carried out ⁇ the.
  • a pressure drop caused by the injection is precalculated and thereby a rail pressure limit value or
  • the injection quantity calculated by the engine control device can be determined by the physical relationship
  • Pressure drop Compression modulus of the fuel x Vo ⁇ lumen change in the high pressure / total high pressure volume of the pressure reduction can be precalculated by the injection.
  • the corresponding engine-specific data, such as high-pressure volume, and fuel-specific data are stored in the engine control unit.
  • the method according to the invention can also be used in an injection system in which the high-pressure fuel pump has a digital outlet valve in addition to the digital inlet valve.
  • the digital outlet valve is activated analogously to the digital inlet valve.
  • a combination of the inventive method with best ⁇ Henden noise reduction measures, such as the WHI Spering function to control the digital inlet valve of the high pressure pump is possible.
  • the method according to the invention will be explained in detail below with reference to an exemplary embodiment.
  • the single figure shows a schematic block diagram of the individual process steps.
  • step 1 of the process according to the invention is technically worms ⁇ determines a limit value for the rail pressure to which the rail pressure can drop, without this corresponding emission limits of exhaust gas regulations, for example EU 6, are exceeded.
  • the corresponding limit value or limit range for the rail pressure is stored in the engine control device. Furthermore, in step 2, a corresponding characteristic field is implemented as a function of, for example, the engine speed and the injection quantity, etc., in order to enable a changeover to the rail pressure regulation strategy according to the invention.
  • the fuel injection system or the entspre ⁇ sponding vehicle is in step 3 of the process according to the invention, for example when the engine is idling, on switched over the rail pressure control strategy according to the invention.
  • the fuel delivery through the high-pressure pump ie the activation of the digital inlet valve of the high-pressure pump, is suspended until the stored rail pressure limit value is reached.
  • This may, for example, be one, two or more delivery strokes, so that one, two or more switching operations for the intake valve are eliminated.
  • the re ⁇ al are the rail pressure strategy according to the invention by deactivating the inlet valve until reaching the
  • step 5 When the stored rail pressure limit is reached, the high pressure pump's digital inlet valve is reactivated and a relatively larger amount of fuel is delivered to the rail to more quickly equalize the pressure loss created. This is shown in step 5.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Verbrennungsmotors beschrieben. Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst einen Hochdruckspeicher (Rail) und eine Kraftstoff in den Hochdruckspeicher fördernde Kraftstoffhochdruckpumpe mit digitalem Einlassventil. Die Zahl der Ansteuerpulse für das digitale Einlassventil und damit die Zahl der Pumpenförderhübe gegenüber der Zahl der Einspritzvorgänge eines Injektors des Einspritzsystems wird reduziert, um auf diese Weise die Geräuschentwicklung und den Energieverbrauch zu verringern.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Verbrennungsmotors
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Verbrennungsmotors, das einen Hochdruckspeicher (Rail) und eine Kraftstoff in den Hochdruckspeicher fördernde Kraftstoffhochdruckpumpe mit di- gitalem Einlassventil aufweist.
Derartige Kraftstoffeinspritzsysteme finden in modernen Benzin¬ oder Dieselmotoren Verwendung. Sie weisen neben den Ein- spritzinj ektoren, dem Hochdruckspeicher (Rail) auch eine Kraftstoffhochdruckpumpe zur Erzeugung des notwendigen Drucks auf. Hierbei wird Kraftstoff aus einem Kraftstofftank von einer Vorförderpumpe der Hochdruckpumpe zugeführt, die den Kraftstoff unter hohem Druck zum Hochdruckspeicher fördert. Die Ein- spritzinj ektoren werden über den Hochdruckspeicher (Rail) gespeist.
In modernen Einspritzsystemen finden Kraftstoffhochdruckpumpen mit digitalen Einlassventilen Verwendung. Als digitales Einlassventil wird hier ein solches bezeichnet, das lediglich eine Auf- oder Zu-Stellung einnimmt und nicht zur Einnahme von
Zwischenstellungen angesteuert wird. Derartige digitale Ein¬ lassventile werden elektromagnetisch betätigt. In der Einlassphase wird das Einlassventil geöffnet, so dass der Kolben der Hochdruckpumpe Kraftstoff in den Zylinder saugen kann. In der Förderphase wird das Einlassventil geschlossen, und der Kolben der Hochdruckpumpe drückt Kraftstoff in das Hochdrucksystem.
Bei anderen Ausführungsformen (stromlos geschlossenes Ventil D/V) wird das Einlassventil beim Ansaugen elektrisch offen- gehalten und in der Ausstoßphase deaktiviert, wenn eine Förderung gewünscht wird.
Für die Betätigung eines derartigen digitalen Einlassventils wird elektrische Energie benötigt. Weiterhin wird aufgrund des Öffnens/Schließens des digitalen Einlassventils ein Schalt¬ geräusch erzeugt. Derartige Geräuschemissionen sind unerwünscht. Auch besteht generell ein Interesse daran, den
Energieverbrauch von solchen Einspritzsystemen zu senken.
Zur Verringerung der Geräuschemissionen aufgrund der Ansteuerung und damit des Schließens und/oder Öffnens eines digitalen Einlassventils sind bestimmte Verfahren bekannt. Ein Beispiel hierfür besteht darin, ein spezielles Stromprofil zur An- Steuerung des digitalen Einlassventils zu verwenden. Dieses Verfahren ist relativ aufwendig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems der eingangs geschilderten Art zur Verfügung zu stellen, das mit einfachen Mitteln einen besonders geräuscharmen Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe ermöglicht .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art dadurch gelöst, dass die Zahl der Ansteuerpulse für das digitale Einlassventil und damit der Zahl der Pum- penförderhübe gegenüber der Zahl der Einspritzvorgänge eines Injektors des Einspritzsystems reduziert wird. Bei den vorstehend beschriebenen Kraftstoffeinspritzsystemen erfolgt die Förderung der Kraftstoffhochdruckpumpe üblicher¬ weise synchron zur Einspritzung, d.h. auf jede Einspritzung erfolgt oder verläuft zeitgleich ein Pumpenförderhub, der den Mengenverlust durch die Einspritzung und eventuell vorhandene Leckagen ausgleicht. Hiervon wird nunmehr bei dem erfindungsgemäßen Verfahren abgewichen. Erfindungsgemäß wird gezielt eine nichteinspritzsynchrone Pumpenförderung durchgeführt. Mit anderen Worten, die Zahl der Ansteuerpulse für das digitale Einlassventil an der Hochdruckpumpe wird im Vergleich zur Zahl der Einspritzvorgänge reduziert, was zu einer Verringerung der Geräuschemission durch das digitale Einlassventil und zu einer Reduzierung des Energiebedarfes durch die Ansteuerung führt. Durch die Schalthäufigkeitsreduzierung wird zudem die Last- spielzahl (Zahl der Ventilbewegungen über die Lebenszeit) vermindert, was sich ebenfalls positiv auf die Haltbarkeit der Hochdruckpumpe bzw. des Einlassventils auswirkt. Versuchs¬ technisch wurde festgestellt, dass sich bereits durch die Einsparung eines Schaltvorganges gegenüber der bekannten einspritzsynchronen Betätigung des Einlassventils eine Geräuschreduzierung von etwa 4 dB (A) erreicht wird.
Vorzugsweise wird die Zahl der Ansteuerpulse unter Berück¬ sichtigung eines in Abhängigkeit von Emissionsgrenzwerten des Verbrennungsmotors einzuhaltenden Raildruckgrenzwertes bzw. Raildruckbereiches reduziert.
Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird berücksichtigt, dass die Zahl der Ansteuerpulse für das digitale Einlassventil und damit die Zahl der Pumpenförderhübe gegenüber der Zahl der Einspritzvorgänge nur so weit reduziert wird, dass hierdurch ein Raildruckgrenzwert oder Raildruckbereich eingehalten wird, der sich aus Emissionsgrenzwerten des Verbrennungsmotors ergibt. Solche Emissionsgrenzwerte, bei- spielsweise solche aus der Abgasgesetzgebung (EU4, EU5, EU6 etc.), und die daraus resultierenden Raildruckgrenzwerte oder Raildruckbereiche sind bekannt oder können berechnet oder versuchstechnisch ermittelt werden. Beispielsweise zeigen Verbrennungsuntersuchungen mit Diesel-Common-Rail-Einspritz- Systemen, dass eine motorabhängige Abweichung von bis zu 16 % vom Drucksetpunkt zur Erreichung der aktuellen Emissionsgrenze (EU6) zulässig sein kann. Wenn ein solcher Raildruckgrenzwert oder Raildruckbereich ermittelt worden ist, kann erfindungsgemäß so vorgegangen werden, dass im Betrieb des Verbrennungsmotors die Zahl der eingesparten Ansteuerpulse sukzessive erhöht wird, bis der entsprechende Raildruckgrenzwert oder die Untergrenze des Raildruckbereiches erreicht ist, wonach das Einlassventil wieder angesteuert wird, um erneut mit der Förderung zu beginnen.
Hierbei wird die Zahl der Ansteuerpulse vorzugsweise in Ab¬ hängigkeit von dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors und damit der geforderten Einspritzmenge und/oder eventuell vor¬ handenen Leckage reduziert. Beispielsweise wird die Zahl der Ansteuerpulse im Leerlauf oder in Teillast verringert.
Die Hochdruckpumpe wird speziell so angesteuert, dass nach der Reduzierung der Zahl der Ansteuerpulse eine im Vergleich größere Kraftstoffmenge gefördert wird, um den Druckverlust auszu- gleichen.
Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der einzuhaltende Raildruckgrenzwert oder Raildruckbereich für jeden Verbrennungsmotor in dessen Ent- wicklungsphase versuchstechnisch bestimmt. Im nachfolgenden Betrieb des Verbrennungsmotors wird dann das digitale Ein¬ lassventil der Hochdruckpumpe so angesteuert, dass mindestens ein Schaltvorgang des Einlassventils eingespart wird, ohne dass der versuchstechnisch ermittelte Raildruckgrenzwert oder der entsprechende Raildruckbereich unterschritten bzw. verlassen wird . n
5
Wie bereits erwähnt, wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugweise nur in bestimmten Teilen des Motorkennfeldes, wie im Leerlauf oder unter Teillast, durchgeführt. Um eine Umschaltmöglichkeit vorzusehen, mit der von einer einspritzsynchronen Ansteuerung des Einlassventils zu einer nichteinspritzsynchronen Ansteuerung umgeschaltet werden kann, wird zweckmäßigerweise ein entsprechendes Motorkennfeld in der Motorsteuereinrichtung implementiert. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Raildruckregelungsstrategie ausgeführt wer¬ den .
Bei einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein durch die Einspritzung bewirkter Druckabfall vorausberechnet und hierdurch ein einzuhaltender Raildruckgrenzwert oder
Raildruckbereich festgelegt, oberhalb bzw. innerhalb von dem die Pumpenförderung durch Reduzierung der Ansteuerpulse zeitweise deaktiviert wird. Hierbei kann über die von der Motorsteuer¬ einrichtung berechnete Einspritzmenge durch die physikalische Beziehung
Druckabfall = Kompressionsmodul des Kraftstoffes x Vo¬ lumenänderung im Hochdruck/gesamtes Hochdruckvolumen der Druckabbau durch die Einspritzung vorausberechnet werden. Die entsprechenden motorspezifischen Daten, wie Hochdruckvolumen, und kraftstoffspezifischen Daten werden dabei in der Motorsteuereinrichtung hinterlegt . Durch die entsprechende Deaktivierung des digitalen Einlass¬ ventils werden die Geräuschemissionen in entsprechend relevanten Betriebszuständen, vor allem im Leerlauf, reduziert. Ferner wird hierdurch zur Verringerung des Energiebedarfes beigetragen. Die Anzahl der Ventilschaltungen über die Lebensdauer nimmt ebenfalls ab.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei einem Ein- spritzsystem Anwendung finden, bei dem die Kraftstoffhochdruckpumpe zusätzlich zum digitalen Einlassventil ein digitales Auslassventil aufweist. Hierbei wird das digitale Auslassventil analog zum digitalen Einlassventil angesteuert. Eine Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit beste¬ henden Geräuschminderungsmaßnahmen, beispielsweise der Whi- spering-Funktion, zur Ansteuerung des digitalen Einlassventils der Hochdruckpumpe ist möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles im Einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockdiagramm der einzelnen Verfahrensschritte . In Schritt 1 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird versuchs¬ technisch ein Grenzwert für den Raildruck ermittelt, bis zu dem der Raildruck absinken kann, ohne dass hierdurch entsprechende Emissionsgrenzwerte aus der Abgasgesetzgebung, beispielsweise EU6, überschritten werden. Der entsprechende Grenzwert bzw. Grenzbereich für den Raildruck wird in der Motorsteuereinrichtung hinterlegt. Ferner wird in Schritt 2 ein entsprechendes Kennfeld in Abhängigkeit von beispielsweise der Motordrehzahl und der Einspritzmenge etc. implementiert, um eine Umschaltung auf die erfindungsgemäße Raildruckregelungsstrategie zu er- möglichen.
Im Betrieb des Kraftstoffeinspritzsystems bzw. des entspre¬ chenden Fahrzeuges wird in Schritt 3 des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn sich der Motor z.B. im Leerlauf befindet, auf die erfindungsgemäße Raildruckregelungsstrategie umgeschaltet. Hierbei wird die Kraftstoffförderung durch die Hochdruckpumpe, d.h. das Ansteuern des digitalen Einlassventils der Hochdruckpumpe, so lange ausgesetzt, bis der hinterlegte Rail- druckgrenzwert erreicht ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein, zwei oder mehr Förderhübe handeln, so dass ein, zwei oder mehr Schaltvorgänge für das Einlassventil entfallen. Das Re¬ alisieren der erfindungsgemäßen Raildruckstrategie durch Deaktivieren des Einlassventils bis zum Erreichen des
Raildruckgrenzwertes findet in Schritt 4 statt.
Wenn der hinterlegte Grenzwert für den Raildruck erreicht ist, wird das digitale Einlassventil der Hochdruckpumpe wieder aktiviert, und es wird eine im Vergleich größere Menge Kraftstoff in das Rail gefördert, um den entstandenen Druckverlust rascher auszugleichen. Dies ist in Schritt 5 dargestellt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Verbrennungsmotors, das einen Hochdruckspeicher (Rail) und eine Kraftstoff in den Hochdruckspeicher fördernde Kraftstoffhochdruckpumpe mit digitalem Ein¬ lassventil aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Ansteuerpulse für das digitale Einlassventil und damit die Zahl der Pumpenförderhübe gegenüber der Zahl der Einspritzvorgänge eines Injektors des Einspritzsystems reduziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Ansteuerpulse unter Berücksichtigung eines in Abhängigkeit von Emissionsgrenzwerten des Verbrennungs¬ motors einzuhaltenden Raildruckgrenzwertes oder
Raildruckbereiches reduziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Ansteuerpulse in Abhängigkeit vom Be¬ triebszustand des Verbrennungsmotors und damit der ge¬ forderten Einspritzmenge und/oder eventuell vorhandenen Leckage reduziert wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe so angesteuert wird, dass nach der Reduzierung der Zahl der Ansteuerpulse eine im Vergleich größere Kraftstoffmenge gefördert wird, um den Druckverlust auszugleichen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der einzuhaltende Raildruckgrenzwert oder Raildruckbereich für den bzw. jeden Verbrennungsmotor in dessen Entwicklungsphase versuchstechnisch bestimmt wird .
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es nur in bestimmten Teilen des Motorkennfeldes, wie im Leerlauf oder unter Teillast, durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein entsprechendes Motorkennfeld in der Motorsteuereinrichtung zur Umschaltung der Raildruckregelungsstrategie von einspritzsynchron auf nichteinspritzsynchron implementiert wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Einspritzung bewirkter Druckabfall vorausberechnet wird und hierdurch ein ein¬ zuhaltender Raildruckgrenzwert oder Raildruckbereich festgelegt wird, oberhalb bzw. innerhalb von dem die Pumpenförderung durch Reduzierung der Ansteuerpulse zeitweise deaktiviert wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche für ein Einspritzsystem, bei dem die Kraftstoffhochdruckpumpe zusätzlich zum digitalen Einlassventil ein digitales Auslassventil aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Auslassventil analog zum digitalen Einlassventil angesteuert wird.
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