Stand der Technik
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine
insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem eine Kraftstoffpumpe eine Fördermenge Kraftstoff
aus einem Kraftstoffspeicher mit einem Vordruck zu einer Zumesseinheit pumpt, wobei
die Zumesseinheit eine Hochdruckpumpe mit einer Kraftstoffmenge versorgt, die von
der Zumesseinheit in Abhängigkeit einer Ansteuergröße eingestellt wird.
[0002] Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine,
das zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens geeignet ist.
[0003] Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine, die zur Durchführung
des vorstehend genannten Verfahrens geeignet ist.
[0004] Ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art ist bekannt und wird bspw. in Kraftstoffversorgungssystemen
eingesetzt, bei denen Kraftstoff mittels einer Hochdruckpumpe in einen Druckspeicher
gefördert wird, wobei der Druckspeicher zur gemeinsamen Versorgung mehrerer Einspritzventile
mit Kraftstoff dient. Solche Kraftstoffversorgungssysteme werden auch als Common-Rail-Systeme
bezeichnet.
[0005] Die Hochdruckpumpe eines Common-Rail-Systems wird saugseitig von einer Kraftstoffpumpe
mit einer im folgenden als Fördermenge bezeichneten Kraftstoffmenge aus einem Kraftstoffspeicher
versorgt. Zur Steuerung der von der Hochdruckpumpe in den Druckspeicher zu pumpenden
Kraftstoffmenge wird eine zwischen Kraftstoffpumpe und Hochdruckpumpe befindliche
Zumesseinheit mit einer Ansteuergröße angesteuert.
[0006] Die Fördermenge setzt sich aus drei Teilmengen zusammen. Den ersten Teil der Fördermenge
bildet die Kraftstoffmenge, die von der Hochdruckpumpe in den Druckspeicher zu pumpen
ist. Sie hängt vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ab.
[0007] Der zweite Teil der Fördermenge wird zur Schmierung und Kühlung der zumeist mechanisch
ausgeführten Hochdruckpumpe benötigt und ist im wesentlichen konstant. Über die Lebensdauer
der Hochdruckpumpe kann aber aufgrund von Abnutzungseffekten eine Erhöhung des Schmier-
und Kühlmengenbedarfs auftreten.
[0008] Der dritte Teil der Fördermenge wird für die sog. Zulaufdrucksteuerung der Hochdruckpumpe
benötigt, die bewirkt, dass Kraftstoff erst dann in die Hochdruckpumpe strömen kann,
wenn an der Saugseite der Hochdruckpumpe ein gewisses, durch die Zulaufdrucksteuerung
vorgegebenes, Druckniveau erreicht ist. In der weiteren Beschreibung wird der Kraftstoffdruck
an der Saugseite der Hochdruckpumpe als Vordruck bezeichnet.
[0009] Über die Lebensdauer der Kraftstoffpumpe kann durch Verschleiß eine wesentliche Erhöhung
des Fördermengenbedarfs auftreten. Daher muss bei statischer Ansteuerung der Kraftstoffpumpe
die Leistung der Kraftstoffpumpe so eingestellt bzw. die Kraftstoffpumpe so ausgelegt
werden, dass sie mindestens fähig ist, die zur Versorgung der Hochdruckpumpe erwartungsgemäß
maximal erforderliche Fördermenge und den erwartungsgemäß maximal erforderlichen Vordruck
während der gesamten Lebensdauer unter allen Betriebsbedingungen und unter Berücksichtigung
von Alterung und Toleranzen des gesamten Einspritzsystems ständig aufzubringen.
[0010] Zur Berechnung der maximal erforderlichen Fördermenge ist der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
mit dem größten Kraftstoffbedarf zu betrachten. Weiterhin müssen Mengenreserven für
einen alterungsbedingt erhöhten Schmierund Kühlmengenbedarf der Hochdruckpumpe mit
einbezogen werden.
[0011] Der Verschleiß der Kraftstoffpumpe muss bei der Ermittlung des maximal erforderlichen
Vordrucks berücksichtigt werden.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
[0012] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Belastung der Kraftstoffpumpe verringert
und damit deren Lebensdauer erhöht wird.
[0013] Ausgehend von einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine insbesondere eines
Kraftfahrzeugs, bei dem eine Kraftstoffpumpe eine Fördermenge Kraftstoff aus einem
Kraftstoffspeicher mit einem Vordruck zu einer Zumesseinheit pumpt, wobei die Zumesseinheit
eine Hochdruckpumpe mit einer Kraftstoffmenge versorgt, die von der Zumesseinheit
in Abhängigkeit einer Ansteuergröße eingestellt wird, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß
dadurch gelöst, dass die Kraftstoffpumpe in Abhängigkeit der Ansteuergröße angesteuert
wird.
[0014] Dadurch ist es möglich, die Fördermenge bzw. den Vordruck der Kraftstoffpumpe zu
beeinflussen, so dass nicht - wie bei statischer Ansteuerung der Kraftstoffpumpe -
dauernd ein maximaler Vordruck erzeugt und eine maximale Fördermenge von der Kraftstoffpumpe
geliefert werden muss, die meistens ungenutzt in den Kraftstoffspeicher zurückläuft.
Statt dessen fördert die Kraftstoffpumpe nur die für den Betrieb der Brennkraftmaschine
erforderliche Kraftstoffmenge und erzeugt nur den erforderlichen Vordruck, wodurch
die Leistungsaufnahme der Kraftstoffpumpe sinkt. Ein weiterer Vorteil besteht darin,
dass zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens kein zusätzlicher Niederdrucksensor
zur Erfassung des Vordrucks erforderlich ist.
[0015] Ganz besonders vorteilhaft ist eine dynamische Anpassung der Fördermenge und/oder
des Vordrucks an den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, durch die sich die mittlere
Belastung der Kraftstoffpumpe verringert. Dies führt zu einer höheren Lebensdauer
der Kraftstoffpumpe.
[0016] Unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es deshalb denkbar, die Kraftstoffpumpe
bei gleicher Leistung weniger robust auszulegen, um Produktionskosten und Gewicht
zu sparen und zugleich eine zu herkömmlichen Systemen vergleichbare Lebensdauer zu
erhalten.
[0017] Es ist umgekehrt auch möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herkömmliche Kraftstoffpumpen
mit einer gesteigerten Fördermenge zu betreiben.
[0018] Vorteilhaft ist auch der geringere Filterdurchsatz, wodurch die Versulzung verwendeter
Kraftstoffilter aufgrund von Paraffinausscheidung beim Betrieb bei sehr niedrigen
Kraftstofftemperaturen verkleinert werden kann.
[0019] Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch
gekennzeichnet, dass unter Verwendung einer ersten Kennlinie von der Ansteuergröße
der Zumesseinheit auf die Fördermenge und unter Verwendung einer zweiten Kennlinie
von der Ansteuergröße der Zumesseinheit auf den Vordruck geschlossen wird.
[0020] Unter Kenntnis dieser Fördermenge und dieses Vordrucks kann gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung mit einem Kennfeld der Kraftstoffpumpe ein Ansteuerwert
zur Ansteuerung der Kraftstoffpumpe ermittelt werden. Dieser Ansteuerwert hängt von
der Ansteuergröße der Zumesseinheit und von der ersten und zweiten Kennlinie ab.
[0021] Das Kennfeld umfasst aus einem Fördermengenwert und einem Vordruckwert bestehende
Wertepaare, denen durch das Kennfeld jeweils ein Ansteuerwert für die Ansteuerung
der Kraftstoffpumpe zugeordnet ist. Dieser Ansteuerwert ermöglicht eine gezielte Ansteuerung
der Kraftstoffpumpe derart, dass sich ein diesem Ansteuerwert zugrunde liegendes Wertpaar
bestehend aus Fördermenge und Vordruck einstellt.
[0022] Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das
Kennfeld während des Betriebs der Brennkraftmaschine, z.B. bei/nach dem Start der
Brennkraftmaschine abgeglichen wird. Dadurch ist es möglich, die in dem Kennfeld enthaltene
Zuordnung nachträglich anzupassen.
[0023] Die Kraftstoffpumpe kann gemäß einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
als Elektrokraftstoffpumpe ausgebildet sein und durch ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal
angesteuert werden.
[0024] Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in
Form eines Computerprogramms, das für ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine, insbesondere
eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen ist. Dabei ist das Computerprogramm insbesondere
auf einem Mikroprozessor ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignet. In diesem Fall wird also die Erfindung durch das Computerprogramm realisiert,
so dass dieses Computerprogramm in gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das
Verfahren, zu dessen Ausführung das Computerprogramm geeignet ist. Das Computerprogramm
kann auf einem elektrischen Speichermedium abgespeichert sein, bspw. auf einem Flash-Memory
oder einem Read-Only-Memory.
[0025] Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in
den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten
Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig
von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig
von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
Ausführungsbeispiel der Erfindung
[0026]
- Figur 1
- zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Kraftstoffversorgungssystems einer erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, und
- Figur 2
- zeigt in einem Ablaufplan eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
[0027] In der Fig. 1 ist ein Kraftstoffversorgungssystem 10 einer Brennkraftmaschine dargestellt.
Das Kraftstoffversorgungssystem 10 wird üblicherweise auch als Common-Rail-System
bezeichnet und ist zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in die Brennräume der
Brennkraftmaschine unter Hochdruck geeignet.
[0028] Der Kraftstoff wird aus einem Kraftstoffspeicher 11 über ein erstes Filter 12 von
einer Kraftstoffpumpe 13 angesaugt. Bei der Kraftstoffpumpe 13 kann es sich bspw.
um eine elektrische Kraftstoffpumpe handeln.
[0029] Der von der Kraftstoffpumpe 13 angesaugte Kraftstoff wird über ein zweites Filter
14 zu einer Zumesseinheit 15, einem Kühl- und Schmierstromzweig 28 und einem Überströmbereich
22 gefördert. Die Zumesseinheit 15 kann z. B. als magnetgesteuertes Proportionalventil
ausgebildet sein.
[0030] Der Zumesseinheit 15 ist eine Hochdruckpumpe 16 nachgeordnet. Üblicherweise werden
mechanische Pumpen als Hochdruckpumpe 16 eingesetzt, die direkt oder auch über ein
Getriebe von der Brennkraftmaschine angetrieben werden.
[0031] Die Hochdruckpumpe 16 ist mit einem Druckspeicher 17 verbunden, der häufig auch als
Rail bezeichnet wird. Dieser Druckspeicher 17 steht über Kraftstoffleitungen mit Einspritzventilen
18 in Kontakt. Über diese Einspritzventile 18 wird der Kraftstoff in die Brennräume
der Brennkraftmaschine eingespritzt. Ein Drucksensor 19 ist mit dem Druckspeicher
17 gekoppelt.
[0032] Ein Steuergerät 20 ist vorgesehen, das von einer Mehrzahl von Eingangssignalen beaufschlagt
ist. Bei diesen Eingangssignalen kann es sich um ein aus der Gaspedalstellung abgeleitetes
angefordertes Motormoment M der Brennkraftmaschine oder die Motortemperatur T der
Brennkraftmaschine handeln. Ebenfalls kann es sich dabei um den Druck innerhalb des
Druckspeichers 17 handeln, der von dem Drucksensor 19 gemessen wird. In Abhängigkeit
von den Eingangssignalen erzeugt das Steuergerät 20 eine Mehrzahl von Ausgangssignalen.
Dabei kann es sich bspw. um ein Signal zur Ansteuerung der Kraftstoffpumpe 13 oder
um ein Signal zur Ansteuerung der Zumesseinheit 15 handeln.
[0033] Nachfolgend wird die Funktionsweise des in Fig. 1 dargestellten Kraftstoffversorgungssystems
10 erläutert.
[0034] Der Kraftstoff, der sich im Kraftstoffspeicher 11 befindet, wird von der Kraftstoffpumpe
13 angesaugt und zur Zumesseinheit 15 gefördert. Der Druck in diesem Bereich des Kraftstoffversorgungssystems
10 liegt üblicherweise in einem Bereich von etwa 2 bar bis etwa 5 bar relativ und
wird im Folgenden als Vordruck bezeichnet.
[0035] Die Zumesseinheit 15 gibt eine durch die Ansteuergröße A_Z vom Steuergerät 20 vorgegebene
Kraftstoffmenge an die Saugseite der Hochdruckpumpe 16 weiter. Diese Kraftstoffmenge
wird dann von der Hochdruckpumpe 16 in den Druckspeicher 17 gefördert, um von dort
über die Einspritzventile 18 in die jeweiligen Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt
zu werden.
[0036] Zusätzlich zu der für die Einspritzung bestimmten Kraftstoffmenge muss die Kraftstoffpumpe
13 eine gewisse Kraftstoffmenge zur Schmierung/Kühlung der Hochdruckpumpe 16 liefern.
Diese zusätzliche Kraftstoffmenge wird der Hochdruckpumpe 16 von der Kraftstoffpumpe
13 über den Kühlund Schmierstromzweig 28 zugeführt. Ein Rücklauf dieser Schmier- und
Kühlmengen in den Kraftstoffspeicher 11 ist über die Rückleitung 30 möglich. Eine
zur Einstellung des Vordrucks erforderliche Überströmmenge wird, wie bereits angesprochen,
dem Überströmbereich 22 zugeführt. Auch die Überströmmenge wird über die Rückleitung
30 in den Kraftstoffspeicher 11 zurückgeführt.
[0037] Zur Anpassung der von der Kraftstoffpumpe 13 geförderten Kraftstoffmenge an den Betriebspunkt
der Brennkraftmaschine wird in einem ersten Schritt des in Fig. 2 gezeigten erfindungsgemäßen
Verfahrens aus der Ansteuergröße A_Z der Zumesseinheit 15 und einer ersten Kennlinie
KL
1 ein Fördermengenwert F_W berechnet.
[0038] Zur Anpassung des Vordrucks an den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine wird in einem
zweiten Schritt aus der Ansteuergröße A_Z der Zumesseinheit 15 und einer zweiten Kennlinie
KL
2 ein Vordruckwert V_W berechnet.
[0039] Nach dem zweiten Schritt des Verfahrens sind also der Fördermengenwert F_W und der
Vordruckwert V_W bekannt, die von der Kraftstoffpumpe 13 in Abhängigkeit der Ansteuergröße
A_Z der Zumesseinheit 15 und damit indirekt in Abhängigkeit des Betriebspunkts der
Brennkraftmaschine aufgebracht werden müssen, um den Betrieb der Brennkraftmaschine
sicherzustellen.
[0040] Mit dem Fördermengenwert F_W und dem Vordruckwert V_W hängt ein Ansteuerwert A_W
zusammen, mit dem die Kraftstoffpumpe 13 angesteuert werden muss, um F_W und V_W aufbringen
zu können.
[0041] Der Ansteuerwert A_W wird in einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens
aus einem Kennfeld KF ermittelt, das z.B. in einem Speicher des Steuergeräts 20 abgelegt
sein kann. Das Kennfeld KF kann auch während des Betriebs der Brennkraftmaschine,
insbesondere bei oder nach dem Start der Brennkraftmaschine, abgeglichen werden.
[0042] Im Anschluss an den dritten Schritt kann die Kraftstoffpumpe 13 in einem vierten
Schritt mit dem Ansteuerwert A_W angesteuert werden. Bei einer Elektrokraftstoffpumpe
bietet sich eine Ansteuerung mittels Pulsweitenmodulation an, wobei der Ansteuerwert
A_W durch das Puls-Pausen-Verhältnis der Versorgungsspannung der Elektrokraftstoffpumpe
repräsentiert wird.
[0043] Das beschriebene Verfahren stellt sicher, dass die Kraftstoffpumpe 13 in Abhängigkeit
des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine nur mit der erforderlichen Leistung betrieben
wird, und nicht, wie bei bisherigen Systemen, ständig mit maximaler Leistung.
[0044] Dadurch reduziert sich die Betriebsdauer der Kraftstoffpumpe 13 bei Maximalleistung
deutlich.
[0045] Die Kraftstoffpumpe 13 kann daher unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
bei gleicher Lebensdauer weniger robust ausgelegt werden, als eine für die gleiche
Leistung ausgelegte Kraftstoffpumpe, die ständig mit Maximalleistung betrieben wird.
[0046] Es ist auch möglich, mit herkömmlich ausgelegten Kraftstoffpumpen 13, die nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten, höhere Fördermengen bereitzustellen, wodurch
leistungsfähigere Kraftstoffversorgungssysteme 10 verfügbar werden.
[0047] Die zur Ermittlung des Ansteuerwerts A_W verwendete Ansteuergröße A_Z der Zumesseinheit
ist eine Stellgröße des Hochdruck-Regelkreises der Brennkraftmaschine. Sie wird bei
z.B. steigendem Gesamtmengenbedarf der Hochdruckpumpe 16 bereits durch die Druckregelung
im Hochdruckkreis an eine derartige Änderung des Kraftstoffmengenbedarfs angepasst.
[0048] Dadurch muss die zur Kompensation solcher Änderungen des Kraftstoffmengenbedarfs
erforderliche Reservemenge auch nicht mehr bei der Ansteuerung der Kraftstoffpumpe
13 berücksichtigt werden, sie wird adaptiv durch die Ansteuergröße A_Z der Zumesseinheit
15 angepasst, die auf A_W wirkt.
[0049] Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass eine bedarfsgerechte Steuerung der Fördermenge
bzw. der Kraftstoffpumpe 13 ohne einen zusätzlichen, der Kraftstoffpumpe 13 nachgeschalteten
Drucksensor möglich ist.
1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs,
bei dem eine Kraftstoffpumpe (13) eine Fördermenge Kraftstoff aus einem Kraftstoffspeicher
(11) mit einem Vordruck zu einer Zumesseinheit (15) pumpt, wobei die Zumesseinheit
(15) eine Hochdruckpumpe (16) mit einer Kraftstoffmenge versorgt, die von der Zumesseinheit
(15) in Abhängigkeit einer Ansteuergröße (A_Z) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffpumpe (13) in Abhängigkeit der Ansteuergröße (A_Z) angesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Kraftstoffpumpe (13) zur Beeinflussung der Fördermenge und/oder
des Vordrucks verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Kraftstoffpumpe (13) zur dynamischen Anpassung der Fördermenge
und/oder des Vordrucks an den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Fördermenge und/oder des Vordrucks eine erste Kennlinie (KL1) und/oder eine zweite Kennlinie (KL2) verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass unter Kenntnis der Fördermenge und des Vordrucks ein Kennfeld (KF) der Kraftstoffpumpe
(13) zur Ermittlung eines Ansteuerwerts (A_W) zur Ansteuerung der Kraftstoffpumpe
(13) verwendet wird, wobei das Kennfeld (KF) aus einem Fördermengenwert (F_W) und
einem Vordruckwert (V_W) bestehende Wertepaare (F_W; V_W) umfasst, und diesen Wertepaaren
(F_W; V_W) durch das Kennfeld (KF) jeweils ein Ansteuerwert (A W) für die Ansteuerung
der Kraftstoffpumpe (13) zugeordnet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld (KF) während des Betriebs der Brennkraftmaschine, insbesondere bei/nach
dem Start der Brennkraftmaschine abgeglichen wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffpumpe (13) als Elektrokraftstoffpumpe ausgebildet ist, und dass die
Ansteuerung der Kraftstoffpumpe (13) durch ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal
erfolgt.
8. Computerprogramm für ein Steuergerät (20) einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines
Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 -
7 geeignet ist.
9. Computerprogramm nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm auf einem elektrischen Speichermedium, insbesondere auf einem
Flash-Memory oder einem Read-Only-Memory abgespeichert ist.
10. Steuergerät (20) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei
der eine Fördermenge Kraftstoff von einer Kraftstoffpumpe (13) mit einem Vordruck
aus einem Kraftstoffspeicher (11) zu einer Zumesseinheit (15) pumpbar ist, wobei eine
Hochdruckpumpe (16) von der Zumesseinheit (15) mit einer Kraftstoffmenge versorgbar
ist, die von der Zumesseinheit (15) in Abhängigkeit einer Ansteuergröße (A_Z) einstellbar
ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffpumpe (13) in Abhängigkeit der Ansteuergröße (A_Z) ansteuerbar ist.
11. Brennkraftmaschine, bei der eine Fördermenge Kraftstoff von einer Kraftstoffpumpe
(13) mit einem Vordruck aus einem Kraftstoffspeicher (11) zu einer Zumesseinheit (15)
pumpbar ist, wobei eine Hochdruckpumpe (16) von der Zumesseinheit (15) mit einer Kraftstoffmenge
versorgbar ist, die von der Zumesseinheit (15) in Abhängigkeit einer Ansteuergröße
(A_Z) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffpumpe (13) in Abhängigkeit der Ansteuergröße (A_Z) ansteuerbar ist.