[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorsteuern einer Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine
ein Hochdruckrail und damit verbundene Einspritzventile aufweist, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
[0002] Ein Mengenstellwerk einer Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe für eine Kraftstoffversorgung
einer Brennkraftmaschine legt eine Kraftstoffmenge fest, die in der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
komprimiert und in ein Hochdruckrail geschoben wird. In einem Motorsteuergerät ist
ein Regelalgorithmus implementiert, der die Öffnungs- und Schließzeiten bzw. -winkel
des Mengenstellwerkes der Pumpe berechnet. Diese Öffnungs- und Schließzeiten werden
in Form eines elektrischen Signals an das Mengenstellwerk ausgegeben. Für eine abgas-
und verbrauchsoptimale Gemischbildung in einem Brennraum der Brennkraftmaschine muß
der Kraftstoffdruck und die zur Einspritzung zur Verfügung stehende Kraftstoffmenge
im Hochdruckrail so genau wie möglich bereitgestellt werden.
[0003] Bei einem bekannten Algorithmus für die Ansteuerung des Mengenstellwerkes sind eine
Vorsteuerung und ein Regler vorgesehen. In der Vorsteuerung wird die Zeitdauer für
die Ansteuerung mit eingeschränkter Genauigkeit ermittelt. Eingangssignale der Vorsteuerung
sind die Sollwerte für Kraftstoffdruck und -menge. Auf Basis dieser Sollwerte werden
Kennfelder adressiert, in denen ein Ansteuerwinkel abgelegt ist. Diese Kennfelder
bilden nicht die physikalischen Gegebenheiten in der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe nach,
sondern sind empirisch an exemplarisch ausgewählten Pumpen ermittelt. Durch die Verwendung
eines Reglers besteht die Möglichkeit, die in der Vorsteuerung ermittelte Ansteuerdauer
des Mengenstellwerkes zu korrigieren. Der Regler arbeitet auf Basis einer Istdruck-Erfassung
mit einem Sensor im Hochdruckrail. Dieser Regler ist als PI-Regler ausgelegt. Diese
Korrektur ist notwendig, da von den Vorsteuerkennfeldern folgende Zusammenhänge nicht
berücksichtigt werden können:
- Die Toleranzlagenstreuung der Pumpe in der Serie.
- Fehler in den Vorsteuerkennfeldern.
- Physikalische Abhängigkeiten, wie beispielsweise Temperaturabhängigkeiten.
[0004] Je genauer die Vorsteuerkennfelder den realen Bedingungen entsprechen, desto kleiner
fallen die Eingriffe des Reglers aus.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der obengenannten Art bzgl.
Ansteuerung des Mengenstellwerks der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zum Erzielen einer
hohen Genauigkeit bzgl. der Bereitstellung der Kraftstoffeinspritzmenge und des Kraftstoffeinspritzdruckes
im Hochdruckrail zu verbessern und gegen Störungen robuster zu machen.
[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch
1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
[0007] Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß aus den Eingangswerten Kraftstoffvolumenentnahme
vevphh aus dem Hochdruckrail durch die Einspritzventile pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe,
Kraftstoffvolumen
vdaavst, welches für eine Änderung des Solldruckes Δp
soll_rail im Hochdruckrail pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe benötigt wird, Hubvolumen
vkdavst , welches der Kolben der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zur Verdichtung des Kraftstoffes
von Niederdruck auf Druck im Hochdruckrail pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
benötigt, sowie Volumenverlust
vvlfghdp durch nicht optimalen Liefergrad aufgrund von Damfblasenbildung im Kraftstoff pro
Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe Schließ- und Öffnungszeitpunkte für ein Mengenstellwerk
der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe bestimmt werden.
[0008] Dies hat den Vorteil, daß eine höhere Genauigkeit bei geringerem Applikationsaufwand
und besserer Diagnosefähigkeit erzielt wird, wobei unterschiedliche Pumpenkonzepte
realisierbar sind.
[0009] Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung
anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in
- Fig. 1
- ein schematisches Schaltbild eines bekannten, rücklauffreien Kraftstoffsystems,
- Fig. 2
- ein schematisches Schaltbild der Funktionsweise einer Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zur
Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
- Fig. 3
- ein Kennfeld für die Kompressibilität des Kraftstoffs in Abhängigkeit von Druck und
Temperatur.
- Fig. 4
- eine schematische Darstellung der Ansteuerung eines Mengenstellwerkes einer Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe,
[0010] Fig. 1 veranschaulicht ein rücklauffreies Kraftstoffsystem mit einem Kraftstofftank
10, einer elektrischen Kraftstoffpumpe 12, einem Kraftstoff-Filter 14, einer Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
bzw. Hochdruckpumpe (HDP) 16 mit Mengenstellwerk, einem Hochdruckrail 18, mehreren
Hochdruckeinspritzventilen (HDEV) 20, einer Rücklaufleitung 22, einem Druckbegrenzungsventil
(DBV) 24, einem Motorsteuergerät (ECU) 26, einem Niederdrucksensor 28, einem Hochdrucksensor
30 und einer Leistungsendstufe 32 zum Ansteuern der Kraftstoffpumpe 12. Linie 34 trennt
das Kraftstoffsystem in eine Hochdruckseite 36 und eine Niederdruckseite 36. Die elektrische
Kraftstoffpumpe (EKP) 12 dient als Vorförderpumpe für die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
(HDP) 16. Die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe (HDP) 16 stellt den Kraftstoffdruck in der
Verteilerleiste bzw. Hochdruckrail 18 ein. Die Hochdruckeinspritzventile 20 werden
aus der Hochdruckrail 20 mit Kraftstoff versorgt. Über die Rücklaufleitung 22 fließt
Kraftstoff zurück, wenn der Druck in der Hochdruckrail einen sicherheitskritischen
Grenzwert überschreitet. Dies kann nur im Fehlerfall eintreten. Eine nicht dargestellte
Leckageleitung der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe (HDP) 16 führt Kraftstoff ab, der in
der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe (HDP) 16 zwischen Kolben und Zylinder entweicht. Diese
Menge ist jedoch relativ klein.
[0011] Die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 umfaßt, wie aus Fig. 2 ersichtlich, einen Kolben
40 in einem Zylinder 42, der eine Hubbewegung ausführt. Diese Hubbewegung unterteilt
sich in eine Ab- und Aufwärtsbewegung. In der Abwärtsbewegung wird ein Hubraum mit
Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 10 des Niederdrucksystems 38 mit Kraftstoff befüllt.
In der Aufwärtsbewegung erfolgt die Kompression des Kraftstoffes. Ein Mengenstellwerk
in Form eines Mengensteuerventils 44 trennt während eines vorbestimmten Teils des
Aufwärtshubes den Kompressionsraum von der Versorgungsseite bzw. Niederdruckseite
38. Während desjenigen Abschnittes der Aufwärtsbewegung des Kolbens 40, der zur Kompression
des Kraftstoffes genutzt werden soll, trennt das Mengenstellwerk 44 die Verbindung
zwischen Hubraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 und Versorgungsleitung 46. Während
desjenigen Abschnittes der Aufwärtsbewegung des Kolbens 40, der nicht zur Kompression
des Kraftstoffes genutzt werden soll, öffnet das Mengenstellwerk 44 die Verbindung
zwischen dem Hubraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 und der Versorgungsleitung
46. Es entsteht ein Schließintervall, das im Kompressionstakt der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
16 liegt.
[0012] Die Lage des Intervalls im Kompressionstakt ist prinzipiell frei wählbar. Üblicherweise
wird entweder der Schließ- oder der Öffnungszeitpunkt auf einen der Totpunkte der
Bewegung des Kolbens 40 gelegt. Mit beiden Konzepten ist es möglich, den effektiven
Kompressionshub einzustellen. Der Hubraum ist mit dem Hochdruckrail 18 des Hochdrucksystems
36 über ein Rückschlagventil 48 verbunden. Sobald der Druck im Hubraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
16 größer wird als der Druck im Hochdruckrail 18, strömt der komprimierte Kraftstoff
aus dem Hubraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 in das Hochdruckrail 18. Die Motorsteuerung
26 (Fig. 1) gibt den Schaltimpuls an das Mengensteuerventil (44) des Mengenstellwerkes
aus. Die Zeitdauer dieses Schaltimpulses legt unter Berücksichtigung der Kolbengeschwindigkeit
und Kolbenposition den effektiven Hub fest.
[0013] Fig. 4 veranschaulicht die Ansteuerung des Mengenstellwerkes 44 mit den zwei unterschiedlichen
Konzepten. Hierzu veranschaulicht ein Graph 50 die Bewegung des Kolbens 40 zwischen
einem oberen Totpunkt 52 und einem unteren Totpunkt 54, wobei sich eine Füllung 56
und eine Kompression 58 zyklisch abwechseln. Gemäß einem ersten Konzept mit Schließintervall
am Beginn des Kompressionshubes 58, wie mit Pfeilen 60 (Kompressionsphase gemäß Konzept
I) angedeutet, zeigt Graph 62 ein Ansteuersignal für das Mengensteuerventil 44 zwischen
0V und 12V, ein Graph 64 einen Zustand des Mengensteuerventils 44 zwischen "offen"
66 und "geschlossen" 68 und ein Graph 70 einen Druck im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
16 zwischen einem Niederdruck
pniederdruck 72 im Niederdrucksystem 38 und einem Hochdruck
pHD-rail 74 im Hochdrucksystem 36 bzw.
[0014] Hochdruckrail 18. Gemäß einem zweiten Konzept mit Schließintervall am Ende des Kompressionshubes
58, wie mit Pfeilen 76 (Kompressionsphase gemäß Konzept II) angedeutet, zeigt Graph
78 ein Ansteuersignal für das Mengensteuerventil 44 zwischen 0V und 12V, ein Graph
80 einen Zustand des Mengensteuerventils 44 zwischen "offen" 82 und "geschlossen"
84 und ein Graph 86 einen Druck im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
16 zwischen einem Niederdruck
pniederdruck 88 im Niederdrucksystem 38 und einem Hochdruck
pHD-rail 90 im Hochdrucksystem 36 bzw. Hochdruckrail 18.
[0015] Das Schließintervall 60 bzw. 76 des Mengenstellwerkes 44 liegt zwischen dem unteren
Totpunkt 54 und dem oberen Totpunkt 52 des Kolbens 40 der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
16 bezogen auf einen sich im Zylinder 42 aufwärts bewegenden Kolben 40. Prinzipiell
ist es egal, ob das Schließintervall direkt nach durchschreiten des unteren Totpunktes
54 beginnt (Konzept I, Pfeil 60) oder mit erreichen des oberen Totpunktes 52 endet
(Konzept II, Pfeil 76). Beide Konzepte führen zum Druckaufbau. Aus energetischen Gründen
ist aber das zweite Konzept (Pfeil 76) zu bevorzugt. Der Kompressionsvorgang 60 bzw.
76 wird durch verschließen des Mengenstellwerkes 44 bei sich aufwärts bewegendem Kolben
40 ausgelöst. Das sich in diesem Moment im Kompressionsraum befindliche Kraftstoffvolumen
hat annähernd Niederdruckniveau. Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 40 erhöht
sich der Druck. Steigt der Druck im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
16 über den im Hochdruckrail 18 herrschenden Druck
pHD-rail, dann öffnet sich das Rückschlagventil 48 und der Kraftstoff strömt aus dem Kompressionsraum
der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 in das Hochdruckrail 18. Dies erfolgt so lange,
wie der Druck im Kompressionsraum über dem Druck
pHD-rail im Hochdruckrail 18 gehalten wird. Beendet wird der effektive Kompressionshub durch
Öffnen des Mengenstellwerkes 44 bzw. sobald der Kolben 40 seinen oberen Totpunkt 52
erreicht. Je nach Pumpenkonstruktion und -Konzept kann ein Restvolumen am Ende des
Kompressionsvorgangs 58 im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 verbleiben.
[0016] Der Kraftstoff, beispielsweise Ottokraftstoff, ändert unter Druck sein Volumen. Diese
Volumenänderung ergibt sich aus

wobei
V0 ein Ausgangsvolumen [mm
3], Δ
p eine Druckänderung [bar],
χ eine Kompressibilitätszahl [1/bar] und ΔV eine Volumenänderung [mm
3] ist. Die eine Kompressibilitätszahl χ [1/bar] für das zu komprimierende Fluid ergibt
sich in Abhängigkeit von Temperatur und Druck aus einer Kennlinienschar gemäß Fig.
3. Die Fig. 3 zeigt auf einer horizontalen Achse 92 einen Druck in [bar] und auf einer
vertikalen Achse 94 die Kompressibilität in [E-4/bar]. Die Kennlinien entsprechen
von oben nach unten einer Temperatur von 413K, 393K, 373K,353K, 333K, 313K, 293K,
273K, 253K und 233K. Die Kompressibilität ist empirisch ermittelt und bezieht sich
bei dem dargestellten Beispiel auf Superbenzin, das bei 15°C und 1 bar die Dichte
ρ =0,7647 g/cm
3 aufweist.
[0017] Erfindungsgemäß werden zur Berechnung der Volumenänderung bei der Kompression von
Kraftstoff die Größen Druckänderung, Temperaturänderung, Ausgangsvolumen, Ausgangsdruck
und Ausgangstemperatur sowie ein Kompressibilitätskennfeld der verwendeten Kraftstoffsorte
verwendet.
[0018] Für die Berechnung der Dichteänderung durch Kompression wird zunächst die Dichte
des Kraftstoffes für den jeweiligen Betriebspunkt berechnet. Die Dichte ist gemäß
folgender Formel abhängig von der Kompressibilität und dem Druck:

wobei
ρKraftstoff eine Dichte des Kraftstoffes in [g/mm
3],
ρnorm eine Dichte des Kraftstoffes unter Normbedingungen in [g/mm
3],
pKraftstoff ein Druck des Kraftstoffes [bar], ],
pnorm ein Normdruck in [bar] und
χKraftstoff eine Kompressibilität des Kraftstoffes ist. Dieser Zusammenhang ist gültig für Kraftstoff
in flüssiger Form.
[0019] Größen, die nicht direkt gemessen werden können, müssen mit Hilfe von Modellen nachgebildet
werden. Dies betrifft in dem vorliegenden Anwendungsfall die Temperatur. Für die Kompressibilitätsbestimmung
ist es notwendig, an zwei Stellen des Kraftstoffsystems die Temperatur des Kraftstoffes
zu modellieren, nämlich die Temperatur des Kraftstoffes beim Einströmen in den Kompressionsraum
t
flvrhdp und die Temperatur des Kraftstoffes im Hochdruckrail t
krail. Für t
flvrhdp wird ein Kennfeld adressiert, welches im Versuch empirisch ermittelt wird. Die Temperatur
t
krail des Kraftstoffes im Hochdruckrail 18 hängt von verschiedenen Einflußgrößen ab. Ausgangspunkt
ist die Eintrittstemperatur t
flvrhdp des Kraftstoffes in die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16. Der Kraftstoff durchfließt
zunächst die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16, die Kraftstoffleitung und dann das Hochdruckrail
18. Es findet ein Wärmeübergang aufgrund der Berührung des Kraftstoffes mit den Innenflächen
der kraftstoffdurchflossenen Bauteile statt. Die Quelle der Wärme sind der Motorblock
bzw. die Umgebungsluft im Motorraum sowie die Verdichtungsarbeit in der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
16. Diese Wärmeeinträge tragen im folgenden die Namen
temotr, teulr und
tkrailnp. Der Kraftstoff strömt über das geöffnete Mengenstellwerk 44 mit der Temperatur
tflvrhdp in den Kompressionsraum ein. Dort wird der Kraftstoff verdichtet und strömt über
das Rückschlagventil 48 in das Hochdruckrail 18. Durch diesen thermodynamischen Prozeß
erfolgt ein Temperatureintrag
tkrailnp in den Kraftstoff. Für
tkrail gilt:




[0020] Die Abhängigkeiten von
temotr , teulr und
tkrailnp werden empirisch ermittelt und in Kennlinien und Kennfeldern abgelegt.
[0021] Mittels einer Tiefpaßfilterung wird das dynamische Verhalten der Temperatur
tkrail im Hochdruckrail 18 erfaßt. Das Zeitverhalten des Filters wird in Abhängigkeit vom
Kraftstoffmassenfluß
QKraftstoff) sowie von der Differenz aus
tmot und
tkrailnp festgelegt.
[0022] Erfindungsgemäß basiert die Vorsteuerung der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 auf der
Berechnung des Hubvolumens des Kolbens 40, das für die Kompression des Kraftstoffes
genutzt werden soll. Festgelegt wird dieses Hubvolumen durch Schließ- und Öffnungszeitpunkte
des Mengenstellwerkes 44 unter Berücksichtigung der Pumpengeometrie. Das zu komprimierende
Kraftstoffvolumen ergibt sich aus den Anforderungen der Motorsteuerung 26 hinsichtlich
Soll-Kraftstoffdruck im Hochdruckrail 18 und Kraftstoffmenge sowie den aktuellen Betriebsparametern,
wie Temperatur und Ist-Drücke.
[0023] Das von den Hochdruckeinspritzventilen 20 aus dem Hochdruckrail entnommene Kraftstoffvolumen
muß von der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 wieder dem Hochdruckrail 18 zugeführt werden.
Das aus dem Hochdruckrail 18 entnommene Volumen
vevphh 96 (Fig. 2)ergibt sich aus:




wobei
- νeνphh =
- Kraftstoffvolumenentnahme aus dem Hochdruckrail durch die Einspritzventile in [mm3/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
- kmphνst =
- Kraftstoffmassenentnahme durch die Einspritzventile aus dem Hochdruckrail pro Hub
der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe in [g/Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
- ρkrarνst =
- Dichte des Kraftstoffes bei Ausströmen aus dem Hochdruckrail 18 in [g/mm3].
- ρrohnνst =
- Normdichte des Kraftstoffes (sortenabhängig) in [g/mm3].
- prail =
- Druck im Hochdruckrail 18 in [bar].
- pnorm =
- Normdruck in [bar].
- χKrail =
- Kompressibilität des Kraftstoffes im Hochdruckrail in [1/bar].
- dmkrhdeν =
- Kraftstoffmenge durch die Hochdruckeinspritzventile (HDEV) 20 berechnet aus Ventilöffnungszeiten
in [g/min].
- ishdpνst =
- Anzahl der Lastspiele der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe pro min in [1/min].
- nnw =
- Nockenwellendrehzahl in [1/min].
- nahdpanz =
- Anzahl der Nocken auf der Nockenwelle für den Antrieb der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
[dimensionslos].
[0024] Eine Erhöhung des Drucks im Hochdruckrail 18 läßt such nur über ein zusätzliches
Kraftstoffvolumen
νdaaνst 98 (Fig. 2)d erreichen. Bei positivem Solldruckgradienten muß daher eine zusätzliche
Kraftstoffmenge in das Hochdruckrail 18 gepumpt werden. Weil diese Zusatzmenge nicht
von dem Hochdruckrail 18 entnommen wird, kommt es zu einer Druckerhöhung im Hochdruckrail
18. Soll sich der Druck im Hochdruckrail 18 dagegen verringern, dann muß dem Hochdruckrail
18 ein kleineres Kraftstoffvolumen zugeführt werden, wie diesem durch die Hochdruckeinspritzventile
20 entnommen worden ist. Dieses Mindervolumen ergibt sich bei einem negativen Solldruckgradienten.
In diesem Fall erhält das berechnete Volumen ein negatives Vorzeichen. Formeltechnisch
läßt sich dieser Zusammenhang folgendermaßen erfassen:

wobei
- νdaaνst =
- Volumen Kraftstoff für Druckauf- und -abbau pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
[mm3/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
- Δpsoll_rail =
- Solldruckveränderung pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe [bar/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
- VHDRL =
- Volumen des gesamten Hochdruckbereiches bestehend aus Hochdruckrail und Hochdruckleitungen
in [mm3].
- χKrail =
- Kompressibilität des Kraftstoffes im Hochdruckrail in [1/bar].
[0025] Hierbei ist
Δpsoll_rail folgendermaßen definiert: Δ
psoll_rail > 0 bedeutete, daß der Solldruckgradient positiv ist und
Δpsoll_rail < 0 bedeutete, däß der Solldruckgradient negativ ist.
[0026] Als nächstes wird eine Volumenänderung
νkdaνst 100 (Fig. 2) durch Kompression berücksichtigt. Wenn der Kompressionsvorgang beginnt,
befindet sich der Kraftstoff zunächst noch auf Niederdruckniveau. Durch den sich nach
oben bewegenden Kolben 40 kommt es zu einem Druckanstieg. Erst wenn Druckausgleich
zwischen dem Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 und dem Hochdruckrail
18 besteht, öffnet sich das dazwischen befindliche Rückschlagventil 48. Das Hubvolumen,
das der Kolben für die Verdichtung von Niederdruck- auf Raildruckniveau benötigt,
ist zurückzuführen auf die Kompressibilität des Kraftstoffes. Dieses Hubvolumen wird
erfindungsgemäß bei der Berechnung der Ansteuerung des Mengenstellwerkes 44 berücksichtigt
und wird zu den zuvor berechneten Volumina
νeνphh (Kraftstoffvolumenentnahme aus dem Hochdruckrail durch die Einspritzventile) und
νdaaνst (Volumen Kraftstoff für Druckauf- und -abbau im Hochdruckrail18) hinzu addiert. Dieses
Zusatzvolumen berechnet sich wie folgt:


wobei
- νkdaνst =
- Volumen für Kompression bis Druckausgleich zwischen Kompressionsraum in der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
16 und dem Hochdruckrail 18 in [mm3/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
- χKhdp =
- Kompressibilität des Kraftstoffs bei Einströmen in den Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
in [1/bar].
- Vkomp =
- Kraftstoffvolumen das sich bei Druckausgleich im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
befindet in [mm3/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
- νdaaνst =
- Volumen Kraftstoff für Druckauf- und -abbau pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
[mm3/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
- νeνphh =
- Kraftstoffvolumenentnahme aus dem Hochdruckrail durch die Einspritzventile in [mm3/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
- νtotraum =
- Kraftstoffvolumen im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 bei Ende des
Kompressionsvorganges in [mm3/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
[0027] Wenn das Mengenstellwerk 44 im unteren Totpunkt des Kolbens 40 der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
16 schließt (vgl. Pfeil 60 in Fig. 4 gemäß Konzept I) und der Druckaufbau beginnt,
muß stets der gesamte sich im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 befindliche
Kraftstoff von Niederdruck- auf Raildruckniveau gebracht werden. Für Pumpenkonzepte,
die prinzipbedingt immer um unteren Totpunkt des Kolbens 40 der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
16 das Mengenstellwerk 44 schließen und mit einem variablen Öffnungszeitpunkt des
Mengenstellwerks 44 ihre Förderleistung einstellen, läßt sich
νkdaνst (Volumen für Kompression bis Druckausgleich zwischen Kompressionsraum in der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
16 und dem Hochdruckrail 18) alternativ etwas einfacher darstellen:

wobei
- VKompressionsraum =
- Volumen des Kompressionsraumes der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 in [mm3].
[0028] Die Befüllung des Kompressionsraumes der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 erfolgt während
sich der Kolben 40 abwärts bewegt. Es muß soviel Kraftstoff in den Kompressionsraum
nachgefüllt werden, wie im Kompressionstakt zuvor in das Hochdruckrail 18 abgegeben
worden ist. Dynamische Strömungseffekte können jedoch dazu führen, daß die Befüllung
nicht gleichmäßig erfolgt. Durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten und nicht optimale
Einströmkanäle entstehen punktuell Zonen mit niedrigem Druckniveau. In diesen Zonen
kann es dazu kommen, daß der Kraftstoff unter Temperatureinwirkung von der flüssigen
in die gasförmige Phase übergeht. Dies beinhaltet eine Volumenvergrößerung. Die so
entstandenen Dampfblasen befinden sich entweder bereits im Kompressionsraumes der
Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 oder werden vom Kraftstoffstrom mitgerissen und gelangen
so in den Kompressionsraum. Unter Druckerhöhung durch den beginnenden Kompressionsvorgang
bilden sich diese Blasen zurück. Es kommt zu einer Volumenverringerung. Das Hubvolumen,
das der Kolben 40 der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 bei geschlossenem Mengenstellwerk
44 benötigt, um diese Volumenänderung zu kompensieren wird im folgenden
ννlfghdp genannt. Dieses Volumen
ννlfghdp 102 (Fig. 2) wird erfindungsgemäß bei der Festlegung des zu komprimierenden Gesamtvolumen
berücksichtigt.

wobei
- ννlfghdp =
- Volumenverlust durch nicht optimalen Liefergrad aufgrund von Damfblasenbildung im
Kraftstoff pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe [mm3].
- lfgrhdp =
- Liefergrad bei der Füllung des Kompressionsraumes der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe [dimensionslos].
Definition:
0 < lfgrhdp < 1
0 = keine Füllung
1 = 100% Füllung
- kmeshdp =
- Kraftstoffmasse, die durch das Mengenstellwerk in das Hochdruckrail pro Hub einströmt
in [g/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
- tflvrhdp =
- Temperatur des Kraftstoffes beim Einströmen in den Kompressionsraum in [°C].
- nmot =
- Motordrehzahl in [1/min].
- pniederdruck =
- Kraftstoffdruck auf einer Niederdruckseite in [kPa].
[0029] Mit
kmeshdp , tflvrhdp , nmot und
pniederdruck werden Kennfelder adressiert, die im Versuch empirisch ermittelt werden.
[0030] Das zu komprimierende Gesamtvolumen ergibt sich aus der Addition der voranstehend
ermittelten Volumina gemäß:

wobei
- νkhdpνst =
- Pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zu komprimierendes Gesamtvolumen [mm3].
[0031] In vielen Anwendungsfällen wird die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe über einen Nocken
auf einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetrieben. Die Welle ist dabei winkelsynchron
mit der antreibenden Kurbelwelle verbunden. Die Hubbewegungen des Kolbens der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
erfolgen in einem solchen Fall winkelsynchron zur Kurbelwelle. Die Ansteuerung des
Mengenstellwerkes erfolgt dann in vorteilhafter Weise abhängig von dem Kurbelwinkel.
Hierbei wird der Schließ- und Öffnungswinkel des Mengenstellwerkes bezogen auf den
Kurbelwinkel bestimmt. Zum Umsetzen des zu komprimierende Gesamtvolumens in ein kurbelwellensynchrones
Ansteuern des Mengenstellwerkes wird die Anbindung der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
formeltechnisch erfaßt. Dazu ist das Übersetzungsverhältnis und die Anzahl der Nocken
auf der Nockenwelle, die der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zugeordnet sind, zu beachten.
Die eigentliche Hubbewegung wird durch die geometrische Form des Nockens festgelegt.
Der zurückgelegte Hub ergibt in Verbindung mit dem Durchmesser des Kolbens das Hubvolumen
der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe. Es ergibt sich folgende Formel:

wobei
- skhdp =
- Kompressionshub des Kolbens der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe, der für das zu komprimierende
Gesamtvolumen νkhdpνst erforderlicher ist [mm].
- νkhdpνst =
- Pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zu komprimierendes Gesamtvolumen [mm3].
- rKolben =
- Radius des Kolbens der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe [mm].
mit

wobei die Funktion
Erhebungskurve_Nocken(
skhdp) die Geometrie der steigenden Flanke der Antriebsnockens für die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
in Form einer Kennlinie beschreibt. Adressiert wird diese Kennlinie mit dem erforderlichen
Kompressionshub
skhdp in [mm]. Über die Geometrie ergibt sich mit
dwmsνsνg der notwendige Kurbelwinkel, den das Mengenstellwerk geschlossen sein muß, damit
der Kolben der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe den erforderlichen Kompressionshub
skhdp ausführen kann, mit
- dwmsνsνg =
- Deltakurbelwinkel, den das Mengenstellwerk geschlossen bleibt in [°KW].
[0032] Der Deltakurbelwinkel
dwmsνsνg bezieht sich auf den Teil der steigenden Flanke des Antriebsnockens für die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe,
der konzeptbedingt für das Kompressionsintervall genutzt wird.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0033]
- 10
- Kraftstofftank
- 12
- Kraftstoffpumpe
- 14
- Kraftstoff-Filter
- 16
- Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe bzw. Hochdruckpumpe (HDP)
- 18
- Hochdruckrail
- 20
- Hochdruckeinspritzventile (HDEV)
- 22
- Rücklaufleitung
- 24
- Druckbegrenzungsventil (DBV)
- 26
- Motorsteuergerät /ECU)
- 28
- Niederdrucksensor
- 30
- Hochdrucksensor
- 32
- Leistungsendstufe
- 34
- Linie
- 36
- Hochdruckseite
- 38
- Niederdruckseite
- 40
- Kolben
- 42
- Zylinder
- 44
- Mengenstellwerk / Mengensteuerventil
- 46
- Versorgungsleitung
- 48
- Rückschlagventil
- 50
- Graph: die Bewegung des Kolbens 40
- 52
- oberer Totpunkt
- 54
- unterer Totpunkt
- 56
- Füllung
- 58
- Kompression
- 60
- Pfeil: Kompressionsphase gemäß Konzept I
- 62
- Graph: Ansteuersignal für Mengensteuerventil 44 (Konzept I)
- 64
- Graph: Zustand des Mengensteuerventils 44 (Konzept I)
- 66
- Zustand: "offen" (Konzept I)
- 68
- Zustand: "geschlossen" (Konzept I)
- 70
- Graph: Druck im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 (Konzept I)
- 72
- Niederdruck Pniederdruck (Konzept I)
- 74
- Hochdruck pHD-rail (Konzept I)
- 76
- Pfeil: Kompressionsphase gemäß Konzept II
- 78
- Graph: Ansteuersignal für Mengensteuerventil 44 (Konzept II)
- 80
- Graph: Zustand des Mengensteuerventils 44 (Konzept II)
- 82
- Zustand: "offen" (Konzept II)
- 84
- Zustand: "geschlossen" (Konzept II)
- 86
- Graph: Druck im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 (Konzept II)
- 88
- Niederdruck pniederdruck (Konzept II)
- 90
- Hochdruck pHD-rail (Konzept II)
- 92
- horizontale Achse
- 94
- vertikale Achse
- 96
- νeνphh
- 98
- νdaaνst
- 100
- νkdaνst
- 102
- ννlfghdp
- dmkrhdeν
- Durch die Einspritzventile strömende Kraftstoffmenge in [g/min] berechnet aus Ventilöffnungszeiten.
- dwmsνsνg
- Deltakurbelwinkel, den das Mengenstellwerk geschlossen bleibt in [°KW].
- Erhebungskurνe_Nocken(skhdp)
- Kennlinie, die eine Geometrie einer steigenden Flanke eines Antriebsnockens der Nockenwelle
für die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe für den erforderlichen Kompressionshub skhdp beschreibt.
- ishdpνst
- Anzahl der Lastspiele der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe pro min in [1/min].
- kmeshdp
- Kraftstoffmasse, die durch das Mengenstellwerk in das Hochdruckrail pro Hub einströmt
in [g/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
- kmphνst
- Kraftstoffmassenentnahme durch die Einspritzventile aus dem Hochdruckrail pro Hub
der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe in [g/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
- lfgrhdp
- Liefergrad bei der Füllung des Kompressionsraumes der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe [dimensionslos].
- nahdpanz
- Anzahl der Nocken auf der Nockenwelle für den Antrieb der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
[dimensionslos].
- nmot
- Motordrehzahl in [1/min].
- nnw
- Nockenwellendrehzahl in [1/min].
- pniederdruck
- Kraftstoffdruck auf einer Niederdruckseite in [kPa].
- pnorm
- Normdruck in [bar].
- prail
- Druck im Hochdruckrail in [bar].
- Δp
- Druckänderung in [bar].
- Δpsoll_rail
- Änderung des Solldruckes im Hochdruckrail [bar/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
- QKraftstoff)
- Kraftstoffmassenfluß
- rKolben
- Radius des Kolbens der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe [mm].
- ρkrarνst
- Dichte des Kraftstoffes bei Ausströmen aus dem Hochdruckrail in [g/mm3].
- ρrohnνst
- Normdichte des Kraftstoffes (sortenabhängig) in [g/mm3].
- skhdp
- Kompressionshub, der für das zu komprimierende Gesamtvolumen νkhdpνst erforderlicher ist [mm].
- temotr
- Temperatur Motorblock [°C].
- teulr
- Temperatur Umgebungsluft im Motorraum [°C].
- tflνrhdp
- Temperatur des Kraftstoffes beim Einströmen in den Kompressionsraum in [°C].
- tkrail
- Temperatur im Hochdruckrail 18 [°C].
- tkrailnp
- Temperatur durch Verdichtungsarbeit in Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe 16 [°C].
- VHDRL
- Volumen des gesamten Hochdruckbereiches bestehend aus Hochdruckrail und Hochdruckleitungen
in [mm3].
- Vkomp
- Kraftstoffvolumen das sich bei Druckausgleich im Kompressionsraum befindet in [mm3/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
- VKompressionsraum
- Volumen des Kompressionsraumes der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe in [mm3].
- νdaaνst
- Kraftstoffvolumen, welches für eine Änderung des Solldruckes Δpsoll_rail im Hochdruckrail benötigt wird, in [mm3/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
- νeνphh
- Kraftstoffvolumenentnahme aus dem Hochdruckrail durch die Einspritzventile in [mm3/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
- νkdaνst
- Hubvolumen, welches der Kolben der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zur Verdichtung des
Kraftstoffes von Niederdruck auf Druck im Hochdruckrail benötigt in [mm3/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
- νkhdpνst
- Pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zu komprimierendes Gesamtvolumen [mm3].
- νtotraum
- Kraftstoffvolumen im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe bei Ende des
Kompressionsvorganges in [mm3/Hub Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe].
- ννlfghdp
- Volumenverlust durch nicht optimalen Liefergrad aufgrund von Damfblasenbildung im
Kraftstoff pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe [mm3].
- χKhdp
- Kompressibilität des Kraftstoffs bei Einströmen in den Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
in [1/bar].
- χKrail
- Kompressibilität des Kraftstoffes im Hochdruckrail in [1/bar].
1. Verfahren zum Vorsteuern einer Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe einer Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine ein Hochdruckrail
und damit verbundene Einspritzventile aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Eingangswerten Kraftstoffvolumenentnahme νeνphh aus dem Hochdruckrail durch die Einspritzventile pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe,
Kraftstoffvolumen νdaaνst, welches für eine Änderung des Solldruckes Δpsoll_rail im Hochdruckrail pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe benötigt wird, Hubvolumen
νkdaνst , welches der Kolben der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zur Verdichtung des Kraftstoffes
von Niederdruck auf Druck im Hochdruckrail pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
benötigt, sowie Volumenverlust ννlfghdp durch nicht optimalen Liefergrad aufgrund von Damfblasenbildung im Kraftstoff pro
Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe Schließ- und Öffnungszeitpunkte für ein Mengenstellwerk
der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß ein pro Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe zu komprimierendes Gesamtvolumen
νkhdpνst gemäß der Summe:

berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß aus dem zu komprimierendes Gesamtvolumen
νkhdpνst ein dafür erforderlicher Kompressionshub
skhdp des Kolbens der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe gemäß

berechnet wird, wobei
rKolben ein Radius des Kolbens der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe von einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetrieben
wird, wobei Schließ- und Öffnungszeitpunkte als Deltakurbelwinkel
dwmsνsνg , den das Mengenstellwerk geschlossen bleibt, gemäß

bestimmt wird, wobei die Funktion
Erhebungskurνe _ Nocken(
skhdp) eine Geometrie einer steigenden Flanke eines Antriebsnockens der Nockenwelle für
die Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe in Form einer Kennlinie für den erforderlichen Kompressionshub
skhdp beschreibt.
5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffvolumenentnahme
νeνphh gemäß

berechnet wird, wobei
kmphνst eine Kraftstoffmassenentnahme durch die Einspritzventile aus dem Hochdruckrail pro
Hub der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe in und
ρkrarνst eine Dichte des Kraftstoffes bei Ausströmen aus dem Hochdruckrail ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffvolumenentnahme
kmphνst gemäß

berechnet wird, wobei
dmkrhdeν eine durch die Einspritzventile strömende Kraftstoffmenge berechnet aus Ventilöffnungszeiten
und
ishdpνst eine Anzahl der Lastspiele der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe pro min ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die eine Anzahl der Lastspiele der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
ishdpνst gemäß

berechnet wird, wobei
nnw eine Nockenwellendrehzahl und
nahdpanz eine Anzahl der Nocken auf der Nockenwelle für den Antrieb der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
ist.
8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß ρkrarνst gemäß

berechnet wird, wobei
ρrohnνst eine Normdichte des Kraftstoffes,
prail ein Druck im Hochdruckrail in,
pnorm ein Normdruck und
χKrail eine Kompressibilität des Kraftstoffes im Hochdruckrail ist.
9. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoffvolumen
νdaaνst gemäß

berechnet wird, wobei
Δpsoll_rail eine Änderung des Solldruckes im Hochdruckrail,
VHDRL ein Volumen des gesamten Hochdruckbereiches bestehend aus Hochdruckrail und Hochdruckleitungen
und
χKrail eine Kompressibilität des Kraftstoffes im Hochdruckrail ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Δpsoll_rail größer 0 ist, wenn ein Solldruckgradient positiv ist, und daß Δpsoll_rail kleiner 0 ist, wenn ein Solldruckgradient negativ ist.
11. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Hubvolumen
νkdaνst gemäß

berechnet wird, wobei
χKhdp eine Kompressibilität des Kraftstoffs bei Einströmen in den Kompressionsraum der
Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe, Δ
p eine Druckänderung und
Vkomp ein Kraftstoffvolumen das sich bei Druckausgleich im Kompressionsraum befindet ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoffvolumen
Vkomp gemäß

berechnet wird, wobei
νtotraum ein Kraftstoffvolumen im Kompressionsraum der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe bei Ende
des Kompressionsvorganges ist.
13. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß das Mengenstellwerk an einem unteren Totpunkt des Kolbens der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
geschlossen wird, wobei das Hubvolumen
νkdaνst gemäß

berechnet wird, wobei
VKompressionsraum ein Volumen des Kompressionsraumes der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe, Δ
p eine Druckänderung und
χKhdp eine Kompressibilität des Kraftstoffs bei Einströmen in den Kompressionsraum der
Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe ist.
14. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenverlust
ννlfghdp gemäß

berechnet wird, wobei
lfgrhdp ein Liefergrad bei der Füllung des Kompressionsraumes der Hub-Kolben-Kraftstoffpumpe
ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß 0 < lfgrhdp < 1 ist, wobei 0 = keine Füllung und 1 = 100%-Füllung ist.
16. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß der Liefergrad
lfgrhdp gemäß

berechnet wird, wobei
kmeshdp eine Kraftstoffmasse, die durch das Mengenstellwerk in das Hochdruckrail pro Hub
einströmt,
tflνrhdp eine Temperatur des Kraftstoffes beim Einströmen in den Kompressionsraum,
nmot eine Motordrehzahl und
pniederdruck) ein Kraftstoffdruck auf einer Niederdruckseite ist.