Titel

Kraftstoff-Hochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe für eine

Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm nach dem Oberbegriff des entsprechenden nebengeordneten Patentanspruchs.

Heutige Kraftstoffsysteme für Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung verfügen meist über eine mengengeregelte Kraftstoff-Hochdruckpumpe in einem Eingangsbereich (Niederdruckbereich), wobei die Mengenregelung im Wesentlichen durch eine drehzahlsynchrone Betätigung eines Einlassventils der Kraftstoff-Hochdruckpumpe erfolgt. Damit ist eine sehr genaue Mengenregelung möglich. Die Schaltzeiten der dazu verwendeten Mengensteuerventile sind aufgrund der drehzahlsynchronen Ansteuerung sehr kurz. Weiterhin wird zur Mengenregelung ein Drucksensor in einem Hochdruckbereich eingesetzt. Eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung vergleicht einen Ist-Druck mit einem Soll-Druck im Hochdruckbereich und korrigiert bei Bedarf die Ansteuerung für das Mengensteuerventil.

Aus der EP 0 299 337 A2, EP 0 837 986 Bl, EP 0 974 008 Bl und DE 196 12 413 Al sind bereits Vorrichtungen zu einer Regelung des Kraftstoffdruckes bekannt. Aus der DE 103 27 411 Al ist ein Druckbegrenzungsventil für eine Kraftstoff- Hochdruckpumpe bekannt.

Offenbarung der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen bzw. weiterzuentwickeln, die zuverlässig arbeitet und kompakt aufgebaut ist. Außerdem soll die Kraftstoff-Hochdruckpumpe kostengünstig sein.

Die Aufgabe wird durch eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst, sowie mit einem Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine, einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung und einem Computerprogramm nach den Merkmalen des jeweiligen nebengeordneten Patentanspruchs. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf jeweils explizit hingewiesen wird. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.

Durch die Erfindung wird das Kraftstoffsystem erheblich vereinfacht und kostengünstig. Im einfachsten Fall ist hierfür eine Mengensteuereinrichtung mit zwei Schaltstellungen ausreichend. Die zwei Schaltstellungen repräsentieren im Regelfall eine Teilförderstellung mit abgeschwächtem, stärker gedrosselten Kraftstoff- Mengenfluss und eine Vollförderstellung mit einem im Wesentlichen ungehinderten bzw. ungedrosselten Kraftstoff- Mengenfluss. Die Realisation von mehr als zwei Stufen, bspw. für eine Kraftstoffförderung einer Kleinmenge, einer mittleren Teilmenge und einer Volllastmenge ist bei Bedarf möglich. Eine Regelung des Schalterventils geschieht durch einen einfach aufgebauten Regelkreis, der in Abhängigkeit einer leicht ermittelbaren Betriebsgröße aus dem Bereich der Kraftstoff-Hochdruckpumpe ein Umschalten veranlasst. So muss lediglich erkannt werden, ob in der stärker drosselnden Schaltstellung eine Fördermenge an Kraftstoff noch ausreichend ist oder ob auf eine weniger stark drosselnde Schaltstellung umgeschaltet werden muss. Anderseits muss in der weniger starke drosselnden Schaltstellung erkannt werden, dass die Fördermenge an Kraftstoff bei Teilförderung für den aktuellen Betrieb ausreichend ist und damit auf die stärker drosselnde Schaltstellung umgeschaltet werden kann. Diese Entscheidungen können in einer einfach zu konfigurierenden und somit preiswerten Steuer- und/oder Regeleinrichtung getroffen werden.

Es wird vorgeschlagen, dass das Schaltventil eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung umfasst. Die Betätigung des Schaltventils über einen Aktor eines Elektromagneten stellt eine zuverlässige und preiswerte Lösung dar. Dabei kann dem Schaltventil für jede Bewegungsrichtung ein Elektromagnet zugeordnet sein; es kann aber auch nur ein Elektromagnet bei einem Einschalten gegen eine Federkraft einer Feder arbeiten und anschließend nach einem Abschalten die Federkraft den Aktor wieder in die Ausgangslage zurückführen. Bei einer Mengensteuereinrichtung mit zwei Schaltstellungen ist diese Lösung besonders vorteilhaft. Da die Umschaltung vergleichsweise langsam ausgeführt werden kann, gibt es lediglich geringe Anforderungen an die Schaltzeit, die über das Schaltventil mit Elektromagnet hinreichend gelöst werden kann. Damit kann sowohl das Schaltventil als auch eine zugehörige elektrische Endstufe relativ einfach aufgebaut sein. Auch das ist kostensenkend und spart Bauraum. Da das Umschalten nur sporadisch mit geringer Schaltgeschwindigkeit erfolgt, ist die Geräuschentwicklung durch das Schalten gering.

Weiter wird vorgeschlagen, dass das Schaltventil im unbetätigten Zustand in der Schaltstellung mit der geringsten Drosselwirkung ist. Bspw. kann im Fehlerfalle eine Unterbrechung der Ansteuerleitung zum Schaltventil auftreten. Auch ein Ausfall der Endstufe in einem Steuergerät ist möglich. Bei diesen Fehlerfällen ist eine Ansteuerung des Schaltventils nicht mehr möglich, es ist "unbetätigt" bzw. "stromlos". Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist trotz eines solchen Fehlers immer noch ein (Not-)Betrieb der Brennkraftmaschine möglich.

Alternativ hierzu wird vorgeschlagen, dass das Schaltventil im unbetätigten Zustand in einer Schaltstellung mit erhöhter Drosselwirkung ist. Liegt ein Fokus beim Betreiben der

Kraftstoff-Hochdruckpumpe auf einer Verbrauchsoptimierung in der Brennkraftmaschine, so muss bei dem oben beschriebenen Fehlerfall neben der mechanischen Antriebsleitung der Hochdruckpumpe auch die elektrische Leistung des Schaltventils berücksichtigt werden. Wird die Brennkraftmaschine nämlich vornehmlich bei Teillast betrieben, (und das ist bei einer durchschnittlichen Fahrweise überwiegend der Fall), kann durch die vorgeschlagene Maßnahme der Energieverbrauch gesenkt werden.

Ergänzend hierzu wird vorgeschlagen, dass die Drosselwirkung in einer Schaltstellung so ausgelegt ist, dass sie einen Volumenstrom von ungefähr 10-20% des maximalen Volumenstroms ermöglicht. Die Auslegung der Drosselwirkung in der Teilförderstellung sollte derart erfolgen, dass die Antriebsleistung der Kraftstoff- Hochdruckpumpe für einen bestimmten Betriebszyklus in Summe minimal wird. Bei Kraftfahrzeugen kann dazu z. B. ein MVEG-Zyklus (Europäischer Fahrzyklus für Emissions- und Verbrauchsmessungen auf Rollenprüfständen) zugrunde gelegt werden. Gemäß dieses Zyklus wird im Mittel nur etwa 10 bis 20 Prozent der maximalen Fördermenge der Hochdruckpumpe benötigt und repräsentiert somit ein Dimensionierungs-Optimum. Durch die genannte Auslegung der Drosselwirkung kann in dieser Schaltstellung ein großer Teil der Betriebszeit der Brennkraftmaschine optimal abgedeckt werden. Vorteilhaft ist auch, wenn die Kraftstoff- Hochdruckpumpe ein Druckregelventil umfasst, welches einen Hochdruckbereich der Kraftstoff- Hochdruckpumpe mit einem Niederdruckbereich der Kraftstoff-Hochdruckpumpe verbindet und so den Druck im Hochdruckbereich wenigstens im Wesentlichen konstant halten kann. Im Normalbetrieb kann in beiden Stellungen des Schaltventils die Fördermenge der Hochdruckpumpe größer als der Mengenbedarf der Brennkraftmaschine sein. Um Schäden von der Kraftstoff- Hochdruckpumpe und insbesondere an einer Kraftstoffsammelleitung zu vermeiden, wird die überschüssige Menge an Kraftstoff durch das vorgeschlagene Druckregelventil vom Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich zurückgeführt. Der Druck in der

Kraftstoffsammelleitung hängt also im Wesentlichen von einem Öffnungsdruck des Druckregelventils ab.

Ergänzend hierzu wird vorgeschlagen, dass das Druckregelventil rein mechanisch/ hydraulisch arbeitet, vorzugsweise ein Rückschlagventil ist. Dies ist eine besonders preisgünstige, aber effektiv arbeitende Lösung, da ein Drucksensor und eine Auswertung der Drucksensorsignale in einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung damit entfallen kann. Ferner wird vorgeschlagen, dass die Ansteuerung des Schaltventils von einem Signal eines Drucksensors, welcher einen im Hochdruckbereich herrschenden Druck erfasst und/oder einer Ansteuerzeit mindestens eines Einspritzventils abhängt. Bei einem Druckabfall im Hochdruckbereich der Kraftstoff-Hochdruckpumpe muss eine IST-Ansteuerzeit des Einspritzventils verlängert werden, um die für eine optimale Verbrennung eines Kraftstoff- /Luftgemisches benötigte Kraftstoffmenge in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einspritzen zu können. Bei einem Druckanstieg im Hochdruckbereich ist die IST- Ansteuerzeit entsprechend verkürzt. Die Ansteuerzeit kann somit als Kenngröße für den Druck im Hochdruckbereich angesehen werden. Das Überschreiten eines vorgegebenen oberen oder unteren Grenzwertes der Ansteuerzeit (S O LL- Ansteuerzeit) ist damit ein Indiz für die Umschaltung, wodurch bewirkt wird, dass im Niederdruckbereich die Fördermenge an Kraftstoff den Ermittlungen im Hochdruckbereich angepasst wird. Dabei ist die Ansteuerzeit eine bekannte Betriebsgröße in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung und kann leicht ausgewertet werden. Dadurch kann ein Umschaltzeitpunkt für das Schaltventil leicht und ohne viel Aufwand ermittelt werden. Der Druck im Hochdruckbereich kann allerdings auch durch einen Sensor ermittelt werden und anschließend in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung mit einem oberen und unteren Druck-Grenzwert verglichen werden.

Ergänzend hierzu wird vorgeschlagen, dass die Ansteuerung des Schaltventils von einer Pumpendrehzahl, einem Vorförderdruck und/oder einer Kraftstoff- Temperatur abhängt. Die Auswertung dieser Betriebsgrößen ermöglicht eine noch präzisere Umschaltung des Schaltventils, wodurch Energie gespart und Kraftstoff und Emissionen reduziert werden.

Kurzbeschreibung der Figuren

Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielhaft erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoff-

Einspritzsystems;

Figur 2 eine schematische Darstellung des Schaltventils aus Figur 1; und

Figur 3 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Detaillierte Beschreibung

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems 8 für eine

Brennkraftmaschine 9 mit einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10. Das Kraftstoffsystem 8 ist, wie noch ausgeführt werden wird, in einen in Figur 1 linkerhand gezeigten Niederdruckbereich 12 und einen rechterhand gezeigten Hochdruckbereich 14 unterteilt. Eine im Niederdruckbereich 12 angeordnete Vorförderpumpe 16 pumpt Kraftstoff von einem Kraftstoffvorratsbehälter 18 über eine Niederdruckleitung 20 mit einem Vorförderdruck zu einem Einlassstutzen 22 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10. In der Kraftstoff- Hochdruckpumpe 10 sind in dem Niederdruckbereich 12 ein Filter 24 und ein Druckdämpfer 26 angeordnet. Der Druckdämpfer 26 dämpft in der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 entstehende Pulsationen niederdruckseitig und sorgt für einen hohen Liefergrad auch bei hohen Dreh- und Nockenzahlen.

Über ein Schaltventil 28 und nachfolgend ein Einlassventil 30 wird der Kraftstoff in einen Arbeitsraum 32 der Kraftstoff- Hochdruckpumpe 10 angesaugt. Das Schaltventil 28 wird später näher beschrieben. Das Volumen des Arbeitsraumes 32 hängt von der Stellung eines Pumpenkolbens 34 in einem Pumpenzylinder 36 ab. Während einer

Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens 34 wird der Arbeitsraum 32 vergrößert, wodurch Kraftstoff angesaugt wird. Während der Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens 34 wird der Kraftstoff hoch verdichtet und über ein Auslassventil 38 und einen zum Hochdruckbereich 14 gehörenden Auslassstutzen 40 über eine Hochdruckleitung 42 weiter in ein Rail 44 gefördert. An das Rail 44 sind Einspritzventile 46 angeschlossen, die den Kraftstoff direkt in Brennräume 48 der Brennkraftmaschine 9 einspritzen.

Da in einem Normalbetrieb die Fördermenge der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 größer als die von den Einspitzventilen 46 eingespritzte Kraftstoffmenge sein kann, wird die nicht benötigte Kraftstoffmenge vom Hochdruckbereich 14 über ein Druckregel- bzw. Druckbegrenzungsventil 50 wieder in den Niederdruckbereich 12 zurückgeführt. Das Druckbegrenzungsventil 50 kann bspw. als Rückschlagventil ausgestaltet sein. Der Druck im Hochdruckspeicher 44 entspricht dann im Wesentlichen dem Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils 50. Das Druckbegrenzungsventil 50 ist über eine Hochdruckleitung 52 mit dem Hochdruckbereich 14 und über eine Niederdruckleitung 54 mit dem Niederdruckbereich 12 verbunden. Auch im Hochdruckbereich 14 entstehen insbesondere bei Verwendung von Ein-Zylinder-Pumpen Pulsationen, wobei Mehr-Zylinder- Pumpen auch im Einsatz sind aber in einem geringeren Maße Pulsationen erzeugen. Die Pulsationen beeinflussen die Druckregelfunktion negativ. Zur Entkoppelung kann eine Drossel 56 hydraulisch vor (stromaufwärts) dem Druckbegrenzungsventil 50 angeordnet werden, wodurch die Pulsationen vor dem Druckbegrenzungsventil 50 gedämpft werden.

Der Pumpenkolben 34 wird über einen Nocken 58 angetrieben, der von der

Brennkraftmaschine 9 angetrieben wird - beispielsweise über eine Nocken- oder Kurbelwelle (nicht dargestellt). Der Nocken 58 kann auch Teil der Nocken- oder Kurbelwelle sein. Eine Abdichtung des Pumpenkolbens 34 zum Nocken 58 erfolgt über ein Dichtelement 60. Eine Kolbenleckage, die im Spalt zwischen dem Pumpenkolben 34 und dem Pumpenzylinder 36 entsteht, wird über eine Rückführleitung 62 in den Niederdruckbereich 12 zurückgeführt.

Eine Steuereinheit 64 steuert die Schaltfunktion des Schaltventils 28 über eine Steuerleitung 66. Ferner werden über Steuerleitungen 68 die Einspritzventile 46 angesteuert (in Figur 1 ist zur Vereinfachung nur eine Leitung 68 dargestellt). Die

Brennkraftmaschine 9 umfasst weiterhin einen Drehzahlgeber 70, der die Drehzahl einer nicht gezeigten Kurbelwelle erfasst, und einen Temperatursensor 72, der eine Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine, beispielsweise eine Zylinderkopftemperatur oder eine Kühlwassertemperatur, erfasst. Ein Computerprogramm zur Durchführung der Steuerung des Schaltventils 28 ist auf einem Speichermedium 74 gespeichert, das sich in der Steuereinheit 64 befindet. Der detaillierte Aufbau und die Funktion des Schaltventils 28 wird mit Figur 2 näher erläutert. Auf der linken Seite ist das Schaltventil 28 in einer Schaltstellung "Teilförderung", auf der rechten Seite in einer Schaltstellung "Vollförderung" dargestellt. Das Schaltventil 28 umfasst im Wesentlichen einen Aktor 76, der ein Schaltelement 78 bewegt, und ein Federelement 80. Der Aktor 76 kann beispielsweise als ein Elektromagnet ausgebildet sein oder zumindest elektromagnetisch betrieben werden und im bestromten Zustand gegen das Federelement 80 arbeiten. Das Schaltelement 78 weist in Figur 2 in einem unteren Bereich einen Durchlass mit einer Drossel 82 für die Teilförderung auf. Darüber ist in Figur 2 für eine im Wesentlichen unbeeinflusste Vollförderung ein Durchlass 84 angeordnet.

Als Kenngröße zur Identifikation für die Notwendigkeit eines Umschaltens des Schaltventils 28 wird eine Ansteuerzeit für die Betätigung der Einspritzventile 46 herangezogen. Es könnte auch ein durch einen nicht gezeigten Sensor ermittelter Druck im Rail 44 verwendet werden. Bei einem Druckabfall im Hochdruckbereich 14 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 muss eine IST-Ansteuerzeit des Einspritzventils 46 verlängert werden, um die für eine optimale Verbrennung eines Kraftstoff-/Luftgemisches benötigte Kraftstoffmenge in den Brennraum 48 der Brennkraftmaschine 9 einspritzen zu können. Bei einem Druckanstieg im Hochdruckbereich 14 wird die IST-Ansteuerzeit entsprechend verkürzt. Das Überschreiten eines vorgegebenen oberen oder unteren Grenzwertes der Ansteuerzeit (SOLL- Ansteuerzeit) ist damit ein Indiz für die Umschaltung, wodurch bewirkt wird, dass die

Fördermenge an Kraftstoff im Niederdruckbereich den Bedingungen im Hochdruckbereich angepasst wird.

Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm mit dem Ablauf des Verfahrens, insbesondere des Verfahrens zu einer Adaption eines Umschaltzeitpunktes des Schaltventils 28. Das Verfahren ist in einem Computerprogramm, das in der Steuereinheit 64 abläuft, implementiert. In der Abfrage 100 wird festgestellt, ob das Schaltventil 28 in Teilförderung arbeitet (Schaltstellung 82). Ist dies der Fall, wird in 110 auf ein Ansteigen eines Kraftstoffmengenbedarfs in der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 detektiert, beispielsweise werden die IST-Ansteuerzeiten der Einspritzventile 46 erfasst und ausgewertet. In 120 wird abgefragt, ob die aktuelle IST-Ansteuerzeit einen vorgegebenen oberen SOLL-Grenzwert überschritten hat. Ist dies der Fall, so wird in 130 das Schaltventil 28 auf Vollförderung (Schaltstellung 84) umgeschaltet. Ist dies nicht der Fall, so werden die nächsten IST- Ansteuerzeiten mit dem SOLL-Grenzwert verglichen.

Wird in der Abfrage 100 festgestellt, dass das Schaltventil 28 bereits in Vollförderung (Schaltstellung 84) arbeitet, so wird in 140 auf eine Verminderung des Kraftstoffmengenbedarfs in der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 detektiert, wiederum durch Erfassen und Auswerten der IST-Ansteuerzeiten der Einspritzventile 46. In 150 wird abgefragt, ob die aktuelle IST-Ansteuerzeit einen vorgegebenen unteren SOLL-Grenzwert unterschritten hat. Ist dies der Fall, so wird in 160 das Schaltventil 28 auf Teilförderung (Schaltstellung 82) umgeschaltet. Ist dies nicht der Fall, so werden die nächsten IST- Ansteuerzeiten mit dem SOLL-Grenzwert verglichen. Nach einer Umschaltung wird in 170 der Umschaltzeitpunkt in der Steuereinheit 64 abgespeichert. Bei der Ermittlung des Umschaltzeitpunktes werden Einflüsse weiterer Betriebsgrößen, wie eine Motordrehzahl, ein Vorförderdruck und eine Kraftstofftemperatur in dem Computerprogramm der Steuereinheit 64 berücksichtigt. Zusätzliche, weitere Betriebsgrößen, die den Druck im Hochdruckbereich 14 oder den Kraftstoffmengenbedarf beeinflussen sind durchaus denkbar und können in weiteren Ausführungsbeispielen berücksichtigt werden.

Um festzustellen, ob die Kraftstoff- Hochdruckpumpe 10 dann, wenn das Schaltventil in der Schaltstellung 82 (Teilförderung) ist, genügend Kraftstoff fördert, kann auch die IST- Leistung bzw. das IST-Drehmoment bzw. dessen Verlauf und/oder eine IST-Drehzahl ausgewertet werden. Wird ein Leistungsabfall festgestellt, und kann aufgrund einer geeigneten Auswertung dieser Leistungsabfall einer ungenügenden Kraftstoffförderung zugeordnet werden, kann dies als Umschaltkriterium auf Vollförderung (Schaltstellung 84) verwendet werden.