Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Kraftstoffhochdruckpumpe und System

Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffhochdruckpumpe und andererseits eine korres ^¬ pondierende Vorrichtung zum Betreiben der Kraftstoffhochdruckpumpe und ein korrespondierendes System aufweisend die Vorrichtung.

Fahrzeuge verfügen häufig über einen Kraftstoffhochdruck- speicher und eine Kraftstoffhochdruckpumpe . Der Kraftstoff- hochdruckspeicher, der sogenannte Common Rail dient hierbei zur Speicherung eines Kraftstoff olumens um Mehrfacheinspritzungen mit weitgehend konstantem Druck zu ermöglichen.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es einerseits ein Verfahren und andererseits eine Vorrichtung zum Betreiben einer Kraftstoffhochdruckpumpe eines Kraftstoffhochdruck ^¬ speichers zu schaffen, das beziehungsweise die dazu beiträgt, eine hydraulische Energie einfach in dem Kraftstoffhoch- druckspeicher zu speichern. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich aus einerseits durch ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffhochdruckpumpe eines Kraft ^¬ stoffhochdruckspeichers eines Fahrzeugs und andererseits durch eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben der Kraft ^¬ stoffhochdruckpumpe und ein korrespondierendes System, welches die Vorrichtung, sowie die Kraftstoffhochdruckpumpe und den Kraftstoffhochdruckspeicher aufweist. Die Kraftstoffhochdruckpumpe wird frei von einer vorgegebenen Motordrehzahl und frei von einem vorgegebenen Kraftstoffbedarf abhängig von einem vorgegebenen Wirkungsgradbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe betrieben, zum Speichern einer hydraulischen Energie mittels des Kraftstoffs in dem Kraftstoffhochdruckspeicher .

Der vorgegebene Wirkungsgradbereich ist beispielsweise ein Bereich in den die Kraftstoffhochdruckpumpe einen sehr hohen Wirkungsgrad, also beispielsweise einen Wirkungsgrad über 50% aufweist. Der Wirkungsgrad hängt hierbei beispielsweise von einer Fördermenge und/oder von einem im Kraftstoffhochdruckspeicher herrschenden Fluiddruck und/oder von einem Fluiddruck in einem Zulauf zu der Kraftstoffhochdruckpumpe ab und kann somit beispielsweise durch Messung der Fördermenge und/oder des Fluiddruck im Kraftstoffhochdruckspeicher und/oder des

Fluiddruck im Zulauf überprüft werden.

Hierdurch wird die Kraftstoffhochdruckpumpe nur betrieben, wenn sie sehr effizient arbeitet. Die Kraftstoffhochdruckpumpe wird nicht abhängig von der Motordrehzahl und nicht abhängig von einem vorgegebenen Kraftstoffbedarf betrieben. Somit ist es möglich die Kraftstoffhochdruckpumpe immer in einem sehr hohen Wir ^¬ kungsgradbereich zu betreiben. Somit kann auf einfache Weise unabhängig von der Motordrehzahl und unabhängig von einem Kraftstoffbedarf eine hydraulische Energie in dem Kraft ^¬ stoffhochdruckspeicher gespeichert werden, welche beispielsweise später für Einspritzvorgänge genutzt werden kann. Sie kann aber auch alternativ oder zusätzlich für andere Verbraucher genutzt werden.

Um viel hydraulische Energie zu speichern ist es beispielsweise vorteilhaft einen, im Vergleich zu einem herkömmlichen Hochdruckspeicher größeren, Kraftstoffhochdruckspeicher zu ver- wenden, also beispielsweise einen Kraftstoffhochdruckspeicher, der ein Volumen von mindestens 40 cm ³ aufweist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Kraftstoff- hochdruckpumpe mittels einer rekuperierten Energie betrieben.

Beispielsweise wird die Kraftstoffhochdruckpumpe mittels einer rekuperierten Energie betrieben, wenn diese rekuperierte Energie sonst nicht genutzt werden kann, beispielsweise weil das Fahrzeug keinen dafür vorgesehenen elektrischen Energiespeicher aufweist und/oder weil ein dafür vorgesehener elektrischer Energiespeicher schon voll geladen ist. Hierdurch kann eine rekuperierte Energie genutzt werden um sie in hydraulische Energie umzuwandeln und zu speichern. Hierdurch kann eine sehr hohe energetische Effizienz des Fahrzeugs erreicht werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die rekuperierte Energie eine mittels Bremsenergierekuperation erzeugte Energie.

Gerade mittels Bremsenergierekuperation lässt sich einfach Energie gewinnen. Beispielsweise wird hierfür die bei der Bremsenergie erzeugte mechanische Energie mittels eines Ge ^¬ nerators in eine elektrische Energie gewandelt und mittels der Kraftstoffhochdruckpumpe in Form von hydraulischer Energie in dem Kraftstoffhochdrucktank gespeichert.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die rekuperierte Energie eine mittels Abgaswärmerekuperation er- zeugte Energie.

Mittels einer Abgaswärmerekuperation lässt sich einfach Energie gewinnen. Beispielsweise wird hierfür die Abgaswärme mittels thermodynamischen Kreisprozess über eine Turbine in mechanische Energie und von dort beispielsweise mittels eines Generators in eine elektrische Energie umgewandelt und mittels der Kraft ^¬ stoffhochdruckpumpe in Form von hydraulischer Energie in dem Kraftstoffhochdrucktank gespeichert .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kraftstoffhochdruckspeicher zusätzlich einen Drucktank auf zum Speichern der hydraulischen Energie.

Somit ist es möglich besonders viel hydraulische Energie zu speichern. Der Drucktank ist beispielsweise ein Membranspeicher. Der Drucktank weist beispielsweise ein Volumen von mindestens einem Liter auf.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kraftstoffhochdruckpumpe mit einer elektrischen Maschine me ^¬ chanisch koppelbar zum Betreiben der Kraftstoffhochdruckpumpe .

Hierdurch kann die Kraftstoffhochdruckpumpe sehr einfach mittels elektrischer Energie betrieben werden. Hierdurch ist es auch sehr einfach möglich die Kraftstoffhochdruckpumpe mittels einer rekuperierten elektrischen Energie zu betreiben, wie beispielsweise mittels einer rekuperierten Bremsenergie und/oder einer rekuperierten Abgaswärmeenergie.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kraftstoffhochdruckpumpe als Hydraulikmaschine ausgebildet, die als Kraftstoffhochdruckpumpe oder als Hydraulikmotor betrieben werden kann. Die Kraftstoffhochdruckpumpe ist mit einer elektrischen Maschine mechanisch koppelbar zum Antreiben der elektrischen Maschine mittels der in dem Kraftstoffhochdruckspeicher gespeicherten hydraulischen Energie. Die

Kraftstoffhochdruckpumpe wird abhängig von einer Energiean ^¬ forderung als Hydraulikmotor betrieben. Hierdurch kann bei einer Energieanforderung auf einfache Weise die hydraulisch gespeicherte Energie einfach in elektrische Energie umgewandelt werden, indem die Kraftstoffhochdruckpumpe als Hydraulikmotor betrieben wird und hiermit die elektrische Maschine als Generator betrieben wird. Somit ist es möglich die gespeicherte hydraulische Energie nicht nur für Einspritzungen in eine Brennkraftmaschine zu nutzten, sondern beispielsweise auch für elektrische Verbraucher im Fahrzeug und/oder zum Laden eines elektrischen Energiespeichers.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die mittels des Kraftstoffs in dem Kraftstoffhochdruckspeicher gespeicherte hydraulische Energie vorgesehen zum Betrieb einer Brenn ^¬ kraftmaschine frei von einer unmittelbaren Nachförderung oder insbesondere frei von einer Nachförderung von Kraftstoff mittels der Kraftstoffhochdruckpumpe . Falls die Kraftstoffhochdruck ^¬ pumpe beispielsweise mechanisch über die Brennkraftmaschine angetrieben wird, so kann die Kraftstoffhochdruckpumpe bei ^¬ spielsweise mittels einer mechanischen und/oder hydraulischen und/oder magnetischen Kupplung von der Brennkraftmaschine entkoppelt werden, so dass Injektoren der Brennkraftmaschine alleine aus dem Kraftstoffhochdruckspeicher und/oder dem Drucktank versorgt werden können. Hierdurch können beispielsweise Schleppverluste an der Kraftstoffhochdruckpumpe eingespart werden.

Das System weist beispielsweise zusätzlich zur Kraftstoff ^¬ hochdruckpumpe, der Vorrichtung und dem Kraftstoffhochdruckspeicher, den Drucktank und/oder die elektrische Maschine auf.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein System mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe und Figur 2 ein Ablaufdiagramm zum Betreiben der Kraftstoffhochdruckpumpe .

Figur 1 zeigt ein System 1. Das System 1 weist eine Kraftstoffhochdruckpumpe 5 eines Fahrzeugs auf.

Die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 ist beispielsweise bei Benzin dazu ausgebildet Drücke bis 200 Bar und bei Diesel Drücke bis 2500 Bar zu erzeugen. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 ist mit einem Kraftstoffhoch- druckspeicher 7, dem sogenannten Common Rail verbunden. Auf einer Zulaufseite ist die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 beispielsweise über einen Filter 15 mit einem Kraftstofftank 10 verbunden. Zusätzlich ist die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 beispielsweise mit einer elektrischen Maschine 17 mechanisch koppelbar. Die elektrische Maschine 17 ist beispielsweise als Elektromotor ausgebildet. Auf diese Weise kann die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 von der elektrischen Maschine 17 angetrieben werden.

Die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 ist beispielsweise als Hyd ^¬ raulikmaschine ausgebildet, die sowohl als Kraftstoffhoch ^¬ druckpumpe oder auch als Hydraulikmotor betrieben werden kann. In diesem Fall ist die elektrische Maschine 17 alternativ oder zusätzlich als Generator ausgebildet. So kann die Kraft ^¬ stoffhochdruckpumpe 5 die elektrische Maschine 17 als Hyd ^¬ raulikmotor antreiben, zum Umwandeln von hydraulischer Energie in elektrische Energie. Der Kraftstoffhochdruckspeicher 7 weist beispielsweise zusätzlich einen Drucktank 9 auf zum Speichern von hydraulischer Energie. Der Drucktank 9 ist beispielsweise ein Membranspeicher. Der Drucktank 9 weist beispielsweise ein Druckvolumen von mindestens einem Liter auf.

Der Kraftstoffhochdruckspeicher 7 ist zusätzlich mit mehreren Einspritzventilen 20 verbunden zum Betreiben einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs.

Zum Betreiben der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 ist die Kraft ^¬ stoffhochdruckpumpe 5 mit einer Steuervorrichtung 30 verbunden. Die Steuervorrichtung 30 kann auch als Vorrichtung zum Betreiben einer Kraftstoffhochdruckpumpe bezeichnet werden. Die Steu- ervorrichtung 30 umfasst eine Recheneinheit, einen Programm- und Datenspeicher sowie mindestens eine Schnittstelle, mit der sie mit der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 gekoppelt ist zum Steuern der Kraftstoffhochdruckpumpe 5. Weiterhin kann die Steuervor ^¬ richtung 30 mit der elektrischen Maschine 17 verbunden sein zum Steuern der elektrischen Maschine 17. Die Recheneinheit und/oder der Programm- und Datenspeicher können in eine Einheit und/oder verteilt auf mehrere Einheiten ausgebildet werden.

Zum Betreiben der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 ist in dem Programm- und Datenspeicher der Steuervorrichtung 30 bevorzugt ein

Programm abgespeichert, das während des Betriebs des Fahrzeugs abgearbeitet werden kann. Das Programm ist im Folgenden anhand des Ablaufdiagramms der Figur 2 näher erläutert. Das Programm wird in einem Schritt Sl gestartet, in dem ge ^¬ gebenenfalls Variablen initialisiert werden können.

In einem Schritt S3 wird ermittelt in welchem Wirkungsgrad W die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 gerade betrieben wird. Dies geschieht beispielsweise unter Berücksichtigung eines Fluiddrucks auf einer Eingangsseite der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 und/oder des Fluiddrucks in dem Kraftstoffhochdruckspeicher 7 und/oder einer Fördermenge an Fluid.

In einem Schritt S5 wird überprüft ob der ermittelte Wirkungsgrad W in einem vorgegebenen Wirkungsgradbereich liegt. Der vorgegebene Wirkungsgradbereich ist beispielsweise ein Bereich in den die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 einen sehr hohen Wirkungsgrad W, also beispielsweise einen Wirkungsgrad W über 50% aufweist. Liegt der Wirkungsgrad W nicht in dem Wirkungsgradbereich, so wird das Programm in einem Schritt S7 fortgeführt. Liegt er innerhalb des Wirkungsgradbereichs so wird das Programm in einem Schritt S9 fortgeführt.

In dem Schritt S7 wird die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 frei von einer vorgegebenen Motordrehzahl und frei von einem vorgegebenen Kraftstoffbedarf in dem vorgegebenen Wirkungsgradbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 betrieben, zum Speichern einer hydraulischen Energie mittels des Kraftstoffs in dem Kraft ^¬ stoffhochdruckspeicher 7 und/oder in dem Drucktank 9. Hierfür wird beispielsweise die Fördermenge der Kraftstoffhochdruck ^¬ pumpe 5 erhöht, indem beispielsweise ein Einlassventil der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 früher, beziehungsweise zeitlich näher an einem unteren Totpunkt eines Pumpenkolbens der

Kraftstoffhochdruckpumpe 5 geschlossen wird. Somit kann hyd ^¬ raulische Energie in dem Kraftstoffhochdruckspeicher 7 und/oder in dem Drucktank 9 gespeichert werden. Beispielsweise wird die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 in dem

Schritt S7 mittels einer rekuperierten Energie betrieben, wie beispielsweise einer rekuperierten Bremsenergie und/oder einer rekuperierten Abgaswärmenergie. Beispielsweise wird die

Kraftstoffhochdruckpumpe 5 mittels der rekuperierten Energie betrieben, wenn diese rekuperierte Energie sonst nicht genutzt werden kann, beispielsweise weil das Fahrzeug keinen dafür vorgesehenen elektrischen Energiespeicher aufweist und/oder weil ein dafür vorgesehener elektrischer Energiespeicher schon voll geladen ist.

In einem darauffolgenden Schritt S9 wird überprüft ob eine Energieanforderung E vorliegt. Liegt eine Energieanforderung E vor, so wird das Programm in einem Schritt Sil fortgesetzt. Liegt keine Energieanforderung E vor so wird das Programm in dem Schritt S3 fortgesetzt.

In dem Schritt Sil wird die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 abhängig von der Energieanforderung E als Hydraulikmotor betrieben zum Antreiben der elektrischen Maschine 17 als Generator und um somit die hydraulische Energie in eine elektrische Energie umzu ^¬ wandeln. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 wird beispielsweise so lange als Hydraulikmotor betrieben, bis keine Energieanforderung E mehr vorliegt und/oder bis eine vorgegebene untere Druckgrenze in dem Kraftstoffhochdruckspeicher 7 erreicht wird. Beispielsweise kann die hierdurch erzeugte elektrische Energie für elektrische Verbraucher im Fahrzeug und/oder zum Laden eines elektrischen Energiespeichers genutzt werden. Anschließend wird das Programm in dem Schritt S3 fortgeführt.

Die beiden Funktionen der Kraftstoffhochdruckpumpe 5, also das Betreiben als Hochdruckpumpe und das Betreiben als Hydrau ^¬ likmotor, können auch in zwei getrennten Programmen realisiert sein, wobei hier sichergestellt werden muss, dass nicht beide Funktionen gleichzeitig ausgeführt werden können.

Alternativ oder zusätzlich zur Umwandlung von hydraulischer Energie in elektrische Energie kann mittels des Kraftstoffs in dem Kraftstoffhochdruckspeicher 7 und/oder in dem Drucktank 9 mittels der Injektoren 20 auch eine Brennkraftmaschine des Fahrzeugs betrieben werden. Auf diese Weise kann der Kraftstoffhochdruckspeicher 7 und/oder der Drucktank 9 zusätzlich zur Nutzung als Kraftstoffhochdruckspeicher 7 zum Betrieb der Brennkraftmaschine als hyd ^¬ raulischer Energiespeicher genutzt werden, beispielsweise frei von einer unmittelbaren Nachförderung oder frei von einer Nachförderung von Kraftstoff mittels der Kraftstoffhoch ^¬ druckpumpe 5, wodurch beispielsweise eine energetische Effizienz des Fahrzeugs verbessert werden kann.

Falls die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 beispielsweise mechanisch über die Brennkraftmaschine angetrieben wird, so kann die

Kraftstoffhochdruckpumpe 5 beispielsweise mittels einer me ^¬ chanischen und/oder hydraulischen und/oder magnetischen

Kupplung von der Brennkraftmaschine entkoppelt werden, so dass die Injektoren alleine aus dem Kraftstoffhochdruckspeicher 7 und/oder dem Drucktank 9 versorgt werden können. Hierdurch können beispielsweise Schleppverluste an der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 eingespart werden.

Bezugs zeichenliste

5 Kraftstoffhochdruckpumpe

7 Kraftstoffhochdruckspeicher 9 Drucktank

10 Kraftstofftank

15 Filter

17 elektrische Maschine

20 Inj ektor

30 Steuervorrichtung

W Wirkungsgrad

E Energieanforderung