Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystem

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Hochdruck-Kraft- stoffeinspritzsystem gemäß den Patentansprüchen 1 und 7. Moderne Brennkraftmaschinen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, sind mit Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystemen ausgestattet, mit denen der Kraftstoff mit einem Systemdruck >100 bar bis zu 250 bar direkt in die Brennräume eingespritzt wird. Dabei tritt das Problem auf, dass beim Abstellen der Brennkraftmaschine aufgrund des vorliegenden Systemdruckes im Kraftstoffvertei- lerrohr (rail) , an dem die Einspritzventile angeschlossen sind, der Druck sich langsam (über mehrere Stunden) über eine Kleinstleckage (sogenannte Tip Leakage) am Einspritzventil in die Brennräume abbaut. Dies führt bei einem Neustart der Brennkraftmaschine nach einer längeren Abstellphase, z.B. nach 6 Stunden bis 36 Stunden zu erhöhten Abgasemissionen aufgrund des zusätzlich in den Brennräumen vorhandenen Kraftstoffes.

Verschärfen wird sich dieses Problem, wenn für zukünftige Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsysteme der Maximalwert für den Systemdruck nochmals signifikant erhöht werden sollte. Um die gestiegenen Anforderungen zur Einhaltungen der Abgasemissionen und der zulässigen Anzahl der Partikel für zukünftige Gesetzgebungen (z.B. EU6c) zu erfüllen, sind Systemdruckanforde- rungen im Bereich von 350 bis zu 500 bar denkbar. Gleichzeitig ist zu erwarten, dass für den Fall eines sehr hohen Maximalwertes für den Systemdruck der Drucksetpoint über dem Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine eine deutlich höhere Variabilität (vergleichbar mit Dieselanwendungen) aufweisen wird. Dies ist notwendig, da zum einen weiterhin der derzeit gültige NEDC (New European Driving Cycle) als auch zukünftige, in Diskussion stehende Testzyklen wie RDC (Real Driving Cycle) oder WLTC (Worldwide harmonized Light Vehicles Test Cycle) zur Anwendung kommen werden. Der Real Driving Cycle (RDE) beinhaltet Arbeitspunkte der Brennkraftmaschine auch an der Volllast, wo zur Reduzierung der Partikelanzahl hohe Systemdrücke notwendig sind. Beim New European Driving Cycle (NEDC) , dagegen werden weiterhin die Systemdrücke wie heute appliziert werden.

Weiterhin wird auch die Stopp - Start Funktionalität immer mehr an Bedeutung gewinnen, die ebenfalls Bestandteil des Abgas- testzyklus ist. Mit einer solchen Start-Stopp-Automatikfunktion, kann die Brennkraftmaschine unabhängig von dem Eingriff eines Kraftfahrzeugführers automatisch abgeschaltet und, ohne den Zündschlüssel oder den Startknopf zu betätigen, auch wieder automatisch gestartet werden, beispielsweise durch Antippen des Gas- oder Kupplungspedals. Die Abschaltung der Brennkraftmaschine geschieht dabei insbesondere in längeren Leerlaufphasen, in denen die Antriebskraft der Brennkraftma ^¬ schine nicht benötigt wird. Auf diese Weise können, besonders im innerstädtischen Verkehr mit vielen Ampelstopps, beachtliche Kraftstoffverbrauchseinsparungen erzielt werden.

Speziell der Wiederstart bei Anwendung der Stopp - Start Funktionalität wird zukünftig bei deutlich höherem Systemdruck stattfinden, um ebenfalls die Anzahl der Partikel zu redu- zieren. Aufgrund der harten zeitlichen Anforderungen für den Wiederstart wird der benötigte Systemdruck nicht durch

Druckaufbau durch die Hochdruckpumpe, sondern durch den Systemdruck im Rail, der beim Brennkraftmaschinenstopp jeweils im Hochdrucksystem vorliegt, erfolgen.

Diese Lösung ist hinsichtlich der Tip Leakage aber kritisch, da nicht unterschieden werden kann, ob nun ein Wiederstart nach Stopp - Start oder ein Neustart nach längere Abstellzeit der Brennkraftmaschine erfolgt und sich entsprechend der vorhandene Raildruck durch eine Kleinstleckage an den Einspritzventilen in die Brennräume abbaut.

Tip Leakage kann vermieden werden, wenn der Druck im Rail beim Stopp der Brennkraftmaschine auf Umgebungsdruck reduziert wird. Dies ist jedoch nicht möglich, da heutige Systeme keine aktive Möglichkeit zum Druckabbau besitzen. D.h. man wird versuchen, beim Stopp der Brennkraftmaschine den Druck so zu applizieren, dass zum einen noch die Möglichkeit besteht, den Wiederstart für die Stopp - Start-Funktionalität zu gewährleisten und zum anderen dass, wenn das Fahrzeug abgestellt wird, der Druck im System nicht zu einer zu hohen Tip-Leakage führt. Jedoch ist dies alles nur ein Kompromiss, vermeiden lässt sich Tip Leakage nicht. Verschärft wird dieser Zustand, wenn wie oben beschrieben, die Maximalwerte für die Systemdrücke und auch die Einspritzfreigabedrücke noch steigen. Unter Einspritzfreigabedruck ist der Druckwert zu verstehen, der für den ersten Einspritzvorgang gefordert wird . Sollte für zukünftige Benzineinspritzsysteme der Systemdruck, wie oben beschrieben, signifikant steigen, so wird für diesen Fall auch ein variabler Drucksetpoint notwendig sein. Ein variabler Drucksetpoint ist nur darstellbar, wenn auf der Hochdruckseite des Systems eine aktive Druckabbaumöglichkeit vorhanden ist, da das hochdruckseitige Kraftstoffeinspritz- system, bis auf die Kleinstleckage dicht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren bzw. eine verbesserte Vorrichtung anzugeben, die einen gezielten Druckabbbau im KraftstoffVersorgungssystem einer Brennkraftmaschine erlauben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben einer Brenn- kraftmaschine mit einem Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, welches eine Stopp-Start-Automatikfunktion aufweist, mittels der die

Brennkraftmaschine unabhängig von einem Eingriff des Kraft- fahrzeugführers abgeschaltet und anschließend wieder gestartet werden kann, bei dem Kraftstoff mittels einer Hochdruck- Kraftstoffpumpe zu einem Hochdruckspeicher gefördert wird, an dem mindestens ein Hochdruck-Kraftstoffinj ektor angeschlossen ist zum Einspritzen von Kraftstoff in den mindestens einen Zylinder der Brennkraftmaschine und der Druck des Kraftstoffes hochdruckseitig mit Hilfe eines elektrisch betätigten Druck ^¬ abbauventils einstellbar ist. Bei einem Stopp der Brennkraft ^¬ maschine wird das Druckabbauventil geöffnet, bis sich ein vorgegebener Wert für einen Einspritzfreigabedruck einstellt, der einen Wiederstart nach einer Stopp-Phase innerhalb eines Stopp-Start-Zyklus sicherstellt und anschließend wird das Druckabbauventil geschlossen. Es wird überprüft, ob innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne ein Wiederstart der Brennkraft ^¬ maschine erfolgt. Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt mit dem Wert des Freigabedruckes , falls ein Wiederstart innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne vorliegt. Andernfalls wird nach Ablauf der vorgegebenen Zeitspanne das Druckabbauventil geöffnet, bis sich der Druck des Kraftstoffes im Hochdruckspeicher auf einen Wert des Umgebungsdruckes des Kraftfahrzeugs abgebaut hat.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung kann auf einfache Weise ein Einbringen von Kraftstoff in Form einer Kleinstleckage (Tip Leakage) in den Brennraum bei längerem Stillstand der Brennkraftmaschine sicher verhindert werden. Dadurch treten beim Wiederstart der Brennkraftmaschine keine erhöhten Emissionen auf.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung entspricht die vorgegebene Zeitspanne dem Steuergerätenachlauf, während dem sich eine die Brennkraftmaschine steuernde und oder regelnde

Steuerungseinrichtung noch in Betrieb befindet, nachdem die Brennkraftmaschine abgeschaltet wurde. Mit anderen Worten wird die Ansteuerung des Druckabbauventils auf der Hochdruckseite des Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystems bei Brennkraftmaschi ^¬ nenstopp mit dem Ansteuersignal für den Steuergerätenachlauf gekoppelt. Dadurch wird gezielt das Druckabbauventil bei Be ^¬ endigung des Steuergerätenachlaufs angesteuert um den Sys- temdruck von Einspritzfreigabedruckniveau auf Umgebungsdruck abzubauen .

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird nach Ablauf der vorgegebenen Zeitspanne und bei abgeschalteter, eine die Brenn- kraftmaschine steuernden und oder regelnden Steuerungseinrichtung diese kurzzeitig mittels eines wake up Signals aktiviert und mittels Signalen der Steuerungseinrichtung das Druckabbauventil geöffnet. Dadurch können ebenfalls ungewollte

Kraftstoffeinträge in die Brennräume der Brennkraftmaschine aufgrund Leckage der Hochdruck-Kraftstoffinj ektoren sicher verhindert werden.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Figuren der Ausfüh- rungsbeispiele . Es zeigen:

Figur 1 in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine mit

Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und

Figur 2 in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine mit

Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel Elemente gleicher Konstruktion und/oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In der Figur 1 ist in schematischer Weise das Hochdruck- Kraftstoffeinspritzsystem HD_SYS einer fremdgezündeten

Brennkraftmaschine zur Einspritzung von Kraftstoff in die

Brennräume der Zylinder der Brennkraftmaschine dargestellt. Das Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystem HD_SYS weist eine Kraftstoff orförderpumpe 10 (Tankpumpe) auf, bei der es sich bevorzugt um eine elektrisch betriebene Pumpe handelt und die in einem Kraftstoffvorratsbehälter 15 angeordnet ist. Der Ausgang der Kraftstoff orförderpumpe 10 ist über eine erste Nieder ^¬ druckzuleitung 20 und ein darin angeordnetes Kraftstofffilter 25 mit einer Kraftstoff-Hochdruckpumpeneinheit 30 verbunden. Diese weist eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe 35 auf, der ein Kraft ^¬ stoffdämpfer 40 und ein elektrisch betätigbares Volumen- stromregelventil 45 vorgeschaltet sind. Das Volumenstromre ^¬ gelventil 45 ist in diesem Beispiel als digitales Einlassventil ausgeführt .

Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 35 führt den unter hohem Druck stehenden Kraftstoff über ein Auslassventil 50 und eine

Hochdruckleitung 55 einem Hochdruckspeicher 60 (common rail, fuel rail) zu. Das Auslassventil 50 kann als federbelastetes Rückschlagventil oder als elektrisch betätigbares Ventil (digitales Auslassventil) ausgeführt sein. Zum Ermitteln des Kraftstoffdruckes ist am Hochdruckspeicher 60 ein Drucksensor 65 vorgesehen.

An den Hochdruckspeicher 60 sind entsprechend der Zylinderzahl der Brennkraftmaschine Hochdruck-Kraftstoffinj ektoren 70 an- geschlossen. In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 weist die Brennkraftmaschine 4 Zylinder und damit 4 Hochdruck-Kraftstoff- injektoren 70 auf. Die Erfindung ist aber auch bei Brennkraftmaschinen mit beliebiger Zylinderzahl anwendbar. Zum gezielten Abbau des Druckes im Hochdruck-Kraftstoffein- spritzsystem HD_SYS, sei es durch vorteilhafte, hochdynamische Druckänderungen im Zuge von zukünftigen Abgasemissionstests, wie beispielsweise dem Fahrzyklus RDC (Real Driving Cycle) , oder aus Sicherheitsgründen nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine ist in dem Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystem HD_SYS ein Aktuator für den aktiven Druckabbau in Form eines Druckabbauventils PDV (Pressure Decay Valve) vorgesehen. Der Ausdruck "aktiv" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Druckabbauventil PDV im Ge- gensatz zu federbelasteten Überdruckventilen, die bei Erreichen eines vorgegebenen Druckwertes automatisch öffnen, über elektrische Signale geöffnet und geschlossen werden kann. Das Druckabbauventil PDV ist in diesem ersten Ausführungsbeispiel an dem Hochdruckspeicher 60 angeordnet. Wird das Druckabbauventil PDV geöffnet, so fließt Kraftstoff über eine Rückführleitung 80 an einer Stelle stromabwärts des Kraftstofffilters 25 in die erste Niederdruckzuleitung 20 zurück. Vorteilhafter Weise ist dieses aktive Druckabbauventil als digitales ON/OFF - Ventil ausgeführt. Das aktive Druckabbauventil kann aber auch als Proportionalventil (Pressure Control Valve, PCV) ausgeführt sein .

Ferner ist der Brennkraftmaschine eine Starteinrichtung 85 zum elektrischen Starten zugeordnet, welche mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist. Die Starteinrichtung 85 kann dabei beispielsweise einen herkömmlichen Anlasser oder einen sogenannten integrierten Starter-Generator umfassen. Zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine ist eine

Steuerungseinrichtung 100 vorgesehen, die auch als Vorrichtung zum Betreiben der Brennkraftmaschine oder einfach als Motorsteuergerät bezeichnet werden kann. Ihr sind Sensoren zuge ^¬ ordnet, die verschiedene Messgrößen erfassen und die Messwerte der Messgröße ermitteln. Betriebsgrößen umfassen neben den Messgrößen auch von diesen abgeleitete Größen. Die Steuerungseinrichtung 100 steuert abhängig von mindestens einer der Betriebsgrößen mittels Stellsignale die Stellglieder, die der Brennkraftmaschine zugeordnet sind, und denen jeweils ent- sprechende Stellantriebe zugeordnet sind.

Als relevanter Sensor ist im Zusammenhang mit der Erfindung insbesondere der Drucksensor 65 am Hochdruckspeicher 60 zu nennen. Signale von weiteren Sensoren die zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine und/oder deren Nebenaggregate nötig, aber für das Verständnis der Erfindung nicht notwendig sind, sind in der Figur 1 allgemein mit dem Bezugszeichen ES gekennzeichnet . Die Stellglieder sind beispielsweise das Volumenstromregelventil 45, das Druckabbauventil PDV, die Kraftstoffvorförderpumpe 10, die Hochdruck-Kraftstoffinj ektoren 70 und die Starteinrichtung 85. Weitere Signale für Stellglieder, die zum Betrieb der Brennkraftmaschine und/oder deren Nebenaggregate nötig, aber für das Verständnis der Erfindung nicht notwendig sind, sind in der Figur 1 allgemein mit dem Bezugszeichen AS gekennzeichnet.

Die Steuerungseinrichtung 100 umfasst bevorzugt eine Rechen- einheit (Prozessor) 104, die mit einem Programmspeicher 105 und einem Wertespeicher (Datenspeicher) 106 gekoppelt ist. Die Recheneinheit 104, der Programmspeicher 105 und der Wertespeicher 106 können jeweils ein oder mehrere mikroelektronische Bauelemente umfassen. Alternativ können diese Komponenten teilweise oder vollständig in einem einzigen mikroelektronischen Bauteil integriert sein. In dem Programmspeicher 105 und dem Wertespeicher 106 sind Programme bzw. Werte abgespeichert, die für den Betrieb der Brennkraftmaschine nötig sind. Unter anderem sind mehrere, kennfeidbasierte Steuerungsfunktionen soft- waremäßig implementiert, insbesondere ein Verfahren zum Be ^¬ treiben des Hochruck-Kraftstoffeinspritzsystem HD_SYS und eine sogenannte Stopp-Start-Automatikfunktion 90, mit deren Hilfe bei Vorhandensein bestimmter Bedingungen und/oder Anforderungen die Brennkraftmaschine unabhängig von einem Fahrer des mit der Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeuges automatisch gestoppt und bei Vorhandensein bestimmter Bedingungen und/oder Anforderungen gestartet wird. Die Stopp-Start-Automatikfunktion 90 ist hierzu über eine elektrische Verbindung mit der

Starteinrichtung 85 verbunden

In der Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftma ^¬ schine dargestellt, das sich von dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel nur dadurch unterscheidet, dass das

Druckabbauventil PDV nicht an dem Hochdruckspeicher 60 ange- _

y

ordnet ist, sondern in die Hochdruckpumpeneinheit 30 integriert ist. Wird das Druckabbauventil PDV geöffnet, so fließt Kraftstoff über eine Rückführleitung 80' an einer Stelle stromabwärts des Kraftstofffilters 25 in die Niederdruckzuleitung 20 zurück. Die restlichen Komponenten und deren Funktion in diesem Ausführungsbeispiel sind identisch mit den Komponenten und deren Funktion des anhand der Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiels und werden daher nicht nochmal beschrieben. Im Folgenden wird erläutert, wie das Druckabbauventil PDV in sehr effektiver Weise zusätzlich zur Vermeidung der Tip Leakage genutzt werden kann. Weiterhin kann mittels des Druckabbau ^¬ ventils PDV aber auch der optimale und reproduzierbare

Einspritzfreigabedruck für den Wiederstart nach einer

Stopp-Start-Phase der Brennkraftmaschine eingestellt werden.

Das Druckabbauventil PDV auf der Hochdruckseite des Kraft ^¬ stoffeinspritzsystems wird bei jedem Stopp der Brennkraftma ^¬ schine so angesteuert, dass der Systemdruck auf den für einen nachfolgenden Start der Brennkraftmaschine optimalen Ein- spritzfreigabedruck, der für einen Stopp-Start Betrieb der Brennkraftmaschine nötig ist, eingeregelt wird.

Liegt nun ein Wiederstart der Brennkraftmaschine nach einer Stopp-Start Phase vor, dann kann der Wiederstart mit dem optimalen Druck erfolgen und somit liegen auch

optimale Vorausaussetzungen für die Verbrennung vor. Ein solcher Wiederstart der Brennkraftmaschine wird von der

Steuerungseinrichtung 10 erkannt, wenn der Zeitraum,

innerhalb dessen die Brennkraftmaschine abgeschaltet ist, höchstens 2 Minuten beträgt. Diese Zeitspanne kann

beispielsweise mittels eines in der Steuerungseinrichtung 100 enthaltenen Zeitzählers 107 (timer) ermittelt werden. Entscheidet sich der Fahrer des mit der Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeugs aber den Motor für einen längeren Zeitraum abzustellen (Zeitraum >2 Minuten bis 6 Stunden oder 36 Stunden, so würde nun der für den Start der Brennkraftmaschine bzw. Wiederstart erforderliche Systemdruck von z. B. ca. 150 bar bis zu den eingangs erwähnten 200 bar über diesen Zeitraum im Hochdruckspeicher 60 und damit auch an den Hochdruck-Kraftstoff- injektoren 70 herrschen, und somit auch vor einem darauf- folgenden Abgasemissionstest eine Tip Leakage mit dadurch entsprechend höheren Emissionen verursachen.

In diesem Fall (Stopp der Brennkraftmaschine länger als 2 Minuten) muss nun der Systemdruck im Hochdruck- Kraft- Stoffeinspritzsystems auf den Umgebungsdruck aktiv, d.h.

durch einen gezielten, äußeren Eingriff abgebaut werden, um eine Leckage in den Brennraum zu vermeiden. Dieses Absenken auf Umgebungsdruck kann folgendermaßen realisiert werden. Die elektrische Ansteuerung des Druckabbauventils PDV wird über die gleiche Spannungsversorgung realisiert, wie für den Steuergerätenachlauf realisiert wird. Unter dem Begriff

Steuergerätenachlauf ist im Rahmen der Erfindung die Zeitspanne zu verstehen, während der die Steuerungseinrichtung 100 noch in Betrieb bleibt, nachdem die Brennkraftmaschine abgeschaltet wurde und stillsteht. Dieser Zeitraum, üblicherweise bis zu 2 Minuten, wird benötigt, um verschiedene Rechenoperationen nach dem Brennkraftmaschinenstopp abzuschließen und Werte in einen nichtflüchtigen Speicher zu schreiben, die bei der nächsten Initialisierung, d. h. beim nächsten Start der Brennkraftmaschine gebraucht werden.

Erfolgt in diesem Zeitraum des Steuergerätenachlaufs kein Wiederstart der Brennkraftmaschine, wird mit Beendigung des Steuergerätenachlaufs ein Ansteuersignal an das Druckab ^¬ bauventil PDV angelegt, um dieses zu öffnen und damit das Hochdruck-Kraftststoffeinspritzsystem hydraulisch drucklos zu schalten und den Druck im Hochdruckspeicher abzubauen. Die sogenannte Tip-Leakage in den Brennraum der Brennkraftmaschine wird somit vermieden.

In einer weiteren Ausführungsform kann das Druckabbauventil PDV auch nach Ablauf des Steuergerätenachlaufs noch geschlossen bleiben und die Steuerungseinrichtung nach 10 - 60, oder 120 Minuten für einen Zeitraum von wenigen Sekunden im Rahmen einer wake up Funktion "aufgeweckt" werden und anschließend das Druckabbauventil PDV über Signale der Steuerungseinrichtung 100 geöffnet werden, damit der Systemdruck abgebaut und das System drucklos wird.

Bezugs zeichen- /Begriffsliste

10 KraftStoff orförderpumpe

15 Kraftstoff orratsbehälter

20 Niederdruckzuleitung

25 Kraftstofffilter

30 Kraftstoff-Hochdruckpumpeneinheit

35 Hochdruck-Kraftstoffpumpe

40 Kraftstoffdämpfer

45 Volumenstromregelventil, digitales Einlassventil

50 Auslassventil

55 Hochdruckleitung

60 Hochdruckspeicher (common rail, fuel rail)

65 Drucksensor

70 Hochdruck-Kraftstoffinj ektor

80, 80' Rückführleitung

85 Starteinrichtung

90 Stopp-Start-Automatikfunktion

100 Steuerungseinrichtung

104 Recheneinheit (Prozessor)

105 Programmspeicher

106 Wertespeicher (Datenspeicher)

107 Zeitzähler, timer HD_SYS Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystem

PDV Druckabbauventil, Pressure Decay Valve

ES Eingangssignale

AS Ausgangssignale

PDV Druckabbauventil