Verfahren und Vorrichtung zur Druckregelung bei einem

Kraftstoffhochdruckeinspritzsystem

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Druckregelung bei einem Kraftstoffhochdruckeinspritzsystem .

Bei Kraftstoffhochdruckeinspritzsystemen für Brennkraftmaschinen wird Kraftstoff zum Einspritzen in einen Brennraum von einem Kraftstoffhochdruckspeicher zur Verfügung gestellt, welcher den Kraftstoffeinspritzventilen der Brennkraftmaschine vorgelagert ist. Der im Kraftstoffhochdruckspeicher benötigte Hochdruck wird durch ein Einpumpen des Kraftstoffs mittels einer Kraftstoffhochdruckpumpe erzeugt. Dieses Einpumpen von Kraftstoff führt zu einer Druckerhöhung im

Kraftstoffhochdruckspeicher. Zu einer Einspritzung des Kraftstoffs in einen jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine wird Kraftstoff aus dem

Kraftstoffhochdruckspeicher entnommen und durch die Kraftstoffeinspritzventile (Kraftstoffinjektoren) in den jeweiligen Brennraum eingespritzt. Diese

Einspritzvorgänge bewirken eine Druckabsenkung im Kraftstoffhochdruckspeicher. Durch das Einpumpen des Kraftstoffs in den Kraftstoffhochdruckspeicher und das Einspritzen des aus dem Kraftstoffhochdruckspeicher ausgegebenen Kraftstoffs entsteht eine Druckpulsation.

Kraftstoffhochdruckeinspritzsysteme weisen üblicherweise ein an den

Kraftstoffhochdruckspeicher angeschlossenes Überdruckventil auf. Dieses ist dazu vorgesehen, einen von beliebigen Fehlfunktionen verursachten Druckanstieg im Kraftstoffhochdruckspeicher zu limitieren. Tritt in derartigen

Kraftstoffhochdruckeinspritzsystemen eine derartige Fehlfunktion auf, dann wird das Überdruckventil geöffnet, so dass Kraftstoff aus dem

Kraftstoffhochdruckspeicher durch das Überdruckventil und eine

Kraftstoffrückleitung beispielsweise in den Kraftstofftank zurückgeleitet werden kann. Das genannte Überdruckventil dient weiterhin dazu, einen durch

Motorabwärme verursachten zu hohen Druckanstieg im

Kraftstoffhochdruckspeicher zu verhindern. Der Öffnungsdruck des

Überdruckventils muss bei der Auslegung des Kraftstoffhochdruckeinspritzsystems auf einen so hohen Druckwert gelegt werden, dass die oben genannten Pulsationen im Normalbetrieb des Kraftstoffhochdruckeinspritzsystems das Überdruckventil nicht öffnen. Diese Auslegung muss unter Berücksichtigung von im Normalbetrieb auftretenden Maximalwerten erfolgen, beispielsweise unter Berücksichtigung von sehr hohen Drehzahlen, sehr hohen und sehr niedrigen Außentemperaturen, maximal zugelassenen Einspritzmassen und der jeweiligen Dimensionierung des

Kraftstoffhochdruckspeichers. Aufgrund der Notwendigkeit, eine Auslegung des Kraftstoffhochdruckeinspritzsystems unter Berücksichtigung von im Normalbetrieb auftretenden Maximalwerten vornehmen zu müssen, muss der Öffnungsdruck des Überdruckventils auf einen sehr hohen Druckwert eingestellt werden. Damit sind Nachteile verbunden. Beispielsweise kann der durch Motorabwärme verursachte hohe Druckanstieg sehr hoch sein. Deshalb müssen auch die Kraftstoffinjektoren in der Lage sein, bei einem derart hohen Druck Einspritzungen vornehmen zu können. Dies erfordert eine Verwendung vergleichsweise teurer Kraftstoffinjektoren und erzeugt des Weiteren einen Zielkonflikt mit der Einspritzgenauigkeit bei kleinen Einspritzmassen. Ferner muss das verwendete, elektrisch ansteuernde

Motorsteuergerät eine vergleichsweise hohe Energie zur Verfügung stellen. Auch dies verursacht höhere Kosten und bringt weitere Nachteile mit sich.

Des Weiteren wird bei bekannten Verfahren zur Druckregelung bei einem

Kraftstoffhochdruckeinspritzsystem die Druckregelung unter Verwendung eines Reglers durchgeführt, der den mittleren Druck regelt. Ein P-I-Regler

(Proportional-Integral-Regler), der den mittleren Druck regelt, kann die

Druckspitzenhöhe der Druckpulsation nicht beeinflussen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, bei denen die vorstehend genannten Nachteile nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 1 angegebenen

Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden bei einem Verfahren zur Druckregelung bei einem ein Überdruckventil aufweisenden Kraftstoffhochdruckeinspritzsystem, bei welchem Druckpulsationen auftreten, die durch ein Einpumpen von Kraftstoff in einen Kraftstoffhochdruckspeicher und eine Entnahme von Kraftstoff aus dem Kraftstoffhochdruckspeicher verursacht werden, folgende Schritte durchgeführt: - Erfassen von Druckwerten des im Kraftstoffhochdruckspeicher befindlichen Kraftstoffs,

- Vergleichen der erfassten Druckwerte mit einem Drucksollwert und

- Durchführen einer Druckregelung, bei welcher der im

Kraftstoffhochdruckspeicher herrschende Kraftstoffdruck auf den Drucksollwert geregelt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass bei der Druckregelung ein Druckspitzenwert der erfassten Druckwerte als Druckistwert verwendet wird.

Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass alle Parameter, die sich negativ auf die Höhe der Druckpulsation auswirken können, nicht mehr bestimmend für die im Normalbetrieb tatsächlich auftretenden Druckspitzen sind. Die Auslegung des Kraftstoffhochdruckeinspritzsystems kann in vorteilhafter Weise auf den Solldruck erfolgen. Der Öffnungsdruck des Überdruckventils kann entsprechend sinnvoll eingestellt werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei bekannten Verfahren insbesondere bei sehr hohen Motordrehzahlen auftretende Aliasingeffekte reduziert oder ganz verhindert werden.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren

Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt

Figur 1 eine Blockdarstellung eines Kraftstoffhochdruckeinspritzsystems,

Figur 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer bekannten Druckregelung bei einem Kraftstoffhochdruckeinspritzsystem ,

Figur 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen

Druckregelung bei einem Kraftstoffhochdruckeinspritz-system,

Figur 4 eine Blockdarstellung zur Veranschaulichung der Arbeitsweise eines Reglers und

Figur 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Ermittlung eines zur Regelung verwendeten Druckspitzenwertes.

Die Figur 1 zeigt eine Blockdarstellung eines Kraftstoffhochdruckeinspritzsystems, bei welchem ein erfindungsgemäßes Druckregelungsverfahren verwendet werden kann. Bei diesem Kraftstoffhochdruckeinspritzsystem wird von einem nicht dargestellten Kraftstofftank Kraftstoff bereitgestellt, der über eine Kraftstoffzuleitung 9 einer Hochdruckpumpeneinheit 1 zugeführt wird. Von einer dieser

Hochdruckpumpeneinheit 1 zugehörigen Hochdruckpumpe wird der Kraftstoff auf einen hohen Druck gebracht und dann an einen Kraftstoffhochdruckspeicher 2 weitergegeben. Der in diesem Kraftstoffhochdruckspeicher 2 befindliche, unter einem hohen Druck stehende Kraftstoff wird zur Durchführung von

Einspritzvorgängen aus dem Kraftstoffhochdruckspeicher 2 entnommen und einer Injektorvorrichtung 5 zugeführt, die mehrere Injektoren 6 aufweist. Mittels dieser Injektoren wird der Kraftstoff in Brennräume 7 eines jeweiligen Kraftfahrzeugs eingespritzt.

Der Hochdruckpumpeneinheit 1 werden von einem Regler 8 Steuersignale st1 zugeführt, die den Betrieb der Hochdruckpumpe steuern. Der Injektorvorrichtung 5 werden vom Regler 8 Steuersignale st2 zugeführt, die die mittels der Injektoren 6 durchgeführten Einspritzvorgänge steuern.

Der Regler 8 ermittelt die genannten Steuersignale st1 und st2 sowie weitere Steuersignale st3 - sty unter Verwendung von Sensorsignalen s1 und weiterer Sensorsignale s2 - sx sowie unter Verwendung von hinterlegter Software. Bei den Sensorsignalen s1 handelt es sich um von einem Hochdrucksensor 4 bereitgestellte Drucksignale, die Auskunft über den Druck des im Kraftstoffhochdruckspeicher 2 gespeicherten Kraftstoffs geben. Bei den weiteren Sensorsignalen handelt es sich beispielsweise um die Ausgangssignale eines Drehzahlsensors, welches Auskunft über die Drehzahl des Motors gibt, und um Ausgangssignale von

Temperatursensoren, die Auskunft über an verschiedenen Stellen des Motors gemessene Temperaturen geben. Weitere Eingangssignale, die dem Regler 8 zugeführt werden, sind beispielsweise Signale, die Informationen über die

Kraftstoffart des im Tank des Kraftfahrzeugs befindlichen Kraftstoffs geben, Signale, die Informationen über die Größe des verwendeten

Kraftstoffhochdruckspeichers enthalten, und Signale, die Informationen über eine eventuelle Überlagerung der Pumpenförderung mit der Einspritzung geben.

An den Kraftstoffhochdruckspeicher 2 ist ein Überdruckventil 3 angeschlossen, welches einen vorgegebenen Öffnungsdruck aufweist. Übersteigt der Druck des im Kraftstoffhochdruckspeicher 2 befindlichen Kraftstoffs den Öffnungsdruck des Überdruckventils 3, dann wird dieses durchlässig und leitet Kraftstoff aus dem Kraftstoffhochdruckspeicher 2 über eine Kraftstoffrückleitung 10 in den nicht dargestellten Kraftstofftank zurück.

Bei dem in der Figur 1 dargestellten Kraftstoffhochdruckeinspritzsystem handelt es sich um ein Common-Rail-Diesel-Einspritzsystem. Alternativ dazu kann es sich bei dem Kraftstoffhochdruckeinspritzsystem auch um ein

Benzinhochdruckeinspritzsystem handeln. In diesem Fall ist das Überdruckventil integrierter Bestandteil der Flochdruckpumpeneinheit 1 .

Bei herkömmlichen Verfahren zur Druckregelung bei einem ein Überdruckventil aufweisenden Kraftstoffhochdruckeinspritzsystem erfolgt die Regelung des

Kraftstoffdruckes im Kraftstoffhochdruckspeicher 2 mittels eines Reglers, der für jeden Pumpenhub einen mittleren Druck des Kraftstoffs auf einen vorgegebenen Sollwert regelt. Bei dieser Regelung wird das Hochdrucksignal zu einer Ermittlung eines gemittelten Druckistwertes mit einer Abtastfrequenz von 1 KHz abgetastet und dann gemittelt. Diese Vorgehensweise ist in der Figur 2 veranschaulicht, in welcher der Verlauf des Drucksignals p und der Druckmittelwert pm dargestellt sind. Des Weiteren ist aus der Figur 2 ersichtlich, dass der Verlauf des Drucksignals p ansteigende und abfallende Flanken aufweist, die insgesamt eine Druckpulsation darstellen. Dabei entsprechen die mit dem Wort„Delivery“ bezeichneten

ansteigenden Flanken einem Einpumpen von Kraftstoff in den

Kraftstoffhochdruckspeicher 2, bei welchem der Druck im

Kraftstoffhochdruckspeicher 2 erhöht wird, und die mit dem Wort„Injection“ bezeichneten abfallenden Flanken einer Entnahme von Kraftstoff aus dem

Kraftstoffhochdruckspeicher 2, aufgrund welcher der Druck im

Kraftstoffhochdruckspeicher 2 wieder abfällt.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Druckregelung bei einem ein

Überdruckventil aufweisenden Kraftstoffhochdruckeinspritzsystem erfolgt die Regelung des Kraftstoffdruckes im Kraftstoffhochdruckspeicher 2 im Unterschied zu der anhand der Figur 2 erläuterten Vorgehensweise mittels eines Reglers, der einen Druckspitzenwert der erfassten Druckwerte als Druckistwert verwendet. Diese Vorgehensweise ist in der Figur 3 veranschaulicht, in welcher der Verlauf des Drucksignals p und der Verlauf der Druckspitzenwerte ps dargestellt ist. Des Weiteren ist auch aus der Figur 3 ersichtlich, dass der Verlauf des Drucksignals ansteigende und abfallende Flanken aufweist, die insgesamt eine Druckpulsation darstellen. Dabei entsprechen die mit dem Wort„Delivery“ bezeichneten

ansteigenden Flanken einem Einpumpen von Kraftstoff in den Kraftstoffhochdruckspeicher 2, bei welchem der Druck im

Kraftstoffhochdruckspeicher 2 erhöht wird, und die mit dem Wort„Injection“ bezeichneten abfallenden Flanken einer Entnahme von Kraftstoff aus dem

Kraftstoffhochdruckspeicher 2, aufgrund welcher der Druck im

Kraftstoffhochdruckspeicher 2 wieder abfällt.

Die Figur 4 zeigt eine Blockdarstellung zur Veranschaulichung der Arbeitsweise eines Reglers, der zur Steuerung eines erfindungsgemäßen Verfahrens

ausgebildet ist.

Dieser Regler weist eine Druckwertacquisition auf, bei welcher eine deutlich höhere Abtastfrequenz zur Abtastung des Drucksignals verwendet wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel werden die am Eingang vorliegenden, vom Flochdrucksensor 4 bereitgestellten Drucksignale p in einem A/D-Wandler 1 1 mit einer Abtastfrequenz von 16 KHz abgetastet, so dass pro Millisekunde 16 Druckwerte vorliegen.

Diese Druckwerte werden in einen Pufferspeicher 12 eingelesen, welcher beispielsweise 32 Speicherplätze aufweist.

Aus diesem Pufferspeicher werden jede Millisekunde die genannten 16 Druckwerte an eine Weiterverarbeitungssoftware 13

Ausgegeben und in dieser weiterverarbeitet. Im Rahmen dieser Weiterverarbeitung kann bei Bedarf eine Digitalfilterung mittels eines Digitalfilters 14 vorgenommen werden, welche die Aufgabe hat, eventuell vorhandene Störkomponenten im Ausgangssignal des Pufferspeichers zu dämpfen oder auszufiltern. Bei diesen Störkomponenten handelt es sich beispielsweise um höherfrequente

Komponenten, die außerhalb des für die Anwendung zu betrachtenden Bereichs liegen z.B. 1 kHz.

Die vom Pufferspeicher 12 oder dem Digitalfilter 14 ausgegebenen Signale werden einer Druckspitzenwertermittlung 15 zugeführt. In dieser

Druckspitzenwertermittlung 15 wird für jedes Motorsegment 17 aus den innerhalb dieses Motorsegments vorliegenden Signalen ein Druckspitzenwert ps ermittelt, der der Regelung 16 bereitgestellt wird und von dieser im jeweils darauffolgenden Motorsegment als Druckistwert für den Regelungsvorgang verwendet wird. Bei diesem Regelungsvorgang vergleicht der Regler den bereitgestellten Druckistwert mit einem vorgegebenen, empirisch ermittelten oder vom Fahrzeughersteller vorgegebenen Drucksollwert und regelt den Druck im Kraftstoffhochdruckspeicher 2 auf den vorgegebenen Drucksollwert. Zu diesem Zweck generiert der Regler Steuersignale st1 , die der in der Figur 1 dargestellten Pumpeneinheit 1 bereitgestellt werden, so dass je nach Bedarf mehr oder weniger Kraftstoff in den

Kraftstoffhochdruckspeicher 2 gepumpt wird.

Die Figur 5 zeigt ein Diagramm, in welchem die Ermittlung eines zur Regelung verwendeten Druckspitzenwertes detaillierter dargestellt ist.

In der Figur 5 ist der Verlauf des analogen Drucksignals p gezeigt, welches dem im Kraftstoffhochdruckspeicher 2 vorliegenden Druck entspricht. Dieses Drucksignal p wird in dem in der Figur 3 gezeigten A/D-Wandler 1 1 mit einer Abtastfrequenz von 16 KFIz abgetastet, so dass pro Millisekunde insgesamt 16 Druckwerte vorliegen. Diese 16 Druckwerte sind für jede Millisekunde in einem rechteckigen Kästchen veranschaulicht und werden im Pufferspeicher 12 hinterlegt. Eines dieser Kästchen ist in der Figur 5 mit dem Bezugszeichen pms versehen, wobei pms die insgesamt 16 Druckwerte, die in dieser Millisekunde vorliegen, bezeichnet. Bei einem dieser 16 Druckwerte handelt es sich um einen Druckmaximalwert in dieser Millisekunde, wobei dieser Druckmaximalwert nach Weiterleitung der im Pufferspeicher 12 zwischengespeicherten Druckwerte an die Druckspitzenwertermittlung 15 in dieser Druckspitzenwertermittlung 15 ermittelt wird. Dieser Druckmaximalwert dieser Millisekunde ist mit dem Bezugszeichen Max bezeichnet. In den weiteren in der Figur 5 gezeigten rechteckigen Kästchen sind wiederum jeweils 16 Druckwerte veranschaulicht, die den in der jeweiligen Millisekunde vorliegenden Druckwerten entsprechen, von denen wiederum einer der Druckmaximalwert Max für die jeweils zugehörige Millisekunde ist.

Ferner ist in der Figur 5 ein Motorsegment 17 veranschaulicht. Ein Motorsegment entspricht dabei dem Abstand zwischen dem oberen Totpunkt eines Injektors und dem nächsten oberen Totpunkt des Injektors. Dieses Motorsegment hat beim gezeigten Ausführungsbeispiel eine Segmentzeit, die 7 Millisekunden beträgt. Diese Segmentzeit variiert mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine, die beim gezeigten Ausführungsbeispiel 4285 Umdrehungen pro Minute ist.

Als Druckspitzenwert ps für das in der Figur 5 dargestellte Motorsegment 17 wird in der Druckspitzenwertermittlung 15 derjenige Maximalwert Max ermittelt, der den höchsten Druckwert aufweist. Dieser ist in der Figur 5 mit dem Bezugszeichen ps bezeichnet und wird von der Druckspitzenwertermittlung 15 an die Regelung 16 weitergegeben, die diesen Druckwert bei der Regelung als Druckistwert ps für das nachfolgende Motorsegment verwendet.

Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel werden bei der Ermittlung des Druckspitzenwertes für ein jeweiliges Motorsegment alle vom A/D-Wandler bereitgestellten Druckwerte verwendet. Alternative Ausführungsformen bestehen darin, nicht alle vom A/D-Wandler bereitgestellten Druckwerte bei der Ermittlung des Druckspitzenwertes für ein jeweiliges Motorsegment zu verwenden, sondern beispielsweise nur jeden zweiten, jeden dritten oder jeden vierten Druckwert. Dabei kann die Anzahl der verwendeten Druckwerte abhängig von der Motordrehzahl derart gewählt werden, dass stets eine vorgegebene Mindestzahl von Druckwerten pro Motorsegment vorliegt. Durch eine derartige Reduzierung der Anzahl der zur Ermittlung eines Druckspitzenwertes verwendeten Druckwerte kann die zur Ermittlung eines jeweiligen Druckspitzenwertes benötigte Abtastfrequenz entsprechend der auftretenden Pulsationsfrequenz angepasst werden um z.B. Alisingeffekte auszuschließen und die benötigte Puffergröße in Grenzen zu halten.

Bei der vorliegenden Erfindung wird nach alledem nicht der mittlere Druck auf einen Sollwert geregelt und der Öffnungsdruck des Überdruckventils auf eine in einem worst-case-Fall auftretende Druckspitze dimensioniert, sondern es erfolgt eine Regelung eines Druckspitzenwertes in jedem Motorsegment auf einen Sollwert und eine Einstellung des Öffnungsdrucks des Überdruckventils auf einen Wert, der beim Vorliegen jedes im Normalbetrieb auftretenden Betriebspunkts nicht zu einem Öffnen des Überdruckventils führt. Dabei werden die auftretenden Pulsationen im Betrieb derart eingeregelt, dass der maximale Druck den Solldruck nicht

überschreitet.