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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffpumpe zur
Versorgung der Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Kraftstoff-Einspritzsystem
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11, sowie ein Verfahren zum Betrieb
einer derartigen Kraftstoffpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs
14.
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Brennkraftmaschinen mit Hochdruck-Direkteinspritzung
gewinnen im Motorenbau zunehmend an Bedeutung. Bei den sogenannten
Speichereinspritzsystemen wird der Kraftstoff durch eine Pumpenanordnung
vom Tank zu einem Kraftstoff-Rail befördert, welches als Vorratsbehälter für den Kraftstoff dient.
Im Kraftstoff-Rail steht der Kraftstoff bereits unter hohem Druck. Über an das
Rail angeschlossene Einspritzventile kann der Kraftstoff direkt
in die Zylinder eingespritzt werden.
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Um den Kraftstoff mit hohem Druck
in das Kraftstoff-Rail befördern
zu können,
umfasst die Pumpenanordnung eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe. Über einen
Niederdruckeingang wird dieser Kraftstoffpumpe Kraftstoff zugeführt, und
mittels des Pumpkolbens wird der Kraftstoffdruck erhöht. Über den
Hochdruckausgang der Kraftstoffpumpe gelangt der Kraftstoff dann
zum Kraftstoff-Rail.
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Damit im Pumpeninnenraum durch Aufwärtsbewegen
des Pumpkolbens der notwendige Druck erzeugt werden kann, muss der
Pumpeninnenraum zu Beginn des Pumpvorgangs von der Niederdruckseite
getrennt werden. Bei den Lösungen des
Stands der Technik ist hierzu am Niederdruckeingang ein Steuerventil
vorgesehen, das über
ein Ventilsteuersignal geschlossen werden kann. Es ist notwendig,
dass dieses Steuerventil während
der Aufwärtsbewegung
des Pumpkolbens zuverlässig
geschlossen wird, damit im Pumpeninnenraum und in dem am Hochdruckausgang
der Pumpe angeschlossenen Kraftstoff-Rail der für die Hochdruck-Direkteinspritzung
benötigte
Kraftstoffdruck aufgebaut werden kann.
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Neben dem eingangsseitigen Steuerventil weist
eine Hochdruckpumpe typischerweise noch ein am Hochdruckausgang
angeordnetes Rückschlagventil
auf, welches verhindern soll, dass Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Rail
zurück
in die Hochdruckpumpe strömt.
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Aus
DE 197 08 152 A1 ist ein Kraftstoff-Einspritzsystem
mit einer Vorpumpe, einer Hochdruck-Zuführpumpe und einer Speicherleitung
bekannt, die mit der Hochdruck-Zuführpumpe über ein Rückschlagventil hydraulisch
verbunden ist. An die Speicherleitung sind Einspritzventile einer
Brennkraftmaschine angeschlossen. Die Hochdruck-Zuführpumpe
weist ein Überström-Ventil auf, das zur Steuerung
der in die Speicherleitung abgegebene Kraftstoffmenge verwendet
wird. Die Hochdruck-Zuführpumpe
weist eine Pumpkammer auf, die von einem Plunger begrenzt ist. Der
Plunger wird über
eine Antriebswelle angetrieben, die mehrere Nocken aufweist. Abhängig von
der Bewegung des Plungers und des Schließzustandes des Überström-Ventiles
werden die Kraftstoffmenge und der Kraftstoffdruck festgelegt, mit
dem Kraftstoff in die Speicherleitung gefördert wird.
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Im Fall von niedrigem Kraftstoffdruck
im Rail, also beispielsweise kurz nach dem Starten der Brennkraftmaschine, öffnet sich
das Rückschlagventil
bereits zu einem sehr frühen
Zeitpunkt, weil der Druck im Pumpeninnenraum bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt
den entgegenwirkenden Druck im Rail übersteigt. Es kann sogar vorkommen,
dass sich das Rückschlagventil
noch vor dem Schließen
des Steuerventils öffnet.
In diesem Fall kann sich während
der Aufwärtsbewegung
des Pumpkolbens in der Kraftstoffpumpe kein genügend hoher Kraftstoffdruck aufbauen,
weil der Kraftstoff wegen des geringen Drucks im Rail über das
Rückschlagventil
entweicht. Wenn dann der Ventilsteuerpuls zum Schließen des Steuerventils
ausgelöst
wird, wird das Steuerventil infolge des unzureichenden Pumpeninnendrucks nicht
geschlossen bzw. nicht geschlossen gehalten. Dadurch entweicht auch
Kraftstoff durch das Steuerventil zurück in den Niederdruckkreis.
Der entweichende Kraftstoff verhindert einen zufriedenstellenden
Druckaufbau im Kraftstoff-Rail. Insbesondere beim Starten des Motors
macht sich dieses Problem störend
bemerkbar.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung,
eine Kraftstoffpumpe sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftstoffpumpe
zur Verfügung
zu stellen, wobei die Zuverlässigkeit
beim Schließen
des niederdruckseitigen Steuerventils verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Kraftstoffpumpe gemäß Anspruch
1, durch ein Kraftstoff-Einspritzsystem gemäß Anspruch 11 sowie durch ein
Verfahren zum Betrieb einer Kraftstoffpumpe gemäß Anspruch 14 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Kraftstoffpumpe zur Versorgung
der Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff weist
einen Niederdruckeingang auf, über
den der Kraftstoffpumpe Kraftstoff zugeführt wird. Darüber hinaus
weist die Kraftstoffpumpe einen Hochdruckausgang sowie ein Steuerventil
und einen Pumpkolben auf. Mit dem Steuerventil kann die über den
Niederdruckeingang erfolgende Kraftstoffzufuhr in Abhängigkeit
von einem Ventilsteuerpuls unterbrochen werden. Erfindungsgemäß ist der
Ventilsteuerpuls zur Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr zu dem Zeitpunkt
aktiv, zu dem die von der Aufwärtsbewegung
des Pumpkolbens erzeugte Druckwelle am Steuerventil eintrifft.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis
zugrunde, dass der statische Kraftstoffdruck in der Kraftstoffpumpe
häufig
nicht ausreichend ist, um ein zuverlässiges Schließen des
Steuerventils zu gewährleisten, und
dass deshalb dynamische Effekte ausgenützt werden müssen, um
die bei den Lösungen
des Stands der Technik auftretenden Probleme zu vermeiden.
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Durch die Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens
wird in der Pumpe eine Druckwelle hervorgerufen. Erfindungsgemäß wird diese
Druckwelle dazu ausgenutzt, das Schließen des Steuerventils zu unterstützen. Hierzu
wird das Steuerventil mit Hilfe des Ventilsteuerpulses gezielt dann
angesteuert, wenn die Druckwelle am Ort des Steuerventils ihren
Maximalwert annimmt. Zu diesem Zeitpunkt muss der Ventilsteuerpuls
aktiv sein.
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Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe ist
gewährleistet,
dass das Steuerventil während
des Pumptakts geschlossen wird. Anders als bei den Lösungen des
Stands der Technik ist das Entweichen von Kraftstoff in den Niederdruckkreis
ausgeschlossen. Dadurch wird einerseits der Druckaufbau im Pumpeninnenraum,
andererseits aber auch der Druckaufbau im Kraftstoff-Rail verbessert
und beschleunigt.
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Dies macht sich insbesondere in der
Startphase der Brennkraftmaschine bemerkbar, weil hier der anfänglich Kraftstoffdruck
im Kraftstoff-Rail noch sehr niedrig ist und deshalb innerhalb kurzer
Zeit ein hoher Kraftstoffdruck aufgebaut werden muss. Durch Messungen
an einer realen Pumpe, welche mit einer erfindungsgemäßen Steuerventilregelung
ausgestattet wurde, konnte eine signifikante Verkürzung der Startzeit
nachgewiesen werden.
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Der Einsatz der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe
ermöglicht
insbesondere einen sogenannten Hochdruckstart, bei dem zur ersten
Einspritzung bereits ein bestimmtes Druckniveau im Rail vorliegen
muss.
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Es ist von Vorteil, wenn der Pumpkolben
mittels eines auf einer Nockenwelle angebrachten Pumpnockens angetrieben
wird. Auf diese Weise wird beim Hochfahren der Motordrehzahl automatisch
auch die Förderleistung
der Kraftstoffpumpe mit ange hoben. Dadurch kann der erhöhte Kraftstoffbedarf
des Motors gedeckt werden.
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Es ist von Vorteil, wenn der Ventilsteuerpuls gegenüber dem
unteren Totpunkt des Pumpkolbens um eine definierte Verzögerungszeit
verzögert
ausgelöst
wird. Während
bei den Hochdruckpumpen des Stands der Technik der Ventilsteuerpuls
jeweils zu Beginn der Aufwärtsbewegung
des Pumpkolbens, also etwa beim unteren Totpunkt, ausgelöst wurde, wird
der Ventilsteuerpuls bei der erfindungsgemäßen Lösung verzögert ausgelöst, und zwar jeweils dann, wenn
die von der Aufwärtsbewegung
des Kolbens erzeugte Druckwelle am. Steuerventil eintrifft. Der
Ventilsteuerpuls wird um eine definierte Verzögerung nach dem unteren Totpunkt
ausgelöst,
damit das zuverlässige
Schließen
des Steuerventils gewährleistet ist.
Die drehzahlabhängige
Verzögerungszeit
lässt sich
auf einfache Weise bei der Erzeugung des Ventilsteuersignals berücksichtigen.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn der
Zeitpunkt, zu dem der Ventilsteuerpuls ausgelöst wird, durch den Punkt der
größten Pumpkolbengeschwindigkeit während der
Aufwärtsbewegung
des Pumpkolbens unter Einbeziehung der für die Ausbreitung der Druckwelle
vom Pumpkolben bis zum Steuerventil benötigten Laufzeit festgelegt
ist. Um den dynamischen Effekt der von der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens
erzeugten Druckwelle zum Schließen des
Steuerventils ausnutzen zu können,
muss zunächst
ermittelt werden, an welchem Punkt der Aufwärtsbewegung des Kolbens die
maximale Druckamplitude auftritt. Der Kraftstoffdruck p ^ hängt gemäß der Formel
p ^ = ρ⋅c⋅v ^
von
der Kraftstoffdichte ρ,
der Phasengeschwindigkeit bzw. Schallgeschwindigkeit im Kraftstoff
c, sowie von der Pumpkolbengeschwindigkeit v ^ ab. Da ^ und c konstant
sind, tritt die Maximalamplitude des Kraftstoffdrucks an dem Punkt
der Aufwärtsbewegung
des Kolbens auf, an dem die Kolbengeschwindig keit v ^ maximal ist.
Um den optimalen Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem der Ventilsteuerpuls
ausgelöst
werden soll, muss aber zusätzlich
auch die Laufzeit der Druckwelle vom Pumpkolben zum Steuerventil
berücksichtigt
werden. Diese Berücksichtigung
der Pumpengeometrie bewirkt eine zusätzliche Verzögerung des
Zeitpunkts, zu dem der Ventilsteuerpuls ausgelöst werden sollte.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften
Ausführungsform
der Erfindung wird die Verzögerung
des Ventilsteuerpulses gegenüber
der unteren Totpunktposition mit zunehmender Motordrehzahl zusätzlich verkleinert.
Da die Druckamplitude im Kraftstoff proportional zur jeweiligen
Pumpkolbengeschwindigkeit ist und die Pumpkolbengeschwindigkeiten
mit steigender Drehzahl zunehmen, kommt es bei höheren Drehzahlen auch zu höheren Drücken im
Pumpeninnenraum. Deshalb liegt bei hoher Drehzahl bereits zu einem
früheren
Zeitpunkt eine ausreichende Druckamplitude vor, welche das Schließen des
Steuerventils unterstützen
kann, und insofern kann die Verzögerungszeit
verkleinert werden. Eine drehzahlabhängige Verzögerung des Ventilsteuerpulses
ermöglicht insofern
einen optimalen Betrieb der Hochdruckpumpe.
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Es ist von Vorteil, wenn die Verzögerung des Ventilsteuerpulses
als Verzögerungswinkel
gegenüber
dem der unteren Totpunktposition des Pumpkolbens entsprechenden
Nockenwellenwinkel festgelegt wird. Bei gegebener Drehzahl kann
die Verzögerungszeit,
um die der Ventilsteuerpuls gegenüber der unteren Totpunktposition
verzögert
werden soll, in einen Korrekturwinkel in Bezug auf die rotierende
Nockenwelle bzw. den rotierenden Pumpnocken umgerechnet werden.
Nachdem die untere Totpunktposition durchlaufen ist, muss sich die
Nockenwelle um genau diesen Korrekturwinkel weiterdrehen, und dann
muss der Ventilsteuerpuls ausgelöst
werden. Dadurch kann die entsprechende Nockenwellenstellung als
Auslöser
für die
Erzeugung des Ventilsteuerpulses dienen.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung beträgt
der Verzögerungswinkel
zwischen 15° und
45°.
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Bei einer vorteilhaften alternativen
Ausführungsform
der Erfindung wird als Ventilsteuerpuls ein verlängerter Ventilsteuerpuls verwendet,
der bis zu dem Zeitpunkt aktiv bleibt, zu dem die von der Aufwärtsbewegung
des Pumpkolbens erzeugte Druckwelle am Steuerventil eintrifft. Anstatt
einen Ventilsteuerpuls von konstanter Länge zu verwenden, welcher dann
so verzögert
wird, dass er zum Zeitpunkt des Eintreffens der Druckwelle am Steuerventil
aktiv ist, wird bei dieser Ausführungsform
der Erfindung ein verlängerter
Ventilsteuerpuls verwendet, der stets zum gleichen Zeitpunkt abgesetzt
wird. Dabei wird die Dauer des verlängerten Steuerpulses so gewählt, dass
der Steuerpuls noch aktiv ist, wenn die von der Aufwärtsbewegung
des Pumpkolbens erzeugte Druckwelle beim Steuerventil eintrifft.
Auch bei dieser alternativen Ausführungsform der Erfindung unterstützt die
Druckwelle das Schließen
des Steuerventils. Insbesondere bei Verwendung eines elektromagnetisch
betätigten
Steuerventils, bei dem der Anker des Magnetventils mittels einer
Spule in Richtung Ventilsitz beschleunigt wird, ergibt sich bei
der Verwendung eines verlängerten
Ventilsteuerpulses der zusätzliche
Vorteil, dass das magnetische Feld der Spule über einen längeren Zeitraum hinweg aufgebaut
werden kann. Wegen der dadurch erzielbaren höheren Magnetfeldstärke wird
die Zuverlässigkeit beim
Betätigen
des Magnetventils weiter erhöht.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn die
Verlängerung
des Ventilsteuerpulses mit steigender Motordrehzahl zusätzlich abnimmt.
Mit steigender Motordrehzahl nehmen sowohl die Pumpkolbengeschwindigkeit
als auch die Druckamplitude im Kraftstoff zu. Daher kommt es bei
höheren
Drehzahlen auch zu höheren
Drücken
im Pumpeninnenraum. Bei hoher Drehzahl liegt bereits zu einem früheren Zeitpunkt eine
ausreichende Druckamplitude vor, welche das Schließen des
Steuerventils unterstützt.
Bei hohen Drehzahlen muss der Ventilsteuerpuls weni ger stark verlängert werden
als bei niedrigen Drehzahlen. Mit einer drehzahlabhängigen Verlängerung
des Steuerpulses kann die Kraftstoffpumpe daher optimal betrieben
werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften
Ausführungsform
der Erfindung handelt es sich bei dem Steuerventil um ein elektromagnetisch
betätigtes Steuerventil,
und bei dem Ventilsteuerpuls handelt es sich um einen elektrischen
Ventilsteuerpuls. Ein derartiges elektromagnetisches Steuerventil
weist eine Spule auf, mit der ein Magnetfeld erzeugt werden kann.
Durch das Magnetfeld wird der Anker des Magnetventils in Richtung
Ventilsitz beschleunigt, und dadurch wird das Ventil geschlossen.
Der zur Betätigung
des Ventils erforderliche elektrische Ventilsteuerpuls kann mit
Hilfe einer elektrischen oder elektronischen Regelschaltung erzeugt
werden. Dadurch wird eine exakte zeitliche Kontrolle des Ventilsteuerpulses
und somit auch eine exakte zeitliche Kontrolle des Schließens des
Ventils ermöglicht.
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Es ist von Vorteil, wenn die Kraftstoffpumpe am
Hochdruckausgang ein Rückschlagventil
aufweist, welches ein Rückströmen des
Kraftstoffs von der Einspritzanlage zurück in die Kraftstoffpumpe verhindert.
Solange der Druck im Pumpeninnenraum geringer ist als der Druck
im Kraftstoff-Rail, bleibt das Rückschlagventil
geschlossen. Ein Rückströmen von Kraftstoff
zurück
in die Pumpe, das den im Kraftstoff-Rail erzeugten Hochdruck verringern
würde, kann
auf diese Weise verhindert werden. Das Rückschlagventil wird nur geöffnet, wenn
der Druck im Pumpeninnenraum höher
ist als der Druck im Kraftstoff-Rail. Mit Hilfe des Rückschlagventils
kann in kurzer Zeit der im Kraftstoff-Rail benötigte Hochdruck aufgebaut werden.
Insbesondere bei einem Hochdruckstart ist zur ersten Einspritzung
ein bestimmtes Druckniveau im Rail erforderlich, das bei Verwendung
eines Rückschlagventils
in kurzer Zeit aufgebaut werden kann, so dass die Startzeit verkürzt wird.
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Das erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzsystem
umfasst neben einer erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe eine Niederdruckpumpe,
welche dem Niederdruckeingang der Kraftstoffpumpe Kraftstoff zuführt, sowie
ein Kraftstoff-Rail, welches mit dem Hochdruckausgang der Kraftstoffpumpe
verbunden ist. Das Kraftstoff-Rail führt einer Anzahl von Einspritzventilen
den benötigten
Kraftstoff zu. Eine Pumpenanordnung, welche eine Niederdruckpumpe und
eine erfindungsgemäße Hochdruckpumpe
umfasst, ermöglicht
einen schnellen Druckaufbau im Kraftstoff-Rail. Insbesondere bei Verwendung der
erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe
wird dadurch bei Brennkraftmaschinen mit Speichereinspritzsystem
eine kurze Startzeit ermöglicht.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn das
Kraftstoff-Rail einen Drucksensor aufweist, welcher den Kraftstoffdruck
innerhalb des Kraftstoff-Rails erfasst. Mittels des Drucksensors
kann insbesondere ermittelt werden, ob der für die Hochdruck-Direkteinspritzung
notwendige Kraftstoffdruck im Rail bereits erreicht ist oder nicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften
Ausführungsform
der Erfindung wird die Förderleistung
der Kraftstoffpumpe in Abhängigkeit
von dem durch den Drucksensor ermittelten Kraftstoffdruck variiert.
Je niedriger der im Kraftstoff-Rail gemessene Istwert des Kraftstoffdrucks
im Vergleich zum gewünschten Sollwert
des Kraftstoffdrucks ist, umso höher
wird die Förderleistung
der Kraftstoffpumpe gewählt.
Die Förderleistung
der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe wird
also mit Hilfe eines Regelkreises eingestellt, wobei die Regelung
der Förderleistung
in Abhängigkeit von
der Differenz zwischen Istwert und Sollwert des Kraftstoffdrucks
erfolgt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betrieb
einer Kraftstoffpumpe, welche den Kraftstoff mittels eines Pumpkolbens
fördert
und über
einen Hochdruckausgang eine Einspritzanlage mit Kraftstoff versorgt.
Die über
einen Niederdruckeingang erfolgende Kraftstoffzufuhr der Kraftstoffpumpe
kann mittels eines Steuerventils in Abhängigkeit von einem Ventilsteuerpuls
unterbrochen werden. Dabei wird der Ventilsteuerpuls zur Unterbrechung
der Kraftstoffzufuhr zu dem Zeitpunkt aktiviert, zu dem die von der
Aufwärtsbewegung
des Pumpkolbens erzeugte Druckwelle am Steuerventil eintrifft.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer
in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele weiter beschrieben.
Es zeigen:
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1 einen Überblick über ein
komplettes Speichereinspritzsystem mit einer Pumpenanordnung, welche
eine Niederdruckpumpe und eine Kraftstoffpumpe umfasst;
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2 eine
Darstellung einer Kraftstoffpumpe im Querschnitt;
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3 eine
Darstellung der Pumpkolbenbewegung und des Ventilsteuersignals für die verschiedenen
von der Kraftstoffpumpe durchlaufenen Phasen;
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4 eine
Auftragung der Pumpkolbenerwebung als Funktion des Nockenwellenwinkels;
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5 eine
Auftragung der Pumpkolbengeschwindigkeit als Funktion des Nockenwellenwinkels für verschiedene
Drehzahlen;
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6 eine
Darstellung, aus der die Lage des um einen Korrekturwinkel verschobenen
Ventilsteuerpulses relativ zur Pumpkolbenbewegung hervorgeht;
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7 eine
Darstellung, welche die minimale für den Druckaufbau im Rail erforderliche
Motordrehzahl als Funktion des Korrekturwinkels zeigt;
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8 eine
Darstellung, welche sich auf die zweite Ausführungsform der Erfindung bezieht
und aus der die Lage des verlängerten
Ventilsteuerpulses relativ zur Pumpkolbenbewegung hervorgeht;
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9 eine
Auftragung von Messergebnissen, welche den Zusammenhang zwischen
der prozentualen Verlängerung
des Ventilsteuerpulses und der Motordrehzahl zeigt.
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In 1 ist
ein Speichereinspritzsystem für eine
Brennkraftmaschine im Überblick
dargestellt. Der Kraftstoff gelangt von einem Tank 1 über eine Tankleitung 2 zu
einer Niederdruckpumpe 3, bei der es sich vorzugsweise
um eine elektrische Niederdruckpumpe handelt. Mit Hilfe eines mechanischen Druckreglers 4 wird
die von der Niederdruckpumpe 3 geförderte Kraftstoffmenge so eingeregelt,
dass über eine
Kraftstoffleitung 5 an einem Niederdruckeingang 6 einer
Kraftstoffpumpe 8 Kraftstoff mit einem geeigneten Basisvordruck
bereitsteht. Überschüssiger Kraftstoff
gelangt über
eine Tankrückführleitung 7 zurück zum Tank 1.
Anstelle des mechanischen Druckreglers 4 kann auch eine
mengengeregelte Niederdruckpumpe verwendet werden.
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Es ist Aufgabe der Kraftstoffpumpe 8,
den über
den Niederdruckeingang 6 zugeführten Kraftstoff zu einem Kraftstoff-Rail 11 zu
befördern.
Für den Betrieb
einer Brennkraftmaschine mit Hochdruckdirekteinspritzung ist ein
bestimmtes Druckniveau im Kraftstoff-Rail 11 erforderlich.
Die Kraftstoffpumpe 8, welche beispielsweise als Einkolben-Hochdruckpumpe
ausgeführt
sein kann, bringt den Kraftstoff auf das erforderliche hohe Druckniveau. Über einen
Hochdruckausgang 9 und ein Rückschlagventil 10 gelangt der
Kraftstoff zum Kraftstoff-Rail 11, das als Vorratsbehälter für den unter
hohem Druck stehenden Kraftstoff dient. Das Rückschlagventil 10 verhindert
ein Rückströmen des
Kraftstoffs vom Kraftstoff-Rail 11 in die
Kraftstoffpumpe 8. Mit dem Kraftstoff-Rail 11 sind eine
Anzahl von Einspritzventilen 12 verbunden, über die
der Kraftstoff direkt in die jeweiligen Zylinderinnenräume eingespritzt
werden kann.
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Der im Kraftstoff-Rail 11 herrschende
Druck kann mit Hilfe des Kraftstoffdrucksensors 13 erfasst werden. Über eine
Signalleitung 14 wird der gemessene Druckwert zu einer
Kontrolleinheit 15 übermittelt,
die in Form eines Motorsteuergerätes
ausgebildet ist und den Istwert des Kraftstoffdrucks im Rail mit dem
Sollwert vergleicht und aus der Differenz beider Werte ein Stellsignal 16 erzeugt.
Die Kraftstoffpumpe 8 umfasst ein Steuerventil 18,
mit dem die Förderleistung
der Kraftstoffpumpe 8 in Abhängigkeit von dem Stellsignal 16 eingeregelt
wird. Je stärker
der Istwert vom Sollwert abweicht, umso höher wird die Förderleistung
der Kraftstoffpumpe 8 gewählt. Die Förderleistung wird durch den
Zeitpunkt festgelegt, zu dem das Steuerventil 18 im Pumphub
schließt.
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In 2 ist
der Aufbau einer Einkolben-Hochdruckpumpe im Querschnitt dargestellt. Über einen
Niederdruckanschluss 17 wird der Kraftstoffpumpe Kraftstoff
zugeführt.
Durch Schließen
des elektromagnetischen Steuerventils 18 kann der Niederdruckanschluss 17 vom
Pumpeninnenraum 19 getrennt werden. Das Steuerventil 18 weist
ein Schließglied
auf, das von einem Elektromagneten gegen einen Ventilsitz 21 gedrückt werden
kann, um den Niederdruckanschluss 17 zu schließen. Dabei
ist das Schließglied
dem Druck im Pumpeninnenraum 19 ausgesetzt, der das Schließglied zudem
mit einer Kraft gegen den Ventilsitz 21 drückt. Das
Steuerventil 18 ist als ein nach innen öffnendes, d. h.
in Richtung Pumpeninnenraum 19 öffnendes Steuerventil ausgebildet,
das gegen den Druck im Pumpeninnenraum 19 öffnet.
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Hierzu wird an das elektromagnetische
Steuerventil 18 vom Steuergerät 15 ein Ventilsteuerpuls 16 angelegt
(s. a. 1).
Dadurch wird ein Magnetfeld aufgebaut, das einen Anker 20 des
Ventils in Richtung Ventilsitz 21 beschleunigt und so das
Steuerventil 18 schließt.
Das Steuergerät 15 ist
mit einem Speicher verbunden, in dem Verfahren und Kennliniefelder
abgelegt sind, die zur Steuerung des Steuerventils 18 benötigt werden.
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Ein Pumpnocken 22 ist mit
einer rotierenden Nockenwelle 23 verbunden. Mittels des
Pumpnockens 22 wird ein Pumpkolben 24 abwechselnd
aufwärts
und abwärts
bewegt. Während
der Aufwärtsbewegung
des Pumpkolbens 24 wird das Steuerventil 18 geschlossen,
anschließend
wird auf den im Pumpeninnenraum 19 befindlichen Kraftstoff 25 mittels des
Pumpkolbens 24 ein zunehmender Druck ausgeübt. Sobald
der Kraftstoffdruck im Pumpeninnenraum 19 höher ist
als der Kraftstoffdruck auf der anderen Seite des Rückschlagventils 10,
das auf der Seite eines Hochdruckanschlusses 27 angeordnet
ist, öffnet sich
das Rückschlagventil 10,
und der Kraftstoff 25 gelangt über den Hochdruckanschluss 27 zum
Kraftstoff-Rail des Einspritzsystems.
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Während
der Abwärtsbewegung
des Pumpkolbens 24 dagegen bleibt das Steuerventil 18 geöffnet, und
vom Niederdruckanschluss 17 her kann neuer Kraftstoff in
den Pumpeninnenraum 19 gelangen. Während der Abwärtsbewegung
des Pumpkolbens 24 ist der Kraftstoffdruck im Pumpeninnenraum 19 geringer
als der Kraftstoffdruck auf der anderen Seite des Rückschlagventils 10,
also auf der Seite des Hochdruckanschlusses 27, und daher
bleibt das Rückschlagventil 10 während der
Abwärtsbewegung des
Pumpkolbens 24 geschlossen. Dadurch wird vermieden, dass
Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Rail zurück in die Kraftstoffpumpe strömen kann.
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In 3 sind
die verschiedenen Phasen, die beim Betrieb einer Einkolbenhochdruckpumpe
auftreten, im Überblick
dargestellt. Während
einer Abwärtsbewegung 28 des
Pumpkolbens ist das Steuerventil geöffnet, und Kraftstoff strömt vom Niederdruckeingang
her in den Pumpeninnenraum. Das Rückschlagventil ist dabei geschlossen.
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Bei einer sich anschließenden Aufwärtsbewegung 29 des
Pumpkolbens ist das Steuerventil zunächst noch geöffnet. Durch
einen Ventilsteuerpuls 30 wird das Steuerventil geschlossen.
Bei der weiteren Aufwärtsbewegung
des Pumpkolbens baut sich im Pumpeninnenraum ein Druck auf, der
das Rückschlagventil öffnet. Der
Kraftstoff wird vom Pumpeninnenraum über den Hochdruckanschluss
in das Kraftstoff-Rail gedrückt.
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In 4 ist
die Pumpkolbenerhebung (in mm) als Funktion des Nockenwellenwinkels
(in Grad) für
die Aufwärtsbewegung
des Pumpkolbens aufgetragen, die als Kennlinie dem Steuergerät zur Verfügung steht.
Es stellt sich die Frage, an welcher Stelle während der Aufwärtsbewegung
des Pumpkolbens der Ventilsteuerpuls zum Schließen des Steuerventils ausgelöst werden
soll.
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Bei den Lösungen des Stands der Technik wurde
der Ventilsteuerpuls am Beginn der Aufwärtsbewegung des Pumpkolbens
ausgelöst,
also kurz nachdem der untere Totpunkt vom Pumpkolben durchlaufen
wurde.
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Im Fall von niedrigem Kraftstoffdruck
im Kraftstoff-Rail ist es vorgekommen, dass das Rückschlagventil
bereits zu einem sehr frühen
Zeitpunkt, nämlich
noch vor dem Schließen
des Steuerventils, geöffnet
wird. In diesem Fall kann sich während
der Aufwärtsbewegung
des Pumpkolbens kein genügend
hoher Kraftstoffdruck im Pumpeninnenraum aufbauen, da der Kraftstoff
aufgrund des geringen Drucks im Kraftstoff-Rail über das Rückschlagventil entweicht.
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Wenn dann der Ventilsteuerpuls ausgelöst wird,
kann infolge des zu geringen Drucks im Pumpeninnenraum das Steuerventil
nicht geschlossen bzw. nicht geschlossen gehalten werden. Während der weiteren
Aufwärtsbewegung
des Pumpkolbens entweicht deshalb auch Kraftstoff durch das Steuerventil zurück in den
Niederdruckkreis: Der entweichende Kraftstoff verhindert einen schnellen
Druckaufbau im Kraftstoff-Rail, und dadurch wird das Verhalten des Einspritzsystems
insbesondere beim Starten beeinträchtigt.
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Um ein zuverlässiges Schließen des
Steuerventils zu gewährleisten,
werden bei der erfindungsgemäßen Lösung dynamische
Effekte in der Pumpe ausgenutzt. Hierzu ist in 5 die Pumpkolbengeschwindigkeit (in mm/ms)
für verschiedene
Motordrehzahlen als Funktion des Nockenwellenwinkels (in Grad) aufgetragen.
Diese Kennlinien stehen dem Steuergerät zur Verfügung. Bedingt durch die Form des
Pumpnockens wird bei der Kraftstoffpumpe, auf die sich die Kurven
beziehen, das Maximum der Pumpkolbengeschwindigkeit bei einem Nockenwellenwinkel
von ungefähr
25° erreicht.
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Der Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeitsamplitude v ^ des
Pumpkolbens und dem Kraftstoffdruck p ^ kann mit Hilfe der Formel
p ^ = ρ⋅c⋅v ^
hergestellt
werden, wobei ρ die
Dichte des Kraftstoffs bezeichnet, und wobei c die Phasengeschwindigkeit bzw.
Schallgeschwindigkeit einer Längswelle
im Kraftstoff bezeichnet. Da es sich bei ρ und c um Konstanten handelt,
ergibt sich eine direkte Proportionalität zwischen der Geschwindigkeit v ^ des
Pumpkolbens und dem Kraftstoffdruck p ^.
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Für
die Phasengeschwindigkeit bzw. Schallgeschwindigkeit c einer Längswelle
in einer Flüssigkeit
gilt:
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Hierbei bezeichnet ρ die Dichte
des Kraftstoffs, Κ den
Kompressionsmodul und χ die
Kompressibilität
des Kraftstoffs.
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Eine genügend hohe Druckamplitude am Steuerventil
würde ein
rasches und zuverlässiges Schließen des
Steuerventils bewirken. Am Pumpkolben tritt die maximale Druckamplitude
an dem Punkt der Aufwärtsbewegung
auf, an dem die Pumpkolbengeschwindigkeit maximal ist. Bei dem in 5 gezeigten Beispiel ist
dies bei einem Nockenwellenwinkel von etwa 25° der Fall.
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Um aber nun am Ort des Steuerventils
die maximale Druckamplitude zum Schließen des Steuerventils ausnutzen
zu können,
muss zusätzlich
die Laufzeit der Druckwelle vom Pumpkolben. zum Steuerventil berücksichtigt
werden. Diese durch die Pum pengeometrie festgelegte, für die Druckausbreitung benötigte Zeit
muss in Form einer zusätzlichen
Verzögerung
des Ventilsteuerpulses berücksichtigt
werden.
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Erfindungsgemäß wird der Ventilsteuerpuls zum
Schließen
des Steuerventils an der Stelle mit der größten Pumpkolbengeschwindigkeit
unter zusätzlicher
Berücksichtigung
der Pumpengeometrie abgesetzt. Der Steuerpuls für das Steuerventil wird bei dieser
Vorgehensweise genau dann ausgelöst,
wenn die von der Aufwärtsbewegung
des Pumpkolbens verursachte Druckwelle beim Steuerventil eintrifft. Auch
wenn die statischen Druckverhältnisse
nicht ausreichen, um ein sicheres Schließen des Steuerventils zu gewährleisten,
wird durch die erfindungsgemäße Berücksichtigung
des zusätzlichen
dynamischen Effekts des Eintreffens der Druckwelle am Steuerventil
ein sicheres Schließen
des Steuerventils ermöglicht.
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Die notwendige Verzögerung des
Ventilsteuerpulses kann als Korrekturwinkel gegenüber der
unteren Totpunktposition angegeben werden. In 6 ist gezeigt, wie durch den Korrekturwinkel 31 der
frühere
Ventilsteuerpuls 32, der bei den Lösungen des Stands der Technik
zu Beginn der Aufwärtsbewegung 33 des
Pumpkolbens ausgelöst
wurde, verzögert
ausgegeben wird. Der erfindungsgemäße Ventilsteuerpuls 34 löst das Schließen des
Steuerventils genau dann aus, wenn die eintreffende Druckwelle den
Schließvorgang
unterstützt.
Werte für
den Korrekturwinkel in Abhängigkeit
von der Last und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder
dem Druck im Kraftstoffrail sind im Speicher des Steuergerätes abgelegt.
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In 7 ist
eine Kennlinie für
die minimale Motordrehzahl, die für den Druckaufbau im Kraftstoff-Rail
benötigt
wird, als Funktion des verwendeten Korrekturwinkel aufgetragen.
Wenn der Korrekturwinkel relativ groß gewählt wird, dann kann auch mit
einer relativ geringen Motordrehzahl der benötigte Druck im Rail aufgebaut
werden. Die Kennlinie ist im Speicher des Steuergerätes abgelegt.
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Der Grund für die Verringerung der minimal benötigten Motordrehzahl
ist, dass die vom Pumpkolben verursachte Druckwelle zu dem Zeitpunkt,
zu dem der Ventilsteuerpuls ausgelöst wird, das Steuerventil bereits
erreicht hat und somit am Steuerventil eine für ein zuverlässiges Schließen ausreichende Druckamplitude
vorliegt. Dies ist bei kleineren Korrekturwinkeln nur dann der Fall,
wenn die Drehzahl und somit auch die Pumpkolbengeschwindigkeit hinreichend
hoch sind. Überschreitet
die Drehzahl einen maximalen Wert von beispielsweise 1200 U/min,
so ist keine Korrektur mehr erforderlich und der Ventilsteuerpuls
kann das Steuerventil zu dem Zeitpunktschließen, mit dem die gewünschte Förderleistung erreicht
wird.
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In 8 ist
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung dargestellt, bei der der Ventilsteuerpuls verlängert wird.
Bei den Lösungen
des Stands der Technik wurde zu Beginn der Aufwärtsbewegung 36 des
Pumpkolbens ein Ventilsteuerpuls 35 von definierter Länge ausgelöst. Gemäß der zweiten
Ausführungsform
der Erfindung wird anstelle des Ventilsteuerpulses 35 ein
verlängerter
Ventilsteuerpuls 37 verwendet, der beim Eintreffen der
durch die Pumpkolbenbewegung verursachten Druckwelle noch aktiv ist.
Werte für
die zeitliche Verlängerung
des Steuerimpulses abhängig
von Last- und/oder Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängig vom
Druck im Kraftstoffrail und abhängig
vom Korrekturwinkel sind im Speicher des Steuergerätes abgelegt.
Auch bei dieser zweiten Ausführungsform
der Erfindung wird das Schließen
des Steuerventils durch die Druckwelle unterstützt, so dass ein zuverlässiges Schließen und ein
rascher Druckaufbau gewährleistet
ist. Darüber hinaus
wird einer Magnetspule des Steuerventils durch die Verlängerung
des Ventilsteuerpulses mehr Energie zugefügt. Dadurch ist es möglich, das
zum Schließen
des Ventils erforderliche Druckniveau abzusenken. Selbstverständlich ist
auch eine Kombination zwischen einem zeitlich gegenüber dem
unteren Totpunkt verschobenen Ventilsteuerpuls gemäß 6 und einem zeitlich verlängertem
Ventilsteuerpuls gemäß 8 möglich.
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Anhand der in 9 gezeigten Messergebnisse kann erkannt
werden, dass es durch Verlängern
des Ventilsteuerpulses möglich
ist, die für
den Druckaufbau minimal erforderliche Motordrehzahl signifikant
abzusenken. Bei verlängerten
Ventilsteuerpulsen trägt
die von der Pumpkolbenbewegung verursachte Druckwelle zum Schließen des
Ventils bei, und daher kommt man im Bereich der längeren Ventilsteuerpulse
mit niedrigeren Druckamplituden aus. Wegen der Proportionalität zwischen
Pumpkolbengeschwindigkeit und Druckamplitude bedeutet dies auch,
dass eine niedrigere Pumpkolbengeschwindigkeit und somit auch eine
niedrigere Motordrehzahl ausreicht, um die zum Schließen des
Ventils erforderliche Druckamplitude bereitzustellen. Bei Verwendung
kurzer Ventilsteuerpulse sind hingegen nach wie vor hohe Motordrehzahlen
erforderlich. Die Kennlinie der 9 ist
im Speicher des Steuergerätes
abgelegt.
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Die Erfindung ist insbesondere bei
einem Start der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei dem der Istdruck
im Kraftstoffrail 11 niedriger ist als ein gewünschter
Solldruck. Nach den bisherigen Steuerverfahren wurde in dieser Situation
das Steuerventil 18 beim unteren Totpunkt des Pumpkolbens 24 geschlossen,
um eine maximale Förderleistung
der Hochdruckpumpe 8 einzustellen. Im Gegensatz zu dieser
Vorgehensweise wird das Steuerventil 18 erst später geschlossen
und dabei auf maximale Förderleistung
zugunsten eines sicheren Schließens
des Steuerventils 18 verzichtet.
