DE102013215909A1

DE102013215909A1 - Verfahren zur Steuerung und Regelung einer mit einem Einlassventil mit elektromagnetischem Aktor versehenen Hochdruckkraftstoffpumpe einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102013215909A1
Application number: DE102013215909.9A
Authority: DE
Inventors: Guenter Veit; Susanne Spindler; Christian Kuhnert; Andreas Sommerer; Stefan Kieferle; Rene Zieher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-08-12
Filing date: 2013-08-12
Publication date: 2015-02-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer mit einem Einlassventil (32) mit elektromagnetischem Aktor (76) versehenen Hochdruckkraftstoffpumpe (20) einer Verbrennungskraftmaschine (10). Diese umfasst ein Bestromen des elektromagnetischen Aktors (76) gemäß einer vorgegebenen Bestromungsstrategie, so dass während eines Förderzyklus eines Förderkolbens (40) der Hochdruckkraftstoffpumpe (20) der elektromagnetische Aktor (72) die Förderleistung der Hochdruckkraftstoffpumpe (20) nicht beeinflusst, wenn keine Erkennung der Position der Verbrennungskraftmaschine (10) erfolgt ist, und ein Bestromen des elektromagnetischen Aktors (76) in Abhängigkeit von der Position der Verbrennungskraftmaschine (10), nachdem eine Erkennung der Position der Verbrennungskraftmaschine (10) erfolgt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer mit einem Einlassventil mit elektromagnetischem Aktor versehenen Hochdruckkraftstoffpumpe einer Verbrennungskraftmaschine. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechengerät ausgeführt wird. Schließlich betrifft die Erfindung ein Steuergerät, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
Stand der Technik
Für Kraftfahrzeuge ist ein schneller Wiederstart ihrer Verbrennungskraftmaschine nach deren Stopp, wie er für ISS (Instant Start System) und HEV (Hybrid Electric Vehicle) Anwendungen typisch ist, von hoher Bedeutung. Für direkteinspritzende, selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen ist es dabei wichtig, in einem Common-Rail-System in möglichst kurzer Zeit so viel Raildruck bereitzustellen, dass eine Zündung eines Kraftstoff-Luftgemisches in einem Kolben mindestens auf den zweiten, besser aber auf den ersten auf einen Startwunsch folgenden oberen Totpunkt (OT) des Kolbens erfolgen kann. Verbrennungskraftmaschinen mit ZME-sauggedrosselten Hochdruckkraftstoffpumpen (ZME = Zumesseinheit) stellen einen schnellen Druckaufbau sicher, da die Hochdruckkraftstoffpumpe nach Drehbeginn bereits mit dem ersten möglichen Förderhub Kraftstoff fördert.
Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Hochdruckkraftstoffpumpe befüllt abgestellt wird, mechanisch-hydraulische Rückschlagventile besitzt und deshalb für das Fördern von Kraftstoff nicht auf eine Synchronisation bzw. eine Erkennung der Position der Verbrennungskraftmaschine angewiesen ist.
Die DE 10 2006 013 703 A1 und die DE 10 2010 027 745 A1 beschreiben jeweils eine Hochdruckkraftstoffpumpe mit einem Einlassventil bzw. Saugventil, das einen elektromagnetischen Aktor aufweist. In einem stromlosen Zustand des elektromagnetischen Aktors wird das Einlassventil offengehalten und damit eine dauerhafte Verbindung zwischen einem Verdrängerraum und der Niederdruckseite der Hochdruckkraftstoffpumpe hergestellt. Wird der elektromagnetische Aktor bestromt, zieht er den „Anschlag“ für das Saugventil weg, sodass dies nun schließen kann. Während eines geregelten Betriebs bleibt der elektromagnetische Aktor zunächst stromlos, sodass sich die Hochdruckkraftstoffpumpe füllt, wenn der Kolben nach unten läuft. Nach dem Überschreiten des unteren Totpunkts (UT) des Kolbens schiebt der Kolben eine Kraftstoffmenge in Richtung der Niederdruckseite der Hochdruckkraftstoffpumpe aus. Mit Bestromen des Aktors schließen Strömungskräfte und eine Feder das Ventil, sodass in einem Elementraum Druck aufgebaut wird. Die Mengenzumessung für die Hochdruckregelung hängt dabei vom Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils ab. Somit muss das Steuergerät, welches die Verbrennungskraftmaschine und die Hochdruckkraftstoffpumpe steuert und regelt, über eine aktuelle Positionsinformation des Kolbens verfügen, um die Menge einstellen zu können. Die Position des Kolbens steht in einem festen Verhältnis zur Motorposition und steht daher im Steuergerät nach dem Aufsynchronisieren des Kurbelwellengeberrades der Verbrennungskraftmaschine bereit. Dieser Vorgang benötigt je nach Geberrad aber Zeit, die insbesondere für schnelle Wiederstartvorgänge der Verbrennungskraftmaschine nicht zur Verfügung steht.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung und Regelung einer mit einem Einlassventil mit elektromagnetischem Aktor versehenen Hochdruckkraftstoffpumpe einer Verbrennungskraftmaschine umfasst ein Bestromen des elektromagnetischen Aktors gemäß einer vorgegebenen Bestromungsstrategie, sodass während eines Förderzyklus eines Förderkolbens der Hochdruckkraftstoffpumpe der elektromagnetische Aktor die Förderleistung der Hochdruckkraftstoffpumpe nicht beeinflusst, wenn keine Erkennung der Position der Verbrennungskraftmaschine erfolgt ist, und ein Bestromen des elektromagnetischen Aktors in Abhängigkeit von der Position der Verbrennungskraftmaschine, nachdem eine Erkennung der Position der Verbrennungskraftmaschine erfolgt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt ab dem Start der Verbrennungskraftmaschine die Förderung von Kraftstoff ab dem ersten Förderhub der Hochdruckkraftstoffpumpe sicher. Sobald eine Erkennung der Position der Verbrennungskraftmaschine bzw. eine Synchronisation erfolgt ist, wird auf die für eine Hochdruckkraftstoffpumpe, welche über ein mit einem elektromagnetischen Aktor versehenes Einlassventil als Saugventil verfügt, übliche positionsabhängige Ansteuerung des elektromagnetischen Aktors umgeschaltet.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bevorzugt, dass die vorgegebene Bestromungsstrategie eine Bestromung des elektromagnetischen Aktors in Intervallen vorsieht. Besonders bevorzugt erfolgt die Bestromung in Intervallen mit einer Frequenz die höher als die Förderfrequenz der Hochdruckkraftstoffpumpe ist. Während eine Dauerbestromung des elektromagnetischen Aktors zu einer dauerhaft auftretenden hohen Verlustleistung in einer Spule des Aktors und im Steuergerät der Hochdruckkraftstoffpumpe und der Verbrennungskraftmaschine führt, können durch Bestromungsimpulse ein Schließen des Einlassventils und ein frühzeitiger Förderhub der Hochdruckkraftstoffpumpe mit geringerer Verlustleistung erzielt werden. Wenn sich das Einlassventil der Hochdruckkraftstoffpumpe dabei schließt, so bleibt es aufgrund seines Aufbauprinzips geschlossen.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es bevorzugt, dass die vorgegebene Bestromungsstrategie eine Dauerbestromung des elektromagnetischen Aktors vorsieht. Dadurch wird ein Kolben des Einlassventils nicht mehr in eine geöffnete Position gedrückt. Das Einlassventil ist dann in der Lage, wie ein konventionelles Einlassventil mechanisch-hydraulisch zu öffnen und zu schließen. Die Hochdruckkraftstoffpumpe fördert dadurch im dauerbestromten Zustand bereits eine hohe Menge Kraftstoff, die sich aber nicht regeln lässt.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm führt alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens aus, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft. Um eine Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem vorhandenen Steuergerät zu ermöglichen, ohne daran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen, ist das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcode vorgesehen, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient, wenn das Programm auf einem Computer oder Steuergerät ausgeführt wird. Durch Aufspielen des erfindungsgemäßen Computerprogramms auf ein Steuergerät wird das erfindungsgemäße Steuergerät erhalten, das dazu ausgebildet ist, eine mit einem Einlassventil mit elektromagnetischem Aktor versehene Hochdruckkraftstoffpumpe einer Verbrennungskraftmaschine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu steuern und zu regeln.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 ist eine Prinzipskizze einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Hochdruckkraftstoffpumpe, die ein Einlassventil mit elektromagnetischem Aktor aufweist.
2 zeigt einen teilweisen Schnitt durch die Hochdruckkraftstoffpumpe gemäß 1.
Ausführungsbeispiel der Erfindung
Eine in 1 dargestellte Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst einen Kraftstoffbehälter 12, aus dem eine Vorförderpumpe 14 Kraftstoff in eine Niederdruckleitung 16 fördert. Der Druck in der Niederdruckleitung 16 wird durch ein Drucksteuer- beziehungsweise Druckregelventil 18 eingestellt. Die Niederdruckleitung 16 führt zu einer Hochdruckkraftstoffpumpe 20. Diese wird mechanisch von der Verbrennungskraftmaschine 10 angetrieben. Sie verdichtet den Kraftstoff auf einen sehr hohen Druck und fördert ihn zu einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 22, der auch als "Rail" bezeichnet wird. An diesen sind mehrere Injektoren 24 angeschlossen, die den Kraftstoff unter hohem Druck in ihnen direkt zugeordnete Brennräume 26 einspritzen. Der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 28 gesteuert und geregelt. Hierzu erhält die Steuer- und Regeleinrichtung 28 Signale von verschiedenen Sensoren, beispielsweise von einem Drucksensor 30, der den Druck in dem Rail 22 erfasst. Von der Steuer- und Regeleinrichtung 28 werden beispielsweise die Injektoren 24 angesteuert. Die Hochdruckkraftstoffpumpe 20 ist als Ein-Zylinder-Kolbenpumpe ausgebildet. Sie umfasst ein als Feder-Rückschlagventil ausgebildetes und druckdifferenzbetätigtes Einlassventil 32, welches als Saugventil fungiert, und ein ebenfalls als Feder-Rückschlagventil ausgebildetes druckdifferenzbetätigtes Auslassventil 34. Das Einlassventil 32 ist mit einer Betätigungseinrichtung 36 verbunden, durch die ein maximal möglicher Öffnungshub eines Ventilelements des Einlassventils 32 beeinflusst werden kann. Hierzu wird die Betätigungseinrichtung 36 ebenfalls von der Steuer- und Regeleinrichtung 28 angesteuert. Auf diese Weise kann die Förderleistung der Hochdruckkraftstoffpumpe 20 beeinflusst werden.
Wie in 2 dargestellt ist, umfasst die Hochdruckkraftstoffpumpe 20 ein Gehäuse 38, in dem ein Förderkolben 40 längs verschieblich aufgenommen ist. Der Förderkolben 40 wird im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 von einem nicht dargestellten Nocken, der wiederum von der Verbrennungskraftmaschine 10 angetrieben wird, in eine Hin- und Herbewegung versetzt. Der Förderkolben 40 begrenzt mit seinem in 2 oberen Ende einen Förderraum 42. Dieser wird nach oben hin von dem Einlassventil 32 begrenzt, welches von einer Verschlussschraube 44 in Einbaulage gehalten wird. Vom Förderraum 42 zweigt auch ein Auslasskanal 46 ab, der zum Auslassventil 34 führt. Das Einlassventil 32 umfasst ein Ventilgehäuse 48, bei dem es sich im Wesentlichen um einen rotationssymmetrischen zylindrischen Körper handelt, der mit einer in Längsrichtung des Ventilgehäuses 48 verlaufenden Durchgangsöffnung 50 versehen ist. Von dieser zweigen mehrere radial verlaufende Einlasskanäle 52 ab, die in einen zwischen dem Ventilgehäuse 48 und dem Gehäuse 38 der Hochkraftstoffpumpe 20 liegenden Einlass-Ringraum 54 münden. In diesen mündet auf in 2 nicht sichtbare Art und Weise die Niederdruckleitung 16. In der Durchgangsöffnung 50 des Ventilgehäuses 48 ist ein längliches Ventilelement 56 aufgenommen. An seinem in 2 unteren Ende weist dieses einen Ventilteller 58 auf der in der in 2 gezeigten geschlossenen Stellung des Einlassventils 32 mit einem am Ventilgehäuse 48 vorhandenen Ventilsitz 60 zusammenarbeitet. An dem in 2 oberen Ende des Ventilelements 56 ist in dessen Mantelfläche eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut 62 vorhanden, in die ein Sprengring 64 eingelegt ist. An diesem stützt sich in 2 von unten her ein Federteller 66 ab. Zwischen letzterem und dem Ventilgehäuse 48 ist eine Ventilfeder 68 verspannt, durch die der Federteller 66 gegen den Sprengring 64 gedrückt und insgesamt das Ventilelement 56 in seine geschlossene Stellung beaufschlagt wird. Zum Einlassventil 32 koaxial ist eine längs geschlitzte (in 2 nicht sichtbar, da außerhalb der Zeichnungsebene liegend) Hülse 70 angeordnet, in der der Federteller 66 aufgenommen ist. An dem in 2 unteren Ende der Hülse 70 ist ein sich nach radial einwärts erstreckender Abschnitt 72 vorhanden, der den Federteller 66 im Bereich von dessen Rand untergreift. Die zum Federteller 66 gewandte Endfläche 74 des Abschnitts 72 hat daher U-förmige Gestalt und bildet, wie weiter unten noch im Detail dargestellt ist, einen Hubanschlag für das Ventilelement 56 des Einlassventils 32. Die Hülse 70 ist in der Verschlussschraube 44 axial gleitend geführt. Ihre axiale Position wird durch einen elektromagnetischen Aktor 76 eingestellt, der wiederum von der Steuer- und Regeleinrichtung 28 angesteuert wird. Die Hülse 70 und der elektromagnetische Aktor 76 gehören zu der bereits im Zusammenhang mit 1 eingeführten Betätigungseinrichtung 36, mit der ein maximal möglicher Öffnungshub des Ventilelements 56 des Einlassventils 32 beeinflusst werden kann.
Die Hochdruckkraftstoffpumpe 20 mit der Betätigungseinrichtung 36 arbeitet so, dass bei einem Förderhub des Förderkolbens 40 nach oben im Förderraum 42 vorhandener Kraftstoff komprimiert wird und schließlich über das Auslassventil 34 in das Rail 22 gefördert wird. Die Menge des im Förderraum 42 vorhandenen Kraftstoffes wird vorliegend durch den Hub des Ventilelements 56 des Einlassventils 32 während eines Förderzyklus des Förderkolbens 40 in 2 nach unten eingestellt. In dem in 2 dargestellten ersten Extremfall ist dieser Öffnungshub gleich null, denn der Ventilteller 58 liegt am Ventilsitz 60 an und die Hülse 70 mit dem Hubanschlag 74 ist vom elektromagnetischen Aktor 76 in eine solche axiale Position gebracht worden, dass der Federteller 66 in der geschlossenen Position des Einlassventils 32 am Hubanschlag 74 anliegt. Das Ventilelement 56 ist also in der geschlossenen Position blockiert. Während eines Förderzyklus des Förderkolbens 40 bleibt daher das Einlassventil 32 geschlossen, es kann kein Kraftstoff von der Niederdruckleitung 16 in den Förderraum 42 gelangen. Es wird daher in diesem ersten Extremfall von der Hochdruckkraftstoffpumpe 20 überhaupt kein Kraftstoff gefördert.
Für den zweiten Extremfall wird die Hülse 70 von dem elektromagnetischen Aktor 76 nach unten bewegt. Bei geschlossenem Ventilelement 56 ist also nun ein Spalt zwischen dem Federteller 66 und dem Hubanschlag 74 vorhanden. In einem Förderzyklus des Förderkolbens 44 kann nun das Ventilelement 56 mit dem Ventilteller 58 aufgrund der Druckdifferenz zwischen der Niederdruckleitung 16 und dem Förderraum 42 vom Ventilsitz 60 abheben, und zwar um eine maximale Strecke. Der Öffnungshub ist also maximal, die in den Förderraum 42 gelangende Kraftstoffmenge ist maximal, und somit ist auch die von der Hochdruckkraftstoffpumpe 20 bei einem Förderhub in das Rail 22 geförderte Kraftstoffmenge maximal. Die axiale Position der Hülse 70 kann von dem elektromagnetischen Aktor 76 stufenlos in Zwischenpositionen eingestellt werden, die zwischen den beiden oben beschriebenen Extrempositionen liegen. Damit kann der Spalt, der bei geöffnetem Ventilelement 56 zwischen dem Ventilteller 58 und dem Ventilsitz 60 vorhanden ist, und damit auch die in den Förderraum 42 gelangende Kraftstoffmenge beeinflusst werden. Letztlich wird auf diese Weise also die Förderleistung der Hochdruckkraftstoffpumpe 20 beeinflusst. Dabei kann die Stellung des Hubanschlags 74 stufenlos beeinflusst werden, da beliebige axiale Zwischenstellungen der Hülse 70 von dem elektromagnetischen Aktor 76 hergestellt werden können.
In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine 10 der elektromagnetische Aktor 76 der Hochdruckkraftstoffpumpe 20 dauerbestromt. Dadurch wird, wie in dem zweiten Extremfall, die Hülse 70 nach unten bewegt. Bei geschlossenem Ventilelement 56 ist dadurch ein Spalt zwischen dem Federteller 66 und dem Hubanschlag 74 vorhanden. In einem Förderzyklus des Förderkolbens 44 kann das Ventilelement 56 mit dem Ventilteller 58 aufgrund der Druckdifferenz zwischen der Niederdruckleitung 16 und dem Förderraum 42 über die maximale Strecke vom Ventilsitz 60 abheben. Das Einlassventil 32 kann dadurch wie ein konventionelles Saugventil mechanisch-hydraulisch öffnen und schließen. Sobald eine Positionserkennung der Verbrennungskraftmaschine 10 erfolgt ist (Synchronisation), wird die Dauerbestromung des elektromagnetischen Aktors 76 abgebrochen und seine weitere Bestromung erfolgt in Abhängigkeit von der Position der Verbrennungskraftmaschine 10. Dadurch kann die Förderleistung der Hochdruckkraftstoffpumpe 20 in Abhängigkeit von der Position der Verbrennungskraftmaschine 10 beeinflusst werden.
In einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt vor der Positionserkennung der Verbrennungskraftmaschine 10 keine Dauerbestromung des elektromagnetischen Aktors 76. Stattdessen wird er in Intervallen bestromt. Hierdurch tritt an der Spule des elektromagnetischen Aktors 76 und in der Steuer- und Regeleinrichtung 28 eine geringere Verlustleistung auf als in der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Alle beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessern den Start einer Verbrennungskraftmaschine 10, die über eine Hochdruckkraftstoffpumpe 20 verfügt, welche als Saugventil ein federbelastetes Einlassventil 32 mit elektrisch verstellbarem Hubanschlag aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006013703 A1 [0004]
DE 102010027745 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Steuerung und Regelung einer mit einem Einlassventil (32) mit elektromagnetischem Aktor (76) versehenen Hochdruckkraftstoffpumpe (20) einer Verbrennungskraftmaschine (10), umfassend – Bestromen des elektromagnetischen Aktors (76) gemäß einer vorgegebenen Bestromungsstrategie, so dass während eines Förderzyklus eines Förderkolbens (40) der Hochdruckkraftstoffpumpe (20) der elektromagnetische Aktor (72) die Förderleistung der Hochdruckkraftstoffpumpe (20) nicht beeinflusst, wenn keine Erkennung der Position der Verbrennungskraftmaschine (10) erfolgt ist, und – Bestromen des elektromagnetischen Aktors (76) in Abhängigkeit von der Position der Verbrennungskraftmaschine (10), nachdem eine Erkennung der Position der Verbrennungskraftmaschine (10) erfolgt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Bestromungsstrategie eine Bestromung des elektromagnetischen Aktors (76) in Intervallen vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung des elektromagnetischen Aktors (76) in Intervallen mit einer Frequenz die höher als die Förderfrequenz der Hochdruckkraftstoffpumpe (20) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Bestromungsstrategie eine Dauerbestromung des elektromagnetischen Aktors (76) vorsieht.
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät (28) abläuft.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder Steuergerät (28) ausgeführt wird.
Steuergerät (28) das dazu ausgebildet ist, eine mit einem Einlassventil (32) mit elektromagnetischem Aktor (76) versehenen Hochdruckkraftstoffpumpe (20) einer Verbrennungskraftmaschine (10) mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 zu steuern und zu regeln.