DE102021202000A1

DE102021202000A1 - Kraftstoffeinspritzsystem für einen verbrennungsmotor und verfahren sowie steuerungsvorrichtung zur steuerung eines kraftstoffeinspritzsystems eines verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102021202000A1
Application number: DE102021202000.3A
Authority: DE
Inventors: Stephan Revidat; David Martinez Nunez
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2021-03-02
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2022-09-08
Also published as: KR20220124077A; CN114991979A; US11371460B1

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Verbrennungsmotors umfasst Empfangen eines Vorgabewerts für einen Solldruck in einer Einspritzleiste, die den Motor mit Kraftstoff versorgt, ein Empfangen einer Ausgabeanforderung, die eine pro Motorzyklus von der Einspritzleiste einzuspritzende Soll-Kraftstoff repräsentiert, ein Empfangen eines Steuermodussignals, ein Erfassen eines Ist-Drucks in der Einspritzleiste, ein Auswählen eines Steuermodus basierend auf dem Steuermodussignal, ein Bestimmen einer Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung für eine mit der Einspritzleiste verbundene Kraftstoffpumpe basierend auf einer Differenz zwischen dem Vorgabewert für den Solldruck und dem Ist-Druck, basierend auf der Ausgabeanforderung und basierend auf dem ausgewählten Steuermodus, und ein Steuern des Betriebs der Kraftstoffpumpe gemäß der Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung und basierend auf dem ausgewählten Steuermodus, um der Einspritzleiste Kraftstoff zuzuführen, wobei die Kraftstoffpumpe unabhängig von einer Drehzahl des Motors betrieben wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor, ein Verfahren und eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Verbrennungsmotors. Das Kraftstoffeinspritzsystem, das Verfahren und die Steuerungsvorrichtung können beispielsweise in einem Motor eines Fahrzeugs, insbesondere eines Straßenfahrzeugs wie einem Pkw, einem Lkw, einem Bus, einem Motorrad oder dergleichen, eingesetzt werden.
Hintergrund
Verbrennungsmotoren umfassen typischerweise ein Kraftstoffversorgungs- oder Einspritzsystem mit einer Einspritzleiste und einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe, die der Einspritzleiste unter Druck stehenden Kraftstoff zuführt. Von der Einspritzleiste wird der unter Druck stehende Kraftstoff in einen Brennraum des Motors eingespritzt, wo er verbrannt wird, um einen Kolben zu bewegen und ein Drehmoment zu erzeugen. Typischerweise wird die Hochdruck-Kraftstoffpumpe synchron mit der Drehzahl des Motors betrieben, wodurch ein kalibrierter Solldruck in der Einspritzleiste aufrechterhalten werden kann.
Obwohl dieses Betriebsschema robust und zuverlässig ist, gibt es Situationen, in denen es wünschenswert wäre, das Kraftstoffversorgungssystem flexibler betreiben zu können. So sind z. B. in Situationen, in denen der Motor mit dynamischen Laständerungen beaufschlagt wird, andere Kraftstoffversorgungseigenschaften wünschenswert als in Situationen, in denen der Motor mit einer mehr oder weniger konstanten Last beaufschlagt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine der Ideen der vorliegenden Erfindung, verbesserte Lösungen für eine Kraftstoffversorgung eines Verbrennungsmotors bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung stellt daher ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Steuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 9 und ein Kraftstoffeinspritzsystem gemäß Anspruch 10 zur Verfügung.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche und der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Verbrennungsmotors bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Empfangen eines Vorgabewerts für einen Solldruck in einer Einspritzleiste, die den Motor mit Kraftstoff versorgt, ein Empfangen einer Ausgabeanforderung, die eine von der Einspritzleiste pro Motorzyklus einzuspritzende Sollmenge an Kraftstoff bzw. Soll-Kraftstoffmenge repräsentiert, ein Empfangen eines Steuermodussignals, ein Erfassen eines Ist-Druck in der Einspritzleiste, ein Auswählen eines Steuermodus basierend auf dem Steuermodussignal, ein Bestimmen einer Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung für eine mit der Einspritzleiste verbundene Kraftstoffpumpe basierend auf einer Differenz zwischen dem Vorgabewert für den Solldruck und dem Ist-Druck, basierend auf der Ausgabeanforderung und basierend auf dem ausgewählten Steuermodus, und ein Steuern des Betriebs der Kraftstoffpumpe gemäß der Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung und basierend auf dem ausgewählten Steuermodus, um der Einspritzleiste Kraftstoff zuzuführen, wobei die Kraftstoffpumpe unabhängig von einer Drehzahl des Motors betrieben wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Motors vorgesehen. Die Steuerungsvorrichtung umfasst eine Eingangsschnittstelle, die dazu eingerichtet ist, einen Vorgabewert für einen Solldruck in einer Einspritzleiste, die den Motor mit Kraftstoff versorgt, eine Ausgabeanforderung, die eine von der Einspritzleiste pro Motorzyklus einzuspritzende Sollmenge an Kraftstoff bzw. Soll-Kraftstoffmenge repräsentiert, ein Steuermodussignal und einen erfassten Ist-Druck in der Einspritzleiste zu empfangen, eine Ausgangsschnittstelle, die zur Signalverbindung mit einer hydraulisch mit der Einspritzleiste verbundenen Kraftstoffpumpe ausgebildet ist, und eine Verarbeitungseinheit, die mit der Eingangsschnittstelle und der Ausgangsschnittstelle verbunden ist. Die Verarbeitungseinheit ist dazu eingerichtet, ein Kraftstoffeinspritzsystem gemäß einem Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung zu steuern. Insbesondere ist die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet, einen Steuermodus basierend auf dem Steuermodussignal auszuwählen, einer Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung für die Kraftstoffpumpe basierend auf einer Differenz zwischen dem Vorgabewert für den Solldruck und dem Ist-Druck, basierend auf der Förderstromanforderung und basierend auf dem ausgewählten Steuermodus zu bestimmen und ein Steuersignal an die Ausgangsschnittstelle auszugeben, um den Betrieb der Kraftstoffpumpe entsprechend der Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung und basierend auf dem ausgewählten Steuermodus zu steuern, um Kraftstoff an die Einspritzleiste zu liefern, wobei die Kraftstoffpumpe unabhängig von einer Drehzahl des Motors betrieben wird. Die Verarbeitungseinheit kann einen Prozessor, einen ASIC, ein FPGA oder Ähnliches umfassen. Die Verarbeitungseinheit ist dazu eingerichtet, ein Datenspeichermedium, z. B. ein nichtflüchtiges Speichermedium wie einen HDD-Speicher oder einen SSD-Speicher, zu lesen und Software auszuführen, die auf dem Datenspeichermedium gespeichert ist. Das Datenspeichermedium kann Teil der Steuerungsvorrichtung sein oder die Steuerungsvorrichtung kann über die Eingangsschnittstelle Zugriff auf das Datenspeichermedium haben.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Kraftstoffeinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt. Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst eine Steuerungsvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, eine Einspritzleiste zum Bereitstellen von Kraftstoff für den Motor, ein Drucksensorsignal, das mit der Eingangsschnittstelle der Steuerungsvorrichtung verbunden und zum Erfassen eines Ist-Drucks in der Einspritzleiste konfiguriert ist, und eine Kraftstoffpumpe, die hydraulisch mit der Einspritzleiste verbunden ist und deren Signal mit der Ausgangsschnittstelle der Steuerungsvorrichtung verbunden ist. Die Kraftstoffpumpe ist unabhängig von einer Drehzahl des Motors betreibbar oder antreibbar.
Ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegender Gedanke ist es, die Kraftstoffpumpe, die Hochdruckkraftstoff an die Einspritzleiste liefert, unabhängig von der Drehzahl des Motors zu betreiben und den Betrieb der Kraftstoffpumpe gemäß einem gewünschten Steuermodus zu steuern. Der Steuermodus wird auf der Grundlage eines Steuermodussignals ausgewählt, das von einem Motorsteuergerät (ECU) ausgegeben werden kann, z. B. in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Motors und/oder basierend auf einer Eingabe über eine Benutzerschnittstelle. Im Allgemeinen wird die Kraftstoffpumpe derart gesteuert, dass der Einspritzleiste eine bestimmte Kraftstoffmenge zugeführt wird, um die für eine gewünschte Drehmomentabgabe nötige Kraftstoffmenge in den Brennraum des Motors einspritzen zu können, wobei die gewünschte Drehmomentabgabe einer Leistungsanforderung entspricht. Die Steuerung des Betriebs der Kraftstoffpumpe wird ferner durch einen Solldruck bestimmt, der in der Einspritzleiste vorhanden sein soll, wobei der Solldruck vom gewählten Steuermodus abhängen kann. Weiterhin ist auch die Kraftstoffmenge, die tatsächlich von der Pumpe in die Einspritzleiste gefördert wird, von dem gewählten Steuermodus abhängig, wobei der Steuermodus bei der Berechnung oder Bestimmung einer Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung berücksichtigt wird, die als Signal an die Kraftstoffpumpe ausgegeben wird. So kann z.B. bereits eine Kraftstoffmenge in der Einspritzleiste vorhanden sein, die ausreicht, um die gewünschte Drehmomentleistung des Motors zu erzeugen, so dass nur eine reduzierte Kraftstoffmenge in die Schiene gefördert werden muss, z.B. um den Ist-Druck so einzustellen, dass er dem Solldruck entspricht.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das Kraftstoffeinspritzsystem flexibler arbeiten kann, da ein Steuermodus ausgewählt wird und die Kraftstoffpumpe in der Lage ist, unabhängig von der Drehzahl des Motors zu arbeiten. Beispielsweise kann die Kraftstoffpumpe je nach gewähltem Steuermodus derart gesteuert werden, dass sie mit höheren Wirkungsgraden arbeitet, um das dynamische Verhalten des Motors zu verbessern, die Partikelemission des Motors zu reduzieren oder ähnliches.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird der Steuermodus aus einer Vielzahl von vorgespeicherten Steuermodi ausgewählt, wobei jeder Steuermodus mindestens einen von einem Vorgabewert des Solldrucks und einer Sollfüllung der Einspritzleiste umfasst. Die Füllung der Einspritzleiste entspricht der Masse des in der Einspritzleiste vorhandenen oder gespeicherten Kraftstoffs. Die Füllung kann durch verschiedene Kenngrößen dargestellt werden, z. B. durch ein Füllverhältnis, das ein Verhältnis eines korrigierten Volumens des in der Einspritzleiste gespeicherten Kraftstoffs zu einem geometrischen Volumen der Einspritzleiste ist. Das korrigierte Volumen kann dem Volumen entsprechen, das der in der Einspritzleiste gespeicherte Kraftstoff bei dem aktuellen Druck in der Leiste bei einem Referenzdruck, z. B. dem Umgebungsdruck, einnehmen würde.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist der Vorgabewert des Solldrucks je nach Steuermodus ein konstanter Wert oder ein dynamisch variierender Wert. Der Solldruck wird vorzugsweise von einem Motorsteuergerät eingestellt, z. B. gemäß einem Motorsteuerungskennfeld. Dadurch kann auf einfache Weise eine Einspritz- oder Kraftstoffzufuhrkennlinie variiert werden. Insbesondere kann der Kraftstoff dem Brennraum des Motors mit einem gewünschten Druck zugeführt werden. Da die Pumpe unabhängig von der Drehzahl des Motors angetrieben wird, kann der Druck in der Leiste flexibler eingestellt werden, um die Leistung des Motors zu verbessern. So kann z. B. beim Kaltstart oder wenn ein dynamisches Verhalten des Motors gewünscht ist, der Druck in der Leiste entsprechend dem gewählten Steuermodus sehr flexibel erhöht oder generell variiert werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner ein Berechnen einer Ist-Füllung der Einspritzleiste basierend auf dem Ist-Druck und einer Art des Kraftstoffs und ein Berechnen einer Gesamtfüllung der Einspritzleiste basierend auf der Ausgabeanforderung umfassen, wobei der Betrieb der Kraftstoffpumpe derart gesteuert wird, dass die Ist-Füllung eine obere Füllschwelle nicht überschreitet und/oder eine untere Füllschwelle nicht unterschreitet. Die Ist-Füllung kann beispielsweise als das Füllverhältnis berechnet werden, das hierien als V_cor/Vo definiert ist, wobei V_cor ein korrigiertes Volumen des Kraftstoffs in der Einspritzleiste und Vo das geometrische Volumen der Einspritzleiste ist. Das korrigierte Volumen kann nach der folgenden Gleichung ermittelt werden: $V_{c o r} = V_{0} + R_{F} \frac{V_{0} * Δ p}{E_{V 0}}$
In dieser Gleichung ist po ein Referenzdruck, z.B. der Umgebungsdruck, R_F ist der Volumenanteil von reinem Kraftstoff bei einem Referenzdruck po, R_A ist der Volumenanteil des reinen Kraftstoffs bei einem Referenzdruck p₀, p_r ist der Ist-Druck in der Einspritzleiste, Δ_p ist die Differenz zwischen dem Drucks in der Leiste p_r und dem Referenzdruck p₀, κ ist das Wärmekapazitätsverhältnis von Luft, das z.B. als 1,34 festgelegt sein kann, E ist der Elastizitätskoeffizient des Reinkraftstoffs. Eine Soll-Füllung der Einspritzleiste kann als Differenz zwischen der Ist-Füllung und der der Ausgabeanforderung entsprechenden Kraftstoffmenge unter Berücksichtigung des Vorgabewertes für den Soll-Druck ermittelt werden. Die obere Füllschwelle für die Befüllung kann durch einen maximal zulässigen Druck der Einspritzleiste definiert sein. Die untere Füllschwelle kann durch eine minimale Kraftstoffmenge definiert sein, die in der Einspritzleiste vorhanden sein muss, um den Solldruck zu halten und die Kraftstoffmenge entsprechend der Ausgabeanforderung einzuspritzen.
Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst das Steuern des Betriebs der Kraftstoffpumpe in einem ersten Steuermodus ein Berechnen eines Pumpenwirkungsgrads als Verhältnis zwischen der dem Kraftstoff zuzuführenden hydraulischen Leistung und der der zuzuführenden Antriebsleistung, um den Solldruck in der Einspritzleiste zu erreichen, wobei die Pumpe nur betrieben wird, wenn der berechnete Pumpenwirkungsgrad über einer Wirkungsgradschwelle liegt. Der Pumpenwirkungsgrad η kann z. B. für eine elektrisch angetriebene Pumpe nach der folgenden Gleichung angenähert werden: $η = \frac{[\frac{{\dot{m}}_{F} + {\dot{m}}_{L} + {\dot{m}}_{R}}{ρ_{F}} * (p_{r} - p_{t})]}{U_{B} * I_{P}}$
In dieser Gleichung ist U_B die anliegende elektrische Spannung und Ip der an der Pumpe anliegende elektrische Strom. Ferner ist p_r der Solldruck in der Leiste, pt der Druck in der Flüssigkeitsquelle, z. B. einem Tank, an den die Kraftstoffpumpe angeschlossen ist, und ρ_F die Dichte des Kraftstoffs. ṁ_F ist der Massenstrom des Kraftstoffs, der durch die Ausgabeanforderung repräsentiert wird, ṁ_L ist ein Leckagemassenstrom des Kraftstoffs, und ṁ_R ist der Massenstrom an Kraftstoff, der erforderlich ist, um den Solldruck in der Einspritzleiste zu halten oder zu erreichen. Die Wirkungsgradschwelle kann z. B. im Bereich zwischen 0,25 und 0,5 liegen. Der Wirkungsgradschwellwert kann z. B. bei 0,4 liegen.
In dem ersten Steuermodus wird die Pumpe nur dann betrieben, wenn dies mit einem hohen Wirkungsgrad möglich ist. Somit fungiert die Einspritzleiste als Kraftstoffspeicher, der es ermöglicht, den Betrieb der Kraftstoffpumpe an Arbeitspunkten mit niedrigem Wirkungsgrad zu unterbrechen oder reduzieren. Dadurch kann der durchschnittliche Wirkungsgrad des Kraftstoffversorgungssystems deutlich erhöht werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird die Pumpe, wenn der berechnete Pumpenwirkungsgrad unterhalb der Wirkungsgradschwelle liegt, nur dann betrieben, wenn die Ist-Füllung der Einspritzleiste kleiner oder gleich einem vom Kraftstoffbedarf abhängigen Füllschwellenwert ist. Der Füllschwellenwert kann nach dieser Ausführungsform, wie oben erwähnt, eine untere Füllschwelle bilden. Das heißt, nach dieser Ausführungsform wird die Einspritzleiste auch dann befüllt, wenn die Pumpe mit einem niedrigen Wirkungsgrad arbeitet, um ein Entleeren der Einspritzleiste zu vermeiden.
Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst in einem zweiten Steuermodus das Berechnen der Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung ein Bestimmen eines ersten Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderungsanteils basierend auf der Differenz zwischen dem Vorgabewert für den Solldruck und dem Ist-Druck und ein Addieren des bestimmten ersten Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderungsanteils zu einem zweiten Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderungsanteil, der proportional zu, z. B. entsprechend der Ausgabeanforderung ist, wobei eine Ist-Füllung der Einspritzleiste basierend auf dem Ist-Druck und einem Typ des Kraftstoffs berechnet wird, und wobei das Steuern des Betriebs der Kraftstoffpumpe das Betreiben der Kraftstoffpumpe derart umfasst, dass der Betrieb der Kraftstoffpumpe gehemmt, insbesondere gestoppt wird, wenn die Ausgabeanforderung im Vergleich zur Ist-Füllung einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Gemäß dieser Ausführungsform wird mehr als genug Kraftstoff bereitgestellt, um den Solldruck in der Einspritzleiste aufrechtzuerhalten oder zu erreichen und die der Ausgabeanforderung entsprechende Kraftstoffmenge zu liefern. Das heißt, der Ist-Druck in der Einspritzleiste wird auf ein Niveau oberhalb des eingestellten SollDrucks geregelt, mit der Einschränkung, dass der Ist-Druck, der proportional zur Ist-Füllung ist, unterhalb eines oberen Schwellenwertes gehalten wird. Dadurch kann ein hochdynamisches Verhalten des Motors erreicht werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst die Berechnung der Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung in einem dritten Steuermodus ein Berechnung einer Ist-Füllung der Einspritzleiste auf der Grundlage des Ist-Drucks und einer Art des Kraftstoffs, ein Berechnen einer effektiv verfügbaren Füllung der Einspritzleiste als Differenz zwischen der Ist-Füllung und einer maximalen Füllung der Einspritzleiste bei dem Solldruck und ein Bestimmen eines effektiven Bedarfs durch Addieren der Ausgabeanforderung und der effektiv verfügbaren Füllung. Dadurch wird die Leiste auf einem im Wesentlichen konstanten Hochdruckniveau gehalten, da es immer bis zur gewünschten Sollmenge, z.B. nahe einer maximal möglichen Füllung, gefüllt ist. Hierdurch kann die Partikelemission des Motors vorteilhaft reduziert werden. Optional kann das Steuern des Betriebs der Kraftstoffpumpe im dritten Steuermodus ähnlich wie im ersten Steuermodus auch das Berechnen eines Pumpenwirkungsgrads als Verhältnis von dem Kraftstoff zuzuführender hydraulischer Leistung und der Pumpe zuzuführender Antriebsleistung zum Erreichen des Solldrucks in der Einspritzleiste umfassen, wobei die Pumpe nur betrieben wird, wenn der berechnete Pumpenwirkungsgrad über einem Wirkungsgradschwellenwert liegt. Die Pumpe kann jedoch optional in einem Zustand angesteuert werden, der einen Kraftstoff- oder Druckmangel in der Einspritzleiste anzeigt.
Die hier beschriebenen Merkmale für die Steuerungsvorrichtung sind auch für das Verfahren und für das Kraftstoffeinspritzsystem offenbart und umgekehrt.
Figurenliste
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verwiesen. Die Erfindung wird im Folgenden anhand von beispielhaften Ausführungsformen, die in den schematischen Figuren angegeben sind, näher erläutert, in denen:

1 eine schematische Ansicht eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
3 eine Steuerroutine eines ersten Steuermodus zeigt, die in einem Verfahren zur Steuerung eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung durchgeführt wird;
4 eine Steuerroutine eines ersten Steuermodus zeigt, die in einem Verfahren zur Steuerung eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung durchgeführt wird;
5 eine Steuerroutine eines ersten Steuermodus zeigt, die in einem Verfahren zur Steuerung eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgeführt wird; und
6 eine Steuerroutine zeigt, die in einem Eco-Switch-Block der Steuerroutinen der 3 und 5 ausgeführt wird.

Wenn nicht anders angegeben, bezeichnen in den Abbildungen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzsystem 100 für einen Verbrennungsmotor 200. Das System 100 kann z. B. in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Straßenfahrzeug wie einem PKW, einem Bus, einem LKW, einem Motorrad oder ähnlichem eingesetzt werden.
Wie in 1 beispielhaft dargestellt, umfasst das Kraftstoffeinspritzsystem 100 eine Steuerungsvorrichtung 1, eine Einspritzleiste 2, einen Drucksensor 3 und eine Kraftstoffpumpe 4. In 1 ist das System 100 beispielhaft als Teil eines Fahrzeugantriebssystems dargestellt, das einen Verbrennungsmotor 200, einen Tank 205, ein Motorsteuergerät, ECU, 210, und ein Gaspedal 215 umfasst. Wie in 1 weiter gezeigt ist, kann das Kraftstoffeinspritzsystem 100 optional einen Steuermoduswahlschalter 5 umfassen. Der Tank 205 kann ebenfalls Teil des Kraftstoffversorgungssystems 100 sein.
Die Einspritzleiste 2 ist in 1 nur schematisch dargestellt und definiert einen Innenraum zur Aufnahme von unter Druck stehendem Kraftstoff. Der Innenraum hat ein geometrisches Volumen. Wie in 1 weiter schematisch dargestellt ist, kann die Einspritzleiste 2 derart mit dem Motor 200 verbunden sein, dass druckbeaufschlagter Kraftstoff aus dem Innenraum der Einspritzleiste 2 in einen Brennraum 201 des Motors 200 zuführbar ist. Beispielsweise kann die Einspritzleiste 2 Einspritzdüsen 21 umfassen, die dazu ausgebildet sind, um Kraftstoff aus der Einspritzleiste 2 in den jeweiligen Brennraum 201 entsprechend einer Phase des Motortaktes bzw. Motorzyklus, z. B. entsprechend einem bestimmten Kurbelwellenwinkel, einzuspritzen.
Die Kraftstoffpumpe 4 ist hydraulisch mit der Einspritzleiste 2 verbunden und dazu ausgebildet, Kraftstoff mit Druck zu beaufschlagen und in die Einspritzleiste 2 zu fördern. In dem in 1 dargestellten Beispiel ist die Kraftstoffpumpe 4 hydraulisch mit dem Tank 205 verbunden, der somit eine Kraftstoffquelle bildet. Die Kraftstoffpumpe 4 ist derart konfiguriert, dass sie unabhängig von einer Drehzahl des Motors 200 betreibbar ist. Beispielsweise kann die Kraftstoffpumpe 4 über einen elektrischen Antriebsmotor (nicht dargestellt) angetrieben werden. Generell kann die Kraftstoffpumpe 4 unabhängig von einer Phase des Motortaktes betrieben werden. Der Betrieb der Kraftstoffpumpe kann das Variieren einer Drehzahl der Kraftstoffpumpe umfassen, um einen von der Pumpe geförderten Kraftstoffstrom zu variieren, die Kraftstoffpumpe zu aktivieren und zu deaktivieren und/oder eine von der Pumpe auf den Kraftstoff ausgeübte Druckerhöhung zu variieren.
Der Drucksensor 3, wie in 1 schematisch dargestellt, ist derart an der Einspritzleiste 2 angeordnet, dass er einen Druck des Kraftstoffs im Innenraum der Einspritzleiste erfassen kann.
Die Steuerungsvorrichtung 1 ist in 1 nur schematisch als Block dargestellt und umfasst eine Verarbeitungseinheit 10, eine Eingangsschnittstelle 11 und eine Ausgangsschnittstelle 12. Die Verarbeitungseinheit 10 ist mit der Eingangsschnittstelle 11 und der Ausgangsschnittstelle signalverbunden und enthält eine Schaltung, dazu eingerichtet ist, ein Ausgangssignal basierend auf einem Eingangssignal in Übereinstimmung mit einer vordefinierten Rechenregel auszugeben. Die Verarbeitungseinheit 10 kann beispielsweise eine CPU, einen Mikroprozessor, ein ASIC, ein FPGA oder Ähnliches umfassen. Optional kann die Steuereinheit 10 auch ein Datenspeichermedium umfassen, das durch Verarbeitungseinheit 10 lesbar ist. Alternativ kann die Verarbeitungseinheit 10 über die Eingangsschnittstelle 11 mit einem Datenspeichermedium verbunden sein. Das Datenspeichermedium ist ein nichtflüchtiges Datenspeichermedium, z. B. ein Festplattenlaufwerk, ein Solid-State-Laufwerk oder ähnliches.
Die Eingangsschnittstelle 11 ist zum Empfang und optional zum Senden von Signalen ausgebildet. Die Ausgangsschnittstelle 12 ist zum Senden und optional auch zum Empfangen von Signalen ausgebildet. Die Eingangs- und Ausgangsschnittstellen 11, 12 können z. B. für eine drahtgebundene Verbindung ausgebildet sein, z. B. über ein BUS-System wie CAN-BUS oder ähnliches.
Wie in 1 schematisch dargestellt ist, ist der Drucksensor 3 mit der Eingangsschnittstelle 11 der Steuerungsvorrichtung 1 signalverbunden. Ferner kann, wie in 1 gezeigt, die ECU 210 mit der Eingangsschnittstelle 11 der Steuerungsvorrichtung 1 signalverbunden sein, wobei das Gaspedal 215 und der Moduswahlschalter 5 oder eine andere optionale Benutzerschnittstelle mit der ECU 210 signalverbunden sind. Alternativ können der Moduswahlschalter 5 und das Gaspedal 215 auch direkt mit der Eingangsschnittstelle 11 der Steuerungsvorrichtung 1 verbunden sein. Als weitere Alternative kann die Steuerungsvorrichtung 1 einen Teil der ECU 210 bilden. In diesem Fall bildet eine Eingangsschnittstelle (nicht dargestellt) der ECU 210 die Eingangsschnittstelle 11 der Steuerungsvorrichtung 1 und eine Ausgangsschnittstelle (nicht dargestellt) der ECU 210 die Ausgangsschnittstelle 11 der Steuerungsvorrichtung 1. Daher ist die Eingangsschnittstelle 11 im Allgemeinen dazu ausgelegt, Signale von der ECU 210 oder anderen externen Quellen und vom Drucksensor 3. Die Ausgangsschnittstelle 12 ist mit der Kraftstoffpumpe 4 signalverbunden. Im Allgemeinen kann die Verarbeitungseinheit 10 ein Steuersignal basierend auf einem an der Eingangsschnittstelle 11 empfangenen Eingangssignal erzeugen und das Steuersignal an die Ausgangsschnittstelle 12 ausgeben, um den Betrieb der Kraftstoffpumpe 4 zu steuern.
Das Motorsteuergerät 210, wie in 1 schematisch dargestellt, ist mit dem Motor 200 verbunden und zum Empfangen von Zustandssignalen eingerichtet, die einen Betriebszustand des Motors 200 repräsentieren, wobei die Zustandssignale beispielsweise von in den Motor 200 integrierten Sensoren erfasst werden. Ferner ist das Steuergerät 210 dazu eingerichtet, Signale an die Steuerungsvorrichtung 1 und an den Motor 200 auszugeben. Die ECU 210 kann eine Verarbeitungseinrichtung, wie z. B. eine CPU, einen Mikroprozessor, ein ASIC, ein FPGA oder Ähnliches, und ein nichtflüchtiges Datenspeichermedium, z. B. ein Festplattenlaufwerk, ein Solid-State-Laufwerk oder Ähnliches umfassen.
2 zeigt beispielhaft ein Ablaufschema eines Verfahrens zur Steuerung eines Kraftstoffeinspritzsystems 100 eines Verbrennungsmotors 200. Die Steuerungsvorrichtung 1 kann beispielsweise das Kraftstoffeinspritzsystem 100 der 1 gemäß dem Verfahren M steuern, das im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 erläutert wird. Daher wird das Verfahren M beispielhaft unter Bezugnahme auf das in 1 dargestellte System 100 erläutert.
In einem ersten Schritt M1 erhält die Steuerungsvorrichtung 1 über die Eingangsschnittstelle 11 einen Vorgabewert S1 für einen Solldruck in der Einspritzleiste 2, z. B. von der ECU 210. Die ECU 210 kann den Vorgabewert S1 beispielsweise basierend auf einer Betätigung des Gaspedals 210 und/oder basierend auf dem Betriebszustand des Motors 200 ausgeben. Insbesondere kann die ECU 210 den Vorgabewert S1 aus einer Look-up-Tabelle oder einem Motorkennfeld ermitteln, in dem z. B. ein Drehmomentbedarf und eine Drehzahl des Motors einem Solldruck in der Einspritzleiste 2 zugeordnet sein können. Die Betätigung des Gaspedals 215 kann z. B. durch einen Sensor (nicht dargestellt) erfasst werden, der eine Auslenkung des Gaspedals 215 erfasst.
In Schritt M2 empfängt die Steuerungsvorrichtung 1 über die Eingangsschnittstelle 11 eine Ausgabeanforderung S2, die eine pro Motorzyklus von der Einspritzleiste 2 einzuspritzende Soll-Kraftstoffmenge repräsentiert. Die Ausgabeanforderung S2 kann z. B. ein Anforderungssignal sein, das von der ECU 210 aufgrund der Betätigung des Gaspedals 215 ausgegeben wird.
In Schritt M3 empfängt die Steuerungsvorrichtung 1 ein Steuermodussignal S3 über die Eingangsschnittstelle 11. Das Steuermodussignal S3 kann optional auch von der ECU 210 in Abhängigkeit von einer Stellung des Moduswahlschalters 5 ausgegeben werden. Beispielsweise kann ein Fahrer durch Drehen des Schalters 5 aus einer Vielzahl von Steuermodi wie „Sport“, „Stadtfahrt“, „Eco/Emissionsmodus“ oder ähnlichem auswählen. Alternativ ist es auch möglich, dass das Motorsteuergerät 210 das Steuermodussignal basierend auf dem Betriebszustand des Motors erzeugt.
Schritt M4 stellt ein Erfassen eines Ist-Drucks S4 in der Einspritzleiste 2 durch den Drucksensor 3 dar, wobei die Steuerungsvorrichtung 1 den erfassten Ist-Druck S4 über die Eingangsschnittstelle 11 erhält.
In Schritt M5 wählt die Steuerungsvorrichtung 1 basierend auf dem Steuermodussignal S3 einen Steuermodus aus, insbesondere aus einer Vielzahl von vorgespeicherten Steuermodi. Abhängig von einem Steuermodus werden unterschiedliche Steuerschemata angewendet. Dies betrifft insbesondere die Schritte M8 und M9. In Schritt M9 ermittelt die Steuerungsvorrichtung 1 basierend auf einer Differenz zwischen dem Vorgabewert S1 für den Solldruck und dem Ist-Druck S4, basierend auf der Ausgabeanforderung S2 und basierend auf dem gewählten Steuermodus eine Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 für die Kraftstoffpumpe 4. Die Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 entspricht einem Steuersignal zur Betätigung oder Steuerung des Betriebs der Kraftstoffpumpe 4. Die Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 kann beispielsweise eine Soll-Drehzahl der Kraftstoffpumpe 4 repräsentieren. In Schritt M9 gibt die Steuerungsvorrichtung 1 die Pumpen-Förderstromanforderung S5 an die Ausgangsschnittstelle 12 aus und steuert dadurch den Betrieb der Kraftstoffpumpe 4 entsprechend der Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 und basierend auf dem gewählten Steuermodus, um Kraftstoff an die Einspritzleiste 2 zu liefern.
Wie in 2 zu sehen ist, kann das Verfahren M weiterhin optionale Schritte M6 und M7 umfassen, die vorteilhaft vor den Schritten M8 und M9 durchgeführt werden. In Schritt M6 berechnet die Steuerungsvorrichtung anhand des Ist-Drucks und einer Art des Kraftstoffs eine Ist-Füllung S6 der Einspritzleiste 2. Die Füllung der Einspritzleiste 2 kann der Menge des im Innenraum der Einspritzleiste 2 vorhandenen oder gespeicherten Kraftstoffs entsprechen. Die Füllung stellt grundsätzlich die Masse des in der Schiene 2 vorhandenen Kraftstoffs dar, kann aber durch verschiedene Größen ausgedrückt werden. Die Ist-Füllung kann z. B. als Füllverhältnis berechnet werden, der hier als V_cor/V₀ definiert ist, wobei V_cor ein korrigiertes Volumen des Kraftstoffs in der Einspritzleiste und Vo das geometrische Volumen des Innenraums der Einspritzleiste 2 ist. Das korrigierte Volumen kann nach der folgenden Gleichung ermittelt werden: $V_{c o r} = V_{0} + R_{F} \frac{V_{0} * Δ p}{E_{V 0}}$
In dieser Gleichung ist po ein Referenzdruck, z.B. der Umgebungsdruck, R_F ist der Volumenanteil von reinem Kraftstoffs bei einem Bezugsdruck po, R_A ist der Volumenanteil von reinem Kraftstoff bei einem Bezugsdruck p₀, p_r ist der Ist-Druck in der Einspritzleiste, Δp ist die Differenz zwischen dem Leistendruck p_r und dem Referenzdruck p₀, κ ist das Wärmekapazitätsverhältnis von Luft, das z.B. mit 1,34 angesetzt werden kann, E ist der Elastizitätskoeffizient des reinen Kraftstoffs.
In Schritt M7 kann die Steuerungsvorrichtung M7 anhand der Ausgabeanforderung S2 eine Gesamtfüllung der Einspritzleiste 2 berechnen. Die Gesamtfüllung entspricht der Füllung der Einspritzleiste 2, wenn die der Ausgabeanforderung S2 entsprechende Kraftstoffmenge in die bereits mit der Ist-Füllung gefüllte Einspritzleiste 2 zusätzlich eingefüllt werden würde. In diesem Fall wird der Betrieb der Kraftstoffpumpe 4 im Schritt M9 derart gesteuert, dass die Ist-Füllung eine obere Füllschwelle nicht überschreitet und/oder eine untere Füllschwelle nicht unterschreitet, insbesondere in Abhängigkeit von dem gewählten Steuermodus.
Im Allgemeinen kann der Steuermodus aus einer Vielzahl von vorgespeicherten Steuermodi ausgewählt werden. Zum Beispiel kann die ECU 210 oder die Steuereinheit 1 spezifische Steuerschemata speichern, die ausgeführt werden, wenn ein bestimmter Steuermodus ausgewählt wird. Dadurch, dass die Kraftstoffpumpe 4 unabhängig vom Motor 200 angetrieben wird, kann die Kraftstoffpumpe 4 flexibel gesteuert werden, um die Leiste 2 angepasst an verschiedene Bedürfnisse mit Kraftstoff zu versorgen. Insbesondere kann jeder Steuermodus mindestens einen von einem Vorgabewert S1 des Solldrucks und einer Sollfüllung der Einspritzleiste 2 umfassen. Beispielsweise kann der Vorgabewert S1 des Solldrucks je nach Steuermodus ein konstanter Wert oder ein dynamisch variierender Wert sein, der vorzugsweise von der ECU 210 eingestellt wird.
3 zeigt beispielhaft eine Steuerroutine, die während der Schritte M8 und M9 des Verfahrens M ausgeführt wird, wenn ein erster Steuermodus in Übereinstimmung mit dem Steuermodussignal S3 ausgewählt ist. Wie in 3 erkennbar ist, erhält die Steuerroutine als Input den Vorgabewert S1 für den Solldruck, den Ist-Druck S4, die Ausgabeanforderung S2 und die Ist-Füllung S6 der Einspritzleiste 2. Somit wird im ersten Steuermodus auch der Schritt M7 ausgeführt.
Wie in 3 dargestellt, werden zur Ermittlung der Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 der Ist-Druck S4 und der Solldruck S1 einem Subtraktionsblock A1 zugeführt, der den Ist-Druck S4 vom Solldruck S1 subtrahiert und ein entsprechendes Fehlersignal an einen PI-Regelblock B1 ausgibt. Der PI-Regelblock B1 gibt ein Ansteuersignal an einen Summationsblock A2 aus, wobei der PI-Regelblock B1 das Ansteuersignal basierend auf dem Fehlersignal gemäß einer PI-Regel ausgibt. Das Ansteuersignal kann z. B. in Form eines Wertes vorliegen, der einer Drehzahl der Kraftstoffpumpe 4 entspricht.
Die Ausgabeanforderung S2 kann z. B. im Format eines Wertes bereitgestellt werden, der der einzuspritzenden Kraftstoffmenge entspricht. Die Ausgabeanforderung S2 wird also vorzugsweise einem Wandlerblock B2 zugeführt, der das Format der Ausgabeanforderung in das Format des Ansteuersignals des PI-Regelblocks B1 umwandelt. Im vorliegenden Fall kann die Ausgabeanforderung S2 also in eine Drehzahl der Kraftstoffpumpe 4 umgewandelt werden. Weiterhin wird die umgewandelte Ausgabeanforderung S2 dem Summationsblock A2 zugeführt, der die Ausgabeanforderung S2 zum Ansteuersignal addiert und den Pumpenstrombedarf S5 ausgibt.
Wie in 3 schematisch dargestellt, wird die Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 dann einerseits einem Pumpenwirkungsgrad-Auswertungsblock B4 zur Verfügung gestellt, der die Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 an einen Zustandsschalterblock B6 weiterleitet, der unten noch weiter beschrieben wird. Zum anderen berechnet der Wirkungsgrad-Auswertungsblock B4 einen Pumpenwirkungsgrad als Verhältnis von hydraulischer Leistung, die auf den Kraftstoff aufzubringen ist, und Antriebsleistung, die auf die Kraftstoffpumpe 4 aufzubringen ist, um den Solldruck S1 in der Einspritzleiste 2 zu erreichen. Der Pumpenwirkungsgrad η kann z. B. für eine elektrisch angetriebene Pumpe nach der folgenden Gleichung angenähert werden: $η = \frac{[\frac{{\dot{m}}_{F} + {\dot{m}}_{L} + {\dot{m}}_{R}}{ρ_{F}} * (p_{r} - p_{t})]}{U_{B} * I_{P}}$
In dieser Gleichung ist U_B die elektrische Spannung und Ip der an der Pumpe anliegende elektrische Strom. Ferner ist p_r der Leisten-Solldruck, p_t der Druck in der Flüssigkeitsquelle, z. B. einem Tank, an den die Kraftstoffpumpe angeschlossen ist, und ρ_F die Dichte des Kraftstoffs. ṁ_F ist der Massenstrom des Kraftstoffs, der durch die Leistungsanforderung repräsentiert wird, ṁ_L ist der Massenstrom des als Leckage ausgetretenen Kraftstoffs, und ṁ_R ist der Massenstrom des Kraftstoffs, der erforderlich ist, um den Solldruck in der Einspritzleiste zu halten oder zu erreichen. Diese Berechnung kann z. B. in Schritt M9 durchgeführt werden.
Der Pumpenwirkungsgrad-Auswertungsblock B4 gibt den berechneten Pumpenwirkungsgrad η als Wirkungsgradsignal S7 an einen Eco-Switch-Block B5 aus, der später unter Bezugnahme auf 6 beschrieben wird. Der Eco-Switch-Block B5 erhält weiterhin die Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 vom Summationsblock A2, wie in 3 schematisch dargestellt.
Die Ausgabeanforderung S2 kann ferner einem zweiten Wandlerblock B3 zur Verfügung gestellt werden, der das Format der Ausgabeanforderung S2 in das Format umwandeln kann, in dem die Ist-Füllung S6 bereitgestellt wird. Beispielsweise kann die Ist-Füllung S6 im Format eines Füllverhältnisses V_cor/V₀ bereitgestellt werden, wobei V_cor das korrigierte Volumen des Kraftstoffs in der Einspritzleiste 2 ist (siehe Gleichung oben) und Vo das geometrische Volumen des Innenraums der Einspritzleiste 2 ist. In diesem Fall kann die Ausgabeanforderung S2, wenn diese als Volumen bereitgestellt wird, im Block B3 durch das geometrische Volumen V₀ geteilt werden. Die Ist-Füllung S6 und die umgerechnete Ausgabeanforderung S2 werden dann einem Subtraktionsblock A3 zugeführt, der die umgerechnete Ausgabeanforderung S2 von der Ist-Füllung S6 subtrahiert und das Ergebnis S8 an den Eco-Switch-Block B5 und optional an einen Komparatorblock B7 ausgibt. Der Komparatorblock B7 vergleicht das Ergebnis S8 mit einem Füllungsschwellwert und gibt je nach Vergleichsergebnis einen logischen Wert „0“ oder „1“ an den Zustandsschalter B6 aus. Insbesondere kann der Komparatorblock B7 den logischen Wert „1“ ausgeben, wenn das Ergebnis S8 kleiner als ein Schwellwert ist und „0“, wenn das Ergebnis S8 größer oder gleich dem Schwellwert ist. Der Schwellwert kann eins oder 100 % sein, wenn die Ist-Füllung S6 als Füllverhältnis zur Verfügung gestellt und die Ausgabeanforderung S2 in ein Füllverhältnis umgerechnet wird.
Der Eco-Switch-Block B5 ist in 6 detailliert dargestellt. Wie in 6 beispielhaft dargestellt, kann der Eco-Switch-Block B5 als Zustandsmaschine realisiert sein, die in Abhängigkeit von zumindest dem ermittelten Pumpenwirkungsgradsignal S7 als Eingangssignal logische Werte „1“ und „0“ ausgibt. Das heißt, der Eco-Switch-Block B5 kann zumindest einen Komparatorblock B51 umfassen, der das ermittelte Pumpenwirkungsgradsignal S7 mit einer Wirkungsgradschwelle vergleicht und den logischen Wert „1“ ausgibt, wenn der ermittelte Pumpenwirkungsgrad größer oder gleich der Wirkungsgradschwelle ist, und „0“, wenn der ermittelte Pumpenwirkungsgrad kleiner als die Wirkungsgradschwelle ist. Die Wirkungsgradschwelle kann z. B. im Bereich zwischen 0,25 und 0,5 liegen. Der Wirkungsgradschwellwert kann z. B. bei 0,4 liegen.
Wie in 6 gezeigt, kann der Eco-Switch-Block B5 außerdem einen Motorwirkungsgrad-Auswertungsblock B52 umfassen, welcher die Pumpen-Förderstromanforderung S5, z. B. in Form einer Drehzahl wie Umdrehungen pro Minute oder in Form eines Durchflusses wie kg/Stunde, und den Pumpenwirkungsgrad S7 erhält. Der Motorwirkungsgrad-Auswertungsblock B52 bestimmt einen spezifischen Energieverbrauch der Kraftstoffpumpe 4 basierend auf der Pumpen-Förderstromanforderung S5, des Pumpenwirkungsgrads S7 und eines motorspezifischen Kraftstoffbedarfs, der aus einer Look-up-Tabelle bereitgestellt wird. Der spezifische Energieverbrauch der Kraftstoffpumpe 4 wird dann einem weiteren Komparatorblock B53 zugeführt, der diesen mit einem spezifischen Energieverbrauchsschwellenwert vergleicht und den logischen Wert „1“ ausgibt, wenn der spezifische Energieverbrauch der Kraftstoffpumpe 4 kleiner als der spezifische Energieverbrauchsschwellenwert ist, und den logischen Wert „0“, wenn der spezifische Energieverbrauch der Kraftstoffpumpe 4 größer als der spezifische Energieverbrauchsschwellenwert ist.
Wie in 6 weiter gezeigt, kann der Eco-Switch-Block B5 einen weiteren Komparatorblock B54 enthalten, der aus der Pumpenstromanforderung S5 und dem vom Summationsblock A3 gelieferten Ergebnis S8 eine resultierende Füllung oder Gesamtfüllung der Einspritzleiste 2 ermittelt und mit einer maximal zulässigen Füllung der Einspritzleiste 2 vergleicht. Der Komparatorblock B54 gibt den logischen Wert „1“ aus, wenn die Gesamtfüllung kleiner als die maximal zulässige Füllung ist, und „0“, wenn die Gesamtfüllung größer oder gleich der maximal zulässigen Füllung ist.
Wie in 6 weiter dargestellt, werden die logischen Ausgänge der Komparatorblöcke B51, B53, B54 einem Multiplikationsblock B56 zugeführt, der diese Werte multipliziert. Somit gibt der Eco-Switch-Block B5 den logischen Wert „1“ aus, wenn die logischen Werte der einzelnen Komparatorblöcke B51, B53, B54 „1“ sind.
Wie in 3 gezeigt, erhält der Zustandsschalterblock B6 die Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5, den Ausgang des Eco-Switch-Blocks B5 und den Ausgang des Komparatorblocks B7 und bewirkt eine Ausgabe der Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 an die Ausgangsschnittstelle 12 der Steuerungsvorrichtung 1, wenn einer der von dem Eco-Switch-Block B5 und dem Komparatorblock B7 empfangenen Werte „1“ ist.
Das Steuern M9 des Betriebs der Kraftstoffpumpe 4 umfasst in einem ersten Steuermodus daher generell ein Berechnen eines Pumpenwirkungsgrads als Verhältnis von auf den Kraftstoff aufzubringender hydraulischer Leistung und auf die Kraftstoffpumpe 4 aufzubringender Antriebsleistung zum Erreichen des Solldrucks S1 in der Einspritzleiste 2, wobei die Kraftstoffpumpe 4 nur betrieben wird, wenn der berechnete Pumpenwirkungsgrad oberhalb einer Wirkungsgradschwelle liegt (Komparatorblock B51( und optional, wenn die anderen Komparatorblöcke B53, B54 im Eco-Switch-Block B5 „1“ ausgeben. Optional wird bei einem berechneten Pumpenwirkungsgrad unterhalb der Wirkungsgradschwelle die Kraftstoffpumpe 4 nur dann betrieben, wenn die Ist-Füllung der Einspritzleiste 2 kleiner oder gleich einem vom Kraftstoffbedarf abhängigen Füllschwellenwert ist, der sich aus dem Vergleich in Block B7 ergibt.
4 zeigt beispielhaft eine Steuerroutine, die während der Schritte M8 und M9 des Verfahrens M ausgeführt wird, wenn ein zweiter Steuermodus entsprechend dem Steuermodussignal S3 ausgewählt wird. Wie in 4 gezeigt, erhält die Steuerroutine als Eingang den Vorgabewert S1 für den Solldruck, den Ist-Druck S4, die Ausgabeanforderung S2 und die Ist-Füllung S6 der Einspritzleiste 2. Somit wird auch im zweiten Steuermodus der Schritt M7 ausgeführt.
In dem zweiten Steuermodus wird die Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 auf die gleiche Weise ermittelt, wie dies für den ersten Steuermodus erläutert wurde. Insbesondere werden der Ist-Druck S4 und der Solldruck S1 dem Subtraktionsblock A1 zugeführt, der den Ist-Druck S4 vom Solldruck S1 subtrahiert und ein entsprechendes Fehlersignal an den PI-Regelblock B1 ausgibt. Der PI-Regelblock B1 gibt ein Ansteuersignal an einen Summationsblock A2 aus, wobei der PI-Regelblock B1 das Ansteuersignal basierend auf dem Fehlersignal gemäß einer PI-Regel ausgibt. Das Ansteuersignal kann z.B. in Form eines Wertes entsprechend einer Drehzahl der Kraftstoffpumpe 4 oder in Form eines Druckes vorliegen.
Die Ausgabeanforderung S2 kann z.B. im Format eines Wertes bereitgestellt werden, welcher der einzuspritzenden Kraftstoffmenge entspricht. Wie in 4 gezeigt, wird die Ausgabeanforderung S2 also vorzugsweise dem Wandlerblock B2 zugeführt, der das Format der Ausgabeanforderung in das Format des Ansteuersignals des PI-Regelblocks B1 umwandelt. In der zweiten Regelungsart kann die Ausgabeanforderung S2 z. B. in einen Druckwert umgewandelt werden. Weiterhin wird die umgewandelte Ausgabeanforderung S2 dem Summationsblock A2 zugeführt, der die Ausgabeanforderung S2 zum Ansteuersignal addiert und den Pumpenstrombedarf S5 ausgibt. Daher kann im zweiten Steuermodus das Bestimmen M7 der Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 ein Bestimmen eines ersten Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderungsanteils basierend auf der Differenz zwischen dem Vorgabewert S1 für den Solldruck und dem Ist-Druck umfassen. Der erste Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderungsanteil entspricht der Ausgabe des PI-Blocks B1. In ähnlicher Weise beinhaltet das Bestimmen M7 der Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 im zweiten Steuermodus ferner die Addition des bestimmten ersten Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderungsanteils zu einem zweiten Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderungsanteil, der proportional zur Ausgabeanforderung S2 ist. Wie aus 4 ersichtlich, kann der zweite Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderungsanteil der Ausgabe des Wandlerblocks B2 entsprechen.
Wie in 4 gezeigt, kann die Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 einem Begrenzerblock B8 zugeführt werden, der die Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5, insbesondere eine zeitliche Veränderung des Kraftstoffbedarfs, innerhalb vordefinierter Schwellenwerte hält, um Schäden an der Pumpe 4 zu verhindern.
Weiterhin kann auch im zweiten Steuermodus die Ausgabeanforderung S2 einem zweiten Wandlerblock B3 zugeführt werden, der das Format der Ausgabeanforderung S2 in das Format umwandeln kann, in dem die Ist-Füllung S6 vorliegt. Zum Beispiel kann die Ist-Füllung S6 im Format des Füllungsverhältnisses V_cor/V₀ bereitgestellt werden, wie oben erläutert. Folglich kann die Ausgabeanforderung S2, wenn diese als Volumen bereitgestellt wird, in Block B3 durch das geometrische Volumen V₀ geteilt werden. Die Ist-Füllung S6 und die umgerechnete Ausgabeanforderung S2 werden dann dem Subtraktionsblock A3 zugeführt, der die umgerechnete Ausgabeanforderung S2 von der Ist-Füllung S6 subtrahiert und das Ergebnis S8 an einen Komparatorblock B9 ausgibt. Der Komparatorblock B9 ermittelt aus dem Ergebnis S8, ob die Ausgabeanforderung S2 größer oder gleich der maximal zulässigen Füllung der Einspritzleiste 2 ist. Wenn der Komparatorblock B9 feststellt, dass die Ausgabeanforderung S2 größer oder gleich der maximal zulässigen Füllung der Einspritzleiste 2 ist, gibt er den logischen Wert „1“ aus. Wenn der Komparatorblock B9 feststellt, dass die Ausgabeanforderung S2 kleiner ist als die maximal zulässige Füllung der Einspritzleiste 2, gibt er den logischen Wert „0“ aus.
Der Ausgang des Komparatorblocks B9 und der Ausgang des Begrenzerblocks B8 (Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5) werden dem Zustandsschalterblock B6 zugeführt. Im zweiten Steuermodus bewirkt der Zustandsschalterblock B6 die Ausgabe der Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 an die Ausgangsschnittstelle 12 der Steuerungsvorrichtung 1, wenn der vom Komparatorblock B8 empfangene Wert „0“ ist. Wenn der vom Komparatorblock B8 empfangene Wert „1“ ist, gibt der Zustandsschalterblock B6 die Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 nicht aus und hemmt oder stoppt somit den Betrieb der Pumpe. Daher umfasst das Steuern M9 des Betriebs der Kraftstoffpumpe 4 in dem zweiten Steuerungsmodus das Betreiben der Kraftstoffpumpe 4 in der Weise, dass der Betrieb der Kraftstoffpumpe 4 gehemmt, insbesondere gestoppt wird, wenn die Ausgabeanforderung S2 im Vergleich zum tatsächlichen Füllstand einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
5 zeigt beispielhaft eine Steuerroutine, die während der Schritte M8 und M9 des Verfahrens M ausgeführt wird, wenn ein dritter Steuermodus entsprechend dem Steuermodussignal S3 ausgewählt wird. Wie in 5 gezeigt, erhält die Steuerroutine als Eingang den Vorgabewert S1 für den Solldruck, den Ist-Druck S4, die Ausgabeanforderung S2 und die Ist-Füllung S6 der Einspritzleiste 2. Somit werden im ersten Steuermodus auch der Schritt M7 ausgeführt.
Wie in 5 gezeigt, werden zur Ermittlung der Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5, ähnlich wie in 3, der Ist-Druck S4 und der Soll-Druck S1 einem Subtraktionsblock A1 zugeführt, der den Ist-Druck S4 vom Soll-Druck S1 subtrahiert und ein entsprechendes Fehlersignal an einen PI-Regelblock B1 ausgibt. Der PI-Regelblock B1 gibt ein Ansteuersignal an einen Summationsblock A2 aus, wobei der PI-Regelblock B1 das Ansteuersignal basierend auf dem Fehlersignal gemäß einer PI-Regel ausgibt. Das Ansteuersignal kann z.B. in Form eines Wertes entsprechend einer Drehzahl der Kraftstoffpumpe 4 vorliegen.
Wie in 5 dargestellt, wird die Ist-Füllung S6 einem Berechnungsblock B10 z.B. in Form eines Füllungsverhältnisses zur Verfügung gestellt. Der Berechnungsblock B10 berechnet eine effektiv verfügbare Füllung der Einspritzleiste, indem er die maximale Füllung der Einspritzleiste 2 beim Solldruck S1 von der tatsächlichen Füllung der Einspritzleiste subtrahiert. Die Ist-Füllung kann als Produkt aus dem geometrischen Volumen V₀ der Einspritzleiste 2 und dem durch Signal S6 bereitgestellten Füllungsverhältnis ermittelt werden. Die maximale Füllung der Einspritzleiste 2 beim Solldruck S1 kann als korrigiertes Volumen V_cor mit der oben genannten Formel ermittelt werden, in der für p_r der Vorgabewert S2 des Solldrucks eingesetzt wird.
Wie in 5 dargestellt, werden die vom Berechnungsblock B10 ausgegebene berechnete effektiv verfügbare Füllung und die Ausgabeanforderung S2 einem Summationsblock A4 zugeführt. Der Summationsblock A4 addiert die Ausgabeanforderung S2 und die effektiv verfügbare Füllmenge und ermittelt so einen Effektivbedarf. Der Effektivbedarf kann z.B. einem Wandlerblock B2 zugeführt werden, der das Format des Effektivbedarfs in das Format des Ausgangs des PI-Regelblocks B1 umwandelt. Im vorliegenden Fall kann also die Ausgabeanforderung S2 in eine Drehzahl der Kraftstoffpumpe 4 umgerechnet werden. Der Effektivbedarf wird dann dem Summationsblock A2 zur Verfügung gestellt, der die Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 als Summe aus dem Effektivbedarf und dem Ausgang des PI-Blocks B1 ausgibt.
Folglich kann im dritten Steuermodus das Berechnen der Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 ein Berechnen einer effektiv verfügbaren Füllung der Einspritzleiste 2 als Differenz zwischen einer maximalen Füllung der Einspritzleiste 2 bei dem Solldruck S1 und der tatsächlichen Füllung und ein Bestimmen eines effektiven Bedarfs durch Addition der Ausgabeanforderung S2 und des effektiv verfügbaren Füllvolumens umfassen.
Wie in 5 beispielhaft gezeigt, kann im dritten Steuermodus optional die Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 einem Pumpenwirkungsgrad-Auswertungsblock B4 zugeführt werden, der einen Pumpenwirkungsgrad wie oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben ermittelt. Wie aus 5 weiter ersichtlich ist, können der ermittelte Pumpenwirkungsgrad S7, die Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 und die Ist-Füllung S6 einem Eco-Switch-Block B5 zugeführt werden, der wie oben unter Bezugnahme auf 6 erläutert arbeitet. Es sollte beachtet werden, dass in diesem Fall der Eco-Switch-Block B5 direkt die Ist-Füllung S6 erhält, und der Block B54 daher bereits die Ist-Befüllung erhält und diese nicht notwendigerweise aus der Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 ermitteln muss, wie oben angegeben. Wie in 5 ebenfalls erkennbar ist, kann der Ausgang des Eco-Switch-Blocks B5 und die vom optionalen Pumpenwirkungsgrad-Auswertungsblock B4 durchgeschaltete Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 dem Zustandsschalterblock B6 zugeführt werden, der die Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung S5 an die Ausgangsschnittstelle 12 der Steuereinheit 1 ausgibt, wenn der Ausgang des Ökoschalters „1“ ist.
Obwohl das hier beschriebene Verfahren und System im Zusammenhang mit Fahrzeugen beschrieben wurde, wir der Fachmann klar und eindeutig erkennen, dass das hier beschriebene System und Verfahren auf verschiedene Objekte, die Verbrennungsmotoren umfassen, angewendet werden kann.
Die Erfindung wurde im Detail unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben. Jedoch versteht es sich für den Fachmann von selbst, dass Änderungen an diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Kerngedanken der Erfindung, dem Umfang, welcher in den abhängigen Ansprüchen definiert ist, und ihren Äquivalenten abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: Steuerungsvorrichtung
2: Einspritzleiste
3: Drucksensor
4: Kraftstoffpumpe
5: Moduswahlschalter
10: Verarbeitungseinheit
11: Eingangsschnittstelle
12: Ausgangsschnittstelle
100: Kraftstoffeinspritzsystem
200: Verbrennungsmotor
205: Tank
210: Motorsteuergerät / ECU
215: Gaspedal
A1: Subtraktionsblock
A2: 2summationsblock
A3: Subtraktionsblock
A4: Summationsblock
B1: PI-Regelblock
B2: Wanderlblock
B3: Wanderlblock
B4: Pumpenwirkungsgrad-Auswertungsblock
B5: Eco-Switch-Block
B6: Zustandsschalterblock
B7: Komparatorblock
B8: Begrenzerblock
B9: Komparatorblock
B10: Berechnungsblock
B51: Komparatorblock des Eco-Switch-Blocks
B52: Motorwirkungsgrad-Auswertungsblock
B53: Komparatorblock des Eco-Switch-Blocks
B54: Komparatorblock des Eco-Switch-Blocks
M: Verfahren
M1-M9: Methodenschritte
S1: Vorgabewert für Solldruck
S2: Ausgabeanforderung
S3: Steuermodus-Signal
S4: Ist-Druck
S5: Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung
S7: Pumpenwirkungsgrad
S8: Ergebnis

Claims

Verfahren (M) zur Steuerung eines Kraftstoffeinspritzsystems (100) eines Verbrennungsmotors (200), umfassend: Empfangen (M1) eines Vorgabewertes (S1) für einen Solldruck in einer Einspritzleiste (2), die den Motor (200) mit Kraftstoff versorgt; Empfangen (M2) einer Ausgabeanforderung (S2), die eine pro Motorzyklus von der Einspritzleiste (2) einzuspritzende Soll-Kraftstoffmenge repräsentiert; Empfangen (M3) eines Steuermodussignals (S3); Erfassen (M4) eines Ist-Druck (S4) in der Einspritzleiste (2); Auswählen (M5) eines Steuermodus basierend auf dem Steuermodussignal (S3); Bestimmen (M8) einer Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung (S5) für eine mit der Einspritzleiste (2) verbundene Kraftstoffpumpe (4) basierend auf einer Differenz zwischen dem Vorgabewert (S1) für den Solldruck und dem Ist-Druck (S4), basierend auf der Ausgabeanforderung (S2) und basierend auf dem ausgewählten Steuermodus; und Steuern (M9) des Betriebs der Kraftstoffpumpe (4) gemäß der Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung (S5) und basierend auf dem ausgewählten Steuermodus, um der Einspritzleiste (2) Kraftstoff zuzuführen, wobei die Kraftstoffpumpe (4) unabhängig von einer Drehzahl des Motors (200) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Steuermodus aus einer Vielzahl von vorgespeicherten Steuermodi ausgewählt wird, wobei jeder Steuermodus mindestens einen von einem Vorgabewert (S1) des Solldrucks und einer Sollfüllung der Einspritzleiste (2) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Vorgabewert (S1) des Solldrucks je nach Steuermodus ein konstanter Wert oder ein dynamisch variierender Wert ist, der vorzugsweise von einem Motorsteuergerät (210) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, ferner umfassend: Berechnen (M6) einer Ist-Füllung (S6) der Einspritzleiste (2) basierend auf dem Ist-Druck und einer Art des Kraftstoffs, und Berechnen (M7) einer Gesamtfüllung der Einspritzleiste (2) basierend auf der Ausgabeanforderung (S2), wobei der Betrieb der Kraftstoffpumpe (4) derart gesteuert wird, dass die Ist-Füllung eine obere Füllschwelle nicht überschreitet und/oder eine untere Füllschwelle nicht unterschreitet.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei in einem ersten Steuermodus das Steuern (M9) des Betriebs der Kraftstoffpumpe (4) ein Berechnen eines Pumpenwirkungsgrads als Verhältnis der dem Kraftstoff zuzuführenden hydraulische Leistung und der der Kraftstoffpumpe (4) zuzuführenden Antriebsleistung zum Erreichen des Solldruck (S1) in der Einspritzleiste (2) umfasst, wobei die Kraftstoffpumpe (4) nur betrieben wird, wenn der berechnete Pumpenwirkungsgrad über einer Wirkungsgradschwelle liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei, wenn der berechnete Pumpenwirkungsgrad unterhalb der Wirkungsgradschwelle liegt, nur dann betrieben wird, wenn die Ist-Füllung der Einspritzleiste (2) kleiner oder gleich einem vom Kraftstoffbedarf abhängigen Füllschwellenwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in einem zweiten Steuermodus das Bestimmen (M7) der Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderung (S5) ein Bestimmen eines ersten Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderungsanteils basierend auf der Differenz zwischen dem Vorgabewert (S1) für den Solldruck und dem Ist-Druck und ein Addieren des bestimmten ersten Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderungsanteils zu einem zweiten Kraftstoffpumpen-Förderstromanforderungsanteil, der proportional zur Ausgabeanforderung (S2) ist, umfasst, wobei eine Ist-Füllung der Einspritzleiste (2) basierend auf dem Ist-Druck und einem Typs des Kraftstoffs berechnet wird, und wobei das Steuern (M9) des Betriebs der Kraftstoffpumpe (4) ein Betreiben der Kraftstoffpumpe (4) derart umfasst, dass der Betrieb der Kraftstoffpumpe (4) gehemmt, insbesondere gestoppt, wird, wenn die Ausgabeanforderung (S2) im Vergleich zur Ist-Füllung einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in einem dritten Steuermodus das Berechnen der Flussanforderung (S5) der Kraftstoffpumpe (4) ein Berechnen einer Ist-Füllung der Einspritzleiste (2) basierend auf dem Ist-Druck und einer Art des Kraftstoffs, ein Berechnen einer effektiv verfügbaren Füllung der Einspritzleiste (2) als Differenz zwischen der Ist-Füllung und einer maximalen Füllung der Einspritzleiste (2) bei dem Solldruck (S1) und ein Bestimmen eines effektiven Bedarfs durch Addieren der Ausgabeanforderung (S2) und der effektiv verfügbaren Füllung umfasst.
Steuerungsvorrichtung (1) zur Steuerung eines Kraftstoffeinspritzsystems (100) eines Motors (200), umfassend: eine Eingangsschnittstelle (11), die dazu eingerichtet ist, einen Vorgabewert (S1) für einen Solldruck in einer Einspritzleiste (2), die den Motor (200) mit Kraftstoff versorgt, eine Ausgabeanforderung (S2), die eine von der Einspritzleiste (2) pro Motorzyklus einzuspritzende Sollmenge an Kraftstoff repräsentiert, ein Steuermodussignal (S3) und einen erfassten Ist-Druck (S4) in der Einspritzleiste (2) zu empfangen; eine Ausgangsschnittstelle (12), die zur Signalverbindung mit einer hydraulisch mit der Einspritzleiste (2) verbundenen Kraftstoffpumpe (4) ausgebildet ist; und eine Verarbeitungseinheit (10), die mit der Eingangsschnittstelle (11) und der Ausgangsschnittstelle (12) verbunden ist, wobei die Verarbeitungseinheit (10) dazu eingerichtet ist, ein Kraftstoffeinspritzsystem (100) gemäß einem Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche zu steuern.
Kraftstoffeinspritzsystem (100) für einen Verbrennungsmotor (200), umfassend: eine Steuerungsvorrichtung (1) nach Anspruch 9; eine Einspritzleiste (2) zur Versorgung des Motors (200) mit Kraftstoff; einen Drucksensor (3), der mit der Eingangsschnittstelle (11) der Steuerungsvorrichtung (1) verbunden und dazu eingerichtet ist, er einen Ist-Druck in der Einspritzleiste (2) zu erfassen; eine Kraftstoffpumpe (4), die hydraulisch mit der Einspritzleiste (2) verbunden ist und mit der Ausgangsschnittstelle der Steuerungsvorrichtung signalverbunden ist.