EP2724011B1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben einer kraftstofffördereinrichtung einer brennkraftmaschine - Google Patents

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EP2724011B1
EP2724011B1 EP12718201.2A EP12718201A EP2724011B1 EP 2724011 B1 EP2724011 B1 EP 2724011B1 EP 12718201 A EP12718201 A EP 12718201A EP 2724011 B1 EP2724011 B1 EP 2724011B1
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EP
European Patent Office
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current
combustion engine
internal combustion
during
attraction
Prior art date
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EP12718201.2A
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English (en)
French (fr)
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EP2724011A1 (de
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Uwe Richter
Burkhard Hiller
Joerg Kuempel
Rainer Winkler
Heiko Roth
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
    • F02D41/3809—Common rail control systems
    • F02D41/3836—Controlling the fuel pressure
    • F02D41/3845—Controlling the fuel pressure by controlling the flow into the common rail, e.g. the amount of fuel pumped
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1, as well as an internal combustion engine which is designed to carry out the method and a computer program comprising commands which, when they run in the control and / or regulating device of the device, cause the device carries out the procedural steps.
  • Quantity control valves for example in a fuel delivery device of an internal combustion engine, are known from the market. Quantity control valves are generally operated electromagnetically and are often an integral part of a high-pressure pump of the fuel delivery device.
  • the quantity control valve controls the amount of fuel pumped to a high pressure accumulator ("rail"), from where fuel is directed to the injection valves of the internal combustion engine.
  • An armature coupled to a valve body of the quantity control valve can be moved by magnetic force.
  • the valve body - usually an inlet valve of the high-pressure pump - can strike against a valve seat or be lifted off the valve seat. As a result, an amount of fuel in the internal combustion engine can be regulated.
  • a patent publication in this field is, for example EP 1 042 607 B1 .
  • a quantity control valve which is designed as a proportional valve.
  • a valve closure can be moved over a whole range of closure positions, which is dependent on a current signal.
  • the method according to the invention has the advantage that a quantity control valve (metering device) of a fuel delivery device - especially during an internal combustion engine is operated at medium or low speeds - can be controlled with comparatively little electrical energy.
  • the operating noise of the quantity control valve can be reduced and the fatigue strength increased.
  • the invention relates to a method for operating a fuel delivery device of an internal combustion engine, in which an electromagnetic actuating device of a quantity control valve arranged in an inlet to a delivery chamber of the fuel delivery device is switched to set a delivery rate.
  • the electromagnetic actuation device is supplied with energy by means of the control during each switching process in which an armature is to be moved in the direction of a stroke stop.
  • the quantity control valve is switched twice, three times or even four times during one revolution of a camshaft of the internal combustion engine. For reliable switching of the quantity control valve and for achieving short switching times even at the highest possible speed of the camshaft or the internal combustion engine, comparatively high energies are required.
  • the invention is based on the consideration that at speeds below the maximum speed the requirement for a short switching time is correspondingly less critical.
  • the strength of the energy supplied to the electromagnetic actuating device for switching in particular a current supplied to the electromagnetic actuating device and / or a level of a voltage applied to the electromagnetic actuating device, is made at least temporarily dependent on a speed of the camshaft or the internal combustion engine, namely in that it is less at low speeds than at high speeds.
  • One embodiment of the method provides that the energy depends on the speed of the internal combustion engine only during a tightening phase, during which the armature of the electromagnetic actuating device is moved from a first to a second position.
  • the pick-up phase requires a lot of energy in order to achieve the required short switching time.
  • the dependency of the control according to the invention on the speed of the internal combustion engine during the starting phase is therefore particular efficient.
  • the activation of the electromagnetic actuating device during a holding phase following the tightening phase can take place essentially independently of the speed.
  • the energy is increased with increasing speed, the relationship being monotonic.
  • the energy is controlled in such a way that the quantity control valve can be safely switched within a time interval provided for a respective speed.
  • the time interval is generally greater for lower speeds than for higher speeds, and is dimensioned in each case so that the quantity control valve can work correctly.
  • the time leeway that this allows is used to lengthen the tightening time of the armature at low speeds within the respective time interval. This requires less energy in each case.
  • One embodiment of the method provides that the current and / or the voltage are clocked to control the electromagnetic actuating device.
  • the electromagnetic actuation device is connected to an operating voltage by means of an electronic switch several times during the tightening phase and / or the holding phase of the armature and then switched off again.
  • a pulse duty factor set in this way thus determines the average current during control.
  • the pulse duty factor is set in such a way that the average current depends on the speed of the internal combustion engine in a manner according to the invention.
  • the electronic switch is preferably actuated as a function of a lower and an upper current threshold. When the current flowing through a coil of the electromagnetic actuating device falls below the lower current threshold, the electronic switch is closed and the coil is thus connected to the operating voltage.
  • the current flowing through the coil - and the resulting magnetic force - increases continuously.
  • the electronic switch is opened and thus the coil is switched off from the operating voltage.
  • the current flowing through the coil - and accordingly the magnetic force - is continuously reduced.
  • the current thresholds used for the pull-in phase and the holding phase are each different.
  • the electromagnetic actuating device by means of a “pre-controlled” pulse-width modulated voltage, the determining parameters for each at least one control being set in advance. According to the invention, these parameters are set so that the strength of the energy supplied to the electromagnetic actuating device for switching depends at least temporarily on the speed of the internal combustion engine.
  • control unit of the internal combustion engine.
  • control unit a control and / or regulating device
  • the control device is set up by loading the computer program with the features of the independent computer program claim from a storage medium.
  • the storage medium is understood to mean any device that contains the computer program in stored form.
  • FIG. 1 shows a fuel delivery device 1 of an internal combustion engine in a greatly simplified representation.
  • Fuel is supplied from a fuel tank 3 via a suction line 4, by means of a pre-feed pump 5, via a low-pressure line 7, and via a quantity control valve 10 which can be actuated by an electromagnetic actuating device 9 ("electromagnet") to a high pressure pump 11 (not further explained here).
  • the high-pressure pump 11 is connected to a high-pressure accumulator 13 (“common rail”) via a high-pressure line 12.
  • Other elements, such as valves of the high pressure pump 11, are in the Figure 1 not drawn.
  • the electromagnetic actuating device 9 is activated by a control and / or regulating device 16 on which a computer program 18 can run.
  • the quantity control valve 10 can also be designed as a structural unit with the high-pressure pump 11.
  • the quantity control valve 10 can be a positively openable inlet valve of the high pressure pump 11.
  • the quantity control valve 10 can also have an actuating device other than the electromagnet 9, for example a piezo actuator.
  • the prefeed pump 5 delivers fuel from the fuel tank 3 into the low-pressure line 7.
  • the quantity control valve 10 controls the amount of fuel supplied to a working chamber of the high-pressure pump 11 by moving an armature of the electromagnet 9 from a first to a second position - and vice versa becomes.
  • the quantity control valve 10 can thus be closed and opened.
  • Figure 2 shows a partial sectional view (longitudinal section) of the high pressure pump 11 of the fuel delivery device 1 together with the quantity control valve 10 and the electromagnetic actuation device 9.
  • the arrangement shown comprises a housing 20 in which the electromagnetic actuation device 9 in the upper area in the drawing and the quantity control valve in the middle area 10, and a delivery chamber 22 together with a piston 24 of the high pressure pump 11 are arranged in the lower region.
  • the electromagnetic actuating device 9 is arranged in a valve housing 26 and comprises a coil 28, an armature 30, a pole core 32, an armature spring 34, a resting seat 36 and a stroke stop 38.
  • the resting seat 36 represents the first position of the armature 30, and the stroke stop 38 represents the second position of the armature 30.
  • the armature 30 acts on a valve body 42 by means of a coupling element 40.
  • an associated sealing seat 44 is arranged in the drawing above the valve body 42.
  • the sealing seat 44 is part of a pot-shaped housing element 46 which, among other things, encloses the valve body 42 and a valve spring 48. Sealing seat 44 and valve body 42 form the inlet valve of high pressure pump 11.
  • the armature 30 In the energized state of the electromagnetic actuating device 9, the armature 30 is magnetically attracted by the pole core 32, whereby the coupling element 40 connected to the armature 30 is moved upward in the drawing.
  • the valve body 42 can be pressed against the sealing seat 44 by the force of the valve spring 48, and the inlet valve or the quantity control valve 10 thus close. This can be done, for example, when the piston 24 is in the Delivery chamber 22 performs a working movement (upward in the drawing), with fuel being able to be delivered into the high-pressure line 12 via a non-return valve 60 that is open in the process.
  • the opening or closing of the quantity control valve 10 takes place as a function of several variables: Firstly, as a function of the forces exerted by the armature spring 34 and the valve spring 48. Secondly, depending on the fuel pressure prevailing in the low-pressure line 7 and the delivery chamber 22. Thirdly, it depends on the force of the armature 30, which is essentially determined by a current I currently flowing through the coil 28. In particular, the current I - again also depending on the respective fuel pressures - can influence the time of opening or closing of the valve body 42 and thus significantly control the amount of fuel to be delivered.
  • FIG. 3 shows a timing diagram of a control of the quantity control valve 10.
  • currents I1 (solid) and I2 (dashed), which flow via the coil 28 of the electromagnetic actuator 9, are plotted over a time t.
  • a double arrow 62 indicates the current supply for a tightening phase and a double arrow 64 indicates the current supply for a holding phase of the armature 30 of the electromagnetic actuating device 9.
  • the armature 30 is moved by magnetic force from the resting seat 36 to the stroke stop 38.
  • the armature 30 is held in its position by a — generally lower — magnetic force on the stroke stop 38.
  • the pick-up phase begins at a point in time t0, the current I1 rising comparatively quickly and being clocked around a mean value 66a from a point in time t1a.
  • the energization for the holding phase begins at a point in time t2, the current I2 being clocked around a mean value 68.
  • the mean value 68 is smaller than the mean value 66a.
  • the control is ended at a point in time t3, as a result of which the current I1 is rapidly reduced to zero.
  • the electromagnetic actuator 9 is controlled with the current I2, that is, switching thresholds (not shown), which control the switching on and off of the current I2 during the pick-up phase, are lower in relation to the switching thresholds of the current I1 set.
  • the current I2 that is, switching thresholds (not shown), which control the switching on and off of the current I2 during the pick-up phase, are lower in relation to the switching thresholds of the current I1 set.
  • the energy required during the tightening phase is also smaller, and operating noise when the armature 30 hits the stroke stop 38 is reduced.
  • a tightening duration of the armature 30 is extended, the time difference between t2 and t0 being increased and the tightening phase 62 thus being extended, but without impairing the correct functioning of the quantity control valve 10.
  • the switching thresholds (not shown) that determine the courses of the currents I1 and I2, or the average values 66a and 66b resulting therefrom, are each selected in such a way that the armature 30 hits the stroke stop 38 reliably and thus the quantity control valve 10 switches reliably in all Operational cases is enabled. Due to the lower average current I2 during the pull-in phase, the armature 30 is accelerated with a lower force than the current I1 and strikes with a corresponding delay. This is explained below with the Figure 4 are explained in more detail.
  • Figure 4 shows a coordinate system in which mean values 66 of a current I flowing through coil 28 during the pick-up phase and associated pick-up times 70 are plotted linearly over a speed 72 of the internal combustion engine.
  • the duration 70 characterizes the period from the beginning of the energization of the coil 28 at time t0 until the armature 30 strikes the stroke stop 38 for the first time.
  • the mean values 66 are in the present case determined by support points 74, which, for example, in a characteristic map of the control and / or regulating device 16 of the internal combustion engine can be stored.
  • the mean values 66 of the current I - in particular when the coil 28 is switched to a constant source voltage during the pull-in phase - also characterize an energy which is supplied to the electromagnetic actuating device 9 during the pull-in phase.
  • the mean values 66 of the current I increase monotonically with increasing speed 72. Because the piston 24 of the high-pressure pump 11 is also moved as a function of the speed 72, the possible period of time for the movement of the valve body 42 or the armature 30 is correspondingly smaller, that is to say more critical. This circumstance is counteracted in a suitable manner by the tightening times 70, which decrease with a higher current flow. As already described above, this takes place in such a way that reliable switching of the quantity control valve 10 is made possible at any speed 72.
  • Figure 5 shows a simplified flow chart for controlling the electromagnetic actuating device 9.
  • the method shown is preferably carried out by means of the computer program 18 in the control and / or regulating device 16 of the internal combustion engine.
  • the illustrated procedure begins in a first block 76, the current speed 72 of the internal combustion engine being determined.
  • two interpolation points 74 are read from a characteristic diagram based on the determined rotational speed 72. Thereafter, interpolation is carried out between these two support points 74 in order to determine a respective mean value 66 that is precisely matched to the speed 72. Suitable switching thresholds (without reference symbols) for switching the current I on and off are determined from the mean value 66.
  • the determined switching thresholds are used to control the electromagnetic actuating device 9 or the coil 28 during the tightening phase of the armature 30.
  • the procedure of Figure 5 can be repeated cyclically.

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Brennkraftmaschine, die zur Durchführung des Verfahrens ausgelegt ist und ein Computerprogramm umfassend Befehle, die, wenn sie in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Vorrichtung ablaufen, bewirken, dass die Vorrichtung die Verfahrensschritte ausführt.
  • Mengensteuerventile, beispielsweise in einer Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine, sind vom Markt her bekannt. Mengensteuerventile werden im Allgemeinen elektromagnetisch betrieben und sind häufig ein integraler Bestandteil einer Hochdruckpumpe der Kraftstofffördereinrichtung. Das Mengensteuerventil steuert die zu einem Hochdruckspeicher ("Rail") gepumpte Kraftstoffmenge, von wo aus Kraftstoff zu den Einspritzventilen der Brennkraftmaschine geleitet wird. Ein mit einem Ventilkörper des Mengensteuerventils gekoppelter Anker kann durch Magnetkraft bewegt werden. Der Ventilkörper - meist eines Einlassventils der Hochdruckpumpe - kann gegen einen Ventilsitz anschlagen, beziehungsweise von dem Ventilsitz abgehoben werden. Dadurch kann eine Kraftstoffmenge der Brennkraftmaschine geregelt werden.
  • Eine Patentveröffentlichung aus diesem Fachgebiet ist beispielsweise die EP 1 042 607 B1 .
  • Aus dem Dokument EP 1 234 971 A2 ist ein Mengensteuerventil bekannt, welches als Proportionalventil ausgebildet ist. Ein Ventilverschluss ist über eine ganze Breite von Verschlussstellungen beweglich, die von einem Stromsignal abhängig ist.
  • Aus dem Dokument WO 00/06894 A1 ist ein Mengensteuerventil bekannt, bei dem eine Bestromung einer Spule in Abhängigkeit von der Pumpendrehzahl bestimmt wird.
  • Aus dem Dokument JPH 2000-136747A ist ein entsprechendes Ventil bekannt, bei dem der Strom in Abhängigkeit von der Drehzahl bestimmt wird.
  • Aus dem Dokument DE 10 2004 016 554 A1 ist ein Mengensteuerventil bekannt, bei dem eine zum Schalten zugeführte Energie während einer Anzugsphase bei hohen oder niedrigen Drehzahlen gleich bleibt. Zudem ist während der Anzugsphase ein Strom konstant. Hiervon geht die Erfindung aus.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung mit Mitteln und einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung einer Brennkraftmaschine, die zur Durchführung des Verfahrens ausgelegt sind, und ein Computerprogramm umfassend Befehle, die, wenn sie in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Vorrichtung ablaufen, bewirken, dass die Vorrichtung die Verfahrensschritte ausführt, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass ein Mengensteuerventil (Zumesseinrichtung) einer Kraftstofffördereinrichtung - insbesondere während eine Brennkraftmaschine bei mittleren oder niedrigen Drehzahlen betrieben wird - mit vergleichsweise geringer elektrischer Energie angesteuert werden kann. Das Betriebsgeräusch des Mengensteuerventils kann gesenkt und die Dauerfestigkeit erhöht werden.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine, bei dem zur Einstellung einer Fördermenge eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung eines in einem Zulauf zu einem Förderraum der Kraftstofffördereinrichtung angeordneten Mengensteuerventils geschaltet wird. Dazu wird der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung bei jedem Schaltvorgang, bei welchem ein Anker in Richtung auf einen Hubanschlag bewegt werden soll, mittels der Ansteuerung Energie zugeführt. Beispielsweise erfolgt das Schalten des Mengensteuerventils zweimal, dreimal oder sogar viermal während einer Umdrehung einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine. Zum sicheren Schalten des Mengensteuerventils und zum Erreichen kurzer Schaltzeiten auch bei der größtmöglichen Drehzahl der Nockenwelle bzw. der Brennkraftmaschine sind vergleichsweise hohe Energien erforderlich.
  • Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bei Drehzahlen unterhalb der Höchstdrehzahl die Anforderung an eine kurze Schaltzeit entsprechend weniger kritisch ist. Somit wird erfindungsgemäß die Stärke der der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung zum Schalten zugeführten Energie, insbesondere eines der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung zugeführten Stroms und/oder eine Höhe einer an die elektromagnetische Betätigungseinrichtung angelegten Spannung, wenigstens zeitweise von einer Drehzahl der Nockenwelle bzw. der Brennkraftmaschine abhängig gemacht, und zwar dahingehend, dass sie bei niedrigen Drehzahlen geringer ist als bei großen.
  • Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Energie nur während einer Anzugsphase, während der der Anker der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung von einer ersten in eine zweite Position bewegt wird, von der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängt. Die Anzugsphase benötigt besonders viel Energie um eine jeweils erforderliche kurze Schaltzeit zu erreichen. Somit ist die erfindungsgemäße Abhängigkeit der Ansteuerung von der Drehzahl der Brennkraftmaschine während der Anzugsphase besonders effizient. Die Ansteuerung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung während einer auf die Anzugsphase folgenden Haltephase kann im Wesentlichen unabhängig von der Drehzahl erfolgen.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass die Energie mit steigender Drehzahl erhöht wird, wobei der Zusammenhang monoton ist. Dadurch wird berücksichtigt, dass die Bewegung des Ankers entsprechend der Drehzahl im Allgemeinen schneller erfolgen muss. Vorzugsweise erfolgt dies unter Verwendung einer stetigen und monotonen Kennlinie.
  • Insbesondere ist vorgesehen, dass die Energie derart gesteuert wird, dass das Mengensteuerventil innerhalb eines für eine jeweilige Drehzahl vorgesehenen Zeitintervalls sicher geschaltet werden kann. Das Zeitintervall ist für niedrigere Drehzahlen im Allgemeinen größer als für höhere Drehzahlen, und ist jeweils so bemessen, dass das Mengensteuerventil korrekt arbeiten kann. Der dadurch mögliche zeitliche Spielraum wird erfindungsgemäß genutzt, um eine Anzugsdauer des Ankers bei niedrigen Drehzahlen im Rahmen des jeweiligen Zeitintervalls zu verlängern. Dazu ist eine jeweils geringere Energie erforderlich.
  • Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der Strom und/oder die Spannung zur Ansteuerung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung getaktet werden. Beispielsweise wird die elektromagnetische Betätigungseinrichtung mittels eines elektronischen Schalters mehrmals während der Anzugsphase und/oder der Haltephase des Ankers an eine Betriebsspannung angeschaltet und wieder davon abgeschaltet. Ein dabei eingestelltes Tastverhältnis bestimmt somit den mittleren Strom während der Ansteuerung. Das Tastverhältnis wird so eingestellt, dass der mittlere Strom in erfindungsgemäßer Weise von der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängt. Vorzugsweise erfolgt ein Betätigen des elektronischen Schalters in Abhängigkeit von je einer unteren und oberen Stromschwelle. Wenn der durch eine Spule der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung fließende Strom die untere Stromschwelle unterschreitet, dann wird der elektronische Schalter geschlossen und somit die Spule an die Betriebsspannung geschaltet. Dadurch erhöht sich der über die Spule fließende Strom - und eine dadurch bewirkte magnetische Kraft - kontinuierlich. Wenn der durch die Spule fließende Strom die obere Stromschwelle überschreitet, dann wird der elektronische Schalter geöffnet und somit die Spule von der Betriebsspannung abgeschaltet. Dadurch vermindert sich der über die Spule fließende Strom - und entsprechend die magnetische Kraft - kontinuierlich. Im Allgemeinen sind die für die Anzugsphase und die Haltephase verwendeten Stromschwellen jeweils unterschiedlich.
  • Alternativ zur Verwendung von Stromschwellen ist es auch möglich, die elektromagnetische Betätigungseinrichtung mittels einer "vorgesteuerten" pulsweitenmodulierten Spannung anzusteuern, wobei die bestimmenden Parameter für jeweils mindestens eine Ansteuerung im voraus eingestellt werden. Erfindungsgemäß werden diese Parameter so eingestellt, dass die Stärke der der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung zum Schalten zugeführten Energie wenigstens zeitweise von der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängt.
  • Das Verfahren ist besonders einfach durchführbar, wenn es mittels eines Computerprogramms auf einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung ("Steuergerät") der Brennkraftmaschine durchgeführt wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Einrichtung des Steuergeräts durch Laden des Computerprogramms mit den Merkmalen des unabhängigen Computerprogramm-Anspruchs von einem Speichermedium. Unter dem Speichermedium wird insofern jede Vorrichtung verstanden, die das Computerprogramm in gespeicherter Form enthält.
  • Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    • Figur 1
    ein vereinfachtes Schema einer Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine;
    Figur 2
    eine Schnittdarstellung einer Hochdruckpumpe der Kraftstofffördereinrichtung zusammen mit einem Mengensteuerventil und einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung;
    Figur 3
    ein Zeitdiagramm einer Ansteuerung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung;
    Figur 4
    ein Diagramm eines Anzugsstroms und einer Anzugszeit über einer Drehzahl der Brennkraftmaschine; und
    Figur 5
    ein vereinfachtes Blockdiagramm zur ergänzenden Darstellung des Verfahrens.
  • Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
  • Figur 1 zeigt eine Kraftstofffördereinrichtung 1 einer Brennkraftmaschine in einer stark vereinfachten Darstellung. Aus einem Kraftstofftank 3 wird Kraftstoff über eine Saugleitung 4, mittels einer Vorförderpumpe 5, über eine Niederdruckleitung 7, und über ein von einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 9 ("Elektromagnet") betätigbares Mengensteuerventil 10 einer (hier nicht weiter erläuterten) Hochdruckpumpe 11 zugeführt. Stromabwärts ist die Hochdruckpumpe 11 über eine Hochdruckleitung 12 an einen Hochdruckspeicher 13 ("Common Rail") angeschlossen. Sonstige Elemente, wie beispielsweise Ventile der Hochdruckpumpe 11, sind in der Figur 1 nicht gezeichnet. Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 9 wird durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 angesteuert, auf welcher ein Computerprogramm 18 ablauffähig ist.
  • Es versteht sich, dass das Mengensteuerventil 10 auch als Baueinheit mit der Hochdruckpumpe 11 ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann das Mengensteuerventil 10 ein zwangsweise öffenbares Einlassventil der Hochdruckpumpe 11 sein. Alternativ kann das Mengensteuerventil 10 auch eine andere Betätigungseinrichtung als den Elektromagneten 9 aufweisen, beispielsweise einen Piezoaktor.
  • Beim Betrieb der Kraftstofffördereinrichtung 1 fördert die Vorförderpumpe 5 Kraftstoff vom Kraftstofftank 3 in die Niederdruckleitung 7. Dabei steuert das Mengensteuerventil 10 die einem Arbeitsraum der Hochdruckpumpe 11 zugeführte Kraftstoffmenge, indem ein Anker des Elektromagneten 9 von einer ersten in eine zweite Position - und umgekehrt - bewegt wird. Das Mengensteuerventil 10 kann somit geschlossen und geöffnet werden.
  • Figur 2 zeigt eine ausschnittsweise Schnittdarstellung (Längsschnitt) der Hochdruckpumpe 11 der Kraftstofffördereinrichtung 1 zusammen mit dem Mengensteuerventil 10 und der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 9. Die dargestellte Anordnung umfasst ein Gehäuse 20, in welchem im in der Zeichnung oberen Bereich die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 9, im mittleren Bereich das Mengensteuerventil 10, und im unteren Bereich ein Förderraum 22 zusammen mit einem Kolben 24 der Hochdruckpumpe 11 angeordnet sind.
  • Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 9 ist in einem Ventilgehäuse 26 angeordnet, und umfasst eine Spule 28, einen Anker 30, einen Polkern 32, eine Ankerfeder 34, einen Ruhesitz 36 und einen Hubanschlag 38. Der Ruhesitz 36 stellt die erste Position des Ankers 30 dar, und der Hubanschlag 38 stellt die zweite Position des Ankers 30 dar. Der Anker 30 beaufschlagt mittels eines Koppelelements 40 einen Ventilkörper 42. In der Zeichnung oberhalb des Ventilkörpers 42 ist ein zugehöriger Dichtsitz 44 angeordnet. Der Dichtsitz 44 ist Teil eines topfförmigen Gehäuseelements 46, welches unter anderem den Ventilkörper 42 und eine Ventilfeder 48 umschließt. Dichtsitz 44 und Ventilkörper 42 bilden das Einlassventil der Hochdruckpumpe 11.
  • Dargestellt ist in der Figur 2 der unbestromte Zustand der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 9. Dabei wird der Anker 30 mittels der Ankerfeder 34 in der Zeichnung nach unten gegen den Ruhesitz 36 gedrückt. Über das Koppelelement 40 wird dadurch der Ventilkörper 42 entgegen der Kraft der Ventilfeder 48 beaufschlagt, wodurch das Einlassventil bzw. das Mengensteuerventil 10 öffnet. Dadurch wird eine fluidische Verbindung zwischen der Niederdruckleitung 7 und dem Förderraum 22 hergestellt.
  • Im bestromten Zustand der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 9 wird der Anker 30 von dem Polkern 32 magnetisch angezogen, wodurch das mit dem Anker 30 verbundene Koppelelement 40 in der Zeichnung nach oben bewegt wird. Dadurch kann - bei entsprechenden fluidischen Druckverhältnissen - der Ventilkörper 42 durch die Kraft der Ventilfeder 48 gegen den Dichtsitz 44 gedrückt werden, und das Einlassventil bzw. das Mengensteuerventil 10 somit schließen. Dies kann beispielsweise erfolgen, wenn der Kolben 24 in dem Förderraum 22 eine Arbeitsbewegung (in der Zeichnung nach oben) durchführt, wobei Kraftstoff über ein dabei geöffnetes Rückschlagventil 60 in die Hochdruckleitung 12 gefördert werden kann.
  • Das Öffnen bzw. das Schließen des Mengensteuerventils 10 erfolgt in Abhängigkeit mehrerer Größen: Erstens abhängig von den durch die Ankerfeder 34 und die Ventilfeder 48 ausgeübten Kräften. Zweitens abhängig von dem in der Niederdruckleitung 7 und dem Förderraum 22 herrschenden Kraftstoffdruck. Drittens abhängig von der Kraft des Ankers 30, welche im Wesentlichen von einem aktuell durch die Spule 28 fließenden Strom I bestimmt wird. Insbesondere kann der Strom I - wiederum abhängig auch von den jeweiligen Kraftstoffdrücken - den Zeitpunkt des Öffnens bzw. Schließens des Ventilkörpers 42 beeinflussen und somit die Menge des zu fördernden Kraftstoffs wesentlich steuern.
  • Figur 3 zeigt ein Zeitdiagramm einer Ansteuerung des Mengensteuerventils 10. In dem in der Zeichnung dargestellten Koordinatensystem sind Ströme I1 (durchgezogen) und I2 (gestrichelt), welche über die Spule 28 der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 9 fließen, über einer Zeit t aufgetragen. Ein Doppelpfeil 62 kennzeichnet die Bestromung für eine Anzugsphase und ein Doppelpfeil 64 kennzeichnet die Bestromung für eine Haltephase des Ankers 30 der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 9. Während der Anzugsphase wird der Anker 30 durch magnetische Kraft von dem Ruhesitz 36 bis zu dem Hubanschlag 38 bewegt. Während der Haltephase wird der Anker 30 durch eine - im Allgemeinen geringere - magnetische Kraft an dem Hubanschlag 38 in seiner Position gehalten. Nachfolgend wird zunächst der Verlauf des Stroms I1 beschrieben, welcher bei einer vergleichsweise hohen Drehzahl 72 (vergleiche Figur 4) der Brennkraftmaschine zur Ansteuerung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 9 verwendet wird.
  • Zu einem Zeitpunkt t0 beginnt die Anzugsphase, wobei der Strom I1 vergleichsweise schnell ansteigt und ab einem Zeitpunkt t1a um einen Mittelwert 66a getaktet wird. Zu einem Zeitpunkt t2 beginnt die Bestromung für die Haltephase, wobei der Strom I2 um einen Mittelwert 68 getaktet wird. Der Mittelwert 68 ist kleiner als der Mittelwert 66a. Zu einem Zeitpunkt t3 wird die Ansteuerung beendet, wodurch der Strom I1 rasch auf Null vermindert wird.
  • Bei einer niedrigeren Drehzahl 72 der Brennkraftmaschine wird die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 9 mit dem Strom I2 angesteuert, das heißt, Schaltschwellen (nicht dargestellt), welche während der Anzugsphase das Einschalten und das Abschalten des Stroms I2 steuern, sind in Bezug auf Schaltschwellen des Stroms I1 niedriger eingestellt. Dadurch ergibt sich für den Verlauf des Stroms I2 während der Anzugsphase ein entsprechend kleinerer Mittelwert 66b. Somit ist die benötigte Energie während der Anzugsphase ebenfalls kleiner und ein Betriebsgeräusch beim Anschlagen des Ankers 30 an dem Hubanschlag 38 wird vermindert. Dabei wird zugleich eine Anzugsdauer des Ankers 30 zwar verlängert, wobei die Zeitdifferenz zwischen t2 und t0 vergrößert und somit die Anzugsphase 62 verlängert wird, jedoch ohne die korrekte Funktion des Mengensteuerventils 10 zu beeinträchtigen.
  • Die die Verläufe der Ströme I1 und I2 bestimmenden Schaltschwellen (nicht dargestellt), beziehungsweise die sich daraus ergebenden Mittelwerte 66a und 66b sind jeweils so gewählt, dass ein sicheres Anschlagen des Ankers 30 an dem Hubanschlag 38 und somit ein sicheres Schalten des Mengensteuerventils 10 in allen Betriebsfällen ermöglicht wird. Bedingt durch den während der Anzugsphase im Mittel kleineren Strom I2 wird der Anker 30 im Vergleich zum Strom I1 mit einer geringeren Kraft beschleunigt und schlägt entsprechend verzögert an. Dies wird nachfolgend mit der Figur 4 näher erläutert werden.
  • Figur 4 zeigt ein Koordinatensystem, in welchem Mittelwerte 66 eines während der Anzugsphase über die Spule 28 fließenden Stroms I sowie zugehörige Anzugsdauern 70 linear über einer Drehzahl 72 der Brennkraftmaschine aufgetragen sind. Die Anzugsdauer 70 charakterisiert den Zeitraum vom Beginn der Bestromung der Spule 28 zum Zeitpunkt t0 bis zum erstmaligen Anschlagen des Ankers 30 an dem Hubanschlag 38. Die Mittelwerte 66 sind vorliegend durch Stützstellen 74 bestimmt, welche beispielsweise in einem Kennfeld der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 der Brennkraftmaschine abgespeichert sein können. Die Mittelwerte 66 des Stroms I charakterisieren - insbesondere wenn die Spule 28 während der Anzugsphase an eine konstante Quellspannung geschaltet wird - außerdem eine Energie, welche während der Anzugsphase der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 9 zugeführt wird.
  • Man erkennt, dass die Mittelwerte 66 des Stroms I mit größer werdender Drehzahl 72 monoton zunehmen. Weil der Kolben 24 der Hochdruckpumpe 11 ebenfalls in Abhängigkeit von der Drehzahl 72 bewegt wird, wird der mögliche Zeitraum zur Bewegung des Ventilkörpers 42 bzw. des Ankers 30 entsprechend kleiner, also kritischer. Diesem Umstand wird durch die sich mit stärkerer Bestromung vermindernden Anzugsdauern 70 in passender Weise begegnet. Dies erfolgt wie oben bereits beschrieben derart, dass ein sicheres Schalten des Mengensteuerventils 10 bei jeder Drehzahl 72 ermöglicht wird.
  • Figur 5 zeigt ein vereinfachtes Ablaufschema zur Ansteuerung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 9. Das dargestellte Verfahren wird vorzugsweise mittels des Computerprogramms 18 in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 der Brennkraftmaschine durchgeführt. In einem ersten Block 76 beginnt die dargestellte Prozedur, wobei die aktuelle Drehzahl 72 der Brennkraftmaschine ermittelt wird. In einem zweiten Block 78 werden anhand der ermittelten Drehzahl 72 zwei Stützstellen 74 aus einem Kennfeld gelesen. Danach wird zwischen diesen beiden Stützstellen 74 interpoliert, um einen jeweiligen Mittelwert 66 genau passend zur Drehzahl 72 zu bestimmen. Aus dem Mittelwert 66 werden geeignete Schaltschwellen (ohne Bezugszeichen) für das Einschalten und das Ausschalten des Stroms I ermittelt.
  • In einem dritten Block 80 werden die ermittelten Schaltschwellen dazu verwendet, die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 9 bzw. die Spule 28 während der Anzugsphase des Ankers 30 anzusteuern. Das Verfahren der Figur 5 kann zyklisch wiederholt werden.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Kraftstofffördereinrichtung (1) einer Brennkraftmaschine, bei dem zur Einstellung einer Fördermenge eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung (9) eines Mengensteuerventils (10) geschaltet wird, wobei bei einem Schaltvorgang durch magnetische Kraft ein Anker (30) von einem Ruhesitz (36) in Richtung zu einem Hubanschlag (38) bewegt wird, und eine Stärke einer der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung (9) zum Schalten zugeführten Energie wenigstens zeitweise von einer Drehzahl (72) der Brennkraftmaschine abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie nur während einer Anzugsphase, während der der Anker (30) der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung (9) von dem Ruhesitz (36) zum dem Hubanschlag (38) bewegt wird, von der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängt und während der Anzugsphase ein Strom (I1) um einem Anzugsmittelwert (66a) getaktet wird und während der Haltephase ein Strom (I2) um einen Haltemittelwert (68) getaktet wird, wobei der Haltemittelwert (68) kleiner als der Anzugsmittelwert (66a) ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie mit steigender Drehzahl (72) erhöht wird, wobei der Zusammenhang monoton ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzugsmittelwerte (66) des Stroms (I) mit größer werdender Drehzahl (72) monoton zunehmen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit verminderter Anzugsdauer (70) der Strom (I) erhöht wird.
  5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie derart gesteuert wird, dass das Mengensteuerventil (10) innerhalb eines für eine jeweilige Drehzahl (72) vorgesehenen Zeitintervalls geschaltet werden kann.
  6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom (I) und/oder die Spannung getaktet werden.
  7. Brennkraftmaschine mit einer Kraftstofffördereinrichtung mit einem Mengensteuerventil mit elektromagnetischer Betätigungseinrichtung, einer Steuer-/Regeleinrichtung und mit Mitteln zur Durchführung aller Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  8. Computerprogramm (18), umfassend Befehle, die, wenn sie in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (16) der Vorrichtung nach Anspruch 7 ablaufen, bewirken, dass die Vorrichtung die Verfahrensschritte nach den Ansprüchen 1 bis 6 ausführt.
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