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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der von einer Hochdruckpumpe eines Einspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems, geförderten Kraftstoffmenge nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine, die ein solches Verfahren anwendet.
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Bekannte Common-Rail-Einspritzanlagen umfassen ein Volumenstromregelventil, das die Menge des Kraftstoffs regelt, der einer Hochdruckpumpe zugeführt wird und von dieser in einen Druckspeicher (Common Rail) gepumpt wird. Der Kraftstoff aus dem Common Rail wird Injektoren mit Einspritzdüsen zugeführt, die Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzen. Der Druck bei der Einspritzung wird über den Volumenstrom durch die Hochdruckpumpe geregelt bzw. gesteuert.
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Die genaue Menge des von der Hochdruckpumpe (HPP) in den Druckspeicher bzw. das Common Rail geförderten Kraftstoffvolumens ist im Normalbetrieb eines Fahrzeugs eine schwer zu bestimmende Größe. Für bestimmte Applikationen, insbesondere für eine mengenbasierte Druckregelung muss diese Größe jedoch bekannt sein. Im Stand der Technik sind üblicherweise Kennlinien gespeichert, die zur Bestimmung des Kraftstoffvolumens verwendet werden. Aufgrund von Bauteiletoleranzen stimmen diese mit den realen Verhältnissen jedoch oft nur ungenügend überein. Vielfach muss der Volumenstrom der Pumpe QHPP deshalb durch Messung bestimmt werden. Insbesondere wird eine solche Messung im Rahmen von Adaptionsverfahren in Motorsteuergeräten verwendet.
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Für eine direkte Messung des von der Pumpe geförderten Kraftstoffvolumens ist im Fahrzeug üblicherweise kein Sensor vorhanden. Es lässt sich jedoch das geförderte Kraftstoffvolumen QHPP indirekt über eine Auswertung des Druckverlaufs ermitteln, da das in ein Common Rail gepumpte Kraftstoff-Volumen den dort herrschenden Kraftstoffdruck beeinflusst. Bei einer solchen Auswertung treten jedoch Schwierigkeiten auf, die darin begründet sind, dass der Raildruck konstruktionsbedingt in der Regel gewisse Pulsationen aufweist. Druckabfälle werden hauptsächlich durch Einspritzungen verursacht und dauern typischerweise nur eine bis wenige Millisekunden. Druckanstiege werden von der Hochdruckpumpe verursacht. Da deren Kolben zumeist nur teilweise gefüllt sind, überlappen auch die entsprechenden Druckanstiegsprofile nicht, sondern verursachen nur kurze isolierte Druckanstiege. Aufgrund dieser nicht kontinuierlichen Zu- und Abflüsse zeigt der resultierende Raildruck konstruktionsbedingt signifikante periodische Schwankungen um seinen Mittelwert. Messungen des Raildrucks erfordern deshalb gewisse Filterungsverfahren, mit deren Hilfe aus einer größeren Anzahl individueller Druckmessungen ein gemittelter Raildruck berechnet wird. Hierfür sind jedoch über längere Zeiträume stabile Druckverhältnisse notwendig. Insbesondere muss der Sollwert lange genug konstant sein, damit der Druckregler einen ausreichend stabilen Raildruck einregeln kann.
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Bekannte Einspritzanlagen für Brennkraftmaschinen, umfassen mehrere Injektoren zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum, einen Hochdruckbereich zum Versorgen der Injektoren mit Kraftstoff, eine Hochdruckpumpe zum Fördern von Kraftstoff in den Hochdruckbereich, einen Drucksensor zum Erfassen des Drucks im Hochdruckbereich und eine Steuer-/Regeleinheit zum Steuern/Regeln der Komponenten der Einspritzanlage. Dabei ist die Steuer-/Regeleinheit dazu ausgebildet, mittels des Drucksensors Druckwerte zu erfassen.
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Bei entsprechenden Verfahren zur Bestimmung der von einer Hochdruckpumpe in einen Hochdruckbereich eines Einspritzsystems, geförderten Kraftstoffmenge, wird der Kraftstoffdruck im Hochdruckbereich zu einem Zeitpunkt vor und zu einem Zeitpunkt nach einem pumpenbedingten Druckanstieg gemessen und ein von der Hochdruckpumpe während eines durch die genannten Zeitpunkte begrenzten Zeitintervalls gefördertes Kraftstoffvolumen berechnet.
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In einem betriebsinternen Stand der Technik werden derzeit, wie schon ausgeführt, Schwankungen des Raildrucks zumeist durch eine Mittelung über mehrere Messpunkte berücksichtigt. Im Idealfall lässt sich hierdurch der Mittelwert des oszillierenden Drucks berechnen. Dies setzt jedoch voraus, dass eine Messung über ein genügend langen Zeitraum unter genügend stabilen Druck- bzw. Mengenverhältnissen stattfinden kann. Ist der Kraftstoffdruck genügend stabil auf einen konstanten Sollwert eingeregelt, so gilt für den mittleren Kraftstoffdruck p die Gleichung: dP/dt = 0 (1)
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Aus der physikalischen Beziehung: dP/dt = E/V·Q (2) folgt Q = 0 (3), d. h. die Summe der Zu- und Abflüsse ist 0. Dabei sind E der Kompressionsmodul, V das Volumen des Hochdruckbereichs bzw. des Common Rail und Q der gesamte Kraftstoff-Volumenstrom in das Rail. Üblicherweise sind der Kompressionsmodul E des Kraftstoffs und das Hochdruckvolumen V bekannte Größen.
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In einem Common-Rail-System mit geschlossenem oder nicht vorhandenem Druckregelventil wird der Gesamtvolumenstrom typischerweise aus vier Anteilen gebildet, dem Zufluss aus der Hochdruckpumpe QHPP, der in den Zylinder eingespritzten Kraftstoffmenge QINJ, der Injektor-Schaltleckage QSL und einer Dauerleckage QCL. Somit gilt: Q = QHPP – QINJ – QSL – QCL (4)
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Aus Gleichung (3) ergibt sich dann: QHPP = QINJ + QSL + QCL (5)
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Da die drei Abflüsse, die Einspritzmenge QINJ, die Schaltleckage QSL und die Dauerleckage QCL in der Regel ausreichend genau bekannt sind, lässt sich aus der Gleichung (5) der Volumenstrom der Hochdruckpumpe QHPP berechnen. Dabei schlagen sich jedoch Ungenauigkeiten in der Einspritzmenge QINJ, der Schaltleckage QSL oder der Dauerleckage QCL unmittelbar in Ungenauigkeiten im Volumenstrom der Hochdruckpumpe QHPP nieder.
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Die Druckschrift
DE 103 42 268 A1 beschreibt ein Verfahren, mit dem die von eine Hochdruckpumpe eines Common-Rail-Systems geförderte Kraftstoffmenge auch innerhalb vergleichsweise kurzer Zeitintervalle bestimmt werden kann, wobei dieses Verfahren mit einem nachteilig hohen Rechenaufwand verbunden ist und keine der genannten Ungenauigkeiten auszuschließen erlaubt.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 000 772 A1 offenbart ein Verfahren für die Ermittlung einer Fördercharakteristik einer Hochdruckpumpe, die bauteilbedingten Streuungen und der Alterung unterliegt, bei dem im Schubbetrieb, also während absinkendem Raildruck, bei sich reduzierender Motordrehzahl bei einer zu überprüfenden Drehzahl eine Förderung der Hochdruckpumpe angesteuert wird, und ein daraus resultierender Druckanstieg mit einem Raildrucksensor gemessen wird. Aus der Druckdifferenz wird dann eine Fördermenge der Hochdruckpumpe berechnet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der von einer Hochdruckpumpe in einen Hochdruckbereich eines Einspritzsystems geförderten Kraftstoffmenge und eine entsprechende Einspritzanlage, die dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren durchzuführen, zu schaffen, mit denen die geförderte Kraftstoffmenge schnell und genau bestimmt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs und mit den Merkmalen des entsprechenden Nebenanspruchs gelöst.
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Dadurch, dass der Kraftstoffdruck zu einem Zeitpunkt vor und zu einem Zeitpunkt nach einem pumpenbedingten Druckanstieg gemessen wird und aus der bekannten Bilanzgleichung ΔP = E/V·(ΔVHPP – (t1 – t0)·QCL) die geförderte Kraftstoffmenge der Hochdruckpumpe für das durch die genannten Zeitpunkte begrenzte Zeitintervall berechnet wird, wobei ΔP die Druckdifferenz des vor und nach dem pumpenbedingten Druckanstieg gemessenen Drucks, E der Kompressibilitätsmodul des Kraftstoffs, V das Volumen des Hochdruckbereichs, ΔVHPP das geförderte Kraftstoffvolumen, t1 der Zeitpunkt nach dem Druckanstieg, t0 der Zeitpunkt vor dem Druckanstieg und QCL die Dauerleckage sind, kann eine sehr schnelle Messung und Berechnung der Pumpenförderung durchgeführt werden. Ein konstanter eingeregelter Druck ist somit keine zwingende Voraussetzung mehr. Die Messung der Pumpen-Fördermenge kann kolbenspezifisch erfolgen, wobei dies sowohl für die Korrekturen der Einspritzmenge als auch für Zwecke der Pumpen-Diagnose von Bedeutung ist. Wegen des kurzen Messintervalls fällt die Dauerleckage weniger ins Gewicht und kann das Ergebnis weniger stark verfälschen. Die Messungen und Berechnungen der geförderten Kraftstoffmenge sind auch in transienten Phasen möglich.
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Da in das Zeitintervall zwischen der Messung vor und nach dem Druckanstieg keine Einspritzung fällt, wirken sich die Ungenauigkeiten in dem Einspritzvolumen QINJ und dem Volumen der Schaltleckage QSL nicht auf das Ergebnis aus.
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Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
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Vorteilhaft ist, die Druckmessungen mit einer Abtastrate vorzunehmen, die die Erfassung der zyklischen Abfolge von einspritzungsbedingten Druckeinbrüchen und von der Hochdruckpumpe verursachen Druckanstiegen gestattet. Auf diese Weise kann eine Feinstruktur des Raildrucks bestimmt werden.
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Eine vorteilhafte Abtastrate ist größer als 1 Abtastung pro 2 ms, vorzugsweise liegt sie im Bereich von einer noch besser von mehreren Abtastungen pro 1 ms.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden unter Heranziehung der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung von wesentlichen Teilen einer Common-Rail-Einspritzanlage, und
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2 eine Kurve des Drucks im Hochdruckbereich bzw. im Rail über die Zeit bei Millisekunden-Abtastung.
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In 1 sind die zur Erläuterung der Erfindung wesentlichen Teile einer Common-Rail-Einspritzanlage dargestellt. Die Einspritzanlage umfasst unter anderem eine mit einem Kraftstofftank 1 in Verbindung stehende Hochdruckpumpe 2, die eine Kraftstoffmenge QHPP fördert. Die Hochdruckpumpe 2 liefert den Kraftstoff an einen mit Common Rail bezeichneten Druckspeicher 3. Der Druckspeicher 3 ist mit Injektoren 5 verbunden, von denen zwei dargestellt sind und die Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzen. Aus dem Druckspeicher 3 mit dem Volumen V wird an die Injektoren 5 eine Kraftstoffmenge geliefert, die sich aus dem Volumenstrom QINJ, der einzuspritzenden Kraftstoffmenge entsprechend, und der Leckagemenge aus Dauerleckage QCL und der während der Einspritzung über die Injektoren 5 abströmenden Schaltleckage QSL, zusammensetzt. Diese Leckagemengen, fließen, wie vereinfacht dargestellt, in den Kraftstofftank 1 zurück.
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Bekannterweise werden die Injektoren 5 durch eine Motorsteuer- und Regeleinheit 4, das Steuergerät, angesteuert, die gleichfalls das Signal eines den Druck im Druckspeicher 3 messenden Drucksensors 6 empfängt und auswertet. In der Zeichnung ist die Steuer- und Regeleinheit 4 nur in Hinblick auf den Drucksensor 6 angedeutet, sie steuert in bekannter Weise die verschiedenen Bestandteile der Einspritzanlage, wobei die weiteren für die Steuerung der Einspritzung notwendigen Parameter von entsprechenden Sensoren geliefert werden.
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In 2 ist der Verlauf des Raildrucksignals über die Zeit dargestellt. Wie zu erkennen ist, besteht die so genannte ”Feinstruktur” des Raildrucks vor allem aus einer zyklischen Abfolge von einspritzungsbedingten Druckeinbrüchen, wie durch das Bezugszeichen 7 angedeutet ist, und von der Hochdruckpumpe 2 verursachten Druckanstiegen, wie dem mit dem Bezugszeichen 8 bezeichneten. Dem durch die Einspritzung und Zuführung von Kraftstoff in das Rail bestimmten Verlauf ist eine meist schwache Dauerleckage überlagert, siehe Bezugszeichen 9, die im Wesentlichen bei niedrigen Drehzahlen bzw. hohem Druck zu berücksichtigen ist, ansonsten liegen zwischen den punktuellen Ereignissen des Zupumpens und Einspritzens Phasen mit konstantem, in der Regel geringem Druckabfall.
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Um die gezeigte Feinstruktur aufzulösen, muss der Drucksensor 6 mit einer genügend hohen Abtastrate die Druckwerte messen. Wie zu erkennen ist, findet beispielsweise jeweils in einem Bereich von 50 ms ein schneller Druckanstieg und auch ein Druckabfall statt, die erfasst werden müssen. Daher ist eine Abtastung von mindestens einer Abtastung je 2 ms notwendig, vorzuziehen ist eine Abtastung pro Millisekunde oder mehrere Abtastungen pro Millisekunde. Bei einer Abtastung, die eine Aufnahme der Druckwerte entsprechend 2 gestattet, kann das von einem individuellen Pumpenkolben geförderte Kraftstoffvolumen und somit auch die Kraftstoffmenge QHPP unmittelbar bestimmt werden. Dazu wird die oben angegebene Bilanzgleichung ausgewertet.
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Vorzugsweise wird der Kraftstoffdruck kurz vor und kurz nach einem pumpenbedingten Druckanstieg, d. h. vor Förderung und nach Förderung entsprechend dem mit dem Bezugszeichen 8 bezeichneten Druckanstieg, gemessen, so dass sich ein Druck P0 = P(t0) und P1 = P(t1) ergibt. Gegebenenfalls können während des Druckanstiegs weitere Messungen vorgenommen werden, die gegebenenfalls zusätzlich berücksichtigt werden. Aus diesen gemessenen Werten lässt sich die Druckdifferenz ΔP = P1 – P0 ermitteln. Durch Einsetzen der Gleichung (4) in die Gleichung (2) und durch Integration über den Zeitraum t0, t1 ergibt sich: ΔP = E/V·(ΔUHPP – ΔVINJ – ΔVSL – ΔVCL) (6)
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Fällt in das Zeitintervall t0, t1 keine Einspritzung, so vereinfacht sich die Gleichung weiter. Dann gilt: ΔVINJ = ΔVSL = 0, d. h., es wird kein Kraftstoffvolumen durch Einspritzung oder durch Schaltleckage aus dem Rail abgeführt. Die Dauerleckage QCL ist in der Regel weitgehend bekannt und kann während der kurzen Messdauer als konstant angenommen werden oder wird sogar vernachlässigbar klein sein. Damit reduziert sich die Gleichung (6) auf ΔP = E/V·(ΔVHPP – (t1 – t0)·QCL) (6a)
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Die Kraftstoffmenge ΔVHPP des während des Zeitintervalls t0, t1 aktiven Hochdruckkolben kann somit unter Heranziehung der zu den gegebenen Zeitpunkten gemessenen Druckwerte aus der Gleichung (6a) berechnet werden, wobei, wie schon erwähnt, der Kompressibilitätsmodul E und das Gesamtvolumen des Druckspeichers 3 bzw. des Rails 3 und die Dauerleckage bekannt sind.
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In der obigen Beschreibung wurden nur die für die Erfindung notwendigen Hauptelemente der Einspritzanlage beschrieben. In bekannter Weise ist jedoch in den hydraulischen Kreis ein Volumenstromregelventil der Pumpe vorgeschaltet, das geregelten Kraftstoff zu der Hochdruckpumpe 2 liefert. Weiterhin kann ein Druckregelventil vorgesehen werden, das dann an der Hochdruckpumpe 2 oder am Rail 3 befestigt ist und den Druck im Druckspeicher bzw. Rail 3 abhängig von Lastzustand des Motors einstellt und bei zu hohem Druck im Rail 3 öffnet, so dass ein Teil des Kraftstoffs aus dem Rail über eine Sammelleitung zurück in den Kraftstofftank 1 gelangt.