DE10103867A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Kraftstoffzumess-Systems einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung eines Kraftstoffzumess-Systems einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Common-Rail-Systems, beschrieben. Der Kraftstoff wird von einer Pumpe verdichtet und eine Druckgröße, die den Kraftstoffdruck charakterisiert, wird erfaßt. Ein Fehler wird erkannt, wenn eine gefilterte Druckgröße von einem Schwellenwert abweicht.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Kraftstoffzumess-Systems einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

Aus der DE 195 20 300 (US 5.715.786) ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Kraftstoffzumess- Systems einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Common- Rail-Systems, bekannt. Bei solchen Common-Rail-Systemen wird der Kraftstoff von einer Pumpe verdichtet und eine Druckgröße, die den Kraftstoffdruck charakterisiert, erfaßt. Bekannt ist, dass durch Überwachung des Verlaufs des Drucksignals bei bestimmten Betriebszuständen ein Fehler im Bereich des Kraftstoffzumess-Systems erkannt wird.

Häufig werden zur Druckerzeugung Hochdruckpumpen verwendet, die insbesondere als Radialkolbenpumpen mit wenigstens zwei, vorzugsweise drei Pumpenelementen ausgebildet sind. Zur Verringerung der Pumpleistung sind diese vorzugsweise jeweils mit einem Elementabschaltventil ausgestattet. Ein entsprechendes Common-Rail-System ist beispielsweise in der MTZ Motortechnische Zeitschrift 58 (1997) Nr. 10 ab Seite 572 beschrieben.

Durch Störungen kann der Fall eintreten, dass eines der Pumpenelemente oder ein Elementabschaltventil nicht ordnungsgemäß arbeitet. Ein solcher Pumpenelement-Ausfall kann mit den bekannten Überwachungssystemen nicht sicher erkannt werden. Ein solcher Pumpenelement-Ausfall wird üblicherweise nur dann sicher erkannt, wenn die Fördermenge nicht mehr zur Deckung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge ausreicht. Dies ist insbesondere nur bei großen eingespritzten Kraftstoffmengen der Fall.

Vorteile der Erfindung

Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist es möglich, dass ein Defekt der Pumpe, insbesondere ein Ausfall eines oder mehrerer Pumpenelemente, unabhängig vom Motorbetriebspunkt erkannt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass eine gefilterte Druckgröße ausgewertet wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Fehler erkannt wird, wenn die gefilterte Druckgröße von einen bestimmten Schwellenwert abweicht.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Filterung derart erfolgt, dass Frequenzen, die in einem bestimmten Verhältnis zur Motorumdrehung stehen, selektiert werden. Oder das die Filterung derart erfolgt, daß Frequenzen, die einem ganzzahligen Vielfachen einer Pumpenfrequenz entsprechen, selektiert werden. Dadurch können in einfacher Weise Druckschwankungen, die darauf beruhen, daß ein Pumpenelement nicht fördert, erkannt werden.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird ausgehend von einem Ansteuersignal für ein Elementabschaltventil zwischen einem Fehler im Bereich des Elementabschaltventils oder der Pumpe unterschieden.

Besonders vorteilhaft wird dies durch eine entsprechende Plausibilisierung des Ansteuersignals für das Elementabschaltventil und das gefilterte Drucksignal erreicht. Zeigt das gefilterte Drucksignal an, dass ein Pumpenelement nicht fördert, so wird nur dann auf Fehler erkannt, wenn das Ansteuersignal für das Elementabschaltventil einen Wert annimmt, der ein nicht abgeschaltetes Elementabschaltventil kennzeichnet. Zeigt das gefilterte Drucksignal an, dass alle Pumpenelemente fördern, so wird auf Fehler erkannt, wenn das Ansteuersignal für das Elementabschaltventil einen Wert annimmt, der ein abgeschaltetes Elementabschaltventil kennzeichnet.

Besonders vorteilhaft ist es, dass mittels der Vorgehensweise zwischen einem Defekt der Pumpe und einem Defekt einer anderen Komponente, insbesondere einem Druckregelventil, unterschieden wird. So können Fehler, die auftreten und durch andere Verfahren und Vorgehensweise erkannt werden, mit hoher Sicherheit einzelnen Komponenten des Systems zugeordnet werden. Insbesondere können Fehler im Bereich der Pumpe sicher von Fehlern anderer Komponenten unterschieden werden.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm des Kraftstoffzumess-Systems. Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Überwachung. Fig. 3 zeigt ein Flußdiagramm einer Vorgehensweise.

In Fig. 1 sind die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Bauteile eines Kraftstoffversorgungssystems einer Brennkraftmaschine mit Hochdruckeinspritzung dargestellt. Das dargestellte System wird üblicherweise als Common-Rail-System bezeichnet.

Mit 100 ist ein Kraftstoffvorratsbehälter bezeichnet. Dieser steht über eine Vorförderpumpe 110 mit einer Hochdruckpumpe 125 in Verbindung. Die Hochdruckpumpe 125 kann wenigstens ein Elementabschaltventil umfassen. Die Hochdruckpumpe 125 steht mit einem Rail 130 in Verbindung. Das Rail 130 wird auch als Speicher bezeichnet und steht über Kraftstoffleitungen mit verschiedenen Injektoren 131 in Kontakt.

Mittels des Sensors 140 wird der Druck P im Rail bzw. im gesamten Hochdruckbereich erfaßt. Über ein Druckregelventil 135 ist das Rail 130 mit dem Kraftstoffvorratsbehälter 100 verbindbar. Das Druckregelventil 135 ist mittels einer Spule 136 steuerbar.

Eine Steuerung 160 beaufschlagt das Elementabschaltventil 126 mit einem Ansteuersignal AP, die Injektoren 131 mit einem Ansteuersignal A und das Druckregelventil 136 mit einem Signal AV. Die Steuerung 160 verarbeitet verschiedene Signale verschiedener Sensoren 165, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine und/oder des Kraftfahrzeugs, daß die Brennkraftmaschine antreibt, charakterisieren. Ein solcher Betriebszustand ist beispielsweise die Drehzahl N der Brennkraftmaschine.

Diese Einrichtung arbeitet wie folgt: Der Kraftstoff, der sich im Vorratsbehälter befindet, wird von der Vorförderpumpe 110 zur Hochdruckpumpe 125 gefördert.

Die Hochdruckpumpe 125 fördert den Kraftstoff vom Niederdruckbereich in den Hochdruckbereich. Die Hochdruckpumpe 125 baut im Rail 130 einen sehr hohen Druck auf. Üblicherweise werden bei Systemen für fremdgezündete Brennkraftmaschinen Druckwerte von etwa 30 bis 100 bar und bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen Druckwerte von etwa 1000 bis 2000 bar erzielt. Über die Injektoren 131 kann der Kraftstoff unter hohem Druck den einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine zugemessen werden.

Mittels des Sensor 140 wird der Druck P im Rail bzw. im gesamten Hochdruckbereich erfaßt und in der Steuerung 160 mit einem Sollwert verglichen. Abhängig von diesem Vergleich wird das Druckregelventil 135 gesteuert. Bei geringem Kraftstoffmengenbedarf kann die Förderleistung der Hochdruckpumpe 125 durch entsprechende Ansteuerung des Elementabschaltventils stufenweise verringert werden.

Die Hochdruckpumpe dreht sich mit fester Übersetzung I zur Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. Die Erfassung des Drucks im Steuergerät erfolgt vorteilhaft drehzahlsynchron. Der Verlauf des Raildrucks über der Zeit zeigt bei einem Pumpenelement-Ausfall einen charakteristischen Einbruch, der mit Pumpenfrequenz auftritt. Mittels eines Bandpaßfilters, der vorzugsweise digital ausgelegt ist, wird die Pumpenfrequenz aus dem Raildrucksignal herausgefiltert.

Hierzu muß das Drucksignal mindestens mit doppelter, vorzugsweise mit wenigstens vierfacher Pumpenfrequenz, drehzahlsynchron abgetastet. Der Raildruck wird vorzugsweise 2Z-mal, wobei Z der Zylinderzahl entspricht, pro Kurbelwellenumdrehung äquidistant abgetastet.

Das bandpaß-gefilterte Raildrucksignal wird anschließend gleichgerichtet und nochmals vorzugsweise drehzahlsynchron tiefpaß-gefiltert. Das Ausgangssignal dieser Signalverarbeitung ist ein Maß für die Druckschwingungen mit Pumpenfrequenz. Überschreitet dieses so gefilterte Signal einen Schwellenwert, dann fördert die Pumpe nur noch auf zwei oder einem statt auf drei Elementen.

Besonders vorteilhaft ist es, dass die Funktionsweise eines Elementabschaltventils, das ein Pumpenelement deaktiviert, auf Funktion überwacht werden kann.

Bei Erkennen eines Pumpenelement-Ausfalls werden durch geeignete Notlaufreaktionen weitere Pumpen- und gegebenenfalls Motorschäden vermieden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Raildruck und/oder die Kraftstoffmenge und/oder die Motordrehzahl auf einen kleineren Wert begrenzt wird, als im Normalbetrieb. Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn der Fahrer durch eine Warnlampe über den Notbetrieb informiert wird, damit er eine Werkstatt aufsucht.

Desweiteren wird der Pumpenfehler vorzugsweise in einem Fehlerspeicher eingetragen. Dadurch vereinfacht sich die Fehlerdiagnose.

In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise anhand eines Blockdiagramms dargestellt. Bereits in Fig. 1 beschriebene Elemente, wie der Drucksensor sind mit entsprechenden Bezugszeichen dargestellt. Vorzugsweise stellt diese dargestellte Einrichtung einen Teil der Steuerung 160 dar. Das Ausgangssignal P des Drucksensors 140 gelangt über einen Bandpaß-Filter 200 zu einem Betragsbilder 210. Dessen Ausgangssignal gelangt über einen Tiefpaß-Filter 220 zu einem ersten Eingang a eines ersten Vergleichers 230. Am zweiten Eingang b des ersten Vergleichers 230 liegt das Ausgangssignal S1 einer ersten Schwellwertvorgabe 235 an. Die Anordnung des Tiefpaß-Filters 220 ist nur beispielhaft gewählt, der Filter kann auch an beliebiger andere Stelle zwischen dem Sensor 140 und dem Vergleicher 230 angeordnet sein.

Das Ausgangssignal einer Pumpenansteuerung 161, die vorzugsweise ein Teil der Steuerung 160 darstellt, gelangt zu einem ersten Eingang a eines zweiten Vergleichers 240 an dessen zweiten Eingang b das Ausgangssignal S2 einer zweiten Schwellwertvorgabe 245 anliegt. Die Ausgangssignale der Vergleicher 230 und 240 werden beide jeweils einem ersten Und-Glied 250 und invertiert einem zweiten Und-Glied 260 zugeleitet, die wiederum die Steuerung 160 mit entsprechenden Signalen beaufschlagen.

Diese Einrichtung arbeitet nun wie folgt. Das Ausgangssignal P des Drucksensors gelangt zu dem Bandpaß-Filter 200. Der Bandpaß-Filter 200 ist derart ausgelegt, dass er Frequenzen, die der Pumpenumdrehung oder einem ganzzahligen Vielfachen der Pumpendrehzahl entsprechen, ausfiltert. Der Betragsbilder 210 richtet das Signal gleich. Der Tiefpaß- Filter 220 glättet das Signal. Erkennt der Vergleicher 230, dass das so gefilterte Signal größer als der Schwellwert S1 ist, so erkennt der Vergleicher auf Fehler.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn dieses Signal mit einem Signal verplausibilisiert wird, das anzeigt, dass ein Pumpenelement abgeschaltet wird, das heißt ein Elementabschaltventil entsprechend angesteuert wird. Dieses Signal wird von dem zweiten Vergleicher 240 bereitgestellt. Hierzu wird das Ansteuersignal A für das Elementabschaltventil 126 mit dem zweiten Schwellwert S2 verglichen. Ist das Signal A größer als der zweite Schwellwert, das heißt, das Elementabschaltventil wird mit einem solchen Ansteuersignal beaufschlagt, dass es üblicherweise nicht aktiviert ist, so steht an dem Ausgang des Vergleichers ein Signal an, das anzeigt, das Elementabschaltventil nicht aktiviert ist. Dieses Signal wird im Und-Glied 250 mit dem Ausgangssignal des Vergleichers 230 verknüpft, das heißt, gibt der Vergleicher 230 ein Signal ab, das anzeigt, dass Druckschwingungen mit einer bestimmten Frequenz auftreten, und zeigt das Ausgangssignal des zweiten Vergleichers 240 an, dass ein Elementabschaltventil nicht aktiviert ist, so erkennt das Und-Glied 250 und damit die Einrichtung auf Ausfall eines Pumpenelements.

Ferner werden die beiden Signale invertiert dem zweiten Und- Glied 260 zugeleitet. Dieses erkennt auf einen Defekt des Elementabschaltventils, wenn keine Druckschwingungen auftreten und das Ausgangssignal des zweiten Vergleichers 240 anzeigt, dass ein Elementabschaltventil aktiviert ist.

Bei einer vereinfachten Ausführungsform sind die Elemente 200, 210, 220, 230 und 235 ausreichend. In diesem Fall muss durch eine externe Logik im Bereich der Steuerung 160 ausgeschlossen werden, dass die Prüfung bei abgeschaltetem Elementabschaltventil durchgeführt wird. Entsprechendes gilt, wenn kein Elementabschaltventil vorgesehen ist. In diesen Fällen stellt die Einrichtung nur ein Signal bereit, das anzeigt, dass ein Pumpenelement nicht arbeitet.

Bei Common-Rail-Systemen wird in der Regel der Raildruck auf Plausibilität überprüft. Tritt im Fahrbetrieb eine Unplausibilität auf, führt dies dazu, dass die angetriebene Brennkraftmaschine abgestellt wird. Wird eine solche Unplausibilität bereits vor dem Start oder beim Start erkannt, beispielsweise weil der Raildruck nicht auf einen erwarteten Wert ansteigt, kann die Brennkraftmaschine nicht starten. Die Ursache dieses Fehlers ist dabei nicht ohne Weiteres erkennbar. Ein solcher Fehler kann zum einen darauf beruhen, dass ein Fehler im Bereich der Hochdruckpumpe oder ein Fehler im Bereich des Druckregelventils 135 aufgetreten ist. Die Fehlersuche gestaltet sich daher zum Teil sehr aufwendig. Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, dass ausgehend von der in Fig. 2 beschriebenen Vorgehensweise zwischen unterschiedlichen Fehlern unterschieden wird.

Dadurch, dass die Fehler unterschieden werden können, ist eine bessere Diagnose und dadurch eine vereinfachte Fehlerbehebung möglich. Desweiteren ist bei einer Ausgestaltung möglich, dass auftretende Fehler bereits im Vorfeld erkannt und entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden können.

Eine entsprechende Vorgehensweise ist in Fig. 3 dargestellt. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass anhand der erkannten Druckschwingungen nicht nur erkannt wird, dass ein Fehler vorliegt, sondern dass anhand der Druckschwingungen auch unterschieden werden kann welcher Fehler erkannt wird.

In der Teilfigur 3a ist ein Verfahren dargestellt, mit der Druckschwingungen erkannt und ein entsprechendes Fehlerbit gesetzt wird. In Teilfigur 3b ist dargestellt wir anhand der erkannten Druckschwingungen auf die Art des Fehlers erkannt wird.

In einem ersten Schritt 300 wird der Raildruck ausgewertet. Hierzu wird der Raildruck vorzugsweise mit dem Bandpassfilter 200 gefiltert. Die Frequenz des Bandpasses hängt vorzugsweise ab von der Zylinderzahl der Brennkraftmaschine. von dem Übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwelle und der Pumpe sowie von der Zahl der Pumpenelemente der Pumpe. Diese Frequenz wird vorzugsweise kundenspezifisch appliziert. Entsprechend werden die Schwellwerte S1 der Schwellwertvorgabe 235 so vorgegeben, dass übliche Schwankungen des Raildrucks nicht zur Fehlererkennung führen. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Überprüfung nur in bestimmten Drehzahlbereichen erfolgt. Vorzugsweise erfolgt die Überprüfung nur bei Drehzahlen unterhalb einer vorgebbaren Drehzahlschwelle.

Die anschließende Abfrage 310 überprüft, ob Raildruckschwingungen mit signifikanter Periode erkannt wurden. Ist dies der Fall, so wird in Schritt 320 ein Zähler Z erhöht. Werden keine Schwingungen erkannt, so wird der Zähler um einen bestimmten Wert in Schritt 325 verringert. Anschließend an Schritt 325 und an Schritt 320 erfolgt die Abfrage 330, die überprüft, ob der Zähler Z größer als ein Schwellwert ZS ist. Ist dies der Fall, wird in Schritt 340 ein Fehlerbit FB mit 1 gesetzt. Andernfalls setzt das Programm mit Schritt 300 fort.

Wird in Schritt 350 ein Fehler aufgrund einer Raildruckunplausibilität oder einer anderen Fehlerüberprüfung erkannt, so wird in Schritt 360 überprüft, ob das Fehlerbit FB mit 1 gesetzt ist. Ist dies der Fall, wird in Schritt 370 ein Fehler der Pumpe 125 erkannt. Ist dies nicht der Fall, so wird in Schritt 365 ein Fehler des Druckregelventils 135 erkannt. Erkennt die Abfrage 350 dass kein Fehler vorliegt, so setzt das Programm mit Schritt 355 im Normalbetrieb fort.

Im Schritt 350 wird sowohl auf Fehler im Rahmen einer Unplausibilität im laufenden Betrieb als auch ein Fehler im Start der Brennkraftmaschine erkannt.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise, die in Fig. 3a gestrichelt dargestellt wird, erfolgt nach der Abfrage 330 eine weitere Abfrage 335 die überprüft, ob der Zähler Z größer als ein zweiter Schwellwert ZS2 ist. Dieser Wert ZS2 ist deutlich kleiner als der Wert ZS. Dieser Wert ZS2 zeigt an, dass möglicherweise in Kürze ein Fehler im Bereich der Hochdruckpumpe 125 auftreten könnte, da gehäuft Druckschwankungen auftreten. Wird dies erkannt, so können bereits vor dem Abstellen der Brennkraftmaschine Ersatzreaktionen und Notlaufverfahren zum Beispiel eine Mengenbegrenzung und/oder eine Raildruckbegrenzung erfolgen. Diese erfolgen dann in Schritt 338.

Claims (8)

1. Verfahren zur Überwachung eines Kraftstoffzumess-Systems einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Common-Rail- Systems, wobei der Kraftstoff von einer Pumpe verdichtet und eine Druckgröße, die den Kraftstoffdruck charakterisiert, erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehler erkannt wird, wenn eine gefilterte Druckgröße von einem Schwellenwert abweicht, wobei Frequenzen selektiert werden, die in einem bestimmten Verhältnis zur Motorumdrehung stehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Frequenzen selektiert werden, die einem ganzzahligen Vielfachen einer Pumpenfrequenz entsprechen.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem Ansteuersignal für ein Elementabschaltventil zwischen einem Fehler im Bereich des Elementabschaltventils oder der Pumpe unterschieden wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des gefilterten Signals mit einem Schwellenwert verglichen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gefilterte Signal mittels eines Tiefpasses gefiltert wird.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Defekt der Pumpe erkannt wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Defekt der Pumpe und einem Defekt einer anderen Komponente, insbesondere einem Druckregelventil, unterschieden wird.

8. Vorrichtung zur Überwachung eines Kraftstoffzumess- Systems einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Common-Rail-Systems, wobei eine Pumpe den Kraftstoff verdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die einen Fehler erkennen, wenn eine gefilterte Druckgröße von einem Schwellenwert abweicht, wobei Frequenzen selektiert werden, die in einem bestimmten Verhältnis zur Motorumdrehung stehen.