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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems
einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand der
Erfindung sind ferner ein Computerprogramm, eine Steuer- und/oder
Regeleinrichtung und eine Brennkraftmaschine nach den Oberbegriffen
der nebengeordneten Patentansprüche.
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Die
DE 10 2005 052 636
A1 beschreibt ein Kraftstoffsystem, welches eine Vorförderpumpe
umfasst, die den Kraftstoff aus einem Tank fördert. Von der
Vorförderpumpe gelangt der Kraftstoff über eine als
Zumesseinheit bezeichnete Ventileinrichtung zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe,
die den Kraftstoff verdichtet und in eine Kraftstoff-Sammelleitung ("Rail")
fördert. An die Kraftstoff-Sammelleitung sind mehrere Kraftstoffinjektoren
angeschlossen, die den Kraftstoff direkt in ihnen zugeordnete Brennräume einspritzen.
Der Druck der Kraftstoff-Sammelleitung wird unter anderem mittels
eines Druckregelventils eingestellt. Die Zumesseinheit wird hydraulisch
gesteuert, und zwar abhängig von der Menge des über das
Druckregelventil aus der Kraftstoff-Sammelleitung abgesteuerten
Kraftstoffs. Durch diese Menge wird die Position eines Steuerkolbens
der Zumesseinheit beeinflusst, der wiederum den Zufluss zur Hochdruck-Kraftstoffpumpe
beeinflusst.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit
dem die Sicherheit beim Betreiben des Kraftstoffsystems verbessert werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Weitere Lösungen sind in den nebengeordneten
Patentansprüchen angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in Unteransprüchen genannt. Weitere wichtige
Merkmale der Erfindung finden sich in der nachfolgenden Beschreibung
und in der Zeichnung, wobei die Merkmale für die Erfindung
sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen
wesentlich sein können, ohne dass hierauf jeweils explizit
hingewiesen wird.
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Die
Erfindung gestattet es, eine Fehlfunktion der zweiten Ventileinrichtung
auf einfache Art und Weise zu erkennen. Dabei ist weder ein zusätzlicher Sensor
erforderlich, noch muss das Kraftstoffsystem oder die Brennkraftmaschine
in einen bestimmten Betriebszustand gebracht werden, um die Fehlfunktion
oder den Fehler der zweiten Ventileinrichtung erkennen zu können.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit jederzeit
im ganz normalen Betrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt
werden, wodurch die Sicherheit und Zuverlässigkeit im Betrieb des
Kraftstoffsystems und der Brennkraftmaschine erhöht werden.
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Der
Erfindung liegt die Überlegung zu Grunde, dass dann, wenn
die zweite Ventileinrichtung nicht ordnungsgemäß arbeitet,
die zu der Kraftstoffpumpe gelangende und folglich von dieser geförderte Kraftstoffmenge
anders als gewünscht beeinflusst wird. Mit anderen Worten:
Es wird entweder mehr oder weniger Kraftstoff von der Kraftstoffpumpe
in die Kraftstoff-Sammelleitung gefördert als an sich gewünscht
ist. Dies hat zur Folge, dass die erste Ventileinrichtung eine kleinere
oder eine größere Kraftstoffmenge als bei korrekt
funktionierender zweiter Ventileinrichtung (Referenzzustand) aus
der Kraftstoff-Sammelleitung absteuern muss, um den Istdruck in
der Kraftstoff-Sammelleitung auf den gewünschten Solldruck
zu regeln. Bei einer Fehlfunktion wird sich daher das Steuersignal,
mit dem die erste Ventileinrichtung angesteuert wird, von einem
Referenz-Steuersignal, welches im "normalen" Referenzzustand vorliegt,
in dem die zweite Ventileinrichtung korrekt arbeitet, um eine Differenz
unterscheiden. Diese Differenz wird ausgewertet, und wenn sie einen
Grenzwert erreicht oder überschreitet, wird dies als ein
Hinweis auf einen Fehler der zweiten Ventileinrichtung interpretiert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ist dann besonders
vorteilhaft, wenn die zweite Ventileinrichtung hydraulisch betätigt
wird, und wenn dann, wenn das Ist-Steuersignal, mit dem die erste
Ventileinrichtung angesteuert wird, kleiner ist als das Referenz-Steuersignal,
auf eine Leckage einer Steuerleitung der zweiten Ventileinrichtung
geschlossen wird. Ein Kraftstoffsystem mit einer hydraulisch betätigten zweiten
Ventileinrichtung ist beispielsweise in der
DE 10 2005 052 636 A1 beschrieben,
deren Offenbarung hiermit ausdrücklich auch zum Gegenstand
der vorliegenden Erfindung gemacht wird. Bei einer solchen hydraulisch
betätigten zweiten Ventileinrichtung ist eine hydraulische
Steuerleitung erforderlich, die bei einer Leckage zu einer Fehlstellung
eines Ventilelements der zweiten Ventileinrichtung führt.
Eine solche Leckage kann dank des erfindungsgemäßen Verfahrens
zuverlässig und vor allem sofort erkannt werden, wodurch
die Gefahren, die eine solche Kraftstoffleckage mit sich bringt,
deutlich reduziert werden können.
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Möglich
ist beispielweise, in einem solchen Fall nicht nur einen Eintrag
in einen Fehlerspeicher zu produzieren, sondern den Fahrer eines
Kraftfahrzeugs, in welches eine Brennkraftmaschine mit einem solchen
Kraftstoffsystem eingebaut ist, optisch oder akustisch auf den Fehler
und auf die Gefahr hinzuweisen. Gegebenenfalls kann sogar eine Notabschaltung
der Brennkraftmaschine verfügt werden. Es können
unterschiedliche Schwellen, also unterschiedliche Grenzwerte definiert
werden, bei deren Unterschreiten unterschiedliche Aktionen ausgelöst werden.
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Zur
Erhöhung der Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen
Verfahrens trägt bei, wenn das Referenz-Steuersignal mittels
einer Kennlinie ermittelt wird, die für eine Referenz-Durchflussmenge
gilt und in die ein mittels des Drucksensors erfasster Istdruck in
der Kraftstoff-Sammelleitung eingespeist wird.
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Bei
der zweiten Ventileinrichtung kann es sich um eine sogenannte "Saugdrossel"
handeln, welche einen zu der Kraftstoffpumpe gelangenden Kraftstoffstrom
in variabler Weise drosselt.
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Nachfolgend
wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme
auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine;
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2 einen
vereinfachten Schnitt durch eine hydraulisch betätigte
Zumesseinheit des Kraftstoffsystems von 1;
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3 ein
Diagramm, in dem der Zusammenhang zwischen einem Druck in einer
Kraftstoff-Sammelleitung des Kraftstoffsystems von 1 und
einem Ansteuersignal eines Druckregelventils für verschiedene
Durchflussmengen aufgetragen ist; und
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4 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des Kraftstoffsystems
von 1.
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Ein
Kraftstoffsystem trägt in 1 insgesamt das
Bezugszeichen 10. Es dient zur Versorgung einer Brennkraftmaschine 12,
die in 1 jedoch nur schematisch durch eine strichpunktierte
Linie angedeutet ist. Beide sind in ein in 1 nicht
dargestelltes Kraftfahrzeug eingebaut, um dieses anzutreiben.
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Das
Kraftstoffsystem 10 umfasst einen Kraftstoffbehälter 14,
aus dem eine üblicherweise elektrisch angetriebene Vorförderpumpe 16 den
Kraftstoff in einen Abschnitt 18a einer Niederdruckleitung 18 fördert.
Der Abschnitt 18a führt zu einer Saugdrossel 20,
die auch als "Zumesseinheit" bezeichnet wird und auf die weiter
unten noch stärker im Detail eingegangen wird.
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Von
der Zumesseinheit 20 führt ein Abschnitt 18b der
Niederdruckleitung 18 zu einer mechanisch von der Brennkraftmaschine 12 angetriebenen
Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22. Diese verdichtet den Kraftstoff
auf einen sehr hohen Druck und fördert ihn über eine
Hochdruckleitung 24 in eine Kraftstoff-Sammelleitung 26,
die auch als "Rail" bezeichnet wird. An diese sind mehrere Injektoren 28 angeschlossen,
die den Kraftstoff in nicht näher dargestellte Brennräume der
Brennkraftmschine 12 einspritzen.
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An
die Kraftstoff-Sammelleitung 26 ist ein elektromagnetisch
betätigtes Druckregelventil 30 angeschlossen,
welches auch als "Absteuerventil" bezeichnet wird und von dem eine
Absteuerleitung 32 zum Kraftstoffbehälter 14 zurückführt.
In dem vorliegenden Kraftstoffsystem 10 sind also zwei
wichtige Ventile enthalten, wobei man allgemein auch das Druckregelventil 30 als
erste Ventileinrichtung und die Zumesseinheit 20 als zweite
Ventileinrichtung bezeichnen kann. In der Absteuerleitung 32 ist
eine Strömungsdrossel 34 angeordnet. Jener Abschnitt der
Absteuerleitung 32, der stromaufwärts von der Strömungsdrossel 34 gelegen
ist, ist mit 32a bezeichnet, jener Abschnitt, der stromabwärts
von der Strömungsdrossel 34 angeordnet ist, mit 32b.
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Der
stromaufwärts von der Strömungsdrossel 34 gelegene
Abschnitt 32a der Absteuerleitung 32 ist mittels
einer gestrichelt dargestellten hydraulischen Steuerleitung 36 mit
der Zumesseinheit 20 verbunden. Eine weitere Steuerleitung 38 verbindet
den stromabwärts von der Strömungsdrossel 34 gelegenen
Bereich 32b der Absteuerleitung 32 ebenfalls mit der
Zumesseinheit 20.
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Der
Betrieb des Kraftstoffsystems 10 wird von einer Steuer-
und Regeleinrichtung 40 gesteuert beziehungsweise geregelt.
Diese wird allgemein auch einfach als "Steuergerät" bezeichnet.
Die Steuer- und Regeleinrichtung 40 erhält Signale
von einem Drucksensor 42, der an der Kraftstoff-Sammelleitung 26 angeordnet
ist und den in dieser herrschenden Kraftstoffdruck erfasst. Abhängig
von den Signalen des Drucksensors 42 steuert die Steuer-
und Regeleinrichtung 40 unter anderem das Druckregelventil 30 an,
um einen vom Drucksensor 42 erfassten Istdruck einem Solldruck
nachzuführen.
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Der
prinzipielle Aufbau der Zumesseinheit 20 wird nun unter
Bezugnahme auf 2 erläutert. In einem
Gehäuse 44 ist ein insgesamt zylindrischer Steuerkolben 46 gleitend
geführt. Zwischen einer ersten Stirnfläche 48 und
dem Gehäuse 44 ist ein Federraum 50 gebildet,
in dem eine Ventilfeder 52 aufgenommen ist, die sich einerseits
am Steuerkolben 46 und andererseits am Gehäuse 44 abstützt.
Eine Öffnung 54 verbindet den Federraum 50 mit
der Steuerleitung 38, also letztlich mit dem Abschnitt 32b der
Absteuerleitung 32. Zwischen einer in 2 auf der
linken Seite vorhandenen zweiten Stirnfläche 56 des
Steuerkolbens 46 und dem Gehäuse 44 ist
ein hydraulischer Steuerraum 58 gebildet, der über
eine Öffnung 60 mit der ersten hydraulischen Steuerleitung 36,
also letztlich dem Abschnitt 32a der Absteuerleitung 32 verbunden
ist. Der Steuerraum 48 wird radial durch einen Anschlagring 61 begrenzt,
an dem sich der Steuerkolben 46 in der in 2 gezeigten geöffneten
Endstellung abstützt.
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Auf
der Innenseite der Umfangswand des Gehäuses 44 sind
zwei axial voneinander beabstandete Ringnuten 62 und 64 vorhanden.
Die in 2 linke Ringnut 62 ist über
eine Öffnung 66 mit dem Abschnitt 18a der
Niederdruckleitung 18 verbunden, die in 2 rechte
Ringnut 64 über eine Öffnung 68 mit dem
Abschnitt 18b.
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Der
Steuerkolben 46 verfügt ungefähr in seiner
axialen Mitte über einen Zentralabschnitt 70 mit verringertem
Durchmesser und zwei Endabschnitte 72 und 74 mit
größerem Durchmesser. An den in 2 linken
Endabschnitt 72 ist ein sich in Richtung zum rechten Endabschnitt 74 axial
erstreckender Kragen 76 angeformt, in dem mehrere Steuerschlitze 78 vorhanden
sind. Je nach axialer Stellung des Steuerkolbens 46 überdecken
diese Steuerschlitze 78 die Ringnut 62 mehr oder
weniger.
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Das
Kraftstoffsystem 10 mit der Zumesseinheit 20 arbeitet
folgendermaßen: Kurz vor dem Starten der Brennkraftmaschine 12 fördert
die mechanische Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 noch keinen Kraftstoff
in den Hochdruck-Kraftstoffspeicher 26, so dass der Druck
in diesem noch vergleichsweise niedrig ist. Folglich ist das Druckregelventil 30 geschlossen,
es strömt kein Kraftstoff über die Absteuerleitung 32 ab.
Damit herrscht zu beiden Seiten der Strömungsdrossel 34 in
den Abschnitten 32a und 32b der gleiche Druck,
der folglich über die Steuerleitungen 36 und 38 auch
an den beiden Stirnflächen 48 und 56 des
Steuerkolbens 46 wirkt.
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Durch
die Ventilfeder 52 wird der Steuerkolben 46 jedoch
in die in 2 gezeigte geöffnete
Endstellung gedrückt, in der die Steuerschlitze 78 die Ringnut 62 maximal überdecken.
Somit kann von der Vorförderpumpe 16 eine maximale
Kraftstoffmenge zur Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 gefördert
werden, was einen schnellen Druckaufbau in der Kraftstoff-Sammelleitung 26 beim
Starten der Brennkraftmaschine 12 begünstigt.
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Auch
im Betrieb der Brennkraftmaschine 12, bei fördernder
Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22, kann ein ähnlicher
Zustand vorliegen, wenn eine Differenz zwischen dem vom Drucksensor 42 erfassten
Istdruck in der Kraftstoff-Sammelleitung 26 von einem Solldruck
einen Grenzwert nicht überschreitet und somit das Absteuerventil 30 geschlossen
bleibt. Steigt die Abweichung zwischen dem Istdruck und dem Solldruck
in der Kraftstoff-Sammelleitung 26 jedoch über
diesen Grenzwert, öffnet das Druckregelventil 30,
so dass Kraftstoff über das Druckregelventil 30 und
die Absteuerleitung 32 zum Kraftstoffbehälter zurück
abgesteuert wird.
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Nun
bildet sich über die Strömungsdrossel 34 hinweg
eine Druckdifferenz: Stromaufwärts von der Strömungsdrossel 34 im
Bereich 32a herrscht ein höherer Druck als stromabwärts
von der Strömungsdrossel 34 im Bereich 32b.
Entsprechend wirken an den Stirnflächen 48 und 56 unterschiedliche
Drücke, die nun dazuführen, dass die in Schließrichtung
des Steuerkolbens 46 wirkende Kraftresultierende die in Öffnungsrichtung
wirkenden Kräfte übersteigt, so dass der Steuerkolben 46 in
Schließrichtung (in 2 nach rechts)
gegen die Kraft der Ventilfeder 52 bewegt wird.
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Hierdurch
wird die Überdeckung der Steuerschlitze 78 mit
der Ringnut 62 geringer, so dass nur noch eine geringere
Kraftstoffmenge von der Vorförderpumpe 16 zur
Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 gelangt. Folglich fördert
die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 auch weniger Kraftstoff
in die Kraftstoff-Sammelleitung 26, so dass auch die zum
Erreichen beziehungsweise Erhalten eines bestimmten Druckniveaus
von dem Druckregelventil 30 abzusteuernde Kraftstoffmenge
sinkt. Dadurch wird auch die Druckdifferenz über die Strömungsdrossel 34 wieder
kleiner, so dass die Zumesseinheit 20 wieder etwas öffnet.
Auf diese Weise ergibt sich am Ende ein Gleichgewichtszustand, bei
dem die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 mit minimalem Energieaufwand
arbeitet.
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Das
Steuerverhalten des Druckregelventils 30 ergibt sich aus
dem Diagramm in 3: Die Abszisse des Diagramms
wird durch ein Ansteuersignals, beispielsweise einen Steuerstrom,
gebildet, mit dem das elektromagnetisch betätigte Druckregelventil 30 angesteuert
wird. Die Ordinate wird durch den in der Kraftstoff-Sammelleitung 26 herrschenden Druck
gebildet. Man erkennt, dass zum Aufrechterhalten eines vergleichsweise
kleinen Drucks auch ein vergleichsweise kleines Ansteuersignals
erforderlich ist.
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In
dem Diagramm von 3 sind mehrere Kurven aufgetragen.
Die Kurven in Richtung des Pfeiles A entsprechen einer vergleichsweise
großen Durchflussmenge, wohingegen die Kurven in Richtung
B einer vergleichsweise kleinen Durchflussmenge entsprechen. Eine
solche vergleichsweise kleine Durchflussmenge liegt in dem oben
beschriebenen Gleichgewichtszustand, bei korrekt funktionierender Zumesseinheit 20,
vor.
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Kommt
es jedoch zu einer Leckage beispielsweise in der ersten Steuerleitung 36,
sinkt der Steuerdruck im Steuerraum 58. Der Steuerkolben 46 nimmt
daher in dem besagten Gleichgewichtszustand eine Position ein, die
bei der in 2 gezeichneten Lage der Zumesseinheit 20 links
von der ohne Leckage vorliegenden Position des Steuerkolbens 46 liegt.
Bei einer Leckage in der Steuerleitung 36 ist daher die Überdeckung
der Steuerschlitze 38 mit der Ringnut 62 größer,
der Kraftstoffstrom zur Hochdruck-Kraftstoffpumpe 32 wird
somit gegenüber dem Zustand ohne Leckage entdrosselt, es
gelangt also mehr Kraftstoff als an sich gewünschtzur Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22.
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Damit
der Istdruck in der Kraftstoff-Sammelleitung 26 dennoch
möglichst gut mit dem gewünschten Solldruck übereinstimmt,
muss das Druckregelventil 30 stärker öffnen,
es muss also eine größere Kraftstoffmenge über
die Absteuerleitung 32 absteuern. Der gesamte Gleichgewichtszustand
bei einer Leckage in der Steuerleitung 36 ist also letztlich
gegenüber einem Zustand ohne Leckage durch eine größere
Durchflussmenge durch das Druckregelventil 30 gekennzeichnet.
Entsprechend unterscheidet sich das Ist-Steuersignal Sist im
Leckagefall von einem Referenz-Steuersignal Sref,
welches im Gleichgewichtszustand ohne Leckage (Referenzzustand), bei
einer vergleichsweise geringen Durchflussmenge durch das Druckregelventil 30 vorliegen
würde. Das Ist-Steuersignal Sist ist
dabei deutlich geringer als das Referenz-Steuersignal Sref.
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Dieser
Zusammenhang wird in dem nun unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen
Verfahren dazu ausgenutzt, um eine Leckage in der Steuerleitung 36 zu
erkennen. Nach einem Start in 80 wird in 82 in
der Kraftstoff-Sammelleitung 26 herrschende Istdruck pist, der vom Drucksensor 42 bereitgestellt wird,
festgestellt. Aus diesem wird in 84 unter Verwendung einer
Kennlinie (vergleiche 3) das Referenz-Steuersignal
Sref ermittelt, welches für die übliche
Referenz-Durchflussmenge gilt. In 86 wird das Ist-Steuersignal
Sist, mit dem das Druckregelventil 30 angesteuert
wird, festgestellt. In 88 wird die Differenz zwischen dem
Ist-Steuersignal Sist und dem Referenz-Steuersignal
Sref gebildet.
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In 90 wird
abgefragt, ob das Ist-Steuersignal Sist kleiner
ist als das Referenz-Steuersignal Sref.
Ist die Antwort in 90 Ja, wird in 92 abgefragt,
ob die in 88 festgestellte Differenz beziehungsweise deren
Betrag größer ist als ein Grenzwert G1. Ist dies
der Fall, was nur bei einer betragsmäßig vergleichsweise
großen Differenz der Fall ist, wird in 94 ein
Notabschalten der Brennkraftmaschine 12 eingeleitet. Ist
die Antwort in 92 nämlich Ja, ist dies ein Hinweis
auf eine vergleichsweise große Leckage in der Steuerleitung 36.
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Ist
die Antwort in 92 Nein, wird in 96 abgefragt,
ob die in 88 ermittelte betragsmäßige
Differenz größer ist als ein zweiter Grenzwert,
der betragsmäßig kleiner ist als der erste Grenzwert
(Schritt 92). Ist die Antwort in 96 Ja, wird in 98 ein
Warnsignal an den Fahrer des Kraftfahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine 12 und
das Kraftstoffsystem 10 eingebaut sind, ausgegeben. Die
Antwort "Ja" bei der Abfrage 96 ist nämlich ein
Hinweis auf eine zwar beachtenswerte, jedoch vergleichsweise kleine
und damit weniger kritische Leckage in der Steuerleitung 36.
Ist die Antwort in 90 Nein, wird in 100 abgefragt,
ob die in 88 festgestellte betragsmäßige
Differenz größer ist als ein dritter Grenzwert.
Ist die Antwort "Ja", erfolgt in 102 ein Eintrag in einen
Fehlerspeicher. Das Verfahren endet in 104.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005052636
A1 [0002, 0007]