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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse des Wirkungsgrades der Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems.
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In modernen Kraftfahrzeugen werden Kraftstoffeinspritzsysteme eingesetzt, die einen hohen Beitrag zur Erfüllung anspruchsvoller Kunden- und Gesetzesanforderungen bezüglich Kraftstoffverbrauch und Emissionen unerwünschter Schadstoffe liefern. Derartige moderne Kraftfahrzeuge weisen beispielsweise selbstzündende Verbrennungsmotoren auf, die mit einem Common-Rail-Diesel-Einspritzsystem arbeiten.
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Diese Kraftstoffeinspritzsysteme weisen unter anderem eine Hochdruckpumpe auf. Deren Aufgabe besteht darin, angelieferten Kraftstoff auf einen hohen Druck zu bringen und an ein Hochdrucksystem des jeweiligen Kraftfahrzeugs weiterzuleiten. Zu diesem Hochdrucksystem gehört unter anderem ein Hochdruckspeicher, der auch als Rail bezeichnet wird. Von dort wird der unter hohem Druck stehende Kraftstoff durch Injektoren in die Brennkammern des jeweiligen Verbrennungsmotors eingespritzt.
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Die Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems unterliegt während des Fahrbetriebs hohen mechanischen Belastungen, die mit der Zeit zu einem zunehmenden Verschleiß der Hochdruckpumpe führen. Dieser zunehmende Verschleiß kann zu einer Leistungsminderung oder gar zu einem Ausfall der Hochdruckpumpe führen. Ein Ausfall der Hochdruckpumpe während des Fahrbetriebes ist mit einem Liegenbleiben des Fahrzeugs verbunden.
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Mittels bekannter Diagnosesysteme ist eine Verschleißerkennung der Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems nicht möglich. Bekannte Diagnosesysteme erkennen lediglich, dass im Kraftstoffeinspritzsystem ein Fehler vorliegt, ohne jedoch die Ursache des Fehlers identifizieren zu können. Dies führt oftmals dazu, dass in einer Werkstatt rein aus Verdacht und unnötigerweise Bauteile des Kraftstoffeinspritzsystems ausgetauscht werden, die für den aufgetretenen Fehler gar nicht verantwortlich sind.
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Aus der
DE 100 36 772 C2 ist es bekannt, die Funktion der Hochdruckpumpen an einem Common-Rail-System, das mit zwei Hochdruckpumpen ausgestattet ist, sowohl auf Totalausfall einer Pumpe als auch auf einen Abfall in der Förderleistung zu überwachen. Hierbei wird die Förderleistung der Pumpen anhand des Raildrucks überwacht. Die Drucküberwachung erfolgt unter fortlaufender Mittelwertbildung der ermittelten Druckwerte.
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Des Weiteren ist aus der
DE 199 46 506 C1 ein Verfahren zur Fehlererkennung bzw. Überwachung von Hochdruck-Einspritzsystemen bekannt. Hierbei werden die mit einer zeitlichen Auflösung registrierten Signale, die die sich durch die Einspritzung und auch durch die Pumpenhübe verursachten periodischen Druckschwankungen abbilden, einer Auswertung unterzogen. Die absolute Höhe der durch die Kolbenhübe der Hochdruckpumpe bedingten Pulsation und deren zeitliche Veränderung ist hierbei ein Maß für den Alterungszustand der Hochdruckpumpe.
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Bei dem aus der
WO 01/83 971 A1 bekannten Verfahren kann zwischen Fehlern im Bereich der Hochdruckpumpe und dem Bereich eines hier als Elementabschaltventil bezeichneten Steuerventils unterschieden werden. Hierzu werden aus dem Raildrucksignal mittels Filterung Frequenzen entfernt, die einem ganzzahligen Vielfachen der Pumpenfrequenz entsprechen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mittels dessen in einem Kraftstoffeinspritzsystem auftretende Fehler besser lokalisiert werden können.
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Diese Aufgabe wird gemäß dem Anspruch 1 dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren zur Analyse des Wirkungsgrades der Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems eine auf einzelne Pumpenhübe bezogene Analyse des Wirkungsgrades der Hochdruckpumpe vorgenommen wird, für die einzelnen Pumpenhübe jeweils der Druckaufbau und der Druckabbau analysiert werden und aus der Analyse des Druckaufbaus und des Druckabbaus Rückschlüsse auf den Zustand von einzelnen Komponenten der Hochdruckpumpe gezogen werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Vorteile der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt
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1 eine Blockdarstellung der zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Bestandteile eines Kraftstoffeinspritzsystems,
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2 Diagramme zur Veranschaulichung des Druckaufbaus in den Zylindern einer Hochdruckpumpe,
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3 Diagramme zur Veranschaulichung des Einflusses des Schließpunktes der Auslassventile einer Hochdruckpumpe auf die Druckcharakteristik und
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4 Diagramme zur Veranschaulichung des Einflusses der Drehzahl der Kurbelwelle auf die Druckcharakteristik beim Vorliegen einer Innenleckage der Hochdruckpumpe.
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Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Analyse des Wirkungsgrades der Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems, wobei eine auf einzelne Pumpenhübe der Hochdruckpumpe bezogene Analyse des Wirkungsgrades der Hochdruckpumpe vorgenommen wird, für die einzelnen Pumpenhübe jeweils der Druckaufbau und der Druckabbau erfasst und analysiert werden und aus der Analyse des Druckaufbaus oder des Druckabbaus Rückschlüsse auf den Zustand von einzelnen Komponenten der Hochdruckpumpe gezogen werden.
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Die 1 zeigt eine Blockdarstellung der zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Bestandteile eines Kraftstoffeinspritzsystems.
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Die in der 1 gezeigte Blockdarstellung weist ein Kraftstoffzuführsystem 1, eine Kraftstoffhochdruckpumpe 2 und ein Hochdrucksystem 3 auf. Bei dem mit einer gestrichelten Umrandung versehenen Block 4 handelt es sich um eine Diesel-Common-Rail-Pumpe, zu welcher unter anderem eine interne Transferpumpe 7 und die Kraftstoffhochdruckpumpe 2 gehören. Zum Kraftstoffzufuhrsystem 1 gehören ein Kraftstofftank 5, ein Kraftstofffilter 6, die bereits genannte interne Transferpumpe 7, ein Volumenstromregelventil 8, ein Überlaufventil 9 und ein Druckbegrenzungsventil 10. Die mit dem Buchstaben p1 gekennzeichneten Pfeile sind Bestandteil eines Pumpenschmierungs- und Kraftstoffrückflusskreises.
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Die Kraftstoffhochdruckpumpe 2 weist eine Parallelschaltung zweier Zylinder 11, 12 auf, wobei der erste Zylinder 11 ein Einlassventil 13 und ein Auslassventil 14 aufweist und der zweite Zylinder 12 mit einem Einlassventil 15 und einem Auslassventil 16 versehen ist. Jeder der Zylinder weist einen Plunger auf, der im Betrieb des Zylinders längs einer Zylinderlauffläche bewegt wird. Dieser Bewegung ist jeweils ein Hubvolumen bzw. Verdrängungsvolumen zugeordnet. Während der Bewegung des Plungers entlang der Zylinderlauffläche treten Druckverluste auf, die nachfolgend als Blowby bezeichnet werden.
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Das Hochdrucksystem 3 enthält ein Druckbegrenzungsventil 17, das Rail 18 und Injektoren 19. Durch diese Injektoren 19 wird über Zuleitungen p2 Kraftstoff in die Brennkammern des Verbrennungsmotors gespritzt.
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Die gezeigte Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Vom Kraftstofftank 5 bereitgestellter Kraftstoff wird über das Kraftstofffilter 6 der internen Transferpumpe 7 zugeführt. Der am Ausgang der Transferpumpe 7 zur Verfügung stehende Kraftstoff geringen Druckes wird über das Volumenstromregelventil 8 der Kraftstoffhochdruckpumpe zugeführt und dort mittels der Zylinder 11 und 12 auf einen hohen Druck gebracht. Der Kraftstoff hohen Druckes gelangt über die Auslassventile 14 und 16 an das Hochdrucksystem 3 und in diesem an das Rail 18. Von dort wird der unter hohem Druck stehende Kraftstoff durch die Injektoren 19 in die Brennkammern des Verbrennungsmotors eingespritzt.
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Die Hochdruckpumpe 2 unterliegt während des Motorbetriebes hohen mechanischen Belastungen und damit einem zunehmenden Verschleiß ihrer Komponenten. Dieser Verschleiß kann über die Lebensdauer der Hochdruckpumpe zu einer Leistungsminderung oder gar zu einem Ausfall der Hochdruckpumpe führen. Ein Ausfall der Hochdruckpumpe ist zwangsläufig mit einem Liegenbleiben des jeweiligen Fahrzeugs verbunden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Erkennung des Verschleißzustandes der Komponenten der Hochdruckpumpe und damit auch eine Erkennung eines drohenden Ausfalls der Hochdruckpumpe. Durch diese Erkennung lässt sich der Betrieb des gesamten Kraftstoffeinspritzsystems stabilisieren. In vielen Fällen kann auch die Ursache eines im Kraftstoffeinspritzsystem auftretenden Fehlers auf eine bestimmte Komponente des Kraftstoffeinspritzsystems eingegrenzt werden. Insbesondere erlaubt die Erfindung, einzelne Komponenten der Hochdruckpumpe des Kraftstoffeinspritzsystems als fehlerhaft oder fehlerfrei zu detektieren. Wird eine oder werden mehrere Komponenten der Hochdruckpumpe als fehlerhaft oder als von einem bevorstehenden Ausfall bedroht erkannt, dann kann durch eine gezielte Reparatur dieser Komponenten oder einen ggf. notwendigen Austausch dieser Komponenten oder der gesamten Hochdruckpumpe gezielt Abhilfe geschaffen werden.
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Zu diesem Zweck wird bei der Erfindung eine Wirkungsgradanalyse der Hochdruckpumpe vorgenommen. Diese Wirkungsgradanalyse erfolgt in Bezug auf einen einzelnen Pumpenhub und auch unter Berücksichtigung von mehreren Pumpenhüben. Um eine auf die einzelnen Komponenten der Hochdruckpumpe bezogene Wirkungsgradanalyse durchführen zu können, erfolgt diese Wirkungsgradanalyse in mehreren Teilbereichen bzw. Schritten.
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In einem dieser Schritte erfolgt eine Wirkungsgradanalyse, bei welcher die Auslassventile 14 und 16 der Pumpenzylinder 11 und 12 auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft werden. Zu diesem Zweck wird jeweils nach einem Pumpenhub der Druckabfall erfasst und analysiert. Ist dieser Druckabfall größer als ein zugehöriger Schwellenwert, dann wird das jeweilige Auslassventil als fehlerhaft erkannt. Ist hingegen dieser Druckabfall kleiner als der zugehörige Schwellenwert, dann wird das jeweilige Auslassventil als fehlerfrei erkannt. Dieser Schritt ermöglicht folglich eine selektive Identifizierung eines schadhaften Auslassventils. Durch diese Möglichkeit, die Auslassventile der Pumpenzylinder einzeln zu analysieren, können folglich Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit der einzelnen Zylinder der Hochdruckpumpe gezogen werden, wobei die Summe der Ergebnisse auch zu einer Gesamtkomponentenbewertung herangezogen werden kann.
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In einem weiteren dieser Schritte erfolgt eine Wirkungsgradanalyse, bei welcher die Einlassventile 13 und 15 der Zylinder 11 und 12 auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft werden und bei welcher des Weiteren der durch einen Blowby zwischen dem jeweiligen Pumpenkolben und der jeweiligen Zylinderlauffläche verursachte Wirkungsgradverlust ermittelt wird. Zu diesem Zweck wird jeweils der Druck je Pumpenhub erfasst und analysiert. Dies erfolgt jeweils betriebspunktbezogen. Zu diesem Zweck sind für eine Vielzahl von Betriebspunkten jeweils ein Referenzwert und eine zulässige Abweichung vorgegeben. Befindet sich der Druckaufbau im jeweiligen Betriebspunkt im tolerierten Bereich, dann wird die Hochdruckpumpe bezüglich des jeweiligen Einlassventils für in Ordnung befunden. Zur Ermittlung des durch Blowby verursachten Druckabfalls erfolgt eine entsprechende Überprüfung in mehreren Betriebspunkten mit unterschiedlichen Pumpenhubfrequenzen.
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Durch die vorstehend beschriebene funktionale Bewertung und kombinierte Betrachtung der Einzelkomponenten der Hochdruckpumpe kann diese als defekt oder stark verschlissen erkannt werden und beispielsweise im Zuge von Kundendienstarbeiten ausgetauscht oder repariert werden, bevor das jeweilige Fahrzeug aufgrund einer wirkungsgradbedingten Fehlfunktion der Hochdruckpumpe liegenbleibt.
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Da die vorstehend beschriebene Wirkungsgradanalyse während des normalen Fahrbetriebes des Fahrzeugs durchgeführt werden kann, besteht in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, beim Erkennen eines in absehbarer Zeit bevorstehenden Ausfalls der Hochdruckpumpe den maximal zulässigen Druck im Kraftstoffeinspritzsystem abzusenken, um die Volllastmenge realisieren zu können und die Funktionsfähigkeit des Kraftstoffeinspritzsystems bis zum nächsten Werkstattbesuch aufrechterhalten zu können. Diese Absenkung des maximal zulässigen Drucks im Kraftstoffeinspritzsystem erfolgt insbesondere in nicht abgasrelevanten Betriebspunkten bei einer als volumetrisch grenzwertig erkannten Hochdruckpumpe.
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Die 2 zeigt Diagramme zur Veranschaulichung des Druckaufbaus in den Zylindern einer Hochdruckpumpe.
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Im oberen Diagramm ist längs der Abszisse der Kurbelwellenwinkel CRK und längs der Ordinate der Druck p aufgetragen. Die obere Kurve des oberen Diagrammes zeigt den theoretischen Druckaufbau (Wirkungsgrad 100%) bei einem Fördergrad der Hochdruckpumpe von 100%. In der unteren Kurve des oberen Diagrammes ist der theoretische Druckaufbau (Wirkungsgrad 100%) bei einem Fördergrad der Hochdruckpumpe von 50% veranschaulicht.
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Im unteren Diagramm der 2 ist längs der Abszisse der Kurbelwellenwinkel CRK und längs der Ordinate das Hubvolumen bzw. Verdrängungsvolumen HV der Zylinder der Hochdruckpumpe aufgetragen, wobei durch jeweilige Pfeile im Diagramm der Fördergrad 50% bzw. 100% der Hochdruckpumpe symbolisiert wird.
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Die 3 zeigt Diagramme zur Veranschaulichung des Einflusses des Schließpunktes der Auslassventile einer Hochdruckpumpe auf die Druckcharakteristik der Hochdruckpumpe.
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Dabei ist im oberen Diagramm längs der Abszisse der Kurbelwellenwinkel CRK und längs der Ordinate der Kraftstoffdruck p aufgetragen. Die im oberen Diagramm gezeigte Kurve veranschaulicht den im Kraftstoffeinspritzsystem auftretenden Druckverlust Δp, der beim Vorliegen eines bei 50° liegenden Kurbelwellenschließwinkels auftritt.
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Im unteren Diagramm ist längs der Abszisse der Kurbelwellenwinkel CRK und längs der Ordinate das Hubvolumen bzw. Verdrängungsvolumen HV der Zylinder der Hochdruckpumpe aufgetragen, wobei durch die Pfeile im Diagramm wiederum das Vorliegen eines Kurbelwellenschließwinkels von 50° veranschaulicht ist. Des Weiteren ist in der 3 der obere Totpunkt des Plungers angegeben.
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Die 4 zeigt Diagramme zur Veranschaulichung des Einflusses der Drehzahl der Kurbelwelle auf die Druckcharakteristik beim Vorliegen einer Innenleckage der Hochdruckpumpe.
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Dabei ist im oberen Diagramm längs der Abszisse der Kurbelwellenwinkel CRK und längs der Ordinate der Kraftstoffdruck p aufgetragen. Die im oberen Diagramm gezeigte Kurve K1 veranschaulicht den Druckaufbau bei 50% Fördergrad der Hochdruckpumpe ohne Vorliegen einer Pumpenleckage bei 1000 U/min sowie 3000 U/min. Die Kurve K2 veranschaulicht den Druckaufbau bei 50% Fördergrad der Hochdruckpumpe beim Vorliegen einer Pumpenleckage bei 3000 U/min. Die Kurve K3 veranschaulicht den Druckaufbau bei 50% Fördergrad der Hochdruckpumpe beim Vorliegen einer Pumpenleckage bei 1000 U/min.
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Im unteren Diagramm ist längs der Abszisse der Kurbelwellenwinkel CRK und längs der Ordinate das Hubvolumen bzw. Verdrängungsvolumen HV der Zylinder der Hochdruckpumpe aufgetragen. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass der durch eine Pumpenleckage verursachte Flow FW mit zunehmenden Kurbelwellenwinkel bzw. zunehmender Drehzahl größer wird.
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Die Genauigkeit der oben beschriebenen Wirkungsgradanalyse der Hochdruckpumpe wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Sie ist zum einen abhängig von der Genauigkeit des bei der Messung zum Einsatz kommenden Raildrucksensors. Die Genauigkeit dieses Sensors liegt bei ±1%. Insbesondere bei einer Betrachtung von Druckdifferenzen kann deshalb von einer ausreichenden Genauigkeit des Drucksensors ausgegangen werden. Die Genauigkeit des genannten Sensors kann – sofern gewünscht – durch eine Plausibilisierung überprüft werden.
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Ein weiterer Faktor, der die Genauigkeit der Wirkungsgradanalyse der Hochdruckpumpe beeinflusst, ist das Elastizitätsmodul. Bei konstantem Systemvolumen hat die Temperatur den größten Einfluss auf das Elastizitätsmodul. Die im Rail vorliegende Temperatur wird basierend auf dem gemessenen Temperaturwert im Pumpenvorlauf oder im Injektorrücklauf modelliert und steht im System mit hoher Genauigkeit zur Verfügung.
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Ferner beeinflusst die vorliegende Dauerleckage des Systems die Genauigkeit der Wirkungsgradanalyse der Hochdruckpumpe. Um diese Dauerleckage des Systems ermitteln zu können, wird für einige wenige Arbeitsspiele eine Pumpenförderung durch ein Schließen des Volumenstromventils 8 verhindert und der Druckabfallgradient über der Zeit als Dauerleckage des Systems über Druck und Temperatur in einem Speicher des Systems abgelegt. Diese abgespeicherte Größe kann bei der Bestimmung des tatsächlichen Druckaufbaus als Korrekturwert verwendet werden.
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Der volumetrische Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe wird im Wesentlichen durch zwei Faktoren beeinflusst:
Der erste Faktor ist die effektive Förderdauer. Je nach Ausführung der Pumpe kann der Schließpunkt der Auslassventile der Pumpe variieren. Dies kann dazu führen, dass nach dem Erreichen des oberen Totpunktes des Plungers der Pumpe Kraftstoff aus dem Hochdrucksystem in die Pumpe zurückströmt. Der Schließwinkel der Auslassventile der Hochdruckpumpe wird dadurch ermittelt, dass der Druckverlauf erfasst und der erfasste Druckverlauf mit der bereits ermittelten Dauerleckage korrigiert wird. Der auf diese Weise gewonnene Verlauf wird abgeleitet. Ist die Ableitung größer als Null, dann fördert die Pumpe. Ist die Ableitung gleich Null, dann liegt der obere Totpunkt des Kolbens des Plungers vor. Ist die Ableitung kleiner als Null, dann strömt Druck aus dem System in die Pumpe zurück. In dem Moment, in dem die Ableitung wieder zu Null wird, ist das Auslassventil geschlossen. Dieser Kurbelwinkelwert bezogen auf den oberen Totpunkt des Plungers wird bei der Berechnung des effektiven Fördergrades als Korrektur angewendet.
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Der volumetrische Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe hängt auch von den Toleranzen und vom Verschleiß der Komponenten der Hochdruckpumpe ab. So gibt es – wie bereits oben ausgeführt wurde – Verluste durch den Blowby zwischen dem Plungerkolben und der Zylinderlauffläche oder durch ein defektes Einlassventil. Dieser Druckverlust lässt sich ermitteln, indem bei verschiedenen Drehzahlen der Druckaufbau erfasst wird. Nach Berücksichtigung von Korrekturen, die auf die Dauerleckage und die Schließzeitpunkttoleranzen der Auslassventile zurückzuführen sind, ergibt sich ein unterschiedlicher Gradient im Druckaufbau über dem Kurbelwellenwinkel. Der Grund dafür ist, dass der Druckaufbau beim Vorliegen einer niedrigen Drehzahl länger dauert und dass während der Pumpenförderung mehr Zeit für Spaltverluste zur Verfügung steht.
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Wie aus den obigen Ausführungen ersichtlich ist, wurden bei der beschriebenen Analyse des Pumpenwirkungsgrades systemspezifische Parameter verwendet, um gezielte Messungen während des normalen Motorbetriebes vorzunehmen, und die durch Auswertung der Messergebnisse gewonnen Daten als verifizierende Größen für die Ermittlung der Funktionsfähigkeit und des Verschleißzustandes der Hochdruckpumpe verwendet. Durch diese funktionale Auswertung der erfassten Messdaten kann eine vorausschauende Bewertung der Hochdruckpumpe vorgenommen werden und eine Leistungsverminderung aufgrund von Pumpenverschleiß sowie ein Liegenbleiben des Fahrzeugs vermieden werden.
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Da das beschriebene Verfahren zur Analyse des Wirkungsgrades der Hochdruckpumpe während des normalen Fahrzeugbetriebes durchgeführt werden kann, deckt es in vorteilhafter Weise das gesamte Motorbetriebsbereichsspektrum ab. Dies ermöglicht eine umfassende Beurteilung des Zustands der Hochdruckpumpe. Da auftretende Fehler während des normalen Fahrbetriebes erfasst werden, können diese Fehler einem bestimmten Motorbetriebszustand zugeordnet werden und diese Zuordnung zusammen mit weiteren Fehlerdaten im Fahrzeug abgespeichert werden. Dies hat den Vorteil, dass bei einem nachfolgenden Werkstattaufenthalt der Lastpunkt, an dem die Fehlfunktion aufgetreten ist, bereits bekannt ist.
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Das beschriebene Verfahren zur Analyse des Wirkungsgrades der Hochdruckpumpe wird vorzugsweise in Motorschubphasen durchgeführt, da in diesen Motorschubphasen ein ungewünschter Einfluss von Störgrößen auf das Verfahren weitgehend ausgeschlossen werden kann.
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Das beschriebene Verfahren kann in vorteilhafter Weise mit einer weiteren Funktionalität, beispielsweise einer MFMA (minimal fuel mass adaption), wie sie beispielsweise in der
EP 1 570 165 B1 beschrieben ist, gemeinsam verwendet werden. Dabei kommt eine Druckanhebung im Schubbetrieb zur Anwendung.
