DE102012107596A1

DE102012107596A1 - Hochdruckpumpe und Verfahren zum Betrieb einer Hochdruckpumpe

Info

Publication number: DE102012107596A1
Application number: DE201210107596
Authority: DE
Inventors: Kohei Kuno
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-08-20
Filing date: 2012-08-20
Publication date: 2014-03-13
Anticipated expiration: 2032-08-21
Also published as: DE102012107596B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe (100) und ein Verfahren zum Betrieb einer Hochdruckpumpe (100). Die Hochdruckpumpe weist ein Einlassventil (110), ein Auslassventil (120) und dazwischen eine Kompressionskammer (105) auf. Die Hochdruckpumpe umfasst ferner ein Kompressionsmittel (106), das alternierend eine Hebe- und Senkbewegung ausführt und einen Kraftstoff in der Kompressionskammer (105) mit Druck beaufschlagt. Während einer Hebebewegung des Kompressionsmittels (106) öffnet das Auslassventil (120) und Kraftstoff wird zu einer Auslasspassage (120) hin ausgespeist. Ein Drucksensor (102) erfasst den Druck (PC) in der Kompressionskammer. Aus einem Vergleich des erfassten Verlaufs des Drucks (PC) mit einem vorbekannten Verlauf des Drucks (PC‘) in der Kompressionskammer (105) wird festgestellt, ob die Hochdruckpumpe (100) mit einem Kraftstoff betrieben wird, der eine unzulässige Qualität aufweist, insbesondere einen unzulässigen Kompressionsmodul (K), eine zu geringe Viskosität (ν) oder eine zu geringe Schmierfähigkeit (HFRR) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe zur Kompression von Kraftstoff. Die Hochdruckpumpe ist in einem Kraftstofffördersystem eines Verbrennungsmotors angeordnet. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer Hochdruckpumpe.
Es ist in der Praxis bekannt, Verbrennungsmotoren mit einem Kraftstoff zu betreiben, der mit einem hohen Druck beaufschlagt und in eine Brennkammer eingespritzt wird. Zur Förderung des Kraftstoffs werden Kraftstofffördersysteme verwendet, die den Kraftstoff von einem Kraftstofftank über eine oder mehrere Pumpen zu einem Hochdruck-Akkumulator speisen. Kraftstoffinjektoren spritzen den unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in die Zylinder des Motors ein. Es ist ferner bekannt, für die Druckbeaufschlagung Hochdruckpumpen einzusetzen. Derartige Verbrennungsmotoren und Hochdruckpumpen werden weltweit vertrieben und mit Kraftstoffen sehr unterschiedlicher Qualität betrieben. Wenn die eingesetzten Kraftstoffe nicht eine der Normung entsprechende Qualität aufweisen, kann es zu Schädigungen an der Hochdruckpumpe oder anderen Komponenten des Kraftstofffördersystems kommen. Die Folge davon können Unfälle, Beschädigungen anderer Maschinen oder Maschinenteile und eine Verschlechterung der Kundenakzeptanz von derartigen Kraftstofffördersystemen sein.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochdruckpumpe und ein Verfahren zum Betrieb einer Hochdruckpumpe aufzuzeigen, mit denen bei Vorliegen einer unzulässigen Kraftstoffqualität Maßnahmen zur Abwendung der obigen Nachteile getroffen werden können. Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen in den eigenständigen Ansprüchen.
Eine erfindungsgemäße Hochdruckpumpe weist einen Pumpenkörper, der eine Kompressionskammer bildet, ein Einlassventil, das eine Verbindung zwischen einer Einlasspassage und der Kompressionskammer öffnet und schließt, ein Auslassventil, das eine Verbindung zwischen der Kompressionskammer und einer Auslasspassage öffnet und schließt, sowie ein Kompressionsmittel auf, das eine Hebe- und Senkbewegung ausführt und in der Kompressionskammer enthaltenen Kraftstoff mit Druck beaufschlagt. Die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe weist ferner einen Drucksensor auf, der in der Kompressionskammer angeordnet ist.
Der Verlauf des Drucks in der Kompressionskammer wird bezüglich einer Hebe- und Senkbewegung des Kompressionsmittels erfasst. D.h. es wird ein Verlauf der Änderung des Drucks in der Kompressionskammer während eines Intervalls einer Hebe- und Senkbewegung digital oder analog erfasst, wobei jeder Zeitpunkt bzw. jede Position innerhalb der Hebe- und Senkbewegung durch eine Winkellage gekennzeichnet ist. Die Winkellage stellt die Bezugsachse für die Hebe- und Senkbewegung und für den Verlauf des Drucks in der Kompressionskammer dar. Die Erfassung des Drucks in der Kompressionskammer erfolgt bevorzugt über den oben erwähnten Drucksensor in der Kompressionskammer.
Die Hebe- und Senkbewegung des Kompressionsmittels kann beispielsweise durch einen rotatorischen Antrieb, wie eine Nockenwelle oder einen Pleueltrieb, hervorgerufen sein. Das Kompressionsmittel führt alternierend eine Senkbewegung, bei der die Kompressionskammer mit Kraftstoff gefüllt wird, und eine Hebebewegung aus, bei der der Kraftstoff, der in der Kompressionskammer eingeschlossen ist, komprimiert und mit Druck beaufschlagt wird. Sobald der Druck in der Kompressionskammer einen Schwellenwert für das Öffnen des Auslassventils überschreitet, öffnet sich dieses und der in der Kompressionskammer enthaltene Kraftstoff wird zu der Auslasspassage hin ausgespeist. Wenn das Kompressionsmittel wieder eine Senkbewegung beginnt, schließt das Auslassventil und es öffnet das Einlassventil. Während der Senkbewegung des Kompressionsmittels wird erneut Kraftstoff in die Kompressionskammer eingebracht. Zum Beginn der nächsten Hebebewegung, also wenn die Kompressionskammer mit Kraftstoff gefüllt ist, schließt das Einlassventil wieder und es beginnt die nächste Kompressions- und Ausspeisephase.
Eine unzulässige Kraftstoffqualität kann in verschiedener Weise vorliegen. Beispielsweise kann der Kompressionsmodul eines Kraftstoffs von dem normgemäß zulässigen Wertbereich abweichen. Wenn ein Kraftstoff einen zu hohen Kompressionsmodul aufweist, fällt eine Druckänderung bezogen auf die relative Änderung des Volumens der Kompressionskammer, die durch die Hebebewegung des Kompressionsmittels verursacht ist, zu hoch aus. Hierdurch kann eine gegenüber der Auslegung des Kraftstofffördersystems zu stark abweichende Ausspeisemenge der Hochdruckpumpe erzeugt werden, die zu einer Verschlechterung der Regelung des Verbrennungsablaufs im Motor führen kann. Ferner kann durch einen Kraftstoff mit einem zu hohen Kompressionsmodul eine Beschädigung von weiteren Komponenten, insbesondere von Kraftstoffinjektoren erzeugt werden. Auch ein zu geringer Kompressionsmodul kann zu negativen Folgen führen, wie beispielsweise einer zu geringen Ausspeisemenge der Hochdruckpumpe.
Eine unzulässige Kraftstoffqualität kann auch vorliegen, wenn der Kraftstoff eine unzureichende, d.h. eine zu niedrige Viskosität aufweist. Eine Viskosität des Kraftstoffs ist unzureichend, wenn sie zu weit von dem normgemäß zulässigen Bereich abweicht. Ein Kraftstoff mit einer zu niedrigen Viskosität kann leichter durch Dichtungsstellen in dem Kraftstofffördersystem hindurchtreten, wodurch ein Kraftstoffverlust und eine geminderte Ausspeisemenge der Hochdruckpumpe hervorgerufen werden. Ferner kann ein Kraftstoff mit einer zu niedrigen Viskosität zu einer Veränderung der Einspritzmenge von Kraftstoff aus den Kraftstoffinjektoren in die Brennkammer des Motors führen. Hierdurch können die Leistung und Schadstoffemissionen des Verbrennungsmotors verschlechtert werden.
Eine verminderte Kraftstoffqualität kann auch darin bestehen, dass der Kraftstoff eine zu niedrige Schmierfähigkeit aufweist. Teile der Kraftstoffförderanlage und der Einspritzanlage werden möglicherweise nur durch den Kraftstoff geschmiert, so dass auf zusätzliche Schmiervorrichtungen verzichtet werden kann. Dann ist eine Mindest-Schmierfähigkeit des Kraftstoffs erforderlich, um einen übermäßigen Verschleiß der Teile des Kraftstofffördersystems zu vermeiden. Die Schmierfähigkeit des Kraftstoffs kann auf beliebige Weise ermittelt werden. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass die Schmierfähigkeit gemäß dem HFRR-Wert (durch den High Frequency Reciprocating Rig-Test) ermittelt wird. Das Messverfahren zur Ermittlung des HFRR-Werts ist in der Praxis bekannt und im Rahmen der Auslegung von Kraftstofffördersystemen zur Ermittlung der Schmierfähigkeit üblich.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Vorliegen einer unzulässigen Kraftstoffqualität aus einer Abweichung des erfassten Verlaufs der Änderung des Drucks in der Kompressionskammer von einem vorbekannten Verlauf ermittelt wird. Der vorbekannte Verlauf der Änderung des Drucks in der Kompressionskammer ist ebenfalls auf die Hebe- und Senkbewegung des Kompressionsmittels bezogen. Er kann insbesondere als Kennlinie mit Bezug auf eine Winkellage erfasst sein.
Der bekannte Verlauf der Änderung des Drucks in der Kompressionskammer kann in beliebiger Weise bestimmt sein. Er kann beispielsweise in einem Laborversuch beim Hersteller ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Druckverlauf nach einer ersten Installation der Hochdruckpumpe unter Betrieb des Kraftstofffördersystems mit einem normgemäßen Kraftstoff aufgezeichnet werden. Der bekannte Verlauf kann in einer geordneten Datenstruktur, wie beispielsweise einer mathematischen Funktion, einer Referenztabelle oder einem Wertekennfeld abgelegt sein. Der bekannte Verlauf für eine Änderung des Drucks in der Kompressionskammer kann insbesondere folgende Informationen beinhalten:

• eine Winkellage innerhalb einer Hebe- und Senkbewegung des Kompressionsmittels, bei dem das Einlassventil schließt;
• eine Winkellage, bei der das Auslassventil öffnet;
• eine Winkellage, bei der das Auslassventil schließt;
• eine Winkellage, bei der das Einlassventil wieder öffnet;
• eine Steigung des Druckanstiegs zwischen einem Schließen des Einlassventils und einem Öffnen des Auslassventils;
• eine Steigung des Druckabfalls zwischen einem Schließen des Auslassventils und einem Öffnen des Einlassventils.

Alternativ oder zusätzlich können weitere charakteristische Werte eines Verlaufs des Drucks in der Kompressionskammer bezüglich einer Hebe- und Senkbewegung des Kompressionsmittels bei einem Betrieb mit normgemäßem Kraftstoff bekannt sein.
Das Öffnen und Schließen des Einlassventils und des Auslassventils können durch bestimmte repräsentative Druckänderungen erfasst sein. Bspw. kann das Öffnen des Auslassventils erkannt werden, wenn der Druck in der Kompressionskammer nach einer steigenden Flanke unstetig in einen Bereich mit einem im Wesentlichen konstanten Druck (dem Grenzdruck für das Öffnen des Ventils) wechselt. In der Praxis sind diverse Analysemethoden bekannt, um den Schaltzeitpunkt eines Ventils in einem Druckverlauf zu bestimmen. Auch die Bestimmung einer Steigung in einem bestimmten Bereich eines Druckverlaufs ist in der Praxis bekannt.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine unzureichende, d.h. zu niedrige Viskosität des Kraftstoffs festgestellt wird, wenn im Vergleich zu einem bekannten Druckverlauf die Winkellage, bei der das Auslassventil gemäß dem erfassten Druckverlauf öffnet, zeitlich nach hinten versetzt ist, und/oder die Winkellage, bei der das Auslassventil schließt, zeitlich nach vorne versetzt ist. Bevorzugt werden für diese Feststellung der Versatz der Winkellage des Schließens und der Versatz der Winkellage des Öffnens gemeinsam berücksichtigt. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass eine unzureichende Viskosität festgestellt wird, wenn der Versatz einer Winkellage abrupt, also in einer sehr kurzen Zeitspanne, insbesondere innerhalb einer oder weniger Betriebsstunden, bzw. innerhalb einer Tankfüllung auftritt.
Alternativ oder zusätzlich ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine unzureichende, d.h. verringerte Schmierfähigkeit festgestellt wird, wenn sich im Vergleich zu einem bekannten Druckverlauf die Winkellage, bei der das Auslassventil öffnet, zeitlich nach hinten verlagert und sich die Winkellage, bei der das Auslassventil schließt, zeitlich nach vorne verlagert. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass eine verringerte Schmierfähigkeit festgestellt wird, wenn sich diese Veränderungen der Winkellagen über einen längeren Zeitraum hinweg, also beispielsweise über mehrere Betriebsstunden des Verbrennungsmotors und/oder über mehrere Tankfüllungen hinweg ergeben.
Es ist ferner alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass ein unzulässiger, d.h. ein zu hoher Kompressionsmodul eines Kraftstoffs erkannt wird, wenn eine Steigung des Druckverlaufs während der Kompressionsphase, also während einer Hebebewegung des Kompressionsmittels zwischen einem Schließen des Einlassventils und einem Öffnen des Auslassventils, erhöht ist. Alternativ oder zusätzlich kann ein unzulässiger Kompressionsmodul erkannt werden, wenn eine Steigung des erfassten Druckverlaufs während einer Entspannungsphase, d.h. während einer Senkbewegung des Kompressionsmittels zwischen einem Schließen des Auslassventils und einem Öffnen des Einlassventils, verringert ist. Die erwähnten Steigungen können dabei jeweils mit den bekannten Steigungen für den bekannten Druckverlauf in der Kompressionskammer verglichen werden. In entsprechend umgekehrter Weise kann ein zu niedriger Kompressionsmodul festgestellt werden, wenn eine Steigung des erfassten Druckverlaufs während einer Kompressionsphase verringert ist und/oder wenn eine Steigung des erfassten Druckverlaufs während einer Entspannungsphase erhöht ist.
Es ist bevorzugt vorgesehen, dass eine Veränderung der Leckagerate der Hochdruckpumpe ermittelt wird. Die Leckagerate bezeichnet die Menge eines Verlustaustritts von Kraftstoff aus der Kompressionskammer der Hochdruckpumpe pro Zeiteinheit. Ein Verlustaustritt kann insbesondere durch ein Einlassventil zur Einlasspassage hin erfolgen, wenn eine Dichtfähigkeit des Einlassventils verschlechtert ist. Ein Verlustaustritt kann ferner durch einen Spalt zwischen dem Kompressionsmittel und dem Pumpenkörper zur Außenseite der Hochdruckpumpe hin auftreten. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Leckagerate der Hochdruckpumpe bei einem Betrieb der Hochdruckpumpe mit normgemäßem Kraftstoff bekannt ist. Sie kann beispielsweise beim Hersteller unter Laborbedingungen gemessen und in einer geordneten Datenstruktur abgelegt sein. Die Leckagerate kann insbesondere mit Bezug auf einen bekannten Verlauf des Drucks in der Kompressionskammer ermittelt sein. Ferner kann eine Änderung der Leckagerate bei Verwendung von Kraftstoff einer unzulässigen Qualität unter Laborbedingungen ermittelt werden, insbesondere für einen oder mehrere Kraftstoffe mit unzureichender Viskosität, unzureichender Schmierfähigkeit und/oder unzulässigem Kompressionsmodul.
Eine Änderung der Leckagerate kann insbesondere mit Bezug auf einen (gegenüber dem Betrieb mit normgerechtem Kraftstoff) geänderten Verlauf des Drucks in der Kompressionskammer hinterlegt sein, der durch die unzulässige Kraftstoffqualität verursacht ist. So kann beispielsweise bei Auftreten eines bestimmten Verlaufs des Drucks in der Kompressionskammer, der von dem Verlauf bei normgerechtem Kraftstoff abweicht, eine entsprechende veränderte Leckagerate der Hochdruckpumpe durch Berechnung mittels einer Funktion oder Zuordnung mittels eines Kennfelds oder einer Wertetabelle ermittelt werden.
Alternativ kann eine Veränderung der Leckagerate der Hochdruckpumpe in beliebiger anderer Weise ermittelt werden. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Veränderung der Leckagerate durch einen Vergleich des gemessenen Druckverlaufs in der Kompressionskammer mit einem bekannten Druckverlauf berechnet wird. Hierbei kann ein fluidmechanisches Modell für die Bewegung des Kompressionsmittels, den Massentransport von Kraftstoff sowie die fluidmechanischen Beziehungen zwischen Volumen und Druck hinterlegt sein. Aus diesem Modell kann beispielsweise durch eine Observer-Regelung der Druckverlauf berechnet werden, der sich bei Verwendung eines normgerechten Kraftstoffs für die Hebe- und Senkbewegung des Kompressionsmittels ergibt. Aus einer Abweichung des erfassten Verlaufs des Drucks in der Kompressionskammer von dem vorausberechneten Druckverlauf kann dann auf das Vorliegen einer unzulässigen Kraftstoffqualität geschlossen werden. In diesem Fall ist der vorberechnete Druckverlauf der vorbekannte Druckverlauf.
Es kann bevorzugt alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass ein Speicherdruck in der Auslasspassage erfasst wird und eine Veränderung der Leckagerate durch einen Vergleich des erfassten Verlaufs des Speicherdrucks in der Auslasspassage mit einem vorbekannten Verlauf des Speicherdrucks in der Auslasspassage berechnet wird. Es ist hierbei bevorzugt vorgesehen, dass von der Hochdruckpumpe ausgespeister Kraftstoff in einem Hochdruck-Akkumulator (beispielsweise einer Common-Rail) eingespeichert wird. In einem solchen Fall ist der Druck in der Auslasspassage weitgehend gleich zu dem Druck in dem Hochdruck-Akkumulator. Es kann also bevorzugt vorgesehen sein, dass der Druck in der Auslasspassage durch einen Drucksensor in dem Hochdruck-Akkumulator (beispielsweise einen Rail-Drucksensor) erfasst wird.
Der vorbekannte Verlauf des Speicherdrucks kann genauso erfasst und abgelegt sein, wie oben für den vorbekannten Verlauf eines Drucks in der Kompressionskammer dargestellt wurde.
Wenn eine Leckagerate infolge einer unzulässigen Kraftstoffqualität zunimmt, fällt die von der Hochdruckpumpe ausgespeiste Kraftstoffmenge ab. Aus dem Verlauf des Speicherdrucks in der Auslasspassage kann berechnet werden, wie hoch die Ausspeiserate der Hochdruckpumpe mit Bezug auf eine Hebe- und Senkbewegung des Kompressionsmittels ist. Die Ausspeiserate ist die Menge an ausgespeistem Kraftstoff pro Zeiteinheit. Wenn die erfasste Ausspeiserate gegenüber einer bekannten (oder durch ein Modell berechneten) Ausspeiserate verringert ist, kann hieraus auf das Vorliegen einer Veränderung der Leckagerate geschlossen werden. Dabei wird insbesondere die Gesamtveränderung der Leckagerate ermittelt, die auf einer Erhöhung eines Leckagestroms durch das Einlassventil und/oder auf einer Erhöhung des Leckagestroms entlang des Kompressionsmittels basieren kann.
Es ist bevorzugt vorgesehen, dass eine unzureichende, d.h. gegenüber dem normierten Zulässigkeitsbereich verringerte Schmierfähigkeit eines Kraftstoffs festgestellt wird, wenn der Verlauf einer Veränderung der Leckagerate zwischen einem Schließen und einem Öffnen des Einlassventils im Wesentlichen eine Trapezform aufweist. Ein trapezförmiger Verlauf liegt insbesondere dann vor, wenn die Änderung der Leckagerate in der Druckbeaufschlagungsphase / Kompressionsphase ansteigt, d.h. zwischen einem Schließen des Einlassventils und einem Öffnen des Auslassventils, dann während der Ausspeisephase in etwa gleich bleibt, d.h. zwischen einem Öffnen des Auslassventils und einem Schließen des Auslassventils, und schließlich während der Entspannungsphase wieder abfällt, d.h. zwischen einem Schließen des Auslassventils und einem Öffnen des Einlassventils. In einem solchen Fall mit trapezförmigem Verlauf der Leckagerate kann darauf geschlossen werden, dass sich nur ein Leckagestrom durch das Einlassventil erhöht hat. Dies ist ein charakteristisches Symptom, das bei einem Betrieb der Hochdruckpumpe mit einem Kraftstoff mit unzureichender Schmierfähigkeit auftritt. Die Erhöhung der Leckagerate folgt aus einem erhöhten Verschleiß des Einlassventils.
Eine unzureichende, d.h. verringerte Schmierfähigkeit eines Kraftstoffs kann alternativ oder zusätzlich in einem Fall festgestellt werden, bei dem die oben erläuterte Änderung der Leckagerate über einen längeren Zeitraum hinweg ansteigt, d.h. wenn der Betrag der Änderung der Leckagerate für die entsprechende Winkellage einer Hebe- und Senkbewegung des Kompressionsmittels über einen längeren Zeitraum hinweg ansteigt. Ein längerer Zeitraum ist ein Zeitraum von mehreren Betriebsstunden und/oder mehreren Tankfüllungen.
Alternativ oder zusätzlich zu der oben beschriebenen Erkennung kann vorgesehen sein, dass eine verringerte Viskosität eines Kraftstoffs festgestellt wird, wenn der erfasste Verlauf einer Änderung der Leckagerate bei der Winkellage, bei der das Auslassventil öffnet, ein lokales Maximum und während einer weiteren Hubbewegung des Kompressionsmittels eine negative Steigung aufweist. In einem solchen Fall kann davon ausgegangen werden, dass ein Anstieg der Leckagerate zumindest auf einer Erhöhung eines Leckagestroms entlang des Kompressionsmittels (durch einen Spalt zwischen Kompressionsmittel und Pumpenkörper) basiert. Das Auftreten des beschriebenen Maximums der Änderung der Leckagerate ist ein charakteristisches Symptom für den Betrieb einer Hochdruckpumpe mit einem Kraftstoff mit unzureichender Viskosität.
Eine erfindungsgemäße Hochdruckpumpe weist einen Drucksensor auf, der in der Kompressionskammer angeordnet ist. Die Hochdruckpumpe kann bevorzugt eine Steuereinheit umfassen, die dazu ausgebildet ist, einen oder mehrere Schritte des oben genannten Verfahrens zur Feststellung einer unzulässigen Kraftstoffqualität auszuführen.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:
1: ein Kraftstofffördersystem eines Verbrennungsmotors mit einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe;
2: eine vergrößerte Schnittansicht der Hochdruckpumpe gemäß 1;
3: Ablaufdiagramme zur Erläuterung der Erkennung eines unzulässigen Kompressionsmoduls;
4: Ablaufdiagramm zur Erläuterung der Erkennung einer unzureichenden Viskosität;
5: Ablaufdiagramme zur Erläuterung der Erkennung einer unzureichenden Schmierfähigkeit.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Hochdruckpumpe (100). Sie betrifft ferner eine Hochdruckpumpe (100).
1 zeigt ein Kraftstofffördersystem eines Verbrennungsmotors. Das Kraftstofffördersystem umfasst einen Kraftstofftank (134), eine Förderpumpe (136), ggf. ein Steuerventil (138), eine Hochdruckpumpe (100), einen Hochdruck-Akkumulator (130) und einen oder mehrere Kraftstoffinjektoren (104). Im Kraftstofftank (134) ist Kraftstoff gespeichert, der durch die Förderpumpe (136) zu einer Einlasspassage (108) der Hochdruckpumpe (100) gespeist wird. Die Förderpumpe (136) speist den Kraftstoff bevorzugt mit einem im Wesentlichen konstanten Förderdruck. Der Speisedruck (P_f) in der Einlasspassage (108) kann ggf. durch das Steuerventil (138) beeinflusst sein. Alternativ kann der Speisedruck (P_f) dem Förderdruck entsprechen. Das Steuerventil (138) kann insbesondere als Saug-Steuerventil (Englisch: suction control valve) ausgebildet sein.
Im Folgenden wird ein Ablauf einer Hebe- und Senkbewegung des Kompressionsmittels (106) mit einer dadurch bewirkten Folge einer Befüllungsphase, einer Kompressionsphase, einer Ausspeisephase und einer Entspannungsphase beschrieben. Die dabei beschriebenen Änderungen des Drucks (P_C) in der Kompressionskammer sind auch in dem jeweils zweiten Diagramm der 3 bis 5 dargestellt.
Wenn das Einlassventil (110) geöffnet ist, kann der Kraftstoff von der Einlasspassage (108) in die Kompressionskammer (105) strömen. Das Kompressionsmittel (106) kann in einer Axialrichtung des Pumpenkörpers (101) zur Vergrößerung oder Verkleinerung des Volumens der Kompressionskammer (105) hin- und her bewegt werden. Das Kompressionsmittel (106) führt dabei bevorzugt eine alternierende Hebe- und Senkbewegung aus. Während einer Senkbewegung des Kompressionsmittels (106) liegt zwischen einem Öffnen des Einlassventils (110) und einem Schließen des Einlassventils (110) eine Befüllungsphase vor. Wenn Kraftstoff in der Kompressionskammer (105) eingeschlossen ist, d.h. wenn sowohl das Einlassventil (110), als auch das Auslassventil (120) geschlossen sind, wird der Druck (P_C) in der Kompressionskammer (105) erhöht. Die Bewegung des Kompressionsmittels (106) in Richtung einer Verkleinerung des Volumens der Kompressionskammer (105) wird als Hebebewegung bezeichnet.
Das Einlassventil (110) kann bevorzugt ein passives Schaltverhalten aufweisen. Das bedeutet, das Einlassventil (110) weist bevorzugt ein Schaltverhalten auf, das nur von einer Druckdifferenz (P_C–P_f) zwischen dem Speisedruck (P_f) in der Einlasspassage (108) und dem Druck (P_C) in der Kompressionskammer (105) abhängt. Es wird im Folgenden zur einfacheren Darstellung davon ausgegangen, dass der Speisedruck (P_f) in der Einlasspassage (108) konstant ist. Wenn der Druck (P_C) in der Kompressionskammer (105) einen bestimmten Schwellenwert (P_IV*) überschreitet, schließt sich das Einlassventil (110). Wenn der Druck (P_C) in der Kompressionskammer unter den Schwellenwert (P_IV*) abfällt, öffnet sich das Einlassventil (110). Während der Befüllungsphase ist der Druck (P_C) in der Kompressionskammer (105) (um einen ggfs. sehr geringen Betrag) kleiner als der Schwellenwert (P_IV*).
Das Auslassventil (120) kann bevorzugt ebenso ein passives Schaltverhalten aufweisen. Das bedeutet, das Auslassventil (120) öffnet bevorzugt, wenn der Druck (P_C) in der Kompressionskammer (105) einen bestimmten Schwellenwert (P_OV*) überschreitet. Zwischen einem Schließen des Einlassventils (110) und einem Öffnen des Auslassventils (120), also wenn der Druck (P_C) in der Kompressionskammer (105) zwischen dem Schwellenwert (P_IV*) für das Schließen des Einlassventils (120) und dem Schwellenwert (P_OV*) für das Öffnen des Auslassventils (120) ist, liegt während einer Hebebewegung des Kompressionsmittels (105) die Druckbeaufschlagungsphase vor (auch Kompressionsphase genannt).
Wenn das Auslassventil (120) geöffnet ist, kann der von dem Kompressionsmittel (106) mit Druck beaufschlagte Kraftstoff aus der Kompressionskammer (105) zu der Auslasspassage (109) hin entweichen. Hierbei wird Kraftstoff von der Hochdruckpumpe (100) zu dem Hochdruck-Akkumulator (130) hin ausgespeist. Die Ausspeisephase aus der Hochdruckpumpe (100) liegt während einer Hebebewegung des Kompressionsmittels (106) zwischen einem Öffnen und einem Schließen des Ausspeiseventils (120) vor, also solange der Druck (P_C) in der Kompressionskammer (105) (um einen ggfs. sehr geringen Wert) über dem Schwellenwert (P_OV*) für das Öffnen und Schließen des Auslassventils (120) ist.
Wenn das Kompressionsmittel (106) das Ende der Hebebewegung erreicht hat und in die Senkbewegung übergeht, fällt der Druck (P_C) in der Kompressionskammer (105) wieder ab. Zwischen einem Schließen des Auslassventils (120) und einem Öffnen des Einlassventils (110), also während der Druck (P_C) in der Kompressionskammer (105) zwischen dem Schwellenwert (P_OV*) für das Schließen des Auslassventils und dem Schwellenwert (P_IV*) für das Öffnen des Einlassventils (120) ist, liegt die Entspannungsphase vor.
In dem Hochdruck-Akkumulator (130) kann der mit Druck beaufschlagte und von der Hochdruckpumpe ausgespeiste Kraftstoff gespeichert werden. An dem Hochdruck-Akkumulator (130) ist bevorzugt ein Drucksensor (103) (Rail-Drucksensor) angeordnet, der den Speicherdruck (P_r) in dem Hochdruck-Akkumulator (130) erfasst. Alternativ oder zusätzlich kann in einem Bereich zwischen der Auslasspassage (109) der Hochdruckpumpe (100) und dem Hochdruck-Akkumulator (130) ein anderer Drucksensor angeordnet sein, der den Druck in der Auslasspassage (109) erfasst. Der Druck in der Auslasspassage (109) kann insbesondere mit dem Speicherdruck (P_r) in dem Hochdruck-Akkumulator (130) gleich sein.
Ein oder mehrere Kraftstoffinjektoren (104) können an einem oder mehreren Zylindern eines Verbrennungsmotors (nicht dargestellt) angeordnet sein. Der in dem Hochdruck-Akkumulator (130) gespeicherte Kraftstoff wird zu einem Injektor (104) gespeist. Bei einer Aktuierung des Injektors (104) wird Kraftstoff in die Brennkammer eingespritzt und kann dort verbrannt werden.
Die Hochdruckpumpe (100) weist bevorzugt eine Steuereinheit (132) auf. Die Steuereinheit (132) kann beliebig ausgebildet sein. Sie kann insbesondere als elektronische Steuereinheit ausgebildet und der Hochdruckpumpe (100) zugeordnet sein. Alternativ kann die Steuereinheit (132) Teil einer anderen Steuereinheit, insbesondere einer Steuervorrichtung eines Verbrennungsmotors sein. Die Steuereinheit (132) ist bevorzugt mit dem Drucksensor (102) in der Kompressionskammer (105) der Hochdruckpumpe (100) verbunden. Sie kann weiterhin mit einem Drucksensor (103) zur Erfassung eines Speicherdrucks (P_r) in der Auslasspassage (109) und/oder in dem Hochdruck-Akkumulator (130) verbunden sein.
Das Kompressionsmittel (106) kann beliebig ausgebildet sein. Es ist bevorzugt als Pumpenkolben ausgebildet. Der Pumpenkolben kann beispielsweise in einem Führungskanal des Pumpenkörpers (101) eingesetzt sein. Der Führungskanal kann in die Kompressionskammer (105) münden, sodass eine Stirnseite des Pumpenkolbens eine Begrenzung der Kompressionskammer (105) bildet.
Das Kompressionsmittel kann bevorzugt durch eine Nockenwelle angetrieben sein. Die Nockenwelle kann bspw. über eine mechanische Verbindung, insbesondere eine Getriebe, mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gekoppelt sein. Alternativ kann einen beliebige andere Form eines Antriebs für das Kompressionsmittel (106) vorgesehen sein, wie beispielsweise ein Pleuelantrieb, ein Kurbeltrieb oder ein Exzentertrieb. Der Antrieb des Kompressionsmittels (106) ist dazu ausgebildet, das Kompressionsmittel (106) zu einer Hebe- und Senkbewegung anzuregen. Es ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass ein zeitlicher Verlauf der Hebe- und Senkbewegung des Kompressionsmittels (106) bekannt, insbesondere erfasst ist. Beispielsweise kann ein Drehwinkel, d.h. eine absolute Orientierung, einer Nockenwelle erfasst werden, wobei aus dem Drehwinkel der Nockenwelle und der Form der Nocken zu jedem Zeitpunkt ein Hub (h) des Kompressionsmittels (106) berechenbar ist. Alternativ kann der Verlauf einer Hebe- und Senkbewegung des Kompressionsmittels (106) auf beliebige andere Weise erfasst sein, beispielsweise durch einen Hubsensor. Ein Verlauf einer Hebe- und Senkbewegung wird bevorzugt durch eine Winkellage (φ) innerhalb eines Intervalls der Hebe- und Senkbewegung definiert. Die Winkellage (φ) ist bevorzugt die Bezugsskala für die Erfassung des Verlaufs einer Änderung des Drucks (P_C) in der Kompressionskammer (105).
2 zeigt eine erfindungsgemäße Hochdruckpumpe (100) in einer vergrößerten Schnittdarstellung. Das Einlassventil (110) ist hier als Rückschlagventil dargestellt. Es weist einen Ventilkörper (112) auf, der durch eine elastische Vorspannung in Richtung eines Ventilsitzbereichs (114) gedrängt wird. Die elastische Vorspannung kann in beliebiger Weise aufgebracht sein. Sie kann insbesondere durch eine Ventilfeder (116) erzeugt sein.
Bei der Hochdruckpumpe (100) gemäß 2 ist auch das Auslassventil (120) als Rückschlagventil ausgebildet. Es weist ebenfalls einen Ventilkörper (122) auf, der durch eine elastische Vorspannung in Richtung eines Ventilsitzbereichs (124) gedrängt wird. Die elastische Vorspannung kann wiederum durch eine Ventilfeder (126) erzeugt sein.
Die Schließrichtung des Einlassventils (110) und des Auslassventils (120) sind bevorzugt entgegen der Flussrichtung des Kraftstoffs in dem Kraftstofffördersystem gerichtet. Auf diese Weise können sowohl ein Öffnen und Schließen des Einlassventils (110), als auch ein Öffnen und Schließen des Auslassventils (120) durch eine Veränderung des Drucks (P_C) in der Kompressionskammer (105) ausgelöst sein. Das Ausspeiseverhalten der Hochdruckpumpe (100) kann bevorzugt durch eine Anpassung des Schwellenwerts (P_IV*) für das Öffnen und Schließen des Einlassventils (110) und den Schwellenwert (P_OV*) für das Öffnen und Schließen des Auslassventils (120), also über den Grad der elastischen Vorspannung des jeweiligen Ventilkörpers (114, 124), eingestellt sein.
In 2 sind ein möglicher Leckage-Strom (140) durch das Einlassventil (110) sowie ein möglicher Leckage-Strom (142) entlang des Kompressionsmittels (106) dargestellt. Eine Leckagerate (q_L) bezeichnet eine Menge eines Verlustaustritts pro Zeiteinheit. Die während einer Hebe- und Senkbewegung des Kompressionsmittels (106) auftretenden Verläufe einer Leckagerate (q_L,IV) am Einlassventil (110) und einer Leckagerate (q_L,CM) am Kompressionsmittel sind in den dritten und vierten Diagrammen der 3 bis 5 skizziert.
Durch einen Leckage-Strom (140, 142) entweicht Kraftstoff während der Kompressionsphase, der Ausspeisephase oder der Entspannungsphase aus der Kompressionskammer (105). Ein Leckage-Strom stellt einen Verlust-Austritt dar und vermindert somit die Ausspeisemenge der Hochdruckpumpe (100) während einer Hebe- und Senkbewegung des Kompressionsmittels (106). Bei intakter Dichtwirkung des Einlassventils (110) und des Dichtspalts zwischen dem Kompressionsmittel (106) und dem Pumpenkörper (101) kann ein Leckage-Strom (140, 142) sehr gering oder gleich Null sein.
Der Leckage-Strom (140) durch das Einlassventil (110) kann von unterschiedlichen Parametern abhängen. Er kann insbesondere von einem Verschleißzustand des Einlassventils (110) abhängen. Wenn eine Schmierfähigkeit (HFRR) des Kraftstoffs unterhalb der Norm liegt, kann ein erhöhter Verschleiß an dem Einlassventil (110) auftreten. Es kann insbesondere sein, dass eine Oberfläche des Ventilsitzbereichs (114) und/oder eine Oberfläche des Ventilkörpers (112) über einen längeren Zeitraum hinweg, d.h. über mehrere Betriebsstunden und/oder über mehrere Tankfüllungen hinweg, beschädigt werden. Es ist anzunehmen, dass ein Leckage-Strom (140) durch das Einlassventil (110) sich über einen längeren Zeitraum hinweg vergrößert. Die Vergrößerung des Leckage-Stroms (140) aufgrund normalen Verschleißes bei Verwendung eines normgemäßen Kraftstoffs kann durch Experiment ermittelt sein. Es ist weiterhin anzunehmen, dass die Vergrößerung des Leckage-Stroms (140) über dieses Maß eines normalen Verschleißes hinaus ansteigt, wenn die Hochdruckpumpe (100) mit einem Kraftstoff mit einer unzulässigen Schmierfähigkeit (HFRR) betrieben wird.
Ein zweiter Leckage-Strom (142) kann sich entlang des Kompressionsmittels (106) ausbilden. Der Leckage-Strom (142) kann von mehreren Parametern, insbesondere von der Ausbildung des Kompressionsmittels (106) bzw. einer Abdichtung zwischen dem Kompressionsmittel (106) und dem Pumpenkörper (101) abhängen. In 2 ist ein Kompressionsmittel (106) in Form eines zylindrischen Pumpenkolbens dargestellt, der in einer zylindrischen Führungsöffnung des Pumpenkörpers (101) verschieblich gelagert ist. Zwischen dem Kompressionsmittel (106) und dem Pumpenkörper (101) ist ein Dichtspalt. Der Dichtspalt ist einerseits durch die Spaltweite, d.h. durch den Abstand zwischen der Außenfläche des Kompressionsmittels (106) und der Innenfläche des Pumpenkörpers (101) im Bereich der Führungsöffnung gekennzeichnet. Er ist andererseits durch die Spaltlänge, also durch die Überdeckungslänge (d) zwischen dem Kompressionsmittel (106) und dem Pumpenkörper (101) definiert. Bezüglich der Überdeckungslänge (d) besteht eine dynamischer Veränderung der Dichtwirkung während einer Hebe- und Senkbewegung des Kompressionsmittels (106). Je größer die Hubhöhe (h) des Kompressionsmittels (106) ist, desto länger ist auch die Überdeckungslänge (d) zwischen dem Kompressionsmittel (106) und dem Pumpenkörper (101). In 2 sind exemplarisch zwei Positionen des Kompressionsmittels (106) bei dem maximalen Hub und dem minimalen Hub dargestellt. Hierbei werden die maximale Überdeckungslänge (d_max) und die minimale Überdeckungslänge (d_min) erreicht.
Die Überdeckungslänge (d) ändert sich während einer Hebe- und Senkbewegung des Kompressionsmittels (106). Je kürzer die Überdeckungslänge (d) ist, desto stärker kann sich ein Leckage-Strom (142) entlang des Kompressionsmittels (106) ausbilden, d.h. desto höher ist die Leckagerate (q_L,CM) am Kompressionsmittel (106). Die Leckagerate (q_L,CM) am Kompressionsmittel ist ferner abhängig von einer Druckdifferenz (P_C–P_Atm) zwischen dem Druck (P_C) in der Kompressionskammer (105) und dem Atmosphärendruck (P_Atm) außerhalb der Hochdruckpumpe (100). Während der Kompressionsphase steigt der Druck (P_C) in der Kompressionskammer (105) stark an. Die Überdeckungslänge (d) entspricht dabei zunächst der minimalen Überdeckungslänge (d_min) und steigt an. Bei einem Öffnen des Ausspeiseventils (120) hat der Druck (P_C) den maximal erreichbaren Druck (knapp über dem Schwellenwert (P_OV*) für das Öffnen des Ausspeiseventils (120)) erreicht. An diese Punkt liegt ein Maximum der Leckagerate (q_L,CM) entlang des Kompressionsmittels (106) vor. Während der weiteren Hebebewegung des Kompressionsmittels (106), also während der Ausspeisephase, steigt die Überdeckungslänge (d) weiter an, während der Druck (P_C) in der Kompressionskammer (105) nahezu konstant bleibt. Hierdurch verringert sich die Leckagerate (q_L,CM) entlang des Kompressionsmittels (106) wieder. Sie kann ggfs. während der zweiten Hälfte der Ausspeisephase auf einen nahezu konstanten Wert abfallen.
3 zeigt mehrere Diagramme zur Erläuterung einer Erkennung eines unzulässigen Kompressionsmoduls. In dem obersten Diagramm ist ein Verlauf der Hubhöhe (h) des Kompressionsmittels (106) dargestellt. Das zweite Diagramm zeigt einen Verlauf der Änderung des Drucks (P_C) in der Kompressionskammer (105). Das dritte und vierte Diagramm zeigen den Verlauf einer Leckagerate (q_L,IV) am Einlassventil (110) und den Verlauf einer Leckagerate (q_L,CM) entlang des Kompressionsmittels (106). Das unterste Diagramm zeigt eine Änderung der Leckagerate (∆q_L). Die Änderung der Leckagerate (∆q_L) ist definiert als die Änderung einer erfassten Gesamt-Leckagerate an der Hochdruckpumpe (100) gegenüber einer vorbekannten Gesamt-Leckagerate. Die bekannte Gesamt-Leckagerate kann beispielsweise bei einem Hersteller unter Laborbedingungen gemessen und abgelegt sein. Die Änderung der Gesamt-Leckagerate kann, wie oben beschrieben wurde, bevorzugt aus einem Verlauf des Drucks (P_C) in der Kompressionskammer (105) und/oder aus einem Verlauf des Speicherdrucks (P_r) in der Auslasspassage (109) im Vergleich zu einem jeweils bekannten Druckverlauf (P_C‘ und/oder P_r‘) ermittelt, insbesondere berechnet sein.
Alle in 3 dargestellten Diagramme sind auf eine Winkellage (φ) für die Hebe- und Senkbewegung des Kompressionsmittels (106) bezogen. Die Winkellage (φ) kann beispielsweise die momentane Orientierung einer Nockenwelle sein, die über einen Drehwinkelsensor erfasst wird. Alternativ kann die Winkellage (φ) auf beliebige andere Weise erfasst sein.
In 3 ist mit einer durchgezogenen Linie der bekannte Verlauf (P_C’) einer Änderung des Drucks in der Kompressionskammer (105) der Hochdruckpumpe (100) dargestellt. Dieser bekannte Verlauf (P_C‘) kann beispielsweise in einer geordneten Datenstruktur hinterlegt sein. Mit einer gestrichelten Linie ist ein erfasster Verlauf (P_C) (hier gemessener Verlauf) des Drucks in der Kompressionskammer (105) dargestellt. Wenn die Hochdruckpumpe (100) mit einem Kraftstoff betrieben wird, der einen unzulässigen Kompressionsmodul, insbesondere einen zu hohen Kompressionsmodul (K) aufweist, ändert sich der erfasste Verlauf (P_C) des Drucks in der Kompressionskammer (105).
Der Kompressionsmodul (K) ist allgemein definiert als die Druckänderung (dp), die erforderlich ist, um eine bestimmte relative Volumenänderung (dV/V) herbeizuführen. Der Kompressionsmodul (K) ist insbesondere nach der folgenden Formel festgelegt:
Wenn der Kompressionsmodul (K) zu hoch ist, d.h. den normgemäß zugelassenen Bereich überschreitet, steigt der Druck (P_C) in der Kompressionskammer (105) (Druckänderung dp) infolge der relativen Volumenänderung (dV/V), die durch die Hebebewegung des Kompressionsmittels (106) hervorgerufen wird, zu schnell an. Hierdurch entsteht einer größere Steigung (dP_C/dφ) in dem erfassten Verlauf (P_C) der Änderung des Drucks in der Kompressionskammer (105). Der Schwellenwert (P_OV*) für das Öffnen des Auslassventils (120) wird ggfs. früher, das heißt bei einer früheren Winkellage (φ_OV,o) erreicht, so dass eine verlängerte Ausspeisephase vorliegt. Die Winkellage (φ_OV,c), bei der das Auslassventil (120) wieder schließt, ist durch den erhöhten Kompressionsmodul (K) hingegen in der Regel nicht oder nur in einem vergleichsweise deutlich geringerem Maße verschoben.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein unzulässiger Kompressionsmodul (K) erkannt wird, wenn die Steigung (dP_C/dφ) des erfassten Druckverlaufs (P_C) während einer Kompressionsphase, d.h. während einer Hebebewegung des Kompressionsmittels (106) zwischen einem Schließen (φ_IV,c) des Einlassventils (110) und einem Öffnen (φ_OV,o) des Auslassventils (120), im Vergleich zu dem vorbekannten Druckverlauf (P_C‘) bzw. dessen Steigung (dP_C‘/dφ) während der Kompressionsphase erhöht ist. Die Steigung (dP_C/dφ) kann beispielsweise durch geeignete Auswertemittel innerhalb einer Steuereinheit (132) aus dem Signal des Drucksensors (102) berechnet werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass ein unzulässiger Kompressionsmodul (K) erkannt wird, wenn die Steigung (dP_C/dφ) des erfassten Druckverlaufs (P_C) während der Entspannungsphase, also während einer Senkbewegung des Kompressionsmittels (106) zwischen einem Schließen (φ_OV,c) des Auslassventils (120) und einem Öffnen (φ_IV,o) des Einlassventils (110), im Vergleich zu dem bekannten Druckverlauf (P_C‘) und insbesondere dessen Steigung (dP_C‘/dφ) während der Entspannungsphase verringert ist. Dies ist möglich, da sich das veränderte druckabhängige Verformungsverhalten des Kraftstoffs auch in einer Entspannungsphase in der Kompressionskammer (105) zwischen dem Schließen des Auslassventils (120) und dem erneuten Öffnen des Einlassventils (110) auswirkt.
Wie aus den unteren drei Diagrammen von 3 hervorgeht, tritt bei einem Betrieb der Hochdruckpumpe (100) mit einem Kraftstoff, der einen unzulässigen Kompressionsmodul (K) aufweist, keine merkliche Veränderung einer Leckagerate auf. Ein erhöhter Kompressionsmodul (K) hat in der Regel keinen maßgeblichen Einfluss auf einen Leckage-Strom (140) durch das Einlassventil (110) oder einen Leckage-Strom (142) entlang des Kompressionsmittels (106).
4 zeigt Diagramme, die den Diagrammen von 3 entsprechen. Die Diagramme in 4 dienen zur Erläuterung von Vorgängen, die durch den Betrieb einer Hochdruckpumpe (100) mit einem Kraftstoff mit verringerter Viskosität (ν) hergerufen werden, und einer Erkennung einer unzureichenden Viskosität (ν). Die Viskosität (ν) eines Fluids kennzeichnet dessen Zähigkeit. Je geringer die Viskosität (ν) ist, desto leichter kann das Fluid durch eine Dichtung hindurchtreten. Wenn eine Hodchdruckpumpe (100) mit einem Kraftstoff mit verringerter Viskosität (ν), d.h. mit einer Viskosität, die geringer ist als der gemäß der Norm vorgesehene Bereich, betrieben wird, erhöht sich ein Verlustaustritt aus der Hochdruckpumpe (100). Es können insbesondere ein Leckage-Strom (140) durch das Einlassventil (110) sowie ein Leckage-Strom (142) entlang einem Kompressionsmittel (106) ansteigen.
In dem dritten Diagramm von 4 ist eine Leckagerate (q_L,IV), d.h. die Menge eines Verlustaustritts aufgrund eines Leckage-Stroms (140) durch das Einlassventil (110) pro Zeiteinheit, dargestellt. Die Leckagerate (q_L,IV) ist mit Bezug auf die Winkellage (φ) einer Hebe- und Senkbewegung des Kompressionsmittels (106) angegeben. Der Leckage-Strom (140) durch das Einlass-Ventil (110) ist maßgeblich von der Druckdifferenz (P_C–P_f) zwischen dem Speisedruck (P_f) in der Einlasspassage (108) und dem Druck (P_C) in der Kompressionskammer (105) abhängig. Er ist ferner von der Viskosität (ν) des Kraftstoffs abhängig. Ein bekannter Verlauf der Leckagerate (q_L,IV) ist in 4 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Der geänderte Verlauf infolge der verringerten Viskosität (ν) ist mit einer gestrichelten Linie dargestellt.
Wenn die Viskosität (ν) des Kraftstoffs unzureichend, d.h. zu gering ist, nimmt die Leckagerate (q_L,IV) durch das Einlassventil (110) in etwa proportional zu der Druckdifferenz (P_C–P_f) über dem Einlassventil (110) zu. Infolgedessen strömt ein erhöhter Anteil des Kraftstoffs aus der Kompressionskammer (105) zurück in die Einlasspassage (108). Es findet ein verlangsamter Anstieg des Drucks (P_C) in der Kompressionskammer (105) statt. Entsprechend ist die Winkellage (φ_OV,o), bei der das Auslassventil (120) öffnet, zeitlich nach hinten versetzt. Der Leckage-Strom (140) durch das Einlassventil (110) besteht auch während der Ausspeisephase, also zwischen dem Öffnen und erneuten Schließen des Auslassventils (120). Hierdurch fällt der Druck (P_C) in der Kompressionskammer (105) früher wieder ab, und die Winkellage (φ_OV,c), bei der das Auslassventil (120) schließt, ist zeitlich nach vorne versetzt. Dies ist in dem zweiten Diagramm von 4 dargestellt.
Der Wert der Viskosität (ν) des Kraftstoffs hat auch einen Einfluss auf den Leckage-Strom (142) entlang des Kompressionsmittels (106). In dem vierten Diagramm von 4 ist eine Änderung der Leckagerate (q_L,CM) entlang des Kompressionsmittels (106) dargestellt. In der Kompressionsphase, d.h. zwischen einem Schließen (φ_IV,c) des Einlassventils (110) und einem Öffnen (φ_OV,o) des Auslassventils (120) befindet sich das Kompressionsmittel (106) am Beginn der Hebebewegung. Das bedeutet, die Überdeckungslänge (d) eines Dichtspalts zwischen dem Kompressionsmittel (110) und dem Pumpenkörper (101) ist vergleichsweise kurz. Infolgedessen ist der Einfluss der Überdeckungslänge (d) auf die Leckagerate (q_L,CM) in der Kompressionsphase besonders hoch. Sobald das Auslassventil (120) öffnet (φ_OV,o), findet keine weitere Erhöhung des Drucks (P_C) der Kompressionskammer (105) statt, während jedoch die Überdeckungslänge (d) durch die Hubbewegung des Kompressionsmittels (106) verlängert wird. Hierdurch nimmt die Leckagerate (q_L,CM) entlang des Kompressionsmittels (106) nach dem Öffnen (φ_OV,o) des Auslassventils (120) wieder ab. Je niedriger die Viskosität (ν) des Kraftstoffs ist, desto stärker wirkt sich der Einfluss einer Änderung der Dichtlänge (d) auf die Leckagerate (q_L,CM) entlang des Kompressionsmittels (106) und gleichzeitig auf die Gesamt-Leckagerate (q_L) aus.
Die Änderung der (Gesamt-)Leckagerate (∆q_L), die sich bei der Verwendung eines Kraftstoffs mit verringerter Viskosität (ν) ergibt, ist in dem untersten Diagramm von 4 dargestellt. Die Änderung der (Gesamt-)Leckagerate (∆q_L) weist ein lokales Maximum bei der Winkellage (φ_OV,o) auf, bei dem das Auslassventil (120) öffnet. Sie weist danach eine negative Steigung auf. Dieses Maximum und die darauf folgende negative Steigung der Änderung der Leckagerate (∆q_L) sind auf den vorbezeichneten Effekt einer Änderung der Überdeckungslänge (d) entlang des Kompressionsmittels (106) in Kombination mit dem Vorliegen einer verringerten Viskosität (ν) des Kraftstoffs zurückzuführen. Es kann daher aus dem Auftreten des Maximums mit der darauf folgenden negativen Steigung der Änderung der Leckagerate (∆q_L) darauf geschlossen werden, dass ein Kraftstoff mit einer verringerten Viskosität (ν) eingesetzt wird.
5 zeigt wiederum Diagramme entsprechend den vorhergehenden 3 und 4. In 5 sind Abläufe dargestellt, die aus einem Betrieb der Hochdruckpumpe (100) mit einem Kraftstoff mit einer unzureichenden, d.h. gegenüber der Norm verringerten Schmierfähigkeit (HFRR) resultieren. Der bekannte Verlauf (P_C‘) der Änderung eines Drucks in der Kompressionskammer (105) ist wiederum mit einer durchgezogenen Linie dargestellt, während ein erfasster Verlauf (P_C) (hier gemessener Verlauf) der Änderung des Drucks in der Kompressionskammer (105) mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist.
Durch die Verwendung eines Kraftstoffs mit einer verringerten Schmierfähigkeit (HFRR) kann es langfristig zu einem erhöhten Verschleiß an den bewegten Teilen einer Hochdruckpumpe (100) kommen. Hiervon ist hauptsächlich das Einlassventil (110) betroffen. Wie aus dem dritten Diagramm von 5 hervorgeht, kann eine Leckagerate (q_L,IV) durch das Einlassventil (110) infolge des Verschleißes mit der Zeit verstärkt ansteigen. Hierdurch ändert sich auch entsprechend der Verlauf einer Änderung der Leckagerate (∆q_L) an der Hochdruckpumpe (100). Der Verlauf der Leckagerate (q_L,CM) entlang des Kompressionsmittels (106) ist hiervon jedoch nicht oder nur in deutlich geringerem Maße betroffen. Je stärker der Verschleiß an dem Einlassventil (110) zunimmt, desto stärker nimmt auch der Betrag des Leckage-Stroms (140) durch das Einlassventil (110) mit der Zeit zu.
Durch den Verlustaustritt von Kraftstoff aus der Kompressionskammer (105) zur Einlasspasse (110) hin wird die Winkellage (φ_OV,o) bei der das Auslassventil (120) öffnet, zeitlich nach hinten versetzt. Ebenso kann die Winkellage (φ_OV,c), bei der das Auslassventil (120) schließt, zeitlich nach vorne versetzt sein.
Aus einem Vergleich des jeweils zweiten Diagramms in 4 und in 5 ist ersichtlich, dass eine Unterscheidung zwischen dem Vorliegen eines Kraftstoffs mit verringerter Viskosität (ν) und dem Vorliegen eines Kraftstoffs mit verringerter Schmierfähigkeit (HFRR) schwierig sein kann. In beiden Fällen kommt es zu einer Erhöhung des Verlustsaustritts aus der Kompressionskammer (105). Eine Unterscheidung ist jedoch in zweifacher Hinsicht möglich. Einerseits treten die Auswirkungen des Verschleißes infolge verringerter Schmierfähigkeit (HFRR) gemäß 5 erst allmählich auf. Es kann daher eine Unterscheidung darüber erfolgen, ob die festgestellten Veränderungen des erfassten Verlaufs (P_C) des Drucks in der Kompressionskammer (105) gegenüber dem bekannten Verlauf (P_C’) kurzfristig oder über einen längeren Zeitraum entstehen. Bei einer kurzfristigen Abweichung kann auf das Vorliegen eines Kraftstoffs mit verringerter Viskosität (ν) geschlossen werden. Treten die Veränderungen hingegen erst allmählich auf, kann auf das Vorliegen eines Kraftstoffs mit verringerter Schmierfähigkeit (HFRR) geschlossen werden.
Alternativ kann eine Unterscheidung anhand des Verlaufs der Änderung der (Gesamt-)Leckagerate (∆q_L) erfolgen. Weist die Änderung der Leckagerate (∆q_L) bei der Winkellage (φ_OV,o), bei der das Auslassventil (120) öffnet, ein Maximum und daran anschließend eine negative Steigung auf, so kann auf das Vorliegen eines Kraftstoffs mit verringerter Viskosität (ν) geschlossen werden. Hat der Verlauf der Änderung der Leckagerate (∆q_L) hingegen im Wesentlichen eine Trapezform hat, so kann auf das Vorliegen eines Kraftstoffs mit verringerter Schmierfähigkeit (HFRR) geschlossen werden.
Abwandlungen der beschriebenen und gezeigten Ausführungsbeispiele sind in verschiedener Weise möglich. Die Merkmale der beschriebenen und gezeigten Ausführungsformen können in beliebiger Weise miteinander kombiniert, gegeneinander vertauscht, ergänzt oder weggelassen werden.
Das Einlassventil (110) und das Auslassventil (120) sind bevorzugt als Rückschlagventile ausgebildet. Sie können alternativ in beliebiger anderer Weise ausgebildet sein, beispielsweise als teil- oder vollaktuierte Steuerventile. Ein teilaktuiertes Steuerventil kann insbesondere ein selbstöffnendes Ventil sein, d.h. es kann durch eine elastische Vorspannung geöffnet und entgegen dieser Vorspannung durch einen Aktuator geschlossen werden. Alternativ kann es ein selbstschließendes Ventil sein, das durch einen Aktuator geöffnet wird. Alternativ kann das Einlassventil (110) oder das Auslassventil (120) als vollaktuiertes Steuerventil augebildet sein, das durch Energiebeaufschlagung eines oder mehrerer Aktuatoren geöffnet und geschlossen wird, ohne eine passives Schaltverhalten aufzuweisen.
Bei Vorliegen eines Saug-Steuerventils (suction control valve (SCV)) kann der Speisedruck (P_f) in der Einlasspassage (108) einen variierbaren Wert haben. Hierdurch kann der Schwellenwert (P_IV*) für ein Öffnen und Schließen des Einlasventils (110) verändert sein, sodass sich eine Winkellage (φ_IV,o) des Öffnens und eine Winkellage (φ_IV,c) des Schließens des Einlassventils (110) verschieben. Dies kann zu einer steuernden Beeinflussung des Ausspeiseverhaltens der Hochdruckpumpe (100) genutzt sein. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Hochdruckpumpe (100) sieht bevorzugt eine rechnerische Antizipation dieser Verschiebungen der Winkellagen (φ_IV,o und φ_IV,c) vor. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass für eine rechnerische Bestimmung des bekannten Verlaufs (P_C‘) des Drucks in der Kompressionskammer (105) das oben erwähnte fluidmechanische Modell in einem Observer-Regler verwendet wird. Dabei kann der Speisedruck (P_f) bevorzugt durch einen Drucksensor in der Einlasspassage (108) erfasst und bei der Berechnung des bekannten Druckverlaufs (P_C‘) einbezogen werden.
Das Einlassventil (110) kann auch als Steuerventil, insbesondere als sogenanntes „pre-stroke control valve“ (PCV) ausgebildet sein. Das PCV ist bevorzugt als selbstöffnendes Ventil ausgebildet, das auch während des Beginns einer Hebebewegung des Kompressionsmittels (106) geöffnet bleiben kann, wobei ein Teil des Kraftstoffs in der Kompressionskammer (105) in die Einlasspassage (108) zurückgedrängt wird. Ein Schließen des PCV erfolgt durch Bestromung eines Ventil-Aktuators. Durch eine Veränderung des Timings der Bestromung kann das Ausspeiseverhalten der Hochdruckpumpe gesteuert werden. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass auch das Timing der Bestromung eines PCV dem vorgenannten fluidmechanischen Modell zugeführt wird und insbesondere eine rechnerische Bestimmung des bekannten Verlaufs (P_C‘) erfolgt.
Alternativ zu den beschriebenen und bevorzugten Merkmalen zur Erkennung einer unzureichenden Kraftstoffqualität können auch andere Merkmale verwendet werden, die sich aus den beschriebenen und gezeigten Veränderungen des erfassten Druckverlaufs (P_C) oder der Änderung der (Gesamt-)Leckagerate (∆q_L) ergeben.
Wenn eine unzulässige Kraftstoffqualität erkannt wurde, kann hierauf in beliebiger Weise reagiert werden. Eine Steuereinheit, beispielsweise die Steuereinheit (132) der Hochdruckpumpe (100), kann Maßnahmen treffen, um die nachteiligen Folgen einer unzulässigen Kraftstoffqualität zu vermeiden.
Es kann insbesondere eine der folgenden Maßnahmen erfolgen:

• Mitteilung an den Fahrer, dass eine unzulässige Kraftstoffqualität vorliegt und/oder welcher Systemfehler auftreten könnte;
• Mitteilung an den Fahrer, dass und ggfs. welche Komponente des Kraftstofffördersystems überprüft oder ersetzt werden sollte;
• Anpassung, insbesondere Verringerung des Rail-Drucks;
• Anpassung der Steuerung von Kraftstoffinjektoren und/oder Kraftstoffpumpe an die erfassten Parameter des Kraftstoffs.

Wenn eine zu geringe Viskosität festgestellt wurde, kann beispielsweise ein Systemfehler durch Festfressen der Nockwelle oder durch eine zu große Menge von in die Brennkammer eines Motors injiziertem Kraftstoff drohen. Es ist daher empfehlenswert, den Raildruck zu verringern und/oder die Steuerung der Kraftstoffinjektoren und/oder der Hochdruckpumpe anzupassen.
Wenn ein unzulässiger Kompressionsmodul erkannt wurde, kann ein Systemfehler durch verminderte Stabilität der Druckregelung drohen, was zu verschlechterten Fahreigenschaften führen kann. Es ist daher empfehlenswert, den Raildruck zu verringern und/oder die Steuerung der Kraftstoffinjektoren und/oder der Hochdruckpumpe anzupassen.
Wenn eine verringerte Schmierfähigkeit (HFRR) erkannt wurde, kann ein Systemfehler durch Blockade oder Klemmen des Einlass- und/oder des Auslassventils drohen, was zu einem Stillstand des Motors oder Beschädigungen an anderen Teilen führen kann. Es ist daher empfehlenswert, den Raildruck zu verringern und ggfs. dem Fahrer mitzuteilen, dass die Hochdruckpumpe geprüft oder ersetzt werden sollte.

Alternativ können je nach Ausbildung der Hochdruckpumpe und des Kraftstofffördersystems beliebige andere geeignete Maßnahmen ergriffen werden. BEZUGSZEICHENLISTE

100	Hochdruckpumpe	High pressure pump
101	Pumpenkörper	Pump-body
102	Drucksensor	Pressure sensor
103	Rail-Drucksensor	Rail-pressure sensor
104	Kraftstoffinjektor	Fuel injector
105	Kompressionskammer	Compression chamber
106	Kompressionsmittel / Pumpenkolben	Compression means / Pump piston
108	Einlasspassage	Inlet passage
109	Auslasspassage	Outlet passage
110	Einlassventil	Inlet valve
112	Ventilkörper	Valve body
114	Ventilsitzbereich	Valve seat area
116	Ventilfeder	Valve spring
120	Auslassventil	Outlet valve
122	Ventilkörper	Valve body
124	Ventilsitzbereich	Valve seat area
126	Ventilfeder	Valve spring
130	Hochdruck-Akkumulator / Common-Rail	High-pressure-accumulator / Common-Rail
132	Steuereinheit	Control Unit
134	Kraftstofftank	Fuel tank
136	Förderpumpe	Feed pump
138	Steuerventil	Control valve
140	Leckage-Stromdurch Einlass-Ventil	Leakage flow through inlet valve
142	Leckage-Strom entlang Kompressionsmittel	Leakage flow along compression means
h	Hubhöhe des Kompressionsmittels	Lift hight of compression means
d	Überdeckungslänge zwischen Kompressionsmittel und Pumpenkörper / Dichtungslänge	Overlapping length between compression meansand pump body / sealing length
PC	Druck in Kompressionskammer	Pressure inside compression chamber
Pf	Speisedruck in Einlasspassage	Feedpressure inside inlet passage
Pr	Speicherdruck in Auslasspassage / Rail-Druck	Storage pressure in outlet passage / Rail-pressure
K	Kompressionsmodul	Bulkmodulus
ν	Viskosität	Viscosity
HFRR	Schmierfähigkeit des Kraftstoffs (bestimmt nach dem „high frequency reciprocating rig“ Testverfahren)	Lubricity of fuel (determined acc. to “high frequency reciprocating rig” test)
V	Volumen der Kompressionskammer	Volume of compression chamber
Q	Ausspeisemenge	Discharge quantity
qL	Leckagerate (Leckagemenge pro Zeiteinheit)	Leakage rate (leakage amount per time unit)
qL,IV	Leckagerate am Einlassventil	Leakage rate at inlet valve
qL,CM	Leckagerate am Kompressionsmittel	Leakage rate at compression means
φIV,o	Winkellage wenn Einlassventil öffnet	Angleposition when inlet valve opens
φIV,c	Winkellage wenn Einlassventil schließt	Angle position when inlet valve closes
φOV,o	Winkellage wenn Auslassventil öffnet	Angle position when outlet valve opens
φIV,c	Winkellage wenn Auslassventil schließt	Angle position when outlet valve closes

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Hochdruckpumpe, wobei die Hochdruckpumpe (100) umfasst: – einen Pumpenkörper (101), der eine Kompressionskammer (105) bildet, – ein Einlassventil (110), das eine Verbindung zwischen einer Einlasspassage (108) und der Kompressionskammer (105) öffnet und schließt, – ein Auslassventil (120), das eine Verbindung zwischen der Kompressionskammer (105) und einer Auslasspassage (109) öffnet und schließt, – ein Kompressionsmittel (106), das eine Hebe- und Senkbewegung ausführt und in der Kompressionskammer (105) enthaltenen Kraftstoff mit Druck beaufschlagt, – einen Drucksensor (102), der in der Kompressionskammer (105) angeordnet ist; wobei ein Verlauf des Drucks (P_C) in der Kompressionskammer (105) bezüglich der Hebe- und Senkbewegung des Kompressionsmittels (106) erfasst wird und wobei das Vorliegen einer unzulässigen Kraftstoffqualität aus einer Abweichung des erfassten Verlaufs von einem bekannten Verlauf für die Änderung des Drucks (P_C‘) in der Kompressionskammer (105) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine unzureichende Viskosität (ν) festgestellt wird, wenn im Vergleich zu dem bekannten Verlauf der Änderung des Drucks (P_C‘) in der Kompressionskammer (105) die Winkellage (φ_OV,o), bei der das Auslassventil (120) öffnet, zeitlich nach hinten versetzt ist und die Winkellage (φ_OV,c), bei der das Auslassventil schließt, zeitlich nach vorne versetzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine verringerte Schmierfähigkeit (HFRR) festgestellt wird, wenn sich über einen längeren Zeitraum hinweg im Vergleich zu dem bekannten Verlauf der Änderung des Drucks (P_C‘) in der Kompressionskammer (105) die Winkellage (φ_OV,o), bei der das Auslassventil (120) öffnet, zeitlich nach hinten verlagert und die Winkellage (φ_OV,c), bei der das Auslassventil schließt, zeitlich nach vorne verlagert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein unzulässiger Kompressionsmodul (K) erkannt wird, wenn eine Steigung (dP_C/dφ) des erfassten Druckverlaufs (P_C) im Vergleich zu dem bekannten Druckverlauf (P_C‘) während einer Hebebewegung des Kompressionsmittels (106) zwischen einem Schließen (φ_IV,c) des Einlassventils (110) und einem Öffnen (φ_OV,o) des Auslassventils (120) erhöht und/oder eine Steigung (dP_C/dφ) des erfassten Druckverlaufs (P_C) im Vergleich zu dem bekannten Druckverlauf (P_C‘) während einer Senkbewegung des Kompressionsmittels (106) zwischen einem Schließen (φ_OV,c) des Auslassventils (120) und einem Öffnen (φ_IV,o) des Einlassventils (110) verringert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung der Leckagerate (∆q_L) der Hochdruckpumpe ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Leckagerate (∆q_L) durch einen Vergleich des erfassten Druckverlaufs (P_C) in der Kompressionskammer (105) mit einem bekannten Druckverlauf (P_C‘) berechnet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicherdruck (P_r) in der Auslasspassage (109) erfasst wird, wobei die Veränderung der Leckagerate (∆q_L) durch einen Vergleich des erfassten Verlaufs des Speicherdrucks (P_r) in der Auslasspassage (109) mit einem bekannten Druckverlauf (P_r‘) in der Auslasspassage (109) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine verringerte Schmierfähigkeit (HFRR) festgestellt wird, wenn der Verlauf der Änderung der Leckagerate (∆q_L) während einer Hebe- und Senkbewegung des Kompressionsmittels (106) zwischen einer Winkellage (φ_IV,c) des Schließens und einer Winkellage des Öffnens (φ_IV,o) des Einlassventils (110) im Wesentlichen eine Trapezform hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine verringerte Schmierfähigkeit (HFRR) festgestellt wird, wenn die Änderung der Leckagerate (∆q_L) über einen längeren Zeitraum hinweg ansteigt, und der Betrag des Anstiegs einen vorbestimmten zeitabhängigen Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine verringerte Viskosität (ν) festgestellt wird, wenn der Verlauf einer Änderung der Leckagerate (∆q_L) bei der Winkellage (φ_OV,o) eines Öffnens des Auslassventils (120) ein lokales Maximum und während einer weiteren Hubbewegung des Kompressionsmittels (106) eine negative Steigung (d∆q_L/dφ) aufweist.
Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffversorgungssystem eines Verbrennungsmotors, wobei die Hochdruckpumpe (100) umfasst: – einen Pumpenkörper (101), der eine Kompressionskammer (105) bildet, – ein Einlassventil (110), das eine Verbindung zwischen einer Einlasspassage (108) und der Kompressionskammer (105) öffnet und schließt, – ein Auslassventil (120), das eine Verbindung zwischen der Kompressionskammer (105) und einer Auslasspassage (109) öffnet und schließt, und – ein Kompressionsmittel (106), das dazu ausgebildet ist, eine Hebe- und Senkbewegung auszuführen und in der Kompressionskammer (105) enthaltenen Kraftstoff mit Druck zu beaufschlagen, dadurch gekenn zeichnet, dass die Hochdruckpumpe (100) einen Drucksensor (102) umfasst, der in der Kompressionskammer (105) angeordnet ist.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennze ich net, dass die Hochdruckpumpe eine Steuereinheit (132) umfasst, die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.