-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plausibilisierung eines Raildrucksensors einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-System.
-
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt, welche zur Durchführung des Verfahrens geeignet sind.
-
Stand der Technik
-
Moderne Dieselmotoren sind heute gewöhnlich mit sogenannten Common-Rail-Systemen ausgestattet, welche es ermöglichen, den Kraftstoff mit sehr hoher Präzision unter sehr hohen Drücken in die Brennräume der Brennkraftmaschine einzuspritzen. Diese Common-Rail-Systeme verfügen über Raildrucksensoren, die den Druck im Rail erfassen. Der Druck wird einer Steuereinrichtung, beispielsweise einem Steuergerät der Brennkraftmaschine, als Eingangsgröße zugeführt. Derartige Fahrzeuge verfügen über On-Board-Diagnosesysteme, welche Störungen des Kraftfahrzeugs und der Brennkraftmaschine kontinuierlich erfassen und aufzeichnen. Im Geltungsbereich dieser On-Board-Diagnose-Gesetzgebung, insbesondere der OBD2-Systeme (On-Board-Diagnose II), besteht nun die Anforderung, die Plausibilität, beispielsweise von mittels Sensoren erfasster Daten zu überprüfen. Dies kann im Falle des Raildrucksensors rein prinzipiell mit Hilfe eines zweiten Raildrucksensors geschehen, dessen erfasste Druckdaten mit denen des ersten Raildrucksensors verglichen werden. Eine solche Lösung ist jedoch aufwendig und insbesondere auch teuer.
-
Neben der von der Gesetzgebung geforderten Plausibilisierung der Raildrucksensordaten ist es darüber hinaus in vielen Fällen wünschenswert, zu erkennen, ob das Fahrzeug getunt wurde, insbesondere ob ein sogenanntes RDS-Tuning stattfand. Bei einem RDS-Tuning werden dem Steuergerät zur Steigerung der Motorleistung gezielt falsche Raildruckmesswerte, die vom Raildrucksensor (RDS) ausgegeben werden, zugeführt. Ein solches Tuning kann für die Brennkraftmaschine schädlich sein und sein zweifelsfreier Nachweis ist beispielsweise für die Geltendmachung von Garantieansprüchen von Bedeutung.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vorteile der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Plausibilisierung eines Raildrucksensors einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass im Common-Rail-System bzw. in der Brennkraftmaschine vorhandene Sensoren und Steuergeräte-Funktionen, die zumeist als Computerprogramme implementiert sind, miteinander dahingehend verknüpft werden, dass eindeutig festgestellt werden kann, ob der tatsächliche Raildruck, das heißt der IST-Raildruck und der vom Raildrucksensor (RDS) ausgegebene Raildruck-Messwert übereinstimmen. Auf diese Weise sind eine RDS-Plausibilisierung und eine Tuningerkennung praktisch ohne Steigerung von Systemkosten möglich.
-
Hierzu wird erfindungsgemäß zunächst der Raildruck mittels des Raildrucksensors gemessen, der Raildruckwert dem Motorsteuergerät zugeführt, in dem Motorsteuergerät ein IST-Drehmoment aus wenigstens einer die Verbrennung charakterisierenden Größe bestimmt und das IST-Drehmoment mit Hilfe einer Korrekturfunktion auf einen SOLL-Wert geregelt. Eine Abweichung des Drehmoment-IST-Werts vom SOLL-Wert ist bei Dieselmotoren aufgrund des stets vorhandenen Überschusses an Verbrennungsluft eindeutig auf eine Abweichung der IST-Kraftstoffeinspritzmenge von ihrem Sollwert zurückzuführen.
-
Diese Abweichung einer IST-Einspritzmenge vom Sollwert kann in einem Common Rail System im Wesentlichen durch zwei Wirkmechanismen verursacht werden:
- 1) Veränderungen des Injektors oder der Einspritzdüse über Lebensdauer (Beispielsweise Änderung des hydraulischen Durchflusses durch die Einspritzdüse oder technischer Verschleiß mit Änderungen der Sitzgeometrie der Düsennadel)
- 2) Abweichung des physikalischen Raildrucks von dem vom Motorsteuergerät gemessenen Wert.
-
Die zum Erreichen des Drehmoment-Sollwerts erforderliche Soll-Einspritzmenge wird vom Motorsteuergerät durch eine für den gemessenen Raildruck spezifische elektrische Ansteuerung des Injektors realisiert, der auf diese Ansteuerung mit spezifischen Schaltzeiten der Einspritzdüse reagiert.
-
Wenn der physikalische IST-Raildruck aufgrund eines Defekts oder eines RDS-Tuningeingriffs von dem durch das Motorsteuergerät ermittelten Wert abweicht, so steuert das Motorsteuergerät den Injektor derart an, dass die tatsächlichen Schaltzeiten des Injektors bzw. der Einspritzdüsennadel von erwarteten Schaltzeiten abweichen.
-
Das Motorsteuergerät kann diese abweichenden Schaltzeiten erkennen, indem beispielsweise eine Detektion des Düsennadelschließzeitpunkts durchgeführt wird und der gemessene Düsennadelschließzeitpunkt mit einem im Motorsteuergerät hinterlegten Erwartungswert verglichen wird.
-
Da durch eine geeignete Softwarefunktion im Motorsteuergerät diejenigen Schaltzeitabweichungen der Düsennadel erkannt und kompensiert werden können, die durch Veränderungen des Injektors über die Lebensdauer bedingt sind, können verbleibende Schaltzeitabweichungen eindeutig auf eine Abweichung des physikalischen Raildrucks vom Messwert zurückgeführt werden.
-
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in dem unabhängigen Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.
-
So ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die wenigstens eine die Verbrennung charakterisierende Größe eine oder mehrere der folgenden Größen umfasst:
- – den gemessenen Zylinderdruck;
- – die gemessene Motordrehzahl.
-
Dies bedeutet, dass die Bestimmung des IST-Drehmoments aus dem Zylinderdruck und/oder der Motordrehzahl bestimmt werden. Beide Signale werden bei einem Dieselmotor erfasst und für seine Steuerung verwendet, sodass zusätzliche Hardware, insbesondere zusätzliche Sensorik nicht erforderlich ist.
-
Ferner ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass die Korrektur der auf einen Verschleiß der Einspritzkomponenten zurückgehenden Abweichung der IST-Einspritzmenge von der SOLL-Einspritzmenge mit Hilfe einer Closed-Loop-Funktion zur Regelung der Einspritzmenge über die Lebensdauer der Einspritzkomponenten erfolgt. Beispielsweise kann eine solche Closed-Loop-Funktion realisiert werden mithilfe einer Erfassung der Schaltzeiten eines Injektors bzw. der Einspritzdüsennadel und deren Regelung auf einen Sollwert. Mit Hilfe einer solchen Closed-Loop-Funktion kann die Einspritzmenge über Lebensdauer geregelt und toleranz- und/oder verschleißbedingte Abweichungen der IST-Einspritzmenge von der SOLL-Einspritzmenge der Injektoren des Einspritzsystems kompensiert werden, sofern der Messwert des Raildrucks dem physikalischen Wert des Raildrucks entspricht.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann als Computerprogramm realisiert werden und auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert werden, den das Steuergerät lesen kann. Auf diese Weise sind auch Nachrüstungen bestehender Steuergeräte möglich, wobei hier wiederum sehr vorteilhaft ist, dass derartige Nachrüstungen keine zusätzliche Hardware erfordern.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 in einer schematischen Darstellung ein Kraftstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine;
-
2 ein Schaubild zur Veranschaulichung des Sitzverschleißes an einem Injektor;
-
3 ein Schaubild zur Veranschaulichung von Korrekturfunktionen der Schließdauern des Injektors und
-
4 schematisch ein Blockdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Kraftstoffversorgungssystem 10 dargestellt, das in einer Brennkraftmaschine zur Anwendung kommt. Die Darstellung zeigt einen Kraftstoffbehälter 12, eine Vorförderpumpe 14, eine Hochdruckpumpe 16, ein Niederdruckbegrenzungsventil 18, einen Kraftstoffspeicher 20, der mit verschiedenen Injektoren 22 in Verbindung steht, und ein Druckregelventil 24, über das der Kraftstoffspeicher 20 mit dem Kraftstoffbehälter 12 in Verbindung steht. Das Druckregelventil 24 ist mittels einer Spule 26 steuerbar und ist regelmäßig derart ausgebildet, dass es bei Beaufschlagung mit einem Ansteuersignal einen bestimmten Druck im Kraftstoffspeicher 20 hält und nicht benötigten Kraftstoff in den Kraftstoffbehälter 12 ablässt.
-
Die Leitungen zwischen dem Ausgang der Hochdruckpumpe 16 und dem Eingang des Druckregelventils 24 werden als Hochdruckbereich bezeichnet. In diesem Bereich steht der Kraftstoff unter hohem Druck. Zur Erfassung des Drucks im Hochdruckbereich wird ein Sensor 30 eingesetzt. Die Leitungen zwischen dem Kraftstoffbehälter 12 und der Hochdruckpumpe 16 werden als Niederdruckbereich bezeichnet.
-
Verschiedene Stellglieder, wie beispielsweise die Hochdruckpumpe 16, die Injektoren 22 und das Druckregelventil 24 werden durch eine Steuerung 40 beaufschlagt. Dabei verarbeitet die Steuerung 40 verschiedene Signale unterschiedlicher Sensoren 42, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine kennzeichnen. In der Steuerung 40 ist eine Recheneinheit 44 zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens vorgesehen.
-
Im Betrieb wird der Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehälter 12 von der Vorförderpumpe 14 zu der Hochdruckpumpe 16 gefördert. Steigt der Druck im Niederdruckbereich auf zu hohe Werte an, so öffnet das Niederdruckventil 18 und gibt die Verbindung zwischen dem Ausgang der Vorförderpumpe 14 und dem Kraftstoffbehälter 12 frei. Der Kraftstoff wird mit der Hochdruckpumpe 16 vom Niederdruckbereich in den Hochdruckbereich gefördert, wobei diese einen hohen Druck im Kraftstoffspeicher 20 aufbaut. Typische Werte bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen, also Dieselmotoren, liegen zwischen 1000 und 3000 bar.
-
Mit dem Sensor 30 wird der Druck im Kraftstoffspeicher 20, der auch als Rail bezeichnet wird, bzw. im gesamten Hochdruckbereich erfasst. Die steuerbare Hochdruckpumpe 16 und ein Druckregelventil dienen zur Regelung des Drucks.
-
Fahrzeuge, die über derartige Common-Rail-Systeme verfügen, sind mit OBD-Systemen ausgestattet. Derartige On-Board-Diagnosesysteme (OBD2) zeichnen Störungen und Fehler während des Betriebs der Brennkraftmaschine und des Fahrzeugs auf bzw. zeigen diese dem Fahrer durch eine Fehlerindikationsleuchte an. Die aufgezeichneten Störungen sind in einem Speicher gespeichert und können später ausgelesen werden. Im Geltungsbereich der OBD2-Gesetzgebung besteht nun die gesetzliche Anforderung, den Sensor 30, der auch als Raildrucksensor (RDS) bezeichnet wird und nachfolgend so benannt wird, im gesamten Betriebsdruckbereich zu plausibilisieren. Dies könnte rein prinzipiell mit Hilfe eines weiteren Drucksensors im Hochdruckbereich geschehen. Ein solcher zweiter Drucksensor ist jedoch aufgrund des zusätzlichen technischen Aufwands, der Störanfälligkeit und nicht zuletzt auch aufgrund zusätzlicher hierdurch entstehender Kosten unerwünscht. Das nachfolgend beschriebene Verfahren vermeidet einen derartigen zusätzlichen Drucksensor und verknüpft die in der Brennkraftmaschine vorhandenen Sensoren mit Funktionen der auch als Steuergerät bezeichneten Steuerung 40 bzw. Software-Funktionen der Recheneinheit 44 so miteinander, dass eindeutig festgestellt werden kann, ob der tatsächliche Raildruck-IST-Wert und der vom Raildrucksensor 30 ausgegebene Raildruckmesswert zueinander passen. Auf diese Weise ist eine Plausibilisierung des Raildrucksensors 30 möglich. Es ist darüber hinaus aber auch eine Tuningerkennung ohne Steigerung der Systemkosten möglich. In manchen Fällen wird nämlich ein sogenanntes RDS-Tuning bei Fahrzeugen vorgenommen, bei dem man der Steuerung 40 zur Steigerung der Motorleistung gezielt falsche Raildruckmesswerte zuführt. Eine solche Steigerung der Leistung geht nicht selten auch mit einer signifikanten Erhöhung des Verschleißes einher, der insbesondere während der Garantiezeit zu nicht gerechtfertigten Garantieansprüchen führen kann, die werkstattseitig erkannt werden sollten.
-
Ein Verfahren zur Plausibilisierung eines Raildrucksensors einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-System wird nachfolgend in Verbindung mit den 2 bis 4 beschrieben.
-
Das im Verbrennungsmotor erzeugte Drehmoment korreliert mit der (drehmomentwirksamen) Einspritzmenge. Ein vom SOLL-Wert abweichendes IST-Drehmoment kann auf einen Einspritzmengenfehler zurückgeführt werden. Das SOLL-Drehmoment wird durch den Fahrerwunsch vorgegeben. Dies ist in 4 schematisch anhand des Blocks 410 dargestellt. Das IST-Drehmoment kann hingegen im Fahrzeug ermittelt werden durch:
- 1. eine Zylinderdruckmessung und/oder
- 2. eine Auswertung des Motordrehzahlsignals im Hinblick auf das effektive Gesamtmoment.
-
Die Zylinderdruckmessung kann durch Druckmessung in jedem Zylinder mittels eines Drucksensors erfolgen. Das innere Moment kann aus dem gemessenen Druckverlauf direkt auf an sich bekannte Weise direkt berechnet werden.
-
Eine Alternative sieht einen oder mehrere Leitzylinder bzw. sogenannte „key-cylinder“ vor. In diesem Falle verfügt der oder die Leitzylinder bzw. key-cylinder über einen Zylinderdrucksensor, mit dem das innere Moment auf an sich bekannte Weise ermittelt wird. Im Falle eines Reihenmotors ist dies typischerweise ein einziger Zylinder. Im Falle eines V-Motors dienen typischerweise ein oder zwei Zylinder als Leitzylinder. Anhand der Auswertung des Drehmoments an einem oder mehreren Leitzylindern wird ein Referenzwert gebildet.
-
Durch Software-Funktionen zur Gleichstellung des Drehmoments aller Motorzylinder oder der Einspritzmenge aller Injektoren einer Brennkraftmaschine werden die nicht indizierten Zylinder mit diesem Referenzwert gleichgestellt.
-
Sofern ein Einspritzmengenfehler vorliegt, kann dieser auf drei wesentliche Wirkmechanismen zurückgeführt werden. Zum einen kann ein technischer Verschleiß der Einspritzkomponenten zu einem Einspritzmengenfehler führen.
-
So kann beispielsweise ein Schaltventilverschleiß oder ein Düsensitzverschleiß eines Injektors zu einer Störung der zeitlichen Abläufe beim Öffnen und Schließen der Einspritzdüse führen.
-
Ein zweiter Wirkmechanismus, der zu einem Einspritzmengenfehler führt, ist eine Verkokung der Einspritzdüse. Der hydraulische Durchfluss durch die Düsenbohrung wird durch eine solche Verkokung verringert.
-
Eine dritte Fehlerquelle, die zu einem Einspritzmengenfehler führen kann, ist die Abweichung des tatsächlichen Raildrucks vom SOLL-Wert. Anhand der 2 werden Verfahrensschritte erläutert, mit deren Hilfe die Auswirkungen von Verschleiß und Verkokung in dem Injektor 22 kompensiert werden können, die aber auch dazu dienen, ein RDS-Tuning zu erkennen. Die Auswirkungen von Verschleiß und Verkokung in den Injektoren 22 werden mit sogenannten Closed-Loop-Funktionen zur Regelung der Einspritzmenge über deren Lebensdauer kompensiert. Diese Funktionen machen sich das Wirkprinzip zunutze, dass sich Driftmechanismen oder Verkokungen am Injektor in unterschiedlichen Schaltzeiten der Düsennadeln widerspiegeln. In 2a ist der Hub eines Injektors über der Zeit dargestellt. Die Kurve 200 bezeichnet die nominale Kurve des Injektorschließens, wohingegen die Kurve 210 eine Drift aufgrund Verschleißes darstellt. In 2b wurde diese Drift korrigiert, sodass die Kurven 200 und 210 nahezu übereinanderliegen.
-
Nutzt man die vorstehend genannten Software-Funktionen (Zylinderdruck, Drehzahl) zur Bestimmung und Regelung des Drehmoments und berücksichtigt die im Motorsteuergerät hinterlegten für die gewünschte Einspritzmenge und den Raildruck-Messwert spezifischen Schaltzeiten der Injektoren, so kann eine Abweichung der von Closed-Loop-Funktionen gemessenen Schaltzeiten des Injektors bzw. der Einspritzdüsennadel vom Erwartungswert eindeutig auf eine Abweichung des Raildrucksensors zurückgeführt werden.
-
Dies ist in 3 beispielhaft für die Schaltzeiten der Düsennadel dargestellt und näher erläutert. In 3a ist wiederum der Düsennadelöffnungshub eines Injektors über der Zeit dargestellt, wobei die Kurve 300 den nominalen Düsennadelöffnungshub darstellt. Die Kurve 310 zeigt beispielhaft einen mittels RDS-Tuning veränderten Injektor. In 3b ist neben dem nominalen zeitlichen Düsennadelnadelhub 300 eine Kurve 320 dargestellt, welche eine korrigierte Menge repräsentiert. In 3c ist neben der nominalen Kennlinie eine Kennlinie 330 dargestellt, welche einen korrigierten Verschleiß (wie oben beschrieben) repräsentiert. Es zeigt sich, dass die verschleißkorrigierte Kennlinie im Wesentlichen mit der nominalen Kennlinie 300 zusammenfällt und diese beiden Kennlinien gegenüber der mengenkorrigierten Kennlinie um eine Zeit ΔSD verschoben sind. Es weicht also der gemessene Düsennadelschließzeitpunkt von dem erwarteten SOLL-Wert ab. Dieses Verhalten kann auf eine Abweichung des in der Düsennadel wirkenden und im System vorherrschenden Drucks zurückgeführt werden. Es kann also mit anderen Worten über diese Zeitabweichung auf den Druck im System und damit den Raildruck geschlossen werden und dieser so bestimmte Raildruck zur Plausibilisierung des Raildrucksensors 30 herangezogen werden.
-
In 4 ist ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, welches vorzugsweise als Computerprogramm ausgeführt ist und in der Recheneinheit 44 der Steuerung 40 implementiert ist. Hierzu kann das Computerprogramm auf einem Datenträger gespeichert sein, den das Steuergerät 40 lesen kann.
-
In einem ersten Block 410 wird ein Wunschmoment des Fahrers oder eine Wunschmenge des Fahrers vorgegeben. In einem Block 420 werden Störgrößen ermittelt und berücksichtigt, beispielsweise aufgrund einer Injektordrift 421 oder aufgrund eines RDS-Tunings 422. In Block 430 erfolgt eine Mengenkorrektur beispielsweise durch eine zylinderdruck-(Block 432) und/oder drehzahlbasierte (Block 431) Einspritzmengenkorrekturfunktion. Sodann werden die mengenkorrigierten Größen dem Block 440 zugeführt. Das Gleiche gilt für die in Block 422 ermittelten Werte. In dem Injektormodell 440 wird anhand von Kennlinien 441 die SOLL-Schließdauer der Düsennadel bestimmt und mit der IST-Schließdauer 442, die beispielsweise im Steuergerät 40 ermittelt wird, verglichen. Die Abweichung wird ausgewertet in einem Block 450. In diesem Block ist beispielsweise ein weiteres Kennfeld 451 gespeichert, welches die Erkennung eines RDS-Tunings ermöglicht. Das Verfahren ermöglicht daher nicht nur eine Plausibilisierung des RDS-Sensors 30, sondern auch die zuverlässige Erkennung eines RDS-Tunings.
