DE102014220422A1 - Plausibilisierung eines Kraftstoffdrucksensors über Messung der Schallgeschwindigkeit im Kraftstoff - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren Verfahren zum Bestimmen eines Drucks in einer Hochdruckleitung (150) einer Kraftstoffversorgungseinrichtung (100) eines Verbrennungsmotors, wobei eine Schallgeschwindigkeit in der Hochdruckleitung (150) ermittelt wird, wobei aus der ermittelten Schallgeschwindigkeit der Druck in der Hochdruckleitung (150) bestimmt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Drucks in einer Hochdruckleitung einer Kraftstoffversorgungseinrichtung eines Verbrennungsmotors und ein Computerprogramm und eine Recheneinheit zu dessen Durchführung.
  • Stand der Technik
  • Die Erfindung beschäftigt sich mit Kraftstoffversorgungseinrichtungen für Verbrennungsmotoren, welche unter Hochdruck stehenden Kraftstoff über Injektoren direkt in Zylinder einspritzen, wobei der Kraftstoff über eine Hochdruckleitung an die Injektoren geführt wird. Solche Kraftstoffversorgungseinrichtungen können sowohl bei Ottomotoren als auch bei Dieselmotoren zum Einsatz kommen.
  • Bei entsprechenden Kraftstoffversorgungseinrichtungen für Verbrennungsmotoren komprimiert eine Hochdruckpumpe den Kraftstoff auf ein hohes Druckniveau. Der komprimierte Kraftstoff füllt die Hochdruckleitung (bspw. das sog. Common-Rail), die im Betrieb des Verbrennungsmotors ständig unter Druck steht und (ggf. über angeschlossene Stichleitungen) die Injektoren (=Einspritzventile) der einzelnen Zylinder des Verbrennungsmotors versorgt.
  • Für einen kontrollierten Betrieb des Verbrennungsmotors soll in der Hochdruckleitung ein geeigneter Kraftstoffdruck eingeregelt oder eingestellt werden. Hierbei sind unterschiedliche Ansätze zur Druckregelung bekannt. Diese kann entweder hochdruckseitig über ein Druckregelventil (DRV) an der Hochdruckleitung oder saugseitig (niederdruckseitig) durch eine in die Hochdruckpumpe integrierte oder als separates Bauteil bereitgestellte Zumesseinheit (ZME) erfolgen. Sogenannte Zweistellersysteme weisen beide Lösungen auf. Der Istwert für die Regelung kann von einem Drucksensor (z.B. Raildrucksensor RDS) geliefert werden. Das mittels des Drucksensors erhaltene Sensorsignal wird im Motorsteuergerät ausgewertet und dazu verwendet, den gewünschten Solldruck einzuregeln und die für eine bestimmte Einspritzmenge erforderliche elektrische Ansteuerung des Einspritzstellers, beispielsweise eines Piezoinjektors oder eines Injektors mit einem Magnetventil, zu ermitteln.
  • Die Anforderungen an moderne Verbrennungsmotoren – sowohl im Hinblick auf gesetzliche Rahmenbedingungen bezüglich zulässiger Emissionswerte, als auch im Hinblick auf gestiegene Erwartungen der Endverbraucher an Fahrkomfort, Laufruhe und niedrigen Verbrauch – steigen kontinuierlich. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist eine genaue Steuerung der Kraftstoffverbrennung, insbesondere der verbrannten Kraftstoffmenge, erforderlich. Ein abweichender Druck in der Hochdruckleitung führt zu einer fehlerhaften Einspritzmenge und damit zu verschlechterten Emissionen und/oder zu erhöhter Geräuschbildung.
  • Es ist daher wünschenswert, eine Möglichkeit anzugeben, den Kraftstoffdrucksensor auf möglichst einfache Weise plausibilisieren zu können, d.h. die Korrektheit des Messwerts überprüfen zu können.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Bestimmung eines Drucks in einer Hochdruckleitung einer Kraftstoffversorgungseinrichtung eines Verbrennungsmotors und ein Computerprogramm und eine Recheneinheit zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, die Schallgeschwindigkeit im Kraftstoff zu ermitteln und aus der Schallgeschwindigkeit den Kraftstoffdruck zu berechnen. Es ist bekannt, dass die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten von deren Druck abhängt. Der mittels des Drucksensors gemessene Kraftstoffdruck kann dann mit dem berechneten Kraftstoffdruck verglichen und auf diese Weise plausibilisiert werden. Die Erfindung erlaubt somit den Kraftstoffdrucksensor auf möglichst einfache Weise plausibilisieren zu können, d.h. die Korrektheit des Messwerts überprüfen zu können. Vorzugsweise wird bei einer signifikanten (d.h. z.B. mehr als eine vorgegebene Schwelle, z.B. 10%) Abweichung zwischen dem mittels des Drucksensors gemessenen Wert und dem berechneten Wert eine Fehlfunktion des Drucksensors erkannt und entsprechend reagiert. Die Reaktion kann das Setzen eines Fehlerspeichereintrags und/oder das Kommunizieren an den Fahrer, z.B. mittels Warnlampen, Displaytexten usw. umfassen.
  • Zum Berechnen des Drucks p aus der Schallgeschwindigkeit c existieren zahlreiche empirische Formeln, wobei beispielsweise verwendet werden kann:
    Figure DE102014220422A1_0002
    mit
    • cpn:
    kraftstoffspezifischer Parameter (empirisch für jede Kraftstoffsorte zu bestimmen)
    T:
    Kraftstofftemperatur
  • Zur Vereinfachung kann man die kraftstoffspezifischen Parameter eines mittellagigen Kraftstoffs verwenden (z.B. europäischer Sommerdiesel). Beispielhafte Werte für die Kraftstoffparameter cp1 bis cp6 für typischen Sommerdiesel sind:
    cp1 2,725 E + 06
    cp2 –5,483 E + 06
    cp3 2,958 E – 03
    cp4 1,511 E – 01
    cp5 7,010 E – 03
    cp6 –1,694 E – 04
  • Vorzugsweise wird die Schallgeschwindigkeit als Quotient c = s/t der zurückgelegten Wegstrecke s einer Schallwelle in der Hochdruckleitung (z.B. der Länge lRail der Hochdruckleitung, wenn Aktor und Sensor an gegenüberliegenden Enden angeordnet sind) und der dafür benötigten Laufzeit t bestimmt. Dies ist eine besonders einfache und dennoch genaue Möglichkeit zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit, die mit unterschiedlichsten Aktoren und Sensoren funktioniert.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird die Schallgeschwindigkeit aus der Frequenz oder Periodendauer einer stehenden Schallwelle in der Hochdruckleitung bestimmt. Dies ist eine besonders genaue Möglichkeit zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit, da Frequenzen relativ genau gemessen werden können. Der bekannte Zusammenhang zwischen Frequenz f, Schallgeschwindigkeit c und Länge lRail der Hochdruckleitung lautet c = 2f lRail.
  • Zweckmäßigerweise werden zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit ein eine Schallwelle in der Hochdruckleitung erzeugender Aktor und ein die Schallwelle empfangender Sensor verwendet.
  • Vorzugsweise wird als Sensor der Drucksensor verwendet. Schallwellen in Flüssigkeiten liegen als Druckschwankungen vor, so dass der ohnehin vorhandene Drucksensor besonders vorteilhaft zur Detektion der Schallwelle in der Hochdruckleitung verwendet werden kann.
  • Vorzugsweise wird als Aktor ein Druckregelventil der Hochdruckleitung verwendet. Schallwellen in Flüssigkeiten liegen als Druckschwankungen vor, so dass ein ohnehin vorhandenes Druckregelventil der Hochdruckleitung besonders vorteilhaft zur Erzeugung der Schallwelle verwendet werden kann. Druckregelventile verbinden üblicherweise die Hochdruckleitung mit einem Niederdruckbereich über einen einstellbaren Querschnitt, der von einem Ventilelement variiert bzw. geschlossen werden kann. Insbesondere durch Variation bzw. durch Öffnen und Schließen dieses Querschnitts kann eine Schallwelle in der Hochdruckleitung erzeugt werden.
  • Vorzugsweise wird eine Bewegung des Ventilelements des Druckregelventils durch ein moduliertes elektrisches Signal, insbesondere ein PWM-Signal, mit einer Frequenz vorgegeben, die kleiner als eine durch die Trägheit des Kraftstoffs (Massenträgheit und Viskosität der Flüssigkeit) bestimmte Grenzfrequenz ist. Die Frequenz kann beispielsweise bei 50 bis 100 Hz liegen. Weiter vorzugsweise entspricht die Frequenz einer Eigenfrequenz des Systems. Mit dem elektrischen Signal wird ein Aktor zum Bewegen des Ventilelement, z.B. ein Elektromagnet oder ein Piezoaktor, angesteuert.
  • Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftstoffversorgungssystems bzw. Motorsteuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt ein Blockdiagramm der wesentlichen Elemente eines Common-Rail-Systems, wie es der Erfindung zugrunde liegen kann.
  • 2 zeigt schematisch ein Druckregelventil, wie es zur Anregung einer Schallwelle in dem Common-Rail-System gemäß 1 verwendet werden kann.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • In 1 sind die wesentlichen Elemente einer als Common-Rail-System ausgebildeten Kraftstoffversorgungseinrichtung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, die der Erfindung zugrunde liegen kann, als Blockdiagramm dargestellt und mit 100 bezeichnet. Das Common-Rail-System 100 umfasst einen Hochdruckbereich 120 und einen Niederdruckbereich 130, in denen Kraftstoff jeweils mit unterschiedlichem Druck vorliegt. In dem Hochdruckbereich ist beispielsweise ein Druck von 1.500 bar–2.000 bar üblich, wohingegen in dem Niederdruckbereich ein Druck von bis zu 10 bar herrschen kann. Kraftstoff wird von einer Hochdruckpumpe 140 aus dem Niederdruckbereich 130 in den Hochdruckbereich 120 gefördert.
  • Bestandteile des Hochdruckbereichs 120 sind im Wesentlichen eine Hochdruckleitung 150 (das sogenannte Common Rail bzw. Rail) mit einer Länge lRail und die Injektoren 151, 152 und 153 zum Zumessen des unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs in einen oder mehrere Zylinder (nicht gezeigt) eines Verbrennungsmotors.
  • Unter anderem zur Regelung des Hochdrucks (Leitungsdrucks) ist eine als Motorsteuergerät 170 ausgebildete Recheneinheit vorgesehen, die ein Stellelement 110 zur Steuerung des Leitungsdrucks P mit einem Ansteuerungssignal A ansteuert. Bei dem Stellelement 110 kann es sich um ein Druckregelventil (DRV), welches den Hochdruckbereich 120 mit dem Niederdruckbereich 130 verbindet, und/oder um ein an der Hochdruckpumpe 140 vorgesehenes elektromagnetisches Ventil (sogenannte Zumesseinheit, ZME) handeln. Durch entsprechende Ansteuerung können somit einerseits die rückfließende Menge (DRV) und andererseits die geförderte Menge (ZME) und damit in beiden Fällen der Druck im Hochdruckbereich gesteuert werden.
  • Ein Raildrucksensor (RDS) 14 erfasst den aktuellen Wert P des Drucks im Hochdruckbereich, hier auch als Leitungsdruck bezeichnet. Ein entsprechendes Signal des Raildrucksensors 14 gelangt zum Steuergerät 170. Abhängig von verschiedenen weiteren nicht dargestellten Signalen berechnet das Steuergerät Ansteuersignale zur Beaufschlagung der Injektoren 151, 152 und 153. Diese Injektoren messen dem Verbrennungsmotor abhängig von dem jeweiligen Ansteuersignal zu einem bestimmten Zeitpunkt eine bestimmte Kraftstoffmenge zu. Die Injektoren sind über Rücklaufleitungen mit dem Niederdruckbereich 130 verbunden, über die überschüssiger Kraftstoff abfließt. In der Figur sind lediglich drei Injektoren und drei Zylinder dargestellt. Die beschriebene Vorgehensweise kann jedoch bei beliebigen Injektor- und/oder Zylinderzahlen eingesetzt werden.
  • In 2 sind Bestandteile eines herkömmlichen Druckregelventils 110 in einer schematischen Längsschnittansicht dargestellt. Ein beispielhaftes Druckregelventil ist genauer in der WO 03/083286 A1 beschrieben, auf die hinsichtlich näherer Details verwiesen wird.
  • In 2 ist das Druckregelventil 110 geschlossen gezeigt. Dargestellt ist ein Elektromagnet 113 mit einer Ankerwicklung (bzw. Magnetspule) 112 und einem Ankerstift 114, der bei einer Bestromung der Ankerwicklung in Richtung eines Ventilsitzes 126 gezogen wird. Mit dem Ankerstift 114 verbunden ist eine Ventilkugel 120, welche einen Ventilkanal 128 verschließen und freigeben kann. Bei geschlossenem Druckregelventil 110 liegt die Ventilkugel 120 auf dem Ventilsitz 126 auf. Bei abgehobener Ventilkugel 120 ist der Ventilkanal 128 mit einem Kanal zum Niederdruckbereich 130 fluidführend verbunden.
  • An seinem in der Zeichnung oberen Ende ist der Ankerstift 114 fest mit einer Ankerplatte 122 verbunden, auf welche eine Schraubenfeder 124 einwirkt und die Ventilkugel 120 somit in Schließrichtung mit einer Kraft beaufschlagt. Die Ventilkugel 120, der Teller 122 und der Ankerstift 114 bilden zusammen ein Ventilelement.
  • Die Ventilkugel 120 wird im Ruhezustand von der einer Feder 124 auf den Ventilsitz 126 gedrückt. Die Federkraft hält die Ventilkugel bis zu einem gewissen Kraftstoffdruck in der Hochdruckleitung 150, z.B. ca. 100 bar, auf ihrem Sitz. Zur Erzeugung höherer Drücke wird die Federkraft durch den Elektromagneten 113 unterstützt. Durch Veränderung der Magnetkraft kann vom Steuergerät 170 jeder gewünschte Druck von ca. 250 bar im Leerlauf bis über 1.000 bar erzeugt werden.
  • Das Steuergerät 170 ist programmtechnisch zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet, wie es nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 und 2 erläutert wird.
  • Ein mittels des Druckregelventils 110 in der Hochdruckleitung 150 zu regelnder Kraftstoffdruck P wird herkömmlicherweise verändert, indem der Elektromagnet 113 mit einem elektrischen Signal, herkömmlicherweise einem getakteten Gleichstromsignal, vorzugsweise einem PWM-Signal angesteuert wird. Über das PWM-Signal wird ein Strom in der Ankerwicklung 112 eingeprägt, der zum Schließen des Kugelventils führt. Dabei drückt der Ankerstift 114 auf die Ventilkugel 120 und wirkt so dem anstehenden Raildruck entgegen. Je nach Größe bzw. Tastgrad des eingeprägten Stroms kann ein bestimmter Raildruck eingestellt werden.
  • Die Ansteuerfrequenz wird dabei normalerweise so eingestellt, das eine Mikrobewegung des Ankerstiftes und der Kugel erhalten bleibt, um Reibungs- und Abnutzungseffekten entgegenzuwirken und die Funktion des Druckregelventils über die Lebenszeit sicherzustellen. Üblicherweise werden Ansteuerfrequenzen von etwa f = 1 kHz eingestellt. Dies gewährleistet zum einen die Mikrobewegung, verhindert aber zum anderen die Anregung einer Druckwelle des Kraftstoffs im Rail durch das ständige Hin- und Herbewegen der Kugel, da der unter Druck stehende Kraftstoff träger als die Ventilbewegung ist.
  • Im Rahmen einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann ein Druckregelventil nun jedoch dazu verwendet werden, eine Schallwelle in der Hochdruckleitung 150 zu erzeugen. Reduziert man die Ansteuerfrequenz des Druckregelventils von f = 1kHz auf ein definiertes f0 soweit, dass die Trägheit der Ventilbewegung in den Bereich der Trägheit des Kraftstoffs kommt, wird eine Druckwelle mit der Frequenz f0 in die Hochdruckleitung 150 induziert. Die Druckwelle beginnt zum Zeitpunkt der Frequenzänderung von f auf f0 und läuft als Welle durch die Hochdruckleitung 150, in 1 von dem Druckregelventil 110 zum Drucksensor 14. Sie wird am anderen Railende reflektiert und läuft wieder zurück. Wird eine Eigenfrequenz des Rails angeregt, führt dies zu einer stehenden Welle mit Frequenz f0.
  • Dies bietet bevorzugte Möglichkeiten, die Schallgeschwindigkeit c in der Hochdruckleitung 150 zu messen.
  • Eine Möglichkeit ist, die Schallgeschwindigkeit als Quotient c = lRail/t der zurückgelegten Wegstrecke lRail der Schallwelle in der Hochdruckleitung 150 und der dafür benötigten Laufzeit t zu bestimmen. Eine andere Möglichkeit ist, die Schallgeschwindigkeit als Produkt c = 2f lRail aus der Frequenz der stehenden Schallwelle in der Hochdruckleitung 150 zu bestimmen.
  • Aus der Schallgeschwindigkeit wird dann, wie oben erläutert, der Druck p in der Hochdruckleitung berechnet und mit dem gemessenen Druck P verglichen. Vorzugsweise wird bei einer signifikanten Abweichung zwischen dem mittels des Drucksensors 14 gemessenen Werts P und dem im Steuergerät 170 berechneten Wert p eine Fehlfunktion des Drucksensors 14 erkannt und entsprechend reagiert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 03/083286 A1 [0028]

Claims (12)

  1. Verfahren zum Bestimmen eines Drucks in einer Hochdruckleitung (150) einer Kraftstoffversorgungseinrichtung (100) eines Verbrennungsmotors, wobei eine Schallgeschwindigkeit in der Hochdruckleitung (150) ermittelt wird, wobei aus der ermittelten Schallgeschwindigkeit der Druck in der Hochdruckleitung (150) bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schallgeschwindigkeit in der Hochdruckleitung (150) aus einer von einer Schallwelle zurückgelegten Wegstrecke und der dafür benötigten Zeit ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schallgeschwindigkeit in der Hochdruckleitung (150) aus einer Frequenz oder Periodendauer einer stehenden Schallwelle in der Hochdruckleitung (150) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der aus der ermittelten Schallgeschwindigkeit bestimmte Druck in der Hochdruckleitung (150) mit einem mittels eines Drucksensors (14) gemessenen Druck (P) in der Hochdruckleitung verglichen wird und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis die Fehlerfreiheit des Drucksensors (14) festgestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit ein eine Schallwelle in der Hochdruckleitung (115) erzeugender Aktor und ein die Schallwelle empfangender Sensor verwendet werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei als Sensor ein Drucksensor (14) verwendet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei als Aktor ein Druckregelventil (110) der Hochdruckleitung verwendet.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine Bewegung eines Ventilelements des Druckregelventils (110) durch ein moduliertes elektrisches Signal mit einer Frequenz vorgegeben wird, die kleiner als eine durch die Trägheit des Kraftstoffs bestimmte Grenzfrequenz ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Frequenz einer Eigenfrequenz des Systems entspricht.
  10. Recheneinheit (170), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
  11. Computerprogramm, das eine Recheneinheit (170) dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
  12. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 11.
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