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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Leckage eines Kraftstoffinjektors eines Kraftstoffeinspritzsystems an einem Verbrennungsmotor während eines Motorbetriebs des Verbrennungsmotors sowie einen Verbrennungsmotor mit einem Kraftstoffeinspritzsystem und einer Diagnosevorrichtung zum Erkennen einer solchen Leckage gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Kraftstoffeinspritzsysteme für Dieselmotoren umfassen in der Regel eine Kraftstoffhochdruckpumpe, einen Kraftstoffhochdruckspeicher und ein oder mehrere Injektoren, um den Kraftstoff in die Brennräume eines Verbrennungsmotors einzuspritzen. Die Kraftstoffinjektoren umfassen dabei eine in den Brennraum des Verbrennungsmotors ragende Einspritzdüse mit mindestens einem, vorzugsweise mehreren über den Umfang der Einspritzdüse verteilten Spritzlöchern, durch welche der Kraftstoff in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Ein wesentlicher Parameter für die Zerstäubung des Kraftstoffs ist der Einspritzdruck des Kraftstoffeinspritzsystems, wobei ein höherer Einspritzdruck zu einer feineren Zerstäubung des Kraftstoffs und damit verbunden zu einer effizienteren und emissionsärmeren Verbrennung des Kraftstoffs führt.
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Mit steigendem Systemdruck des Kraftstoffeinspritzsystems steigen jedoch auch die Anforderungen an die Festigkeit der Komponenten des Kraftstoffeinspritzsystems. Durch ihre Anordnung im Brennraum sind die Einspritzdüsen im Hinblick auf die Festigkeit und Dauerhaltbarkeit besonders kritisch belastete Bauteile, da diese neben der mechanischen Belastung auch noch einer thermischen Belastung durch die Temperaturen im Brennraum, eine zyklischen Druckbelastung durch die Druckänderung im Brennraum während der Verbrennung sowie einer chemischen Belastung durch potenziell korrosionsfördernde Gase, welche sich im Brennraum befinden, ausgesetzt sind. Durch die steigenden Anforderungen an die Leistung des Verbrennungsmotors und die immer höheren Emissionsanforderungen wird bei modernen Verbrennungsmotoren ein ein- oder mehrstufiges Abgasrückführungssystem eingesetzt. Das zurückgeführte Abgas führt neben dem gewünschten Effekt der Emissionsreduzierung aber auch zu einer immer korrosionsintensiveren Atmosphäre im Brennraum und steigert damit die chemische Belastung der Einspritzdüse. Eine an der Einspritzdüse infolge von Korrosion auftretenden Schwächung des Materials kann zu einem Riss oder Bruch in dem Körper der Einspritzdüse führen, welcher zu einer Fehlfunktion des Kraftstoffeinspritzsystems führt.
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Ein solcher Riss oder Bruch kann insbesondere dazu führen, dass an der Düse eine dauerhafte Leckage auftritt, welche zu einem unkontrollierten Austritt von Kraftstoff in die Brennräume des Verbrennungsmotors und/oder auf ein heißes Bauteil im Motorraum, insbesondere eine Turbine eines Abgasturboladers, einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden oder einen Partikelfilter führen kann. Ein solcher unkontrollierter Kraftstoffaustritt kann zu einem Leistungsabfall des Verbrennungsmotors und im ungünstigsten Fall zu einem kapitalen Motorschaden führen und ist daher dringend zu vermeiden.
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Eine Möglichkeit eine solche Leckage zu erkennen, besteht in einer Dichtheitsprüfung des Kraftstoffeinspritzsystems. Eine solche Prüfung zu Diagnosezwecken wird in der Regel in einer Werkstatt durchgeführt und kann den Schaden erst dann erkennen, wenn bereits eine Schädigung eingetreten ist. Da sich eine solche Schädigung im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors jedoch nicht ankündigt, ist eine solche Diagnose zwar zur Schadensbehebung hilfreich, greift aber für eine Schadensprävention zu spät.
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Aus der
DE 10 2013 101 905 A1 ist eine Vorrichtung zum Erfassen einer Leckage von Kraftstoff in einem Kraftstoffeinspritzsystem bekannt. Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst mindestens einen Kraftstoffinjektor mit einer Einspritzdüse, welcher einen von einem Hochdruckspeicher zugeführten Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors einspritzt. Die Vorrichtung analysiert eine Wellenform eines Ausgangs von einem Kraftstoffdrucksensor, um eine Einspritzdauer zu berechnen, in der Kraftstoff durch den Kraftstoffinjektor in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors eingespritzt wurde und berechnet daraus einen ersten Druckveränderungsbetrag und von einem Startpunkt zu einem Ende einer vorgegebenen Zeitphase und einen zweiten Druckveränderungsbetrag von einem Startpunkt zu einem Endpunkt der Einspritzung. Die Vorrichtung ermittelt eine Veränderung des Kraftstoffdrucks pro Zeiteinheit basierend auf einer Differenz zwischen der vorgegebenen Zeitphase und der Einspritzdauer sowie einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druckveränderungsbetrag. Basierend auf der Veränderung des Kraftstoffdrucks pro Zeiteinheit kann eine Leckage am Injektor festgestellt werden.
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Die
DE 10 2013 101 850 A1 beschreibt eine Fehlerdiagnosevorrichtung für ein Kraftstoffeinspritzsystem, welches mindestens zwei Kraftstoffinjektoren umfasst, welche aus einem gemeinsamen Kraftstoffhochdruckspeicher mit Kraftstoff versorgt werden. Die Fehlerdiagnosevorrichtung umfasst einen ersten und einen zweiten Kraftstoffdrucksensor zum Messen von Kraftstoffdrücken in den Verbindungsleitungen zwischen dem Kraftstoffhochdruckspeicher und den Injektoren. Ein Fehler wird erkannt, wenn bestimmt wird, dass der Kraftstoffdruck in der ersten Verbindungsleitung schneller abfällt als in der zweiten Verbindungsleitung, wodurch eine Fehlfunktion des ersten oder zweiten Kraftstoffinjektors von einer anderen Art einer unerwünschten Leckage des Kraftstoff in dem Kraftstoffeinspritzsystem unterschieden wird.
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Ferner ist aus der
DE 10 2014 218 430 A1 ein Verfahren zur Erkennung einer defekten Einspritzdüse eines Kraftstoffinjektors bekannt. Dabei wird für jede Zylinderbank im Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors eine Anzahl von aufeinanderfolgenden Testschritten durchgeführt, wobei in einem jeweiligen Testschritt für die einzelnen Einspritzdüsen Gemischfaktoren eingestellt sind. Dabei werden ein oder mehrere Gemischfaktoren von einem Testschritt zum nächsten verändert und während der Testschritte werden Messungen des Lambdawertes von einem der Zylinderbank abgeführten Abgasmassenstrom und einem der Zylinderbank zugeführten Luftmassenstrom durchgeführt. Nach Durchführung der Anzahl von Testschritten wird ein Normabweichungswert für jede Einspritzdüse sowie ein Gesamtleckagestrom durch Lösung eines Gleichungssystems unter Berücksichtigung der Messungen des Lambdawertes und des Luftmassenstroms ermittelt. Für den Fall, dass zumindest ein Normabweichungswert für eine Einspritzdüse außerhalb eines vorbestimmten Wertebereichs liegt, wird ein Einspritzdüsendefekt in dem jeweiligen Zylinder detektiert.
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Die
DE 10 2005 000 853 B4 beschreibt Verfahren zum Erkennen einer Dichtringextrusion bei einem Injektor einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, bei dem die Brennkraftmaschine bei niedriger Last und/oder mit kleiner Drehzahl betrieben und eine mit einem Injektorhub korrelierte Rücklaufmenge des jeweiligen Injektors gemessen wird, sowie bei dem das Vorliegen einer unzulässig großen Dichtringextrusion dadurch erkannt wird, dass die gemessene Rücklaufmenge größer ist als eine vorbestimmte, mit dem Injektorhub korrelierte Grenzrücklaufmenge.
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Aus der
DE 10 2019 212 214 B3 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, wobei wenigstens ein Injektor angesteuert wird, um eine erste Brennstoffmenge in einen Brennraum der Brennkraftmaschine einzubringen, wobei die erste Brennstoffmenge kleiner ist als eine zum Erzeugen eines zündfähigen Gemischs in dem Brennraum nötige Zündmenge, wobei wenigstens ein Brennraumparameter für den Brennraum nach dem Ansteuern des Injektors erfasst wird, und wobei anhand des erfassten Brennraumparameters festgestellt wird, ob eine Injektorleckage in dem Brennraum vorliegt.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Leckage an einem Kraftstoffinjektor, insbesondere an einer Einspritzdüse des Kraftstoffinjektors zu erkennen, bevor ein Folgeschaden eintritt, um eine weitere Schädigung des Kraftstoffinjektors oder des Verbrennungsmotors zu vermeiden.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Erkennen einer Leckage eines Kraftstoffinjektors eines Kraftstoffeinspritzsystems an einem Verbrennungsmotor gelöst, welches eine Kraftstoffhochdruckpumpe, einen durch die Kraftstoffhochdruckpumpe befüllbaren Kraftstoffhochdruckspeicher sowie mindestens einen Kraftstoffinjektor umfasst.
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Das Verfahren umfasst während eines Motorbetriebs des Verbrennungsmotors folgende Schritte:
- - winkelsynchrone Abtastung eines Drucks im Kraftstoffhochdruckspeicher zur Drehung einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors,
- - Bestimmung eines Auswertezeitraums für den Druck,
- - Berechnung eines Druckabfalls im Kraftstoffhochdruckspeicher im Auswertezeitraum mittels einer Regressionsgraden,
- - Umrechnen des berechneten Druckabfalls unter Berücksichtigung des Volumens eines Speicherraums des Kraftstoffhochdruckspeichers, eines Volumens der Injektorleitung zu dem Kraftstoffinjektor, eines Volumens innerhalb des Injektors, einer Temperatur des Kraftstoffs, und eines Elastizitätsmoduls des Kraftstoffs in eine Messgröße,
- - Filterung der Messgröße mit einem Median-Filter,
- - Vergleich des Ergebnisses der gefilterten Messgröße mit einem Schwellenwert, sowie
- - Auslösen einer Schutzbetriebsart des Kraftstoffeinspritzsystems, wenn die gefilterte Messgröße den Schwellenwert übersteigt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine kontinuierliche Diagnose der Kraftstoffinjektoren in einem Betrieb des Verbrennungsmotors, wobei selbst kleine Mikrorisse frühzeitig erkannt werden und der Verbrennungsmotor beziehungsweise das Kraftstoffeinspritzsystem in einen Schutzbetrieb überführt werden können, bevor es zu einem kapitalen Motorschaden, einem Brand im Motorraum oder einem Schaden an der Abgasanlage kommt.
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Zudem ermöglicht das beschriebene Verfahren eine Unterscheidung zwischen einem Anstieg der inneren Leckage des Kraftstoffinjektors und einer Leckage an der Einspritzdüse des Kraftstoffinjektors. Als innere Leckage des Kraftstoffinjektors, welche auch als Schaltleckage bezeichnet wird, wird eine Verlustmenge an Kraftstoff bezeichnet, welche sich durch die Ansteuerung des Kraftstoffinjektors ergibt. Diese Leckage kann über die Lebensdauer des Injektors beispielsweise durch Verschleiß ansteigen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jedoch der Druckabfall nach Beendigung der Einspritzung gemessen, wenn alle Kraftstoffinjektoren geschlossen sind - was einer „System-Dauerleckage“ entspricht. Sollte im geschlossenen Zustand das Schaltventil eines Kraftstoffinjektors eine erhöhte Leckage aufweisen, so wird der Kraftstoffinjektor nicht sauber öffnen/schließen, was ebenfalls als Defekt zu bewerten ist. Gleiches gilt für das Druckregelventil an dem Kraftstoffhochdruckspeicher, da auch dort eine Leckage das System belastet und den Kraftstoff zusätzlich erwärmt. Die Dauerleckage des gesamten Kraftstoffeinspritzsystems ist druckabhängig in dem Schwellwert-Modell hinterlegt. Dabei ist eine „nominale“ Leckage bekannt, welche bis zum Lebensdauerende der Komponenten des Kraftstoffeinspritzsystems zu erwarten ist. Sollte die berechnete Leckage nach der Methode der Erfindung um Faktor 3 größer sein als die zu erwartenden „normale“ Leckage, so muss eine Leckage im Hochdrucksystem vorliegen.
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Dabei kann auch eine Zuleitung oder Verschraubung undicht sein. Dieser Kraftstoff würde dann nicht im Motor Schaden anrichten, sondern außerhalb des Brennraums zu Problemen führen. Es wird also in jedem Fall ein undefinierter Zustand erkannt. Austreten Kraftstoff außerhalb des Brennraum kann ggf. durch Geruch oder Tropfen am Boden unter dem Kraftfahrzeug erkannt werden. Leckagen in den Brennraum oder Dauerleckage am Schaltventil kann der Fahrer nicht wahrnehmen. Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine solche Leckage zu detektieren. Ebenso kann der Fahrer eine Leckage nicht detektieren, die über eine Leckölleitung in den Tank zurückgeführt wird.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und nicht triviale Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch beschriebenen Verfahrens zum Erkennen einer Leckage eines Kraftstoffinjektors möglich.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die winkelsynchrone Abtastung in Schritten von 1° KW erfolgt. Dadurch kann eine hinreichend hohe Auflösung bei der Druckmessung innerhalb des Auswertefensters erreicht werden, um eine bekannte Leckage, insbesondere eine dauerhafte Leckage am Kraftstoffinjektor von einer zusätzlichen Leckage durch einen Mikroriss zu unterscheiden. Alternativ kann die Abtastung auch in kleineren Schritten als 1°KW, also beispielsweise 0,5°KW erfolgen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei der Berechnung des Druckabfalls in dem Kraftstoffhochdruckspeicher eine dauerhafte Leckage des Kraftstoffinjektors und eine Leckage eines Druckregelventils des Kraftstoffhochdruckspeichers berücksichtigt wird. Da die dauerhafte Leckage des Kraftstoffinjektors und des Druckregelventils auf Basis des Systemdrucks, bekannt sind, kann mit Betrachtung eines kurzen Zeitraums nach der Einspritzung die Systemleckage von der Schaltleckage des Injektors und der eingespritzten Kraftstoffmenge unterschieden werden. Somit kann erkannt werden, wenn es zu einem unerwarteten Anstieg der Leckage am Kraftstoffinjektor kommt und entsprechend schnell in den Schutzbetrieb gewechselt werden.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Einbruch des Drucks im Kraftstoffhochdruckspeicher gegenüber dem vorhergehenden Auswertezeitpunkt eine Fehlfunktion des Kraftstoffinjektors anzeigt. Ein Effekt, der sich bei einer winkelsynchronen Abtastung des Drucksignals im Kraftstoffhochdruckspeicher ermitteln lässt, ist ein Einbruch des Drucks im Kraftstoffhochdruckspeicher. Insbesondere kann bei gleichen Betriebsbedingungen ein Vergleich mit dem Drucksignal in einem vorhergehenden Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors erfolgen und bei einem Einbruch des Drucks im Kraftstoffhochdruckspeicher auf eine unzulässige Leckage geschlossen werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass ein Anstieg eines Zylinderspitzendrucks in einem Brennraum des Verbrennungsmotors gegenüber dem vorhergehenden Auswertezeitpunkt eine Fehlfunktion des Kraftstoffinjektors anzeigt. Bei Injektordefekt/Düsenriss durch Korrosion ist ein Anstieg eines Zylinderspitzendrucks in einem Brennraum des Verbrennungsmotors durch die fehlerhaft zusätzlich eingebrachte Kraftstoffmenge zu beobachten. Insbesondere kann bei gleichen Betriebsbedingungen ein Vergleich mit dem Spitzendruck in einem vorhergehenden Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors erfolgen und aus einem Anstieg des Spitzendrucks auf einen Anstieg der Kraftstoffmenge infolge einer Leckage des Kraftstoffinjektors geschlossen werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Leckage durch einen Drucksensor in einem Brennraum des Verbrennungsmotors detektiert. Ist in jedem Zylinder des Verbrennungsmotors ein Brennraumdrucksensor verbaut, so kann aus der Veränderung des Druckverlaufes und des Spitzendrucks auf einen Riss an der Einspritzdüse des Kraftstoffinjektors geschlossen werden. In der Regel ist an einem Verbrennungsmotor jedoch nur an einem der Brennräume ein Brennraumdrucksensor angeordnet, sodass eine beschädigte Einspritzdüse an einem anderen Brennraum, also einem Brennraum ohne Drucksensor, nicht erkannt wird. Durch das beschriebene Verfahren kann indirekt auch ohne die Veränderung eines gemessenen Druckverlaufs eine angehender Düsenriss detektiert werden und der Verbrennungsmotor in einen Notbetrieb umgeschaltet werden, ohne eine weitere Schädigung zu riskieren.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Änderung des Druckgradienten bei der Befüllung des Kraftstoffhochdruckspeichers durch die Kraftstoffhochdruckpumpe eine Fehlfunktion des Kraftstoffinjektors anzeigt. Ein weiterer Effekt, der sich bei einer winkelsynchronen Abtastung des Drucksignals im Kraftstoffhochdruckspeicher ermitteln lässt, ist eine Änderung des Druckgradienten bei der Befüllung des Kraftstoffhochdruckspeichers durch die Kraftstoffhochdruckpumpe. Da durch die Leckage am Kraftstoffinjektor Kraftstoff aus dem System austritt, führt eine solche Leckage zu einer Änderung des Druckgradienten bei der Befüllung des Kraftstoffhochdruckspeichers. Daraus kann auf eine Leckage an dem Kraftstoffinjektor geschlossen werden und das Kraftstoffeinspritzsystem in einen Schutzbetrieb überführt werden, bevor eine weitere Schädigung des Kraftstoffinjektors und in Folge dessen eine Schädigung des Verbrennungsmotors eintritt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Anstieg der Gesamtleckage von Kraftstoffinjektor und Kraftstoffhochdruckspeicher eine Fehlfunktion des Kraftstoffinjektors anzeigt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Dauerleckage an dem Kraftstoffinjektor und dem Kraftstoffhochdruckspeicher für einen definierten Zeitraum als konstant angenommen wird und ein Anstieg der Dauerleckage eine Fehlfunktion des Kraftstoffinjektors anzeigt. Dadurch ist eine vergleichsweise einfache Berechnung eines Druckabfalls im Kraftstoffhochdruckspeicher und eine Umrechnung des Druckabfalls im Kraftstoffhochdruckspeicher in eine quantifizierbare Messgröße möglich.
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Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Brennraum, sowie mit einem Kraftstoffeinspritzsystem, welches eine Kraftstoffhochdruckpumpe, einen durch die Kraftstoffhochdruckpumpe mit Kraftstoff befüllbaren Kraftstoffhochdruckspeicher mit Drucksensor sowie mindestens einen Kraftstoffinjektor zur Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum des Verbrennungsmotors umfasst, welcher aus dem Kraftstoffhochdruckspeicher mit Kraftstoff versorgt wird. Der Verbrennungsmotor steht mit einem Motorsteuergerät in Wirkverbindung, welches eine Speichereinheit und eine Recheneinheit sowie einen in der Speichereinheit abgelegten maschinenlesbaren Programmcode umfasst, wobei ein Verfahren zum Erkennen einer Leckage eines Kraftstoffinjektors eines Kraftstoffeinspritzsystems an einem Verbrennungsmotor durchgeführt wird, wenn der maschinenlesbare Programmcode durch die Recheneinheit ausgeführt wird. Bei einem solchen Verbrennungsmotor ist es möglich, eine Leckage an einem Kraftstoffinjektor frühzeitig zu erkennen und geeignete Schutzmaßnahmen, insbesondere ein Absenken des Drucks im Kraftstoffhochdruckspeicher und im Kraftstoffinjektor einzuleiten, um eine weitere Schädigung des Kraftstoffeinspritzsystems oder des Verbrennungsmotors zu vermeiden.
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Die verschiedenen, in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Verbrennungsmotor mit einem Kraftstoffeinspritzsystem, bei dem eine Leckage eines Kraftstoffinjektors durch ein erfindungsgemäßes Verfahren detektiert werden kann,
- 2 einen Kraftstoffinjektor mit einer Einspritzdüse und potenziellen Stellen, an denen Mikrorisse an dem Kraftstoffinjektor auftreten können, welche durch ein solches Verfahren erkennbar sind,
- 3 einen zeitlichen Verlauf von einer realen Rissbildung einer Einspritzdüse und die Auswirkungen auf einen Druck in einem Brennraum des Verbrennungsmotors sowie ein Regelsignal eines Reglers zur Regelung des Drucks im Kraftstoffhochdruckspeicher,
- 4 zwei hochaufgelöste Druckverläufe des Drucks im Kraftstoffhochdruckspeicher, und
- 5 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit mindestens einem Brennraum 12, vorzugsweise mehreren Brennräumen 12. An dem Brennraum 12, insbesondere in einem Zylinderkopf 78 des Verbrennungsmotors 10, ist ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffs 38 in den Brennraum 12 angeordnet. Der Brennraum 12 wird durch einen Kolben 16 begrenzt, welcher in einem Zylinder 24 verschiebbar und über eine Pleuelstange 20 mit einer Kurbelwelle 22 des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist. Dabei wird eine Auf- und Abbewegung des Kolbens 16 durch die Pleuelstange 20 in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 22 übersetzt. An der Kurbelwelle 22 ist ein Kurbelwellensensor 82 angeordnet, um eine Drehung der Kurbelwelle 22 zu detektieren. Der Kolben 16 ist durch Kolbenringe 18 gegenüber dem Zylinder 24 abgedichtet. Ferner sind an dem Brennraum 12 eine Einlassöffnung 26 und eine Auslassöffnung 28 ausgebildet. Über die Einlassöffnung 26 ist der Brennraum 12 mit einem nicht dargestellten Luftversorgungssystem verbunden, über welches Frischluft in den Brennraum 12 einströmen kann. Über die Auslassöffnung 28 ist der Brennraum 12 mit einer nicht dargestellten Abgasanlage verbunden.
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Der Verbrennungsmotor 10 umfasst ein Kraftstoffeinspritzsystem 30, welches Kraftstoff 38 aus einem Tank 32 fördert, verdichtet und in den Brennraum 12 oder die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10 einspritzt. Dazu ist an dem Tank 32 eine elektrische Kraftstoffpumpe 34 angeordnet, welche über einen Niederdruckleitung 36 mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe 40 verbunden ist. In der Kraftstoffhochdruckpumpe 40 wird der Kraftstoff 38 auf einen hohen Druck, insbesondere einen Druck von mehr als 2000 bar verdichtet und über einen Hochdruckleitung 42 einem Kraftstoffhochdruckspeicher 44 mit einem hydraulischen Speicherraum 46 zugeführt. Der Kraftstoffhochdruckspeicher 44 umfasst ein Druckregelventil 48, mit welchem der Druck des Kraftstoffs 38 in dem Kraftstoffhochdruckspeicher 44 geregelt werden kann. Dazu ist an dem Kraftstoffhochdruckspeicher 44 ein Drucksensor 80 angeordnet, welcher mit einem in einem Motorsteuergerät 90 des Verbrennungsmotors 10 implementierten Druckregler 86 verbunden ist. Weiterhin kann der Druck des Kraftstoffs 38 in dem Kraftstoffhochdruckspeicher 44 durch eine passende Einstellung der Förder-Menge mit Hilfe der Zumesseinheit 41 der Kraftstoffhochdruckpumpe 40 , erfolgen. Dazu ist an dem Kraftstoffhochdruckspeicher 44 ein Drucksensor 80 angeordnet, welcher mit dem Druckregler 86 verbunden ist der den Stellwert der Zumesseinheit 41 berechnet. Ferner kann an dem Kraftstoffhochdruckspeicher 44 ein Temperatursensor 84 zur Erfassung einer Kraftstofftemperatur des Kraftstoffs 38 angeordnet sein. Der Kraftstoffhochdruckspeicher 44 ist über eine Rücklaufleitung 50 mit dem Tank 32 verbunden, um aus dem Kraftstoffhochdruckspeicher mit Hilfe des Druckregelventils 48 abgelassenen Kraftstoff 38 wieder zurück in den Tank 32 zu leiten. Der Kraftstoffhochdruckspeicher 44 ist ferner über einen oder mehrere Injektorleitungen 52 mit einem oder mehreren Kraftstoffinjektoren 14 verbunden. Die Kraftstoffinjektoren 14 sind über eine Injektorrücklaufleitung 54 ebenfalls mit dem Tank 32 verbunden und ermöglichen das Rückströmen einer Leckagemenge aus dem Kraftstoffinjektor 14 zurück in den Tank 32.
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Der Verbrennungsmotor 10 steht mit einem Motorsteuergerät 90 in Wirkverbindung, welches eine Speichereinheit 92 und eine Recheneinheit 94 umfasst. In der Speichereinheit 92 ist ein maschinenlesbarer Programmcode 96 abgelegt, welcher ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erkennen einer Leckage eines Kraftstoffinjektors 14 eines Kraftstoffeinspritzsystems 30 eines Verbrennungsmotors 10 durchführt, wenn der maschinenlesbare Programmcode 96 durch die Recheneinheit 94 ausgeführt wird.
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In 2 ist ein Kraftstoffinjektor 14 mit einer Einspritzdüse 60 in einer schematischen Darstellung gezeigt, welcher in einem Zylinderkopf 78 des Verbrennungsmotors 10 eingebaut ist. Der Kraftstoffinjektor 14 umfasst eine Düsenspannmutter 56, mit welcher die Einspritzdüse 60 an einem Injektorkörper des Kraftstoffinjektors 14 befestigt ist. Zwischen der Düsenspannmutter 56 und dem Zylinderkopf 78 ist eine Dichtscheibe 58 angeordnet. Die Einspritzdüse 60 umfasst einen Düsenkörper 62 und eine Düsennadel 64. In einer Düsenkuppe 66, welche bei korrekt montiertem Kraftstoffinjektor 14 in den Brennraum 12 des Verbrennungsmotors 10 hineinragt, sind mindestens eine Einspritzöffnung 68, vorzugsweise mehrere über den Umfang der Düsenkuppe 66 verteilte Einspritzöffnungen 68 zum Einspritzen des Kraftstoffs 38 in den Brennraum 12 ausgebildet. An dem Düsenkörper 62 ist ein Düsenschaft 70 ausgebildet, welcher durch eine Öffnung 88 in dem Zylinderkopf 78 verläuft. Ferner ist an einem der Düsenkuppe 66 abgewandten Ende des Düsenschafts 70 eine Düsenschulter 72 ausgebildet, mit welcher der Düsenkörper 62 an dem Zylinderkopf 78 anliegt. Im Übergangsbereich von der Düsenschulter 72 zum Düsenschaft 70 ist ein Hinterschnitt 76 ausgebildet, um einen möglichst großen Radius 74 in diesem Übergangsbereich auszubilden und somit Spannungsspitzen an dem Düsenkörper 62 zu vermeiden. In der Vergangenheit kam es an den in 2 umkreisten Stellen II am Düsenschaft 70 beziehungsweise I an der Düsenschulter 72 zu einer (Mikro-) Rissbildung, welche zu einem unkontrollierten Austritt von Kraftstoff 38 und damit zu einem Leistungsabfall des Verbrennungsmotors 10 oder Liegenbleiben eines Kraftfahrzeuges, einer dauerhaften Schädigung des Verbrennungsmotors 10 durch unkontrollierten Eintritt von Kraftstoff 38 in den Brennraum 12 oder zu einer Schädigung der Abgasanlage des Verbrennungsmotors 10 durch Kraftstoff 38, welcher auf heiße Komponenten der Abgasanlage, insbesondere eine Turbine des Abgasturboladers, einen Oxidationskatalysators oder einen Partikelfilter trifft und sich dort entzünden kann. Um einen solchen unkontrollierten Kraftstoffaustritt zu vermeiden, ist es die Aufgabe des Verfahrens, Mikrorisse bereits in einem Frühstadium zu erkennen und einen möglichen Kraftstoffaustritt zu minimieren, um Folgeschäden zu vermeiden.
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In 3 sind ein zeitlicher Verlauf von einem Druck im Kraftstoffhochdruckspeicher 44, ein Druck in einem Brennraum 12 des Verbrennungsmotors 10 sowie ein Regelsignal eines Reglers 86 zur Regelung des Drucks im Kraftstoffhochdruckspeicher 44 dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass eine Leckage an einem Kraftstoffinjektor 14 zu einem Absinken des Drucks im Hochdruckspeicher, zu einem Anstieg eines Spitzendrucks in dem Brennraum 12 und zu einem Anstieg des I-Anteils des Druckreglers 86 zur Regelung des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffhochdruckspeicher 44 führt. Dabei ist ein Zeitpunkt III dargestellt, an welchem der Kraftstoffinjektor 14 voll funktionsfähig ist und ein Zeitpunkt IV, an welchem ein Riss an dem Kraftstoffinjektor 14, insbesondere ein Riss an dem Düsenschaft 70 der Einspritzdüse 60 zu einer erhöhten Leckage führt. Dabei ist in 3 zu sehen, dass der Riss am Kraftstoffinjektor 14 zu einem Einbruch V des Drucks im Kraftstoffhochdruckspeicher 44, zu einem Anstieg des Zylinderspitzendrucks VI in dem Brennraum 12 und zu einem Anstieg des I-Anteils VII des Druckreglers 86 führt.
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4 beschreibt einen hochauflösenden Druckverlauf beim Befüllen des Kraftstoffhochdruckspeichers 44 durch die Kraftstoffhochdruckspeicher 44 durch die Kraftstoffhochdruckpumpe 40 durch einen steilen Anstieg des Drucksignals. Durch das Einspritzen eines Kraftstoffs 38 durch einen mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher 44 über die Injektorleitung 52 verbundenen Kraftstoffinjektor 14 ist ein steiler Druckabfall zu erkennen.
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Dabei ist zu erkennen, dass ein Mikroriss am Kraftstoffinjektors 14 zu einem starken Anstieg der Leckage des Kraftstoffinjektors 14 sowie einem starken Anstieg des Druckgradienten VIII, IX in dem Kraftstoffhochdruckspeicher 44 zwischen dem Fördern der Kraftstoffhochdruckpumpe 40 in den Kraftstoffhochdruckspeicher 44 und einer Eindosierung von Kraftstoff durch den Kraftstoffinjektor 14 führt.
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In 5 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erkennen einer Leckage eines Kraftstoffinjektors 14 dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt <100> erfolgt eine winkelsynchrone Abtastung eines Drucks im Kraftstoffhochdruckspeicher 44 zur Drehung einer Kurbelwelle 22 des Verbrennungsmotors 10 in einem Auswertezeitraum. Der Auswertezeitraum kann insbesondere einen vollständigen Verbrennungszyklus eines Brennraums und dementsprechend eine Drehung der Kurbelwelle 22 um 720° umfassen. Dabei erfolgt vorzugsweise eine hochauflösende Erfassung eines Drucks im Kraftstoffhochdruckspeicher pro 1° Drehung der Kurbelwelle 22.
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In einem zweiten Verfahrensschritt <105> wird der Auswertezeitraum für den Druck bestimmt. Der Auswertezeitraum geht vorzugsweise vom Ende der Einspritzung bis zum Beginn der Förderung der Kraftstoffhochdruckpumpe 40.
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In einem dritten Verfahrensschritt <110> erfolgt eine Berechnung eines Druckabfalls im Kraftstoffhochdruckspeicher 44 im Auswertezeitraum mittels einer Regressionsgeraden.
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In einem Verfahrensschritt <120> erfolgt ein Umrechnen des berechneten Druckabfalls unter Berücksichtigung des Volumens eines Speicherraums 46 des Kraftstoffhochdruckspeichers 44, einer Temperatur des Kraftstoffs 38 und eines Elastizitätsmoduls des Kraftstoffhochdruckspeichers in eine Messgröße.
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In einem Verfahrensschritt <130> erfolgt eine Filterung der Messgröße m mit einem Median-Filter.
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In einem Verfahrensschritt <140> wird die gefilterte Messgröße m mit einem Schwellenwert Sm verglichen. Liegt die gefilterte Messgröße m unterhalb des Schwellenwertes Sm, so wird davon ausgegangen, dass der Kraftstoffinjektor 14 voll funktionsfähig und intakt ist.
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Liegt die gefilterte Messgröße m oberhalb des Schwellenwertes Sm, so wird in einem Verfahrensschritt <150> eine Schutzbetriebsart des Kraftstoffeinspritzsystems 30 ausgelöst, um den Kraftstoffinjektor 14 und/oder den Verbrennungsmotor 10 vor einer weiteren Beschädigung zu schützen. In der Schutzbetriebsart erfolgt eine Begrenzung des Soll-Kraftstoffdrucks im Kraftstoffhochdruckspeichers 44 und damit im angeschlossenen Kraftstoffinjektor 14, um ein Fortschreiten der Injektor Beschädigung zu verhindern. Durch die Druckabsenkung wird die Belastung der in der Einspritzdüse 60 des Kraftstoffinjektors 14 reduziert, wodurch ein Fortschreiten des Düsenrisses verhindert wird. Weiterhin wird durch die Druckabsenkung eine unerwünschte Leckage durch den in der Einspritzdüse 60 entstandenen Riss reduziert. Dadurch wird ein Liegenbleiben eines Kraftfahrzeuges zu vermeiden und eine Fahrt in eine naheliegende Werkstatt in einem Notbetrieb des Kraftstoffeinspritzsystems 30 zu ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Brennraum
- 14
- Kraftstoffinjektor
- 16
- Kolben
- 18
- Kolbenringe
- 20
- Pleuelstange
- 22
- Kurbelwelle
- 24
- Zylinder
- 26
- Einlassöffnung
- 28
- Auslassöffnung
- 30
- Kraftstoffeinspritzsystem
- 32
- Tank
- 34
- elektronische Kraftstoffpumpe
- 36
- Niederdruckleitung
- 38
- Kraftstoff
- 40
- Kraftstoffhochdruckpumpe
- 42
- Hochdruckleitung
- 44
- Kraftstoffhochdruckspeicher
- 46
- Speicherraum
- 48
- Druckregelventil
- 50
- Rücklaufleitung
- 52
- Injektorleitung
- 54
- Injektorrücklaufleitung
- 56
- Düsenspannmutter
- 58
- Dichtscheibe
- 60
- Einspritzdüse
- 62
- Düsenkörper
- 64
- Düsennadel
- 66
- Düsenkuppe
- 68
- Einspritzöffnung
- 70
- Düsenschaft
- 72
- Düsenschulter
- 74
- Radius
- 76
- Hinterschnitt
- 78
- Zylinderkopf
- 80
- Drucksensor
- 82
- Kurbelwellensensor
- 84
- Temperatursensor
- 86
- Druckregler
- 88
- Öffnung (im Zylinderkopf)
- 90
- Motorsteuergerät
- 92
- Speichereinheit
- 94
- Recheneinheit
- 96
- maschinenlesbarer Programmcode
