DE19703891A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung einer Leckage - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vor­ richtung zur Erkennung einer Leckage in einem Kraftstoffver­ sorgungssystem bei einer Brennkraftmaschine nach der Gattung der Hauptansprüche.

Bei Kraftfahrzeugen mit einer Brennkraftmaschine wird der Kraftstoff mit Hilfe einer Elektrokraftstoffpumpe aus einem Kraftstoffbehälter gefördert und über Kraftstoffleitungen den Injektoren zugeführt. Überschüssiger Kraftstoff gelangt üblicherweise über eine Rücklaufleitung in den Kraftstoffbe­ hälter zurück. Bei Brennkraftmaschinen mit Hochdruckein­ spritzung, insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit Selbst­ zündung, schließt sich an die Kraftstoffpumpe eine weitere Pumpe an, die einen sehr hohen Druck in einem Hochdruckbe­ reich erzeugt, der mit den Injektoren in Verbindung steht. Bei solchen Kraftstoffversorgungssystemen besteht die Ge­ fahr, daß im Falle eines Defekts eines Injektors ständig Kraftstoff in den entsprechenden Verbrennungsraum einge­ spritzt wird. Dies wird üblicherweise als innere Leckage be­ zeichnet.

Ferner ist auch eine Leckage nach außen möglich, bei der Kraftstoff unter hohem Druck in den Motorenraum gelangt.

Es wird deshalb beispielsweise in der DE-OS-31 26 393 vorge­ schlagen, daß Mittel vorgesehen sind, die laufend den Druck im Hochdruckbereich des Kraftstoffversorgungssystems messen, wobei ein Absinken des Drucks im Speicher unter einen vorbe­ stimmten Wert zu einer Fehlererkennung führt. Da bei einem solchen Fall ständig Kraftstoff in den Motor eingespritzt würde, wird bei der bekannten Einrichtung nach Erkennung ei­ nes Fehlers der Motor abgeschaltet bzw. die Kraftstofförde­ rung beendet. Bei einer solchen Vorgehensweise können nur Leckagen erkannt werden, bei denen eine relativ große Kraft­ stoffmenge verloren geht. Kleinere Leckagen erkennt diese Einrichtung nicht.

Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den Merkmalen der Hauptansprüche hat gegenüber dem Bekannten den Vorteil, daß das gesamte Hochdruckkraftstoffversorgungssystem auf Dicht­ heit überwacht werden kann und nicht nur erkannt wird, ob ein Injektor ständig geöffnet ist, sondern daß auch eine Leckage nach außen erkennbar ist. Besonders vorteilhaft ist dabei die Einfachheit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise, da die erfindungsgemäße Vorgehensweise keine weiteren Senso­ ren benötigt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt Fig. 1 ein Blockdiagramm des Kraft­ stoffzumeßsystems, Fig. 2 den Druck über der Zeit t aufge­ tragen sowie die Fig. 3, 4 und S jeweils ein Flußdiagramm zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 sind die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Bestandteile eines Kraftstoffversorgungssy­ stems einer Brennkraftmaschine mit Hochdruckeinspritzung dargestellt.

Das dargestellte System wird üblicherweise als Common-Rail-System bezeichnet. Mit 10 ist ein Kraftstoffvorratsbehälter bezeichnet. Dieser steht über eine Kraftstoffzuführleitung mit einem Filter 15, einer Vorförderpumpe 20, einem Absperr­ ventil 25, einer Hochdruckförderpumpe 30 mit einem Rail 35 in Verbindung. In der Kraftstoffzuführleitung ist zwischen der Hochdruckförderpumpe 30 und dem Rail 35 ein Druckregel­ ventil 40 bzw. ein Druckbegrenzungsventil angeordnet. Mit­ tels dieses Ventils ist ein Hochdruckbereich mit einem Nie­ derdruckbereich, insbesondere die Zuführleitung mit einer Rücklaufleitung 45 verbindbar. Über die Rücklaufleitung 45 gelangt der Kraftstoff zurück in den Tank 10.

Die Leitungen zwischen Hochdruckpumpe 30 und dem Rail 35 bzw. dem Druckregelventil, das Rail sowie die Leitungen zwi­ schen Rail 35 und den Injektoren wird als Hochdruckbereich bezeichnet. Der Bereich vor der Hochdruckpumpe 30 bis zum Tank 10 wird als Niederdruckbereich bezeichnet.

Das Absperrventil 25 ist mittels einer Spule 26 betätigbar. Entsprechend ist das Ventil 40 mittels einer Spule 41 betä­ tigbar. Am Rail 35 ist ein Sensor 50 angeordnet. Bei diesem Sensor 50 handelt es sich vorzugsweise um einen Drucksensor, der ein Signal bereitstellt, das dem Kraftstoffdruck im Rail entspricht. Das Rail 35 steht über jeweils eine Leitung mit den einzelnen Injektoren 61 bis 66 in Verbindung. Die Injek­ toren umfassen Magnetventile 71 bis 76 mittels denen der Kraftstofffluß durch die Injektoren steuerbar ist. Des wei­ teren stehen die Injektoren mit jeweils einem Anschluß mit der Rücklaufleitung 45 in Verbindung.

Das Ausgangssignal des Drucksensors 50 sowie die Ausgangs­ signale weiterer Sensoren 80 gelangen zu einer Steuereinheit 100 die wiederum die Magnetventile 71 bis 76, die Spule 26 der Vorförderpumpe, die Spule 41 des Druckregelventils 40 und die Hochdruckförderpumpe steuert. Die Sensoren 80 erfas­ sen beispielsweise die Drehzahl N der Brennkraftmaschine, den Fahrerwunsch FP, der vorzugsweise mittels eines Fahrpe­ dalstellungsgebers ermittelt wird, sowie verschiedene Tempe­ raturwerte, wie beispielsweise die Temperatur T des Kraft­ stoffes.

Diese Einrichtung arbeitet wie folgt. Die Vorförderpumpe 20, die als Elektrokraftstoffpumpe oder mechanische Pumpe ausge­ führt sein kann, fördert den Kraftstoff, der sich im Kraft­ stoffvorratsbehälter 10 befindet über einen Filter 15 zur Hochdruckförderpumpe 30. Die Hochdruckförderpumpe 30 fördert den Kraftstoff in das Rail 35 und baut dort einen Druck auf. Üblicherweise werden bei Systemen für fremdgezündete Brenn­ kraftmaschinen Druckwerte von etwa 30 bis 100 bar und bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen Druckwerte von etwa 400 bis 2000 bar erzielt.

Zwischen der Hochdruckförderpumpe 30 und der Vorförderpumpe 20 ist ein Absperrventil 25 angeordnet, daß von der Steuer­ einheit 100 ansteuerbar ist, um den Kraftstofffluß zu unter­ brechen.

Ausgehend von den Signalen verschiedener Sensoren 80 be­ stimmt die Steuereinheit 100 Steuersignale zur Beaufschla­ gung der Magnetventile 71 bis 76 der Injektoren 61 bis 66. Durch Öffnen und Schließen der Magnetventile 71 bis 76 wird der Beginn und das Ende der Kraftstoffeinspritzung in die Brennkraftmaschine gesteuert.

Mittels des Drucksensors 50 wird der Druck des Kraftstoffes im Rail 35 und damit im Hochdruckbereich erfaßt. Ausgehend von diesem Wert berechnet die Steuereinheit 100 ein Signal zur Beaufschlagung des Druckregelventils 40. Vorzugsweise wird der Druck durch Ansteuern des Druckregelventils 40 auf einen vorgebbaren Wert geregelt, der unter anderem von Be­ triebsbedingungen der Brennkraftmaschine abhängt, die mit­ tels der Sensoren 80 erfaßt werden.

Bei auftretenden Fehler kann die Kraftstoffzufuhr mit dem Absperrventil 25 unterbunden werden. Ferner wird bei erkann­ tem Fehler das Ventil 40 so angesteuert, daß der Druck im Rail 35 abfällt. Ferner werden die Ventile 71 bis 76 so an­ gesteuert, daß sie geschlossen bleiben und damit keine Ein­ spritzung erfolgt.

Bei diesen Systemen kann eine Leckage auftreten. Dabei ge­ langt Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich zum einen über die Injektoren in die Brennkraftmaschine und/oder über ein Leck in den Motorenraum des Fahrzeugs. Solche Leckagen in dem Mo­ torenraum bzw. ein nicht korrekt arbeitender Injektor müssen sicher erkannt werden.

Zur Erkennung einer Leckage im Hochdruckbereich wird eine Mengenbilanz des Hochdruckbereichs, insbesondere des Rails 35 betrachtet. Dabei lassen sich eine Volumenbilanz und/oder eine Massenbilanz erstellen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Kraftstoffmassen betrachtet. Es lassen sich aber auch die entsprechenden Kraftstoffvolu­ mina betrachten.

Zur Erstellung einer Kraftstoffmengenbilanz werden die in das Rail einströmenden Kraftstoffmassen und die aus dem Rail ausströmenden Kraftstoffmassen betrachtet. Es gilt die fol­ gende Gleichung 1:

Mit einem Punkt sind jeweils die Ableitungen über die Zeit bzw. die Änderungen innerhalb eines Zeitabschnitts der ent­ sprechenden Größen gekennzeichnet.

Mit MF ist die Fördermasse, die von der Hochdruckpumpe 30 in den Hochdruckbereich gefördert wird, bezeichnet. Diese Masse liegt im Steuergerät 100 vor. Sie hängt im wesentlichen von der Drehzahl N der Brennkraftmaschine, dem Druck P im Rail ab.

Mit ME wird die Einspritzmasse bezeichnet, die aus dem Rail über die Injektoren in die Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Diese Menge liegt im Steuergerät vor. Sie hängt im we­ sentlichen von der Ansteuerung der Injektoren ab.

Mit MR wird die Rücklaufmasse bezeichnet, die von den Injek­ toren über die Leitung 45 zurück in den Tank gelangt. Diese Rücklaufmasse setzt sich zusammen aus der Steuermasse MS, die zur Steuerung der Injektoren benötigt wird sowie der Leckmasse MLD, bei der es sich um Verluste im Bereich der Injektoren handelt. Die Rücklaufmasse gelangt über die Lei­ tung 45 ebenfalls zurück in den Tank. Diese Masse liegt im Steuergerät in der Regel nicht vor und muß daher gelernt werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß Betriebs­ zustände gewählt werden, in denen diese Masse bekannt ist.

Bei der Größe MD handelt es sich um die Druckregelmasse, die von dem Druckregelventil 40 aus dem Hochdruckbereich in den Tank zurückgeleitet wird, um den Druck P im Hochdruckbereich auf seinem vorgegebenen Wert zu halten.

Bei der Größe ML handelt es sich um die Leckagemasse. Dies ist die gesuchte Größe. Das Verfahren unterscheidet nicht zwischen einer inneren Leckage, bei der Kraftstoff über ei­ nen defekten Injektor in den Brennraum gelangt, und einer äußeren Leckage, bei der Kraftstoff insbesondere in den Mo­ torraum des Kraftfahrzeugs gelangt.

In der Fig. 1 sind die Massenströme an den entsprechenden Stellen mit Pfeilen gekennzeichnet.

Die Größen V und E sind Konstanten des Kraftstoffes bzw. des Zumeßsystems. Die Größe V wird im wesentlichen bestimmt durch das Volumen des Hochdruckbereichs, der sich aus dem Rail-, Leitungs- und Injektorvolumen zusammensetzt. In die Größe E gehen unter anderem die Kraftstoffdichte und das Kompressibilitätsmodul des Kraftstoffs ein.

Bei den Werten P2 und P1 handelt es sich um zwei Druckwerte des Kraftstoffdrucks im Rail an zwei unterschiedlichen Zeit­ punkten, wobei die Änderung der Größen sich jeweils auf die Differenz zwischen diesen beiden Zeitpunkten beziehen.

In Fig. 2 ist der Druck P im Rail über der Zeit t aufgetra­ gen. Mit Pfeilen ist der Beginn der einzelnen Einspritzungen bezeichnet. Mit jeder Einspritzung sinkt der Druck P im Rail ab und steigt dann auf seinen ursprünglichen Wert an. Im stationären Zustand erreicht Druck zwischen zwei Einsprit­ zungen bei gleicher Lage der Kurbelwelle immer den gleichen Wert. Zur Bestimmung der Massenbilanz werden über das Zei­ tintervall zwischen den Zeitpunkten t1 und t2, bei denen der Druck P1 und P2 gemessen wird, die Masseströme auf inte­ griert.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die beiden Zeitpunkte t1 und t2 einem festen Winkelabstand zwischen zwei Einspritzun­ gen entsprechen, der eine vollständige Einspritzung beinhal­ tet. Bei einem 4-Zylinder-Motor entspricht dies 180° Kurbelwelle. Betrachtet man eine komplette Zumessung, so können die Größen MF und ME in Kennfeldern abgelegt wer­ den.

Die Rücklaufmasse MR wird vorzugsweise in einem Zustand ge­ lernt, in dem kein Fehlerfall vorliegt, und abhängig von Be­ triebskenngrößen, wie der Drehzahl N und dem Druck P im Rail in einem Kennfeld abgelegt.

Da die Masse MD, die vom Druckregelventil in den Tank abge­ lassen wird, in der Regel nicht bekannt ist, wird während der Überprüfung auf Leckage das Druckregelventil definiert angesteuert. Dies bedeutet, es kann zum einen völlig ge­ schlossen bzw. völlig geöffnet sein. Dabei muß im geöffneten Zustand die Masse MDM, die sich im geöffneten Zustand er­ gibt, bekannt sein.

Für die Leckagemasse ML gilt dann die Gleichung 2.

In Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise anhand eines Flußdiagramms dargestellt. In einem ersten Schritt 310 erfolgt die Initialisierung des Prüfvorgangs. Hierzu wird das Druckregelventil mit einem bestimmten Ansteuersignal be­ aufschlagt.

Ist der Zusammenhang zwischen Ansteuersignal für das Druck­ regelventil 40 und der Masse MD nicht bekannt, so wird das Druckregelventil so angesteuert, daß es einen definierten Zustand annimmt. Beispielsweise wird das Druckregelventil 40 so angesteuert, daß es völlig geschlossen ist. In diesem Fall ergibt sich für MD der Wert Null. Wird das Druckregel­ ventil 40 so angesteuert, daß es völlig geöffnet ist, so nimmt die Masse MD den Wert MDM an.

Ist der Zusammenhang zwischen dem Ansteuersignal für das Druckregelventil 40 und der Masse MD bekannt, muß es nicht definiert angesteuert werden. In diesem Fall ist der ent­ sprechende Wert MD aus einem Kennfeld auszulesen.

Die Initialisierung des Prüfprogrammes kann beispielsweise im Rahmen der Prüfung der Anlage in der Werkstatt erfolgen. Desweiteren kann vorgesehen sein, daß die Überprüfungen in fest vorgegebenen Zeitabständen und/oder nach Ablauf einer vorgegebenen Anzahl von Motorumdrehungen durchgeführt wird.

In einem zweiten Schritt 320 erfaßt der Drucksensor einen ersten Druckwert. Anschließend wird in einem dritten Schritt 330 die Fördermasse MF aus einem Kennfeld ausgele­ sen. Die Fördermasse ist vorzugsweise abhängig von der Dreh­ zahl N der Brennkraftmaschine, dem Druck P im Rail, der Kraftstofftemperatur im System und weiteren Größen in einem oder mehreren Kennfeldern abgelegt oder wird ausgehen von den entsprechenden Größen berechnet.

Im anschließenden Schritt 335 wird die Einspritzmasse ME ebenfalls abhängig von der Drehzahl N, dem Fahrerwunsch FP sowie ggf. weiterer Größen vorzugsweise aus einem Kennfeld ausgelesen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Massesignal ME, das in der Steuerung vorliegende Signal, mit dem auch die Ansteuersignale für die Injektoren berechnet wer­ den, verwendet wird. Neben den genannten Größen können auch andere den Einspritzvorgang charakterisierende Größen ver­ wendet werden. Dies sind beispielsweise die bei der Vorein­ spritzung und/oder den Nacheinspritzung zugemessenen Kraft­ stoffmassen.

Im anschließenden Schritt 340 wird die Rücklaufmasse MR aus einem Speicher ausgelesen. Im Schritt 350 wird zum Zeit­ punkt t2 der zweite Druckwert P2 erfaßt. Im Schritt 355 wird die Leckmasse mittels der Gleichung 2 bestimmt. Die sich an­ schließende Abfrage 360 überprüft, ob die Leckagemasse ML größer als ein Schwellwert SW. Ist dies der Fall, so erkennt die Einrichtung in Schritt 370 auf Leckage und leitet ent­ sprechende Maßnahmen ein. Andernfalls erkennt die Einrich­ tung in Schritt 380 die Dichtheit des Systems.

Eine Ausführungsform des Lernens der Rücklaufmenge MR ist als Flußdiagramm in Fig. 4 dargestellt. Zum Lernen der Rücklaufmasse MR wird in einem ersten Schritt 400 die Mas­ se MD gezielt auf Null gestellt. Dies wird dadurch erreicht, daß das Druckregelventil 40 derart angesteuert wird, daß es geschlossen bleibt und damit die Rücklaufmasse MD zu Null wird. In einem zweiten Schritt 410 wird ein erster Druckwert P1 erfaßt. Anschließend wird in Schritt 420, entsprechend wie in Fig. 3 beschrieben, die Masse ME und MF bestimmt. Anschließend in Schritt 430 erfolgt die Messung des zweiten Druckwerts P2. Im anschließenden Schritt 440 erfolgt die Be­ rechnung der Masse MR gemäß der Gleichung:

Anschließend erfolge die Abfrage 450, die überprüft, ob ein Betriebszustand vorliegt, in dem keine Einspritzung erfolgt, das heißt die Menge ME Null ist. Ein solcher Betriebszustand liegt beispielsweise im sogenannten Schubbedingung vor. Im Schubbetrieb erfolgt keine Einspritzung, daher wird auch kein Kraftstoff benötigt um den Injektor zu steuern. Dies bedeutet, im Schub ist die Steuermasse MS Null. In diesem Fall entspricht die Masse MLD der Masse MR. Daher wird bei Vorliegen dieses Zustands im Schritt 460 die Masse MLD gleich der Masse MR gesetzt. Liegt der entsprechende Zustand nicht vor oder anschließend an Schritt 460, wird in Schritt 470 der Wert für MR vorzugsweise abhängig von verschiedenen Betriebskenngrößen in einem Kennfeld abgespeichert.

Besonders vorteilhaft bei dieser Vorgehensweise ist, daß auch kleine Leckagen mit einer kleinen Leckagemasse, sicher erkannt werden. Bei den bekannten Leckageerkennungen kann nicht zwischen einem Druckabfall aufgrund einer großen Ein­ spritzmenge und einem Druckabfall aufgrund einer kleinen Leckage unterschieden werden, da der Druckabfall bei einer großen Einspritzmenge größer sein kann als bei einer kleinen Leckage. Mit der erfindungsgemäße Vorgehensweise lassen sich auch kleine Leckagemengen erkennen.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel zur Ermittlung der Masse MDM dargestellt. Diese Masse MDM, die bei völlig ge­ öffneten Druckregelventil abgeleitet wird, läßt sich eben­ falls vorzugsweise im Schubbetrieb lernen und in einem Kenn­ feld abspeichern.

Zum Lernen der maximalen Masse MDM wird in einem ersten Schritt 500 die Masse MD gezielt auf ihren maximal möglichen Wert gestellt. Dies wird dadurch erreicht, daß das Druckre­ gelventil 40 derart angesteuert wird, daß es geöffnet ist und damit die MD ihren maximalen Wert MDM erreicht. In einem zweiten Schritt 510 wird ein erster Druckwert P1 erfaßt. An­ schließend wird in Schritt 520, entsprechend wie in Fig. 3 beschrieben, die Masse ME und MF bestimmt. Anschließend in Schritt 530 erfolgt die Messung des zweiten Druckwerts P2. Im anschließenden Schritt 540 erfolgt die Berechnung der Masse MDM gemäß der Gleichung:

Dieser Wert wird abhängig von verschiedenen Betriebskenngrö­ ßen wie beispielsweise der Drehzahl N, der Einspritzmenge ME und weiterer Größen in einem Kennfeld abgelegt.

Claims (8)

1. Verfahren zur Erkennung einer Leckage in einem Kraft­ stoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine, insbesonde­ re einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-System, wobei der Kraftstoff von wenigstens einer Pumpe von einem Niederdruckbereich in einen Hochdruckbereich gefördert wird und der Druck im Hochdruckbereich mit wenigstens einem Drucksensor erfaßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenig­ stens zwei Druckwerte (P1, P2) zu unterschiedlichen Zeit­ punkten erfaßt werden, und daß ausgehend von den Druckwerten eine Kraftstoffmengenbilanz erstellt wird, wobei ausgehend von der Kraftstoffmengenbilanz auf Fehler erkannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Kraftstoffmengenbilanz zusätzlich wenigstens eine För­ dermenge (MF), eine Einspritzmenge (ME), eine Rücklaufmenge (MR) und/oder eine Druckregelmenge (MD) eingehen.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördermenge (MF) abhängig von wenig­ stens einer Drehzahl (N) und einem Druckwert (P) vorgebbar ist.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzmenge (ME) abhängig von we­ nigstens einer Drehzahl (N) und/oder einem Fahrerwunsch (FP) vorgebbar ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rücklaufmenge (MR) im fehler­ freien Fall gelernt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffmengenbilanz in vor­ gegebenen Abständen, insbesondere einer vorgegebenen Anzahl von Umdrehungen des Motors, erstellt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß bei der Überprüfung ein Druckre­ gelventil definiert angesteuert wird.

8. Vorrichtung zur Erkennung einer Leckage in einem Kraft­ stoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine, insbesonde­ re einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-System, mit wenigstens einer Pumpe, die Kraftstoff von einem Nieder­ druckbereich in einen Hochdruckbereich fördert und wenig­ stens einem Drucksensor, der den Druck im Hochdruckbereich erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die wenigstens zwei Druckwerte (P1, P2) zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfassen, und ausgehend von den Druckwerten eine Kraftstoffmengenbilanz erstellen und ausgehend von der Kraftstoffmengenbilanz auf Fehler erkennen.