DE19935237A1

DE19935237A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Beladungszustandes eines Kraftstoffilters

Info

Publication number: DE19935237A1
Application number: DE19935237A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Doerges
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1999-07-28
Filing date: 1999-07-28
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2019-07-29
Also published as: DE19935237B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Beladungszustandes eines Kraftstoffilters (6) einer Brennkraftmaschine (12) und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Der Kraftstoffilter (6) ist nach einer Förderpumpe (2), welche Kraftstoff aus einem Tank (1) fördert, angeordnet. Die Brennkraftmaschine (12) besitzt eine Druckregelung für den Kraftstofförderdruck und einen stromabwärts nach dem Kraftstoffilter (6) angeordneten Drucksensor (7). Zum Bestimmen des Beladungszustandes des Kraftstoffilters (6) wird der Druckabfall zwischen Filterein- und -ausgang benutzt. Die von der Druckregelung für den Kraftstofförderdruck, aus dem von einem Steuergerät (11) vorgegebenen Drucksollwert (P SOLL ) und einem vom Drucksensor (7) gemessenen Istwert (P IST ) des Drucks am Filterausgang, gebildete Regelabweichung (e) wird mit einem im Steuergerät (11) gespeicherten, den Beladungszustand - Filter voll - des Filters (7) kennzeichnenden Grenzwert (GW1) für die Regelabweichung (e) verglichen und bei gleichem oder größerem Wert wird ein Signal - Filter voll- ausgegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Vorbekannt sind aus der Schrift DE 38 35 672 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die den Verschmutzungsgrad von Filtern für flüssige Medien erfassen. Hierzu wird jeweils ein Druckmeßwert vor und nach dem Filter ermittelt, wobei die aus beiden Werten errechnete Druckdifferenz ein Maß für die Beladung des Filters ist. Um den Beladungszustand des Filters genauer zu ermitteln, wird die Temperatur und der Volumenstrom des durch den Filter fließenden Mediums für die Beurteilung des Filterzustandes zusätzlich berücksichtigt.

Für dieses Verfahren sind jeweils ein Drucksensor am Ein- und Ausgang des Filters sowie Meßeinrichtungen für Temperatur und Volumenstrom notwendig.

Vorbekannt ist aus der Schrift DE 38 39 960 A1 eine Vorrichtung zum Überwachen des Beladungszustandes eines Kraftstoffilters einer Dieselbrennkraftmaschine. Zum Erkennen des Beladungszustandes eines Kraftstoffilters wird ein elektronischer Rückstandssensor in der Art eines elektrischen Widerstandes benutzt, der ein von der Beladung des Filters abhängiges Signal erzeugt, das der Kraftstoffzumessung steuernden Einheit, der Brennkraftmaschine angeschlossen ist. Diese Einheit gibt ein Signal bei Funktionsunfähigkeit des Filters aus.

Für einen störungsfreien Betrieb von Otto- bzw. Dieselmotoren bedarf es einer einwandfreien Filterung des Kraftstoffes, um die hochpräzise gefertigten Einspritzelemente vor schnellem Verschleißen zu schützen. Durch die im Filter verbleibenden Rückstände erhöht sich der Durchflußwiderstand des Filters im Laufe von dessen Betriebszeit. Die Ablagerungen im Filter sind abhängig von den Verunreinigungen des ihn durchströmenden Kraftstoffes und können dabei unterschiedlich anfallen. Feste Austauschintervalle, z. B. bemessen nach Betriebszuständen, Laufleistung oder Zeitintervallen, stellen somit nur eine Kompromißlösung dar. Gegebenenfalls werden funktionsfähige Filter ausgetauscht oder funktionsunfähige Filter weiter benutzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren zu schaffen, bei der nur unter Nutzung des bereits für die Einspritzdruckregelung vorhandenen Meßwertes des Drucksensors und davon abgeleiteter Steuergrößen eine Erkennung des Beladungszustandes des Filters erfolgt.

Diese Aufgabe wird bei gattungsgemäßen Überwachungseinrichtungen für Kraftstoffilter erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 oder 2 gelöst.

Erfindungsgemäß wird der Beladungszustand eines Kraftstoffilters erkannt und somit zu einem funktionell bestimmten Zeitpunkt ein erforderlicher Austausch des Filters signalisiert. Erfindungsgemäß vorteilhaft werden ein für die Einspritzdruckregelung und bereits vorhandener Sensor sowie im Steuergerät vorliegende Signale benutzt, mittels derer der Kraftstoffdruck in der Druckleitung der Förderpumpe erfaßt wird. Es wird das Signal für die Regelabweichung vom Drucksollwert mit einem vordefinierten Grenzwert verglichen. Das Verfahren ist mit geringem Aufwand in ein Steuergerät zu implementieren, da notwendige Meß- und Rechenwerte bereits vorhanden sind und nur die Abweichung der bleibenden Regelabweichung von einem Grenzwert ermittelt werden muß. Mit einer einfachen Vergleichsoperation kann somit die Funktionsfähigkeit des Filters überwacht werden.

In einer weiteren Ausführung wird vorgeschlagen, einen für einen definierten Beladungszustand des Filters zu jeder Ansteuergröße der Förderpumpe empirisch ermittelten Druckwert abzuspeichern und diesen mit dem Istwert zu vergleichen. Dies ist vorteilhaft, da im Gegensatz zum Verfahren der Beurteilung des Beladungszustandes mittels der bleibenden Regelabweichung eine Beurteilung während der gesamten Betriebszeit des Filters möglich ist, ohne daß die Förderpumpe ihre Fördergrenze erreicht hat. Eine Entwicklung zu einem kritischen Beladungszustand hin kann frühzeitig erkannt werden.

Für eine genaue Beurteilung des Beladungszustandes ist es von Vorteil, den für den definierten Beladungszustand des Filters abgelegten Druckwert abhängig von der durch die Hochdruckpumpe abgeförderte Menge Kraftstoff und der die Förderleistung kennzeichnenden Stellgröße der Förderpumpe zu ermitteln.

Es ist weiterhin vorteilhaft, die Regelabweichung mit definiert abgestuften Grenzwerten zu vergleichen, um damit eine differenzierte Beurteilung des Beladungszustandes des Filters zu treffen und eine vom Grad der Verschmutzung abhängige Reaktion, beispielsweise Signal für den Fahrer, Eintrag in den Fehlerspeicher o. Betrieb der Brennkraftmaschine mit verminderter Leistung, auszulösen.

Es ist weiterhin vorteilhaft, den Beladungszustand des Filters insbesondere bei hoher Durchflußmenge zu betrachten, da der Druckabfall über dem Filter dann größer ist und der durch die Verschmutzung des Filters veränderte Durchflußwiderstand deutlicher feststellbar ist.

Es ist von Vorteil, den erfindungsgemäßen Algorithmus im Steuergerät für die Druckregelung der Einspritzung abzulegen, da dort die benötigten Meß- und Rechenwerte bereits vorhanden sind und keine spezielle Recheneinheit benötigt wird.

Eine weitere vorteilhafte Gestaltung der Erfindung ist die Anordnung einer Signaleinrichtung im Sichtbereich des Fahrers, da somit ein bedarfsgerechter Wechsel der Filtereinheit durch den Fahrer ausgelöst bzw. ein für den Betrieb der Brennkraftmaschine kritischer Zustand ihm signalisiert werden kann.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.

Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Systems zur Kraftstoffzuführung,

Fig. 2 ein vereinfachtes hydraulisches Schaltbild des Systems zur Kraftstoffzuführung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Einspritzeinheit,

Fig. 4 einen Signalflußplan einer einfachen Filterbeladungserkennung mittels der Regelabweichung der Druckregelung,

Fig. 5 einen Signalflußplan einer Filterbeladungserkennung mit einem Vergleich eines Druckistwertes mit einem zugehörigen aus einem Kennfeldspeicher ausgelesenen Grenzwert.

In Fig. 1 ist eine mögliche Ausführung eines Systems zur Kraftstoffzuführung schematisch dargestellt. Aus einem Kraftstofftank 1 liefert eine regelbare Förderpumpe 2 über eine Saugleitung 23 angesaugten Kraftstoff in eine Druckleitung 5. Parallel zur Förderpumpe 2 ist ein Druckbegrenzungsventil 4 mit einer wieder in den Kraftstofftank 1 führenden Entlastungsleitung 3 angeordnet. Die Druckleitung 5 führt den Kraftstoff zu einem Filter 6, dem ausgangsseitig über Rückschlagventil 8 eine Hochdruckeinspritzanlage 19 angeschlossen ist. Diese führt abhängig von den Betriebsparametern des Motors 12 diesem Kraftstoff zu. Der von der Einspritzanlage 19 nicht dem Motor 12 zugeführte Kraftstoff fließt in der Rücklaufleitung 17 wieder in den Kraftstofftank 1. In der Förderleitung 5 befindet sich stromabwärts nach dem Filter 6 ein Drucksensor 7, der über eine Meßleitung 14 ein dem Druck in der Leitung äquivalentes Signal zum Steuergerät 11 übermittelt. Eine Ansteuerleitung 29 verbindet das Steuergerät mit einer an der regelbaren Förderpumpe 2 angeordneten Stelleinheit - nicht gesondert dargestellt -. Über das Steuergerät 11 ist somit die Stelleinheit und damit die Förderpumpe 2 in ihrem Volumenstrom regelbar. Das Steuergerät 11 steuert abhängig von Betriebsparametern des Motors P1, P2, . . . über Ansteuerleitungen eines Bussystems 25 die Hochdruckeinspritzanlage 19 und die Förderpumpe 2. Die Hochdruckeinspritzanlage 19 kann eine Common-Rail-Einspritzanlage mit einer Hochdruckpumpe (siehe Fig. 3) sein oder auch aus einzelne den Zylindern zugeordnete Pumpe-Düse-Elemente - nicht dargestellt - bestehen.

In Fig. 2 ist ein vereinfachtes hydraulisches Ersatzschaltbild für das Kraftstoffzuführungssystem gezeigt, in dem der Filter 6 als beladungsabhängig veränderliche Drossel dargestellt ist. Die Kraftstofführung erfolgt analog wie zu Fig. 1 beschrieben. Ein Einspritzventil 18 einer Hochdruckeinspritzanlage 19 - in diesem Fall einer Common-Rail- Einspritzanlage mit einer Hochdruckpumpe 9 - ist hier als ein elektrisch stellbares Ventil 26 mit einer vom Steuergerät 11 kommenden Ansteuerleitung eines Bussystems 25 dargestellt, das den Kraftstoff dem Motor 12 zuführt. Der am Filterausgang vom Sensor 7 gemessene Druckwert stellt sich abhängig der von der Förderpumpe 2 geförderten Kraftstoffmenge, dem Durchflußwiderstand des Filters 6, dem über den Druckbegrenzer 4 abfließenden Volumenstrom und dem von der Hochdruckpumpe 9 abgeförderten Volumenstrom, welcher sich auf die eingespritzte Kraftstoffmenge und über den Druckbegrenzer 16 abfließenden Volumenstrom aufteilt, ein. Der Durchflußwiderstand des Filters 6 ist von seinem Beladungszustand abhängig. Der daraus resultierende Druckabfall über dem Filter 6 ist ein Maß für dessen Beladung.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführung der Hochdruckeinspritzanlage 19 - hier als Common- Rail-Anlage -. Der von der Förderpumpe - nicht dargestellt - in der Druckleitung 5 zu einer regelbaren Hochdruckpumpe 9 geförderte Kraftstoff wird von dieser in die Hochdruckleitung 10 gedrückt. Davon zweigt über ein federbelastetes Rückschlagventil eine Rücklaufleitung 17 ab, die den nicht eingespritzten Kraftstoff abführt. In der Hochdruckleitung 10 ist ein Druckspeicher 27 angeordnet. Der unter Hochdruck stehende Kraftstoff wird über die, hier als elektrisch betätigbare Ventile 26, dargestellten Einspritzventile in die Zylinder Z1-Z4 eingespritzt. Die stellbaren Ventile 26 sind über das Bussystem 25 mit dem Steuergerät - nicht dargestellt - verbunden und über Ansteuersignale von diesem aus bedarfsgerecht betätigbar.

Fig. 4 zeigt einen Signalflußplan der erfindungsgemäßen Filterbeladungserkennung, an welchem für einen an sich bekannten geschlossenen Regelkreis eine mögliche Ausführung des Verfahrens erläutert wird. Vom Steuergerät - nicht dargestellt - wird bedarfsgerecht ein Drucksollwert P_SOLL für den Druck in der Vorförderleitung vorgegeben. Die Regelstrecke 28, gebildet aus Förderpumpe 2 mit Stelleinheit, Druckbegrenzungsventil 4, Zuleitungen und Filter 6 entsprechend Fig. 1, wird entsprechend der am Ausgang eines Reglers 20 generierten Stellgröße y, die auf die Stelleinheit der Förderpumpe 2 wirkt, angesteuert. Ausgang der Regelstrecke 28 ist der Kraftstoffdruck P_IST am Filterausgang 6 - nicht dargestellt - der mittels des Sensors 7 gemessen und an einer Summationsstelle S1 vom Sollwert P_SOLL subtrahiert wird, womit sich die Regelabweichung e ergibt, die Eingangsgröße für den Regler 20 ist.

Der Wert der Regelabweichung e wird in einem Vergleicher 21 mit einem zulässigen Grenzwert GW1 verglichen und beim Überschreiten dieses Grenzwertes GW1 ein Signal - Fv Filter voll - ausgelöst. Die bleibende Regelabweichung e ist ein Maß für die Filterbeladung, da bei verminderter Durchlässigkeit des Filters (6 in Fig. 1) der Druck an seinem Auslaß immer weiter absinkt und die Förderpumpe (2 in Fig. 1) zu immer höherer Förderleistung hin geregelt wird. Fördert die Förderpumpe (2, Fig. 1) mit maximaler Leistung und der Drucksollwert P_SOLL wird nicht erreicht, so entsteht am Eingang des Reglers 20 eine bleibende Regelabweichung e, deren Größe ein Maß für die Durchlässigkeit des Filters (6, Fig. 2) ist.

Fig. 5 zeigt einen Signalflußplan eines weiteren Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Erkennung der Filterbeladung. Die Anordnung zur Kraftstoffversorgung entspricht dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Aufbau. Es ist ein an sich bekannter geschlossener Regelkreis für die Regelung einer Regelstrecke 28 dargestellt. Die Regelstrecke 28 wird analog zu dem zu Fig. 4 beschriebenen Algorithmus - Messung Istwert P_IST, Bildung Regelabweichung e aus der Differenz zum Sollwert P_SOLL, Generieren der Stellgröße y, Stellen der Pumpenleistung - angesteuert. Abweichend von dem zu Fig. 4 beschriebenen Algorithmus zum Erkennen der Filterbeladung wird die Stellgröße für die Regelstrecke einem Kennfeld 23 zugeführt. In diesem sind empirisch für das Kraftstoffzuführungssystem ermittelte Werte für den vom Sensor 7 gemessenen Kraftstoffdruck als Funktion der Stellgröße y und der von der Hochdruckpumpe (9, Fig. 1 u. 2) abgeförderten Menge z und gegebenenfalls weiterer Betriebsparameter des Motors abgelegt. Diese Druckwerte entsprechen dem Kraftstoffdruck am Sensor 7 bei definierter Filterbeladung. Es können einerseits, bezogen auf die Eingangsgrößen - Stellgröße y und abgeförderte Menge z -, empirisch ermittelte kritische Druckwerte bei voll beladenem Filter abgelegt sein oder andererseits Druckwerte für einen voll funktionsfähig durchlässigen Filter. Der vom Sensor 7 gemessene Istwert P_IST wird von dem entsprechenden empirisch ermittelten Wert aus dem Kennfeld 23 an der Summationsstelle S3 subtrahiert. Das entstehende Differenzsignal xDiff ist ein Maß für den Beladungszustand des Filters 6. Das Differenzsignal wird einem Vergleicher 30 zugeführt, der das Signal auf Überschreitung mindestens eines Grenzwertes GW2 überwacht und dann entsprechend dem überschrittenen Grenzwert GW2 eine Signalausgabe 22 des Signals Fv initiiert.

Zweckmäßig sollte eine Messung der Filterbeladung nur bei betriebswarmem Kraftstoff erfolgen.

Bezugszeichenliste

1

Kraftstofftank

2

Förderpumpe

3

Überdruckleitung

4

Druckbegrenzungsventil

5

Druckleitung

6

Filter

7

Drucksensor

8

Rückschlagventil

9

Hochdruckpumpe

10

Hochdruckleitung

11

Steuergerät

12

Motor

14

Meßleitung

16

Rücklaufventil

17

Rücklaufleitung

18

Einspritzventil

19

Einspritzanlage

20

Regler

21

Vergleicher

22

Signalausgabe

23

Kennfeldspeicher

24

Vergleicher

25

Ansteuerleitungen/Bussystem

26

Ventile (elektrisch betätigt)

27

Druckspeicher

28

Regelstrecke

29

Ansteuerleitung

30

Vergleicher
S1, S2 Summationsstelle
Z1, Z2 Zylinder
P_IST

Istwert Druck
P_SOLL

Drucksollwert
y Stellgröße (für die Förderpumpe)
e Regelabweichung
xDiff Differenzsignal (xemp-x)
xemp Druckwert für Ansteuergröße empirisch ermittelt
GW1 Grenzwert für die bleibende Regelabweichung e
GW2 Grenzwert für die Differenz xemp-x

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen des Beladungszustandes eines nach einer Förderpumpe (2) angeordneten Kraftstoffilters (6) einer Brennkraftmaschine mit einer Druckregelung für den Kraftstofförderdruck und einem stromabwärts nach dem Kraftstoffilter (6) angeordneten Drucksensor (7), wobei der den Beladungszustand des Kraftstoffilters (6) kennzeichnende Druckabfall zwischen Filterein- und -ausgang zur Bestimmung des Beladungszustandes herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet:

- daß eine Regelabweichung (e) zwischen dem durch ein Steuergerät vorgegebenen Drucksollwert (P_SOLL) und einem vom Drucksensor (7) gemessenen Istwert (P_IST) des Drucks am Filterausgang berechnet wird,
- daß die ermittelte Regelabweichung (e) mit einem im Steuergerät (11) gespeicherten, den Beladungszustand - Filter voll - des Filters (7) kennzeichnenden Grenzwert (GW1) für die Regelabweichung (e) verglichen und bei gleichem oder größerem Wert wird ein Signal
- Filter voll - ausgegeben.

2. Verfahren zum Bestimmen des Beladungszustandes eines nach einer Förderpumpe (2) angeordneten Kraftstoffilters (6) einer Brennkraftmaschine mit einer Druckregelung für den Kraftstofförderdruck und einem stromabwärts nach dem Kraftstoffilter (6) angeordneten Drucksensor (7), wobei der den Beladungszustand des Kraftstoffilters (6) kennzeichnende Druckabfall zwischen Filterein- und -ausgang zur Bestimmung herangezogen wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- der Istwert (P_IST) des Kraftstoffdrucks wird nach dem Filter (6) gemessen,
- aus diesem und dem Sollwert (P_SOLL) des Kraftstoffdrucks wird eine Stellgröße (y) für die den Kraftstoffdruck erzeugende Förderpumpe (2) ermittelt,
- der Istwert (P_IST) des Drucks wird mit dem zugehörigen idealen Druckwert (xemp) aus einem Kennfeldspeicher (23) verglichen, in welchem für einen spezifischen Beladungszustand des Filters (6) ein empirisch ermittelter Wert für den am Sensor (7) anliegenden Druck für jeden Wert der Stellgröße (y) der Pumpe (2) abgelegt ist,
- die Differenz (xDiff) zwischen dem Sollwert (P_SOLL) aus dem Kennfeldspeicher (23) und dem gemessenen Druckistwert (P_IST) wird mit mindestens einem den Beladungszustand des Filters (6) kennzeichnenden Grenzwert (GW2) der Differenz (xDiff) verglichen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Kennfeldspeicher (23) auf die jeweilige Stellgröße (y) für die Förderpumpe (2) bezogene und zusätzlich abhängig von der von der Hochdruckeinspritzanlage abgeförderten Kraftstoffmenge Druckwerte (xemp) abgelegt und auslesbar sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1. o. 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten des/der Grenzwerte (GW1 o. GW2) jeweils ein zugehöriges, den Beladungszustand kennzeichnendes Signal ausgelöst wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Überschreiten des/der Grenzwerte (GW1 o. GW2) insbesondere bei hohen Durchflußmengen geprüft/kontrolliert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal (Fv) unzulässig hoher Filterbeladung dem Fahrer angezeigt und/oder in einen Fehlerspeicher des Steuergerätes (11) eingetragen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das/die Signale (Fv) unzulässig hoher Filterbeladung der Steuerung des Motors (12) anliegen und diese beeinflussen.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der eine Förderpumpe (2) Kraftstoff aus einem Tank (1) fördert, an deren Druckseite ein Filter (6) und ein nach diesem befindlicher Drucksensor (7) zum Messen des Istwertes (P_IST) des Drucks am Filterausgang und im nachgeschalteten Drucksystem angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicher, vorzugsweise in Steuergerät (11) des Motors vorhanden ist, in dem Sollwerte (P_SOLL) für den Kraftstoffdruck am Filterausgang jeweils abhängig vom Betriebszustand des Motors (12) variiert abgelegt und diese entsprechend des momentanen Betriebszustandes auslesbar sind.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß den Beladungszustand kennzeichnende Grenzwerte - (GW1) für Regelabweichung (e) oder Grenzwerte (GW2) für die Differenz (XDiff) - und der Algorithmus zur Erkennung der Filterbeladung in Speichern abrufbar abgelegt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeige - nicht dargestellt - für den Beladungszustand des Kraftstoffilters (6) im Sichtbereich des Fahrers angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein spezieller resistenter Speicher, z. B. Fehlerspeicher eines Steuergerätes (11), für das Signal unzulässig hoher Filterbeladung vorgesehen ist.