WO2007031492A1 - Verfahren und vorrichtung zur überwachung eines kraftstoffzumesssystems - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur überwachung eines kraftstoffzumesssystems Download PDF

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Michael Hackner
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    • F02D2041/224—Diagnosis of the fuel system
    • F02D2041/225—Leakage detection

Definitions

  • the invention is based on a method and a device for monitoring a Kraftstoffzumesssystems according to the preamble of the main claims.
  • the pressure in the high pressure region is detected by means of a pressure sensor.
  • This pressure sensor is usually used to adjust or regulate the pressure in the high pressure range.
  • the pressure is evaluated so that the pressure curve is detected and compared with an expected pressure curve. In the event of a deviation between an expected pressure curve and the actual pressure curve, the device detects a leak.
  • FIG. 1 shows the essential elements of a fuel metering system
  • FIG. 2 shows the procedure according to the invention
  • FIG. 1 shows, by way of example, essential elements of a fuel metering system, in particular a diesel internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is designated.
  • This fuel is supplied via a first injector 110 and a second injector 120.
  • the injectors 110 and 120 are connected via fuel lines with a rail 130 in connection.
  • At least one sensor 140 which emits a pressure variable p which characterizes the pressure in the high-pressure region, is arranged on the rail.
  • This print size is also referred to as rail pressure in the following.
  • other variables characterizing the rail pressure can be evaluated accordingly.
  • the rail 130 is acted upon by a high-pressure pump 150 with fuel. This
  • High-pressure pump is associated with an actuating element 160, with which the amount of fuel delivered by the high pressure pump 150 and thus the rail pressure can be controlled.
  • This control element 160 and the injectors 110 and 120 are acted upon by a control unit 170 with drive signals.
  • the control unit also processes the output signal p of the sensor 140.
  • the rail and the line between the high-pressure pump 150 and the injectors as high-pressure region and the area before the high-pressure pump is referred to as low-pressure region.
  • the procedure is applicable to any number of injectors. For clarity, only two injectors are shown. It can also be provided more adjusting elements.
  • a further adjusting element can be provided by means of which the rail pressure can be controlled.
  • Such an actuating element is designed, for example, as a solenoid valve which connects the high-pressure region to the low-pressure region.
  • the control unit evaluates the signals of further sensors or controls further control elements for controlling the internal combustion engine 100.
  • the approach is not limited to systems with a rail. It can also be used on systems with multiple rails or even on systems without a rail. Instead of the rail pressure then a size corresponding to the rail pressure is evaluated.
  • the high-pressure pump 150 conveys the fuel from the low-pressure region, which in particular comprises the tank, into a high-pressure region, which in particular includes the rail 130.
  • the amount of fuel delivered and thus the rail pressure can be adjusted by means of the first control element 160.
  • This is preferably done by a control, which is part of the control unit 170.
  • the control unit 170 detects the rail pressure p via the sensor 140 and compares it with a desired value and controls the actuating element 160 as a function of the deviation between the setpoint and the actual value. From the high pressure region of the fuel passes through the injectors 110 and 120 in the internal combustion engine.
  • the injectors essentially contain an actuator, which can be designed as a solenoid valve or as a piezoelectric actuator.
  • the control unit 170 acts on the - A -
  • Injectors 110 and 120 with such signals that the fuel is supplied at a predetermined time or to the predetermined angular position of the crankshaft of the internal combustion engine in a predetermined amount.
  • the pressure profile is evaluated and compared with different, in particular stored, pressure profiles. On the basis of this comparison, on the one hand the leakage is reliably detected and, on the other hand, the leakage of a specific component is assigned.
  • a first step 200 it is checked whether an operating state exists in which a check is possible. If this is not the case, the query 200 takes place after a waiting time has elapsed. If the query 200 recognizes that a check is possible, then
  • Step 210 deliberately causes conditions that are necessary for testing.
  • the high-pressure region is subjected to a test pressure.
  • step 220 the pressure curve over time or over the rotation of the crankshaft is then recorded. Subsequently, in step 230, the exponent of the pressure drop curve is determined.
  • Table can then be read based on the stored exponent of the corresponding error. In this case, usually a certain range of values of the exponent will be assigned to a type of error.
  • hyperbolic function other functions that describe the pressure drop over time or the angular position can also be used.
  • the course can be approximated with a straight line.
  • a size that characterizes the steepness of the pressure drop may be used.
  • arbitrary functions for describing the pressure profile and any variables characterizing this function can be used to identify the type of fault or the defective component.
  • exponential functions are also suitable.
  • FIG. 3 shows by way of example two curves of the rail pressure with and without pressure-dependent leakage gap widening over time. It can be seen from this figure that, when the pressure value is monitored at a specific point in time t 1, the pressure at different pressure curves has fallen to the same value. By means of an evaluation of the pressure at one or a few points in time is a

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Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung eines Kraftstoffzumesssystems beschrieben, bei dem Kraftstoff von einem Niederdruckbereich in einen Hochdruckbereich gefördert wird. Der Druck im Hochdruckbereich wird erfasst. Ausgehend von dem Druckverlauf im Hochdruckbereich wird ein Fehler erkannt. Ausgehend von der Form einer Druckabfallkurve wird die Art eines Fehlers erkannt. Der Verlauf der Druckgrösse über die Zeit wird mit einer Funktion wie Hyperbelfunktion approximiert. Ausgehend von der die Funktion charakterisierenden Grösse wird die Art des Fehlers erkannt .

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Kraftstoffzumesssystems
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Überwachung eines Kraftstoffzumesssystems nach der Gattung der Hauptansprüche.
Aus der DE 195 20 300 ist eine Einrichtung zur Erkennung einer Leckage in einem Kraftstoffversorgungssystem bei einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbst- zündenden Brennkraftmaschine bekannt. Bei der dort beschriebenen Einrichtung wird der
Kraftstoff von wenigstens einer Kraftstoffpumpe unter Druck aus einem Kraftstoffbehälter in einen so genannten Hochdruckbereich gefördert. Vom Hochdruckbereich gelangt der Kraftstoff über Einspritzventile, die üblicherweise als Injektoren bezeichnet sind, in die einzelnen Brennräume der Brennkraftmaschine. Üblicherweise wird der Druck im Hochdruckbereich mittels eines Drucksensors erfasst. Dieser Drucksensor wird üblicherweise dazu verwendet um den Druck im Hochdruckbereich einzustellen bzw. einzuregeln. Im Stand der Technik wird der Druck dahingehend ausgewertet, dass der Druckverlauf erfasst und mit einem erwarteten Druckverlauf verglichen wird. Bei einer Abweichung zwischen einem erwarteten Druckverlauf und dem tatsächlichen Druckverlauf er- kennt die Einrichtung eine Leckage.
Nachteilig bei dieser Art der Fehlerüberwachung ist, dass lediglich erkannt wird, ob eine Leckage auftritt bzw. ob keine Leckage vorliegt.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass unterschiedliche Fehler unterschiedliche Druckverläufe zur Folge haben. Insbesondere wurde erkannt, dass sich die Leckagen durch die Art der Strömung unterscheiden. Dabei wird insbesondere zwischen laminaren und turbulenten Strömungen unterschieden. Ferner sind druckabhängige Leckaufweitungen oder Leckschrumpfungen möglich. D.h. abhängig vom Druck ändert sich die Querschnittsflä- che der Leckageöffnung. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, dass aus der Form der Druckabfallkurve auch die Leckageart erkannt wird. Durch die Zuordnung des gemessenen Druckverlaufs zu vorgegebenen Druckverläufen, die bei bestimmten Leckagen auftreten bzw. die bei einem Defekt verschiedener Komponenten auftreten, kann der Fehler sicher einer bestimmten Fehlerart und damit der defekten Komponente zugeordnet wer- den. D.h. ausgehend von dem Verlauf des Drucks kann die Art des Fehlers und damit die defekte Komponente sicher erkannt werden. Insbesondere erlaubt diese Vorgehensweise eine deutlich sicherere Leckageerkennung. Mit der herkömmlichen Vorgehensweise wird in jedem Fall bei einer Abweichung auch eine Leckage erkannt. Mit der neuen Erfindung werden bestimmte Druckverläufe, die nicht auf einer Leckage beruhen, im Stand der Technik aber als Leckage identifiziert würden, sicher als solche erkannt. Dadurch können unnötige Fehlerreaktionen, wie beispielsweise der Austausch von Komponenten, vermieden werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Verlauf der Druckgröße über der Zeit mit einer Funktion approximiert wird. Diese Approximation des Druckverlaufs liefert wenigstens eine oder mehrere die Funktion charakterisierende Größen. Das heißt es werden die charakteristischen Größen ermittelt, die den Druckverlauf am besten approximieren. Ausgehend diesen charakterisierenden Größe wird die Art des Fehlers und oder die defekte Komponente erkannt.
Zeichnung
In Figur 1 sind die wesentlichen Elemente eines Kraftstoffzumesssystems als
Blockdiagramm dargestellt. In Figur 2 ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise und
In Figur 3 verschiedene Druckverläufe über der Zeit aufgetragen.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der Figur 1 sind beispielhaft wesentliche Elemente eines Kraftstoffzumesssystems, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, dargestellt. Mit 100 ist die Brennkraftmaschine bezeichnet. Dieser werden über einen ersten Injektor 110 und einen zweiten Injektor 120 Kraftstoff zugeführt. Die Injektoren 110 und 120 stehen über Kraftstoffleitungen mit einem Rail 130 in Verbindung. An dem Rail ist wenigstens ein Sensor 140 angeord- net, der eine Druckgröße p abgibt, die den Druck im Hochdruckbereich charakterisiert. Diese Druckgröße wird im folgenden auch als Raildruck bezeichnet. Anstelle des Ausgangssignals des Sensors 140 können auch andere Größen, die den Raildruck charakterisieren, entsprechend ausgewertet werden.
Das Rail 130 wird von einer Hochdruckpumpe 150 mit Kraftstoff beaufschlagt. Dieser
Hochdruckpumpe ist ein Stellelement 160 zugeordnet, mit dem die Menge des von der Hochdruckpumpe 150 geförderten Kraftstoffes und damit der Raildruck gesteuert werden kann. Dieses Stellelement 160 sowie die Injektoren 110 und 120 werden von einer Steuereinheit 170 mit Ansteuersignalen beaufschlagt. Die Steuereinheit verarbeitet auch das Ausgangssignal p des Sensors 140. Üblicherweise wird das Rail sowie die Leitung zwischen Hochdruckpumpe 150 und den Injektoren als Hochdruckbereich und der Bereich vor der Hochdruckpumpe als Niederdruckbereich bezeichnet.
Bei der darstellten Ausführungsform sind lediglich zwei Injektoren dargestellt. Die Vor- gehensweise ist auf eine beliebige Anzahl von Injektoren anwendbar. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind lediglich zwei Injektoren dargestellt. Es können auch weitere Stellelemente vorgesehen sein. So kann insbesondere ein weiteres Stellelement vorgesehen sein, mittels dem der Raildruck steuerbar ist. Ein solches Stellelement ist beispielsweise als Magnetventil ausgebildet, das den Hochdruckbereich mit dem Niederdruckbereich ver- bindet. Des weiteren wertet die Steuereinheit die Signale weiterer Sensoren aus bzw. steuert noch weitere Stellelemente zur Steuerung der Brennkraftmaschine 100 an. Ferner ist die Vorgehensweise nicht auf Systeme mit einem Rail beschränkt. Sie kann auch bei Systemen mit mehreren Rails oder auch bei Systemen ohne Rail eingesetzt werden. Anstelle des Raildrucks ist dann eine dem Raildruck entsprechende Größe auszuwerten.
Die Hochdruckpumpe 150 fördert den Kraftstoff von dem Niederdruckbereich, der insbesondere den Tank umfasst, in einen Hochdruckbereich, der insbesondere das Rail 130 beinhaltet. Die Menge an gefördertem Kraftstoff und damit der Raildruck kann mittels des ersten Stellelements 160 eingestellt werden. Vorzugsweise erfolgt dies durch eine Rege- hing, die Teil der Steuereinheit 170 ist. Hierzu erfasst die Steuereinheit 170 über den Sensor 140 den Raildruck p und vergleicht diesen mit einem Sollwert und steuert abhängig von der Abweichung zwischen Soll- und Istwert das Stellelement 160 an. Von dem Hochdruckbereich gelangt der Kraftstoff über die Injektoren 110 bzw. 120 in die Brennkraftmaschine. Die Injektoren beinhalten im wesentlichen einen Aktor, der als Magnet- ventil oder als Piezoaktor ausgebildet sein kann. Die Steuereinheit 170 beaufschlagt die - A -
Injektoren 110 bzw. 120 mit solchen Signalen, dass der Kraftstoff zum vorgegebenen Zeitpunkt bzw. zur vorgegebenen Winkelstellung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in vorgegebener Menge zugeführt wird.
Bei einem solchen System können eine Vielzahl von Fehlern auftreten. So kann der Fall eintreten, dass im Hochdruckbereich eine Leckage auftritt, d.h. dass Kraftstoff vom Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich bzw. in die Umgebung gelangt. Ferner kann der Fall eintreten, dass durch die Injektoren eine erhöhte Kraftstoffmenge in die Brennkraftmaschine gelangt. Solche Fehler müssen sicher erkannt werden. Üblicherweise werden diese Fehler erkannt und dem Fahrer signalisiert bzw. in der Steuereinheit abgelegt und im Rahmen der Wartung ausgelesen. Tritt nun ein solcher Fehler auf, muss im Rahmen der Wartung der Fehler aufwändig gesucht werden. Erfmdungsgemäß wurde nun erkannt, dass anhand des Druckverlaufs der Fehler einer bestimmten Komponente des Systems zugeordnet werden kann. Insbesondere wurde erkannt, dass bei Leckagen unter- schiedlicher Komponenten unterschiedliche Druckverläufe auftreten.
Erfmdungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Druckverlauf ausgewertet wird und mit verschiedenen insbesondere abgespeicherten Druckverläufen verglichen wird. Anhand dieses Vergleichs wird zum einen die Leckage sicher erkannt und zum anderen die Le- ckage einer bestimmten Komponente zugeordnet.
In Figur 2 ist die erfmdungsgemäße Vorgehensweise detailliert als Flussdiagramm dargestellt. In einem ersten Schritt 200 wird überprüft, ob ein Betriebszustand vorliegt, in dem eine Prüfung möglich ist. Ist dies nicht der Fall, so erfolgt nach Ablauf einer Wartezeit die Abfrage 200. Erkennt die Abfrage 200, dass eine Prüfung möglich ist, so werden in
Schritt 210 gezielt Bedingungen herbeigeführt, die zur Prüfung notwendig sind. So wird unter anderem in Schritt 210 der Hochdruckbereich mit einem Prüfdruck beaufschlagt. Des Weiteren wird durch Ansteuerung der Stellelemente zur Regelung des Raildrucks, insbesondere des Stellelements 160 und durch Ansteuerung der Injektoren 110 und 120 gewährleistet, dass kein weiterer Kraftstoff in das Rail gefördert oder dem Rail entnommen wird. Sind weitere Steller vorgesehen, müssen diese ebenfalls in entsprechender Weise angesteuert werden. Im Schritt 220 wird dann der Druckverlauf über der Zeit bzw. über der Umdrehung der Kurbelwelle aufgezeichnet. Anschließend wird in Schritt 230 der Exponent der Druckabfallkurve ermittelt. Erfmdungsgemäß wurde erkannt, dass bei einer Leckage die druckabhängigen Leckagedurchflüsse und Druckänderungsraten Po- tenzfünktionen des Druckes folgen. Entsprechend folgt bei einer Leckage der Druckabfall über der Zeit oder über der Winkelstellung der Kurbelwelle näherungsweise einer so genannten Hyperbelfunktion mit Exponent. Im Spezialfall laminarer Strömung ohne druckabhängige Leckspaltaufweitung oder -Schrumpfung folgt der Druckabfall über der Zeit näherungsweise einer Exponentialfunktion.
Dies bedeutet, es werden verschiedene Druckwerte zu verschiedenen Zeitpunkten oder Winkelstellungen der Kurbel- oder Nockenwelle erfasst. Anschließend wird die Potenzfunktion der Druckänderungsrate über dem Druck ermittelt, mit dem die Potenzfunktion den Messwerten am nächsten kommt. Dabei sind beliebige Approximationsverfahren ein- setzbar, insbesondere die Anpassung einer Hyperbel- oder Exponentialfunktion an den Druckverlauf über der Zeit.
Erfmdungsgemäß wurde erkannt, dass unterschiedliche Strömungen, insbesondere Strö- mungen mit und ohne druckabhängiger Leckspaltaufweitung, unterschiedliche Exponenten aufweisen. Es gibt unterschiedliche Fehler, die Leckageströmungen mit und ohne druckabhängiger Leckspaltaufweitung entsprechen. Dies bedeutet, anhand des Exponenten kann die Fehlerart erkannt und damit einer bestimmten Komponente oder einer geringen Anzahl von Komponenten zugeordnet werden. Diese Zuordnung erfolgt in der Ab- frage 240. In dieser wird beispielsweise abhängig von dem Wert des Exponenten ein erster Fehler 250 oder ein zweiter Fehler 260 erkannt. Vorzugsweise erfolgt dies dadurch, dass in einem Kennfeld oder in einer Kennlinie bzw. in einer Tabelle die Werte des Exponenten für verschiedene Fehler und/oder für den fehlerfreien Zustand abgelegt sind. Die Abfrage 240 überprüft dann, welchem dieser abgelegten Werte der gemessene Expo- nent am nächsten kommt und ordnet dem Exponenten einen abgelegten Wert zu. Aus der
Tabelle kann dann ausgehend von dem abgelegten Exponenten der entsprechende Fehler ausgelesen werden. Dabei wird üblicherweise ein bestimmter Wertebereich des Exponenten einer Fehlerart zugeordnet sein.
Alternativ zur Hyperbelfunktion können auch andere Funktionen, die den Druckabfall über der Zeit oder die Winkelstellung beschreiben, verwendet werden. Insbesondere kann der Verlauf mit einer Geraden angenähert werden. In diesem Fall kann beispielsweise eine Größe, die die Steilheit des Druckabfalls charakterisiert, verwendet werden. Erfindungsgemäß können beliebige Funktionen zur Beschreibung des Druckverlaufs und beliebige diese Funktion charakterisierende Größen zur Identifizierung der Fehlerart bzw. der defekten Komponente verwendet werden. Insbesondere sind auch Exponentialfunktionen geeignet.
In der Figur 3 sind beispielhaft zwei Kurvenverläufe des Raildrucks mit und ohne druckabhängige Leckspaltaufweitung über der Zeit aufgetragen. Anhand dieser Figur ist zu erkennen, dass bei einer Überwachung des Druckwerts zu einem bestimmten Zeitpunkt tl der Druck bei unterschiedlichen Druckverläufen auf den gleichen Wert abgefallen ist. Mittels einer Auswertung des Druckes an einem oder an wenigen Zeitpunkten ist eine
Zuordnung des Fehlers zu einer Komponente oder einer Fehlerart nicht immer möglich.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Überwachung eines Kraftstoffzumesssystems, bei dem Kraftstoff von einem Niederdruckbereich in einen Hochdruckbereich gefördert wird, wobei eine den Druck im Hochdruckbereich charakterisierende Druckgröße erfasst und ausgehend von dem Verlauf der Druckgröße ein Fehler erkannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von dem Verlauf der Druckgröße die Art des Fehlers erkannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Druck- große über der Zeit mit einer Funktion approximiert, eine die Funktion charakterisierende Größe ermittelt und ausgehend von der die Funktion charakterisierenden Größe die Art des Fehlers erkannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der Steil- heit des Druckgröße die Art des Fehlers erkannt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckgröße mit einer Hyperbelfunktion approximiert wird und ausgehend von dem Exponent der Hyperbelfunktion die Art des Fehlers erkannt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von dem Verlauf der Druckgröße die defekte Komponente erkannt wird.
6. Vorrichtung zur Überwachung eines Kraftstoffzumesssystems, bei dem Kraftstoff von einem Niederdruckbereich in einen Hochdruckbereich gefördert wird, mit Mitteln, die eine den Druck im Hochdruckbereich charakterisierende Druckgröße erfassen und ausgehend von dem Verlauf der Druckgröße ein Fehler erkennen, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die ausgehend von dem Verlauf der Druckgröße die Art des Fehlers erkennen.
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