WO2016120377A1 - Verfahren zur erkennung einer undichtheit in einem wärmerückgewinnungssystem - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for detecting a leak in a heat recovery system of a fuel-injection engine, wherein the heat recovery system has at least one working medium circuit with a - especially combustible - working fluid, with at least one EGR evaporator, a pump and at least one expansion machine.
  • EGR Exhaust Gas Recirculation
  • the object of the invention is to detect leaks in the EGR evaporator of a heat recovery system early and reliably in the simplest possible way.
  • this is achieved by defining a lower threshold value for the injected fuel quantity for at least one steady-state operating point of the internal combustion engine, preferably idling, operating the internal combustion engine at this stationary operating point, and carrying out a leak detection by the stationary operating point actually injected fuel quantity is determined and compared with the lower threshold for the injected amount of fuel, which falls below the lower threshold, a leak in the heat recovery system is detected.
  • leaks can be detected on the EGR evaporator with little effort in this way.
  • the actually injected fuel quantity can be calculated by a control unit, preferably by means of an idle controller of the control of the internal combustion engine, on the basis of at least one operating parameter of the internal combustion engine.
  • a leak is reliably detected if the undershooting of the lower threshold value takes place over a defined minimum period of time.
  • leak detection is preferably started only if at least one of the following conditions is met:
  • the internal combustion engine is operated at the steady-state operating point, preferably at idle;
  • the generator power of the internal combustion engine is below a defined minimum generator power
  • the fan power of the internal combustion engine is below a defined minimum fan power
  • the compressor power for a compressed air supply to the internal combustion engine is below a defined minimum compressor capacity.
  • the idling quantity is compared with a lower threshold value for a defined period of time. If the idling amount is below this threshold value, then it can be assumed that combustible working medium reaches the combustion chambers of the internal combustion engine via a leakage at the EGR evaporator where it is converted into additional mechanical power.
  • the additional burning of the working fluid in the internal combustion engine for example, lead to an increase in speed over the desired target idle speed at idle. If the speed of the internal combustion engine is above the setpoint idling speed, this is detected by the idling speed controller in the control of the internal combustion engine and the injection quantity is correspondingly reduced.
  • the idling amount is always reduced further to achieve the desired target idle speed.
  • the idling quantity can in extreme cases also reach the value zero.
  • the heat recovery system can be operated as a closed or open circuit.
  • the inventive method has the advantage, in comparison to the prior art, that no further sensors or devices are necessary.
  • the Fig. schematically shows an internal combustion engine 1 with an intake manifold 2 and an outlet 3, and an exhaust gas recirculation line 4 between the intake manifold 2 and the outlet 3.
  • a heat recovery system 5 with a working medium circuit 6 for a working medium, with at least one EGR evaporator. 7 , a pump 8 and at least one expansion machine 9 are provided.
  • 10 denotes a capacitor.
  • 12 denotes the control unit of the internal combustion engine. Any filters, catalysts, control elements and heat exchangers in the inlet section 2 and outlet section 3 are not shown.
  • Via injectors 11 fuel is injected into the combustion chambers of the internal combustion engine 1.
  • a lower threshold value is defined for the amount of fuel injected via the injectors 11.
  • the internal combustion engine 1 is operated at this stationary operating point and the leakage detection is carried out by actually determining the fuel quantity injected at this stationary operating point via the injectors 11 and comparing it with the lower threshold value for the injected fuel quantity. If the amount of fuel actually injected via the injectors 11 is less than the theoretical lower threshold value for the injected fuel quantity, a leak in the heat recovery system is inferred.
  • the actual injected idling fuel quantity is compared for a defined period of time with a lower threshold value defined for the operating state.
  • the actually injected fuel quantity is calculated by a control unit 12, preferably by means of an idle controller of the control unit 12 of the internal combustion engine 1, on the basis of at least one operating parameter of the internal combustion engine 1, for example the rotational speed n.
  • this actually injected idling fuel quantity is below this threshold value, then it can be assumed that combustible working fluid reaches the combustion chambers of the internal combustion engine 1 via a leakage at the EGR evaporator 7 and is converted there into additional mechanical power.
  • the additional burning of the working fluid in the internal combustion engine 1 lead to an increase in speed over the desired target idle speed at idle. If the speed of the internal combustion engine 1 is above the setpoint idling speed, this is detected by the idle speed controller in the control unit 12 of the internal combustion engine 1 and the injection quantity is correspondingly reduced. This means that with an increasing amount of combustible working fluid within the internal combustion engine 1, the idling amount is always further reduced in order to achieve the desired target idle speed. In the case of large leaks in the EGR evaporator 9, the idling amount can also reach the value zero in the extreme case.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Undichtheit in einem Wärmerückgewinnungssystem einer Kraftstoff einspritzenden Brennkraftmaschine (1), wobei das Wärmerückgewinnungssystem (5) zumindest einen Arbeitsmediumkreis (6) mit einem - insbesondere brennbaren - Arbeitsmedium, mit zumindest einem EGR-Verdampfer (7), einer Pumpe (8) und zumindest einer Expansionsmaschine (9) aufweist. Um auf möglichst einfache Weise Undichtheiten im EGR-Verdampfer eines Wärmerückgewinnungssystems frühzeitig und zuverlässig zu erkennen, ist vorgesehen, dass für zumindest einen stationären Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) - vorzugsweise dem Leerlauf - ein unterer Schwellwert für die eingespritzte Kraftstoffmenge definiert wird, die Brennkraftmaschine (1) in diesem stationären Betriebspunkt betrieben wird, und eine Leckagedetektion durchgeführt wird, indem die in diesem stationären Betriebspunkt tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge ermittelt und mit dem unteren Schwellwert für die eingespritzte Kraftstoffmenge verglichen wird, wobei bei Unterschreiten des unteren Schwellwertes eine Undichtheit im Wärmerückgewinnungssystem (5) erkannt wird.

Description

Verfahren zur Erkennung einer Undichtheit in einem Wärmerückgewinnungssystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Undichtheit in einem Wärmerückgewinnungssystem einer Kraftstoff einspritzenden Brennkraftmaschine, wobei das Wärmerückgewinnungssystem zumindest einen Arbeitsmediumkreis mit einem - insbesondere brennbaren - Arbeitsmedium, mit zumindest einem EGR-Verdampfer, einer Pumpe und zumindest einer Expansionsmaschine aufweist.
Beim Betrieb eines Systems zur Wärmerückgewinnung mit einem brennbaren Arbeitsmedium in Verbindung einer Brennkraftmaschine und einem Abgasrück- führverdampfer (EGR-Verdampfer: EGR = Exhaust Gas Recirculation) ist das Erkennen von Undichtheiten im System von hoher Priorität. Leckagen in einem Wärmerückgewinnungssystem können unter anderem zu folgenden kritischen Szenarien führen :
• Austritt des Arbeitsmediums in die Umgebung - führt zu Brandgefahr bei Verwendung eines brennbaren Arbeitsmediums wie beispielsweise Ethanol.
• Eintritt des brennbaren Arbeitsmediums in die Brennkraftmaschine - verursacht Schaden, wenn zum Beispiel das Arbeitsmedium über einen EGR- Verdampfer in den Brennraum gelangt.
• Überhitzung von Systemkomponenten durch zu geringen Füllstand des Arbeitsmediums - kann zum Beispiel zu Überhitzung des Abgasverdampfers bei zu geringem Arbeitsmedienmassenstrom führen.
Zur Feststellung einer Leckage in einem Wärmerückgewinnungssystems sind beispielsweise folgende Verfahren bekannt:
• Überwachung des Füllstandes des Arbeitsmediums im Ausgleichsbehälter mittels eines Füllstandssensors. Bei zu geringem Füllstand wird auf eine Undichtheit geschlossen.
• Dichtheitsprüfung durch unter Druck setzen des deaktivierten, kalten Systems. Ein zu rascher Druckabfall deutet auf eine Undichtheit hin.
• Messen der elektrischen Leitfähigkeit der Isolierung des Wärmerückgewinnungssystems. Eine Änderung der Leitfähigkeit ist ein Anzeichen für eine Undichtheit. Die US 6,526,358 Bl beschreibt ein Verfahren zur Erkennung von Lecks und Blockaden in einem Fluidkreislauf, wobei Druck, Temperatur und Durchflussrate an verschiedenen Stellen des Kreislaufs gemessen und in Beziehung gesetzt werden.
Bekannte Verfahren haben den Nachteil, dass sie entweder nur im deaktivierten Zustand durchgeführt werden können und/oder dass zusätzliche Einrichtungen wie Sensoren oder dergleichen erforderlich sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglichst einfache Weise Undichtheiten im EGR-Verdampfer eines Wärmerückgewinnungssystems frühzeitig und zuverlässig zu erkennen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass für zumindest einen stationären Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, vorzugsweise dem Leerlauf, ein unterer Schwellwert für die eingespritzte Kraftstoffmenge definiert wird, die Brennkraftmaschine in diesem stationären Betriebspunkt betrieben wird, und eine Leckagedetektion durchgeführt wird, indem die in diesem stationären Betriebspunkt tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge ermittelt und mit dem unteren Schwellwert für die eingespritzte Kraftstoffmenge verglichen wird, wobei bei Unterschreiten des unteren Schwellwertes eine Undichtheit im Wärmerückgewinnungssystem erkannt wird .
Insbesondere wenn ein brennbares Arbeitsmedium eingesetzt wird, können auf diese Weise mit geringem Aufwand Undichtheiten am EGR-Verdampfer detektiert werden.
Die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge kann durch eine Steuerungseinheit, vorzugsweise mittels eines Leerlaufreglers der Steuerung der Brennkraftmaschine, auf der Basis zumindest eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine berechnet werden.
Eine Undichtheit wird dann zuverlässig erkannt, wenn die Unterschreitung des unteren Schwellwertes über eine definierte Mindestzeitdauer erfolgt.
Um Fehlalarme zu vermeiden, wird die Leckagedetektion bevorzugt nur dann gestartet, wenn zumindest eine der folgenden Bedingungen erfüllt wird :
• die Brennkraftmaschine wird im stationären Betriebspunkt, vorzugsweise im Leerlauf, betrieben;
• die Kühlmitteltemperatur liegt über einer definierten Mindestkühlmittel- temperatur; • die Öltemperatur liegt über einer definierten Mindestöltemperatur;
• die Generatorleistung der Brennkraftmaschine liegt unterhalb einer definierten Mindestgeneratorleistung ;
• die Lüfterleistung der Brennkraftmaschine liegt unterhalb einer definierten Mindestlüfterleistung;
• die Kompressorleistung für eine Druckluftversorgung der Brennkraftmaschine liegt unterhalb einer definierten Mindestkompressorleistung.
Befindet sich die Brennkraftmaschine in einem durch die genannten Bedingungen definierten Betriebszustand, wird die Leerlaufmenge für eine definierte Zeitdauer mit einem unteren Schwellwert verglichen. Liegt die Leerlaufmenge unterhalb dieses Schwellwerts, so ist davon auszugehen, dass brennbares Arbeitsmedium über eine Leckage am EGR- Verdampfer in die Brennkammern der Verbrennungskraftmaschine gelangt und dort in zusätzliche mechanische Leistung umgesetzt wird. Das zusätzliche Verbrennen des Arbeitsmediums in der Brennkraftmaschine wird beispielsweise im Leerlauf zu einem Drehzahlanstieg über die gewünschte Soll-Leerlaufdrehzahl führen. Liegt die Drehzahl der Brennkraftmaschine über der Soll-Leerlaufdrehzahl so wird dies vom Leerlaufdrehzahlregler in der Steuerung der Brennkraftmaschine erkannt und die Einspritzmenge entsprechend reduziert. Dies bedeutet, dass mit einer ansteigenden Menge an brennbarem Arbeitsmedium innerhalb der Brennkraftmaschine die Leerlaufmenge immer weiter reduziert wird, um die gewünschte Soll-Leerlaufdrehzahl zu erreichen. Bei großen Leckagen am EGR-Verdampfer kann die Leerlaufmenge im Extremfall auch den Wert Null erreichen.
Das Wärmerückgewinnungssystem kann als geschlossener oder offener Kreislauf betrieben werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat im Vergleich zum Stand der Technik den Vorteil, dass keine weiteren Sensoren oder Einrichtungen notwendig sind.
Die Fig . zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Einlassstrang 2 und einem Auslassstrang 3, sowie einer Abgasrückführleitung 4 zwischen dem Einlassstrang 2 und dem Auslassstrang 3. Zur Rückgewinnung der Abgasabwärme ist ein Wärmerückgewinnungssystem 5 mit einem Arbeitsmediumkreis 6 für ein Arbeitsmedium, mit zumindest einem EGR-Verdampfer 7, einer Pumpe 8 und zumindest einer Expansionsmaschine 9 vorgesehen. Mit 10 ist ein Kondensator bezeichnet. 12 bezeichnet die Steuerungseinheit der Brennkraftmaschine. Etwaige Filter, Katalysatoren, Steuerorgane und Wärmetauscher im Einlassstrang 2 und Auslassstrang 3 sind nicht dargestellt. Über Injektoren 11 wird Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine 1 eingespritzt.
Für zumindest einen stationären Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise für den Leerlauf, wird ein unterer Schwellwert für die über die Injektoren 11 eingespritzte Kraftstoffmenge definiert. Zur Durchführung einer Lecka- gedetektion wird die Brennkraftmaschine 1 in diesem stationären Betriebspunkt betrieben und die Leckagedetektion durchgeführt, indem die in diesem stationären Betriebspunkt tatsächlich über die Injektoren 11 eingespritzte Kraftstoffmenge ermittelt und mit dem unteren Schwellwert für die eingespritzte Kraftstoffmenge verglichen wird . Ist die tatsächlich über die Injektoren 11 eingespritzte Kraftstoffmenge kleiner als der theoretische untere Schwellwert für die eingespritzte Kraftstoffmenge, wird auf eine Undichtheit im Wärmerückgewinnungssystem geschlossen.
Befindet sich die Brennkraftmaschine in einem für die Durchführung einer Leckagedetektion geeigneten Betriebszustand, insbesondere dem Leerlauf, wird die tatsächlich eingespritzte Leerlaufkraftstoffmenge für eine definierte Zeitdauer mit einem für den Betriebszustand definierten unteren Schwellwert verglichen. Die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge wird durch eine Steuerungseinheit 12, vorzugsweise mittels eines Leerlaufreglers der Steuerungseinheit 12 der Brennkraftmaschine 1, auf der Basis zumindest eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine 1, zum Beispiel der Drehzahl n, berechnet.
Liegt diese tatsächlich eingespritzte Leerlaufkraftstoffmenge unterhalb dieses Schwellwerts, so ist davon auszugehen, dass brennbares Arbeitsmedium über eine Leckage am EGR- Verdampfer 7 in die Brennkammern der Brennkraftmaschine 1 gelangt und dort in zusätzliche mechanische Leistung umgesetzt wird. Das zusätzliche Verbrennen des Arbeitsmediums in der Brennkraftmaschine 1 wird beispielsweise im Leerlauf zu einem Drehzahlanstieg über die gewünschte Soll-Leerlaufdrehzahl führen. Liegt die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 über der Soll-Leerlaufdrehzahl, so wird dies vom Leerlaufdrehzahlregler in der Steuerungseinheit 12 der Brennkraftmaschine 1 erkannt und die Einspritzmenge entsprechend reduziert. Dies bedeutet, dass mit einer ansteigenden Menge an brennbarem Arbeitsmedium innerhalb der Brennkraftmaschine 1 die Leerlaufmenge immer weiter reduziert wird, um die gewünschte Soll-Leerlaufdrehzahl zu erreichen. Bei großen Leckagen am EGR-Verdampfer 9 kann die Leerlaufmenge im Extremfall auch den Wert Null erreichen.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Erkennung einer Undichtheit in einem Wärmerückgewinnungssystem einer Kraftstoff einspritzenden Brennkraftmaschine (1), wobei das Wärmerückgewinnungssystem (5) zumindest einen Arbeitsmediumkreis (6) mit einem - insbesondere brennbaren - Arbeitsmedium, mit zumindest einem EGR-Verdampfer (7), einer Pumpe (8) und zumindest einer Expansionsmaschine (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest einen stationären Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) - vorzugsweise dem Leerlauf - ein unterer Schwellwert für die eingespritzte Kraftstoffmenge definiert wird, die Brennkraftmaschine (1) in diesem stationären Betriebspunkt betrieben wird, und eine Leckagedetektion durchgeführt wird, indem die in diesem stationären Betriebspunkt tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge ermittelt und mit dem unteren Schwellwert für die eingespritzte Kraftstoffmenge verglichen wird, wobei bei Unterschreiten des unteren Schwellwertes eine Undichtheit im Wärmerückgewinnungssystem (5) erkannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leckagedetektion nur dann gestartet wird, wenn die Brennkraftmaschine (1) im stationären Betriebspunkt, vorzugsweise im Leerlauf, betrieben wird .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leckagedetektion nur dann gestartet wird, wenn die Kühlmitteltemperatur der Brennkraftmaschine (1) über einer definierten Mindestkühlmitteltem- peratur liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leckagedetektion nur dann gestartet wird, wenn die Oltemperatur der Brennkraftmaschine (1) über einer definierten Mindestöltemperatur liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leckagedetektion nur dann gestartet wird, wenn die Generatorleistung der Brennkraftmaschine (1) unterhalb einer definierten Mindest- generatorleistung liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leckagedetektion nur dann gestartet wird, wenn die Lüfterleistung der Brennkraftmaschine (1) unterhalb einer definierten Mindestlüfter- leistung liegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leckagedetektion nur dann gestartet wird, wenn die Kompressorleistung für eine Druckluftversorgung der Brennkraftmaschine (1) unterhalb einer definierten Mindestkompressorleistung liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der stationäre Betriebspunkt durch eine stationäre Stellung eines Fahrpedals erkannt wird, wobei vorzugsweise der Leerlauf erkannt wird, wenn sich das Fahrpedal in Ruhelage befindet und/oder eine neutrale Gangstufe des Getriebes eingelegt wird .
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge durch eine Steuerungseinheit (12), vorzugsweise mittels eines Leerlaufreglers der Steuerungseinheit (12) der Brennkraftmaschine (1), auf der Basis zumindest eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine (1) berechnet wird .
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Undichtheit erkannt wird, wenn die Unterschreitung des unteren Schwellwertes über eine definierte Mindestzeitdauer erfolgt.
2016 01 28
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