DE102005048456A1

DE102005048456A1 - Verfahren zur Diagnose eines Absperrventils

Info

Publication number: DE102005048456A1
Application number: DE102005048456A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Allgeier; Winfried Langer; Juergen Foerster; Jens Thurso
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2007-04-12
Also published as: WO2007042388A1

Abstract

Verfahren zur Diagnose eines Absperrventils in einer Kraftstoffleitung, wobei das Absperrventil in der Kraftstoffleitung zwischen mindestens einem Tank und mindestens einem Einblasventil angeordnet ist, mit den Schritten: Schließen des Absperrventils, Einstellen eines Kraftstoffdrucks stromabwärts des geschlossenen Absperrventils, der kleiner ist als der Kraftstoffdruck stromaufwärts des Absperrventils, Überwachung des Kraftstoffdrucks bei geschlossenem Einblasventil stromabwärts des Absperrventils, wobei die Absperrwirkung des Ventils als nicht ausreichend erkannt wird, wenn der Druck in der Kraftstoffleitung stromabwärts des Ventils ansteigt.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Diagnose eines Absperrventils in einer Kraftstoffleitung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs sowie ein Kraftstoffversorgungssystem.

Systeme mit komprimiertem Gas, so genannte CNG (compressed natural gas)-Systeme beinhalteten typischerweise eine Reihenschaltung von einem Tank-Absperrventil, einem Druckreglerabsperrventil, einem Druckregelmodul und einem Überdruckventil im Niederdruck-System. Hierbei hat häufig das Druckregelmodul selbst ebenfalls eine Ventilfunktion, die bei zu hohen Drücken den Niederdruckbereich vom Hochdruckbereich absperrt, um zu vermeiden, dass bei zu hohen Drücken die Einspritzventile bzw. Einblasventile nicht mehr zuverlässig öffnen.

Aufgrund rechtlicher Erfordernisse sind insbesondere Tankabsperrventile vorgeschrieben. Ein Fehler der Absperrfunktion, also interne Leckagen, haben jedoch keinen Einfluss auf den normalen Fahrzeugbetrieb. Sollten die Absperrvorrichtungen in einem Störfall nicht ausreichend schließen, besteht die Gefahr, dass der komplette Tankinhalt in die Umgebung entweichen kann. Deshalb besteht ein besonderes Interesse die Absperrwirkung der Absperrvorrichtungen/-ventile im Vorfeld vorzugsweise routinemäßig zu überprüfen und bei mangelnder Absperrwirkung eine Warnung oder eine Fehlerreaktion einzuleiten.

Aus der US 6,427,670 B2 ist beispielhaft ein CNG-System bekannt, bei dem Kraftstoff unter Druck in einem Tank bevorratet und über eine Kraftstoffleitung zu Einspritzventilen geführt wird. Nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine und Schließen der Tankventile ist es vorgesehen, den Kraftstoffdruck in der Kraftstoffleitung zu überprüfen, wo bei eine externe Leckage – also eine Undichtigkeit des Kraftstoffsystems nach außen zur Umgebung – erkannt wird, wenn der Kraftstoffdruck schneller als erwartet sinkt.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass ein Absperrventil, das in einer Kraftstoffleitung zwischen mindestens einem Tank und mindestens einem Einblasventil angeordnet ist, in wenigen Schritten mit typischerweise ohnehin vorhandenen Sensoren oder Messmitteln auf seine Absperrwirkung – also interne Leckage – überprüft werden kann. Hierzu wird in einem ersten Schritt das Absperrventil geschlossen und dann stromabwärts des geschlossenen Absperrventils ein Kraftstoffdruck eingestellt, der kleiner ist als der Kraftstoffdruck stromaufwärts des Absperrventils. Hiernach wird der Kraftstoffdruck stromabwärts des geschlossenen Absperrventils überwacht, wobei die Absperrwirkung des Ventils als nicht ausreichend erkannt wird, wenn der Druck in der Kraftstoffleitung stromabwärts des Ventils ansteigt.

Ferner gestalten sich auch ein Kraftstoffversorgungssystem mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruch in gleicher Weise vorteilhaft. Hierbei ist ein Steuergerät vorgesehen, dass zur Diagnose ein Absperrventil schließt und stromabwärts des Absperrventils einen Kraftstoffdruck einstellt, der kleiner ist als stromaufwärts des Absperrventils und hiernach die Einblasventile schließt, und dass das Steuergerät eine mangelnde Absperrwirkung des Absperrventils erkennt, wenn der Druck in der Kraftstoffleitung stromabwärts des Absperrventils ansteigt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegeben Verfahrens möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kraftstoffdruck stromabwärts des geschlossenen Ventils in einer ersten Betriebsart einer Brennkraftmaschine eingestellt wird, und der Kraftstoffdruck stromabwärts des Absperrventils in einer zweiten Betriebsart der Brennkraftmaschine überwacht wird. Hierbei könnte die erste Betriebsart beispielhaft so gewählt sein, dass der stromabwärts des geschlossenen Absperrventils befindliche Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingeblasen und dort verbrannt wird.

Durch diesen Kraftstoffverbrauch nimmt die Kraftstoffmenge stromabwärts des geschlossenen Absperrventils ab und der Kraftstoffdruck sinkt in der gewünschten Weise. Die zweite Betriebsart ist vorzugsweise so gewählt, dass die Einblasventile geschlossen bleiben, als beispielsweise in einem Schubbetrieb der Brennkraftmaschine oder auch einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem weiteren Brennverfahren ohne Verwendung der Einblasventile.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, in der ersten Betriebsart einen ersten und in der zweiten Betriebsart einen zweiten Kraftstoff zu verwenden. So kann es beispielsweise vorteilhaft vorgesehen sein, die Brennkraftmaschine in einer ersten Betriebsart mit Wasserstoff, Erdgas, Flüssiggas oder ähnlichen komprimierten Medien zu betreiben und in der zweiten Betriebsart mit flüssigem Kraftstoff wie Benzin oder Diesel oder mit einem Elektromotor (Hybrid). Hierbei erfolgt die erste Betriebsart vorzugsweise über die Einblasventile und die zweite Betriebsart über zusätzliche Ventile oder andere Vorrichtungen. So können in vorteilhafter Weise die Einblasventile während des Betriebs in der zweiten Betriebsart geschlossen bleiben und die Diagnose des Absperrventils erfindungsgemäß erfolgen.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass nach dem Schließen des Absperrventils das mindestens eine Ausblasventil periodisch kurzzeitig geöffnet wird, um den Kraftstoffdruck stromabwärts des geschlossenen Ventils zu reduzieren. So dass durch das periodische Öffnen in vorteilhafter Weise, der Kraftstoffdruck kontrolliert eingestellt werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, die Diagnose des Absperrventils während einer Schubabschaltung der Brennkraftmaschine durchzuführen.

Ferner ist es von Vorteil, die Diagnose des Absperrventils bei einer nicht im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine durchzuführen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, beim Abstellen der Brennkraftmaschine das Absperrventil zu schließen, und die Brennkraftmaschine solange zu betreiben, bis sich stromabwärts des geschlossenen Absperrventils ein Kraftstoffdruck einstellt, der kleiner ist als stromaufwärts des Absperrventils. Hierdurch ist es beispielsweise möglich automatisch beim Abstellen der Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise eine Diagnose der Absperrvorrichtungen/-ventile durchzuführen.

Weiterhin ist es von Vorteil, bei der Messung des Drucks in der Kraftstoffleitung eine Größe, die eine Temperatur des Kraftstoffs kennzeichnet zu berücksichtigen.

So kann in vorteilhafter Weise, aus dem Druck und der Temperatur eine Kraftstoffmasse im System ermittelt werden, und die Absperrwirkung des Ventils als nicht ausreichend erkannt werden, wenn die Kraftstoffmasse in der Kraftstoffleitung stromabwärts des Ventils ansteigt.

Zeichnung
Ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems ist in der 1 dargestellt.
Beschreibung
1 zeigt schematisch ein Kraftstoffversorgungssystem für den Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Flüssiggas oder komprimiertem Gas, beispielsweise oder Wasserstoff oder Erdgas. Der Kraftstoff wird im gezeigten Ausführungsbeispiel in einem ersten und zweiten Tank 100, 110 unter Druck bevorratet. Der Druck des im ersten und zweiten Tank 100, 110 befindlichen Kraftstoffs, und somit indirekt auch der Kraftstofffüllstand, wird jeweils über einen ersten und zweiten Tankdrucksensor 200, 210 überwacht. Die beiden Tanks 100, 110 sind mit einer gemeinsamen Kraftstoffleitung 50 verbunden, die den Kraftstoff zu einem Druckregelventil 300 und stromabwärts des Druckregelventils 300 auf vier Einblasventile 700 führt. Zwischen der gemeinsamen Kraftstoffleitung 50 und den Tanks 100, 110 ist jeweils ein Tankabsperrventil 500, 510 angeordnet. Stromaufwärts des Druckreglers 300 ist ein Absperrventil 400 vorgesehen und zwischen Druckregler 300 und dem Absperrventil 400 ein dritter Drucksensor 220 und zwischen Druckregler 300 und den Einblasventilen 700 ein vierter Drucksensor 230. Zum Befüllen des Kraftstoffsystems ist an einem Ende der gemeinsamen Kraftstoffleitung 50 ein Füllstutzen 600 angeordnet.
Im Normalbetrieb des Kraftstoffversorgungssystems wird beispielsweise Wasserstoff in den beiden Tanks 100, 110 unter einem Druck von bis zu 300 bar bevorratet. Die Tankabsperrventile 500, 510 und das Absperrventil 400 in der Kraftstoffleitung 50 sind geöff net. Insofern steht in der gemeinsamen Kraftstoffleitung 50 bis zum Druckregler der Tankdruck von bspw. < 300 bar an und wird über den dritten Drucksensor 220 gemessen. Der Druckregler 300 reduziert den anliegenden Druck, so dass stromabwärts des Druckreglers 300 beispielsweise ein Druck von 2 bis 6 bar in der Kraftstoffleitung anliegt. Mit diesem Niederdruck wird der Kraftstoff dann in einen Brennraum einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine über die Einblasventile 700 eingeblasen.
In einem Störfall oder bei besonderen Betriebsbedingungen ist es vorgesehen, die Absperrventile 500, 510, 400 zu schließen. Liegt beispielsweise eine Leckage der Einblaseventile 700 oder der Kraftstoffleitung vor, wird so ein Entweichen des Kraftstoffs in die Umwelt vermieden. Aufgrund der hohen Sicherheitsrelevanz der Absperrventile ist es wünschenswert, die Absperrwirkung der Absperrventile routinemäßig zu überprüfen.
Zur Überprüfung der Absperrwirkung bzw. der Dichtheit eines Absperrventils ist es erfindungsgemäß vorgesehen, einen Differenzdruck an einem geschlossenen Absperrventil einzustellen. Bei mangelnder Absperrwirkung des Ventils wird Kraftstoff von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite strömen und den Druck auf der Niederdruckseite erhöhen bzw. den Differenzdruck verringern. Ein Druckanstieg auf der Niederdruckseite des Ventils ist somit ein Indiz für eine mangelnde Absperrwirkung. Die Steigung des Druckanstieg ist ferner ein Maß für die Größe der Undichtigkeit.
Zur Überprüfung des in 1 dargestellten Absperrventils 400 wäre zunächst das Absperrventil 400 zu schließen. Stromaufwärts des Absperrventils 400 liegt dann der Tankdruck mit bspw. 300 bar an. Um den Druck stromabwärts des Absperrventils 400 zu senken wäre beispielsweise eine Möglichkeit die Brennkraftmaschine zunächst weiter zu betreiben. Über die Einblasventile 700 wird der Kraftstoff der Brennkraftmaschine zur Verbrennung zugeleitet, wodurch die Kraftstoffmenge stromabwärts des Absperrventils 400 abnimmt und der Druck in der Kraftstoffleitung sinkt. Bei einem für die Überprüfung vorgegebenen Differenzdruck, bspw. von 150 bar – d.h. 300 bar stromaufwärts des Absperrventils 400 und 50 bar stromabwärts des Ventils gemessen am dritten Drucksensor 220 – wird der Betrieb der Brennkraftmaschine eingestellt und die Einblasventile 700 geschlossen. Ohne einem Leck nach extern und bei einem dichten Absperrventil 400 sollte sich der Druck am Drucksensor 220 zeitlich nur im Rahmen von Temperaturänderungen verändern. Wird jedoch am Drucksensor 220 ein Druckanstieg beobachtet, ist davon auszugehen, dass das Absperrventil 400 unzureichend schließt.
Um die Genauigkeit der Überprüfung der Absperrwirkung weiter zu verbessern, besteht die Möglichkeit stromabwärts des Druckreglers mit dem vierten Drucksensor 230 den Druck zu überprüfen. Hierzu ist der Druck stromabwärts des zu prüfenden geschlossenen Absperrventils 400 durch Ausblasen des Kraftstoffs über die Einblasventile 700 auf einen Druck unterhalb der Druckregelschwelle abzusenken. Liegt die Druckregelschwelle des Druckreglers 300 beispielsweise bei 6 bar wäre der Druck auf unter 6 bar also beispielsweise 2 bar einzustellen. Unter diesen Bedingungen ist der Druckregler 300 vollständig geöffnet und der Drucksensor 230 misst somit den Druck direkt an der stromabwärts liegenden Seite des Absperrventils 400. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass zum einen der Differenzdruck am Absperrventil 400 möglichst groß wird und zum anderen reagiert der vierte Drucksensor 230 im Niederdruckbereich empfindlicher bedingt durch den kleineren Messbereich als der dritte Drucksensor 220 im Hochdruckbereich. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung nimmt somit zu. Zur Verbesserung der Genauigkeit kann durch eine zusätzliche Temperaturerfassung eine exakte Berechnung der Massenzunahme im beobachteten Volumen erfolgen. Die Temperaturmessung kann mit einem Temperatursensor am beobachteten Volumen oder einem Tanktemperatursensor erfolgen.
Selbstverständlich sind auch andere Ausführungen eines erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems denkbar. So kann beispielsweise auf einen ersten und zweiten Drucksensor 200, 210 verzichtet werden und der Kraftstoffdruck auf andere Art und Weise oder beispielsweise über den dritten Drucksensor 220 ermittelt werden.
Auch kann es vorgesehen sein, nur einen Kraftstofftank oder auch mehr als zwei Kraftstofftanks zu betreiben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ferner nicht nur auf die Diagnose eines Absperrventils 400 beschränkt. Insbesondere können auch die beiden Tankventile 500, 510 auf Ihre Absperrwirkung untersucht werden.
Prinzipiell kann die erfindungsgemäße Diagnose immer dann ausgeführt werden, wenn ein Betriebszustand der Brennkraftmaschine vorliegt, die ein Öffnen der Einblasventile – also eine Kraftstoffzufuhr – nicht verlangt. Die Diagnose kann so beispielsweise bei Abstellen oder im abgestellten Zustand erfolgen oder auch während einer Schubabschaltung.
Zur Diagnose während einer Schubabschaltung, wird vorzugsweise schon während eines Betriebs der Brennkraftmaschine mit geringer Last das Absperrventil geschlossen. Aufgrund des anwährenden Betriebs mit geringer Last wird Kraftstoff angefordert und der Kraftstoffdruck sinkt stromabwärts des Absperrventils. Erfolgt dann eine Schubabschaltung liegt bereits ein geeigneter Druck stromabwärts des Absperrventils vor und eine erfindungsgemäße Diagnose kann durchgeführt werden.
Dauert der Betrieb bei geringer Last jedoch länger an, besteht die Gefahr, dass der Kraftstoffdruck stromabwärts des geschlossenen Absperrventils einen kritischen Druck unterschreitet und ein Betrieb der Brennkraftmaschine nicht mehr möglich ist. Um dies zu vermeiden, ist sinnvoller Weise eine Druckschwelle vorgesehen, bei der, wenn der Kraftstoffdruck die Druckschwelle unterschreitet, das Absperrventil wieder geöffnet wird.
Liegt nach wie vor eine geringe Lastanforderung vor, wird das Absperrventil beim Erreichen bzw. Unterschreiten vorzugsweise nur kurzzeitig geöffnet, so dass der Kraftstoffdruck stromabwärts des Absperrventils nur geringfügig ansteigt. So wird zum einen der weitere Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht zum anderen bleibt nach wie vor ein geeigneter Differenzdruck am Absperrventil zur erfindungsgemäßen Diagnose erhalten. Geeignete Öffnungszeiten des Absperrventils können beispielsweise im Vorfeld ermittelt werden und ggf. in Kennfeldern zum Abruf abgelegt werden. Ferner ist es auch möglich, eine zweite Druckschwelle vorzusehen, ab der das Absperrventil wieder zu schließen ist. Auch ist es denkbar, das Absperrventil periodisch zu betreiben.
Übersteigt hingegen die Lastanforderung einen bestimmten Schwellenwert, so ist davon auszugehen, dass voraussichtlich keine Schubabschaltung bevorsteht und das Absperrventil bleibt geöffnet.
Ferner ist es bei Zwei-Kraftstoffsystemen möglich, beim Betrieb mit einem ersten Kraftstoff der über die Einblasventile in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht wird, ein Absperrventil zu schließen und einen geeigneten Druck stromabwärts des Absperrventils einzustellen. Das Zwei-Kraftstoffsystem ermöglicht es, auf einen zweiten Kraftstoff umzuschalten, der dann unabhängig von den Einblasventilen in den Brennraumraum eingebracht werden kann und so einen weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht, während die Einblasventile geschlossen bleiben können und eine erfindungsgemäße Diagnose durchführbar ist.

Claims

Verfahren zur Diagnose eines Absperrventils (400, 500, 510) in einer Kraftstoffleitung (50), wobei das Absperrventil (400, 500, 510) in der Kraftstoffleitung (50) zwischen mindestens einem Tank (100, 110) und mindestens einem Einblasventil (70) angeordnet ist, mit den Schritten: – Schließen des Absperrventils (400, 500, 510) – Einstellen eines Kraftstoffdruck stromabwärts des geschlossenen Absperrventils (400, 500, 510) der kleiner ist als der Kraftstoffdruck stromaufwärts des Absperrventils (400, 500, 510), – Überwachung des Kraftstoffdrucks bei geschlossenem Einblasventil (70) stromabwärts des Absperrventils (400, 500, 510), – wobei die Absperrwirkung des Absperrventils (400, 500, 510) als nicht ausreichend erkannt wird, wenn der Druck in der Kraftstoffleitung (400, 500, 510) stromabwärts des Absperrventils (400, 500, 510) ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Kraftstoffdruck stromabwärts des geschlossenen Absperrventils (400, 500, 510) in einer ersten Betriebsart einer Brennkraftmaschine eingestellt wird, und der Kraftstoffdruck stromabwärts des Absperrventils (400, 500, 510) in einer zweiten Betriebsart der Brennkraftmaschine überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in der ersten Betriebsart ein erster und in der zweiten Betriebsart ein zweiter Kraftstoff verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nach dem Schließen des Absperrventils (400, 500, 510) das mindestens eine Einblasventil (70) periodisch kurzzeitig geöffnet wird, um den Kraftstoffdruck stromabwärts des geschlossenen Absperrventils (400, 500, 510) zu reduzieren.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Diagnose des Absperrventils (400, 500, 510) während einer Schubabschaltung der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Diagnose des Absperrventils (400, 500, 510) bei einer nicht im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem beim Abstellen der Brennkraftmaschine das Absperrventil (400, 500, 510) geschlossen wird, und die Brennkraftmaschine solange betrieben wird, bis sich stromabwärts des geschlossenen Absperrventils (400, 500, 510) ein Kraftstoffdruck einstellt, der kleiner ist als stromaufwärts des Absperrventils (400, 500, 510).
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei der Messung des Drucks in der Kraftstoffleitung (50) eine Größe, die eine Temperatur des Kraftstoffs kennzeichnet, berücksichtigt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem aus Druck und Temperatur eine Kraftstoffmasse in der Kraftstoffleitung (50) ermittelt wird, und die Absperrwirkung des Absperrventils (400, 500, 510) als nicht ausreichend erkannt wird, wenn die Kraftstoffmasse in der Kraftstoffleitung (50) stromabwärts des Absperrventils (400, 500, 510) ansteigt.
Kraftstoffversorgungssystem mit mindestens einem Tank (100, 110), einem Einblasventil (70) und einem Absperrventil (400, 500, 510) und einem Steuergerät, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät zur Diagnose das Absperrventil (400, 500, 510) schließt und stromabwärts des Absperrventils (400, 500, 510) einen Kraftstoffdruck einstellt der kleiner ist als stromaufwärts des Absperrventils (400, 500, 510) und hiernach die Einblasventile (70) schließt, und dass das Steuergerät eine mangelnde Absperrwirkung des Absperrventils (400, 500, 510) erkennt, wenn der Druck in der Kraftstoffleitung stromabwärts des Absperrventils (400, 500, 510) ansteigt.