DE102013201576A1 - Verfahren zur Plausibilisierung eines Raildrucksensor-Wertes - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zur Plausibilisierung eines Raildrucksensor-Wertes eines Raildrucksensors (30) einer Brennkraftmaschine mit Common-Rail-System, welches eine Kraftstoff-Hochdruck-Hubkolben-Förderpumpe (16) aufweist, ist gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Erfassen des Förderanfangs der Hubkolben-Förderpumpe (16) – Berechnen des Raildrucks aus der von dem Hubkolben (100) geleisteten Verdichtungsarbeit (W12) – Plausibilisierung des von dem Raildrucksensor (30) ausgegebenen Raildrucks auf der Basis des berechneten Raildrucks.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plausibilisierung eines Raildrucksensor-Wertes eines Raildrucksensors einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-System, welches eine nockenwellengetriebene Kraftstoff-Hochdruck-Hubkolben-Förderpumpe aufweist.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt, welche zur Durchführung des Verfahrens geeignet sind.
  • Stand der Technik
  • Moderne Dieselmotoren verfügen heute gewöhnlich über sogenannte Common-Rail-Systeme, welche es ermöglichen, den Kraftstoff mit sehr hoher Präzision unter sehr hohen Drücken in die Brennräume der Brennkraftmaschine einzuspritzpen. Diese Common-Rail-Systeme verfügen über Raildrucksensoren, die den Druck im Rail erfassen. Der Druck wird einer Steuereinrichtung, einem Steuergerät der Brennkraftmaschine, als Eingangsgröße zugeführt. Derartige Fahrzeuge verfügen über On-Board-Diagnosesysteme, welche Störungen des Kraftfahrzeugs und der Brennkraftmaschine kontinuierlich erfassen und aufzeichnen. Im Geltungsbereich dieser On-Board-Diagnosesysteme, insbesondere der OBD2-Systeme (On-Board-Diagnose II), besteht nun die gesetzliche Anforderung, die Plausibilität, beispielsweise von mittels Sensoren erfasster Daten zu überprüfen. In einem Common-Rail-System wird der Raildrucksensor im Wesentlichen für zwei Hauptfunktionalitäten eingesetzt. Zum einen dient er zur Regelung des aktuellen Raildrucks, zum anderen dient er zur Bestimmung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge in den Brennraum. Aufgrund des direkten Mengeneinflusses ist der Raildrucksensor OBD-relevant und muss daher entsprechend überwacht werden.
  • Zur Überwachung des Raildrucksensors sind im Stand der Technik unterschiedliche Verfahren bekannt. Aus der DE 10 2006 043 828 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-System, bekannt geworden, bei dem ein Istwert, der den Kraftstoffdruck angibt, erfasst und mit einem Sollwert verglichen wird. Ausgehend von dem Vergleich wird eine Steuergröße für wenigstens einen Steller vorgegeben. Eine Raildruckgröße wird ausgehend von einer Größe ermittelt, die eine elektrische Größe des Stellers charakterisiert.
  • Die DE 10 2008 043 413 A1 beschreibt ein Verfahren zur Plausibilisierung eines Ausgangssignals eines Raildrucksensors einer direkteinspritzenden, ein Common-Rail-System aufweisenden Brennkraftmaschine, wobei ein den Raildruck charakterisierendes analoges Signal des Raildrucksensors einem Steuergerät zugeführt und in dem Steuergerät verarbeitet wird. Bei diesem Verfahren wird von dem Raildrucksensor ein zusätzliches, den Raildruck charakterisierendes digitales Signal ausgegeben und in dem Steuergerät zur Plausibilisierung des den Raildruck charakterisierenden analogen Signals mit dem analogen Signal verglichen.
  • Darüber hinaus existieren sogenannte Raildrucksensor-Offsettests, die jedoch den Nachteil aufweisen, dass eine Plausibilisierung nur am Nullpunkt der Raildrucksensor-Kennlinie und nur zu Zeitpunkten vor dem Motorstart oder im Nachlauf, wenn der Raildruck vollständig abgebaut ist, möglich ist.
  • Rein prinzipiell kann der Raildrucksensor auch mit Hilfe eines zweiten Raildrucksensors geschehen, dessen erfasste Druckdaten mit denen des ersten Raildrucksensors verglichen werden. Eine solche Lösung ist jedoch technisch aufwendig und insbesondere auch teuer.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Plausibilisierung eines Raildrucksensor-Wertes mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass lediglich Kompressionseffekte im Zylinderkopf von nocken- oder exzentergetriebenen Kraftstoff-Hochdruck-Hubkolben-Förderpumpen zur Plausibilisierung des Raildrucksensorsignal-Wertes heranbezogen werden. Auf diese Weise muss zum einen keine zusätzliche Hardware vorgesehen werden, zum anderen deckt das Verfahren den kompletten Betriebsbereich von 0 bar bis zum Maximaldruck ab.
  • Die Erfindung macht dabei sich die Erkenntnis zunutze, dass die Verdichtungsarbeit bis zum Öffnen des Hochdruckventils einer Hochdruck-Förderpumpe eines Common-Rail-Systems proportional zum Raildruck ist. Die Verdichtungsarbeit selbst ist proportional zum Hub des Kolbens der Hubkolbenpumpe, der auch als Elementkolben bezeichnet wird. Dieser Hub ist wiederum abhängig vom Winkel der Nockenwelle seit Kompressionsbeginn. Die Nockenwelle wiederum weist ein festes Übersetzungsverhältnis zur Kurbelwelle auf. Die Erfindung verwendet mit anderen Worten zur Bestimmung des Raildrucks an sich bekannte Daten der Hubkolbenpumpe und ohnehin in einem Common-Rail-System verwendete und daher ausgelesene Daten. Der so bestimmte Raildruck wird dann mit dem von dem Raildrucksensor gemessenen und ausgegebenen Wert verglichen und so der Raildrucksensor-Wert plausibilisiert.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in dem unabhängigen Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.
  • So ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass der Förderanfang durch zeitliches Abtasten eines Nockenwellendrehzahlsignals bestimmt werden. Dieses Drehzahlsignal wird ohnehin abgetastet und für die Steuerung der Brennkraftmaschine verwendet, sodass ein zusätzlicher Hardwareaufwand genauso wenig erforderlich ist wie ein zusätzlicher Softwareaufwand oder eine zusätzliche schaltungstechnische Einrichtung.
  • Das Vorliegen des Förderanfangs wird angenommen, wenn das Drehzahlsignal eine Unstetigkeit, insbesondere einen Knick.
  • Der zeitliche Verlauf des Drehzahlsignals wird mit Hilfe eines hochauflösenden Drehzahlsensors erfasst. Der hochauflösende Drehzahlsensor ist insbesondere so ausgebildet, dass er eine lokale Zahngeschwindigkeit eines Geberzahnrads im Winkelbereich eines Pumpennockens erfasst.
  • Um störende Einflüsse, wie Einspritzungen, auf den Knick der lokalen Zahngeschwindigkeit beim Öffnungszeitpunkt des Hochdruckventils auszuschließen, kann die Erkennung im Schub bei konstanter Last ausgeführt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann als Computerprogramm realisiert werden und auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert werden, den das Steuergerät lesen kann. Auf diese Weise sind auch Nachrüstungen bestehender Steuergeräte möglich, wobei hier wiederum sehr vorteilhaft ist, dass eine derartige Nachrüstung keine zusätzliche Hardware erfordert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 in einer schematischen Darstellung ein Kraftstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine mit Common-Rail-System;
  • 2 schematisch eine Kraftstoff-Hochdruck-Hubkolben-Förderpumpe zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
  • 3 der Druck über dem Volumen während eines Hubvorgangs der in 2 dargestellten Förderpumpe.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Kraftstoffversorgungssystem 10 dargestellt, das in einer Brennkraftmaschine zur Anwendung kommt. Die Darstellung zeigt einen Kraftstoffbehälter 12, eine Vorförderpumpe 14, eine Hochdruckpumpe 16, ein Niederdruckbegrenzungsventil 18, einen Kraftstoffspeicher 20, der mit verschiedenen Injektoren 22 in Verbindung steht, und ein Druckregelventil 24, über das der Kraftstoffspeicher 20 mit dem Kraftstoffbehälter 12 in Verbindung steht. Das Druckregelventil 24 ist mittels einer Spule 26 steuerbar und ist regelmäßig derart ausgebildet, dass es bei Beaufschlagung mit einem Ansteuersignal einen bestimmten Druck im Kraftstoffspeicher 20 hält und nicht benötigten Kraftstoff in den Kraftstoffbehälter 12 ablässt.
  • Die Leitungen zwischen dem Ausgang der Hochdruckpumpe 16 und dem Eingang des Druckregelventils 24 werden als Hochdruckbereich bezeichnet. In diesem Bereich steht der Kraftstoff unter hohem Druck. Zur Erfassung des Drucks im Hochdruckbereich wird ein Sensor 30 eingesetzt. Die Leitungen zwischen dem Kraftstoffbehälter 12 und der Hochdruckpumpe 16 werden als Niederdruckbereich bezeichnet.
  • Verschiedene Stellglieder, wie beispielsweise die Hochdruckpumpe 16, die Injektoren 22 und das Druckregelventil 24 werden durch eine Steuerung 40 beaufschlagt. Dabei verarbeitet die Steuerung 40 verschiedene Signale unterschiedlicher Sensoren 42, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine kennzeichnen – beispielsweise eines Drehzahlsensors. In der Steuerung 40 ist eine Recheneinheit 44 zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens vorgesehen.
  • Im Betrieb wird der Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehälter 12 von der Vorförderpumpe 14 zu der Hochdruckpumpe 16 gefördert. Steigt der Druck im Niederdruckbereich auf zu hohe Werte an, so öffnet das Niederdruckventil 18 und gibt die Verbindung zwischen dem Ausgang der Vorförderpumpe 14 und dem Kraftstoffbehälter 12 frei. Der Kraftstoff wird mit der Hochdruckpumpe 16 vom Niederdruckbereich in den Hochdruckbereich gefördert, wobei diese einen hohen Druck im Kraftstoffspeicher 20 aufbaut. Typische Werte bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen liegen zwischen 30 und 100 bar. Bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen, also Dieselmotoren, werden Werte zwischen 1000 und 2000 bar erreicht.
  • Mit dem Sensor 30 wir der Druck im Kraftstoffspeicher 20, der auch als Rail bezeichnet wird, bzw. im gesamten Hochdruckbereich erfasst. Die steuerbare Hochdruckpumpe 16 und ein Druckregelventil dienen zur Regelung des Drucks.
  • Fahrzeuge, die über derartige Common-Rail-Systeme verfügen, sind mit OBD-Systemen ausgestattet. Derartige On-Board-Diagnosesysteme (OBD2) zeichnen Störungen und Fehler während des Betriebs der Brennkraftmaschine und des Fahrzeugs auf. Die aufgezeichneten Störungen sind in einem Speicher gespeichert und können später ausgelesen werden. Im Geltungsbereich der OBD2-Gesetzgebung besteht nun die gesetzliche Anforderung, die Messwerte des Sensors 30, der auch als Raildrucksensor bezeichnet wird und nachfolgend so benannt wird, im gesamten Betriebsdruckbereich zu plausibilisieren. Dies könnte rein prinzipiell mit Hilfe eines weiteren Drucksensors im Hochdruckbereich geschehen. Ein solcher zweiter Drucksensor ist jedoch aufgrund des zusätzlichen technischen Aufwands, der Störanfälligkeit und nicht zuletzt auch aufgrund zusätzlicher hierdurch entstehender Kosten unerwünscht. Das nachfolgend beschriebene Verfahren vermeidet einen derartigen zusätzlichen Drucksensor und verknüpft die in der Brennkraftmaschine vorhandenen Sensoren mit Funktionen der auch als Steuergerät bezeichneten Steuerung 40 bzw. Software-Funktionen der Recheneinheit 44 so miteinander, dass eindeutig festgestellt werden kann, ob der tatsächliche Raildruck-IST-Wert und der vom Raildrucksensor 30 ausgegebene Raildruckmesswert zueinander passen. Auf diese Weise ist eine Plausibilisierung des Messwerts des Raildrucksensors 30 möglich.
  • In 2 ist schematisch eine Hochdruckpumpe 16 dargestellt, die als Hubkolben-Förderpumpe ausgeführt ist. Der sogenannte Elementkolben 100 wird von einer Nockenwelle 300 angetrieben, auf der hierzu ein entsprechender Nocken 320 und eine Laufrolle 330 angeordnet sind. Die Drehbewegung der Nockenwelle 300 wird auf an sich bekannte Weise in eine translatorische Bewegung des Kolbens 100 übersetzt. An der Oberseite eines Zylinders 110, in dem der Kolben 100 auf und ab läuft, ist ein Ventil 150 angeordnet, welches die Kraftstoffzufuhr aus dem Niederdruckkreis, d.h. der entsprechenden Niederdruckleitung 160, ermöglicht. Ebenfalls im oberen Bereich des Zylinders 110 ist eine Hochdruckleitung 210 angeordnet sowie ein Hochdruckventil 200, welches bei Überschreiten eines vorgegebenen Druckes eine Verbindung mit dem Rail 20 herstellt. Die Abwärtsbewegung des Kolbens 100 führt über das Saugventil 150 zu einer Ansaugung von Kraftstoff aus dem Niederdruckkreis, die Aufwärtsbewegung führt zu einer Kompression des zuvor angesaugten Kraftstoffs. Der während der Kompressionsphase verdichtete Kraftstoff wird über die Hochdruckleitung 210 und das Hochdruckventil 200 in das Rail 20 befördert.
  • Während der Verdichtung, z.B. von dem Volumen V1 auf das Volumen V2 (siehe 3), wird dabei die Verdichtungsarbeit W12 geleistet. Die Wegstrecke ds entspricht hierbei dem Verdichtungshub des Elementkolbens 100. Bei der Kompression handelt es sich um einen näherungsweise adiabatischen Prozess. Wie in 3 dargestellt ist, entspricht dabei die Fläche unter der adiabatischen Kurve von V1 bis V2 der Verdichtungsarbeit W12, die vom Elementkolben 100 geleistet werden muss. Sobald der Druck im Elementkolben 100 pKolben größer ist als der Druck im Rail pRail, findet eine Entspannung statt. Dann wird der komprimierte Kraftstoff vom Elementraum ins Rail 20 gefördert. Dadurch sinkt der Druck im Elementraum ab, der Druck im Rail 20 steigt. Die Verdichtungsarbeit bis zum Öffnen des Hochdruckventils 200 (pKolben = pRail) ist hierbei proportional zum Raildruck pRail. Je größer der Raildruck ist, umso mehr Verdichtungsarbeit muss vom Elementkolben 100 geleistet werden. Die Verdichtungsarbeit selbst ist wiederum proportional zum Hub ds des Elementkolbens 100. Dieser wiederum ist abhängig vom Winkel φ der Nockenwelle seit Kompressionsbeginn (φNocken_Beginn), die wiederum ein festes Übersetzungsverhältnis zur Kurbelwelle aufweist.
  • Der Zeitpunkt des Öffnens des Hochdruckventils 200, also dann, wenn pKolben = pRail ist, ist damit der Endpunkt des Anstiegs der Verdichtungsarbeit. Dies entspricht in 3 dem Punkt P2 bei V2 auf der adiabatischen Kurve.
  • Der Zeitpunkt des Öffnens des Hochdruckventils 200 kann nun über eine Unstetigkeit, beispielsweise einen Knick, im ohnehin erfassten Drehzahlsignal der Kurbelwelle detektiert werden. Hierzu ist an der nicht dargestellten Kurbelwelle ein an sich bekannter Drehzahlsensor, also beispielsweise ein Zahngeberrad und ein die Zahnstellung erfassender Sensor angeordnet. Da die Verdichtungsarbeit letztendlich durch die Kurbelwelle aufgebracht werden muss, lässt sich der Knick durch den Drehzahlsensor anhand einer hochaufgelösten, die lokale Zahngeschwindigkeit im Winkelbereich des Pumpennockens erfassenden Abtastung bestimmen.
  • Im Ergebnis ist es möglich, den Hub ds des Elementkolbens 100 als Funktion von φNocken_Beginn bis φNocken_Förderung zu ermitteln, wobei die Winkelstellung φNocken_Förderung die Nockenwellenstellung ist, die dem Öffnen des Hochdruckventils 200 entspricht.
  • Der Druck im Elementraum, d.h. im Zylinder 110 kann aus dem bekannten Kompressionshub ds und der damit verbundenen Volumenänderung durch folgende Gleichung bestimmt werden: ΔV / V = –κ·Δp, wobei к die Kompressibilität des Kraftstoffs bezeichnet. Alternativ kann das Kompressionsverhalten des Kraftstoffs auch in einem Kennfeld abgelegt werden und so auch Einflüsse der Kraftstofftemperatur berücksichtigt werden.
  • Der aktuelle Raildruck pRail entspricht im Ergebnis dem Elementdruck, d.h. dem Druck im Kolben zum Zeitpunkt des Öffnens des Hochdruckventils 200. Er ist proportional der Volumenänderung ΔV = V2 – V1.
  • Um störende Einflüsse wie Einspritzungen auf den Knick der lokalen Zahngeschwindigkeit beim Öffnungszeitpunkt des Hochdruckventils auszuschließen, kann die Erkennung im Schub bei konstanter Last ausgeführt werden.
  • Der Vorteil des vorbeschriebenen Verfahrens liegt darin, dass es den kompletten Betriebsbereich von 0 bar bis pmax abdeckt. Das Verfahren eignet sich sowohl für Systeme mit, als auch Systeme ohne Druckregelventil.
  • Das vorbeschriebene Verfahren kann als Computerprogramm implementiert sein und in der Recheneinheit 44 der Steuerung 40 ablaufen. Da für die Ausführung des Verfahrens keine zusätzliche Hardware erforderlich ist, insbesondere keine zusätzlichen Sensoren, sondern das Kurbelwellensignal ausgewertet wird und lediglich die Abmessung der Hubkolbenpumpe bekannt sein müssen, kann das Verfahren so jederzeit nachgerüstet werden. Hierzu ist es vorzugsweise auf einem Datenträger gespeichert, den die Recheneinheit 44 der Steuerung oder des Steuergeräts 40 einlesen kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006043828 A1 [0004]
    • DE 102008043413 A1 [0005]

Claims (8)

  1. Verfahren zur Plausibilisierung eines Raildrucksensor-Wertes eines Raildrucksensors (30) einer Brennkraftmaschine mit Common-Rail-System, welches eine Kraftstoff-Hochdruck-Hubkolben-Förderpumpe (16) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Erfassen des Förderanfangs der Hubkolben-Förderpumpe (16) – Berechnen des Raildrucks aus der von dem Hubkolben (100) geleisteten Verdichtungsarbeit (W12) – Plausibilisierung des von dem Raildrucksensor (30) ausgegebenen Raildrucks auf der Basis des berechneten Raildrucks.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderanfang durch zeitliches Abtasten eines Kurbelwellen-Drehzahlsignals bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorliegen des Förderanfangs angenommen wird, wenn das Drehzahlsignal eine Unstetigkeit, insbesondere einen Knick, aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehzahlsignal mit Hilfe eines hochauflösenden Drehzahlsensors (42) erfasst wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der hochauflösende Drehzahlsensor (42) eine lokale Zahngeschwindigkeit im Winkelbereich eines Pumpennockens erfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es im Schubbetrieb eines Fahrzeugs bei konstanter Last ausgeführt wird.
  7. Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät, insbesondere einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine abläuft.
  8. Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät eines Fahrzeugs ausgeführt wird.
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