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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur
Erkennung einer Leckage in einem Kraftstoffversorgungssystem bei
einer Brennkraftmaschine nach der Gattung der Hauptansprüche.
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Bei
Kraftfahrzeugen mit einer Brennkraftmaschine wird der Kraftstoff
mit Hilfe einer Elektrokraftstoffpumpe aus einem Kraftstoffbehälter gefördert und über Kraftstoffleitungen
den Injektoren zugeführt. Überschüssiger Kraftstoff
gelangt üblicherweise über eine
Rücklaufleitung
in den Kraftstoffbehälter zurück. Bei
Brennkraftmaschinen mit Hochdruckeinspritzung, insbesondere bei
Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung,
schließt
sich an die Kraftstoffpumpe eine weitere Pumpe an, die einen sehr
hohen Druck in einem Hochdruckbereich erzeugt, der mit den Injektoren
in Verbindung steht. Bei solchen Kraftstoffversorgungssystemen besteht
die Gefahr, dass im Falle eines Defekts eines Injektors ständig Kraftstoff
in den entsprechenden Verbrennungsraum eingespritzt wird. Dies wird üblicherweise
als innere Leckage bezeichnet.
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Ferner
ist auch eine Leckage nach außen möglich, bei
der Kraftstoff unter hohem Druck in den Motorenraum gelangt.
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Es
wird deshalb beispielsweise in der
DE 31 26 393 A1 vorgeschlagen, dass Mittel
vorgesehen sind, die laufend den Druck im Hochdruckbereich des Kraftstoffversorgungssystems
messen, wobei ein Absinken des Drucks im Speicher unter einen vorbestimmten
Wert zu einer Fehlererkennung führt.
Da bei einem solchen Fall ständig
Kraftstoff in den Motor eingespritzt würde, wird bei der bekannten
Einrichtung nach Erkennung eines Fehlers der Motor abgeschaltet
bzw. die Kraftstoffförderung
beendet. Bei einer solchen Vorgehensweise können nur Leckagen erkannt werden,
bei denen eine relativ große
Kraftstoffmenge verloren geht. Kleinere Leckagen erkennt diese Einrichtung
nicht.
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Aus
der
DE 195 21 791
A1 ist ein Verfahren zur Erkennung einer Leckage in einem
Kraftstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-System bekannt.
Dabei wird der Druck im Hochdruckbereich an zwei verschiedenen Zeitpunkten
gemessen, wobei zwischen diesen Zeitpunkten bei einem fehlerfreien
Betrieb der Brennkraftmaschine keine Veränderung der Kraftstoffmenge
im Hochdruckbereich durch die Hochdruckpumpe oder einen Einspritzvorgang
stattfindet. Eine Störung wird
dabei erkannt, wenn die Druckdifferenz der beiden Messwerte einen
designierten Grenzwert überschreitet.
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung
mit den Merkmalen der Hauptansprüche
hat gegenüber
dem Bekannten den Vorteil, dass das gesamte Hochdruckkraftstoffversorgungssystem
auf Dichtheit überwacht
werden kann und nicht nur erkannt wird, ob ein Injektor ständig geöffnet ist,
sondern dass auch eine Leckage nach außen erkennbar ist. Besonders
vorteilhaft ist dabei die Einfachheit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise,
da die erfindungsgemäße Vorgehensweise
keine weiteren Sensoren benötigt.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt
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1 ein
Blockdiagramm des Kraftstoffzumesssystems, 2 den Druck über der
Zeit t aufgetragen sowie die 3, 4 und 5 jeweils
ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In
der 1 sind die für
das Verständnis
der Erfindung erforderlichen Bestandteile eines Kraftstoffversorgungssystems
einer Brennkraftmaschine mit Hochdruckeinspritzung dargestellt.
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Das
dargestellte System wird üblicherweise als
Common-Rail-System
bezeichnet. Mit 10 ist ein Kraftstoffvorratsbehälter bezeichnet.
Dieser steht über
eine Kraftstoffzuführleitung
mit einem Filter 15, einer Vorförderpumpe 20, einem
Absperrventil 25, einer Hochdruckförderpumpe 30 mit einem
Rail 35 in Verbindung. In der Kraftstoffzuführleitung
ist zwischen der Hochdruckförderpumpe 30 und
dem Rail 35 ein Druckregelventil 40 bzw. ein Druckbegrenzungsventil
angeordnet. Mittels dieses Ventils ist ein Hochdruckbereich mit
einem Niederdruckbereich, insbesondere die Zuführleitung mit einer Rücklaufleitung 45 verbindbar. Über die
Rücklaufleitung 45 gelangt
der Kraftstoff zurück
in den Tank 10.
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Die
Leitungen zwischen Hochdruckpumpe 30 und dem Rail 35 bzw.
dem Druckregelventil, das Rail sowie die Leitungen zwischen Rail 35 und
den Injektoren wird als Hochdruckbereich bezeichnet. Der Bereich
vor der Hochdruckpumpe 30 bis zum Tank 10 wird
als Niederdruckbereich bezeichnet.
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Das
Absperrventil 25 ist mittels einer Spule 26 betätigbar.
Entsprechend ist das Ventil 40 mittels einer Spule 41 betätigbar.
Am Rail 35 ist ein Sensor 50 angeordnet. Bei diesem
Sensor 50 handelt es sich vorzugsweise um einen Drucksensor,
der ein Signal bereitstellt, das dem Kraftstoffdruck im Rail entspricht.
Das Rail 35 steht über
jeweils eine Leitung mit den einzelnen Injektoren 61 bis 66 in
Verbindung. Die Injektoren umfassen Magnetventile 71 bis 76 mittels
denen der Kraftstofffluß durch
die Injektoren steuerbar ist. Des wei teren stehen die Injektoren
mit jeweils einem Anschluß mit
der Rücklaufleitung 45 in Verbindung.
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Das
Ausgangssignal des Drucksensors 50 sowie die Ausgangssignale
weiterer Sensoren 80 gelangen zu einer Steuereinheit 100 die
wiederum die Magnetventile 71 bis 76, die Spule 26 der
Vorförderpumpe,
die Spule 41 des Druckregelventils 40 und die
Hochdruckförderpumpe
steuert. Die Sensoren 80 erfassen beispielsweise die Drehzahl
N der Brennkraftmaschine, den Fahrerwunsch FP, der vorzugsweise
mittels eines Fahrpedalstellungsgebers ermittelt wird, sowie verschiedene
Temperaturwerte, wie beispielsweise die Temperatur T des Kraftstoffes.
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Diese
Einrichtung arbeitet wie folgt. Die Vorförderpumpe 20, die
als Elektrokraftstoffpumpe oder mechanische Pumpe ausgeführt sein
kann, fördert den
Kraftstoff, der sich im Kraftstoffvorratsbehälter 10 befindet über einen
Filter 15 zur Hochdruckförderpumpe 30. Die
Hochdruckförderpumpe 30 fördert den
Kraftstoff in das Rail 35 und baut dort einen Druck auf. Üblicherweise
werden bei Systemen für fremdgezündete Brennkraftmaschinen
Druckwerte von etwa 30 bis 100 bar und bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen
Druckwerte von etwa 400 bis 2000 bar erzielt.
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Zwischen
der Hochdruckförderpumpe 30 und
der Vorförderpumpe 20 ist
ein Absperrventil 25 angeordnet, daß von der Steuereinheit 100 ansteuerbar
ist, um den Kraftstofffluß zu
unterbrechen.
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Ausgehend
von den Signalen verschiedener Sensoren 80 bestimmt die
Steuereinheit 100 Steuersignale zur Beaufschlagung der
Magnetventile 71 bis 76 der Injektoren 61 bis 66.
Durch Öffnen
und Schließen
der Magnetventile 71 bis 76 wird der Beginn und das
Ende der Kraftstoffeinspritzung in die Brennkraftmaschine gesteuert.
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Mittels
des Drucksensors 50 wird der Druck des Kraftstoffes im
Rail 35 und damit im Hochdruckbereich erfaßt. Ausgehend
von diesem Wert berechnet die Steuereinheit 100 ein Signal
zur Beaufschlagung des Druckregelventils 40. Vorzugsweise
wird der Druck durch Ansteuern des Druckregelventils 40 auf
einen vorgebbaren Wert geregelt, der unter anderem von Betriebsbedingungen
der Brennkraftmaschine abhängt,
die mittels der Sensoren 80 erfaßt werden.
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Bei
auftretenden Fehler kann die Kraftstoffzufuhr mit dem Absperrventil 25 unterbunden
werden. Ferner wird bei erkanntem Fehler das Ventil 40 so
angesteuert, daß der
Druck im Rail 35 abfällt.
Ferner werden die Ventile 71 bis 76 so angesteuert,
daß sie
geschlossen bleiben und damit keine Einspritzung erfolgt.
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Bei
diesen Systemen kann eine Leckage auftreten. Dabei gelangt Kraftstoff
aus dem Hochdruckbereich zum einen über die Injektoren in die Brennkraftmaschine
und/oder über
ein Leck in den Motorenraum des Fahrzeugs. Solche Leckagen in dem Motorenraum
bzw. ein nicht korrekt arbeitender Injektor müssen sicher erkannt werden.
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Zur
Erkennung einer Leckage im Hochdruckbereich wird eine Mengenbilanz
des Hochdruckbereichs, insbesondere des Rails 35 betrachtet.
Dabei lassen sich eine Volumenbilanz und/oder eine Massenbilanz
erstellen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Kraftstoffmassen
betrachtet. Es lassen sich aber auch die entsprechenden Kraftstoffvolumina
betrachten.
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Zur
Erstellung einer Kraftstoffmengenbilanz werden die in das Rail einströmenden Kraftstoffmassen
und die aus dem Rail ausströmenden
Kraftstoffmassen betrachtet. Es gilt die folgende Gleichung 1: VE ·Ṗ = ṀF – ṀE – ṀR – ṀD – ṀL (1)
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Mit
einem Punkt sind jeweils die Ableitungen über die Zeit bzw. die Änderungen
innerhalb eines Zeitabschnitts der entsprechenden Größen gekennzeichnet.
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Mit
MF ist die Fördermasse,
die von der Hochdruckpumpe 30 in den Hochdruckbereich gefördert wird,
bezeichnet. Diese Masse liegt im Steuergerät 100 vor. Sie hängt im wesentlichen
von der Drehzahl N der Brennkraftmaschine, dem Druck P im Rail ab.
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Mit
ME wird die Einspritzmasse bezeichnet, die aus dem Rail über die
Injektoren in die Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Diese Menge
liegt im Steuergerät
vor. Sie hängt
im wesentlichen von der Ansteuerung der Injektoren ab.
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Mit
MR wird die Rücklaufmasse
bezeichnet, die von den Injektoren über die Leitung 45 zurück in den
Tank gelangt. Diese Rücklaufmasse
setzt sich zusammen aus der Steuermasse MS, die zur Steuerung der
Injektoren benötigt
wird sowie der Leckmasse MLD, bei der es sich um Verluste im Bereich
der Injektoren handelt. Die Rücklaufmasse
gelangt über die
Leitung 45 ebenfalls zurück in den Tank. Diese Masse
liegt im Steuergerät
in der Regel nicht vor und muß daher
gelernt werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß Betriebszustände gewählt werden,
in denen diese Masse bekannt ist.
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Bei
der Größe MD handelt
es sich um die Druckregelmasse, die von dem Druckregelventil 40 aus
dem Hochdruckbereich in den Tank zurückgeleitet wird, um den Druck
P im Hochdruckbereich auf seinem vorgegebenen Wert zu halten.
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Bei
der Größe ML handelt
es sich um die Leckagemasse. Dies ist die gesuchte Größe. Das
Verfahren unterscheidet nicht zwischen einer inneren Leckage, bei
der Kraftstoff über
einen defekten Injektor in den Brennraum gelangt, und einer äußeren Leckage,
bei der Kraftstoff insbesondere in den Motorraum des Kraftfahrzeugs
gelangt.
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In
der 1 sind die Massenströme an den entsprechenden Stellen
mit Pfeilen gekennzeichnet.
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Die
Größen V und
E sind Konstanten des Kraftstoffes bzw. des Zumeßsystems. Die Größe V wird
im wesentlichen bestimmt durch das Volumen des Hochdruckbereichs,
der sich aus dem Rail-, Leitungs- und Injektorvolumen zusammensetzt.
In die Größe E gehen
unter anderem die Kraftstoffdichte und das Kompressibilitätsmodul
des Kraftstoffs ein.
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Bei
den Werten P2 und P1 handelt es sich um zwei Druckwerte des Kraftstoffdrucks
im Rail an zwei unterschiedlichen Zeitpunkten, wobei die Änderung
der Größen sich
jeweils auf die Differenz zwischen diesen beiden Zeitpunkten beziehen.
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In 2 ist
der Druck P im Rail über
der Zeit t aufgetragen. Mit Pfeilen ist der Beginn der einzelnen Einspritzungen
bezeichnet. Mit jeder Einspritzung sinkt der Druck P im Rail ab
und steigt dann auf seinen ursprünglichen
Wert an. Im stationären
Zustand erreicht der Druck zwischen zwei Einspritzungen bei gleicher
Lage der Kurbelwelle immer den gleichen Wert. Zur Bestimmung der
Massenbilanz werden über
das Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten t1 und t2, bei denen
der Druck P1 und P2 gemessen wird, die Masseströme aufintegriert.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die beiden Zeitpunkte t1 und t2 einem festen
Winkelabstand zwischen zwei Einspritzungen entsprechen, der eine vollständige Einspritzung
beinhaltet. Bei einem 4-Zylinder-Motor entspricht dies 180° Kurbelwelle.
Betrachtet man eine komplette Zumessung, so können die Größen MF und ME in Kennfeldern
abgelegt werden.
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Die
Rücklaufmasse
MR wird vorzugsweise in einem Zustand gelernt, in dem kein Fehlerfall
vorliegt, und abhängig
von Betriebskenngrößen, wie
der Drehzahl N und dem Druck P im Rail in einem Kennfeld abgelegt.
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Da
die Masse MD, die vom Druckregelventil in den Tank abgelassen wird,
in der Regel nicht bekannt ist, wird während der Überprüfung auf Leckage das Druckregelventil
definiert angesteuert. Dies bedeutet, es kann zum einen völlig geschlossen
bzw. völlig
geöffnet
sein. Dabei muß im
geöffneten
Zustand die Masse MDM, die sich im geöffneten Zustand ergibt, bekannt
sein.
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Für die Leckagemasse
ML gilt dann die Gleichung 2. ML =
MF – ME – MR – MD – VE ·(P2 – P1) 2)
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In 3 ist
die erfindungsgemäße Vorgehensweise
anhand eines Flußdiagramms
dargestellt. In einem ersten Schritt 310 erfolgt die Initialisierung des
Prüfvorgangs.
Hierzu wird das Druckregelventil mit einem bestimmten Ansteuersignal
beaufschlagt.
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Ist
der Zusammenhang zwischen Ansteuersignal für das Druckregelventil 40 und
der Masse MD nicht bekannt, so wird das Druckregelventil so angesteuert,
daß es
einen definierten Zustand annimmt. Beispielsweise wird das Druckregelventil 40 so
angesteuert, daß es
völlig
geschlossen ist. In diesem Fall ergibt sich für MD der Wert Null. Wird das
Druckregelventil 40 so angesteuert, daß es völlig geöffnet ist, so nimmt die Masse
MD den Wert MDM an.
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Ist
der Zusammenhang zwischen dem Ansteuersignal für das Druckregelventil 40 und
der Masse MD bekannt, muß es
nicht definiert angesteuert werden. In diesem Fall ist der entsprechende
Wert MD aus einem Kennfeld auszulesen.
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Die
Initialisierung des Prüfprogrammes
kann beispielsweise im Rahmen der Prüfung der Anlage in der Werkstatt
erfolgen. Desweiteren kann vorgesehen sein, daß die Überprüfungen in fest vorgegebenen
Zeitabständen
und/oder nach Ablauf einer vorgegebenen Anzahl von Motorumdrehungen
durchgeführt
wird.
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In
einem zweiten Schritt 320 erfaßt der Drucksensor einen ersten
Druckwert. Anschließend wird
in einem dritten Schritt 330 die Fördermasse MF aus einem Kennfeld
ausgelesen. Die Fördermasse ist
vorzugsweise abhängig
von der Drehzahl N der Brennkraftmaschine, dem Druck P im Rail,
der Kraftstofftemperatur im System und weiteren Größen in einem
oder mehreren Kennfeldern abgelegt oder wird ausgehen von den entsprechenden
Größen berechnet.
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Im
anschließenden
Schritt 335 wird die Einspritzmasse ME ebenfalls abhängig von
der Drehzahl N, dem Fahrerwunsch FP sowie ggf. weiterer Größen vorzugsweise
aus einem Kennfeld ausgelesen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn
als Massesignal ME, das in der Steuerung vorliegende Signal, mit dem
auch die Ansteuersignale für
die Injektoren berechnet wer den, verwendet wird. Neben den genannten
Größen können auch
andere den Einspritzvorgang charakterisierende Größen verwendet
werden. Dies sind beispielsweise die bei der Voreinspritzung und/oder
den Nacheinspritzung zugemessenen Kraftstoffmassen.
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Im
anschließenden
Schritt 340 wird die Rücklaufmasse
MR aus einem Speicher ausgelesen. Im Schritt 350 wird zum
Zeitpunkt t2 der zweite Druckwert P2 erfaßt. Im Schritt 355 wird
die Leckmasse mittels der Gleichung 2 bestimmt. Die sich anschließende Abfrage 360 überprüft, ob die
Leckagemasse ML größer als
ein Schwellwert SW. Ist dies der Fall, so erkennt die Einrichtung
in Schritt 370 auf Leckage und leitet entsprechende Maßnahmen
ein. Andernfalls erkennt die Einrichtung in Schritt 380 die Dichtheit
des Systems.
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Eine
Ausführungsform
des Lernens der Rücklaufmenge
MR ist als Flußdiagramm
in 4 dargestellt. Zum Lernen der Rücklaufmasse
MR wird in einem ersten Schritt 400 die Masse MD gezielt
auf Null gestellt. Dies wird dadurch erreicht, daß das Druckregelventil 40 derart
angesteuert wird, daß es geschlossen
bleibt und damit die Rücklaufmasse
MD zu Null wird. In einem zweiten Schritt 410 wird ein erster
Druckwert P1 erfaßt.
Anschließend
wird in Schritt 420, entsprechend wie in 3 beschrieben, die
Masse ME und MF bestimmt. Anschließend in Schritt 430 erfolgt
die Messung des zweiten Druckwerts P2. Im anschließenden Schritt 440 erfolgt
die Berechnung der Masse MR gemäß der Gleichung: MR = MF – VE ·(P2 – P1) – ME (3)
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Anschließend erfolge
die Abfrage 450, die überprüft, ob ein
Betriebszustand vorliegt, in dem keine Einspritzung erfolgt, das
heißt
die Menge ME Null ist. Ein solcher Betriebszustand liegt beispielsweise im
sogenannten Schubbedingung vor. Im Schubbetrieb erfolgt keine Einspritzung,
daher wird auch kein Kraftstoff benötigt um den Injektor zu steuern.
Dies bedeutet, im Schub ist die Steuermasse MS Null. In diesem Fall
entspricht die Masse MLD der Masse MR. Daher wird bei Vorliegen
dieses Zustands im Schritt 460 die Masse MLD gleich der
Masse MR gesetzt. Liegt der entsprechende Zustand nicht vor oder anschließend an
Schritt 460, wird in Schritt 470 der Wert für MR vorzugsweise
abhängig
von verschiedenen Betriebskenngrößen in einem
Kennfeld abgespeichert.
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Besonders
vorteilhaft bei dieser Vorgehensweise ist, daß auch kleine Leckagen mit
einer kleinen Leckagemasse, sicher erkannt werden. Bei den bekannten
Leckageerkennungen kann nicht zwischen einem Druckabfall aufgrund
einer großen
Einspritzmenge und einem Druckabfall aufgrund einer kleinen Leckage
unterschieden werden, da der Druckabfall bei einer großen Einspritzmenge
größer sein
kann als bei einer kleinen Leckage. Mit der erfindungsgemäße Vorgehensweise
lassen sich auch kleine Leckagemengen erkennen.
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In 5 ist
ein Ausführungsbeispiel
zur Ermittlung der Masse MDM dargestellt. Diese Masse MDM, die bei
völlig
geöffneten
Druckregelventil abgeleitet wird, läßt sich ebenfalls vorzugsweise
im Schubbetrieb lernen und in einem Kennfeld abspeichern.
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Zum
Lernen der maximalen Masse MDM wird in einem ersten Schritt 500 die
Masse MD gezielt auf ihren maximal möglichen Wert gestellt. Dies
wird dadurch erreicht, daß das
Druckregelventil 40 derart angesteuert wird, daß es geöffnet ist
und damit die MD ihren maximalen Wert MDM erreicht. In einem zweiten
Schritt 510 wird ein erster Druckwert P1 erfaßt. Anschließend wird
in Schritt 520, entsprechend wie in 3 beschrieben,
die Masse ME und MF bestimmt. Anschließend in Schritt 530 erfolgt
die Messung des zweiten Druckwerts P2. Im anschließenden Schritt 540 erfolgt
die Berechnung der Masse MDM gemäß der Gleichung: MDM = MF – MLD – VE ·(P2 – P1) – ME (4)
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Dieser
Wert wird abhängig
von verschiedenen Betriebskenngrößen wie
beispielsweise der Drehzahl N, der Einspritzmenge ME und weiterer Größen in einem
Kennfeld abgelegt.