-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Erkennen einer Einschränkung einer Brennstoffversorgung eines Common-Rail-Systems.
-
Stand der Technik
-
Für den Betrieb von großen Brennkraftmaschinen, die im Dieselzyklus arbeiten, werden oft Common-Rail-Systeme eingesetzt, die von einer Hochdruckpumpe gespeist werden. Dieselkraftstoff wird dabei auf einen für die Einspritzung erforderlichen Druck verdichtet und durch mit dem Common-Rail-System verbundenen Injektoren in Brennräume geleitet. Die Hochdruckpumpe kann mechanisch angetrieben und elektrisch gesteuert sein und mehrere Zylinder aufweisen, in denen der Kraftstoff druckbeaufschlagt wird. Durch einen Ausfall oder eine Einschränkung einer Hochdruckpumpe könnte die Brennkraftmaschine beschädigt werden. Die Hochdruckpumpe sollte daher im Betrieb auf Fehlverhalten überwacht werden.
-
DE 10 2015 212 428 A1 schlägt ein Verfahren zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit einer zur Förderung eines Fluids ausgelegten Pumpe, insbesondere einer Hochdruckpumpe eines Common-Rail-Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine vor. Dort ist eine Pumpe mit zwei Pumpenelementen vorgesehen, die von jeweils zugeordneten Ventilen gesteuert werden. Das Verfahren umfasst eine frequenzbasierte Diagnose eines Drucksignals des Fluids in einen der Pumpe nachgeschalteten Verbraucher. Das Übersetzungsverhältnis zwischen der Pumpe und der Brennkraftmaschine ist dabei so gewählt, dass die Pumpe bei einem vollständigen Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine genau einmal mit beiden Pumpenelementen fördert
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erkennen einer Einschränkung einer Brennstoffpumpe eines Common-Rail-Systems anzugeben, das es ermöglicht, bei beliebiger Anzahl von Pumpenelementen und beliebiger Übersetzung eine Einschränkung zu zu identifizieren.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es wird ein Verfahren zum Erkennen einer Einschränkung einer mehrerer Pumpelemente aufweisenden Brennstoffpumpe eines Common-Rail-Systems, vorgeschlagen, aufweisend die Schritte des Bestimmens eines Beobachtungszeitraums als weitgehend ganzzahliges Vielfaches einer Pumpenperiode der Brennstoffpumpe und einer Einspritzperiode des Verbrennungsmotors; des Erfassens eines Drucks in einem der Brennstoffpumpe nachgeschalteten oder dort integrierten Speicher des Common-Rail-Systems über den Beobachtungszeitraum; des Transformierens der in dem Beobachtungszeitraum erfassten Drücke in den Frequenzbereich zum Erhalten eines Frequenzspektrums; des Analysierens des Frequenzspektrums auf eine charakteristische Abweichung von einem erwarteten Frequenzspektrum; und des Abgebens eines Fehlersignals und/oder Ablegen eines Fehlersignals in einem Fehlerspeicher, falls die charakteristische Abweichung ermittelt wird.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Diagnosefunktion, welche prädiktiv eine mögliche Einschränkung einer Brennstoffpumpe und insbesondere einer Hochdruckpumpe erkennen lässt. Bereits vor einem Defekt oder Ausfall der Brennstoffpumpe können Maßnahmen ergriffen werden, um eine hierdurch hervorgerufene Beschädigung eines mit dem Common-Rail-System verbundenen Verbrennungsmotors zu verhindern. Nach Erkennen einer möglichen Einschränkung könnten Abhilfemaßnahmen eingeleitet werden, wie etwa eine Warnung, Alarmierung, Notabschaltung des Motors und dergleichen. Das Verfahren könnte in einer bereits existierenden Steuereinheit der Brennstoffpumpe oder des Verbrennungsmotors in Form eines Algorithmus integriert werden.
-
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt in der Auswertung der erfassten bzw. abgetasteten Drücke einer Messreihe über den Beobachtungszeitraum, durch die der gänzliche Ausfall oder auch nur eine Minderförderung eines oder mehrerer Pumpenelemente erkannt wird. Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt in der geschickten Auswahl der Beobachtungszeit, um den Fehler in der für die Fourier-Transformation erforderlichen Periodizität der Messreihe auch bei beliebig rationalen Übersetzungen zwischen der Brennstoffpumpe und dem Verbrennungsmotor zu minimieren. Das Ziel ist eine möglichst kurze Beobachtungszeit bei geringstmöglichem Periodizitätsfehler.
-
Die Auswertung basiert auf einer Transformation in den Frequenzbereich, die beispielsweise durch eine Fourier-Transformation der erfassten Messwerte erfolgt. Der besondere Vorteil liegt darin, eine Zustandsüberwachung einer Hochdruckpumpe insbesondere in einem MCRS-Einspritzsystem zu erreichen, welche den Ausfall oder die Fehlfunktion genau dieser Pumpe, prädiktiv diagnostizieren kann. Diese zusätzliche, intelligente Funktion könnte etwa in einem Steuergerät in Form eines Algorithmus implementiert sein, beispielsweise in einem Motorsteuergerät oder einem anderen Steuergerät. Das Motorsteuergerät kann ein Fehlersignal empfangen und entscheiden, wie auf einen derartigen Ausfall oder eine Fehlfunktion reagiert werden soll, um Schäden am Verbrennungsmotor und in dessen Umfeld zu vermeiden. Hierzu sind keine zusätzliche Sensorik oder Messleitungen erforderlich, da ausschließlich bereits vorhandene Systemsignale genutzt werden.
-
Durch das Verfahren können bestimmte Ausfall-Szenarien an der Brennstoffpumpe frühzeitig detektiert werden, welche sich durch eine Abweichung in der Fördermenge der einzelnen Pumpenelemente ankündigen. Eine solche Abweichung führt dazu, dass der Systemdruck in dem der Brennstoffpumpe nachgeschalteten Speicher ebenso in einer periodischen Weise abweicht, was zu einer Veränderung des Frequenzspektrums der in den Frequenzraum transformierten Drücke führt. Dies kann sich durch eine charakteristische, markante und differenzierbare Eigenart an einer bestimmten spezifischen Frequenz äußern. Diese Frequenz kann von der Konfiguration der Brennstoffpumpe und des Verbrennungsmotors sowie von dem betreffenden Betriebszustand des Verbrennungsmotors abhängen. Die spezifische Frequenz bleibt im stationären Betrieb zeitlich konstant und lässt sich folglich einfach überwachen.
-
Wie vorangehend erwähnt, ist die Bestimmung eines geeigneten Beobachtungszeitraums von Bedeutung, damit die Eigenart an der bestimmten spezifischen Frequenz klar differenzierbar ist und kein prägnanter Fehler aus der unvollständigen Abtastung einer Pumpenperiode und/oder einer Einspritzperiode entsteht. Bei der Transformation spielt die Periodizität der auftretenden Nutzsignalanteile, d.h. die durch die einzelnen Pumphübe hervorgerufenen Abweichungen in dem Druck, und auch der Störsignalanteile eine Rolle, die sich ebenso als Abweichungen in dem Druck bemerkbar machen, hervorgerufen durch die zur Einspritzung des Brennstoffs durchgeführte Entnahme aus dem Speicher. Daraus ergibt sich ein erforderlicher Beobachtungszeitraum des Drucks, über den eine Abtastung erfolgen muss. Bei beliebigen Übersetzungsverhältnissen und bei der Verwendung von unterschiedlichen Anzahlen von Zylindern in der Brennstoffpumpe und dem Verbrennungsmotor würde ein idealer Beobachtungszeitraum einem ganzzahligen Vielfachen der Pumpenperiode und der Einspritzperiode entsprechen, sodass kein Signalanteil aus der Beobachtung abgeschnitten wird und die Auswertung verfälscht. Insbesondere bei Großmotoren, welche eine hohe Zylinderanzahl von bis zu 24 Zylindern aufweisen können, ist mit einer starken Asynchronität zwischen Pumphüben und Injektionsvorgängen zu rechnen.
-
Der Beobachtungszeitraum kann auf ein weitgehend ganzzahliges Vielfaches der Pumpenperiode und der Einspritzperiode beschränkt werden, sodass die Menge der für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigen Daten beschränkbar ist. Der Begriff „weitgehend“ ist dahingehend zu verstehen, dass das genannte ganzzahlige Vielfache angestrebt wird, jedoch einen tolerierbaren Fehler aufweisen kann. Beispielsweise könnte ein ganzzahliges Vielfaches der Einspritzperiode gewählt werden, welches höchstens um einen Anteil einer Pumpenperiode von einem ganzzahligen Vielfachen der Pumpenperiode abweicht, wie nachfolgend weiter ausgeführt.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform beträgt der Beobachtungszeitraum ein ganzzahliges Vielfaches der Einspritzperiode und weicht höchstens um einen vorbestimmten Fehleranteil einer Pumpenperiode von einem ganzzahligen Vielfachen einer Pumpenperiode ab. Ein verkürzter Beobachtungszeitraum kann nicht beliebig gewählt werden, sondern auf eine Weise, bei der auftretende Abweichungen eines Frequenzspektrums zwar auftreten können, jedoch unterhalb einer tolerierbaren Grenze liegen. Der in Kauf genommene Fehler der bei einem derart verkürzten Beobachtungszeitraum kann etwa prozentuell auf die Pumpenperiodendauer bezogen werden. Dieser prozentuelle Anteil kann im Vorfeld bestimmt und in einem das Verfahren ausführenden Algorithmus implementiert werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Fehleranteil höchstens 10% betragen. Dies könnte eine sinnvolle Möglichkeit sein, den Beobachtungszeitraum bei hohen Asynchronitäten zwischen dem Verbrennungsmotor und der Brennstoffpumpe zu minimieren. Es könnte im Vorfeld indes ein alternativer Wert ermittelt werden, der unterhalb der 10% liegt.
-
Es kann zudem sinnvoll sein, dass der Beobachtungszeitraum in Abhängigkeit der Anzahl von Pumpelementen der Brennstoffpumpe, der Anzahl der Zylinder des Verbrennungsmotors und des Übersetzungsverhältnisses zwischen der Brennstoffpumpe und dem Verbrennungsmotor gewählt wird. Stehen die Anzahl der Pumpenelemente und der Zylinder des Verbrennungsmotors in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander und ist die Übersetzung zwischen der Drehzahl der Brennstoffpumpe und des Verbrennungsmotors ganzzahlig oder auf andere Weise harmonisch, kann durch Ermittlung des kleinsten gemeinsamen Vielfachen der Pumpenperiode und der Einspritzperiode bereits ein minimierter Beobachtungszeitraum gefunden werden. Sind die Brennstoffpumpe und der Verbrennungsmotor jedoch durch ihre Bauarten und ihre mechanische Kopplung stark asynchron, ist eine Verkürzung des Beobachtungszeitraums, ausgehend von einem kleinsten gemeinsamen Vielfachen, zur Vereinfachung der Berechnung sinnvoll. Es kann sich anbieten, den tolerierbaren Fehleranteil bei starken Asynchronitäten von der Höhe des kleinsten gemeinsamen Vielfachen abhängig zu machen.
-
Für die Ermittlung der charakteristischen Abweichungen kann auf die Ermittlung komplexer Zeiger zurückgegriffen werden, die die Amplitude und Phase einzelner Anteile des Frequenzspektrums charakterisieren. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Analysieren des Frequenzspektrums das Ermitteln komplexer Zeiger eines Kurbelsterndiagramms der Brennstoffpumpe und das Ermitteln umfassen, ob die Zeiger vollständig in einen vorgebbaren Grenzbereich in dem Kurbelsterndiagramm fallen, wobei bei Überschreitung des Grenzbereichs die charakteristische Abweichung vorliegt. Hierzu werden die Amplitude und die Phase aus der berechneten Fourier-Transformation herangezogen und in einer komplexen Zahlenebene dargestellt, um das Kurbelsterndiagramm zu erhalten. Anhand der Ausrichtung der komplexen Zeiger kann zwischen einer Einschränkung und einem regulären Betrieb der Brennstoffpumpe unterschieden werden. Im Fall des regulären Betriebs der Brennstoffpumpe befinden sich die Zeiger im Kurbelsterndiagramm im Bereich des Mittelpunkts bzw. Ursprungs. Bei einer Fehlfunktion oder einem Ausfall einzelner Pumpenelemente, die sich als Abweichungen von den vorgesehenen Fördermengen ergeben, entfernen sich diese Zeiger immer weiter von dem Mittelpunkt. Eine tolerierbare Grenze kann um den Mittelpunkt des Diagramms erstellt werden. Eine Unterscheidung zwischen einem regulärem Betrieb und Fehlfunktionen oder Ausfällen einzelner Pumpenelemente kann dann mit Hilfe der Amplitude und der Phasenlage jedes Zeigers vorgenommen werden.
-
Es wäre dann denkbar, den verkürzten Beobachtungszeitraum so auszuwählen, dass ein hierdurch verursachter, tolerierbarer Fehler in dem Frequenzspektrum zu einem Fehlerbereich in einem Kurbelsterndiagramm führt, der deutlich den oben genannten Grenzbereich unterschreitet. Je größer der durch die Wahl des verkürzten Beobachtungszeitraums verursachte Fehler in dem Frequenzspektrum ist, desto weiter wandert der Zeiger des regulären Betriebs der Brennstoffpumpe aus dem Mittelpunkts des Kurbelsterndiagramms, was eine Detektion einer Fehlfunktion der Brennstoffpumpe erschwert. Durch eine Begrenzung auf einen bestimmten Bereich um den Mittelpunkt kann eine Festlegung des tolerierbare Fehler unterstützt werden.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm, das dazu ausgebildet ist, die Schritte des vorangehend geschilderten Verfahrens auszuführen. Das Computerprogramm kann auf einem maschinenlesbaren, nichtflüchtigen Speichermedium gespeichert sein.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät, das mit einem Drucksensor eines einer Brennstoffpumpe nachgeschalteten Speichers koppelbar ist und dazu ausgebildet ist, das vorangehend genannte Verfahren bzw. das vorangehend genannte Computerprogramm auszuführen. Schließlich kann die Erfindung ferner einen Programmcode mit Verarbeitungsanweisungen zum Erstellen eines auf einem Steuergerät ablauffähigen Computerprogramms betreffen, wobei der Programmcode das Computerprogramm gemäß der vorhergehenden Beschreibung ergibt, wenn er gemäß der Verarbeitungsanweisungen in ein ablauffähiges Computerprogramm umgewandelt wird.
-
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
-
Ausführungsbeispiele
-
Es zeigt:
- 1 eine schematische, blockbasierte Darstellung eines Verfahrens zum Erkennen einer Einschränkung einer Brennstoffpumpe;
- 2 ein Frequenzspektrum eines Drucks in einem Speicher eines Common-Rail-Systems;
- 3 ein die Auswahl des Beobachtungszeitraums unterstützendes Diagramm mit linearer Abhängigkeit zwischen Einspritzperioden und Pumpperioden;
- 4 ein Kurbelsterndiagramm; und
- 5 eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors nebst Brennstoffpumpe und Speicher.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 2 zum Erkennen einer Einschränkung einer mehrere Pumpenelemente aufweisenden Brennstoffpumpe eines Common-Rail-Systems. Das Verfahren umfasst den Schritt des Bestimmens 4 eines Beobachtungszeitraums als ein weitgehend ganzzahliges Vielfaches einer Pumpenperiode der Brennstoffpumpe und einer Einspritzperiode des Verbrennungsmotors auf. In der Regel wird der Beobachtungszeitraum im Sinne von Einspritzperioden einmalig anhand der Einspritzkonfiguration festgelegt und dann fix appliziert, um diesen nicht ständig neu im Betrieb festlegen zu müssen. Anschließend erfolgt das Erfassen 6 eines Drucks in einem der Brennstoffpumpe nachgeschalteten Speicher des Common-Rail-Systems über den Beobachtungszeitraum. Weiter anschließend erfolgt das Transformieren 8 der in dem Beobachtungszeitraum erfassten Drücke in den Frequenzbereich zum Erhalten eines Frequenzspektrums. Dann kann das Analysieren 10 des Frequenzspektrums auf eine charakteristische Abweichung von einem erwarteten Frequenzspektrum erfolgen. Wird die charakteristische Abweichung ermittelt, wird ein Fehlersignal abgegeben 12 oder in einem Fehlerspeicher abgelegt 14.
-
Bei der Ermittlung 4 eines geeigneten Beobachtungszeitraums ist vorstellbar, einen tolerierbaren Fehler des Frequenzspektrums zu definieren 16. Dies kann etwa ein Anteil einer Pumpenperiode der Brennstoffpumpe sein, um den sich der Beobachtungszeitraum von dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der Pumpenperiode und der Einspritzperiode unterscheiden kann. Hiermit kann der Beobachtungszeitraum zur Entlastung eines Steuergeräts deutlich verkürzt werden, insbesondere bei stark asynchronem Betrieb von Brennstoffpumpe und Verbrennungsmotor.
-
Das Analysieren 10 kann ferner das Ermitteln 18 komplexer Zeiger eines Kurbelsterndiagramms umfassen, wobei dann geprüft werden kann, ob diese in einen vorgegebenen Grenzbereich des Kurbelsterndiagramms fallen.
-
2 zeigt ein Frequenzspektrum 20, welches durch eine Fourier-Transformation aus den erfassten Drücken generiert ist. Hier ist die Amplitude a über die Frequenzordnung o aufgetragen. Beispielhaft handelt es sich bei dem Frequenzspektrum um das einer Brennstoffpumpe mit vier Pumpenelementen. In dem Frequenzspektrum 20 sind zwei beispielhaft gezeigte, signifikante Abweichungen 22 und 24 von einem erwarteten Frequenzspektrum zu erkennen. Diese stehen für die Abweichung einer Fördermenge durch zwei der vier Pumpenelemente. Durch das Analysieren 10 können diese Abweichungen 22 und 24 erkannt werden und das Abgeben 12 eines Fehlersignals bzw. das Ablegen 14 eines Fehlersignals in einem Fehlerspeicher initiieren.
-
Insbesondere bei stark asynchronen Verhältnissen zwischen der Brennstoffpumpe und dem Verbrennungsmotor insbesondere aufgrund unterschiedlicher Anzahlen von Pumpenelementen in der Brennstoffpumpe und Zylindern im Verbrennungsmotor, kann ein Beobachtungszeitraum gewählt werden, der etwas von dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen abweicht. Die zu verarbeitenden Daten könnten durch die Verkürzung reduziert werden. Einer solchen Verkürzung könnte eine Ermittlung eines tolerierbaren Fehlers zugrunde gelegt werden, wie durch ein in 3 gezeigtes Diagramm verdeutlicht wird. Auf der Y-Achse sind die Anzahlen von Einspritzperioden nI des Verbrennungsmotors zu sehen, die in der Betrachtung des Drucks in dem Speicher des Common-Rail-Systems als Störsignale angesehen werden. Auf der X-Achse sind indes die Anzahlen der Pumpperioden nP zu sehen. Das Übersetzungsverhältnis und die Anzahlen der Pumpelementen und der Motorzylinder führt zu einem linearen Verlauf 26 als Abhängigkeit zwischen den Einspritzperioden und den Pumpperioden. Bei vier Einspritzperioden würde in dem gezeigten Beispiel etwa eine Anzahl von ungefähr 12,5 Pumpperioden resultieren. Dies würde dazu führen, dass bei einem derartigen Beobachtungszeitraum eine halbe Pumpenperiode aus der Beobachtung ausgeschnitten wird und die entsprechenden Anteile des Frequenzspektrums verschmieren, d.h. zu einem deutlichen Fehler führen. Bei der Wahl von sechs Einspritzperioden würden hier jedoch annähernd 19 Pumpperioden resultieren, wobei die Abweichungen in diesem Fall bei ungefähr 5 % liegt. Von einer Pumpperiode werden folglich lediglich etwa 5 % ausgeschnitten, sodass das Frequenzspektrum nur einen sehr geringen Fehler beinhaltet.
-
Aus dem in 2 ersichtlichen Frequenzspektrum 20 könnten komplexe Zeiger 28, 30, 32 und 34 eines Kurbelsterndiagramms ermittelt werden, welches in 4 ersichtlich ist. Bei einem regulären Pumpenbetrieb ohne jegliche Einschränkung und bei idealem Beobachtungszeitraum wären die komplexen Zeiger vollständig in dem Mittelpunkt des Kurbelsterns. Bei Abweichungen der Fördermengen oder anderen Einschränkungen ragen die Zeiger 28, 30, 32 und 34 jedoch aus dem Ursprung signifikant nach außen. Nun kann ein Grenzbereich 36 um einen Mittelpunkt 38 definiert werden, der einen regulären Pumpenbetrieb von einem fehlerbehafteten Pumpenbetrieb unterscheiden lässt. In der Analyse 10 könnte folglich eine Bewertung der komplexen Zeiger 28, 30, 32 und 34 der einzelnen Pumpenelemente mit dem Grenzbereich 36 durchgeführt werden. Alle außerhalb des Grenzbereichs 36 liegenden Zeiger sind als eine Abweichung des erwarteten Verhaltens zu verstehen.
-
5 zeigt schließlich sehr schematisch eine Brennstoffpumpe 40 mit mehreren Pumpenelementen 42. Die Brennstoffpumpe 40 fördert Brennstoff in einen Speicher 44 eines Common-Rail-Systems. Ein Verbrennungsmotor 46 wird aus dem Speicher 44 mit Brennstoff versorgt, der in einzelnen Zylindern 48 verbrannt wird. Der Druck innerhalb des Speichers 44 wird durch einen Drucksensor 50 erfasst und in Form eines Drucksignals 54 an eine Steuereinheit 52 gesandt. In dieser kann das vorangehend geschilderte Verfahren 2 ausgeführt werden, insbesondere durch ein hierzu ausgebildetes Computerprogramm.
-
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 102015212428 A1 [0003]