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DE10313133B3 - Anordnung zum Überwachen von Betriebsparametern in einem Verbrennungsmotor - Google Patents

Anordnung zum Überwachen von Betriebsparametern in einem Verbrennungsmotor Download PDF

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DE10313133B3 DE2003113133 DE10313133A DE10313133B3 DE 10313133 B3 DE10313133 B3 DE 10313133B3 DE 2003113133 DE2003113133 DE 2003113133 DE 10313133 A DE10313133 A DE 10313133A DE 10313133 B3 DE10313133 B3 DE 10313133B3
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Abstract

Eine Anordnung zum Überwachen von Betriebsparametern in einem Verbrennungsmotor, der eine Mehrzahl von Brennräumen (11) und, diesen zugeordnet, je ein Kraftstoffeinspritzventil (10) aufweist, wobei jedes Kraftstoffeinspritzventil (10) einen Leckageanschluss zum Abführen von Leckagetreibstoff aufweist und die Leckageanschlüsse der Kraftstoffeinspritzventile mit einer Leckage-Sammelleitung (22) in Verbindung sind, die über ein Gegenhalteventil (24), das zum Aufrechterhalten eines vorbestimmten Mindestdrucks in der Leckage-Sammelleitung (22) vorgesehen ist, mit einem Behälter zum Aufnehmen des Leckagetreibstoffs in Verbindung ist, mit einer Steuereinrichtung (30), der Ausgangsgrößen von mindestens einem Sensor zugeführt sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass DOLLAR A ein Sensor (40) zum Erfassen des Drucks in der Leckage-Sammelleitung (22) DOLLAR A mit der Steuereinrichtung (30) gekoppelt ist und dass die Anordnung so getroffen ist, dass der Motor abgeschaltet wird, wenn der Druck in der Leckage-Sammelleitung (22) einen vorbestimmten, oberhalb des genannten Mindestdrucks liegenden, Maximaldruck überschreitet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Überwachen von Betriebsparametern in einem Verbrennungsmotor, der eine Mehrzahl von Brennräumen und diesen zugeordnet je ein Kraftstoffeinspritzventil aufweist, wobei jedes Kraftstoffeinspritzventil einen Leckageanschluss zum Abführen von Leckagetreibstoff aufweist und die Leckageanschlüsse der Kraftstoffeinspritzventile mit einer Leckage-Sammelleitung in Verbindung sind, die über ein Gegenhalteventil, das zum Aufrechterhalten eines vorbestimmten Mindestdrucks in der Leckage-Sammelleitung vorgesehen ist, mit einem Behälter zum Aufnehmen des Leckagetreibstoffs in Verbindung ist, mit einer Steuereinrichtung, der Ausgangsgrößen von mindestens einem Sensor zugeführt sind.
  • Bei einem bekannten Verbrennungsmotor dieser Art dient der Gegenhaltedruck in der Leckage-Sammelleitung dazu, beispielsweise bei einer Anordnung mit geringem Gegenhaltedruck das Auslaufen der Leckageleitungen zu verhindern. Ein hoher Gegenhaltedruck von zum Beispiel 30 bar wird insbesondere bei der Verwendung von hydraulischen Kopplern benötigt, bei denen funktionsbedingt bei ihrer Betätigung Treibstoff aus einem Kopplerinnenraum austritt, der in den Pausen zwischen Einspritzvorgängen durch einen ausreichend großen Druck des den Koppler umgebenden Treibstoffs (Leckagetreibstoff) wieder aufgefüllt werden muss. Wenn der Druck in der Leckage-Sammelleitung sehr stark ansteigt, können hierdurch Einrichtungen des Motors beschädigt werden. Bekannte Verbrennungsmotoren weisen bereits eine zentrale Steuereinrichtung (ein elektronisches Steuergerät) auf, die zahlreiche Einflussgrößen und Motorzustände erfassen kann. Es sollen noch weitere Größen und Zustände erfasst werden können. Bei dem genannten Kraftstoffeinspritzventil mag es sich um einen Injektor handeln, wie er in Anlagen mit einem Hochdruckspeicher (z.B. mit einem Druck von 1600 bar) bekannt ist, oder z.B. um eine sogenannte Pumpe-Düse-Einheit (Unit Pump) zum Betrieb an einer Kraftstoffversorgung ohne Hochdruckspeicher, die den Druck durch eine eingebaute Kompressionseinrichtung auf den Einspritzdruck bringt.
  • Aus der DE 101 06 095 A1 ist ein Kraftstoffsystem zum Zuliefern von Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine bekannt. Es umfasst einen Vorratsbehälter und eine erste Kraftstoffpumpe, welche eingangsseitig mit dem Vorratsbehälter verbunden ist. Ferner ist eine zweite Kraftstoffpumpe vorgesehen, welche eingangsseitig mit der ersten Kraftstoffpumpe verbunden ist. Außerdem ist mindestens ein Einspritzventil vorgesehen, welches mit der zweiten Kraftstoffpumpe verbunden ist und Kraftstoff mindestens indirekt einem Brennraum zuführen kann. Zwischen der zweiten Kraftstoffpumpe und dem Vorratsbehälter ist eine Leckageleitung vorgesehen. Um einen sicheren Heißstart der Brennmaschine bei gleichzeitig geringer Belastung der Komponenten zu ermöglichen, ist in der Leckageleitung eine Ventileinrichtung mit parallel geschalteter Absperrfunktion und Druckbegrenzungsfunktion angeordnet.
  • Weiterhin ist aus der DE 199 31 282 C1 ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, das eine Hochdruckpumpe zur Förderung des Kraftstoffs aus einem Kraftstoffvorrat, eine Anzahl von Kraftstoffinjektoren zum Einspritzen der Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine und eine die Hochdruckpumpe mit den Kraftstoffinjektoren verbindende und einen Hochdruckspeicher enthaltende Kraftstoffhochdruckleitung aufweist. Weiterhin sind eine Kraftstoffrücklaufleitung zur Rückführung von durch die Kraftstoffinjektoren nicht eingespritztem Kraftstoff und eine Leckageleitung zur Rückführung von an den Kraftstoffinjektoren anfallenden Leckagemengen vorgesehen. Die Kraftstoffhochdruckleitung, die Kraftstoffrücklaufleitung und die Leckageleitung sind in einer gemeinsamen Kraftstoffleitung zusammengefasst, welche jeweils voneinander durch Wandungen getrennte Strömungsquerschnitte für jede der Leitungen aufweist.
    •
  • Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangsgenannten Art derart weiterzubilden, dass Abweichungen des Drucks in der Leckage-Sammelleitung von einem Sollwert oder einem Sollwertbereich erfasst werden und dadurch Schäden oder Fehlfunktionen vermieden werden bzw. rechtzeitig erkannt werden können.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Sensor zum Erfassen des Drucks in der Leckage-Sammelleitung vorgesehen und mit der Steuereinrichtung gekoppelt ist, und dass die Anordnung so getroffen ist, dass der Motor abgeschaltet wird, wenn der Druck in der Leckage-Sammelleitung einen vorbestimmten oberhalb des genannten Mindestdrucks liegenden Maximaldruck überschreitet.
  • Bei der Anordnung nach Anspruch 2 ist von Vorteil, dass bei einem geringfügigen Unterschreiten des Mindestdrucks der Hub des Piezo-Aktors durch eine Erhöhung von dessen Betriebsspannung vergrößert wird, so dass hierdurch ein unzureichender Füllungsgrad des Kopplervolumens innerhalb des Kopplers kompensiert werden kann. (Aktor = Aktuator = Betätiger.) Wenn allerdings der Druck in der Leckage-Sammelleitung zu klein ist, so dass eine sichere Funktion des Kopplers nicht zu erwarten ist, schaltet die Steuereinrichtung wahlweise den Motor ab. Auch ohne diese Maßnahme geht der Motor wahrscheinlich wegen fehlender oder zu schwacher Einspritzung aus. Zweckmäßig erfolgt bei zu kleinem Druck ein Eintrag in einen Fehlerspeicher, der in Anspruch 3 genannt ist.
  • Bei der Anordnung nach Anspruch 3 ist von Vorteil, dass Fehler und Begleitumstände für eine Analyse und Fehlerbehebung gespeichert werden können.
  • Bei der Anordnung nach Anspruch 4 ist von Vorteil, dass ein zu schnelles Absinken des Drucks in der Leckage-Sammelleitung, was auf ein Leck hindeutet, erkannt wird und dem Fahrer angezeigt wird und / oder in einem für Wartungszwecke auslesbaren Speicher gespeichert wird.
    •
  • Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung zum Überwachen von Betriebsparametern ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Beispiel eines Verbrennungsmotors mit einer Einspritzanlage und mit einer Steuereinrichtung, und
  • 2 die wesentlichen Komponenten eines Kraftstoffeinspritzventils der Einspritzanlage mit einem hydraulischen Koppler und einem Antrieb mittels Piezo-Aktor.
  • 1 zeigt die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Teile einer Verbrennungskraftmaschine, nämlich die wichtigsten Teile der Einspritzanlage 1 sowie eine für die Funktion der Einspritzanlage und den Betrieb der Verbrennungskraftanlage (nachfolgend Motor genannt) dienende elektronische Steuereinrichtung 30. Die Anordnung weist mehrere Kraftstoffeinspritzventile 10 auf, die im Beispiel Injektoren sind. Sie spritzen im Betrieb Kraftstoff in angedeutete Brennräume 11 des Motors ein. Bei dem Motor handelt es sich im Beispiel um einen Dieselmotor, im Beispiel mit sechs Zylindern mit je einem Kraftstoffeinspritzventil. Der Motor ist in ein Fahrzeug (im Beispiel ein Personenkraftwagen) eingebaut. Jedes Kraftstoffeinspritzventil wird über eine Hochdruckleitung 12 aus einem Druckspeicher 14, der aus einem Kraftstofftank 15 mittels Pumpen 16 und 17 mit Treibstoff unter hohem Druck versorgt wird, gespeist. Beim Betrieb der Kraftstoffeinspritzventile fällt eine Treibstoffmenge an, die nicht für die Einspritzung in den Brennraum des Motors zur Verfügung steht. Diese Treibstoffmenge, hier vereinfachend als Leckage oder Steuermenge bezeichnet, wird bei jedem Kraftstoffeinspritzventil 10 über eine Leckageleitung 20 in eine Sammel-Leckageleitung 22 eingespeist. Von dort gelangt die Leckage über ein Gegenhalteventil 24 zurück in den Treibstofftank 15. Das Gegenhalteventil 24 sorgt im Beispiel dafür, dass in der Leckage-Sammelleitung 22 ein Druck von mindestens 30 bar aufrecht erhalten wird. Das Gegendruckhalteventil 24 ist so ausgebildet, dass es dafür sorgt, dass bei dessen störungsfreiem Betrieb und bei nicht gestörtem Abfluss von diesem zum Treibstofftank der genannte Druck von 30 bar nicht wesentlich überschritten oder unterschritten wird.
  • Zum ordnungsgemäßen Betrieb des gesamten Motors ist eine elektronische Steuereinrichtung 30 vorgesehen, der von verschiedenen Sensoren 31 bis 37 Messgrößen über die Drehzahl der Kurbelwelle, die jeweilige Phase des Motors (Stellung der Nockenwelle), die Fahrpedalstellung, den Ladendruck, die Lufttemperatur, die Kühlwassertemperatur und die pro Zeiteinheit angesaugte Luftmasse zugeführt werden. Unter Verwendung dieser Messgrößen steuert die Steuereinrichtung 30 verschiedene Einrichtungen des Motors derart, dass gewünschte Laufeigenschaften des Motors bzw. Fahreigenschaften des Fahrzeugs erreicht werden, insbesondere im Hinblick auf ökonomische Kraftstoffausnutzung und die weitest mögliche Reduzierung von Schadstoffen in den Abgasen. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist ein weiterer Sensor vorgesehen, und zwar ist an die Leckage-Sammelleitung 22 ein Leckage-Drucksensor 40 angeschlossen, dessen Ausgangssignal ebenfalls der Steuereinrichtung 30 zugeführt ist. Die Steuereinrichtung 30 ist derart ausgebildet, dass sie auch den von dem Sensor 40 gemessenen Druck auswertet.
  • Wie 2 zeigt, weisen die Kraftstoffeinspritzventile 10 jeweils einen hubgesteuerten Ventilkolben 60 auf, der in bekannter Weise in seiner Bewegung durch den Druck in einer Steuerkammer 62 gesteuert wird. Wird der genannte Druck ausreichend stark dadurch verringert, dass ein Steuerventil 64 geöffnet wird, so öffnet der Ventilkolben 60 und bewirkt über Einspritzöffnungen 65 einen Einspritzvorgang von Treibstoff in den Brennraum 11 des zugeordneten Zylinders. Das Steuerventil 64 wird im Beispiel von einem Piezo-Aktor 66 unter Zwischenschaltung eines hydraulischen Kopplers 67 betätigt. Der Koppler 67 weist in herkömmlicher Weise zwei Kolben 68, 69 auf, von denen der eine Kolben 68 von dem Piezo-Aktor 66 beaufschlagt wird und den anderen Kolben 69 antreibt, der wiederum das Steuerventil 64 betätigt. Eine Kammer 70 an der Niederdruckseite des Steuerventils 64 steht über einen Leckagekanal im Inneren des Injektors und über diesen mit der zugeordneten Leckageleitung 20 in Verbindung. Für die sichere Funktion des Kopplers 67 ist es erforderlich, dass die einander abgewandten Enden eines Kopplergehäuses dort, wo die Kolben 68, 69 das Kopplergehäuse verlassen, mit Kraftstoff unter ausreichend hohem Druck umgeben sind, der dafür sorgt, dass das Innere des Kopplers 67 immer mit Kraftstoff gefüllt ist. Dieser ausreichend hohe Druck von im Beispiel 30 bar gegenüber dem Umgebungsdruck wird durch das Gegenhalteventil 24 bereitgestellt, denn der Koppler 67 befindet sich an einer Stelle, die mit Leckage-Treibstoff des Kraftstoffeinspritzventils gefüllt ist. Wegen der Nähe des Piezo-Aktors 66 zu dem Koppler 67 ist nicht auszuschließen, dass Leckage-Treibstoff in den Bereich des Piezo-Aktors 66 gelangt. Würde wegen eines Versagens des Gegenhalteventils 24 oder eines Strömungshindernisses in der Leckage-Sammelleitung 22 vom Gegendruckhalteventil 24 zum Kraftstofftank 15 der Druck in der Leckage-Sammelleitung 22 und daher auch in den Leckageleitungen 20 der einzelnen Kraftstoffeinspritzventile 10 erheblich über den genannten Druck von 30 bar ansteigen, könnten die Piezo-Aktoren, die bei gewissen Konstruktionen aus einer vielschichtigen zerbrechlichen Keramik aufgebaut sind, beschädigt werden.
  • Die Steuereinrichtung 30 ist derart ausgebildet, dass sie das Anwachsen des Drucks in der Leckage-Sammelleitung 22 mittels des Sensors 40 daraufhin überwacht, ob ein unzulässig hoher Druck, der im Beispiel 100 bar betragen mag, erreicht wird, und in einem derartigen Fall den Motor abgeschaltet. Beim Ausführungsbeispiel ist in vorteilhafter Weise dafür gesorgt, dass bei einem noch unterhalb dieses gefährlichen Drucks liegenden Druck von im Beispiel 80 bar eine Warnmeldung durch die Steuereinrichtung 30 erzeugt wird und dem Fahrer des Fahrzeugs angezeigt wird.
  • Die Steuereinrichtung 30 führt im Beispiel noch folgende Überwachungen und Steuerungsmaßnahmen durch:
    Beim Start des Motors wird die den Druckspeicher 14 aufladende Hochdruckpumpe (Pumpe 17) durch den Anlasser des Motors angetrieben und dadurch erhöht sich der Druck des Treibstoffs in den Druckleitungen 12 zu den Kraftstoffeinspritzventilen 10. Dabei werden die hydraulischen Koppler 67 mit dem Druck von 30 bar gefüllt und in einen betriebsbereiten Zustand versetzt. Für sehr genaue, reproduzierbare Einspritzungen ist es möglich, die Anordnung so auszugestalten, dass die ersten Ansteuerungen der Koppler von den Piezo-Aktoren her mit einer so kleinen Ansteuerdauer ausgeführt werden, dass eine Einspritzung nicht erfolgt, bis der gewünschte Druck erreicht ist. Die Anzahl der Ansteuerungen, die vorgenommen worden sind, bis der gewünschte Druck erreicht ist, wird bei einer Ausführungsform festgestellt und daraufhin überprüft, ob das Befüllen der Koppler ausreichend schnell erfolgt ist.
  • Im laufenden Betrieb muss immer überprüft werden, ob der Leckagedruck kleiner als die oben erwähnte Druckschwelle ist, bei deren Überschreitung eine Zerstörung des Piezo-Aktors erfolgen könnte. Ist der Druck zu hoch, so sorgt die Steuereinrichtung 30 dafür, dass die Piezo-Aktoren nicht mehr angesteuert werden, und der Motor wird abgestellt. Unmittelbar vor einer Einspritzung (elektrische Ansteuerung des Piezo-Aktors) wird geprüft, ob der Befüllungsdruck (Druck in der Leckage-Sammelleitung 22) mindestens 30 bar beträgt. Ist der Befüllungsdruck niedrigerer, so kann dies durch eine höhere Aktorspannung kompensiert werden. Die damit verschlechterte Gesamtenergiebilanz (wegen des höheren Bedarfs des Aktors an elektrischer Energie und damit steigenden Verlusten) wird durch die Steuereinrichtung 30 dadurch berücksichtigt, dass solche Einspritzungen unterdrückt werden, die niedrige Priorität haben, wie z.B. eine Voreinspritzung, die zur Geräuschminderung dient. Wenn der Befüllungsdruck unter eine kritische Schwelle sinkt, dann erfolgt keine Ansteuerung durch die Piezo-Aktoren mehr und der Motor wird abgestellt.
  • Im Nachlauf (Zeitspanne, während der die Steuereinrichtung in Betrieb bleibt, nachdem der Motor abgeschaltet wurde und stillsteht) wird geprüft, ob der Leckagedruck innerhalb einer bestimmten Zeit nicht unter einen vorbestimmten Druck fällt. Auf diese Weise wird festgestellt, ob der Pfad für die Leckage unzulässige Lecks hat.
  • Die Steuereinrichtung 30 speichert Messdaten über Unregelmäßigkeiten, die bei den geschilderten Überprüfungen erkannt wurden, in einer Weise, dass diese bei einem Werkstattaufenthalt abgefragt werden können.

Claims (4)

  1. Anordnung zum Überwachen von Betriebsparametern in einem Verbrennungsmotor, der eine Mehrzahl von Brennräumen (11) und diesen zugeordnet je ein Kraftstoffeinspritzventil (10) aufweist, wobei jedes Kraftstoffeinspritzventil (10) einen Leckageanschluss zum Abführen von Leckagetreibstoff aufweist und die Leckageanschlüsse der Kraftstoffeinspritzventile mit einer Leckage-Sammelleitung (22) in Verbindung sind, die über ein Gegenhalteventil (24), das zum Aufrechterhalten eines vorbestimmten Mindestdrucks in der Leckage-Sammelleitung (22) vorgesehen ist, mit einem Behälter zum Aufnehmen des Leckagetreibstoffs in Verbindung ist, mit einer Steuereinrichtung (30), der Ausgangsgrößen von mindestens einem Sensor zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (40) zum Erfassen des Drucks in der Leckage-Sammelleitung (22) vorgesehen und mit der Steuereinrichtung (30) gekoppelt ist, und dass die Anordnung so getroffen ist, dass der Motor abgeschaltet wird, wenn der Druck in der Leckage-Sammelleitung (22) einen vorbestimmten oberhalb des genannten Mindestdrucks liegenden Maximaldruck überschreitet.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Kraftstoffeinspritzventile (10) jeweils einen durch eine elektrische Betriebsspannung gespeisten Piezo-Aktor (66) aufweisen, der bei Betrieb über einen hydraulischen Koppler (67) ein Steuerventil (64) öffnet, das den Druck innerhalb einer Steuerkammer (62) zum Öffnen der Einspritzdüse des Kraftstoffeinspritzventils absenkt, wobei ein Innenraum des Kopplers in Pausen zwischen Einspritzvorgängen durch den mindestens den Mindestdruck aufweisenden Leckagetreibstoff aufgefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zusätzlich dazu ausgebildet ist, festzustellen, ob bei laufendem Motor der Mindestdruck erreicht ist und, falls dies nicht zutrifft, aber ein unterhalb des Mindestdrucks liegender Abschaltdruck nicht unterschritten ist, die Betriebsspannung des Piezo-Aktors zwecks Vergrößerung von dessen Hub zu erhöhen, und beim Unterschreiten des Abschaltdrucks den Motor wahlweise abzuschalten.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichervorrichtung zum Speichern von Fehlermeldungen und wahlweise von zugeordneten Betriebszuständen vorgesehen ist.
  4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar nach einem Abschalten des Motors die Steuereinrichtung (30) für eine vorbestimmte Zeit in Betrieb bleibt und überwacht, ob der Druck in der Leckage-Sammelleitung (22) unter einen vorbestimmten Druck abfällt und, falls dies zutrifft, eine Fehlermeldung erzeugt, die gespeichert und / oder angezeigt wird.
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