用于识别内燃机燃料系统故障的方法和评估单元与流程

1.本发明涉及一种用于内燃机的燃料系统。尤其是本发明涉及一种用于识别燃料系统故障或缺陷的方法和相应的装置或评估单元。


背景技术：

2.具有内燃机的车辆包括用于为内燃机供应燃料、尤其是汽油或柴油的燃料系统。为了识别和/或定位车辆燃料系统的故障，通常向燃料系统中进行主动干预，但这大多不能在车辆使用运行期间进行。


技术实现要素：

3.本文涉及的技术任务在于，在内燃机的使用运行期间能实现有效且可靠地识别和/或定位燃料系统故障。
4.所述任务通过每个独立权利要求来解决。此外，有利的实施方式在从属权利要求中被描述。应指出，独立权利要求的从属权利要求的附加特征在没有独立权利要求的特征或仅与独立权利要求的部分特征组合的情况下可构成独立于独立权利要求的所有特征的组合的独立发明，其可以是独立权利要求、分案申请或后续申请的技术方案。这同样适用于说明书中描述的技术教导，其可形成独立于独立权利要求的特征的发明。
5.根据一个方面，描述了一种用于燃料系统的评估单元或装置。燃料系统构造用于为内燃机的运行提供燃料(尤其是液体燃料、如汽油或柴油)。燃料系统包括燃料泵，该燃料泵构造用于将燃料输送到燃料储存器中。在此，燃料储存器中的燃料可具有相对高的物理压力(如100巴或更高、200巴或更高、或300巴或更高、或1000巴或更高的压力)。尤其是在用于柴油燃料的内燃机中可使用1000巴或更高或3000巴或更高(约3500巴)的物理压力。另一方面，必要时燃料系统可在低压(nd)区域内运行。在此情况下，燃料储存器中的物理压力可位于1巴和10巴之间。
6.此外，燃料系统包括一个或多个喷嘴，其构造用于将燃料从燃料储存器输送到内燃机的一个或多个气缸中。换句话说，所述一个或多个喷嘴可构造用于将燃料从燃料储存器输送到内燃机的一个或多个气缸的工作混合物(尤其是燃料
‑
空气混合物)。在此，燃料系统可对于内燃机的每个气缸具有正好一个或至少一个相应的喷嘴。例如用于4、6或8气缸内燃机的燃料系统可具有4、6或8个喷嘴。
7.燃料系统因此可具有一个或多个流入部件(如一个或多个泵和/或阀)，燃料经由这些流入部件被供应到燃料储存器。此外，燃料系统可具有一个或多个流出部件(尤其是一个或多个喷嘴)，通过这些流出部件将燃料从燃料储存器排出。通过所描述的评估单元可基于用于控制各个部件的控制数据来平衡和监测燃料储存器的燃料体积的(尤其是所有)流入和流出。
8.可根据内燃机曲轴的角度选择性地打开或激活喷嘴，以便将燃料输送到相应的气缸中。此外，燃料泵可在各个喷嘴的打开或激活阶段之间运行，以便用燃料重新填充用于喷
嘴的共同的燃料储存器。因此，各一个喷嘴和燃料泵可交替运行，以便交替地从燃料储存器排出燃料或将燃料输送到燃料储存器中。在一个周期中(例如曲轴的一转或多转)，燃料系统的n个喷嘴在此可被分别激活一次并且燃料泵可激活n次，在此例如n＝2、3、4、6、8或更多。例如在四冲程内燃机中，一个周期可包括曲轴的两转(并且因此总角度范围为720
°
)。一个周期尤其是可包括或相应于内燃机所有气缸的进气、压缩、膨胀(做功)和排气的一个完整循环。
9.评估单元构造用于，在燃料系统运行期间在采样时间点或特定曲轴角度确定与燃料储存器中的物理压力相关的压力数据。压力数据可借助燃料储存器的压力传感器来检测。可在多个彼此相继的采样时间点或针对多个曲轴角度来重复确定压力数据。在此，一个周期(如曲轴的一转或多转)可分为100或更多、500或更多、或1000或更多采样或角度间隔。通过重复检测和评估压力数据可在多个彼此相继的采样时间点或多个不同的曲轴角度监测燃料系统。
10.此外，评估单元可构造用于，基于压力数据在采样时间点(或在多个采样时间点)确定燃料储存器中的实际压力变化。在此，实际压力变化可确定为当前采样时间点的测量压力与(直接)之前采样时间点的测量压力之间的差值。
11.此外，评估单元构造用于，确定参考压力变化并且在必要时将实际压力变化与参考压力变化进行比较。在此，参考压力变化可基于燃料系统的参考模型确定或可取决于燃料系统的参考模型。参考模型可取决于燃料泵的一个或多个特性(尤其是流量)和/或所述一个或多个喷嘴的一个或多个特性(尤其是流量)。此外，参考模型可取决于燃料的可压缩性特性。尤其是参考模型可构造用于，显示燃料储存器中的当燃料系统根据参考模型运行时可预期的物理压力变化。换句话说，参考模型可构造用于，预测在燃料储存器中的在采样时间点可预期的物理压力变化。
12.此外，评估单元构造用于，基于压力数据和基于(可预期的)参考压力变化来检测燃料系统的缺陷和/或故障。此外，可考虑在(直接)之前的采样时间点检测到的物理压力，以便检测燃料系统的缺陷和/或故障。尤其是可将由采样时间点的(预期)参考压力变化产生的压力与压力数据中显示的压力进行比较。然后可基于比较来检测燃料系统的缺陷和/或故障。尤其是可基于由压力数据产生的实际压力变化与计算出的参考压力变化的比较以可靠且有效的方式检测燃料系统或燃料系统部件(尤其是燃料泵和/或喷嘴)偏离正常运行的(故障)运行。
13.用于确定参考压力变化的参考模型可包括一个或多个模型参数。所述一个或多个模型参数在此可取决于燃料泵和/或所述一个或多个喷嘴的燃料的流率和/或通流体积。尤其是所述一个或多个模型参数可包括至少一个模型参数，其显示在采样时间点(即在两个直接彼此相继的采样时间点之间的时间间隔中)燃料泵的燃料的实际通流体积。替代或附加地，所述一个或多个模型参数可包括至少一个模型参数，其显示在采样时间点(即在两个直接彼此相继的采样时间点之间的时间间隔中)所述一个或多个喷嘴中的特定喷嘴的燃料的实际通流体积。
14.评估单元可构造用于，确定所述一个或多个模型参数的调整的参数值，以减少借助参考模型确定的参考压力变化与由压力数据显示的实际压力变化的偏差或减少借助参考模型确定的参考压力与由压力数据显示的实际压力的偏差。
15.换句话说，基于测得的压力数据并且基于基于模型的参考压力变化可确定偏差，该偏差可减小或最小化，以便确定所述一个或多个模型参数的调整的参数值。在此例如可确定实际压力和参考压力并将它们相减。以相应的方式可确定实际压力变化和参考压力变化并将它们相减。
16.因此，可这样确定所述一个或多个模型参数的调整的参数值，使得参考压力变化与实际压力变化之间的偏差(或参考压力与实际压力之间的偏差)减小、尤其是最小化。因此，具有所述一个或多个模型参数的调整的参数值的参考模型可描述或建模燃料系统的实际特性(在此燃料系统的实际特性在存在缺陷或故障时可偏离燃料系统的目标特性)。
17.此外，评估单元可构造用于，基于所述一个或多个模型参数的调整的参数值来检测燃料系统的缺陷或故障。通过确定所述一个或多个模型参数的调整的参数值可以以特别可靠的方式识别缺陷或故障。
18.评估单元可构造用于，将所述一个或多个模型参数的调整的参数值与所述一个或多个模型参数的初始参数值进行比较。在此，具有所述一个或多个模型参数的初始参数值的参考模型可描述或建模燃料系统的目标特性和/或无故障特性。尤其是所述一个或多个模型参数的初始参数值在此可在无故障的燃料系统上(例如在燃料系统调试期间或之前)校准和/或测量或确定。然后可基于调整的参数值与初始参数值的比较以特别可靠的方式检测燃料系统的缺陷或故障。
19.尤其是评估单元可构造用于，确定调整的参数值是否偏离初始参数值超过最小偏差。在此，最小偏差可取决于燃料系统的制造公差。如果确定调整的参数值与初始参数值的偏差超过最小偏差，则可(必要时仅在那时)检测到燃料系统的缺陷或故障。通过考虑最小偏差，可进一步提高故障识别的可靠性。
20.评估单元可构造用于，借助模式识别算法来分析所述一个或多个模型参数的调整的参数值，尤其是为了从多个不同的缺陷类型中确定燃料系统的缺陷类型。所述多个不同的缺陷类型例如可包括燃料泵的缺陷和/或所述一个或多个喷嘴中的特定喷嘴的缺陷。此外，缺陷类型还可显示燃料系统的相应部件(如燃料泵或喷嘴)的流量是过高还是过低。替代或附加地，缺陷类型可显示是否存在用于检测压力数据的压力传感器的系统测量误差。模式识别算法可预先通过机器学习方法来学习。使用模式识别算法能够实现特别可靠地识别燃料系统的故障特性。
21.评估单元可构造用于，在一系列时间点确定相应的一系列所述一个或多个模型参数的调整的参数值。换句话说，所述一个或多个模型参数的调整的参数值的发展可确定为时间的函数。然后，可基于所述一个或多个模型参数的调整的参数值的时间顺序来预测：调整的参数值是否以及必要时在什么时间点可预期将偏离初始参数值超过最小偏差。换句话说，可基于所述一个或多个模型参数的调整的参数值的时间顺序来预测燃料系统未来的故障特性(甚至在这种故障特性出现之前)。
22.根据另一方面，描述了一种燃料系统，其包括本文中描述的评估单元。燃料系统可与内燃机(如固定运行的内燃机或(陆地、水上和/或空中)车辆的内燃机)结合使用。
23.根据另一方面，描述了一种(道路)机动车(尤其是轿车或卡车或公共汽车或摩托车)，其包括本文中描述的评估单元或本文中描述的燃料系统。
24.根据另一方面，描述了一种用于监测具有燃料储存器的燃料系统的方法。该方法
包括在燃料系统运行期间在采样时间点确定与燃料储存器中的物理压力相关的压力数据。该方法还包括基于用于对燃料储存器中的物理压力建模的参考模型来确定在采样时间点在燃料储存器中的参考压力变化。此外，该方法包括基于压力数据和基于参考压力变化来检测燃料系统的缺陷。
25.根据另一方面，描述了一种软件(sw)程序。软件程序可构造用于在处理器(例如在车辆的控制器上)上执行，以便由此执行本文中描述的方法。
26.根据另一方面，描述了一种存储介质。存储介质可包括软件程序，该软件程序构造用于在处理器上执行，并且构造用于由此执行本文中描述的方法。
27.应指出，本文中所描述的方法、装置和系统不仅可单独，而且也可结合其它本文中所描述的方法、装置和系统来使用。另外，本文中所描述的方法、装置和系统的任何方面可以多种方式相互组合。尤其是权利要求的特征可以多种方式相互组合。
附图说明
28.下面参考实施例详细阐述本发明。附图如下：
29.图1示出用于内燃机的示例性燃料系统；
30.图2a和2b示出燃料系统的燃料储存器中物理压力的示例性(时间和/或角度)曲线；和
31.图3和4示出用于识别燃料系统故障的示例性方法的流程图。
具体实施方式
32.如开头所述，本文涉及在燃料系统使用运行期间有效且可靠地识别燃料系统中的故障。在这方面，图1示出具有低压区域和高压区域的示例性燃料系统100。应指出，本文中描述的方面也可应用于仅具有低压区域的燃料系统100，在其中燃料直接从低压区域喷射到内燃机中。
33.图1所示的系统100包括低压区域中的燃料箱101，燃料110从该燃料箱通过泵103经由过滤器102被泵入高压区域中。高压区域包括燃料泵105，燃料110可通过该燃料泵重复地被泵入燃料储存器108中。高压区域可通过阀104与低压区域分离。此外，止回阀106可禁止燃料110从燃料储存器108向燃料箱101方向回流。
34.燃料系统100通常包括用于内燃机多个气缸的多个喷射器或喷嘴109。各个喷嘴109构造用于，将燃料110从共同的燃料储存器108喷射到相应气缸中。此外，燃料系统100通常包括压力传感器107，该压力传感器构造用于检测与燃料储存器108中的物理压力相关的传感器数据(在本文中也称为压力数据)。
35.因此，图1示出具有低压(nd)燃料供应和高压(hd)喷射系统的直接喷射系统100。即使hd喷射系统中相对小的缺陷也会对内燃机的性能、排放特性和/或运行特性产生相对大的影响并因此影响车辆的行驶特性。hd喷射系统的部件在此至少部分地具有与多个功能的相对高的集成度以及具有相对高的部件成本。此外，hd喷射系统通常仅具有相对少的传感器、如仅一个所谓的轨道压力传感器107，其用于测量喷射系统中的高压。用于控制、调节和/或诊断hd喷射系统的hd喷射系统的其它物理量主要是建模或计算出的。
36.重要的控制系统、如内燃机的拉姆达控制、燃烧控制和/或扭矩控制通常与喷射相
互作用。
37.基于相对少数量的传感器值以及基于与其它控制系统的交互，hd喷射故障的诊断通常相对困难。尤其是，诊断大多要求对hd喷射进行主动干预，这只能在维护期间进行，而不能在燃料系统100使用运行期间进行。由此又不利地影响诊断的准确性，因为诊断通常只能在内燃机的空转运行中进行。此外，维护期间的诊断大多是针对故障信息或针对燃料系统100用户的投诉而进行的，因此不能实现预测性维护。此外，维护期间的专门诊断大多与相对高的成本相关。
38.图2a示出作为内燃机曲轴角度201的函数的燃料系统100的燃料储存器108中的物理压力202的示例性曲线203。在所示示例中，内燃机具有四个气缸，它们分别在专用角度范围203内被供应燃料110。气缸角度范围203中的竖直实线221表示激活或打开气缸喷嘴109以便将燃料110从燃料储存器108喷射到气缸中的角度201。因此，燃料储存器108中的压力202下降。虚线222表示气缸喷嘴109再次被停用或关闭的角度201，从而此后燃料储存器108中的压力202基本上保持恒定在减小的(第二)水平232。
39.此外，图2a示出气缸角度区域203中的、处于角度201的另一竖直实线211，在该角度时，燃料泵105被激活以便将新燃料110泵送到燃料储存器108中。因此，燃料储存器108中的物理压力202再次上升到增加的(第一)水平231。虚线212表示燃料泵105再次停用的角度201。
40.因此，在一个周期中，燃料系统100的n个喷嘴109之一分别和燃料泵105交替运行，使得压力202周期性地降低或升高。应指出，燃料泵105的激活和喷射器喷射之间的其它顺序也是可能的。尤其是，每转的泵输送冲程数可不同于每转的喷射器喷射数。必要时，燃料添加(通过泵105)和燃料排放(通过至少一个喷射器109)可同时进行。
41.从图2a可以看出，在燃料泵105和各个喷嘴109交替运行的示例中，在无故障的燃料系统100中燃料储存器108中的压力202在相对高的第一水平231和相对低的第二水平232之间波动。在此，燃料泵105的重复运行导致正差值233的定义的压力增加。另一方面，喷嘴109的运行导致负差值233的定义的压力下降。换句话说，在燃料泵105和喷射器109的重复运行中，可以计算在固定负载点内测量压力202的恒定上升或下降。差值(即压力变化)233可用于识别和/或定位燃料系统100的故障。
42.图2b示出在喷嘴109有缺陷的情况下，燃料储存器108中物理压力202的示例性曲线203，该喷嘴具有过高的燃料流量。从压力曲线203可以看出，n个喷嘴109中的一个喷嘴109的压力下降具有相对高的差值234，该差值超过目标差值233。从过高的压力下降可以推断出发生过高压力下降的角度范围203的喷嘴109的故障。
43.因此，通过监测燃料储存器108中物理压力202的曲线203可实现被动的、观察性的诊断，该诊断可在使用运行中使用并且对燃料系统100的运行没有影响。尤其是可根据相应的当前运行点或当前曲轴角度201来评估燃料储存器108中的压力升高和/或压力下降。借助参考模型可确定压力202的参考升高和/或参考下降。在此可考虑可预期输送的燃料体积的可压缩性方程。然后可将参考升高或参考下降与分别测量的压力升高或压力下降进行比较，尤其是为了检测实际压力差或实际压力变化234与目标压力差或目标压力变化233之间的偏差。因此可以以可靠的方式检测并且必要时定位燃料系统100的故障。
44.图3示出用于识别燃料系统100故障的示例性方法300的流程图。方法300可由燃料
系统100的评估单元111执行。在特定采样时间点或在特定曲轴角度201，可借助压力传感器107测量压力202(步骤301)，以提供实际压力值311(其中α是当前曲轴角度201)。此外，可基于参考模型提供目标压力值318。由此可计算差值δp
rail
(α)319(步骤309)，即作为
45.可调整用于确定目标压力值318的参考模型，以减小、尤其是最小化差值319(步骤302)。尤其是可调整参考模型的一个或多个参数，以减小或最小化差值319。参考模型的调整在此可如图3所示迭代地进行。可基于燃料阀104或燃料泵105的一条或多条特性曲线对输送到燃料储存器108中的燃料110体积进行建模。此外，可基于所述一个或多个喷嘴109的一条或多条特性曲线对从燃料储存器108排出的燃料110体积进行建模。因此，可在时间间隔或角度间隔内确定(步骤307)燃料储存器108中的燃料110的体积变化dv。由此产生的压力变化dp可通过可压缩性方程(步骤308)来确定，其中，v
rail
是燃料储存器108的体积，并且k是燃料110的压缩模量(可假设为常数)。然后可从压力变化dp和目标压力值或先前时间点或先前角度值的实际压力值确定当前目标或参考压力值318。
46.可调整参考模型的一个或多个模型参数，尤其是与用于确定燃料阀104和/或燃料泵105或喷嘴109的流量的一条或多条特性曲线相关的一个或多个模型参数，以减小、尤其是最小化压差319。当达到终止标准时(步骤303)，可提供所述一个或多个模型参数的新的或调整的参数值集313。可将新的或调整的参数集ps
final 313与原始或初始参数集ps
ini 317进行比较(步骤304)，以计算参数偏差δps 314，即尤其是作为ps
ini
‑
ps
final
＝δps。
47.然后可检查(步骤305)参数偏差δps 314是否超过特定偏差阈值。如果未超过偏差阈值，则可假定燃料系统100无故障。另一方面，如果超过偏差阈值，则可假定故障。此外，例如可借助模式识别来评估新的或调整的参数集ps
final 313和/或参数偏差δps 314(步骤306)，以获得与故障类型和/或故障部件(如燃料阀104、燃料泵105和/或特定喷嘴109)相关的信息。
48.因此，可进行参考模型参数的在线优化，以便从初始参数集317开始减小或最小化实际压力值311和目标压力值之间的偏差319。优化的或调节的或调整的参数值313可与初始参数集317进行比较并且用作用于偏差识别的误差矩阵。在超过最大允许偏差时，其中最大允许偏差例如考虑构件公差或取决于构件公差，则可参考预定义的故障类型(例如借助模式识别)进行诊断，以识别燃料系统100的故障。
49.示例性模型参数是：
50.‑
在一个时间间隔或一个角度间隔内流经喷嘴109的燃料110体积δv；该体积在此可随时间间隔或角度间隔而变化；和/或
51.‑
在一个时间间隔内或在一个角度间隔内(例如每个角度范围203)通过燃料泵105泵送的燃料110体积δv；该体积可随时间间隔或角度间隔而变化；和/或
52.‑
偏移值δp，它必须应用于借助参考模型确定的压力曲线，以使借助参考模型确
定的压力曲线与测量的实际压力曲线203相一致。每个时间间隔的偏移值δp在此通常是恒定的。偏移值δp可指示压力传感器107的故障(尤其是压力传感器107的系统误差)。
53.图4示出用于监测内燃机燃料系统100的示例性方法400的流程图。方法400可由燃料系统100的评估单元111(尤其是由控制器)执行。燃料系统100包括燃料泵105，其构造用于将燃料110(尤其是液体燃料110、如汽油或柴油)输送到燃料储存器108中(尤其是所谓的“共轨”中)。此外，燃料系统100包括一个或多个喷嘴109，其构造用于将燃料110从(共同的)燃料储存器108输送到内燃机的一个或多个气缸中。通常，燃料系统100包括n＝1、2、3、4、5、6、8、10或12个喷嘴109(用于相应的1、2、3、4、5、6、8、10或12个气缸)。
54.方法400包括在燃料系统100运行期间在采样时间点确定401与燃料储存器108中的物理压力202相关的压力数据。压力数据可借助压力传感器107检测。在此可在大量彼此相继的采样时间点(或大量不同曲轴角度201)检测压力数据。换句话说，方法400可在大量彼此相继的采样时间点或曲轴角度201重复，以实现对燃料系统100的准连续监测。在此可将整个曲轴角度范围划分为100、500、1000或更多采样点或曲轴角度201。
55.方法400还可包括基于压力数据来确定在采样时间点燃料储存器108中的实际压力变化。在此可通过将当前采样时间点的压力202与先前采样时间点的压力202进行比较(尤其是通过求差)来确定实际压力变化。
56.此外，方法400包括确定402在采样时间点的或在先前采样时间点和当前采样时间点之间时间间隔内的参考压力变化318。参考压力变化318在此可借助燃料系统100的参考模型来确定。此外，可在方法400的范围内将实际压力变化与参考压力变化318进行比较。然后可确定实际压力变化和参考压力变化318之间的偏差319。
57.此外，方法400包括基于压力数据和基于参考压力变化318检测403燃料系统100的缺陷或故障。尤其是可基于在实际压力变化和参考压力变化318之间(或在实际压力311和目标或参考压力之间)的比较或偏差319来检测燃料系统100的缺陷或故障。
58.通过本文中描述的措施能够在使用运行中对燃料系统100的hd系统和/或nd系统进行可靠的诊断。所描述的诊断模型基于hd或nd系统的部件105、109的控制时间(尤其是用于打开和关闭部件105、109)并且因此与其它控制器没有交叉影响。所描述的措施能够实现基于燃料储存器108中的压力202曲线203来识别和区分燃料系统100单个部件105、109的故障类型。此外，甚至在故障导致内燃机运行受损之前就可预测性识别即将发生的故障。此外，所描述的措施可以以有效的方式实现为软件(无需使用附加的硬件)。
59.为了预测性识别即将发生的故障，可沿着燃料系统100的运行时间(例如作为车辆内燃机里程数的函数)确定燃料系统100的参考模型的所述一个或多个模型参数的调整的参数值。然后，可基于所述一个或多个模型参数的调整的参数值随时间的发展提取或预测所述一个或多个模型参数的调整的参数值的发展趋势。尤其是可预测所述一个或多个模型参数的调整的参数值是否以及必要时何时会偏离初始参数值超过最小偏差。因此可预测燃料系统100中即将发生的故障(甚至在故障发生之前)。
60.本发明不限于所示的实施例。尤其是应注意，说明书和附图仅旨在说明所提出的方法、装置和系统的原理。