Verfahren zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit einer zur Förderung eines Fluids ausgelegten Pumpe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit einer zur Förderung eines Fluids ausgelegten Pumpe, insbesondere einer

Hochdruckpumpe eines Common- Rail-Einspritzsystems einer

Brennkraftmaschine.

Stand der Technik

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 10 2009 045 369 AI bekannt. Dieses Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit einer Pumpe in Form einer Hochdruckpumpe einer Brennkraftmaschine, die mit einem Common-Rail- Einspritzsystem ausgestattet ist, sieht vor, dass ein Startvorgang der

Brennkraftmaschine eingeleitet wird, bei dem jedoch keine Einspritzung von Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine erfolgt. Während dieses Startvorgangs wird der Druck in einem Hochdruckspeicher des Common-Rail- Einspritzsystems gemessen und basierend auf dem gemessenen Druck wird die Funktionsfähigkeit der Hochdruckpumpe überprüft. Beispielsweise soll durch dieses Prüfverfahren ermittelt werden, ob eine Leckage in dem Hochdruckkreis des Common- Rail-Einspritzsystems vorliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überprüfen einer Pumpe anzugeben, mit dem die Zuverlässigkeit der Pumpe beziehungsweise eines die Pumpe beinhaltenden Systems verbessert wird.

Offenbarung der Erfindung Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Pumpe während des Betriebs sensorisch dahingehend überprüft wird, ob ein Betriebszustand vorliegt, der eine Schädigung der Pumpe hervorrufen kann. Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Einsatz einer derartigen Pumpe vermehrt

schädigungsrelevante Betriebsrandbedingungen auftreten können, die zu einem Schaden der Pumpe führen können. Derartige Einflüsse führen häufig nicht direkt zu einem sofortigen Ausfall der Pumpe, vielmehr besteht die Gefahr einer Vorschädigung der Pumpe. Dieser Vorschaden ist meist ein lokaler Verschleiß an einer Komponente der Pumpe oder aber eine Adhäsion mit einem

Materialübertrag an einer Komponente der Pumpe. Ein Vorschaden wird von dem Nutzer der Pumpe zunächst nicht bemerkt, da die Mengenbilanz der Pumpe nicht beeinträchtigt wird, so dass die Leistung der Pumpe weiter verfügbar ist. Dieser Vorschaden führt jedoch beim Weiterbetrieb über möglicherweise eine längere Betriebszeit zu einem Totalschaden der Pumpe beziehungsweise des Systems, in dem die Pumpe verbaut ist. Beispielsweise wird das System durch starken, großflächigen Verschleiß der Pumpe mit Partikeln beladen, die zu einer Schädigung der weiteren Komponenten des Systems führen. Ein Vorschaden der Pumpe kann aktuell ohne eine Zerlegung der Pumpe nicht erkannt werden.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun die Pumpe während des Betriebs (einschließlich eines Startfalls) kontinuierlich oder diskontinuierlich sensorisch dahingehend überprüft, ob ein Betriebszustand vorliegt, der eine Schädigung der Pumpe hervorrufen kann. Hierzu wird insbesondere geprüft, ob ein während des Betriebs sensorisch aufgenommener Betriebszustandwert mit einem gespeicherten Betriebswert übereinstimmt. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass einerseits der bestimmungsgemäße Gebrauch der Pumpe für die Prüfung nicht unterbrochen werden muss und andererseits sehr frühzeitig eine mögliche Schädigung der Pumpe erkannt werden kann. Dadurch kann beispielsweise aufgrund eines in einem Fehlerspeicher abgelegten Eintrags bei einer routinemäßigen Inspektion der Pumpe beziehungsweise des Systems, an dem die Pumpe verbaut ist, überprüft werden, ob eine Reparatur oder ein Austausch der Pumpe erforderlich ist.

In Weiterbildung der Erfindung wird bestimmt, ob ein Triebwerksraum der Pumpe mit einem von einem Referenzfluid abweichenden Medium gefüllt ist. Hierzu wird wiederum in weiterer Ausgestaltung der Erfindung mittels eines Beschleunigungssensors der Körperschall an einem Gehäuse der Pumpe aufgenommen beziehungsweise gemessen und mit zumindest einem

Referenzwert verglichen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Pumpe bestimmungsgemäß mit einem definierten Fluid gefüllt und betrieben werden soll. Im Falle einer Hochdruckpumpe eines Common-Rail-Einspritzsystems ist dies ein Kraftstoff, beispielsweise Dieselkraftstoff. Wird nun die Pumpe mit einem minderwertigen oder falschen Kraftstoff betrieben, kann dies anhand

abweichender Körperschallsignale ermittelt werden. Darüber hinaus ist es möglich, so zu ermitteln, ob neben dem Kraftstoff ein Gas, beispielsweise Luft oder Kraftstoffdämpfe, in dem Triebwerksraum sind. Auch dadurch ändern sich die ermittelten Körperschallsignale im Vergleich zu Referenzwerten.

In Weiterbildung der Erfindung wird der Füllgrad des Triebwerks ermittelt. In entsprechenden Versuchen ermittelte Erfahrungen (beispielsweise auf einer Prüfbank) zeigen, dass der Füllgrad des Triebwerksraums einen zumindest mit

Sensoren ermittelbaren Einfluss auf das Geräusch der Pumpe im Betrieb hat.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird insbesondere bei einem Start der Pumpe mittels eines Drucksensors ein Druckaufbaugradient in dem

Triebwerksraum ermittelt. Auch dadurch kann zuverlässig ermittelt werden, ob der Triebwerksraum ausreichend mit Kraftstoff gefüllt ist. Dieser Verfahrensschritt kann alternativ oder additiv zu der Ermittlung des Füllgrads des

Triebswerksraums während des Betriebs vorgenommen werden. In Weiterbildung der Erfindung wird ermittelt, ob die Drehzahl einer Laufrolle der

Pumpe einem Erwartungswert entspricht. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass eine Hochdruckpumpe eines Common-Rail-Einspritzsystems eine Antriebswelle, beispielsweise eine Exzenterwelle oder Nockenwelle aufweist, auf der eine Laufrolle eines Rollenstößels zum Antrieb eines den Kraftstoff fördernden Pumpenkolbens abrollt. Tritt nun zwischen der Laufrolle und der Antriebswelle oder zwischen der Laufrolle und einem Rollenschuh des Rollenstößels ein mangelhafter hydrodynamischer Schmierfilm auf, stellt dies eine besondere Belastung für die Pumpe dar. Diese mögliche Belastung wird durch die

Ermittlung der Drehzahl der Laufrolle und dem Vergleich mit einem

Erwartungswert festgestellt. Schlechte Schmierverhältnisse liegen neben dem zuvor bereits beschriebenen Ursachen auch dann vor, wenn erhöhte Reibwerte beispielsweise in dem Rollenschuh auftreten, die beispielsweise durch

Kraftstoffparameter, wie einem niedrigen Dampfdruck, einer geringen

Schmierfähigkeit, einer geringen Viskosität, einem Wassergehalt, einer

Partikelbeladung oder sonstige Beläge verursacht sind. Alternativ oder zusätzlich können auch externe Einflüsse außerhalb der Spezifikation vorliegen, beispielsweise eine erhöhte Pumpenzulauftemperatur des Kraftstoffs, insbesondere bei besonders niedrigem Umgebungsdruck. Diese eine

Schädigung der Pumpe möglicherweise hervorrufenden Kriterien werden durch den Vergleich einer aktuellen Drehzahl der Laufrolle der Pumpe mit einem

Erwartungswert ermittelt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Drehzahl der Laufrolle akustisch detektiert, indem an der Pumpe Mittel vorgesehen werden, die von der Drehzahl der Pumpe abhängige Druckpulsationen hervorrufen. Diese Druckpulsationen können wiederum sensorisch problemlos ermittelt werden.

In Weiterbildung der Erfindung sind die Mittel an einer Stirnseite der Laufrolle angebrachte Nuten. Durch die Drehbewegung der Laufrolle und der daraus resultierenden Zentrifugalkraft strömt in den Nuten Kraftstoff nach außen in

Richtung der Außenkante der Laufrolle. Diese Strömung wird beim Eintauchen in eine Überdeckung mit dem Stößelkörper gestört und emittiert Druckpulsationen mit Frequenzen, die zu der Rollendrehzahl proportional sind. Beispielsweise mit Hilfe eines Beschleunigungssensors werden die Druckpulsationen beim Betrieb der Pumpe gemessen. Da beim Betrieb der Pumpe ein breites

Frequenzspektrum angeregt werden kann, kann die Verwendung eines Filters sinnvoll sein. Der Filter soll ein Band von Frequenzen passieren lassen, das um einen bekannten Erwartungswert der Druckpulsationen der Laufrolle liegt.

Grundlage für den Erwartungswert ist die Abrollbedingung der Laufrolle auf der Antriebswelle, beispielsweise der Nockenwelle. Er ist abhängig von der Drehzahl der Pumpe, der Nockenform, des Laufrollendurchmessers und der Position der Laufrolle auf der Nockenwelle. Wird der Filter genau auf die erwartete Frequenz abgestimmt, lässt sich aus einem Absinken der gemessenen Frequenz oder Unterschreiten eines Schwellwertes auf Schlupf zwischen der Laufrolle und der Nockenwelle schließen. In Weiterbildung der Erfindung wird die Drehzahl der Laufrolle induktiv detektiert, indem an der Laufrolle Mittel vorgesehen werden, die induktiv eine

Positionsänderung der Laufrolle ermitteln lassen. Dieser Verfahrensschritt ist alternativ oder additiv zu der zuvor beschriebenen akustischen Ermittlung der Drehzahl der Laufrolle vorgesehen. Zur Umsetzung dieses Verfahrensschrittes werden an der Laufrolle, beispielsweise an einer oder beiden Stirnseiten und/oder einer Mantelseite Mittel in Form von konstruktiven Änderungen zum Beispiel in Form von Strukturen/Nuten eingebracht, die mittels eines induktiven Impulsgebers zum Beispiel in Art eines Permanentmagnetes mit einer elektrisch leitenden Wicklung/Spule, oder eines Feldplatten-Gebers berührungslos in ihrer Positionsänderung durch ihre Drehbewegung erfasst werden können. Durch die Drehung der Laufrolle und somit der Strukturen/Nuten ändert sich ständig die Magnetfeldstärke in der Wicklung/Spule und es wird eine Wechselspannung induziert. Die Höhe der Spannung hängt von der Drehzahl und dem Abstand zwischen diesen Bauteilen ab. Somit kann mit dieser Ausführung erkannt werden, ob sich die Laufrolle dreht oder steht und in einer erweiterten

Auswertung mit dem Abgleich mit Drehsensorinformationen an dem Antrieb der Pumpe und den bekannten geometrischen Beziehungen kann ermittelt werden, ob die Laufrolle sich mit der richtigen Drehzahl dreht und somit kein Schlupf gegenüber dem Nocken vorliegt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die auf eine Schädigung der Pumpe deutenden ermittelten Messwerte gespeichert und/oder angezeigt und/oder bewirken einen Eingriff in die Fördercharakteristik der Pumpe. Hierbei können unterschiedliche Wertigkeiten berücksichtigt werden. Beispielsweise ist ein Eingriff in die Fördercharakteristik der Pumpe dann vorgesehen, wenn ein gravierendes Abweichen der Pumpenbetriebswerte gegenüber Referenzwerten auftreten. Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die Ermittlung der bestimmungsgemäßen Befüllung des Triebwerksraums der Pumpe und die Ermittlung der Drehzahl der Laufrolle der Pumpe bevorzugt additiv ausgeführt werden können, es aber im Rahmen der Erfindung auch möglich ist, diese alternativ auszuführen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der

Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung einer als Hochdruckpumpe ausgebildeten Pumpe eines Common- Rail-Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine und

Figur 2 eine Detailansicht eines mit einer Nockenwelle einer

Hochdruckpumpe zusammenwirkenden Rollenstößels.

Einer als Hochdruckpumpe 1 eines Common- Rail-Einspritzsystems

ausgebildeten Pumpe wird von einem Kraftstoffniederdrucksystem ein Fluid in

Form von Kraftstoff zugeführt, der von der Hochdruckpumpe 1 in einen

Hochdruckspeicher gefördert wird. In dem Hochdruckspeicher wird Kraftstoff beispielsweise bis zu einem Druck von 3.000 bar gespeichert und von

Kraftstoffinjektoren zur Einspritzung in zugeordnete Brennräume einer

Brennkraftmaschine entnommen.

Die Hochdruckpumpe 1 weist ein Pumpengehäuse 2 mit einem Triebwerksraum 17 auf, in dem eine Antriebswelle in Form einer Nockenwelle 3 drehbar gelagert ist. Die Nockenwelle 3 wird von der Brennkraftmaschine, an der die

Hochdruckpumpe 1 verbaut ist, mit einer zu der Kurbelwelle der

Brennkraftmaschine synchronen Drehzahl angetrieben. Die Nockenwelle 3 weist beispielsweise zwei gegenüberliegende Nocken 4a, 4b auf. Mit dem

Pumpengehäuse 2 der Hochdruckpumpe 1 ist zumindest ein vorzugsweise einstückig mit einem Pumpenzylinderkopf 5 einstückig ausgebildeter

Pumpenzylinder 6 verbunden, in dem ein Pumpenkolben 7 axial verschiebbar geführt ist. Der Pumpenkolben 7 wirkt nockenwellenseitig mit einem Rollenstößel 8 zusammen, der in einer Ausnehmung 13 in dem Pumpengehäuse 2 geführt ist. Dabei wird der Pumpenkolben 7 von einer Pumpenfeder 9, die sich an dem Pumpenzylinderkopf 5 und einer Stützscheibe 10 gegen einen Absatz 11 eines Stößelkörpers 12 des Rollenstößels 8 abstützt, gegen die Nockenwelle 3 beziehungsweise deren Nocken 4a, 4b gedrückt. Auf der gegenüberliegenden Seite zu der Stützscheibe 10 liegt an dem Absatz 11 des Stößelkörpers 12 ein Rollenschuh 14 des Rollenstößels 8 an, in dem eine zylinderabschnittsförmige Ausnehmung 15 eingelassen ist, in die eine Laufrolle 16 des Rollenstößels 8 eingesetzt ist. Die Laufrolle 16 rollt bei einer Drehbewegung der Nockenwelle 3 auf dieser beziehungsweise den Nocken 4a, 4b ab und setzt die Drehbewegung der Nockenwelle 3 in die translatorische Auf- und Abbewegung des

Pumpenkolbens 7 um, der in einen in dem Pumpenzylinderkopf 5 angeordneten Pumpenarbeitsraum über ein Saugventil eingebrachten Kraftstoff bei einer Aufwärtsbewegung über ein Rückschlageventil und eine Druckleitung in den Hochdruckspeicher fördert.

Beim Betrieb der Hochdruckpumpe 1 kann es zu einem Schlupf der Laufrolle 16 gegenüber der Nockenwelle 3 beziehungsweise deren Nocken 4a, 4b und/oder der Ausnehmung 15 in dem Rollenschuh 14 kommen. Dieser Schlupf kann erfindungsgemäß sensorisch ermittelt werden. Dieser Schlupf kann zu einer Schädigung der Hochdruckpumpe 1 führen. Additiv oder alternativ dazu kann ermittelt werden, ob der die Nockenwelle 3 aufnehmende Triebwerksraum 17 der Hochdruckpumpe 1 mit Kraftstoff gefüllt ist. Dieser in dem Triebwerksraum 17 befindliche Kraftstoff schmiert die zueinander bewegten Bauteile der

Hochdruckpumpe 1, insbesondere die Laufrolle 16 gegenüber dem Rollenschuh 14 beziehungsweise deren Ausnehmung 15 und der Nockenwelle 3. Weiterhin werden die Bauteile der Hochdruckpumpe 1 durch den Kraftstoff gekühlt. Dabei wird normalerweise kontinuierlich eine definierte Menge von Kraftstoff in den Triebwerksraum 17 eingeführt und auch wieder abgeführt. Wird nun in den Triebwerksraum 17 ein falscher Kraftstoff oder zu wenig Kraftstoff oder eine Mischung aus Kraftstoff und Luft oder Kraftstoffdämpfe eingeführt, wird dies ebenfalls sensorisch ermittelt. Auch die„Falschbefüllung" des Triebwerkraums kann zu einer Schädigung der Hochdruckpumpe 1 führen. Die Ermittlung erfolgt durch einen nur schematisch dargestellten Beschleunigungssensor 18, der an dem Pumpengehäuse 2 angeordnet ist und den Körperschall an dem

Pumpengehäuse 2 ermittelt.

Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Zusammenwirkens der

Nockenwelle 3 mit dem Rollenstößel 8 und dem Pumpenkolben 7. Alternativ oder zusätzlich zu der Ausrüstung der Hochdruckpumpe 1 mit dem Beschleunigungssensor 18 sind an der Laufrolle 16 stirnseitig Nuten 19 angebracht, die in Abhängigkeit von der Drehzahl der Hochdruckpumpe 1 Druckpulsationen zusammenwirkend mit dem Rollenstößel 8 oder der

Ausnehmung 13 hervorrufen. Diese Druckpulsationen werden durch einen in

Figur 1 dargestellten Sensor 20 ermittelt oder aber die Drehbewegung der Laufrolle 16 wird induktiv durch einen Induktionssensor ermittelt, der angrenzend an eine Stirnseite der Laufrolle 16 gegenüberliegend zu den Nuten 19 in dem Pumpengehäuse 2 angeordnet ist. Der Induktionssensor ist so ausgebildet, dass von diesem die Drehbewegung der Laufrolle 16 unbeeinflusst von der

(gleichzeitigen) translatorischen Auf- und Abbewegung des Rollenstößels 8 aufgenommen wird. Alternativ ist der Induktionssensor an dem Rollenstößel 8 angeordnet und folgt somit dessen translatorischer Auf- und Abbewegung.