Wie allgemein bekannt, ist der Anteil an Frischluft in den Zylindern einer Brennkraftmaschine eine wichtige Prozessgröße. Um eine Verbrennung von Kraftstoff möglichst effektiv und schadstoffarm auszuführen, ist vor allem eine genaue Einstellung des Anteils an Kraftstoff und des Anteils an Frischluft in den Zylindern von Bedeutung. Zur Bestimmung des Anteils an Frischluft in den Zylindern einer Brennkraftmaschine kann, wie allgemein bekannt, eine Messung des Druckes in der Ansauganlage durchgeführt werden, wobei angenommen wird, dass zum Zeitpunkt des Schließens der Einlassventile der Druck in der Ansauganlage mit dem Druck in den Zylindern übereinstimmt. Wie weiterhin allgemein bekannt, kann zur Bestimmung des Anteils an Frischluft in den Zylindern einer Brennkraftmaschine eine Messung des Massenstroms an Frischluft, die der Ansauganlage zufließt, z. B. mittels eines Heißfilmluftmassenmessers erfolgen. Wie sich die Frischluft auf die einzelnen Zylinder einer Brennkraftmaschine verteilt, kann mittels der genannten Verfahren nicht bestimmt werden. Ferner weisen die genannten Verfahren den Mangel auf, dass, u. a. bedingt durch die Speicherwirkung der Ansauganlage und die Trägheit der Frischluft, das Befüllen bzw. Entleeren der Ansauganlage bzw. der Zylinder verzögert erfolgt, so die jeweils verwendeten Signale in dynamischen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine nicht den tatsächlichen Anteil an Frischluft in den Zylindern beschreiben. Für einen schadstoffarmen Umsatz von Kraftstoff ist es jedoch unbedingt erforderlich, den in den einzelnen Zylindern enthaltenen Anteil an Frischluft möglichst genau zu kennen. Gemäß der
DE 10 2007 013 460 A1 ist es vorbekannt, mittels Drucksensoren den Druck in den Zylindern einer Brennkraftmaschine zu bestimmen. Mittels des Zylinderdruckes werden die Verbrennungsphasenlage und/oder der indizierte Mitteldruck bestimmt. Anhand der Verbrennungsphasenlage und/oder des indizierten Mitteldruckes wird in Verbindung mit einem bekannten thermischen Wirkungsgrad eine Energieumsetzung und/oder ein den Zylindern zuzuführender Anteil an Kraftstoff bestimmt. Aus dem Anteil an Kraftstoff, der den Zylindern zuzuführen ist, erfolgt weiterhin in Verbindung mit einem Verbrennungsluftverhältnis, das mittels eines Restsauerstoffsensors ermittelt wird sowie der bekannten Sauerstoffkonzentration in der Luft, die Bestimmung der Luftmasse in den Zylindern der Brennkraftmaschine. D. h. eine Verteilung der Frischluft auf die einzelnen Zylinder einer Brennkraftmaschine kann mittels dieses Verfahrens bestimmt werden. Jedoch sind dazu Zylinderdrucksensoren erforderlich, die bekanntermaßen aufwendig und nicht dauerhaltbar sind bzw. bisher keinen Eingang in die Serienproduktion gefunden haben. Ferner ist bei diesem Verfahren ein Restsauerstoffsensor erforderlich, so dass sich ggf. vorhandene Messabweichungen der beiden verwendeten Sensoren häufen. Gemäß der
DE 10 2008 023 104 A1 ist weiterhin ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors vorbekannt, wobei das Verfahren das Feststellen eines Zylinderhubes während des Motorstarts als Reaktion auf einen Verteilerrohrdruck umfasst. Gemäß der
DE 102 36 615 A1 ist ein Verfahren zur Erfassung eines den Druck im Brennraum einer mit Direkteinspritzung arbeitenden Brennkraftmaschine darstellenden Signals vorbekannt, deren Kraftstoffeinspritzventile zur Betätigung mit einem piezoelektrischen Wandlerelement versehen sind. Das mit dem piezoelektrischen Wandlerelement aufgenommene Signal kann als Drucksignal verwendet werden. Vorteilhafterweise wird das außerhalb der Einspritzphase aufgenommene Signal für die Klopfsignalerkennung verwendet. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit einfachen Mitteln zu bestimmen, welcher Anteil an Frischluft im Zylinder einer Brennkraftmaschine enthalten ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, bei einer Brennkraftmaschine, die zumindest einen Zylinder aufweist, dem Kraftstoff mittels eines Injektors direkt zugeführt wird, anhand des Druckes in der Kraftstoffleitung bei geöffnetem Injektor den Anteil an Frischluft in dem Zylinder zu bestimmen. Ohne viel Aufwand und zusätzliche Sensoren wird erfindungsgemäß der Einfluss des Druckes der Frischluftladung in dem Zylinder auf den Druck des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung genutzt, um die Menge an Frischluft im Zylinder zu ermitteln. Erfindungsgemäß wird also die Erkenntnis angewendet, dass, wenn der mit einer Kraftstoffleitung verbundene Injektor geöffnet ist, der Druck des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung von dem Druck der Frischluft in dem Zylinder beeinflusst wird und anhand dieses Druckes der Anteil an Frischluft in dem Zylinder ermittelt werden kann, wobei dazu einfach der in der Kraftstoffleitung angeordnete Drucksensor verwendet wird. Erfindungsgemäß kann dazu anhand des absoluten Druckes in der Kraftstoffleitung bei geöffnetem Injektor der Anteil an Frischluft in dem Zylinder bestimmt werden. Das erfolgt z. B. in Verbindung mit einer Zuordnung zwischen dem absoluten Druck in der Kraftstoffleitung bei geöffnetem Injektor und den Anteilen an Frischluft in dem Zylinder. Diese Zuordnung wird beispielsweise in der Entwicklungsphase der Brennkraftmaschine erstellt. Erfindungsgemäß kann auch anhand der Verminderung des Druckes in der Kraftstoffleitung bei geöffnetem Injektor gegenüber dem Druck in der Kraftstoffleitung bei geschlossenem Injektor oder gegenüber einem vorgegebenen Druckwert der Anteil an Frischluft in dem Zylinder bestimmt werden. Diese relative Betrachtung eines Druckabfalls hat den Vorteil, dass bei verschiedenen Kraftstoffdruckniveaus mit nur einer Zuordnung zwischen einem Druckabfall in der Kraftstoffleitung durch das Öffnen des Injektors und dem Anteil an Frischluft in dem Zylinder gearbeitet werden kann. Hat die Brennkraftmaschine mehrere Zylinder, kann für jeden Zylinder der Anteil an Frischluft mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt werden, so dass die Möglichkeit besteht, die Anteile an Frischluft in den einzelnen Zylindern miteinander zu vergleichen. Weichen die Anteile an Frischluft in den Zylindern um einen bestimmten Betrag voneinander ab, kann so ein Fehler erkannt und sichtbar gemacht werden. Das Öffnen des Injektors zur Bestimmung des Druckes in der Kraftstoffleitung bei geöffnetem Injektor kann erfindungsgemäß im oberen Totpunkt des Kolbens in dem Zylinder erfolgen. D. h. es kann erfindungsgemäß ein zusätzliches Öffnen des Injektors neben der eigentlichen Zufuhr von Kraftstoff zu dem Zylinder vorgesehen werden. Erfindungsgemäß kann die Bestimmung des Druckes in der Kraftstoffleitung bei geöffnetem Injektor auch in ein bestehendes Muster zur Zufuhr von Kraftstoff in den Zylinder eingebunden werden.
Wie in 1 gezeigt, umfasst eine Brennkraftmaschine 1 einen oder mehrere Zylinder 2. Den Zylindern 2 wird mittels Injektoren 3 Kraftstoff direkt zugeführt. Wie in 1 gezeigt, sind die Injektoren 3 einerseits mit einer Kraftstoffleitung 4 verbunden, die wiederum in Verbindung zu einem Tank 4a steht. Andererseits sind die Injektoren 3 mit den Zylindern 2 bzw. den Brennräumen verbunden. In der Kraftstoffleitung 4 ist insbesondere im Bereich der Anordnung der Injektoren 3 ein Drucksensor 5 angeordnet. Der Drucksensor 5 dient z. B. der Erfassung eines Istwertes des Druckes in der Kraftstoffleitung 4, so dass in Verbindung mit der Vorgabe eines Sollwertes für den Druck in der Kraftstoffleitung 4 zunächst eine Einstellung des Druckes in der Kraftstoffleitung 4 erfolgt, wie allgemein bekannt. Erfindungsgemäß wird der Istwert für den Druck in der Kraftstoffleitung 4 außerdem dazu verwendet, um zu bestimmen, welcher Anteil an Frischluft in den Zylindern enthalten ist. Während der Zufuhr von Kraftstoff direkt in die Zylinder 2 wird der Kraftstoffleitung 4 ein bestimmtes Volumen bzw. eine bestimmte Masse an Kraftstoff entnommen, so dass eine gewisse Verminderung des Druckes in der Kraftstoffleitung 4 auftritt. Wie in 2 beispielhaft anhand der durchgezogenen Linie gezeigt, beträgt der mittels des Drucksensors 5 bestimmte Druck in der Kraftstoffleitung 4, wenn sich der Kolben in einem Zylinder 2 im unteren Totpunkt UT befindet, 200 bar, wobei kein Kraftstoff von der Kraftstoffleitung 4 direkt dem Brennraum bzw. Zylinder 2 mittels des Injektors 3 zugeführt wird, d. h. der Injektor 3 ist geschlossen. Beispielsweise, wenn sich der Kolben in einem Zylinder 2 im oberen Totpunkt OT befindet, beträgt der Druck in der Kraftstoffleitung 4 nur noch 195 bar, da Kraftstoff von der Kraftstoffleitung 4 direkt dem Brennraum bzw. Zylinder 2 mittels des Injektors 3 zugeführt wird, d. h. der Injektor 3 ist geöffnet. Wenn sich, wie vorstehend beschrieben, der Kolben in dem Zylinder 2 im oberen Totpunkt OT befindet, weist jedoch auch der Druck des gasförmigen Arbeitsmediums in dem Zylinder 2, also vorrangig der Druck des im Zylinder 2 enthaltenen Anteils an Frischluft, einen bestimmten Wert auf, der oberhalb des Druckes der Umgebungsluft liegt, da bekannterweise die Kompressionsphase abgeschlossen ist und durch die Verminderung des Hubvolumens des Zylinders 2 eine Erhöhung des Druckes des in dem Zylinder 2 enthaltenen gasförmigen Arbeitsmediums erfolgt ist. Der Druck des gasförmigen Arbeitsmediums im Zylinder 2 beeinflusst nun auch den Druck des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung 4. D. h. dadurch, dass bei geöffnetem Injektor 3 eine Verbindung zwischen dem Zylinder 2 bzw. Brennraum und der Kraftstoffleitung 4 besteht, beeinflusst der Druck des gasförmigen Arbeitsmediums im Zylinder 2 den Zustand des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung 4. Mit anderen Worten hat der „Gegen-, d. h. der jeweilige Zylinderdruck” am brennraumseitigen Ende des Injektors 3 einen Einfluss auf den Druck in der Kraftstoffleitung 4 durch Verstimmung des vorliegenden Drosselcharakters über den Injektor 3. Das sei anhand des in 2 gezeigten Beispieles erläutert. Angenommen, der Kolben in dem Zylinder 2 befindet sich nicht im oberen Totpunkt OT, sondern z. B. im unteren Totpunkt UT, dann beträgt der Druck in der Kraftstoffleitung 4 ausgehend von 200 bar nur noch 190 bar, auch wenn das gleiche Volumen an Kraftstoff von der Kraftstoffleitung 4, wie im vorgenannten Fall, direkt dem Brennraum bzw. Zylinder 2 mittels des Injektors 3 zugeführt wird und der Injektor 3 geöffnet ist. Dies ist in 2 mit dem gepunkteten Verlauf dargestellt. In Fortführung dieses Ansatzes beeinflusst demgemäß auch der Anteil an Frischluft im Zylinder 2 den Druck des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung 4, wenn der Injektor 3 geöffnet ist. Wie allgemein bekannt, führt ein vergleichsweise geringer Anteil an Frischluft im Zylinder 2 zu einem Druck des gasförmigen Mediums im Zylinder 2 im oberen Totpunkt des Kolbens 2, der geringer ist als der Druck, der sich dann einstellt, wenn ein größerer Anteil an Frischluft im Zylinder 2 enthalten ist. Diese Erkenntnis wird nun erfindungsgemäß genutzt. Dazu wird beispielsweise eine Zuordnung zwischen einer Verminderung des Druckes des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung 4 und dem Druck des gasförmigen Mediums in dem Zylinder 2 vorgenommen, wenn der Injektor 3 geöffnet ist, was z. B. in der Entwicklungsphase der Brennkraftmaschine 1 erfolgt. Dabei wird beispielsweise mittels bekannten und präzisen Zylinderdrucksensoren der Druck des gasförmigen Mediums in dem Zylinder 2 im oberen Totpunkt des Kolbens bestimmt und daraus mittels der bekannten spezifischen Gasgleichung (p·V = m·R·T) der Anteil an gasförmigem Arbeitsmedium bzw. der Anteil an Frischluft, d. h. die Masse oder Menge an gasförmigem Medium in dem Zylinder 2, ermittelt. Natürlich sind auch andere Verfahren zur Bestimmung des Anteils an gasförmigem Arbeitsmedium bzw. des Anteils an Frischluft in dem Zylinder 2 für den Zweck der Schaffung einer Zuordnung zwischen dem Druck des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung 4 bzw. dessen Verminderung bei einer Zufuhr von Kraftstoff und dem Druck des gasförmigen Mediums in dem Zylinder 2 verwendbar, wie zum Beispiel eine Messung des Anteils an Frischluft, die dem Zylinder 2 zufließt, mittels eines Hitzdrahtanemometers bzw. eines HFM. Diese experimentelle Bestimmung des Anteils an gasförmigem Arbeitsmedium bzw. des Anteils an Frischluft in dem Zylinder 2 wird für verschiedene Lastpunkte der Brennkraftmaschine 1 durchgeführt, d. h. es erfolgt, z. B. ausgehend von einem vollständig geöffneten Strömungsquerschnitt, zu dem Zylinder 2 eine schrittweise Verringerung dieses Querschnittes, z. B. mittels einer bekannten Drosselklappe. So kann einer beliebigen Zahl von Anteilen an gasförmigem Arbeitsmedium jeweils ein Wert für die Verminderung des Druckes des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung 4 zugeordnet werden. In einem sehr vereinfachten Fall beträgt während dieser experimentellen Bestimmung in einem ersten Schritt der Istwert des Druckes des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung 4 zeitlich vor der Öffnung des Injektors 3, der mittels des Drucksensors 5 gemessen wird, 200 bar. Bei geöffnetem Injektor 3 beträgt dieser Druck jedoch 195 bar, z. B. dann, wenn sich der Kolben 2 im oberen Totpunkt befindet, wobei der Strömungsquerschnitt zu dem Zylinder 2 vollständig freigegeben ist, also die maximale Füllung des Zylinders 2 erreicht wird. Erfindungsgemäß wird dem Istwert des Druckes des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung 4 von 195 bar der Wert von 100% Füllung zugeordnet. In einem weiteren Schritt beträgt der Istwert des Druckes des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung 4 wiederum zeitlich vor der Öffnung des Injektors 3, der mittels des Drucksensors 5 gemessen wird, 200 bar. Bei geöffnetem Injektor 3 beträgt dieser Druck jedoch 190 bar, wiederum dann, wenn sich der Kolben 2 im oberen Totpunkt befindet, wobei der Strömungsquerschnitt zu dem Zylinder 2 nicht vollständig freigegeben ist, also nur die halbe Füllung des Zylinders 2 erreicht wird. Erfindungsgemäß wird dem Istwert des Druckes des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung 4 von 190 bar der Wert von 50% Füllung zugeordnet. In einem noch weiteren Schritt beträgt der Istwert des Druckes des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung 4 wiederum zeitlich vor der Öffnung des Injektors 3, der mittels des Drucksensors 5 gemessen wird, 200 bar. Bei geöffnetem Injektor 3 beträgt dieser Druck jedoch 180 bar, wiederum dann, wenn sich der Kolben 2 im oberen Totpunkt befindet, wobei der Strömungsquerschnitt zu dem Zylinder 2 fast vollständig verschlossen ist, also nur noch ein Zehntel der maximalen Füllung des Zylinders 2 erreicht werden kann. Erfindungsgemäß wird dann dem Istwert des Druckes des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung 4 von 180 bar der Wert von 10% Füllung zugeordnet. Zusammengefasst wird erfindungsgemäß der Effekt genutzt, dass mit steigender Füllung des Zylinders 2 der Druck im Zylinder 2 am Ende bzw. nahe dem Ende der Kompressionsphase ebenfalls steigt und demgegenüber die Verminderung des Druckes des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung 4 bei geöffnetem Injektor 3 mit steigendem Druck im Zylinder 2 geringer wird. Die experimentell gewonnene Zuordnung zwischen der Verminderung des Druckes in der Kraftstoffleitung 4 am Ende bzw. nahe dem Ende der Kompressionsphase und der Füllung des Zylinders 2 bzw. dem Anteil an Frischluft im Zylinder 2 wird zweckmäßigerweise als Tabelle/Kennlinie, im Bedarfsfall zu einem mehrdimensionalen Verbund von konstellationsabhängigen Kennfeldern, in dem Steuergerät der Brennkraftmaschine 1 gespeichert. Während des normalen Betriebes der Brennkraftmaschine 1, d. h. in der Nutzungsphase der Brennkraftmaschine 1, wird dann einfach mittels des Drucksensors 5 der Druck in der Kraftstoffleitung bestimmt und in Verbindung mit der genannten Zuordnung bestimmt, welcher Anteil an Frischluft in dem Zylinder 2 in diesem Arbeitsspiel vorliegt. Die beschriebene erfindungsgemäße Bestimmung des Anteils an Frischluft in dem Zylinder 2 in Abhängigkeit der Verminderung des Druckes in der Kraftstoffleitung 4 bei geöffnetem Injektor 3 kann natürlich auch bei unterschiedlichen Soll- bzw. Istwerten für den Druck in der Kraftstoffleitung 4 durchgeführt werden. So kann dieser Wert anstelle 200 bar auch 300 bar betragen. Hierzu ist es ggf. zweckmäßig, anstelle einer Betrachtung der absoluten Verminderung des Druckes in der Kraftstoffleitung 4 bei geöffnetem Injektor 3 mit einer relativen Verminderung des Druckes in der Kraftstoffleitung 4 bei geöffnetem Injektor 3 zur Bestimmung des Anteils an Frischluft in dem Zylinder 2 zu arbeiten. D. h. es werden bei der erfindungsgemäßen Zuordnung nicht die absoluten Werte für den Druck in der Kraftstoffleitung 4 bei geöffnetem Injektor 3 experimentell einem Anteil an Frischluft in dem Zylinder 2 zugeordnet, sondern es wird einer Druckdifferenz ein Anteil an Frischluft in dem Zylinder 2 zugeordnet. Diese Druckdifferenz wird dadurch berechnet, dass von dem Sollwert des Druckes in der Kraftstoffleitung 4 oder von dem mittels des Drucksensors 5 bei geschlossenem Injektor 3 gemessenen Druckwert der Druckwert abgezogen, der sich in der Kraftstoffleitung 4 einstellt, wenn der Injektor 3 geöffnet ist. In Anlehnung an das oben genannte Beispiel einer experimentellen Zuordnung jeweils eines bestimmten Anteils an Frischluft im Zylinder 2 zu einer Verminderung des absoluten Druckes in der Kraftstoffleitung 4 bei geöffnetem Injektor 3 erfolgt nun eine experimentelle Zuordnung jeweils eines bestimmten Anteils an Frischluft im Zylinder 2 zu einer Druckdifferenz, die wie oben beschrieben gebildet wird. Die Kraftstoffleitung 4 ist in dem Bereich, an dem die Injektoren 3 angeordnet sind und in dem auch der Drucksensor 5 angeordnet ist, bevorzugt als gemeinsamer Druckspeicher (Common Rail) ausgeführt. Erfindungsgemäß wird die beschriebene Bestimmung des Anteils an Frischluft in dem Zylinder 2 in Abhängigkeit des Signals des Drucksensors 5 für jeden Zylinder 2 einer Brennkraftmaschine 1 ausgeführt, so dass erfindungsgemäß vorteilhaft für jedes Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine 1 bestimmt werden kann, welcher Anteil an Frischluft in welchem Zylinder 2 enthalten ist. Auf diese Weise können die jeweiligen Anteile an Frischluft in den einzelnen Zylindern 2 miteinander verglichen werden, so dass, wenn die Anteile an Frischluft um einen bestimmten Betrag voneinander abweichen, ein Fehler erkannt und sichtbar gemacht werden kann. In welchem Bereich in Bezug auf den Kurbelwinkel bzw. die Zeit das Öffnendes Injektors 3 zur Bestimmung der Verminderung des Druckes in der Kraftstoffleitung 4 bei geöffnetem Injektor 3 erfolgt, um wiederum erfindungsgemäß den Anteil an Frischluft in dem Zylinder 2 zu bestimmen, liegt bevorzugt im oberen Totpunkt des Kolbens in dem jeweiligen Zylinder 2. Natürlich funktioniert das erfindungsgemäße Verfahren auch, wenn die Bestimmung der Verminderung des Druckes in der Kraftstoffleitung 4 bei geöffnetem Injektor 3 in einem Bereich vor Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens im Zylinder 2 erfolgt. Erfindungsgemäß vorteilhaft kann die Bestimmung der Verminderung des Druckes in der Kraftstoffleitung 4 bei geöffnetem Injektor 3, also in ein bestehendes Muster eine Zufuhr von Kraftstoff in den Zylinder 2 bzw. Brennraum eingebunden werden. Der Druck in der Kraftstoffleitung 4 bei geöffnetem oder geschlossenem Injektor 3 kann erfindungsgemäß dadurch bestimmt werden, dass ein Mittelwert einer Vielzahl von mittels des Drucksensors 5 ermittelten Messwerten gebildet wird. Natürlich können auch andere aus dem Signal des Drucksensors 5 bei Öffnung des Injektors 3 ableitbare Kenngrößen verwendet werden, um anhand des Druckes in der Kraftstoffleitung 4 bei geöffnetem Injektor 3 den Anteil an Frischluft in dem Zylinder 2 zu bestimmen. Denkbar ist zum Beispiel, dazu den Gradienten der Verminderung des Druckes in der Kraftstoffleitung 4, der unmittelbar mit oder nach der Öffnung des Injektors 3 auftritt, entweder allein oder in Verbindung mit einem absoluten Druck in der Kraftstoffleitung 4 bei geöffnetem Injektor 3 bzw. alternativ einer Verminderung des Druckes in der Kraftstoffleitung 4 bei geöffnetem Injektor 3 gegenüber dem Druck in der Kraftstoffleitung 4 bei geschlossenem Injektor 3 oder gegenüber einem vorgegebenen Druckwert heranzuziehen.
