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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Einspritzvorgangs in einen Verbrennungsmotor. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Überwachen eines Einspritzvorgangs bei einem Verbrennungsmotor mit einem gemeinsamen Druckrohr, welches Kraftstoff zu Einspritzventilen von mehreren Zylindern des Verbrennungsmotors leitet. Einspritzsysteme mit einem derartigen Druckrohr werden auch als Common-Rail-Einspritzsysteme bezeichnet.
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Bei einem Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern trägt jeder Zylinder üblicherweise einen Anteil zur Gesamtleistung des Motors bei. Daher wird angestrebt, dass jeder Zylinder einen gleichen Anteil zur Gesamtleistung des Motors beiträgt. Dadurch können beispielsweise Emissionen, insbesondere eine Partikelemission und eine CO2-Emission, verringert werden, ein Verbrauch reduziert werden und eine höhere Laufruhe erreicht werden. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es erforderlich, dass jedem Zylinder eine gleiche Kraftstoffmenge zugeführt wird und das zeitliche Einspritzverhalten bei jedem Zylinder gleich ist. Dies ist insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit einer Mehrfacheinspritzung wünschenswert, bei welcher in jeden Zylinder für einen Verbrennungszyklus mehrmals nacheinander Kraftstoff eingespritzt wird. Bei Verbrennungsmotoren mit Common-Rail-Einspritzung kann die Zumessung des Kraftstoffs aus dem gemeinsamen Druckrohr beispielsweise mithilfe von elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigten Einspritzventilen erfolgen. Dazu wird das Einspritzventil zu einem bestimmten Zeitpunkt oder zu mehreren bestimmten Zeitpunkten von einer Steuergeräteendstufe derart angesteuert, dass der Öffnungsquerschnitt des Ventils freigegeben wird und eine bestimmte Kraftstoffmenge in den Brennraum gefördert wird. Damit der Verbrennungsprozess in einem optimalen Arbeitspunkt bezüglich Verbrauch und Emissionen betrieben wird, ist eine möglichst genaue Einstellung der Kraftstoffmenge und der Einspritzzeitpunkte erforderlich. Durch einen Verschleiß an den Einspritzventilen, schlechte Kraftstoffqualität oder dergleichen kann es vorkommen, dass es zu Verkokungen an den Einspritzventilen kommt. Daher ist eine Überprüfung oder Diagnose der tatsächlichen Einspritzvorgänge wünschenswert.
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In diesem Zusammenhang ist aus der
JP 62186034 A ein Verbrennungsmotor bekannt, bei welchem in entsprechende Zylinder eingespritzte Kraftstoffmengen ausgeglichen werden, um Drehmomentschwankungen zu vermeiden. Dabei wird eine tatsächliche Kraftstoffeinspritzmenge aus einer Änderung eines Kraftstoffdrucks in einem Kraftstoffpfad vor und nach einer Einspritzung berechnet, um die grundlegende Einspritzmenge gemäß dem Ergebnis der Berechnung zu korrigieren. Der Verbrennungsmotor weist einen Kraftstoffausgangsanschluss einer Kraftstoffpumpe auf, welcher mit einem Kraftstoffeinspritzventil über den Kraftstoffpfad verbunden ist, welcher vorzugsweise ein Kraftstoffdrucksammelrohr aufweist, welches gemeinsam für jeden Zylinder und auf dem Weg dazwischen angeordnet ist. Ein Kraftstoffdrucksensor zum Erfassen eines Kraftstoffdrucks in dem Kraftstoffpfad ist in dem Kraftstoffdrucksammelrohr vorgesehen. Auf der Grundlage der Ausgabe des Kraftstoffdrucksensors wird eine Änderung des Drucks vor und nach einer Einspritzung bestimmt, um die tatsächliche Einspritzmenge zu berechnen und die grundlegende Einspritzmenge zu korrigieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Diagnose der tatsächlichen Einspritzungsvorgänge bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zum Überwachen eines Einspritzvorgangs für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, eine Vorrichtung zum Überwachen eines Einspritzvorgangs in einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 8 und ein Fahrzeug nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Überwachen eines Einspritzvorgangs für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt. Bei dem Verfahren wird ein zeitlicher Druckverlauf in einer Leitung, durch welche Kraftstoff zu einem Einspritzventil des Verbrennungsmotors zugeführt wird, erfasst und ein Einspritzbeginnzeitpunkt oder ein Einspritzendzeitpunkt in Abhängigkeit von dem zeitlichen Druckverlauf bestimmt. Dadurch kann auf einfache Art und Weise der tatsächliche Einspritzvorgang analysiert werden. Beispielsweise kann der Einspritzbeginnzeitpunkt zu einem Ansteuerbeginn des Einspritzventils in Bezug gesetzt werden und der Einspritzendzeitpunkt zu einem entsprechenden Ende der Ansteuerung des Einspritzventils in Bezug gesetzt werden. Dadurch kann beispielsweise eine ordnungsgemäße Reaktion des Einspritzventils auf eine Ansteuerung überprüft werden.
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Das Bestimmen des Einspritzbeginnzeitpunkts kann ein Bestimmen eines zeitlichen Beginns eines Druckabfalls in der Leitung in Abhängigkeit von dem zeitlichen Druckverlauf umfassen. Weiterhin kann das Bestimmen des Einspritzendzeitpunkts ein Bestimmen eines zeitlichen Endes des Druckabfalls in der Leitung in Abhängigkeit von dem zeitlichen Druckverlauf umfassen. Der Druckverlauf in der Leitung kann beispielsweise mithilfe eines Drucksensors erfasst werden. Ein Signal von dem Drucksensor kann beispielsweise mittels einer Motorelektronik verarbeitet werden, welche das von dem Drucksensor gelieferte Signal abtastet. Eine Abtastrate kann derart eingestellt werden, dass ein Beginn und ein Ende einer Flanke in dem zeitlichen Druckverlauf mit hoher zeitlicher Auflösung bestimmt werden können. Dadurch können der Einspritzbeginnzeitpunkt und der Einspritzendzeitpunkt entsprechend genau bestimmt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform wird ferner eine Druckdifferenz in der Leitung zwischen Einspritzbeginnzeitpunkt und Einspritzendzeitpunkt für ein Paar von Einspritzbeginnzeitpunkt und Einspritzendzeitpunkt bestimmt. Aus der Druckdifferenz kann eine Einspritzmenge bestimmt werden oder ein Mengenverhältnis zwischen verschiedenen Einspritzungen bestimmt werden. Dadurch können Einspritzmengen verschiedener Zylinder miteinander verglichen werden oder Einspritzmengen in einen Zylinder bei beispielsweise einer Mehrfacheinspritzung miteinander verglichen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Verbrennungsmotor mehrere Zylinder mit jeweils einer Mehrfacheinspritzung. Bei der Mehrfacheinspritzung wird in jeden Zylinder für einen Verbrennungszyklus mehrmals Kraftstoff nacheinander aus der für die mehreren Zylinder gemeinsamen Leitung eingespritzt. Die gemeinsame Leitung kann beispielsweise ein gemeinsames Druckrohr umfassen, durch welches Kraftstoff zu den Einspritzventilen der mehreren Zylinder des Verbrennungsmotors zugeführt wird. Ein derartiges Einspritzsystem wird auch als Common-Rail-Einspritzsystem bezeichnet. In der Leitung wird eine Druckdifferenz zwischen einem Einspritzbeginnzeitpunkt und einem Einspritzendzeitpunkt für ein Paar von Einspritzbeginnzeitpunkt und Einspritzendzeitpunkt bestimmt. Das Paar von Einspritzbeginnzeitpunkt und Einspritzendzeitpunkt wird einer Einspritzung in einen der mehreren Zylinder in Abhängigkeit von dem Einspritzbeginnzeitpunkt und dem Einspritzendzeitpunkt und der zugeordneten Druckdifferenz zugeordnet. Insbesondere bei Mehrfacheinspritzungen bei Verbrennungsmotoren mit mehreren Zylindern kann es vorkommen, dass sich Einspritzungen von zwei Zylindern überlagern oder eine Einspritzung in einen Zylinder zwischen zwei Einspritzungen einer Mehrfacheinspritzung eines anderen Zylinders auftritt. Indem neben dem Einspritzbeginnzeitpunkt und dem Einspritzendzeitpunkt auch die Druckdifferenz zwischen Einspritzbeginnzeitpunkt und Einspritzendzeitpunkt berücksichtigt wird, können derartig überlagerte Einspritzungen identifiziert und den verschiedenen Zylindern zugeordnet werden. Weiterhin können bei Mehrfacheinspritzungen die den Paaren von Einspritzbeginnzeitpunkt und Einspritzendzeitpunkt zugeordneten Druckdifferenzen zur Bestimmung eines Mengenverhältnisses der mehreren Einspritzungen in einen Zylinder verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann ferner eine fehlerhafte Einspritzung in Abhängigkeit von der Druckdifferenz oder in Abhängigkeit von dem Einspritzbeginnzeitpunkt und dem Einspritzendzeitpunkt diagnostiziert werden. Beispielsweise kann festgestellt werden, ob zum angeforderten Zeitpunkt einer Einspritzung überhaupt eine Einspritzung stattgefunden hat.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin eine Vorrichtung zum Überwachen eines Einspritzvorgangs in einen Verbrennungsmotor bereitgestellt. Der Verbrennungsmotor weist eine Leitung zum Zuführen von Kraftstoff zu einem Einspritzventil des Verbrennungsmotors auf. Die Vorrichtung umfasst einen Drucksensor, welcher in der Leitung zum Erfassen von Druckwerten in der Leitung angeordnet ist. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Verarbeitungseinheit, welche mit dem Drucksensor gekoppelt ist und ausgestaltet ist, einen zeitlichen Druckverlauf in der Leitung zu bestimmen und in Abhängigkeit von dem zeitlichen Druckverlauf einen Einspritzbeginnzeitpunkt und/oder einen Einspritzendzeitpunkt einer Einspritzung durch das Einspritzventil zu bestimmen. Die Vorrichtung kann ferner zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens ausgestaltet sein und umfasst daher auch die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile. Der Verbrennungsmotor kann mehrere Zylinder umfassen, welche über eine gemeinsame Leitung mit Kraftstoff versorgt werden. Derartige Einspritzsysteme werden auch als Common-Rail-Systeme bezeichnet. In diesem Fall erfasst ein Drucksensor in der gemeinsamen Leitung Druckwerte in der Leitung, aus welchen die Verarbeitungseinheit Einspritzbeginnzeitpunkte und Einspritzendzeitpunkte für Einspritzungen in die mehreren Zylinder bestimmen kann.
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Schließlich wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitgestellt, welches einen Verbrennungsmotor und die zuvor beschriebene Vorrichtung umfasst.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben werden.
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor mit einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt einen zeitlichen Druckverlauf in einer Leitung, durch welche Kraftstoff zu einem Einspritzventil eines Verbrennungsmotors zugeführt wird.
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3 zeigt einen zeitlichen Druckverlauf in einer Leitung, welche Kraftstoff zu mehreren Zylindern eines Verbrennungsmotors zuführt.
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4 zeigt einen weiteren zeitlichen Druckverlauf in einer Leitung, welche Kraftstoff zu mehreren Zylindern eines Verbrennungsmotors bei jeweiligen Mehrfacheinspritzungen zuführt.
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5 zeigt ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor 1 mit vier Zylindern 2–5, welchen jeweils ein Einspritzventil 6–9 zugeordnet ist. Die Einspritzventile 6–9 sind beispielsweise elektrisch gesteuerte Einspritzventile, welche aufgrund einer elektrischen Ansteuerung einen Kraftstofffluss durch das jeweilige Ventil freigeben oder sperren. An der Eingangsseite sind die Einspritzventile 6–9 jeweils über zugeordnete Leitungen 10–13 mit einem gemeinsamen Druckrohr 14 verbunden. An der Ausgangsseite stehen die Einspritzventile 6–9 mit den Innenräumen der jeweils zugeordneten Zylinder 2–5 in Verbindung. Mithilfe einer Kraftstoffpumpe 15 wird Kraftstoff von einem Kraftstofftank über eine Leitung 16 in das Druckrohr 14 gepumpt. Die Kraftstoffpumpe 15 baut dabei einen Druck in dem Druckrohr 14 auf. Bei geöffnetem Einspritzventil 6–9 gelangt der unter Druck stehende Kraftstoff von dem Druckrohr 14 in den Brennraum des entsprechenden Zylinders 2–5. In dem Druckrohr 14 ist ein Drucksensor 17 angeordnet, welcher in Abhängigkeit von dem in dem Druckrohr 14 herrschenden Druck ein entsprechendes analoges elektrisches Signal bereitstellt. Dieses elektrische Signal wird über eine elektrische Leitung 18 zu einer Verarbeitungseinheit 19 geführt. In der Verarbeitungseinheit 19 kann das dem Kraftstoffdruck entsprechende elektrische Signal des Drucksensors 17 digitalisiert und beispielsweise mithilfe einer digitalen Steuerung oder eines Mikroprozessors weiterverarbeitet werden. Die in 1 dargestellte Anordnung mit dem für die Zylinder 2–5 gemeinsamen Druckrohr 14 wird auch als Common-Rail-Einspritzsystem bezeichnet. Der Verbrennungsmotor 1 kann beispielsweise einen Dieselmotor mit einer Common-Rail-Einspritzung umfassen.
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Die Zumessung des Kraftstoffs aus dem gemeinsamen Druckrohr 14 erfolgt mithilfe der Ventile 6–9, welche beispielsweise elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigt werden können. Das jeweilige Einspritzventil 6–9 wird dazu zu einem bestimmten Zeitpunkt von einer Steuergeräteendstufe angesteuert, so dass der Öffnungsquerschnitt des Ventils freigegeben und eine vorbestimmte Kraftstoffmenge in den Brennraum des entsprechenden Zylinders 2–5 gefördert wird. Damit der Verbrennungsprozess des Verbrennungsmotors 1 in einem optimalen Arbeitspunkt bezüglich Verbrauch und Emissionen betrieben werden kann, ist neben einer möglichst genauen Einstellung der Kraftstoffmenge auch eine genaue zeitliche Steuerung der Einspritzung erforderlich. Zur weiteren Verbesserung von Verbrauch, Emissionen und Laufruhe des Motors kann die vorbestimmte Kraftstoffmenge für einen Verbrennungszyklus in mehreren kleinen Teilmengen nacheinander eingespritzt werden. Ein derartiger Vorgang wird auch als Mehrfacheinspritzung bezeichnet. Insbesondere bei der Mehrfacheinspritzung ist eine genaue zeitliche Steuerung der einzelnen Einspritzvorgänge erforderlich, um die gewünschten Effekte bezüglich Verbrauch, Emissionen und Laufruhe des Verbrennungsmotors 1 zu erzielen.
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Mithilfe der Druckmessung in dem gemeinsamen Druckrohr 14, welches auch als Kraftstoffsammelleitung 14 bezeichnet wird und mit welchem der Kraftstoff über die Einspritzventile 6–9 in den Brennraum des jeweiligen Zylinders 2–5 gefördert wird, kann eine Diagnose der abgegebenen Einspritzungen durchgeführt werden. Dabei wird der Druckunterschied in der Kraftstoffsammelleitung 14 ausgewertet, welcher sich zwischen einer Messung vor und nach der Einspritzung ergibt. Durch Auswertung einer Flanke des Drucksignals kann ein Zeitpunkt eines Einspritzbeginns und ein Zeitpunkt eines Einspritzendes bestimmt werden. Durch eine entsprechend hohe Abtastung des Signals von dem Drucksensor 17 können der Einspritzbeginnzeitpunkt und der Einspritzendzeitpunkt mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. 2 zeigt einen mit dem Drucksensor 17 erfassten Druckverlauf in der Kraftstoffsammelleitung 14 für zwei Einfacheinspritzungen in zwei unterschiedliche Zylinder des Verbrennungsmotors 1. Durch Erfassen eines jeweiligen Flankenbeginns und Flankenendes können die Zeitpunkte für den Einspritzbeginn und das Einspritzende bestimmt werden.
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Über den Druckunterschied zwischen dem Druck in der Sammelleitung 14 vor der Einspritzung und nach der Einspritzung kann eine Diagnose bezüglich der abgegebenen Einspritzmenge erfolgen. Insbesondere kann überprüft werden, ob zum angeforderten Zeitpunkt überhaupt eine Einspritzung stattgefunden hat. 3 zeigt Einfacheinspritzungen bei einem Verbrennungsmotor mit vier Zylindern, bei welchem Einspritzungen in die Zylinder 1–3 stattfinden und im Zylinder 4 ein Einspritzaussetzer vorliegt. Wie aus dem Druckverlauf der 3 ersichtlich ist, fehlt bei dem Zylinder 4 mit dem Einspritzaussetzer der charakteristische Druckabfall, welcher den Einspritzvorgang kennzeichnet. Zur Erkennung von Einspritzaussetzern wird der sich einstellende Druckunterschied bei der Einspritzung mithilfe von geeigneten Schwellenwerten überwacht. Der Schwellenwert kann beispielsweise in Abhängigkeit von einer aktuell auszugebenden Einspritzmenge bestimmt werden.
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Bei Mehrfacheinspritzungen kann neben den Zeitpunkten für den Einspritzbeginn und das Einspritzende, wie es im Zusammenhang mit 2 beschrieben wurde, auch ein Mengenverhältnis zwischen den einzelnen Einspritzungen über eine Auswertung der Druckdifferenzen der Druckflanken der einzelnen Einspritzungen erfolgen. 4 zeigt eine Mehrfacheinspritzung, bei welcher in jedem Zylinder jeweils zwei Einspritzungen stattfinden. Bei einer ersten Einspritzung (1.ES) wird eine erste Kraftstoffteilmenge in den jeweiligen Zylinder eingespritzt und bei einer zweiten Einspritzung (2.ES) wird jeweils eine zweite Teilmenge der für den Verbrennungszyklus insgesamt vorgesehenen Kraftstoffmenge eingespritzt. Über den Druckunterschied, welcher jeweils vor und nach den Einzeleinspritzungen in der Kraftstoffsammelleitung 14 herrscht, kann ein Verhältnis der Einspritzmengen bestimmt werden.
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Eine genauere Diagnose der ausgegebenen Einspritzmenge bei sowohl einer Einfach- als auch einer Mehrfacheinspritzung kann über die Höhe des Druckabfalls gemäß folgender Gleichung bestimmt werden:
wobei m
k die abgegebene Einspritzmasse, V
Rail das Volumen in der Kraftstoffsammelleitung
14, p
2 der Druck nach der Einspritzung, p
1 der Druck vor der Einspritzung, K ein Kompressionsmodul des Kraftstoffs, β ein Volumenausdehnungskoeffizient des Kraftstoffs, T
ist die Isttemperatur des Kraftstoffs, T
ref eine Referenztemperatur und ρ
ref eine Referenzdichte des Kraftstoffs ist. Wie zuvor beschrieben, können aus dem Druckabfall in dem Kraftstoffsammelrohr
14 die Kraftstoffteilmengen oder ein Verhältnis der Kraftstoffteilmengen, so genannte Splitfaktoren, bestimmt werden. Darüber hinaus können bei Mehrfacheinspritzungen auch überlappende Einspritzungen detektiert und ausgewertet werden, welche insbesondere bei Mehrfacheinspritzungen auftreten können, wenn beispielsweise eine letzte Teileinspritzung in einen ersten Zylinder gleichzeitig mit einer ersten Teileinspritzung in einen zweiten Zylinder stattfindet, so dass ein überlagerter Druckabfall dieser beiden Teileinspritzungen in dem Drucksignal auftritt.
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5 zeigt schließlich ein Fahrzeug 60 mit dem Verbrennungsmotor 1 und einer Vorrichtung 61 zum Überwachen eines Einspritzvorgangs in den Verbrennungsmotor 1. Die Vorrichtung 61 umfasst beispielsweise die Komponenten 17–19 der 1. Die Vorrichtung 61 kann weiterhin eine Motorsteuerung für den Verbrennungsmotor 1 umfassen und auf der Grundlage der Überwachung des Einspritzvorgangs wirkungsgrad- und emissionsbeeinflussende Fehler in der Einspritzausgabe des Verbrennungsmotors 1 detektieren und die Einspritzmengen oder Einspritzzeiten der einzelnen Zylinder 2–5 dementsprechend versuchen nachzuregeln, um dadurch den Fehler auszugleichen. Darüber hinaus können derartige Fehler in einem Fehlerspeicher der Vorrichtung 61 abgelegt werden, über eine On-Board-Diagnose abgefragt werden oder an einen Fahrer des Fahrzeugs 60 ausgegeben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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