DE102014203126B3

DE102014203126B3 - Verfahren zum Überwachen der einem Verbrennungsmotor tatsächlich zugeführten Kraftstoffmenge

Info

Publication number: DE102014203126B3
Application number: DE102014203126.5A
Authority: DE
Inventors: Martin FINGERHUT; Franz Durstberger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2015-07-09
Anticipated expiration: 2034-02-22

Abstract

Verfahren zum Überwachen der während eines Betrachtungszeitraums einem Zylinder eines Verbrennungsmotors oder dem Verbrennungsmotor insgesamt tatsächlich zugeführte Kraftstoffmenge, dadurch gekennzeichnet, dass – an mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors mittels eines Drucksensors der Verlauf des während des Betrachtungszeitraums in dem Zylinder auftretenden Drucks (p(φ)) gemessen wird. – aus dem gemessenen Druckverlauf (t(φ)) die Wärme (Q(φ)) ermittelt wird, die während des Betrachtungszeitraums beim Verbrennen der dem Zylinder oder dem Verbrennungsmotor insgesamt zugeführten Kraftstoffmenge (mKraftstoff) freigesetzt wird, und – aus der freigesetzten Wärme (Q(φ3)), die dem Zylinder oder dem Verbrennungsmotor insgesamt tatsächlich zugeführte Kraftstoffmenge (mKraftsoff) ermittelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der einem Verbrennungsmotor tatsächlich zugeführten Kraftstoffmenge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 197 49 815 B4 bekannt. Zum technischen Hintergrund der Erfindung zählt die DE 10 2004 045 154 A1 .
Durch Manipulationen an einzelnen physischen Komponenten eines Verbrennungsmotors (sogenanntes „Komponenten-Tuning”), kann in Bezug auf den Serienstand des Fahrzeugs die dem Verbrennungsmotor tatsächlich zugeführte Kraftstoffmenge und somit die vom Verbrennungsmotor abgegebene Leistung erhöht werden. Derartiges „Komponenten-Tuning”, d. h. ein Betreiben des Verbrennungsmotors außerhalb der vom Fahrzeughersteller vorgegebenen Spezifikationen, ist unerwünscht, da sich dadurch der Verschleiß des Verbrennungsmotors erhöhen und die Lebensdauer des Verbrennungsmotors sich verringern kann und das Fahrzeug dadurch hinsichtlich seiner Leistung und seiner Abgasemissionen möglicherweise außerhalb der zulässigen vom Gesetzgeber als zulässig angesehenen Grenzwerte betrieben wird.
Die dem Verbrennungsmotor tatsächlich zugeführte Kraftstoffmasse kann rechnerisch ermittelt werden, wenn das Luftverhältnis λ und der dem Verbrennungsmotor zugeführte Luftmassenstrom bekannt sind. Das Luftverhältnis λ wird bei modernen Verbrennungsmotoren standardmäßig und vergleichsweise präzise über eine Lambda-Sonde gemessen. Der dem Verbrennungsmotor zugeführte Luftmassenstrom kann zwar mittels eines Luftmassensensors gemessen werden. Luftmassensensoren weisen hinsichtlich ihrer Messgenauigkeit jedoch häufig eine hohe „Grundstreuung” und über die Lebensdauer eine gewisse „Drift” auf, was im Ergebnis zu gewissen Ungenauigkeiten bei der Ermittlung der dem Verbrennungsmotor tatsächlich zugeführten Kraftstoffmasse führen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem noch präziser die während eines Betrachtungszeitraums einem Zylinder eines Verbrennungsmotors oder dem Verbrennungsmotor insgesamt tatsächlich zugeführte Kraftstoffmenge ermittelt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zum Überwachen der während eines Betrachtungszeitraums einem Zylinder eines Verbrennungsmotors oder dem Verbrennungsmotor insgesamt, d. h. allen Zylindern des Verbrennungsmotors, tatsächlich zugeführten Kraftstoffmenge. Wenn im folgenden von der einem Zylinder eines Verbrennungsmotors oder dem Verbrennungsmotor insgesamt, d. h. allen Zylindern des Verbrennungsmotors, tatsächlich zugeführten Kraftstoffmenge die Rede ist, kann damit sowohl die Kraftstoffmenge im Sinne einer Kraftstoffmasse als auch ein Kraftstoffmengen- oder Kraftstoffmassenstrom gemeint sein.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die tatsächlich zugeführte Kraftstoffmenge auf Basis des Zylinderdruckverlaufs, d. h. eines Brennraumdrucksignals, zu ermitteln. Hierzu ist an mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors ein Drucksensor vorgesehen, mit dem während des Betrachtungszeitraums der Verlauf des in dem Zylinder auftretenden Drucks gemessen und ein entsprechendes Brennraumdrucksignal erzeugt wird. Wenn der Verbrennungsmotor mehrere Zylinder aufweist, kann auch an mehreren oder allen Zylindern ein Drucksensor angeordnet sein. Dies muss aber nicht unbedingt der Fall sein.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird aus dem gemessenen Druckverlauf, d. h. aus dem Brennraumdrucksignal die während des Betrachtungszeitraums beim Verbrennen der dem Zylinder oder dem Verbrennungsmotor insgesamt zugeführten Kraftstoffmenge frei werdende Wärme ermittelt. Aus dem gemessenen Brennraumdrucksignal p(φ) wird also die während des Betrachtungszeitraums durch das Verbrennen des tatsächlich zugeführten Kraftstoffs frei werdende Wärmemenge Q ermittelt.
Dies kann unter Anwendung des sogenannten „schnellen Heizgesetzes” nach Prof. Woschni in an sich bekannter Weise erfolgen. Eine genaue Herleitung des schnellen Heizgesetzes ist z. B. in der Dissertation von Jens Jeschke mit dem Titel „Konzeption und Erprobung eines zylinderdruckbasierten Motormanagements für Pkw-Dieselmotoren zu finden, welche 2002 an der Universität Magdeburg veröffentlicht worden ist.
Weitere Erläuterungen zum schnellen Heizgesetz sind zu finden in der DE 10 2008 004 221 A1 .
Unter Anwendung des schnellen Heizgesetzes kann aus dem Brennraumdrucksignal p(φ) die an das Arbeitsgas und die Zylinderwandung abgegebene Wärmeleistung dQ(φ) / dφ ermittelt werden. Die durch Verbrennen des zugeführten Kraftstoffs dem Arbeitsgas und der Zylinderwandung zugeführte Wärme ergibt sich ergibt sich hieraus durch Integration, d. h. Q = ∫ dQ(φ) / dφdφ
Aus dem Drucksignal wird also durch Anwendung des schnellen Heizgesetzes der so genannte „integrale Heizverlauf” (integraler Heizverlauf ist die dem Arbeitsgas im Zylinder zugeführte Wärmemenge) ermittelt. Unter Heranziehung des Wandwärmeverlustes (der Wandwärmeverlust kann im Motorsteuergerät modelliert und damit „online” berechnet werden oder in Form von Kennfeldern aus Prüfstandsmessungen im Steuergerät abgelegt werden) kann die in den Zyl. eingebrachte Kraftstoffmasse approximiert werden.
Aus der während des Betrachtungszeitraums freigesetzten Wärme und dem Heizwert des Kraftstoffs, insbesondere dem unteren Heizwert H_u des verwendeten Kraftstoffs, kann die während des Betrachtungszeitraums zugeführte Kraftstoffmenge ermittelt werden nach der Formel
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das oben beschriebene Verfahren in einem zumindest quasi-stationären Betriebszustand des Verbrennungsmotors durchgeführt. Unter dem Begriff „quasi-stationärer Betriebszustand” wird ein Betriebszustand verstanden, in dem mindestens ein Betriebsparameter des Verbrennungsmotors für eine vorgegebene Mindestzeitdauer innerhalb einer vorgegebenen Parameterbandbreite bleibt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass man von einem quasi-stationären Betriebszustand nur dann ausgeht, wenn mindestens ein Betriebsparameter des Verbrennungsmotors für mindestens 2 oder 2,5 oder 3 Sek. innerhalb einer vorgegebenen Parameterbandbreite bleibt. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Bandbreite eines solchen Parameters in Bezug auf einen innerhalb der Bandbreite liegenden Wert, insbesondere auf einen Mittelwert der Bandbreite kleiner als ±5% ist.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass man von einem quasi-stationären Betriebszustand ausgeht, wenn

– die Drehzahl n des Verbrennungsmotors und/oder
– der dem Verbrennungsmotor zugeführte Luftmassenstrom und/oder der dem Verbrennungsmotor zuzuführende Soll-Kraftstoffmassenstrom, welcher vom Motorsteuergerät vorgegeben wird, und/oder
– das Luftverhältnis λ

Ferner kann vorgesehen sein, dass der Betrachtungszeitraum, während dem das Verfahren durchgeführt wird, vom Zeitpunkt des Schließens eines Einlassventils des Zylinders, dessen Brennraumdruck gemessen wird, bis zum Zeitpunkt des nächsten Öffnens eines Auslassventils des betrachteten Zylinders reicht.
Das Verfahren ist prinzipiell für alle Verbrennungsmotoren geeignet, insbesondere für Dieselmotoren oder Ottomotoren und somit sowohl für Motoren, die mit Dieselkraftstoff betrieben werden als auch für Motoren, die mit Ottokraftstoff betrieben werden.
Sofern das Verfahren eingesetzt wird, um Störungen des Verbrennungsmotors oder den Spezifikationen des Motorherstellers zuwider laufende Manipulationen (Komponenten-Tuning) zu erkennen, wird die dem Zylinder oder dem Verbrennungsmotor insgesamt während des Betrachtungszeitraums zugeführte Kraftstoffmenge mit einer von einem Motorsteuergerät für den überwachten quasi-stationären Betriebszustand des Verbrennungsmotors vorgegebenen Soll-Kraftstoffmenge verglichen. Hierbei wird geprüft, ob die dem Zylinder oder dem Verbrennungsmotor insgesamt während des Betrachtungszeitraums zugeführte Kraftstoffmenge um ein vorgegebenes Maß größer als die betreffende Soll-Kraftstoffmenge ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass von einer Störung oder einer Manipulation ausgegangen wird, wenn die dem Zylinder oder dem Verbrennungsmotor insgesamt während des Betrachtungszeitraums zugeführte Kraftstoffmenge um mehr als 2% oder 3% oder 4% oder 5% oder 6% oder 7% oder 8% oder 9% oder 10% größer als die betreffende Soll-Kraftstoffmenge ist.
Zur Verbesserung der Qualität des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass bei einer Vielzahl quasi-stationärer Betriebszustände derartige Vergleiche durchgeführt werden und dass die Ergebnisse statistisch ausgewertet werden. „Statistisch” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass von einer technischen Störung oder einer technischen Manipulation des Verbrennungsmotors nur dann ausgegangen wird, wenn bei einer Vielzahl von Vergleichen die dem Zylinder oder dem Verbrennungsmotor zugeführte Kraftstoffmenge in mehr als x% der Vergleiche um mehr als das vorgegebene Maß größer als die jeweilige Soll-Kraftstoffmenge ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass von einer technischen Störung oder einer technischen Manipulation nur dann ausgegangen wird, wenn bei einer Vielzahl von Vergleichen, die dem Zylinder oder dem Verbrennungsmotor zugeführte Kraftstoffmenge in mehr als 80% oder in mehr als 85% der Vergleiche um mehr als das vorgegebene Maß (z. B. 2% oder 3% oder 4% oder 5% etc.) größer als die jeweilige Soll-Kraftstoffmenge ist.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 den typischen Verlauf eines Brennraumdrucksignals; und
2 den Verlauf der beim Verbrennen der einem Zylinder zugeführten Kraftstoffmenge frei werdenden Wärme bzw. dem Arbeitsgas zugeführten Wärme.
1 zeigt ein Diagramm, bei dem auf der Abszisse der Kurbelwinkel φ und auf der Ordinate der Verlauf des Brennraumdrucks p(φ) aufgetragen ist. φ₁ ist der Kurbelwinkel, bei dem das Einlassventil schließt. φ₂ ist der Kurbelwinkel, ab dem der eingespritzte Kraftstoff zu verbrennen beginnt. Der Schnittpunkt zwischen der Abszisse und der Ordinate ist der obere Totpunkt des Kolbens. φ₃ beschreibt den Kurbelwinkel, bei dem das Auslassventil oder die Auslassventile des Zylinders öffnet bzw. öffnen.
Es ist ersichtlich, dass ab dem Kurbelwinkel φ₂, d. h. ab dem Einspritzen von Kraftstoff, der Druckverlauf im Zylinder stark ansteigt bis auf ein nach dem oberen Totpunkt OT liegendes Druckmaximum.
Von da an fällt der Brennraumdruck bis zum Öffnen des Auslassventils beim Kurbelwinkel φ₃ ab.
2 zeigt qualitativ den Verlauf der im Zylinder durch das Verbrennen des im Zylinders enthaltenen Kraftstoff frei werdenden Wärme Q(φ), welche dem Arbeitsgas zugeführt wird.
Wie bereits erwähnt, kann durch Anwendung des schnellen Heizgesetzes aus dem Brennraumdruckverlauf p(φ) die Wärmeleistung dQ / dφ ermittelt werden. Durch Integration der Wärmeleistung dQ / dφ erhält man die freiwerdende Wärme Q(φ).
Aus der freigesetzten und dem Arbeitsgas und der Zylinderwandung zugeführten Wärme Q(φ₃) und dem Heizwert des verwendeten Kraftstoffs kann die dem Zylinder zugeführte bzw. im Zylinder oder dem Verbrennungsmotor insgesamt verbrannte Kraftstoffmenge berechnet werden.

Claims

Verfahren zum Überwachen der während eines Betrachtungszeitraums einem Zylinder eines Verbrennungsmotors oder dem Verbrennungsmotor insgesamt tatsächlich zugeführten Kraftstoffmenge (m_Kraftstoff), wobei – an mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors mittels eines Drucksensors der Verlauf des während des Betrachtungszeitraums in dem Zylinder auftretenden Drucks (p(φ)) gemessen wird, – aus dem gemessenen Druckverlauf (p(φ)) die Wärme (Q(φ)) ermittelt wird, die während des Betrachtungszeitraums beim Verbrennen der dem Zylinder oder dem Verbrennungsmotor insgesamt zugeführten Kraftstoffmenge (m_Kraftstoff) freigesetzt wird und dem im Zylinder enthaltenen Arbeitsgas und einer Zylinderwand zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – aus der freigesetzten Wärme (Q(φ₃)), die dem Zylinder oder dem Verbrennungsmotor insgesamt tatsächlich zugeführte Kraftstoffmenge (m_Kraftsoff) ermittelt wird, – das Verfahren in einem zumindest quasi-stationären Betriebszustand des Verbrennungsmotors durchgeführt wird, wobei als quasi-stationärer Betriebszustand ein Betriebszustand verstanden wird, in dem mindestens ein Betriebsparameter des Verbrennungsmotors für eine vorgegebene Mindestzeitdauer innerhalb einer vorgegebenen Parameterbandbreite bleibt, – die dem Zylinder oder dem Verbrennungsmotor insgesamt während des Betrachtungszeitraums zugeführte Kraftstoffmenge (m_Kraftstoff) mit einer von einem Motorsteuergerät für den überwachten quasi-stationären Betriebszustand des Verbrennungsmotors vorgegebenen Soll-Kraftstoffmenge (m_{Kraftstoff,soll}) verglichen wird, – bei dem Vergleich geprüft wird, ob die dem Zylinder oder dem Verbrennungsmotor insgesamt während des Betrachtungszeitraums tatsächlich zugeführte Kraftstoffmenge (m_Kraftstoff) um ein vorgegebenes Maß größer als die betreffende Soll-Kraftstoffmenge (m_{Kraftstoff,soll}) ist, – bei einer Vielzahl zumindest quasi-stationärer Betriebszustände ein solcher Vergleich durchgeführt wird und – von einer technischen Störung oder einer technischen Manipulation des Verbrennungsmotors ausgegangen wird, wenn bei einer Vielzahl von Vergleichen, die dem Zylinder oder dem Verbrennungsmotor insgesamt tatsächlich zugeführte Kraftstoffmenge (m_Kraftstoff) in mehr als x% der Vergleiche um mehr als das vorgegebene Maß größer als die jeweilige Soll-Kraftstoffmenge (m_{Kraftstoff,soll}) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindestzeitdauer 2 Sek. oder 2,5 Sek. oder 3 Sek. beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameterbandbreite in Bezug auf einen innerhalb der Parameterbandbreite liegenden Wert, insbesondere einem Bandbreitenmittelwert, kleiner als ±5% ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Betriebsparameter – die Drehzahl (n) des Verbrennungsmotors und/oder – der dem Verbrennungsmotor zugeführte Luftmassenstrom und/oder – der dem Verbrennungsmotor zuzuführende Soll-Kraftstoffmassenstrom (m_{Kraftstoff,soll}) und/oder – das Luftverhältnis λ ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die während des Betrachtungszeitraums durch Verbrennen der dem Zylinder oder dem Verbrennungsmotor insgesamt zugeführten Kraftstoffmenge freigesetzte Wärme unter Anwendung des schnellen Heizgesetzes aus dem Druckverlauf (p(φ)) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrachtungszeitraum vom Schließen eines Einlassventils des Zylinders bis zum Zeitpunkt des Öffnens eines Auslassventils des Zylinders reicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Zylinder oder dem Verbrennungsmotor insgesamt zugeführte Kraftstoffmenge aus der freigesetzten Wärme (Q(φ)) und einem Heizwert, insbesondere einem unteren Heizwert, des verwendeten Kraftstoffs ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem verwendeten Kraftstoff um einen Dieselkraftstoff handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem verwendeten Kraftstoff um einen Ottokraftstoff handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9, dadurch gekennzeichnet, dass x ≥ 80, insbesondere ≥ 85, ist.