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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Bei Kraftfahrzeugen gelten hinsichtlich einzuhaltender Emissionen von Schadstoffen teilweise sehr strenge Grenzwerte. Um aktuelle und insbesondere auch zukünftige Emissions- bzw. Abgasgrenzwerte einzuhalten, ist u.a. eine genaue Kraftstoffzumessung bei der Einspritzung entscheidend.
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Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass bei der Zumessung verschiedene Toleranzen auftreten. Solche Zumesstoleranzen resultieren im Allgemeinen aus exemplarabhängiger Nadeldynamik und exemplarabhängiger statischer Durchflussrate der Kraftstoffinjektoren. Ein Einfluss der Nadeldynamik kann bspw. durch einen mechatronischen Ansatz, wie bspw. einer sog. Controlled Valve Operation (CVO) reduziert werden. Bei einer Controlled Valve Operation werden Ansteuerzeiten der Kraftstoffinjektoren im Sinne einer Regelung bspw. über die Lebensdauer eines Kraftfahrzeugs hinweg angepasst.
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Mögliche Fehler bei der statischen Durchflussrate resultieren aus Toleranzen der Einspritzlochgeometrie und des Nadelhubs. Die Einspritzlochgeometrie wird oftmals hinsichtlich guter Emissionswerte optimiert, wodurch allerdings eine Sensitivität für eine Verkokung steigen kann. Solche Fehler können bisher meist nur global, d.h. hinsichtlich aller Kraftstoffinjektoren der Brennkraftmaschine gemeinsam, bspw. auf Basis einer Lambdaregelung bzw. Gemischadaption korrigiert werden. Damit kann jedoch nicht erkannt werden, ob einzelne Kraftstoffinjektoren der Brennkraftmaschine eine Abweichung hinsichtlich ihrer statischen Durchflussrate aufweisen (d.h. bei gleicher Offendauer unterschiedliche Mengen abgeben), die abgas- oder laufruherelevant sein können.
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Aus der nicht vorveröffentlichten
DE 10 2015 205 877 ist bspw. ein Verfahren bekannt, um eine statische Durchflussrate eines Kraftstoffinjektors oder einen dafür repräsentativen Wert zu ermitteln.
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Aus der
DE 10 2007 050 813 A1 ist bspw. ein Verfahren zur Abgabemengenüberwachung einer Injektorsteuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem anhand eines Druckabfalls im Hochdruckspeicher eine vom Injektor abgegebene Kraftstoffmenge überwacht wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der mittels eines Kraftstoffinjektors Kraftstoff aus einem Hochdruckspeicher in einen Brennraum eingespritzt wird. Dabei wird ein für eine statische Durchflussrate von Kraftstoff durch den Kraftstoffinjektor repräsentativer Wert ermittelt. Wenn der repräsentative Wert um mehr als einen ersten Schwellwert von einem Vergleichswert abweicht, wird ein Druck in dem Hochdruckspeicher erhöht.
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Die Erfindung macht sich dabei eine gezielte Erkennung einer Abweichung der statischen Durchflussrate von Kraftstoff durch einen Kraftstoffinjektor von einem Vergleichswert zunutze, wodurch auf einen Drift der statischen Durchflussrate, d.h. ein langsames Abweichen vom Vergleichswert, geschlossen werden kann, was wiederum für eine Verkokung im Brennraum bzw. am Kraftstoffinjektor spricht. Durch die Erhöhung des Drucks kann nun der Verkokung bzw. der beginnenden Verkokung entgegen gewirkt werden. Durch den höheren Druck erhöht sich die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums, d.h. es fließt mehr Kraftstoff pro Zeit, so dass Ablagerungen durch den schneller durchströmenden Kraftstoff im Sinne einer Durchspülung abgetragen bzw. mitgerissen werden. Im besten Fall kann die Verkokung nicht nur angehalten, sondern sogar rückgängig gemacht werden. Zudem können eine nötige Wartung oder ein Tausch der Kraftstoffinjektoren verringert bzw. verhindert werden.
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Vorzugsweise wird der Druck in dem Hochdruckspeicher während einer Leerlaufphase der Brennkraftmaschine um einen ersten Druckwert erhöht. Der erste Druckwert kann dabei so gewählt werden, dass die Erhöhung des Drucks während der Leerlaufphase keine oder zumindest keine nennenswerte akustische Störung verursacht. Geeignete Druckwerte können dabei bspw. in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, die bspw. herstellerspezifisch sein können, vorgegeben werden. Damit kann einfach und für einen Fahrer nicht oder kaum wahrnehmbar der Verkokung entgegengewirkt werden.
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Es ist von Vorteil, wenn der Druck in dem Hochdruckspeicher während einer Teillastphase der Brennkraftmaschine um einen zweiten Druckwert erhöht wird. Der zweite Druckwert kann dabei insbesondere höher als der erste Druckwert gewählt werden, da während eines Teillastbetriebs eine eventuelle akustische Störung weniger wahrgenommen wird als bei Leerlaufbetrieb. Besonders effektiv kann dabei der Verkokung entgegengewirkt werden, wenn sowohl während einer Leerlaufphase als auch während einer Teillastphase der Druck um den jeweiligen Druckwert erhöht wird.
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Vorteilhafterweise wird, wenn der repräsentative Wert um mehr als einen zweiten Schwellwert, der größer als der erste Schwellwert ist, von dem Vergleichswert abweicht, der Druck in dem Hochdruckspeicher wenigstens während einer Leerlaufphase und einer Teillastphase, insbesondere auch während einer Volllastphase, der Brennkraftmaschine um einen dritten Druckwert erhöht. Insbesondere kann der Druck in allen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine um den dritten Druckwert erhöht werden. Bei der Überprüfung der Abweichung des repräsentativen Werts vom Vergleichswert können dabei auch die Laufleistung der Brennkraftmaschine, eine gesamte Betriebsdauer und andere Größen berücksichtigt werden, die eine solche Abweichung beeinflussen können. Auf diese Weise kann der Verkokung, wenn diese schon stark fortgeschritten ist, bestmöglich entgegengewirkt werden. Insbesondere kann dann auch eine mögliche akustische Störung gegenüber einem Ausfall bzw. Defekt eines Kraftstoffinjektors bevorzugt werden. Der dritte Schwellwert kann dabei bspw. anhand von Erfahrungswerten vorgegeben werden.
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Es versteht sich, dass die jeweiligen Druckerhöhungen, die während einer oder -mehrerer der genannten Phasen vorgenommen werden, für die nachfolgenden jeweils gleichen Phasen erhalten bleiben können bzw. wieder eingestellt werden können.
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Vorzugsweise wird, wenn der repräsentative Wert nach einer Erhöhung des Drucks in dem Hochdruckspeicher um weniger als einen dritten Schwellwert von dem Vergleichswert abweicht, der Druck im Hochdruckspeicher reduziert. Auf diese Weise kann einen unnötige Druckerhöhung, d.h. eine Druckerhöhung wenn keine Anzeichen für eine Verkokung mehr vorliegen, vermieden werden. Insbesondere kann dabei der Druck wieder bis zu einem regulären Betriebsdruck reduziert werden. Diese Reduzierung kann bspw. schrittweise erfolgen.
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Vorteilhafterweise wird der Vergleichswert wiederholt oder kontinuierlich aktualisiert. Damit kann immer der aktuellste Stand bzgl. der Anzeichen einer Verkokung berücksichtigt werden und eine Druckerhöhung kann bestmöglich angepasst werden.
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Es ist von Vorteil, wenn ein Verlauf der Abweichung des repräsentativen Werts von dem Vergleichswert und/oder der Erhöhung des Drucks jeweils über einer Laufleistung der Brennkraftmaschine erfasst und hinterlegt wird. Die Hinterlegung kann bspw. auf einem Speicher in einem ausführenden Steuergerät erfolgen. Auf diese Weise können die Daten sehr einfach für eine Werkstatt zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere ist damit bspw. eine gezielte Reinigung oder ein gezielter Austausch eines defekten Kraftstoffinjektors möglich. Zudem können diese Felddaten gespeichert und bspw. später ausgewertet werden.
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Vorteilhafterweise wird der repräsentative Wert ermittelt, indem bei wenigstens einem Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors ein Verhältnis einer im Hochdruckspeicher aufgrund des Einspritzvorgangs auftretenden Druckdifferenz und einer zugehörigen, für den Einspritzvorgang charakteristischen Dauer ermittelt wird. Dabei kann ausgenutzt werden, dass die von einem Kraftstoffinjektor während eines Einspritzvorgangs abgegebene Kraftstoffmenge bzw. dessen Volumen proportional oder zumindest hinreichend proportional zu der zugehörigen Druckdifferenz, d.h. dem Druckunterschied vor und nach dem Einspritzvorgang, im Hochdruckspeicher ist. Wenn nun zudem eine für den Einspritzvorgang charakteristische Dauer bekannt ist, kann aus dem Verhältnis dieser Druckdifferenz und der zugehörigen Dauer ein Wert ermittelt werden, der bis auf einen Proportionalitätsfaktor der statischen Durchflussrate durch den Kraftstoffinjektor entspricht. Auf diese Weise kann sehr einfach ein für die Durchflussrate repräsentativer Wert erhalten werden.
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Es ist von Vorteil, wenn der Vergleichswert unter Berücksichtigung von entsprechenden repräsentativen Werten aller Kraftstoffinjektoren der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Auf diese Weise kann sehr einfach ein Vergleichswert ermittelt werden. Insbesondere braucht bei dieser Vorgehensweise die tatsächliche Durchflussrate nicht ermittelt werden, da nur die jeweiligen repräsentativen Werte herangezogen werden, was für einen relativen Vergleich, d.h. der Ermittlung ob ggf. die Durchflussrate bei einem Kraftstoffinjektor von denen der anderen Kraftstoffinjektoren abweicht, ausreichend ist. Insbesondere sind auf diese Weise eventuelle systematische Messfehler vernachlässigbar. Wenn die Umrechnungswerte zum Umrechnen des repräsentativen Werts in die zugehörige Durchflussrate bekannt sind, ist es jedoch auch denkbar, als repräsentative Werte direkt die Durchflussrate zu verwenden. Insbesondere kann sich hierbei zunutze gemacht werden, dass eine Abweichung der Durchflussrate bzw. des repräsentativen Werts für jeden Kraftstoffinjektor in der Regel unterschiedlich ist.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät, insbesondere ein Motorsteuergerät, eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit Common-Rail-System, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
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2 zeigt in einem Diagramm ein Durchflussvolumen bei einem Kraftstoffinjektor über der Zeit.
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3 zeigt in einem Diagramm einen Druckverlauf in einem Hochdruckspeicher während eines Einspritzvorgangs.
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4 zeigt einen repräsentativen Wert für eine statische Durchflussrate und einen Vergleichswert bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
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5a und 5b zeigen Druckerhöhungen bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 100 gezeigt, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Beispielhaft umfasst die Brennkraftmaschine 100 drei Brennräume bzw. zugehörige Zylinder 105. Jedem Brennraum 105 ist ein Kraftstoffinjektor 130 zugeordnet, welcher wiederum jeweils an einen Hochdruckspeicher 120, einem sog. Rail, angeschlossen ist, über welchen er mit Kraftstoff versorgt wird. Es versteht sich, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren auch bei einer Brennkraftmaschine mit einer beliebigen anderen Anzahl an Zylindern, bspw. vier, sechs, acht oder zwölf Zylinder, durchgeführt werden kann.
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Weiter wird der Hochdruckspeicher 120 über eine Hochdruckpumpe 110 mit Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 140 gespeist. Die Hochdruckpumpe 110 ist mit der Brennkraftmaschine 100 gekoppelt, und zwar bspw. derart, dass die Hochdruckpumpe über eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, bzw. über eine Nockenwelle, welche wiederum mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, angetrieben wird.
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Eine Ansteuerung der Kraftstoffinjektoren 130 zum Zumessen von Kraftstoff in die jeweiligen Brennräume 105 erfolgt über eine als Motorsteuergerät 180 ausgebildete Recheneinheit. Der Übersichtlichkeit halber ist nur die Verbindung vom Motorsteuergerät 180 zu einem Kraftstoffinjektor 130 dargestellt, es versteht sich jedoch, dass jeder Kraftstoffinjektor 130 an das Motorsteuergerät entsprechend angeschlossen ist. Jeder Kraftstoffinjektor 130 kann dabei spezifisch angesteuert werden. Ferner ist das Motorsteuergerät 130 dazu eingerichtet, den Kraftstoffdruck in dem Hochdruckspeicher 120 mittels eines Drucksensors 190 zu erfassen.
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In 2 ist in einem Diagramm ein kumuliertes Durchflussvolumen V durch einen Kraftstoffinjektor über der Zeit t bei einer lange andauernden Ansteuerung des Kraftstoffinjektors dargestellt. Zum Zeitpunkt t0 beginnt dabei eine Ansteuerzeit und zum Zeitpunkt t1 beginnt sich die Ventilnadel zu heben. Zum Zeitpunkt t1 beginnt somit auch eine Offendauer des Kraftstoffinjektors. Dabei ist zu sehen, dass das kumulierte Durchflussvolumen V bzw. die durch den Kraftstoffinjektor geflossene Kraftstoffmenge nach einer kurzen Zeitdauer während des Anhebens der Ventilnadel über einen weiten Bereich konstant ansteigt. In diesem Bereich befindet sich die Ventilnadel im sog. Vollhub, d.h. die Ventilnadel ist vollständig bzw. bis zu einer Soll-Höhe angehoben.
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Während dieser Zeit fließt eine konstante Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit durch die Ventilöffnung des Kraftstoffinjektors, d.h. die statische Durchflussrate Qstat, die die Steigung des kumulierten Durchflussvolumens V angibt, ist konstant. Die Größe der statischen Durchflussrate ist dabei ein wesentlicher Faktor, der, wie eingangs bereits erwähnt, die insgesamt während eines Einspritzvorgangs eingespritzte Kraftstoffmenge bestimmt. Abweichungen bzw. Toleranzen in der statischen Durchflussrate wirken sich daher auf die eingespritzte Kraftstoffmenge pro Einspritzvorgang aus.
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Zum Zeitpunkt t3 endet die Ansteuerzeit und es beginnt die Schließzeit. Dabei beginnt die Ventilnadel, sich zu senken. Die Schließzeit und die Offendauer enden zum Zeitpunkt t4, wenn die Ventilnadel wieder vollständig das Ventil verschließt.
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In 3 ist in einem Diagramm ein Druckverlauf in einem Hochdruckspeicher während eines Einspritzvorgangs über der Zeit t dargestellt. Hierbei ist zu sehen, dass der Druck p im Hochdruckspeicher, von gewissen Schwankungen aufgrund von Pumpenförderungen und Kraftstoffentnahmen durch Einspritzungen abgesehen, im Wesentlichen konstant ist. Während des Einspritzvorgangs, der eine Zeitdauer ∆t andauert, sinkt der Druck p im Hochdruckspeicher um einen Wert ∆p.
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Anschließend bleibt der Druck p, wieder von gewissen Schwankungen abgesehen, auf dem niedrigeren Niveau, bis durch eine Nachförderung durch die Hochdruckpumpe der Druck p wieder auf das Ausgangsniveau ansteigt.
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Die Erfassung und Auswertung dieser Druckeinbrüche bei Einspritzvorgängen erfolgt dabei mit üblicherweise ohnehin vorhandenen Komponenten, wie bspw. dem Drucksensor 190 und dem Motorsteuergerät 180 inkl. entsprechender Eingangsbeschaltung. Zusätzliche Komponenten sind daher nicht nötig. Diese Auswertung erfolgt individuell für jeden Brennraum 105.
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Die statische Durchflussrate Q
stat durch den Kraftstoffinjektor ist, wie bereits erwähnt, charakterisiert durch die eingespritzte Kraftstoffmenge bzw. dessen Volumen pro Zeit. In einem auf Systemdruck aufgepumpten Hochdruckspeicher bzw. Rail ist das eingespritzte Volumen proportional zum Druckeinbruch im Rail. Die zugehörige Zeitdauer entspricht dabei der Offendauer des Kraftstoffinjektors, die bspw., wie eingangs erwähnt, mechatronisch mittels einer sog. Controlled Valve Operation (siehe z.B.
DE 10 2009 002 593 A1 ) bestimmt werden kann.
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Durch eine Quotientenbildung zwischen Druckeinbruch bzw. Druckdifferenz ∆p und Offendauer bzw. Zeitdauer der Einspritzung ∆t erhält man eine Druckrate als Ersatzwert bzw. repräsentativen Wert Rstat = ∆p/∆t für die statische Durchflussrate Qstat, d.h. für einen Messvorgang gilt Qstat ⎕ Δp / Δt. Eine Nachförderung durch die Hochdruckpumpe sollte hierbei nicht in das relevante Zeitfenster fallen. Eine Nachförderung ist daher ggf. zu unterdrücken.
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In 4 sind in einem Diagramm beispielhaft drei repräsentative Werte Rstat,1, Rstat,2 und Rstat,3 gezeigt, wie sie bspw. für die in 1 gezeigten Kraftstoffinjektoren gemäß dem oben erläuterten Verfahren ermittelt werden können.
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Weiterhin ist ein Vergleichswert R stat gezeigt, der beispielhaft aus den drei repräsentativen Werten Rstat,1, Rstat,2 und Rstat,3 gewonnen wird, bspw. als arithmetischer Mittelwert. Weiterhin ist ein erster Schwellwert ∆R1 gezeigt. Wie in 4 zu sehen ist, weicht der repräsentative Werte Rstat,2 um mehr als den ersten Schwellwert ∆R1 vom Vergleichswert R stat ab.
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In 5a ist in einem Diagramm ein Druck p in einem Hochdruckspeicher über einer Zeit t gezeigt. Dabei ist ein Druckverlauf mit einer Erhöhung des Drucks bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt.
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Zunächst weist der Druck den Wert p0 auf, bei dem es sich bspw. um einen regulären Betriebsdruck handeln kann. Wird nun, wie in 4 gezeigt, erkannt, dass ein repräsentativer Wert für einen Kraftstoffinjektor von einem Vergleichswert um mehr als einen ersten Schwellwert ∆R1 abweicht, so kann während einer Leerlaufphase ∆t1 der Druck im Hochdruckspeicher um einen ersten Druckwert ∆p1 erhöht werden.
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Zudem kann der Druck im Hochdruckspeicher, wie hier gezeigt, während einer Teillastphase ∆t2, die sich beispielhaft an die Leerlaufphase anschließt, um einen zweiten Druckwert ∆p2 erhöht werden. Es ist auch denkbar, dass der Druck nur während einer der beiden Phasen um den jeweiligen Druckwert erhöht wird.
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Auf diese Weise kann einer Verkokung des betreffenden Kraftstoffinjektors entgegengewirkt werden. Insbesondere kann bei noch geringen Abweichungen des repräsentativen Werts vom Vergleichswert, wie bspw. um etwas mehr als den ersten Schwellwert, eine moderate Druckerhöhung erfolgen.
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In 5b ist in einem Diagramm ein Druck p in einem Hochdruckspeicher über einer Zeit t gezeigt. Dabei ist ein Druckverlauf mit einer Erhöhung des Drucks bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gezeigt.
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Zunächst weist der Druck den Wert p0 auf, bei dem es sich bspw. um einen regulären Betriebsdruck handeln kann. Wird nun erkannt, dass ein repräsentativer Wert für einen Kraftstoffinjektor von einem Vergleichswert um mehr als einen zweiten Schwellwert abweicht, so kann während einer Leerlaufphase ∆t1 und während einer Teillastphase ∆t2 der Druck im Hochdruckspeicher um einen dritten Druckwert ∆p3 erhöht werden. Es ist auch denkbar, dass der Druck während jeder Betriebsphase erhöht wird.
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Auf diese Weise kann einer Verkokung des betreffenden Kraftstoffinjektors entgegengewirkt werden. Insbesondere kann bei bereits hohen Abweichungen des repräsentativen Werts vom Vergleichswert, wie bspw. um etwas mehr als den zweiten Schwellwert, eine starke Druckerhöhung erfolgen.
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Es versteht sich, dass auch zunächst nur eine Druckerhöhung wie in 5a gezeigt erfolgen kann und dann, wenn die Abweichung des betreffenden repräsentativen Werts vom Vergleichswert nicht zurückgeht sondern weiter ansteigt, eine weitere Druckerhöhung wie in 5b gezeigt erfolgen kann.
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Wird ein Rückgang der Abweichung erkannt, insbesondere unter einen dritten Schwellwert, kann die Druckerhöhung wieder zurückgenommen werden. Bspw. kann die Druckerhöhung schrittweise bis zum regulären Betriebsdruck zurückgenommen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015205877 [0005]
- DE 102007050813 A1 [0006]
- DE 102009002593 A1 [0037]
