DE202015007222U1

DE202015007222U1 - Computerprogramm zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, elektronisches Steuergerät und dazugehöriges Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE202015007222U1
Application number: DE202015007222.4U
Authority: DE
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-10-17
Filing date: 2015-10-17
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2025-10-18

Abstract

Computerprogramm zum Betrieb eines Verbrennungsmotors (110), der einen Kraftstoffinjektor (160) aufweist, wobei das Computerprogramm einen Computercode umfasst, der, wenn er auf einem Computer ausgeführt wird, die folgenden Schritte durchführt:
– Betreiben des Kraftstoffinjektors (160), um ein Einspritzmuster auszuführen, das eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzungen umfasst;
– für jede Kraftstoffeinspritzung des Musters erfolgendes Bestimmen eines Ölverdünnungskoeffizienten (Ki) auf Basis eines Einspritzbeginns (SOI) der Kraftstoffeinspritzung;
– für jede Kraftstoffeinspritzung des Musters erfolgendes Berechnen eines Produkts aus einer während der Kraftstoffeinspritzung eingespritzten Kraftstoffmenge und dem entsprechenden Ölverdünnungskoeffizienten (Ki);
– Bestimmen eines Ölverdünnungsfaktors (ODF) des Musters durch Addieren der berechneten Produkte;
– Schätzen einer auf das Muster zurückzuführenden Ölverdünnungsrate (Rj) mithilfe des Ölverdünnungsfaktors (ODF);
– Steuern des Betriebs des Verbrennungsmotors auf Basis der Ölverdünnungsrate (Ri).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet betrifft ein Computerprogram zum Betrieb eines Verbrennungsmotors.
HINTERGRUND
Es ist bekannt, dass Verbrennungsmotoren mit Mehrfacheinspritzmustern betrieben werden können, d. h. bei jedem Motorzyklus wird eine Abfolge von Einspritzimpulsen durchgeführt.
Ein typisches Mehrfacheinspritzmuster kann mit einem Piloteinspritzimpuls beginnen, auf den eine oder mehrere Voreinspritzungen sowie ein Haupteinspritzimpuls folgen, wobei des schließlich mit einer oder mehreren Nacheinspritzungen und/oder Post-Einspritzungen endet.
Mehrfacheinspritzmuster können zum Beispiel in Dieselmotoren zum Einsatz kommen, um einen Dieselpartikelfilter zu regenerieren oder um andere Nachbehandlungsvorrichtungen aufzuwärmen, die dafür ausgelegt sind, die Abgase zu filtern und/oder deren Zusammensetzung zu verändern.
Einige der Einspritzungen eines Mehrfacheinspritzmusters verbrennen nur teilweise im Verbrennungsraum, andere verbrennen nur in der Nachbehandlungsvorrichtung.
Diese Mehrfacheinspritzmuster führen zu einem seit langem bekannten Problem: zur Verdünnung des Öls in der Ölwanne.
Dieses Phänomen wird durch die Adsorption eines Teils der Kohlenwasserstoffe (KW) verursacht, die insbesondere, aber nicht ausschließlich, von den späten Einspritzungen stammen, d. h. von Einspritzungen, bei denen der Einspritzbeginn (Start of Injection, SOI) nach dem oberen Totpunkt (OT) des Kolbens erfolgt: Kraftstofftröpfchen, die bei nicht mehr effizienter Verbrennung eingespritzt werden, erreichen die kalte Zylinderwand und fallen anschließend in die Ölwanne hinunter.
Die Ölverdünnung hat eine Verringerung der Viskosität des Öls zur Folge und kann längerfristig zu einer Beschädigung der Motorbauteile führen.
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine zuverlässige Lösung zur Schätzung der Ölverdünnung in einem Verbrennungsmotor zu schaffen.
Diese und andere Ziele werden durch ein Verfahren, eine Vorrichtung, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt erzielt, welche die in den unabhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmale aufweisen.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben bevorzugte und/oder besonders vorteilhafte Aspekte.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Ausführungsform der Offenbarung schafft ein Computerprogramm zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, der einen Kraftstoffinjektor aufweist, wobei das Computerprogramm einen Computercode umfasst, der, wenn er auf einem Computer ausgeführt wird, die folgenden Schritte durchführt:

– Betreiben des Kraftstoffinjektors, um ein Einspritzmuster auszuführen, das eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzungen umfasst;
– für jede Kraftstoffeinspritzung des Musters erfolgendes Bestimmen eines Ölverdünnungskoeffizienten auf Basis eines Einspritzbeginns (SOI) der Kraftstoffeinspritzung;
– für jede Kraftstoffeinspritzung des Musters erfolgendes Berechnen eines Produkts aus einer während der Kraftstoffeinspritzung eingespritzten Kraftstoffmenge und dem entsprechenden Ölverdünnungskoeffizienten;
– Bestimmen eines Ölverdünnungsfaktors des Musters durch Addieren der berechneten Produkte;
– Schätzen einer auf das Muster zurückzuführenden Ölverdünnungsrate mithilfe des Ölverdünnungsfaktors;
– Steuern des Betriebs des Verbrennungsmotors auf Basis der Ölverdünnungsrate.

Ein Effekt dieser Ausführungsform besteht darin, dass sich die Schätzung der Ölverdünnung starker an den realen Bedingungen orientiert, indem alle Einspritzungen berücksichtigt werden, die während des Betriebs des Motors durchgeführt werden, einschließlich jener, die zum Aufwärmen und/oder zur Regeneration der Nachbehandlungsvorrichtungen durchgeführt werden.
Insbesondere ist es durch die Berücksichtigung der korrekten Abhängigkeit der Ölverdünnung vom Einspritzzeitpunkt möglich, die Ölverdünnungswerte direkt mit dem verwendeten Einspritzmuster in Beziehung zu setzen.
Da zu Kalibrationszwecken jedem Einspritzmuster ein spezifischer Ölverdünnungsfaktor (ODF) zugeordnet wird, ist von Anfang an bekannt, dass hohe Ölverdünnungsraten bei jenen Mustern zu erwarten sind, die mit einem hohen ODF-Wert verbunden sind.
Schließlich kann diese Ausführungsform auf geeignete Weise für jeden Verbrennungsmodus angewendet werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt des Steuerns des Verbrennungsmotors die folgenden Schritte:

– Bestimmen eines partiellen Ölverdünnungswerts, indem die Ölverdünnungsrate mit der Zeit der Verwendung des Musters multipliziert wird;
– Bestimmen eines Ölverdünnungswerts, indem alle partiellen Ölverdünnungswerte während der Verwendungszeit des Verbrennungsmotors addiert werden; und
– Anzeigen einer übermäßigen Ölverdünnung, wenn der Ölverdünnungswert einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.

Ein Effekt dieser Ausführungsform besteht darin, dass sie es ermöglicht, einem Benutzer anzuzeigen, dass ein Ölwechsel notwendig ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst das Computerprogramm einen Computercode, der, wenn er auf einem Computer ausgeführt wird, den Schritt des Schätzens einer Ölverdünnungsrate mithilfe eines Kalibrationskennfelds durchführt, das den Ölverdünnungsfaktor mit der Ölverdünnungsrate in Beziehung setzt.
Ein Effekt dieser Ausführungsform besteht darin, dass sie es ermöglicht, den Ölverdünnungsfaktor jedes Einspritzmusters mit der entsprechenden Ölverdünnungsrate in Beziehung zu setzen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Computerprogramm einen Computercode, der, wenn er auf einem Computer ausgeführt wird, folgende weitere Schritte durchführt:

– Multiplizieren des Ölverdünnungsfaktors mit einem Turbulenzfaktor, um einen modifizierten Ölverdünnungsfaktor zu erhalten; und
– Schätzen der Ölverdünnungsrate mithilfe des modifizierten Ölverdünnungsfaktors.

Ein Effekt dieser Ausführungsform besteht darin, dass sie es ermöglicht, die Ölverdünnungswerte bei einem spezifischen Motorbetriebspunkt mit dem verwendeten Einspritzmuster direkt in Beziehung zu setzen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der Turbulenzfaktor bestimmt, indem ein Kalibrationskennfeld verwendet wird, das den Turbulenzfaktor mit einer Motordrehzahl in Beziehung setzt.
Ein Effekt dieser Ausführungsform besteht darin, dass sie es ermöglicht, die Ölverdünnung auf exakte Weise mit der Motordrehzahl in Beziehung zu setzen, da beobachtet wurde, dass das gleiche Einspritzmuster bei unterschiedlichen Motordrehzahlen aufgrund der unterschiedlichen Turbulenz der Ladung im Zylinder ein unterschiedliches Maß an Ölverdünnung hervorruft.
Ein anderer Aspekt der Erfindung schafft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, der einen Kraftstoffinjektor aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

Die vorliegende Lösung kann auch wie folgt ausgeführt sein: in Form eines Computerprogrammprodukts, das einen Träger umfasst, auf dem das vorstehend offenbarte Computerprogramm gespeichert ist, oder in Form eines elektromagnetischen Signals, das derart moduliert wird, dass es eine Sequenz von Datenbits trägt, die das Computerprogramm darstellen.
Die vorliegende Lösung kann auch in Form eines elektronischen Steuergeräts zum Steuern eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs ausgeführt sein, wobei das das elektronische Steuergerät dafür ausgelegt ist, das vorstehend offenbarte Computerprogramm auszuführen.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, der einen Kraftstoffinjektor aufweist, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:

– Mittel zum Betreiben des Kraftstoffinjektors, um ein Einspritzmuster auszuführen, das eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzungen umfasst;
– Mittel, um für jede Kraftstoffeinspritzung des Musters auf Basis eines Einspritzbeginns (SOI) der Kraftstoffeinspritzung einen Ölverdünnungskoeffizienten zu bestimmen;
– Mittel, um für jede Kraftstoffeinspritzung des Musters ein Produkt aus einer während der Kraftstoffeinspritzung eingespritzten Kraftstoffmenge und dem entsprechenden Ölverdünnungskoeffizienten zu berechnen;
– Mittel, um durch Addieren der berechneten Produkte einen Ölverdünnungsfaktor des Musters zu bestimmen;
– Mittel, um mithilfe des Ölverdünnungsfaktors eine auf das Muster zurückzuführende Ölverdünnungsrate zu schätzen;
– Mittel, um den Betrieb des Verbrennungsmotors auf Basis der Ölverdünnungsrate zu steuern.

Diese Ausführungsform der Erfindung bietet im Wesentlichen die gleichen Vorteile wie das vorstehend beschriebene Computerprogramm.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nun sollen die verschiedenen Ausführungsformen beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und wobei:
1 ein Kraftfahrzeugsystem zeigt;
2 ein Querschnitt eines zu dem Kraftfahrzeugsystem von 1 gehörenden Verbrennungsmotors ist;
3 einen vergrößerten Teil des Querschnitts von 2 zeigt;
4 eine Grafik ist, die eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzungen und ihre Auswirkung auf die Ölverdünnung zeigt;
5 eine Grafik ist, die eine experimentelle Beziehung zwischen verschiedenen Kraftstoffeinspritzungen und numerischen Koeffizienten zeigt, die bei einer Ausführungsform des Verfahrens verwendet werden;
6 eine Grafik ist, die eine experimentelle Beziehung zwischen der Motordrehzahl und eines die Ölverdünnung beeinflussenden Turbulenzfaktors zeigt; und
7 ein Fließdiagramm ist, das eine Ausführungsform der Erfindung zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG
Nun sollen beispielhafte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, ohne dass damit eine Einschränkung der Anwendung und Verwendungsweisen beabsichtigt ist.
Einige Ausführungsformen können ein Kraftfahrzeugsystem 100 beinhalten, das in den 1 und 2 gezeigt ist und das einen Verbrennungsmotor (ICE) 110 mit einem Motorblock 120 besitzt, der mindestens einen Zylinder 125 mit einem Kolben 140 definiert, der eine Kopplung aufweist, mit der die Kurbelwelle 145 gedreht wird. Ein Zylinderkopf 130 arbeitet mit dem Kolben 140 zusammen, um einen Verbrennungsraum 150 zu definieren. Ein Luft-Kraftstoffgemisch (nicht gezeigt) wird in den Verbrennungsraum 150 eingebracht und entzündet, was zu heißen expandierenden Verbrennungsgasen führt, die zu einer Hin- und Herbewegung des Kolbens 140 führen. Der Kraftstoff wird von mindestens einem Kraftstoffinjektor 160 zur Verfügung gestellt und die Luft durch mindestens einen Einlass 210. Der Kraftstoff wird unter hohem Druck von einem Kraftstoffrohr 170, das fluidzuleitend mit einer Hochdruckpumpe 180, die den Druck des von einer Kraftstoffquelle 190 kommenden Kraftstoffs erhöht, verbunden ist, zum Kraftstoffinjektor 160 geführt. Jeder der Zylinder 125 hat mindestens zwei Ventile 215, die von einer Nockenwelle 135 betrieben werden, die sich zeitgleich mit der Kurbelwelle 145 dreht. Die Ventile 215 lassen selektiv Luft vom Einlass 210 in den Verbrennungsraum 150 und erlauben alternierend den Auslass der Abgase durch den Auslass 220. In einigen Beispielen wird ein Nockenwellenverstellsystem 155 genutzt, um selektiv die zeitliche Abfolge zwischen der Nockenwelle 135 und der Kurbelwelle 145 zu verändern.
Die Luft kann den Lufteinlässen 210 über einen Einlasskrümmer 200 zugeführt werden. Eine Lufteinlassleitung 205 führt dem Einlasskrümmer 200 Umgebungsluft zu. In anderen Ausführungsformen kann eine Drosselklappe 330 gewählt werden, um den Luftstrom zum Einlasskrümmer 200 zu regeln. In weiteren Ausführungsformen wird ein System für komprimierte Luft wie beispielsweise ein Turbolader 230 mit einem Kompressor 240, der sich zusammen mit einer Turbine 250 dreht, eingesetzt. Die Drehung des Kompressors 240 erhöht den Druck und die Temperatur der Luft in der Leitung 205 und dem Einlasskrümmer 200. Ein in der Leitung 205 enthaltender Intercooler 260 kann die Temperatur der Luft reduzieren. Die Turbine 250 dreht sich beim Einströmen der von einem Auslasskrümmer 225 kommenden Abgase, der Abgas vom Auslass 220 durch eine Serie von Leitschaufeln leitet, bevor es durch die Turbine 250 expandiert wird. Die Abgase verlassen die Turbine 250 und werden zu einem Nachbehandlungssystem 270 geführt. Dieses Beispiel zeigt eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT) mit einem VGT-Aktuator 290, der ausgebildet ist, um die Leitschaufeln bzw. Flügel zu bewegen, damit die Flügel das Strömen des Abgases durch die Turbine 250 ändern. In anderen Ausführungsformen kann der Turbolader 230 eine feste Geometrie haben und/oder ein Wastegate haben.
Das Nachbehandlungssystem 270 kann ein Abgasrohr 275 aufweisen, das eine oder mehrere Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 280 hat. Nachbehandlungsvorrichtungen können beliebige Vorrichtungen sein, mit denen die Zusammensetzung der Abgase geändert werden kann. Einige Beispiele von Nachbehandlungsvorrichtungen 280 sind, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, katalytische (Zwei- und Drei-Wege-)Konverter, Oxidationskatalysatoren, NO_x-Fallen für den Magerbetrieb (lean NOx traps), Kohlenwasserstoffadsorber, Systeme für die selektive katalytische Reduktion (SCR) und Partikelfilter, wie z. B. ein Dieselpartikelfilter (DPF).
Andere Ausführungsformen umfassen ein Abgasrückführungssystem (EGR) 300, das mit dem Auslasskrümmer 225 und dem Einlasskrümmer 200 verbunden ist. Das EGR-System 300 kann einen EGR-Kühler 310 aufweisen, um die Temperatur der Abgase im EGR-System 300 zu reduzieren. Ein EGR-Ventil 320 regelt den Fluss der Abgase im EGR-System 300.
Das Kraftfahrzeugsystem 100 kann weiterhin ein elektronisches Steuergerät (ECM) 450 aufweisen, das dazu konfiguriert ist, Signale von oder nach verschiedenen, mit dem ICE 110 verbundenen Sensoren und/oder Geräten zu senden bzw. zu empfangen. Das ECM 450 kann Eingangssignale von verschiedenen Sensoren empfangen, die dafür ausgelegt sind, die Signale zu erzeugen, die proportional zu verschiedenen physikalischen Parametern in Zusammenhang mit dem ICE 110 sind. Die Sensoren umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, einen Luftmassenfluss- und Temperatursensor 340, einen Druck- und Temperatursensor 350 für den Krümmer, einen Sensor 360 für den Druck im Verbrennungsraum, Sensoren 380 für die Kühlflüssigkeits- und die Öltemperatur und/oder den zugehörigen Füllstand, einen Drucksensor 400 für den Kraftstoff, einen Nockenwellenpositionssensor 410, einen Kurbelwellenpositionssensor 420, Sensoren 430 für den Druck und die Temperatur der Abgase, einen EGR-Temperatursensor 440 sowie einen Positionssensor 445 für das Gaspedal. Weiterhin kann das ECM 450 an verschiedene Steuergeräte Ausgangssignale ausgeben, um den Betrieb des ICE 110 zu steuern, beispielsweise, aber nicht ausschließlich, an die Kraftstoffinjektoren 160, an die Drossel 330, an das EGR-Ventil 320, an den VGT-Aktuator 290 und an das Nockenwellenverstellsystem. Es ist anzumerken, dass gestrichelte Linien benutzt werden, um verschiedene Verbindungen zwischen den verschiedenen Sensoren, Vorrichtungen und dem ECM 450 anzudeuten, wobei aber andere zu Zwecken der Klarheit weggelassen sind.
Das Steuergerät 450 kann eine digitale Mikroprozessoreinheit (CPU) besitzen, die mit einem Speichersystem oder Datenträger 460 und einem Bussystem datenverbunden ist. Die CPU ist ausgebildet, Befehle, die als ein in dem Speichersystem abgelegtes Programm ausgeführt sind, abzuarbeiten, Eingangssignale vom Datenbus zu erfassen und Ausgangssignale an den Datenbus abzugeben. Das Speichersystem kann verschiedene Speichermedien wie optische, magnetische, Festkörper- und andere nicht-flüchtige Medien besitzen. Der Datenbus kann dafür ausgelegt sein, analoge und/oder digitale Signale an die verschiedenen Sensoren und Steuervorrichtungen zu senden, von diesen zu empfangen und diese Signale zu modulieren. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, sodass die CPU die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit den ICE 110 steuern kann.
Das im Speichersystem abgelegte Programm wird dem Steuergerät von außen kabelgebunden oder per Funk zugeführt. Außerhalb des Kraftfahrzeugsystems 100 tritt es regelmäßigerweise auf einem Computerprogrammprodukt in Erscheinung, welches im Fachgebiet auch als computer- oder maschinenlesbares Medium bezeichnet wird, und das als ein Computerprogrammcode auf einem Träger verstanden werden soll. Der Träger kann dabei flüchtiger oder nicht-flüchtiger Natur sein mit der Folge, dass man auch von einer flüchtigen oder nicht-flüchtigen Natur des Computerprogrammprodukts sprechen kann.
Ein Beispiel für ein flüchtiges Computerprogrammprodukt ist ein Signal, bspw. ein elektromagnetisches Signal wie ein optisches Signal, das ein flüchtiger Träger für den Computerprogrammcode ist. Das Tragen des Computerprogrammcodes kann durch Modulieren des Signals mit einem konventionellen Modulationsverfahren wie QPSK für digitale Daten erreicht werden, so dass binäre Daten, die den Computerprogrammcode repräsentieren, dem flüchtigen elektromagnetischen Signal aufgeprägt sind. Solche Signale werden zum Beispiel benutzt, wenn ein Computerprogrammcode kabellos über eine WiFi-Verbindung zu einem Laptop übertragen wird.
Im Fall eines nicht-flüchtigen Computerprogrammprodukts ist der Computerprogrammcode in einem substratgebundenen Speichermedium verkörpert. Das Speichermedium ist dann der oben genannte nicht-flüchtige Träger, so dass der Computerprogrammcode permanent oder nicht-permanent auf abrufbare Weise in oder auf dem Speichermedium abgelegt ist. Das Speichermedium kann konventioneller Art sein, wie es im Bereich der Computertechnologie bekannt ist, bspw. ein flash memory, ein Asic, eine CD und dergleichen.
Anstelle eines Motorsteuergeräts 450 kann das Kraftfahrzeugsystem 100 eine andere Art von Prozessor haben, um die elektronische Logik bereitzustellen, bspw. ein eingebettetes Steuergerät (engl. embedded controller), einen Bordcomputer oder jede andere Art von Prozessor, die in einem Fahrzeug verwendet werden kann.
Das ECM 450 kann auch mit Anzeigemitteln wie z. B. einer Ölleuchte 470 elektrisch verbunden sein.
3 zeigt einen vergrößerten Teil des Querschnitts von 2.
In 3 wird das Ölverdünnungsphänomen schematisch dargestellt, d. h. Kraftstrofftröpfchen 510, die bei nicht mehr effizienter Verbrennung eingespritzt werden, berühren eine kalte Zylinderwand 520 und fallen anschließend in die Ölwanne 500 hinunter.
Versuchsdaten zeigen im Allgemeinen, dass das Ölverdünnungsphänomen in hohem Maß von der Winkelposition der Einspritzung abhängt, d. h. vom Wert des Einspritzbeginns (SOI) jeder einzelnen Einspritzung.
Wie dies im Fachgebiet bekannt ist, zeigt der Einspritzbeginn (SOI) den Zeitwert an, bei dem eine Einspritzung gestartet wird.
Daher wird das Öl in der Ölwanne 500 allmählich durch Kraftstrofftröpfchen verdünnt, und es kann zu einer allmählichen Verschlechterung der Schmiereigenschaften des Öls kommen.
Für die Haupteinspritzungen gilt Folgendes: Je später der Haupteinspritzimpuls abgegeben wird, umso geringer sind die Chancen, dass Kraftstofftröpfchen auf die Kolbenmulde 505 prallen, und umso höher ist daher die Gefahr, dass die Kraftstrofftröpfchen stattdessen auf die Zylinderwand 520 prallen, was zum Ölverdünnungsphänomen beiträgt.
Was die auf die Haupteinspritzung folgenden Einspritzungen betrifft, so kann dieses Prinzip im Allgemeinen durch den Wirkungsgrad der Verbrennung erklärt werden.
Es werden normalerweise insbesondere zwei Arten von Einspritzungen festgestellt, die nach dem oberen Totpunkt OT des Kolbens erfolgen, nämlich Nacheinspritzungen, d. h. Einspritzungen, die teilweise im Verbrennungsraum verbrennen, und ”Post”-Einspritzungen, d. h. Einspritzungen, die später als die Nacheinspritzungen auftreten und im Nachbehandlungssystem verbrennen, so dass sie die Temperatur der Nachbehandlungsvorrichtungen erhöhen, um eine Regeneration dieser Vorrichtungen durchführen zu können.
In 4 werden die Kraftstoffeinspritzungen 530 zusammen mit den entsprechenden Kraftstoffzündungen 540 dargestellt.
Die Kurve A zeigt die Abhängigkeit der Ölverdünnung vom Wert des Einspritzbeginns (SOI) der jeweiligen Einspritzung.
Was die Nacheinspritzung betrifft, so werden die Nacheinspritzungen, die am spätesten nach dem oberen Totpunkt OT des Kolbens erfolgen, in geringerem Ausmaß verdampft als die Einspritzungen, die am nächsten zum OT erfolgen, wodurch sie starker zur Ölverdünnung beitragen (4).
Bei den Post-Einspritzungen wird der gleiche Trend gemessen; in diesem Fall korreliert er jedoch mit dem Öffnen und Schließen der Abgasventile: Zu späte Post-Einspritzungen werden nicht mehr wirksam an das Nachbehandlungssystem weitergeleitet, da der Spüleffekt der Ventile nicht mehr wirksam ist.
In einer Zwischenposition zwischen den Nacheinspritzungen und den Post-Einspritzungen kommt es bekanntlich zu so genannten ”späten” Nacheinspritzungen, deren Winkelposition gewöhnlich bei etwa 110° nach dem oberen Totpunkt liegt.
Solche späten Nacheinspritzungen werden zum Beispiel auch häufig zum raschen Aufwärmen des Abgasrohrs 275 verwendet und tragen in hohem Maß zum Ölverdünnungsphänomen bei.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Ölverdünnungskorrekturfaktor (Oil Dilution Correction Factor, ODF) oder kurz Ölverdünnungsfaktor berechnet, wobei der ODF anschließend verwendet wird, um eine Ölverdünnungsrate zu berechnen, die zum Beispiel als Prozent Ölverdünnung pro Sekunde [%/s] ausgedrückt wird.
Indem die Ölverdünnungsrate geschätzt wird und mit der Verwendungszeit des Kraftfahrzeugsystems 100 multipliziert wird, kann die aktuelle Ölverdünnung OD in der Ölwanne 500 geschätzt werden.
Wenn die geschätzte Ölverdünnung OD einen vorbestimmten Schwellenwert OD_Thr übersteigt, können Anzeigemittel, wie z. B. eine Ölleuchte 470 oder akustische Mittel, aktiviert werden, um anzuzeigen, dass das Öl gewechselt werden muss.
Zur Schätzung des Ölverdünnungskorrekturfaktors ODF wird im Rahmen eines Versuchs ein erstes Kennfeld erstellt, um jede der verschiedenen Arten von Kraftstoffeinspritzungen, die durch den Grad Kurbelwinkel vor OT definiert werden, bei dem der SOI erfolgt, mit jeweiligen numerischen Koeffizienten Ki in Beziehung zu setzen.
Das erste Kennfeld kann durch die folgende Tabelle 1 veranschaulicht werden: TABELLE 1

–260 –220 –180 –140 –100 –80 –60 ... –5 °BDTC

K1 K2 K3 K4 K5 ... Ki ... Kn [-]
Daher ist jeder numerische Koeffizient Ki ein Parameter, der repräsentativ für den SOI einer bestimmten Kraftstoffeinspritzung ist und das Gewicht des SOI jeder Einspritzung im Hinblick auf die Ölverdünnung ausdrückt.
Dieser numerische Koeffizient Ki kann auf Basis historischer Daten oder auf Basis spezifischer Tests bestimmt werden, die einmal im voraus durchgeführt werden.
Beispielsweise kann ein Techniker im Rahmen von Versuchen zur Erstellung des ersten Kennfelds von Tabelle 1 ein Kalibrationsverfahren mit wenigstens einem Test-Verbrennungsmotor durchführen, zum Beispiel mit einem Verbrennungsmotor, der dem ICE 110 entspricht, und eine Vielzahl von Einspritzungen in einen Zylinder 125 des Motors vornehmen, wobei jede Einspritzung zu einem anderen SOI, aber mit der gleichen Einspritzmenge durchgeführt wird, wonach der Ölverdünnungswert für jede Einspritzung gemessen wird, wobei der Ölverdünnungswert als Prozentanteil des im Öl verdünnten Kraftstoffs ausgedrückt wird.
Ein Beispiel für eine solche experimentelle Bestimmung wird durch die Kurve B von 5 dargestellt, wobei höhere Werte für den numerischen Koeffizienten Ki bei der Post-Einspritzung (Pfeil F1) beobachtet werden, dazwischenliegende Werte für den numerischen Koeffizienten Ki bei den späten Nacheinspritzungen (Pfeil F2) beobachtet werden und die niedrigsten Werte für den numerischen Koeffizienten Ki bei den Nacheinspritzungen (Pfeil F3) beobachtet werden.
Für jede durchgeführte Einspritzung kann eine entsprechende eingespritzte Kraftstoffmenge FQi bestimmt werden, zum Beispiel durch indirekte Verfahren zur Schätzung der tatsächlichen Einspritzmenge, indem die tatsächliche Einspritzmenge mit einem messbaren Signal in Beziehung gesetzt wird. Beispiele für messbare Signale sind die Beschleunigung der Kurbelwelle, die O₂-Konzentration, der Zylinderinnendruck u. a.
Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Einspritzmustern hinsichtlich der Ölverdünnung klassifiziert werden.
Jedes definierte Einspritzmuster umfasst eine Vielzahl von Einspritzungen, wobei jede Einspritzung ihren eigenen SOI und ihre eigene Kraftstoffeinspritzmenge FQi aufweist.
Für jedes Einspritzmuster j kann mithilfe der folgenden Gleichung (1) ein entsprechender Wert des Ölverdünnungsfaktors ODFj definiert werden:
wobei Ki die in Tabelle 1 aufgelisteten numerischen Koeffizienten für jede einzelne Einspritzung i des Einspritzmusters ODFj sind und FQi die Kraftstoffmenge ist, die bei der i-ten Einspritzung des j-ten Einspritzmusters eingespritzt wird.
Nach der Berechnung des jeweiligen Werts des Ölverdünnungsfaktors ODFj kann dieser in einem Kalibrationskennfeld verwendet werden, das die Ölverdünnungsfaktoren ODFj mit der Ölverdünnungsrate Rj in Beziehung setzt, die für das jeweilige Einspritzmuster j vorausgesagt wird.
Dieses Kennfeld kann durch die folgende Tabelle 2 veranschaulicht werden: TABELLE 2

ODF1 ODF2 ODF3 ODF4 ... ODFj ... ODFn [-]

R1 R2 R3 R4 ... Rj ... Rn [%/s]
Somit ist jeder numerische Koeffizient Rj ein Parameter, der repräsentativ für die Ölverdünnungsrate Rj ist, die für das jeweilige Einspritzmuster j vorausgesagt wird.
Beispielsweise kann ein Techniker im Rahmen von Versuchen zur Erstellung des Kennfelds von Tabelle 2 ein Kalibrationsverfahren mit wenigstens einem Test-Verbrennungsmotor durchführen, zum Beispiel mit einem Verbrennungsmotor, der dem ICE 110 entspricht, und eine Vielzahl von Mustern von Einspritzungen in einen Zylinder des Motors vornehmen, wobei jedes Muster durch eine Reihe von Kraftstoffeinspritzungen definiert ist, wobei bei jeder Einspritzung die gleiche Einspritzmenge eingespritzt wird, und wobei für jedes der getesteten spezifischen Einspritzmuster ein Ölverdünnungswert gemessen wird, der als Prozentanteil des im Öl verdünnten Kraftstoffs ausgedrückt wird.
Dieser numerische Koeffizient Rj kann mithilfe eines spezifischen Ölverdünnungstests bestimmt werden, der auf einem Prüfstand ausgeführt wird.
Darüber hinaus können die Ölverdünnungsfaktoren ODFj dazu verwendet werden, das jeweilige Einspritzmuster durch eine Zahl zu kennzeichnen, wobei diese Muster klassifiziert werden, indem jenen Mustern, die eine stärkere Ölverdünnung verursachen, ein höherer ODFj zugeordnet wird.
Anschließend kann ein Ölverdünnungswert OD bestimmt werden, indem die partiellen Ölverdünnungswerte ODi addiert werden, wobei jeder partielle Ölverdünnungswert erzielt wird, indem die Ölverdünnungsrate Rj für das jeweilige Einspritzmuster j mit der Verwendungszeit TPj dieses jeweiligen Einspritzmusters j multipliziert wird, und wobei der Ölverdünnungswert OD während der Verwendung des Kraftfahrzeugsystems 100 kontinuierlich aktualisiert wird, indem die partiellen Ölverdünnungswerte ODi addiert werden.
Die folgende Tabelle 3 zeigt ein Beispiel dieser Berechnungen, wobei nacheinander die Einspritzmuster 3, 1, 5, 2 usw. ausgeführt werden: TABELLE 3

R3 TP3 OD1

R1 TP1 OD2

R5 TP5 OD3

R2 TP2 OD4

... ... ...

... ... ...

Rn TPn ODn
Der während der Verwendung des Kraftfahrzeugsystems 100 kontinuierlich aktualisierte Ölverdünnungswert OD kann mithilfe der folgenden Gleichung (2) berechnet werden:
Der wie oben berechnete Ölverdünnungswert OD nimmt während der Verwendung des Kraftfahrzeugsystems 100 gleichbleibend zu; wenn der Ölverdünnungswert einen vorbestimmten Schwellenwert OD_Thr übersteigt, kann eine übermäßige Ölverdünnung angezeigt werden, zum Beispiel durch die Aktivierung einer Ölleuchte 470 und/oder einen akustischen Alarm.
Die Genauigkeit des oben beschriebenen Verfahrens kann verbessert werden, indem die Auswirkung der Turbulenz des eingespritzten Kraftstoffs auf die Ölverdünnung aufgrund unterschiedlicher Motordrehzahlen berücksichtigt wird.
6 ist insbesondere eine Grafik, die eine experimentelle Beziehung zwischen der Motordrehzahl und eines die Ölverdünnung beeinflussenden Turbulenzfaktors zeigt.
Nach der Berechnung eines jeweiligen Werts des Ölverdünnungsfaktors ODFj kann dieser mit einem Turbulenzfaktor Ti multipliziert werden, um einen modifizierten Ölverdünnungsfaktor mODFj für das jeweilige Einspritzmuster zu erhalten.
Die Turbulenzfaktoren Ti hängen von jeweiligen Motordrehzahlwerten ESPEEDi ab; sie können im Rahmen eines Versuchs bestimmt werden und in einem Kalibrationskennfeld gespeichert werden, wie es z. B. durch die folgende Tabelle 4 veranschaulicht wird: TABELLE 4

1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 ... 4000 rpm

T1 T2 T3 T4 T5 ... Ti ... Tn [-]
Ein Beispiel für eine solche experimentelle Bestimmung wird durch die Kurve C von 6 dargestellt, wobei höhere Werte für die Turbulenzfaktoren Ti bei niedrigeren Motordrehzahlwerten beobachtet werden.
Beispielsweise kann ein Techniker im Rahmen von Versuchen zur Erstellung des Kennfelds von Tabelle 4 ein Kalibrationsverfahren mit wenigstens einem Test-Verbrennungsmotor durchführen, zum Beispiel mit einem Verbrennungsmotor, der dem ICE 110 entspricht, und eine Vielzahl von Einspritzungen in einen Zylinder des Motors vornehmen, wobei jede Einspritzung durch die gleiche Einspritzmenge und den gleichen SOI definiert ist, aber bei unterschiedlichen Motordrehzahlen ausgeführt wird, wonach für jede der verschiedenen getesteten Motordrehzahlen ein Ölverdünnungswert gemessen wird, der als Prozentanteil des im Öl verdünnten Kraftstoffs ausgedrückt wird.
Mithilfe der Tabelle 4 kann durch die folgende Gleichung (3) für jedes Einspritzmuster j ein entsprechender Wert für den modifizierten Ölverdünnungsfaktor mODFj berechnet werden: mODF_j = ODF_j·T_i (3) wobei Ti der dem Motordrehzahlwert entsprechende Turbulenzfaktor während der Ausführung des Einspritzmusters j ist.
Nach der Berechnung des jeweiligen Werts des modifizierten Ölverdünnungsfaktors mODFj kann dieser Wert in einem Kalibrationskennfeld verwendet werden, das die modifizierten Ölverdünnungsfaktoren mODFj mit der Ölverdünnungsrate Ri in Beziehung setzt, die für das jeweilige Einspritzmuster j vorausgesagt wird, wobei die Auswirkung der Turbulenz berücksichtigt wird.
Dieses Kennfeld kann durch die folgende Tabelle 5 veranschaulicht werden: TABELLE 5

mODF1 mODF2 mODF3 mODF4 ... mODFj ... mODFn [-]

R1 R2 R3 R4 ... Rj ... Rn [%/s]
Bei den zur Erstellung des Kennfelds von Tabelle 5 durchgeführten Versuchen handelt es sich beispielsweise um solche, die jenen ähnlich sind, wie sie zur Erstellung der Tabelle 2 ausgeführt wurden, wobei ein Techniker ein Kalibrationsverfahren mit wenigstens einem Test-Verbrennungsmotor durchführen kann, zum Beispiel mit einem Verbrennungsmotor, der dem ICE 110 entspricht, um eine Vielzahl von Mustern von Einspritzungen in einen Zylinder des Motors vorzunehmen, wobei jedes Muster durch eine Reihe von Kraftstoffeinspritzungen definiert wird, wobei bei jeder Kraftstoffeinspritzung die gleiche Kraftstoffmenge eingespritzt wird und für jedes spezifische getestete Einspritzmuster ein Ölverdünnungswert gemessen wird, der als Prozentanteil des im Öl verdünnten Kraftstoffs ausgedrückt wird.
Anschließend kann auf die gleiche Weise, wie sie oben beschrieben wurde, ein Ölverdünnungswert OD bestimmt werden, indem die partiellen Ölverdünnungswerte ODi addiert werden, wobei jeder partielle Ölverdünnungswert erzielt wird, indem die Ölverdünnungsrate Rj für das jeweilige Einspritzmuster j mit der Verwendungszeit TPj des jeweiligen Einspritzmusters j multipliziert wird, und wobei der Ölverdünnungswert OD während der Verwendung des Kraftfahrzeugsystems 100 kontinuierlich aktualisiert wird, indem die partiellen Ölverdünnungswerte ODi addiert werden.
Der während der Verwendung des Kraftfahrzeugsystems 100 kontinuierlich aktualisierte Ölverdünnungswert OD kann mithilfe der folgenden Gleichung (2) berechnet werden:
7 ist ein Fließdiagramm, das eine Ausführungsform der Erfindung zeigt.
In einem ersten Schritt wird ein Einspritzmuster überwacht, das eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzungen umfasst (Block 700).
Anschließend wird der Einspritzbeginn (SOI) jeder Kraftstoffeinspritzung in dem Muster bestimmt (Block 710), und es werden Koeffizienten Ki bestimmt, die repräsentativ für den SOI jeder Kraftstoffeinspritzung in dem Muster sind (Block 720).
Mit dieser Informationen wird ein Ölverdünnungsfaktor (ODF) des Musters bestimmt, indem für alle Einspritzungen im Muster die Produkte aus den Werten der Koeffizienten Ki jeder Kraftstoffeinspritzung im Muster und dem Wert der in der entsprechenden Einspritzung eingespritzten Kraftstoffmenge FQi addiert werden (Block 730).
Anschließend wird eine auf das Muster zurückzuführende Ölverdünnungsrate Rj mithilfe des Ölverdünnungsfaktors (ODF) geschätzt (Block 740), und es wird ein Wert der partiellen Ölverdünnung ODi berechnet, indem die Ölverdünnungsrate Rj mit der Verwendungszeit des Musters multipliziert wird (Block 750).
Schließlich wird ein Ölverdünnungswert OD berechnet, indem alle partiellen Ölverdünnungswerte ODi während der Verwendungszeit des Kraftfahrzeugsystems 100 addiert werden (Block 760).
Anschließend wird der Ölverdünnungswert OD kontinuierlich überwacht und aktualisiert und anschließend mit einem vorbestimmten Schwellenwert OD_Thr verglichen (Block 770).
Wenn der beobachtete Ölverdünnungswert OD größer als der vorbestimmte Schwellenwert OD_Thr ist, wird eine übermäßige Ölverdünnung angezeigt, indem zum Beispiel Anzeigemittel, wie z. B. eine Ölleuchte 470 oder akustische Mittel, aktiviert werden (Block 780).
In der vorstehenden Zusammenfassung und genauen Beschreibung wurde wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform vorgestellt; es sollte jedoch beachtet werden, dass es eine große Anzahl von Abänderungsmöglichkeiten gibt. Es sollte auch beachtet werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen nur Beispiele sind und nicht dazu dienen, den Schutzumfang, die Anwendbarkeit oder den Aufbau in welcher Weise auch immer einzuschränken. Vielmehr wird die vorstehende Zusammenfassung und genaue Beschreibung dem Fachmann eine praktische Anleitung zur Umsetzung von wenigstens einer beispielhaften Ausführungsform bieten, wobei es sich von selbst versteht, dass verschiedene Abänderungen bei den Funktionen und Anordnungen der anhand einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang zu verlassen, wie er in den beiliegenden Ansprüchen und ihren rechtlichen Äquivalenten definiert ist.
Bezugszeichenliste

100: Kraftfahrzeugsystem
110: Verbrennungsmotor (ICE)
120: Motorblock
125: Zylinder
130: Zylinderkopf
135: Nockenwelle
140: Kolben
145: Kurbelwelle
150: Verbrennungsraum
155: Nockenwellenverstellsystem
160: Kraftstoffinjektor
170: Kraftstoffrohr
180: Kraftstoffpumpe
190: Kraftstoffquelle
200: Einlasskrümmer
205: Lufteinlassleitung
210: Lufteinlassöffnung
215: Ventile des Zylinders
220: Abgasöffnung
225: Abgaskrümmer
230: Turbolader
240: Kompressor
250: Turbine
260: Intercooler
270: Nachbehandlungssystem
275: Abgasrohr
280: Abgasnachbehandlungsvorrichtung
290: VGT-Aktuator
300: Abgasrückführungssystem (EGR)
310: EGR-Kühler
320: EGR-Ventil
330: Drosselklappe
340: Massenfluss- und Temperatursensor für die Luft
350: Sensor für Krümmerdruck und -temperatur
360: Verbrennungsdrucksensor
380: Sensoren für Kühlflüssigkeits- und Öltemperatur und den zugehörigen Füllstand
400: Kraftstoffleistendrucksensor
410: Nockenwellenpositionssensor
420: Kurbelwellenpositionsensor
430: Sensor für Druck und Temperatur der Abgase
445: Gaspedalpositionssensor
450: elektronisches Steuergerät (ECM)
460: Datenträger
470: Ölleuchte
500: Ölwanne
505: Kolbenmulde
510: Öltröpfchen
520: Zylinderwand
530: Kraftstoffeinspritzungen
540: Kraftstoffzündung
700: Block
710: Block
720: Block
730: Block
740: Block
750: Block
760: Block
770: Block
780: Block

Claims

Computerprogramm zum Betrieb eines Verbrennungsmotors (110), der einen Kraftstoffinjektor (160) aufweist, wobei das Computerprogramm einen Computercode umfasst, der, wenn er auf einem Computer ausgeführt wird, die folgenden Schritte durchführt: – Betreiben des Kraftstoffinjektors (160), um ein Einspritzmuster auszuführen, das eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzungen umfasst; – für jede Kraftstoffeinspritzung des Musters erfolgendes Bestimmen eines Ölverdünnungskoeffizienten (Ki) auf Basis eines Einspritzbeginns (SOI) der Kraftstoffeinspritzung; – für jede Kraftstoffeinspritzung des Musters erfolgendes Berechnen eines Produkts aus einer während der Kraftstoffeinspritzung eingespritzten Kraftstoffmenge und dem entsprechenden Ölverdünnungskoeffizienten (Ki); – Bestimmen eines Ölverdünnungsfaktors (ODF) des Musters durch Addieren der berechneten Produkte; – Schätzen einer auf das Muster zurückzuführenden Ölverdünnungsrate (Rj) mithilfe des Ölverdünnungsfaktors (ODF); – Steuern des Betriebs des Verbrennungsmotors auf Basis der Ölverdünnungsrate (Ri).
Computerprogramm nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Steuerns des Verbrennungsmotors die folgenden Schritte umfasst: – Bestimmen eines partiellen Ölverdünnungswerts (ODi), indem die Ölverdünnungsrate (Rj) mit der Verwendungszeit des Musters multipliziert wird; – Bestimmen eines Ölverdünnungswerts (ODi), indem alle partiellen Ölverdünnungswerte (ODi) während der Verwendungszeit des Verbrennungsmotors (110) addiert werden; und – Anzeigen einer übermäßigen Ölverdünnung, wenn der Ölverdünnungswert (OD) einen vorbestimmten Schwellenwert (OD_Thr) übersteigt.
Computerprogramm nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Schätzens einer Ölverdünnungsrate (Rj) mithilfe eines Kalibrationskennfelds durchgeführt wird, der den Ölverdünnungsfaktor (ODF) mit der Ölverdünnungsrate in Beziehung setzt.
Computerprogramm nach Anspruch 1, ferner umfassend die folgenden Schritte: – Multiplizieren des Ölverdünnungsfaktors (ODF) mit einem Turbulenzfaktor (Ti), um einen modifizierten Ölverdünnungsfaktor (mODCF) zu erhalten; und – Schätzen der Ölverdünnungsrate (Rj) mithilfe des modifizierten Ölverdünnungsfaktors (mODCF).
Computerprogramm nach Anspruch 4, wobei der Turbulenzfaktor (Ti) mithilfe eines Kalibrationskennfelds bestimmt wird, der den Turbulenzfaktor (Ti) mit einer Motordrehzahl (ESPEEDi) in Beziehung setzt.
Elektronisches Steuergerät (450) zum Betrieb eines Verbrennungsmotors (110) eines Kraftfahrzeugs (105), wobei das elektronische Steuergerät (450) dafür ausgelegt ist, das Computerprogramm nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Computerprogrammprodukt, auf dem das Computerprogramm nach einem der Ansprüche 1–5 gespeichert ist.