Beschreibung

Titel

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Brennkraftmaschine und ein Computerprogramm nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art kommt beispielsweise bei Brennkraftmaschinen mit einem Common Rail Kraftstoff System zum Einsatz. Bei einem solchen Kraftstoffsystem ist die für die Einspritzung erforderliche Druckerzeugung vom eigentlichen Einspritzvorgang getrennt, was eine besonders genaue Steuerung des Einspritz- Vorgangs bei gleichzeitig hohem Einspritzdruck ermöglicht. Das Common Rail ist eine gemeinsame Kraftstoff- Hochdruckleitung für die Versorgung der Zylinder mit Kraftstoff. An das Common Rail sind Kraftstoff- Einspritzvorrichtungen angeschlossen. Einspritzzeitpunkt, Einspritzdauer und Einspritzmenge der Kraftstoff- Einspritzvorrichtungen werden pro Zylinder durch eine Elektronik in einem Steuergerät gesteuert. Durch die von der Elektronik erzeugten elektronischen Signale werden Ventilelemente, die in den Kraftstoff- Einspritzvorrichtungen eingebaut sind, beim öffnen und Schließen der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen über einen Aktor betätigt.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches besonders zuverlässig und präzise arbeitet, so dass geringe Emissionen

erzielt und Verschleißeinflüsse reduziert werden.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, sowie durch eine Brennkraftmaschine und ein Computerprogramm mit den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass das tatsächliche Einspritzende als Ist-Wert bekannt ist. In Referenz zum Ansteuerbeginn lässt dieses Verfahren einen direkten Rückschluss auf die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge (Kraftstoffzumessung) zu. Außerdem wird durch die Erfindung eine Funktionskontrolle der Einspritzvorrichtung ermöglicht, was die Zuverlässigkeit im Betrieb erhöht und das Risiko von Schäden der Brennkraftmaschine beispielsweise durch eine nicht erkannte klemmende Kraftstoff- Einspritzvorrichtung vermindert.

In einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass ein Anschlagen eines Ventilelements bei einem Schließen der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung erfasst und damit auf das tatsächliche Einspritzende geschlossen wird. Dem liegt die überlegung zu Grunde, dass es vorteilhaft ist, wenn zur Erfassung des tatsächlichen Einspritzendes ein geeigneter, messbarer Zustand der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung gefunden werden kann. Das Anschlagen des Ventilelements bspw. an einen Ventilsitz ist ein solcher definierter Zustand und bedeutet das eindeutige Ende der Einspritzung. Das Anschlagen kann mit elektronischen Mitteln einfach erkannt und anschließend bewertet werden.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass ein Anschlagen des Ventilelements bei einem öffnen der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung erfasst und damit auf einen tatsächlichen Einspritzbeginn geschlossen wird. Dies ist bei allen Kraftstoff- Einspritzvorrichtungen, die einen öffnungsanschlag für das Ventilelement besitzen, einfach und ohne großen Zusatzaufwand realisierbar und liefert eine zusätzliche Information, die für die

Optimierung der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung und für die Funktionskontrolle verwendet werden kann. In Kenntnis des Ist- Einspritzbeginns und des Ist- Einspritzendes kann die

Ist- Einspritzdauer ermittelt und hieraus die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge besonders genau bestimmt werden. Die Kenntnis vom Ist- Einspritzbeginn kann - ebenso wie die Information über das tatsächliche Einspritzende - auch einer Onboard- Diagnose- Einrichtung (OBD) zur Fehler- Auswertung zur Verfügung gestellt werden.

Ferner wird vorgeschlagen, dass das Anschlagen des Ventilelements durch einen Beschleunigungs- oder Körperschallsensor erfasst wird. Das plötzliche Abbremsen des Ventilelements beim Anschlagen an einen gehäusefesten Anschlag stellt - physikalisch gesehen - jeweils eine beschleunigte Bewegung dar, die durch das mechanisch- hydraulische Verhalten der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung bestimmt ist, sich auf das Gehäuse überträgt und auf einfache Art und Weise erfasst werden kann. Der Beschleunigungs- oder Körperschallsensor kann daher auch entfernt von den Anschlägen angeordnet sein, für eine optimale Signalausnutzung sollte seine Messachse aber mit der Bewegungsachse des Ventilelements zusammenfallen. Auf Grund der beengten Einbauverhältnisse im Bereich der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung sind Beschleunigungs- oder Körperschallsensoren auf der Basis von Piezokeramiken, die einen kleinen Bauraum aufweisen, besonders vorteilhaft. Andere Sensortypen, wie z.B. Drucksensoren sind auch denkbar, jedoch müssen andere Sensortypen geeignete Mittel aufweisen, um die definierten Positionen beim öffnen und Schließen der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung zu erkennen. Vorteilhaft ist bei Benutzung eines

Beschleunigungs- oder Körperschallsensors auch, dass mit einem einzigen Sensor beide Anschläge (beim öffnen und beim Schließen) erfasst werden können. Der durch das Anschlagen des Ventilelements verursachte Effekt kann im Sensorsignal durch eine geeignete Signalverarbeitung leicht detektiert werden, da er sich sowohl in Amplitude als auch vor allem durch die Frequenz von anderen durch Motor- und Fahrwerkseinflüsse verursachten Anteilen im Signal unterscheidet.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Beschleunigungs- oder Körperschallsensor in einem Stecker oder in einem Kopfabschnitt der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung positioniert ist. In vielen Anwendungsfällen ist es sogar möglich, den Sensor außerhalb der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung zu positionieren. Dies ist räumlich immer noch so nah zu dem zu detektierenden Ereignis, dass bei geeigneter

Anordnung die durch das Anschlagen erzeugte Amplitude höher ist als die durch parasitäre Effekte ausgelösten Amplituden. Damit werden die Funktionselemente im ohnehin engen Inneren der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung bei der Ermittlung des tatsächlichen Einspritzendes und/oder Einspritzbeginns nicht beeinträchtigt. Das Schallsignal des Anschlags kann über elektronische Filter, beispielsweise ein

Bandpassfilter, aus dem durch Motor- und Fahrwerkseinflüsse überlagerten Signal des Beschleunigungssensors herausgefiltert werden. Das Signal kann entweder direkt zu einem Motorsteuergerät übertragen und dort ausgewertet werden, oder es kann über eine an der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung befindliche elektronische Komponente zunächst vorverarbeitet und anschließend an das Motorsteuergerät übertragen werden.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in einem vorgegebenen, zeitlich begrenzten Messfenster, in dem das öffnen bzw. Schließen der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung erwartet wird, das tatsächliche öffnen und/oder Schließen ermittelt wird. Dies vereinfacht die Erkennung beispielsweise des Anschlagens des Ventilelements an dem Anschlag oder an den Anschlägen. Das Messfenster kann durch den Beginn bzw. das Ende der Ansteuerung terminiert werden und sollte möglichst eng gewählt werden, um unnötigen Messaufwand und Messfehler durch Signale, die von Schwingungen herrühren, die mit dem öffnen und Schließen der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung nichts zu tun haben und nicht herausgefiltert werden konnten, zu vermeiden. Das zyklische Aufsetzen des Messfensters und der jeweils damit erzwungene Neustart der Messung setzt die Messbedingungen immer wieder auf Standardwerte zurück. Messfehler durch ein „Aufschaukeln" von Signalen während einer Messphase können so vermieden werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das tatsächliche Einspritzende und/oder der tatsächliche Einspritzbeginn für eine Regelung der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung verwendet wird. Dies bedeutet, dass ermittelte zeitliche Differenzen zwischen Ist- Einspritzbeginn und Soll- Einspritzbeginn und Ist- Einspritzende und Soll- Einspritzende und damit auch der Ist- Einspritzdauer zur Soll- Einspitzdauer durch einen geschlossenen Regelkreis in einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung ausgeregelt werden. Hierdurch können die Genauigkeit der Kraftstoffzumessung und auch das

Timing der Kraftstoffeinspritzung deutlich verbessert werden. Damit wird auch das Luft- /Kraftstoffgemisches im Brennraum optimiert und die Emissionen gesenkt. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann in einem Motorsteuergerät integriert sein. Sie kann auch separat angeordnet sein und die ermittelten Ergebnisse an das Motorsteuergerät zurückmelden oder auch selbstständig die Steuerung und/oder Regelung der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung übernehmen.

Die oben angesprochene Regelung auf der Basis des zylinderindividuellen Ist- Einspritzbeginns und Ist- Einspitzendes hat zusätzlich den Vorteil, dass für jeden Brennraum der Brennkraftmaschine eine individuelle Anpassung der eingespritzten Kraftstoffmenge (Kraftstoffzumessung) erfolgen kann. Dem liegt die überlegung zu Grunde, dass durch fertigungsbedingte Gegebenheiten und betriebsdauerabhängige Alterungseffekte zwischen den einzelnen Brennräumen und deren Kraftstoff- Einspritzvorrichtungen mechanisch und/oder hydraulisch unterschiedliche Eigenschaften vorgefunden werden, was durch die vorgeschlagene zylinderindividuelle Regelung korrigiert werden kann.

Bei der individuellen Behandlung des Einspritzvorgangs für jeden Brennraum können vorteilhafterweise auch Signale anderer Einrichtungen des Kraftfahrzeugs, von anderen Steuereinrichtungen oder anderen Sensoren, die die Einspritzung beeinflussen können, berücksichtigt werden und das Luft- Kraftstoffgemisch im Brennraum, bspw. unter besonderen Last- oder Temperaturbedingungen, weiter optimiert werden. Durch diese individuelle Feinabstimmung des Einspritzvorgangs wird den gesetzlichen Forderungen nach Verbesserung von Abgasemissionswerten nachgekommen, und es kann die allgemeine Forderung der Endverbraucher nach Senkung des Kraftstoffverbrauchs erfüllt werden.

Da in allen Ländern außerdem laufend strengere Anforderungen an die Abgasemission der Kraftfahrzeuge gestellt werden, können durch das erfindungsgemäße Verfahren die jeweiligen Grenzwerte für die Abgasemission besser eingehalten werden, da die optimale Kraftstoffmenge für jeden Brennraum ermittelt wird. Außerdem können die ermittelten Informationen den elektronischen Diagnoseeinrichtungen (z.B. Onboard-

Diagnose OBD) des Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt werden, um im Bedarfsfall Fehler an der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung oder dem Sensor und bspw. einer daraus resultierenden Verschlechterung der Abgasemission zu erkennen und den Fahrer bspw. über eine Kontrollleuchte am Armaturenbrett zum Aufsuchen einer Werkstatt veranlassen. Darüber hinaus kann durch die Onboard-Diagnose das vorgeschlagene Verfahren im Rahmen der Sensor-überwachung auf Funktionstüchtigkeit abgesichert werden.

Auch können die Anforderungen an eine generell verbesserte Onboard- Diagnosefähigkeit (insbesondere aus den USA) in Bezug auf emissionsrelevante Komponenten berücksichtigt werden. Darüber hinaus kann dem Fahrer ein persönliches Feedback zu seiner Fahrweise auf einem Display im Bereich eines Armaturenbrettes gegeben werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird anhand der Figuren ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine in einer bevorzugten Ausführungsform;

Figur 2 eine vereinfachte Darstellung der für die Erfindung wesentlichen Teile der Brennkraftmaschine aus Figur 1; und

Figur 3 ein Ablaufdiagramm einer Einspritzung gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsform(en) der Erfindung

Eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, die in ihrer Gesamtheit in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist, umfasst einen Motorblock 11 mit mehreren Brennräumen 12. Kraftstoff wird in die Brennräume 12 direkt jeweils mittels einer Kraftstoff- Einspritzvorrichtung 13, auch Injektor genannt, eingespritzt (vergl. Figur 2). Hierzu verfügt jede der Kraftstoff- Einspritzvorrichtungen 13 über ein Gehäuse 9 und ein nadelartiges Ventilelement 14, welches mit einem gehäuseseitigen Ventilsitz an einer Einspritzdüse (nicht dargestellt) der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung 13 zusammenarbeitet. Durch einen Aktor 15 kann das Ventilelement 14 in Längsrichtung bewegt werden, wodurch die Kraftstoff- Einspritzvorrichtung 13 öffnet und schließt. Ein oberer und unterer Anschlag 16, 17 (in der Zeichnung nur schematisch in Verbindung mit dem Aktor 15 dargestellt) begrenzen den Weg des Ventilelements 14 beim öffnen und Schließen. Impulse, die von einem Steuergerät 18 (vorzugsweise einem Motorsteuergerät) über eine Ansteuer- und/oder Datenleitung 19 gesendet werden, betätigen den Aktor 15 und bewirken dadurch das öffnen und Schließen der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung 13.

Die Kraftstoff- Einspritzvorrichtungen 13 sind an einen Kraftstoffverteiler 20 angeschlossen, der auch als "Common RaM" bezeichnet wird. Der Kraftstoff ist im Common Rail 20 unter hohem Druck gespeichert. Hierzu wird der Kraftstoff über eine Hochdruck- Fördereinrichtung 21 in das Common Rail 20 gefördert.

Die Kraftstoff- Einspritzvorrichtung 13 weist an dem der Einspritzdüse gegenüberliegenden Ende und außerhalb der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung 13 einen Beschleunigungssensor 22 auf, der letztlich Körperschallschwingungen des Gehäuses 9 erfasst. Der Beschleunigungssensor 22 ist bei der dargestellten Ausführungsform in einem Stecker 22a untergebracht, durch den die Datenleitung 19 und eine weitere Datenleitung 23 an die Kraftstoff- Einspritzvorrichtung 13 angeschlossen sind. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform ist der Beschleunigungssensor in einem Kopfabschnitt des Gehäuses in die Kraftstoff- Einspritzvorrichtung integriert. Der Beschleunigungssensor 22 ermittelt jeweils das Anschlagen des Ventilelements 14 am oberen Anschlag 17 beim öffnen der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung 13 und am unteren Anschlag 16 beim Schließen der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung 13. Die Messrichtung

des Beschleunigungssensors 22 fällt mit der Bewegungsachse des Ventilelements 14 zusammen.

Natürlich sind andere Sensortypen zur Ermittlung des Anschlags des Ventilelements denkbar. So ist bspw. auch der Einsatz von zwei Drucksensoren möglich. Andere Sensortypen müssen auf jeden Fall geeignete Mittel aufweisen, um die definierten Positionen beim öffnen und Schließen der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung zu erkennen. Dies verändert im Allgemeinen auch die Ausführungsform der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung.

Die durch das Anschlagen des Ventilelements 14 verursachte Schwingung kann in einem Sensorsignal des Beschleunigungssensors 22 durch geeignete Signalverarbeitung erkannt werden, da sich die Schwingung sowohl in Amplitude als auch vor allem durch die Frequenz von anderen Motor- und Fahrwerkseinflüssen im Signal unterscheidet. Aufgrund der räumlichen Nähe des Beschleunigungssensors 22 zum anschlagenden Ventilelement 14 ist die Amplitude der vom mechanischen Anschlag 16,17 erzeugten Schwingung größer als die durch die Motor- und Fahrwerkeinflüsse erzeugten Amplituden. Mit Hilfe einer spezifischen Signalfilterung, vorzugsweise durch ein Bandpassfilter, können störende Signalanteile und damit Messfehler minimiert werden. Ein definiertes, zeitlich eng begrenztes Messfenster unterstützt das Verfahren und vermeidet zusätzlich Messfehler.

Das Sensorsignal des Anschlagens wird über die Datenleitung 23 an das Steuergerät 18 gesendet und dort ausgewertet (Ist-Zeitpunkt). Alternativ kann eine entsprechende Auswerteelektronik auch am Beschleunigungssensor angeordnet sein. Zuvor sind im Steuergerät 18 die Soll-Zeitpunkte für das öffnen und Schließen der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung 13 festgehalten worden.

Das Steuergerät 18 kann nun aus dem Soll-Zeitpunkt und dem durch den Beschleunigungssensor 22 ermittelten Ist-Zeitpunkt eine zeitliche Differenz berechnen und eine Korrekturmaßnahme bspw. für die nächstfolgende Einspritzung in den gleichen Brennraum 12 aufsetzen. Dies geschieht unter der Annahme, dass zwei aufeinanderfolgende Einspritzungen unter annähernd den gleichen Bedingungen

geschehen. Ziel ist es, dass die tatsächlich eingespritzte Ist- Kraftstoffmenge möglichst exakt der gewünschten Soll- Kraftstoffmenge entspricht, und auch, dass das Ist-Timing der Einspritzung möglichst exakt einem gewünschten Soll-Timing entspricht. Auf diese Weise verbrennt ein Luft-/Kraftstoffgemischs im Brennraum 12 optimal und werden Leistungsminderungen der Brennkraftmaschine 10 aufgrund von

Verschleißerscheinungen der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung 13 und eine Verschlechterung der Abgasemissionswerte vermindert.

In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann diese Ausregelung der Einspritzphase auch in einer separaten Steuer- und/oder Regeleinrichtung durchgeführt und danach die Korrektur dem Steuergerät zurückgemeldet werden oder direkt mit den korrigierten Zeitpunkten die Kraftstoff- Einspritzvorrichtung angesteuert werden.

Durch die individuelle Behandlung jedes einzelnen Brennraumes 12 ist es möglich, fertigungsbedingte Gegebenheiten und betriebsdauerabhängige Alterungseffekte in den einzelnen Brennräumen 12 mit ihren mechanisch und/oder hydraulisch unterschiedlichen Eigenschaften zu berücksichtigen. Auch können auswertbare Signale anderer Einrichtungen des Kraftfahrzeugs, wie andere Steuereinrichtungen oder andere Sensoren, berücksichtigt werden und das Luft- Kraftstoffgemisch im Brennraum 12, bspw. unter besonderen Last- oder Temperaturbedingungen, weiter optimieren.

Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Einspritzung bei der Brennkraftmaschine 10 von Figur 1, bei dem ein Ist- Einspritzbeginn und ein Ist- Einspritzende ermittelt wird. Konnektor A zeigt den Beginn einer neuen Einspritzphase. In Schritt 31 wird zu einem vom Steuergerät 18 ermittelten Zeitpunkt der Aktor 15 zum öffnen der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung 13 durch ein Signal angesteuert (Soll- Einspritzbeginn). Dabei wird in Schritt 32 ein zeitlich begrenztes Messfenster für die Erkennung der vollständig geöffneten Endstellung des Ventilelements 14 durch den Beschleunigungssensor 22 aufgesetzt. Dieses zeitlich begrenzte Messfenster basiert bspw. aus Erfahrungswerten vorhergegangener Einspritzungen und/oder wurde mit Hilfe einer Kennlinie, die beispielsweise eine Motordrehzahl berücksichtigt ermittelt. Es wird im Bereich um einen

vorgegebenen Sollwert für die öffnung des Ventilelements 14 bzw. den Beginn der Einspritzung (Soll- Einspritzbeginn) platziert und kennzeichnet den Zeitbereich, in dem das öffnen des Ventilelements 14 erwartet wird. Das Messfenster sollte möglichst eng gewählt werden, um Fremdeinflüsse beim Messen zu vermeiden.

Anschließend öffnet das Ventilelement 14 (Schritt 33) und die Einspritzung beginnt (Schritt 34). Das Ventilelement 14 wird so weit geöffnet, bis es an einen Anschlag schlägt (Schritt 35). Die erzeugte Schwingung durch das Anschlagen des Ventilelements 14 wird in Schritt 36 durch eine geeignete Signalverarbeitung aus dem durch Motor- und Fahrwerkseinflüsse überlagerten Sensorsignal herausgefiltert. Damit ist der Ist- Einspritzbeginn ermittelt.

In Schritt 37 wird das Ansteuersignal beendet (Soll-Einspritzende). Dabei wird zunächst wieder ein zeitlich begrenztes Messfenster im Bereich um den vorgegebenen Sollwert für das Schließen des Ventilelements 14 bzw. das Ende der Einspritzung (Soll- Einspritzende) platziert (Schritt 38). Es kennzeichnet den Zeitbereich, in dem das Schließen des Ventilelements 14 erwartet wird. Das Messfenster sollte möglichst eng gewählt werden, um Fremdeinflüsse beim Messen möglichst zu vermeiden. Anschließend schließt das Ventilelement 14 (Schritt 39). Das Ventilelement 14 schlägt in Schritt 40 in einen Ventilsitz der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung 13. Die Einspritzung ist beendet (Schritt 41).

Die erzeugte Schwingung durch das Anschlagen des Ventilelements 14 in den Ventilsitz wird in Schritt 42 durch eine geeignete Signalverarbeitung aus dem durch Motor- und Fahrwerkseinflüsse überlagerten Sensorsignal herausgefiltert. Damit ist das Ist- Einspritzende ermittelt. Ist- Einspritzbeginn und Ist- Einspritzende werden zum Steuergerät 18 übertragen und dort gespeichert (Schritt 43). Im Steuergerät 18 kann anschließend eine Bewertung der Ist-Zeitpunkte beim öffnen und Schließen der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung 13 durchgeführt und entsprechende Korrekturmaßnahmen zum Ausregeln des Einspritzbeginns und des Einspritzendes in der im Steuergerät integrierten Steuer- und/oder Regeleinrichtung aufgesetzt werden. Konnektor B kennzeichnet das Ende der Einspritzphase.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist das Ventilelement ballistisch ausgeführt, es fehlt also ein öffnungsanschlag, so dass ein Ist- Einspritzbeginn mit einem Beschleunigungssensor nicht erfasst werden kann. Allerdings lässt auch die Kenntnis des tatsächlichen Schließens (Ist- Einspitzende) der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung in Referenz zum Soll- Einspritzbeginn einen direkten Rückschluss auf die eingespritzte Kraftstoffmenge zu und bietet so ebenfalls die Möglichkeit, die Kraftstoffzumessung im entsprechenden Brennraum zu bewerten und auszuregeln.