Beschreibung Verfahren zur Quantifizierung einer Voreinspritzung bei einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine sowie Vor- richtung Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Quantifizierung ei. ner Voreinspri. tzung bei. einem Kraftstoffeinspritzsystem ei- ner Brennkraftmaschine aus, wobei ein Klopfsensor das bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches im Zylinder der Brennkraftmaschine entstehende Verbrennungsgeräusch erfasst und eine Auswerteeinheit dieses Geräusch filtert und analy- siert, nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüche 1 und 9. Rs i. st schon bekannt, dass bei einer Voreinspritzung, bei der eine sehr kleine Kraftstoffmenge, beispielsweise Diesel oder Benzin vor der eigentlichen Haupteinspritzung in den Zy- linder der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, eine exakte Bestimmung der eingespritzten Kraftstoffmenge kaum möglich ist.

Bisher wurde dieses Problem zum Beispiel dadurch gelöst, dass das Einspritzventil (Injektor) für eine bestimmte Zeitspanne angesteuert wurde, so dass dessen Einspritzventil so lange geöffnet wurde, bis die unter Druck stehende gewünschte Kraftstoffmenge ausgetreten ist. Dieses Verfahren arbeitet jedoch sehr unzuverlässig, da die eingespritzte Kraftstoff- menge beispielsweise von der Öffnungsdauer und der Öffnungs- weite des Einspritzventils, von Druckschwankungen im Hoch- drucksystem, von der Fließfähigkeit und der Temperatur des Kraftstoffs, vom Verschleiß der Düsennadel, von Toleranzen des Aktors, vom der Alterung und Langzeitdrift des Injektors usw. abhängt. Diese Faktoren sind nicht quantitativ erfassbar und können somit zu instabilen oder fehlerhaften Einspritz- mengen bei der Voreinspritzung führen.

Es ist weiter bekannt, dass zur Lösung dieser Probleme ver- sucht wurde, mit Hilfe eines Klopfsensors das bei der Ein-

spritzung und Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches entstehen- de Verbrennungsgeräusch zu erfassen und zu analysieren. Al- lerdings ergibt sich hierbei das Problem, dass das Verbren- nungsgeräusch nur während eines vorgegebenen, feststehenden Fensters erfasst werden kann, da die Lage und die Breite des Fensters in Bezug auf einen Kurbelwellen-Drehwinkel konstant gehalten wird. Der Einfluss, den wichtige Betriebsparameter wie die Drehzahl, das T, astmoment und/oder der Einspritzzeit- punkt auf das Verbrennungsgeräusch ausüben, konnte bei diesem Verfahren bisher nicht berücksichtigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren be- ziehungsweise eine Vorrichtung anzugeben, bei dem die bei der Voreinspritzung abgesetzte Kraftstoffmenge besser quantifi- ziert werden kann. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 9 gelöst.

Gegenüber dem bekannten Stand der Technik hat das erfindungs- gemäße Verfahren zur Quantifizierung einer Voreinspritzung beziehungsweise die Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merk- malen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 9 den Vorteil, dass auch kleinste Einspritzmengen von Kraftstoff bei der Vorein- spritzung zuverlässiger quantifiziert werden können. Das wird insbesondere dadurch erreicht, dass das zur Einspritzung ge- bildete Fenster zeitabhängig in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter bezüglich seiner Lage und/oder seiner Breite verschiebbar beziehungsweise veränderbar ausgebildet ist. Durch Berücksichtigung der aktuellen Betriebsparameter kann mit Hilfe eines geeigneten Algorithmus die voreinge- spritzte Kraftstoffmenge quantifiziert werden, so dass die Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches im Zylinder der Brennkraftmaschine zuverlässiger gesteuert werden kann.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den nebengeordneten Ansprüche 1 und 9 angegebenen Verfahrens beziehungsweise der Vorrichtung gegeben. Als besonders vor-

teilhaft wird angesehen, dass die Fensterlage in Abhängigkeit von Betriebsparametern wie der Drehzahl, dem Lastmoment und/oder dem Einspritzbeginn variiert wird. Dieses erleich- tert die Auswertung des aufgenommenen Verbrennungsgeräusches insbesondere im Hinblick auf die Bestimmung der Kraftstoff- menge bei der Voreinspritzung.

Durch die Filterung des Verbrennungsgeräusches mit Hilfe ei- nes Bandpasses können vorteilhaft die mechanischen Geräusche zum großen Teil von den Resonanzfrequenzen im Brennraum ge- trennt werden.

Des weiteren wird als Vorteil angesehen, dass zunächst ein vom Raildruck abhängiges Basissignal für eine minimale Ein- spritzzeit gebildet wird, bei der die Düse des Einspritzven- tils noch nicht geöffnet hat und somit kein Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt werden kann. Dieses Basissignal ist ab- hängig vom aktuellen Raildruck und ist somit besonders gut geeignet für einen späteren Vergleich mit einem weiteren Verbrennungsgeräuschsignal, bei dem bei der Voreinspritzung Kraftstoff eingespritzt wurde.

Durch die Differenzbildung zwischen dem Basissignal ohne Kraftstoffeinspritzung und dem weiteren Verbrennungsgeräusch- signal mit Kraftstoffeinspritzung sowie einer anschließenden Mittelwertbildung ergibt sich eine vorteilhafte Möglichkeit für die Beurteilung des analysierten Verbrennungsgeräusches.

Um eine zuverlässigere Aussagemöglichkeit für das analysierte Signal zu erhalten, werden statistische Verfahren angewendet.

Beispielweise wird die Mittelwertbildung durch eine Reihe von Messungen und Analysen des Verbrennungsgeräusches wiederholt.

Die so entstandene Vielzahl von Mittelwerten wird vorzugswei- se zwischengespeichert und mit der statistischen Schiefe be- wertet.

Als günstig wird weiterhin angesehen, die Bewertung der Mit- telwerte in Aussageintervalle einzuteilen, die beispielsweise in Form einer Tabelle angeordnet sind. Insbesondere ist vor- gesehen, die Aussageintervalle in Abhängigkeit von der Dreh- zahl, der Voreinspritzung und/oder dem Lastmoment auszubil- den.

Nach einer derartigen Verteilung der Mittelwerte kann eine einfache Beurteilung der ermittelten Werte durchgeführt wer- den. Liegt keine oder nur eine geringe Streuung der Werte vor, hierbei wir vorzugsweise auch eine statistische Schief- lage berücksichtigt, dann kann das Aussageintervall, in das die meisten Messwerte gefallen sind, zur Korrektur der Injek- tor-beziehungsweise der Aktorsteuerung herangezogen werden.

In den anderen Fällen sind die Aussageintervalle zu verwerfen und neue Messungen durchzuführen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung für die Auswertung der aufgenommenen Verbrennungsgeräu- sche, Figur 2 zeigt eine erste Tabelle mit Resonanzfrequenzen, die bei einem Zylinder für verschiedene Betriebspunkte ermittelt wurden, Figur 3 zeigt ein Diagramm mit Frequenzspektren, die für ver- schiedene Einspritzungen gemessen wurden, Figur 4 zeigt ein weiteres Diagramm, bei dem die Verteilungen der einzelnen Messwerte aufgetragen sind, Figur 5 zeigt eine weitere Tabelle, in der die Entscheidungs- ergebnisse in Aussageintervalle eingetragen sind,

Figur 6 zeigt ein Histogramm für einen Messpunkt, Figur 7 zeigt ein drittes Diagramm, bei dem verschiedene sta- tistische Mittelwerte und die entsprechenden Werte für die Standardabweichung eingetragen sind und Figur 8 zeigt in vereinfachter Darstellung ein Blockschalt- bild für eine Vorrichtung zur Quantifizierung der Einspritzmenge.

Das Blockschaltbild in Figur 1 zeigt in schematischer Dar- stellung einen Funktionsablauf, wie der Algorithmus für die Auswertung der vom Klopfsensor empfangenen Signale (Körper- schallsignale) gebildet wird. Der Algorithmus ist in Form ei- nes Programms (Softwareprogramm) ausgebildet und ist vorzugs- weise Bestandteil eines Motormanagementsystems insbesondere für die Diesel-oder Benzineinspritzung.

Die vom Klopfsensor empfangenen Signale enthalten nicht nur die Verbrennungsgeräusche, die im Zylinder der Brennkraftma- schine durch die Verbrennung des eingespritzten Kraftstoff- Luftgemisches gebildet werden, sondern auch die mechanischen Geräusche, die durch die Bewegung des Kolbens, der Ventile, der Nockenwelle, der Kurbelwelle, der angeschlossenen Aggre- gate usw. entstehen. Im Block 1 werden zunächst nur die Sig- nale ausgewertet, die innerhalb eines vorgegebenen zeitlichen Fensters empfangen werden, wobei dieses Fenster auf einen entsprechenden Bereich für den Kurbelwellenwinkel der Brenn- kraftmaschine bezogen ist. Alle außerhalb des Fensters lie- gende Signale werden unterdrückt.

Da innerhalb des Fensters die Voreinspritzung zeitabhängig erfolgt, wobei die Zündung der Voreinspritzung idealerweise innerhalb des Zeitfensters liegt, ändert sich auch die Fens- terlage und seine Breite in Abhängigkeit von relevanten Be- triebsparametern zeitabhängig. Wesentliche Betriebsparameter

sind beispielsweise die Drehzahl N, der Einspritzbeginn SOI (Start of Injection) und/oder das indizierte Lastmoment TQI (Torque indicated), da die Verbrennung im wesentlichen von diesen Parametern gesteuert wird. Die Voreinspritzung erfolgt mit kleinsten Kraftstoffmengen und engen Spritzabständen drehzahlabhängig, je nach System beispielsweise im Bereich 20°...-10° Kurbelwellenwinkel vor OT (oberer Totpunkt).

Im Block 1 erfolgt eine AA-Filterung der Signale (Anti Alia- sing) und anschließend wird das Signal über einen Bandpass geleitet. Durch die Bandpassfilterung wird ein Großteil der mechanischen Geräusche von den Verbrennungsgeräuschen ge- trennt. Diese Filterung erfolgt sowohl mit einem Ansteuerim- puls, bei dem bei der Voreinspritzung durch eine sehr kurze Ansteuerzeit des Einspritzventils noch kein Kraftstoff einge- spritzt wurde als auch mit einem längeren Ansteuerimpuls, bei dem Kraftstoff eingespritzt wurde. Diese Vorgänge werden mehrfach wiederholt, so dass für die spätere Auswertung durch statistische Auswerteverfahren die Zuverlässigkeit der Mess- werte verbessert werden kann. Vorzugsweise wird eine Multi- bandfilterung zur gezielten Extraktion der Brennraumresonanz- frequenzen durchgeführt. In einem Spezialfall wird nur ein Filterband für alle signifikanten Brennraumresonanzfrequenzen verwendet.

Die beiden gefilterten Signale werden auf einen Block 2 ge- leitet. Hier wird die Signalenergie aller in einer Messperio- de ermittelten Signale sowie deren Energiedifferenz berech- net. Im Block 3 erfolgt eine statistische Auswertung von ge- bildeten Mittelwerten. Die Ergebnisse bilden üblicherweise eine Normalverteilung, die entsprechend ausgewertet wird. Ist auf Grund der Verteilung jedoch keine klare Entscheidung mög- lich, dann springt das Programm auf den Eingang von Block 1 zurück und die Messungen werden wiederholt. Im anderen Fall erfolgt im Block 4 eine Bewertung der Messwerte. Dazu werden die Messwerte beziehungsweise die daraus ermittelten Mittel- werte in entsprechende Aussageintervalle eingeteilt und ge-

wichtet. Als Bewertungskriterien sind vier Gruppen vorgese- hen : Die Voreinspritzung ist in Ordnung, es erfolgte keine Voreinspritzung, die Voreinspritzung war zu niedrig oder die Voreinspritzung war zu hoch. Je nach der getroffenen Ent- scheidung erfolgt im Block 5, der das Programm für die Ein- spritzsteuerung enthält, eine entsprechende Korrektur der Voreinspritzung.

Nachfolgend wird an Hand der Figuren 2 bis 7 der zuvor be- schriebene Ablauf detailliert erläutert.

Figur 2 zeigt eine Tabelle, in der Resonanzfrequenzen in Ab- hängigkeit von den Moden dargestellt sind. Das gefilterte Verbrennungsgeräusch entsteht im Zylinder durch T. ong. itudinal- und Transversalwellen, die sich unterschiedlich ausbreiten und entsprechende Resonanzfrequenzen aufweisen. Die Berech- nung der Resonanzfrequenzen erfolgt nach der bekannten Bes- sel-Funktion : Die Besselfunktion m-ter Ordnung stellt eine Lösung für die aus der Wellengleichung für Hohlzylinder gewonnene Differen- zialgleichung dar. Dabei ist fm, s die Resonanzfrequenz, nm, s sind die Moden an der s-ten Nullstelle der Ableitung der Bes- sel-Funktion m-ter Ordnung erster Art. Co i_st di_e Scha7. 7_ge- schwindigkeit im Zylinder, T ist die Temperatur im Zylinder in Kelvin K und R ist der Durchmesser des Zylinders.

Die Tabelle gemäß Figur 2 zeigt für verschiedene Moden nom, s die Resonanzfrequenzen f", S, die für die Temperatur T = 1500K und T = 2500K berechnet wurden. Zum Beispiel sind der mittle- ren Spalte für p1, 1 = 1, 84 die Resonanzfrequenz fms = 6, 1 KHz und entsprechend für die übrigen Moden die Resonanzfrequenzen fm, s = 10,2 KHz, 12,8 KHz und 14,0 KHz entnehmbar. Bei T = 2500 K sind in Figur 2 die entsprechenden Resonanzfrequenzen in der rechten Spalte eingetragen.

Figur 3 zeigt ein weiteres Diagramm, in das mehrere Frequenz- kurven eingetragen wurden, die an einen Testmotor gemessen und im Frequenzbereich 5,2... 19 KHz gefiltert wurden. Jede Kurve entspricht einer bestimmten, vorgegebenen Einspritzmen- ge bei der Voreinspritzung. Bei der Kurve 1 erfolgte keine Einspritzung, d. h. mfprev = Omg. Diese Kurve entspricht prak- tisch dem Geräusch, das durch das Einspritzventil mit seinen beweglichen Teilen erzeugt wird. Bei der Kurve 2 entspricht die Einspritzmenge mfprev = 0,2mg, bei der Kurve 3 entspricht die Einspritzmenge mfprev = 0,8mg, bei der Kurve 4 entspricht die Einspritzmenge mfprev = 1, 5mg und bei der Kurve 5 ent- spricht die Einspritzmenge mfpreV = 2, 3mg. Diese Kurven sind über mehrere Messungen ermittelte Spektren und entsprechen der mittleren Spalte der Tabelle in Figur 2, wie sie für die Resonanzfrequenzen bei T = 1500 K ermittelt wurden.

Figur 4 zeigt ein weiteres Diagramm, in das beispielhaft 60 nachfolgende Messwerte (Zyklen) erfasst und ausgewertet wur- den. Dabei entfallen jeweils 30 Messwerte auf das Referenz- signal ohne Einspritzung (Basissignal) und 30 Messwerte mit Einspritzung. Es sind jeweils 30 Differenzwerte (Signalener- giedifferenz im Zeitfenster) für ansteigende Einspritzdauern aufgetragen. Die Messwerte wurden bei einer Drehzahl N = 1500 rpm und bei einem Raildruck von 800 bar aufgenommen.

Auf der x-Achse wurde die Einspritzdauer td in Schritten von jeweils 5, us erhöht. Der Anfangswert liegt bei 130ps, bei dem keine Einspritzung erfolgt. Er gilt als Basiswert. Auf der y- Achse ist eine berechnete Energiedifferenz ! 1E (t) in Schritten von 0,1 aufgetragen, die sich aus jeweils einem Messwert ab- züglich des nachfolgend gemessenen Basiswertes bestimmen lässt. Die Differenz entspricht dann genau dem Signalanteil, der durch die reine Verbrennung zu Stande kommt. Mechanische Geräusche, insbesondere das Geräusch des Injektors werden da- durch ausgeblendet.

Die Energie E (t) innerhalb des Zeitfensters wurde nach fol- gender Gleichung berechnet : E (t) = l/v2* ! f (t) , wobei f (t) die Resonanzfrequenz ist.

Wie in Figur 4 dem Diagramm entnehmbar ist, ist die Rnergie- differenz hE (t) und damit die Einspritzmenge bei kleinen Ein- spritzzeiten (Schritt 0... 3) zunächst gering. Sie steigt mit zunehmender Einspritzdauer an, bis sie ab etwa 10 Schritten horizontal verläuft. Bei jedem Schritt sind beispielhaft 30 Werte aufgetragen, deren Mittelwerte und Streuwerte gut er- kennbar sind. Tm linken Teil der Kurve ist die Einspritzmenge gering, während sie im rechten Teil zu hoch ist. Im mittleren Teil ist die Einspritzmenge in Ordnung.

Jeweils 30 Werte stellen den Energielevel für einen Betriebs- punkt dar. Für die Mengenbestimmung wird nun so vorgegangen, dass eine einzuspritzende Kraftstoffmenge vorgegeben wird und anschließend wird geprüft, ob die vorgegebene Kraftstoffmenge erreicht wurde. Dabei wird die Energiedifferenz auf der Y- Achse für alle Mittelwerte betrachtet, die im Bereich 0,5 be- ziehungsweise für die Streuwerte zwischen 0, 45... 0,55 liegen.

Liegt der Mittelwert bei 0,5, wie hier beim Schritt 8, dann war die Einspritzung in Ordnung.

Figur 5 zeigt eine Tabelle, in der die einzelnen Entschei- dungsergebnisse der Energiedifferenzwerte in Spalten 1... 14 einklassifiziert werden. Die Spalten bilden die Aussageinter- valle, mit denen anschließend eine Bewertung mit der statis- tischen Schiefe durchgeführt werden kann. In die Spalten sind - ähnlich wie bei der Verteilung der Werte in Figur 4-die Energiedifferenzwerte der einzelnen Messungen, in unserem Beispiel 30 Messzyklen pro Einspritzmenge eingetragen. In die Spalte 1 (1. Aussageintervall) sind die Werte für die erste Ventil-Ansteuerzeit 130 us eingetragen, bei der das Ventil

noch nicht geöffnet hat und somit noch kein Kraftstoff einge- spritzt wird. Bei den nachfolgenden Spalten wurde die Ventil- Ansteuerzeit jeweils um 5 us erhöht, so dass zunehmend mehr Kraftstoff eingespritzt wird. Diese Aussageintervalle sind abhängig von der Drehzahl N, dem Lastmoment TQI und/oder der Voreinspritzung MF PREV. Die Zeilen der Tabelle bilden fol- gende vier Gruppen : Keine VE, VE niedrig, VE korrekt und VE hoch. VE steht für Voreinspritzung.

Mit der statistischen Schiefe wird überprüft, ob die Vertei- lung über den Aussageintervallen einen eindeutigen Mittelwert hat. Es sollen also ebenso viele Messwerte in das Aussagein- tervall über dem mit den meisten Ergebniswerten fallen wie in das Aussagei. nterval-1, das unter diesem liegt, um eine Nor- mal-Verteilung zu erhalten. Ist das nicht der Fall, dann wird die Messung verworfen. Wird eine Messreihe schließlich als brauchbar angenommen, dann wird nicht ein arithmetisches Mit- tel als Aussage verwendet, sondern die Aussage des Inter- valls, in das die meisten Messergebnisse gefallen sind. Diese Aussage wird dann für die Steuerung der Voreinspritzung ver- wendet. Beispielsweise ist bei den grau unterlegten Feldern keine eindeutige vertrauenswürdige Aussage über den Mittel- werten möglich, da in der Spalte 3 mit den Werten 14,16, 0,0 oder in der Spalte 9 mit den Werten 0,1, 16,13 zu viele Mess- werte in die anderen Bereiche fallen. Brauchbar sind die wei- ßen Felder und das schraffierte Feld. Beispielsweise fallen in die Spalten 4 bis 6 jeweils 29,30 und 30 Werte. Bei die- sen Ergebnissen ist die Wahrscheinlichkeit sehr groß, dass diese Werte zuverlässig sind. Ähnliches gilt für die Spalten 10 bis 14, bei denen die VE hoch ist. Bei der schraffierten Spalte 7 kann VE korrekt angenommen werden.

Figur 6 zeigt ein Verfahren zur statistischen Auswertung, mit dem die Vertrauenswürdigkeit der Mittelwerte überprüft wird.

Hier wurden die Mittelwerte der Messzyklen eingetragen, die bei den verschiedenen Einspritzmengen entsprechend der Figu- ren 4 und 5 aufgenommen wurden. Mit Hilfe eines Lilliefors-

Tests wird geprüft, ob eine Normalverteilung vorliegt. Der Lilliefors-Test vergleicht die normierte Häufigkeitsvertei- lung mit einer Normalverteilung und überprüft, ob die Abwei- chung innerhalb der vorgegebenen Begrenzung liegt. Dazu trägt man die Wahrscheinlichkeitsfunktion einer Standard Normalver- teilung F* (x) und die Häufigkeitsverteilung der Stichprobe S (x) in ein Schaubild ein. Die Testgröße Ti ist dann der ma- ximale vertikale Abstand der beiden Kurven, der nicht über- schritten werden darf. Rechnerisch kann das Ergebnis auch mit der Formel ermittelt werden : E = sup (F * (x)-S (x)) Figur 7 zeigt ein weiteres Diagramm, bei dem die obere Kurve die Mittelwerte M der einzelnen Messzyklen und die untere Kurve die Standardabweichung S angibt, die für zunehmende Öffnungszeiten des Einspritzventils entsprechend Figur 4 er- mittelt wurden. Wie der oberen Kurve entnehmbar ist, steigen mit zunehmender Ventil-Ansteuerzeiten entsprechend der Schrittweite td (Figur 4) die Mittelwerte M und damit die Einspritzmengen an. Die Standardabweichung S verbleibt in vorteilhafter Weise auf einem niedrigen Niveau und ändert sich fast nicht. Das bedeutet, dass die Mittelwerte vertrau- enswürdig sind und für die Steuerung der Einspritzung verwen- det werden können.

Figur 8 zeigt in schematischer Darstellung ein Blockschalt- bild für eine Vorrichtung zur Quantifizierung der Einspritz- menge. Eine Auswerteeinheit 15 ist mit einem Programmspeicher 16, einem Datenspeicher 17, einer Filtereinheit 18 usw. ver- bunden. Des weiteren ist die Auswerteeinheit 15 vorzugsweise über einen Daten-und Steuerbus 13 mit einem Klopfsensor 12 und einem Einspritzventil (Injektor) 14 verbunden. Der Klopf- sensor 12 ist an einer geeigneten Stelle einer Brennkraftma- schine 10 angeordnet, um die Verbrennungssignale aufzunehmen.

Das Einspritzventil 14 ragt mit seiner Düsenspitze in einen

Zylinder 11 der Brennkraftmaschine 10. Als Brennkraftmaschine 10 kann ein Benzin-oder Dieselmotor mit Direkteinspritzung verwendet werden.