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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors.
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Stand der Technik
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Bei einem Fahrzyklus eines Kraftfahrzeugs wird während des Warmlaufs des Verbrennungsmotors ein wesentlicher Anteil der Kohlenwasserstoff-Emissionen erzeugt. Dies liegt u. a. daran, dass der Katalysator in einem Abgastrakt des Kraftfahrzeugs zu Beginn des Warmlaufs noch nicht ausreichend konvertiert ist, so dass die Emissionen durch den Katalysator beim Warmlauf nicht oder nur unzureichend gereinigt werden. Aus diesem Grund ist eine Optimierung des Warmlaufs von Interesse. Hierzu können während des Warmlaufs Betriebsparameter gesteuert werden, was jedoch voraussetzt, dass die zu steuernden Betriebsparameter auch gemessen werden können.
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Hierzu ist aus der Druckschrift
DE 10 2007 013 460 A1 ein Verfahren zur Überprüfung eines Luftmassensensors für einen Verbrennungsmotor bekannt. Dabei wird ein Zylinderdruck bestimmt und zur Ermittlung eines indizierten Mitteldrucks verwendet. Aus dem indizierten Mitteldruck wird zusammen mit einem thermischen Wirkungsgrad eine einzuspritzende Kraftstoffmenge bestimmt. Weiterhin werden aus einem ein Verhältnis einer Sauerstoffmenge zur Kraftstoffmenge beschreibenden Lambda-Wert und der Kraftstoffmenge zumindest in einem stationären Fall die Sauerstoffmenge und die Luftmasse bestimmt und die bestimmte Luftmasse mit einer von einem Luftmassensensor gemessenen Luftmasse verglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren und eine Anordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
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Bei einer möglichen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird während des Warmlaufs eine optimale Menge, in der Regel eine Soll-Menge, an Kraftstoff, die in mindestens eine Brennkammer eines Verbrennungsmotors bei einer durchzuführenden Einspritzung einzuspritzen ist, ermittelt. Hierbei kann auch eine optimale Einspritzzeit bzw. Soll-Einspritzzeit ermittelt werden, mit der ein Einspritzventil einer Einspritzanlage zu beaufschlagen ist, so dass die vorgesehene optimale Menge an Kraftstoff eingespritzt wird. Bei dem Verfahren wird ein drehzahlbasiertes Merkmal des Verbrennungsmotors, das mit einem indizierten Mitteldruck korreliert ist, bestimmt bzw. berechnet, aus dem wiederum die Menge an Kraftstoff ermittelt werden kann. Die optimale Menge an einzuspritzendem Kraftstoff wird anhand eines Verlaufs des drehzahlbasierten Merkmals über der eingespritzten Menge ermittelt.
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Die hier vorgesehene optimale Menge ist für einen robusten Betrieb des Verbrennungsmotors ausreichend, jedoch nicht zu groß, so dass Emissionen an Kohlenwasserstoff, die aus unverbranntem Kraftstoff resultieren, nicht erhöht werden.
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Die bei einer Ausführung des Verfahrens zu ermittelnde optimale Menge wird dann eingespritzt, wenn ein bestimmter Lambda-Wert für ein Luft-Kraftstoff-Gemisch erreicht ist. Der Lambda-Wert λ gibt ein von einer in einem Abgastrakt angeordneten Lambda-Sonde gemessenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Vergleich zu einem stöchiometrischem Verhältnis an, bei dem der Kraftstoff vollständig verbrannt wird und der Lambda-Wert λ = 1 ist. Falls der Lambda-Wert λ > 1 ist, ist das Luft-Kraftstoff-Gemisch mager und es herrscht ein Überschuss an Luft. Bei einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch ist ein Überschuss an Kraftstoff vorhanden, so dass der Lambda-Wert λ < 1 ist. Mit dem Verfahren ist es möglich, dass ein für den Warmlauf des Verbrennungsmotors geeigneter Lambda-Wert erreicht wird, wenn die vorgesehene optimale Menge an Kraftstoff in die mindestens eine Brennkammer eingespritzt wird.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird berücksichtigt, dass eine Lambda-Sonde während des Warmlaufs nicht die notwendige Betriebstemperatur aufweist, so dass ein Lambda-Signal zur Bereitstellung eines Lambda-Werts noch nicht zur Verfügung steht. Ein Großteil der Abgasemissionen aus Kohlenwasserstoff entsteht in der Warmlaufphase, da der Katalysator nach einem Start noch nicht konvertiert ist, was bedeutet, dass die Emissionen vor und nach dem Katalysator identisch sind.
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Aus diesem Grund wird bei Ausführung des Verfahrens die optimale Menge an einzuspritzendem Kraftstoff mit Hilfe eines geeigneten Drehzahlmerkmals und somit über ein drehzahlbasiertes Merkmal indirekt ermittelt, das eine hohe Korrelation mit einem indizierten Mitteldruck (pmi, indicated mean effective pressure) aufweist. Hierzu wird in der Regel das drehzahlbasierte Merkmal durch Messung und/oder Berechnung bestimmt und daraus die Menge an einzuspritzendem Kraftstoff ermittelt. Dies kann bedeuten, dass während des Warmlaufs des Verbrennungsmotors die optimale Menge an einzuspritzendem Kraftstoff und somit die Einspritzmenge mittels zahnzeitbasierter Drehzahlauswertung ermittelt wird. Somit ist es üblicherweise möglich, eine robuste Verbrennung und gleichzeitig geringe Abgasemissionen im Warmlauf zu gewährleisten.
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Zur Bestimmung des drehzahlbasierten Merkmals wird üblicherweise durch einen Drehzahlsensor des Verbrennungsmotors eine Drehzahl einer Kurbelwelle oder eines Kurbeltriebs des Verbrennungsmotors gemessen. Aus der Drehzahl kann weiterhin die damit gekoppelte Winkelgeschwindigkeit dφ/dt abgeleitet und/oder berechnet und somit bestimmt werden. Es ist jedoch auch möglich, einen Drehwinkel φ oder eine Winkelgeschwindigkeit dφ/dt mit einem Drehwinkelsensor zu bestimmen. Das drehzahlbasierte Merkmal kann in Abhängigkeit der Drehzahl oder der Winkelgeschwindigkeit dφ/dt des Drehwinkels bestimmt werden. Ein mögliches drehzahlbasiertes Merkmal ist die Rotationsenergie, die proportional zum Quadrat der zeitlichen Ableitung des Drehwinkels der Kurbelwelle oder des Kurbeltriebs ist.
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Als Startwert für eine einzuspritzende Menge wird ein vorapplizierter Wert verwendet, der bspw. von der Last, der Drehzahl, der Temperatur des Verbrennungsmotors und/oder der Anzahl der Verbrennungen seit einem Startende abhängig ist. Weiterhin kann durch den Startwert ein magerer Betrieb des Verbrennungsmotors eingestellt werden (λ > 1).
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Bei einer möglichen Durchführung des Verfahrens kann für unterschiedliche Werte für eine Menge an eingespritztem Kraftstoff, die sich bei unterschiedlichen Einspritzzeiten ergeben, resultierende Werte für das drehzahlbasierende Merkmal ermittelt und gespeichert werden. Aus den derart ermittelten Werten für das drehzahlbasierte Merkmal kann weiterhin ein Verlauf des drehzahlbasierten Merkmals, der kurvenförmig sein kann, bestimmt werden. Zum Bestimmen der optimalen Menge an einzuspritzendem Kraftstoff kann der Verlauf und/oder eine Ableitung dieses üblicherweise kurvenförmigen Verlaufs nach der Menge an eingespritztem Kraftstoff oder nach der Einspritzzeit untersucht werden.
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Bei einer Analyse der Ableitung kann untersucht werden, wo diese einen Schwellwert aufweist, d. h. für welchen Wert der eingespritzten Menge ein Wert der Ableitung diesem Schwellwert entspricht. Da die Werte für den Verlauf sowie die daraus resultierenden Werte für die Ableitung des Verlaufs betriebsbegleitend ermittelt werden, kann untersucht werden, für welchen Wert der eingespritzten Menge ein Wert für die Ableitung des Verlaufs den Schwellwert erreicht, bspw. unterschreitet, da mit einer zunehmenden Menge an eingespritztem Kraftstoff ausgehend von dem Startwert eine Steigung des Verlaufs typischerweise abnimmt und sich somit Werte für die Ableitung des Verlaufs bis zum Erreichen des Sollwerts verringern. Der Verlauf des drehzahlbasierten Merkmals kann eine kontinuierliche und/oder glatte Kurve sein, die in Ausgestaltung einen Knick aufweisen kann, wobei der Knick für die optimale einzuspritzende Menge an Kraftstoff vorliegt, bei dem ein Wert der Ableitung des Verlaufs dem Schwellwert entspricht.
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Zur Ermittlung der optimalen Menge an einzuspritzendem Kraftstoff ist bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, die Menge an eingespritztem Kraftstoff ausgehend von dem erwähnten Startwert, der ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch verursacht, bspw. schrittweise, zu erhöhen, den Verlauf des drehzahlbasierten Merkmals zu erfassen sowie den Verlauf und/oder dessen Ableitung zu untersuchen, wobei dieses Merkmal von der Drehzahl, dem Drehwinkel oder einer Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle oder des Kurbeltriebs abhängig sein kann, und mit dem Mitteldruck korreliert ist. Die eingespritzte Menge an Kraftstoff wird so lange erhöht, bis die Ableitung den Schwellwert erreicht hat und der Verlauf den bestimmten Knick aufweist, bei dem die optimale Einspritzzeit vorliegt und/oder eingestellt ist. In der Regel erreicht der Verlauf oder eine entsprechende Kurve bei dem Knick ein Maximum bei minimal eingespritzter Menge an Kraftstoff. Danach kann die Menge für eine definierte Anzahl an Schritten weiter erhöht werden, wobei eine derartige Erhöhung zumindest beim Warmlauf keine weitere Erhöhung des drehzahlbasierten Merkmals bewirkt.
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Wenn der Verlauf des drehzahlbasierten Merkmals den besagten Knick aufweist, wird bei der eingestellten optimalen Einspritzzeit die zu erreichende optimale Menge an Kraftstoff pro Einspritzung eingespritzt und eine komplette Luftmenge des Luft-Kraftstoff-Gemisches verbrannt. Es kann vorgesehen sein, dass bei einer Ausführung des Verfahrens die Einspritzzeit und somit eine daraus resultierende Menge an eingespritztem Kraftstoff variiert wird. Bei jedem dabei verwendeten Wert für die Menge an eingespritztem Kraftstoff ergibt sich ein Wert für das drehzahlbasierte Merkmal, woraus ein mengenabhängiger Verlauf für das drehzahlbasierte Merkmal bestimmt wird. Dieser Verlauf wird untersucht, wobei entlang des Verlaufs der Knick nachgewiesen werden kann. Eine eingespritzte Menge an Kraftstoff, für die sich im Verlauf des drehzahlbasierten Merkmals der Knick ergibt, ist die zu ermittelnde optimale Menge an einzuspritzendem Kraftstoff. Weiterhin wird für den Verbrennungsmotor zumindest während des Warmlaufs ein maximales Moment erreicht. Falls eine Einspritzzeit eingestellt werden sollte, die länger als die optimale Einspritzzeit ist, so dass eine größere Menge an Kraftstoff eingespritzt wird, wird keine weitere Erhöhung des Moments bewirkt.
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Falls die optimale Einspritzzeit erreicht ist, liegt für den Lambda-Wert des Luft-Kraftstoff-Gemisches auch ein gewünschter Zielwert vor, der abhängig von Eigenschaften des Verbrennungsmotors, bspw. von dessen Hubraum, von gesetzlich vorgeschriebenen Emissionsvorschriften usw., festgelegt werden kann.
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Der Verlauf des drehzahlbasierten Merkmals oder eine entsprechende Kennlinie des drehzahlbasierten Merkmals kann je nach Ausbildung des Verbrennungsmotors oder einer Art des durchzuführenden Brennverfahrens einen Knick aufweisen, der durch ein Abflachen der Steigung des Verlaufs erkennbar ist, falls sich der Verlauf asymptotisch einem maximalen Wert für das drehzahlbasierte Merkmal nähert. Somit ist es in Ausgestaltung der Erfindung möglich, für die Steigung, d. h. für die Ableitung des Verlaufs, einen Schwellwert festzulegen, der sich bei Vorliegen der optimalen Einspritzzeit und/oder der optimalen Menge an eingespritztem Kraftstoff ergibt. Üblicherweise nimmt die Steigung des Verlaufs bei Verlängerung der Einspritzzeit und/oder bei Erhöhung der Menge an eingespritztem Kraftstoff kontinuierlich ab, wobei sich der Verlauf asymptotisch dem maximalen Wert für das drehzahlbasierte Merkmal nähern kann. Dabei kann für die Steigung und/oder Ableitung des Verlaufs der Schwellwert definiert werden, der das Erreichen und/oder Vorliegen des Knicks im Verlauf anzeigt. Es ist möglich, dass der Knick eine Unstetigkeit der Ableitung des Verlaufs ist, so dass der Verlauf im Bereich des Knicks diskontinuierlich ist. Es ist jedoch auch möglich, dass der Verlauf trotz des Knicks im Bereich des Knicks kontinuierlich und/oder glatt ist, wobei die Ableitung des Verlaufs in diesem Fall stetig ist. In beiden Fällen kann der Knick durch den Schwellwert der Steigung und/oder der Ableitung definiert sein. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können für die Steigung auch mehrere Schwellwerte definiert werden, die das Erreichen beliebiger Lambda-Werte anzeigen.
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Die Erhöhung der Menge an eingespritztem Kraftstoff wird durch eine Verlängerung der Einspritzzeit erreicht. Diese Verlängerung der Einspritzzeit und die daraus resultierende Erhöhung der Menge kann statt schrittweise, alternativ oder ergänzend auch nach einem vorteilhaft gewählten Muster, bspw. nach einer stetig und/oder kontinuierlich ansteigenden Funktion, erfolgen. Der Wert der eingespritzten Menge, üblicherweise der optimalen Menge bei dem Schwellwert der Ableitung des Verlaufs, bspw. bei dem Knick des Verlaufs des drehzahlbasierten Merkmals, entspricht einem bestimmten Lambda-Wert, der in der Regel etwas kleiner als 1 ist. Somit liegt bei Erreichen des Knicks ein leicht fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch vor.
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Ausgehend von diesem Lambda-Wert kann die entsprechende Menge an einzuspritzendem Kraftstoff für einen gewünschten Lambda-Wert (Soll-Lambda-Wert) berechnet und eingestellt werden. Der optimale Lambda-Wert für den Warmlauf wird im Rahmen der Applikation festgelegt. Dieser Lambda-Wert kann auch von verschiedenen Parametern, wie z. B. der Kühlwassertemperatur etc., abhängig sein.
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Die in die mindestens eine Brennkammer, üblicherweise in mindestens einen Zylinder, des Verbrennungsmotors eingespritzte Menge an Kraftstoff korreliert unter bestimmten Betriebsbedingungen, in der Regel bei einer mageren Verbrennung, wobei die eingespritzte Menge an Kraftstoff sicher vollständig verbrannt wird, direkt mit dem indizierten Mitteldruck (pmi) und dem drehzahlbasierten Merkmal für mechanische und/oder rotatorische Arbeit (mwf, mechanical work feature) der jeweiligen Brennkammer. Der indizierte Mitteldruck stellt ein Maß für die von der jeweiligen Brennkammer geleistete Arbeit und dabei umgewandelte Energie bezogen auf das durch die Verbrennung bewirkte Hubvolumen dar. Der indizierte Mitteldruck pmi ist wie folgt definiert: pmi = (Vh)–1∫p(φ)dV(φ) wobei φ für den Drehwinkel der Kurbelwelle oder des Kurbeltriebs des Verbrennungsmotors, p für den Druck des Luft-Kraftstoff-Gemisches, V für das Volumen und Vh für das Hubvolumen einer als Zylinder ausgebildeten Brennkammer steht. Weiterhin wird berücksichtigt, ob der indizierte Mitteldruck über ein gesamtes Arbeitsspiel oder nur über die Hochdruck- und/oder Niederdruckschleife berechnet wird, was durch geeignete Festlegung der Integrationsgrenzen zur Bestimmung des indizierten Mitteldrucks berücksichtigt werden kann. Für die Berechnung des indizierten Mitteldrucks ist ein Brennraumdrucksensor pro Zylinder nötig.
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Falls jedoch kein derartiger Brennraumdrucksensor bereitgestellt ist, kann alternativ das vorgesehene drehzahlbasierte Merkmal verwendet werden. Hierfür sind verschiedene Ansätze denkbar, z. B. können verschiedene Zahnzeiten oder Segmentzeiten zur Bestimmung des drehzahlbasierten Merkmals verwendet werden.
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In Ausgestaltung der Erfindung wird als drehzahlbasiertes Merkmal üblicherweise ein Wert für die mechanische Arbeit mwf verwendet, für die gilt: mwf = 0,5((Θ(dφ/dt2))|96°KWnZOT – (Θ(dφ/dt2))|TDC)
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Dabei steht Θ für das Trägheitsmoment des Verbrennungsmotors, das aus dessen Geometrie berechnet werden kann. dφ/dt entspricht der aus den Zahn- oder Segmentzeiten berechneten Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle oder des Kurbeltriebs. Der Drehwinkel φ und/oder die Winkelgeschwindigkeit dφ/dt kann aus einer Drehzahl der Kurbelwelle und des Kurbeltriebs berechnet und somit bestimmt werden, wobei die Drehzahl mit einem Drehzahlsensor gemessen werden kann. Es ist jedoch auch möglich, die Winkelgeschwindigkeit dφ/dt mit einem Drehwinkelsensor zu messen. In der beschriebenen Ausgestaltung steht das Produkt Θ (dφ/dt)2 für eine Rotationsenergie bzw. kinetische Energie einer Drehung der Kurbelwelle oder des Kurbeltriebs.
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Diese Rotationsenergie Θ (dφ/dt)2 als drehzahlbasiertes Merkmal wird für einen Zeitpunkt vor der Verbrennung und nach der Verbrennung ermittelt und somit bestimmt. Hierbei ist bspw. vorgesehen, dass der Zeitpunkt vor der Verbrennung erreicht ist, wenn die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors den oberen Totpunkt (TDC, top dead center) erreicht. Der Zeitpunkt nach der Verbrennung ergibt sich hier, wenn die Kurbelwelle bspw. eine Stellung von 96° bzgl. des oberen zentralen Totpunkts (96°KWnZOT) aufweist. Unabhängig davon, zu welchen Zeitpunkten vor und nach der Verbrennung das Produkt Θ (dφ/dt)2 als drehzahlbasiertes Merkmal, das indirekt von der gemessenen Drehzahl abhängig und proportional zum Quadrat der Winkelgeschwindigkeit dφ/dt ist, berechnet wird, kann über das drehzahlbasierte Merkmal für mechanische Arbeit mwf der Energieunterschied einer Drehung der Kurbelwelle oder des Kurbeltriebs vor und nach der Verbrennung ermittelt werden.
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Mit dem drehzahlbasierten Merkmal für mechanische Arbeit mwf kann folglich unter geringem Rechenaufwand aus der gemessenen Drehzahl und einer daraus ermittelbaren Winkelgeschwindigkeit dφ/dt die aufgrund der Verbrennung abgegebene Arbeit unter Umsetzung chemischer Energie in kinetische Energie bestimmt werden. Da das drehzahlbasierte Merkmal für mechanische Arbeit mwf mit dem indizierten Mitteldruck pmi korreliert ist, ist es möglich, aus dem drehzahlbasierten Merkmal für mechanische Arbeit mwf den indizierten Mitteldruck pmi zu bestimmen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist dazu ausgebildet, sämtliche Schritte des vorgestellten Verfahrens durchzuführen. Dabei können einzelne Schritte dieses Verfahrens auch von einzelnen Komponenten der Anordnung durchgeführt werden. Weiterhin können Funktionen der Anordnung oder Funktionen von einzelnen Komponenten der Anordnung, bspw. mindestens eines Steuergeräts, als Schritte des Verfahrens umgesetzt werden. Außerdem ist es möglich, dass Schritte des Verfahrens als Funktionen wenigstens einer Komponente der Anordnung oder der gesamten Anordnung realisiert werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein Flussdiagramm zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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2 zeigt ein erstes Diagramm zu einem ersten Betriebsparameter, der bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird.
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3 zeigt ein zweites Diagramm zu weiteren Betriebsparametern, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden.
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4 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten.
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Das Flussdiagramm aus 1 verdeutlicht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, bei dem bei einem Warmlauf des Verbrennungsmotors eine optimale Menge an Kraftstoff, die in mindestens eine Brennkammer des Verbrennungsmotors bei einer Einspritzung einzuspritzen ist, ermittelt wird. Dabei wird ein drehzahlbasiertes Merkmal des Verbrennungsmotors, bspw. eine Rotationsenergie der Kurbelwelle oder eines Kurbeltriebs des Verbrennungsmotors, bestimmt, wobei das drehzahlbasierte Merkmal mit einem indizierten Mitteldruck des Kraftstoffs korreliert ist. Zur Bestimmung des drehzahlbasierten Merkmals kann eine Drehzahl und/oder eine Winkelgeschwindigkeit dφ/dt einer Kurbelwelle oder eines Kurbeltriebs gemessen werden. Die Winkelgeschwindigkeit dφ/dt kann auch aus der Drehzahl abgeleitet werden. Weiterhin kann das drehzahlbasierte Merkmal, bspw. eine Rotationsenergie, mit der Drehzahl oder der Winkelgeschwindigkeit dφ/dt berechnet werden. Aus dem bestimmten drehzahlbasierten Merkmal, üblicherweise aus dessen Verlauf, kann weiterhin die optimale Menge an einzuspritzendem Kraftstoff ermittelt werden, die für den Warmlauf des Verbrennungsmotors optimal ist.
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Bei der Ausführungsform der Verfahrens wird in einem ersten Schritt 2 als Wert für eine Einspritzzeit einer durchzuführenden Einspritzung ein Startwert für die Einspritzzeit, in der mindestens ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in die mindestens eine Brennkammer beaufschlagt wird, appliziert und somit eingestellt. Durch Einstellen dieses als Startwert vorgesehenen Werts für die Einspritzzeit wird zugleich ein Wert für eine einzuspritzende Menge an Kraftstoff, hier ein Startwert für eine erste einzuspritzende Menge an Kraftstoff, eingestellt, da diese Menge u. a. von dem Wert der Einspritzzeit abhängig ist. Der als Startwert ausgebildete Wert für die einzuspritzende Menge und/oder die Einspritzzeit pro Einspritzung hängt bzw. hängen weiterhin von mindestens einem Betriebsparameter des Verbrennungsmotors, bspw. der Drehzahl, der Last, der Temperatur, dem Druck des Kraftstoffs und/oder der Anzahl der Verbrennungen für die mindestens eine Brennkammer ab.
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In einem zweiten Schritt 4 erfolgt auf Grundlage der ermittelten Drehzahl oder der ggf. ermittelten Winkelgeschwindigkeit dφ/dt die Berechnung des drehzahlbasierten Merkmals, das mit dem indizierten Mitteldruck (pmi) korreliert ist.
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Ein Verlauf des drehzahlbasierten Merkmals, das von der Drehzahl oder der Winkelgeschwindigkeit dφ/dt abhängig sein kann, wird in einem dritten Schritt 6 untersucht. Zudem kann von diesem Verlauf eine Ableitung nach der Einspritzzeit und/oder der eingespritzten Menge gebildet und ebenfalls untersucht werden. Dabei wird überprüft, ob ein Wert der Ableitung einen Schwellwert erreicht, was bedeuten kann, dass der Verlauf des drehzahlbasierten Merkmals bei dem aktuell eingestellten Wert der Einspritzzeit und/oder der eingespritzten Menge einen Knick aufweist, der ein Maximum des drehzahlbasierten Merkmals bei minimaler Einspritzzeit kennzeichnen kann.
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Es wird berücksichtigt, dass sich bei unterschiedlichen Werten für die eingespritzte Menge an Kraftstoff unterschiedliche Werte des drehzahlbasierten Merkmals ergeben. Dabei ist einem Wert der Einspritzzeit und einem daraus resultierenden Wert der eingespritzten Menge ein Wert des drehzahlbasierten Merkmals zugeordnet. Durch Variation von Werten der eingespritzten Menge werden unterschiedliche Werte des drehzahlbasierten Merkmals bestimmt, woraus ein einspritzzeit- und mengenabhängiger Verlauf des drehzahlbasierten Merkmals sowie dessen Ableitung bestimmt wird. Dabei kann überprüft werden, wann ein Wert der Ableitung dem Schwellwert entspricht. Dies kann bedeuten, dass entlang des Verlaufs der Knick nachzuweisen ist, wobei als Wert für die optimale Menge der Wert der eingespritzten Menge ermittelt wird, bei der der Verlauf den Knick aufweist.
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Falls der Verlauf bei einer Durchführung des dritten Schritts 6 noch keinen Knick aufweist und demnach sein Maximum noch nicht erreicht hat, erfolgt in einem vierten Schritt 8 eine iterative und somit schrittweise Verlängerung der Einspritzzeit und somit Vergrößerung der Menge an eingespritztem Kraftstoff.
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Danach wird bei einer Wiederholung des zweiten Schritts 4 das drehzahlbasierte Merkmal erneut berechnet und dessen Verlauf im dritten Schritt 6 auf das Vorliegen den Knicks untersucht. Außerdem kann ebenfalls ein Wert der Ableitung des Verlaufs berechnet und mit dem Schwellwert verglichen werden.
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Falls der Schwellwert für die Ableitung und/oder der Knick im Verlauf des drehzahlbasierten Merkmals, das mit dem indizierten Mitteldruck korreliert ist, bei einer Durchführung des dritten Schritts 6 detektiert wird bzw. werden, erfolgt statt einer Verlängerung des Werts der Einspritzzeit im abschließenden fünften Schritt 10 eine Berechnung einer optimalen Einspritzzeit, durch die sich im Warmlauf ergibt, dass eine optimale Menge an Kraftstoff eingespritzt wird. Somit kann über den Schwellwert der Ableitung und/oder über den Knick im Verlauf des durch Messung und/oder Berechnung bestimmten drehzahlbasierten Merkmals eine für den Warmlauf optimale Menge an einzuspritzendem Kraftstoff ermittelt werden.
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Das Diagramm aus 2 umfasst eine Abszisse 12, entlang der Werte einer Einspritzzeit für zumindest ein Einspritzventil aufgetragen ist, mit dem eine Menge, die in mindestens eine Brennkammer eines Verbrennungsmotors einzuspritzen ist, eingestellt wird. Darüber sind entlang einer Ordinate 14 Werte für einen Verlauf 16 eines drehzahlbasierten Merkmals des Verbrennungsmotors, das mit dem indizierten Mitteldruck indiziert ist, aufgetragen. Der Verlauf 16 dieses drehzahlbasierten Merkmals hängt von der eingespritzten Menge an Kraftstoff und somit auch von der Einspritzzeit ab.
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Beim Warmlauf des Verbrennungsmotors erfolgt ausgehend von einem Startwert für die Einspritzzeit und somit für die Menge an eingespritztem Kraftstoff bei magerer Verbrennung (λ > 1) in zumindest einem Schritt, bspw. im vierten Schritt 8 des Flussdiagramms aus 1, eine Verlängerung der Einspritzzeit, woraus eine Erhöhung 18 des drehzahlbasierten Merkmals resultiert.
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Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie bspw. anhand des Flussdiagramms aus 1 dargestellt, wird die Verlängerung der Einspritzzeit und somit die Erhöhung 18 des drehzahlbasierten Merkmals so lange vorgenommen, bis dessen Verlauf 16 einen Knick 20 aufweist und somit erstmals ein Maximum erreicht, wobei der Verlauf 16 des drehzahlbasierten Merkmals im vorliegenden Beispiel auch bei einer weiteren Verlängerung der Einspritzzeit konstant bleibt oder der Verlauf zumindest geringer ansteigt als vor dem Knick.
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Bei Vorliegen und/oder Erreichen des Knicks 20 liegt eine optimale Einspritzzeit 22 vor, aus der sich eine optimale Menge an eingespritztem Kraftstoff ergibt. Zum Vergleich ist in dem Diagramm eine sogenannte stöchiometrische Einspritzzeit 24 angegeben, aus der eine stöchiometrische Menge an eingespritztem Kraftstoff, bei einem Lambda-Wert λ = 1, und ein stöchiometrischer Wert 26 für das drehzahlbasierte Merkmal resultieren. Demnach gilt für die hier vorgesehene optimale Einspritzzeit 22, dass ein fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Lambda-Wert λ < 1 vorliegt. Dabei entspricht die hier ermittelte optimale Einspritzzeit 22 auch einer maximalen Einspritzzeit, da das drehzahlbasierte Merkmal auch bei einer Einspritzzeit, die größer als die optimale Einspritzzeit 22 ist, nicht erhöht wird. Der Knick 20 kann über einen Schwellwert einer Ableitung des Verlaufs 16 definiert werden. Dabei kann der Knick 20, wie das Diagramm aus 2 zeigt, als Diskontinuität im Verlauf 16 und somit als Unstetigkeit der Steigung oder Ableitung des Verlaufs 16 ausgebildet sein. Sobald die Steigung des Verlaufs 16 den Schwellwert erreicht, liegt in dem Verlauf 16 bei der zu erreichenden optimalen Einspritzzeit 22 der Knick 20 vor.
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Bei dem Diagramm aus 3 sind entlang einer Abszisse 30 Werte für eine eingespritzte Menge an Kraftstoff in mindestens eine Brennkammer eines Verbrennungsmotors in mg pro Verbrennung aufgetragen. Entlang einer darüber aufgetragenen Ordinate 32 sind durch Dreiecke und eine erste Ausgleichsgerade 34 Werte für den indizierten Mitteldruck aufgetragen. Außerdem sind entlang der Ordinate 32 durch Kreise und eine zweite Ausgleichsgerade 36 Werte für das drehzahlbasierte Merkmal für mechanische Arbeit bei einer Verbrennung in der mindestens einen Brennkammer aufgetragen. Durch das Diagramm wird deutlich, dass das im Rahmen des Verfahrens qualitativ und/oder quantitativ bestimmbare drehzahlbasierte Merkmal für mechanische Arbeit und der indizierte Mitteldruck in Abhängigkeit der eingespritzten Menge und somit der Einspritzzeit korreliert sind.
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4 zeigt in schematischer Darstellung ein Steuergerät 40 als zumindest eine Komponente einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 42 sowie einen Verbrennungsmotor 44 eines Kraftfahrzeugs, von dem in 4 lediglich eine als Zylinder ausgebildete Brennkammer 46 dargestellt ist. Üblicherweise weist der Verbrennungsmotor 44 mehrere Brennkammern 46 auf.
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Weiterhin zeigt 4 ein Einspritzventil 48 einer Einspritzanlage, das der Brennkammer 46 des Verbrennungsmotors 44 zugeordnet ist und in diese Brennkammer 46 eine Menge an Kraftstoff einspritzt, die über das Steuergerät 40 durch Festlegen einer Einspritzzeit eingestellt wird. Üblicherweise entspricht die Anzahl der Einspritzventile 48 in der Einspritzanlage der Anzahl der Brennkammern 46 im Verbrennungsmotor 44.
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Ein an dem Verbrennungsmotor 44 angeordneter Drehzahlsensor 50 misst und erfasst eine Drehzahl des Verbrennungsmotors 44. Ein Wert der Drehzahl wird an das Steuergerät 40 übermittelt. Das Steuergerät 40 ermittelt, üblicherweise durch Berechnung, aus der gemessenen Drehzahl eine Winkelgeschwindigkeit dφ/dt. Weiterhin wird mit dem Steuergerät 40 ein drehzahlbasiertes Merkmal des Verbrennungsmotors 44, das eine mechanische Arbeit des Verbrennungsmotors 44 darstellt und mit dem indizierten Mitteldruck korreliert ist, berechnet. Somit ist es möglich, einen Betrieb des Verbrennungsmotors 44 und/oder der Einspritzanlage mit dem Steuergerät 42 zu kontrollieren und demnach zu steuern und/oder zu regeln.
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Bei einem Warmlauf des Verbrennungsmotors 44 wird üblicherweise von dem Steuergerät 40 die Menge an einzuspritzendem Kraftstoff über das drehzahlbasierte Merkmal des Verbrennungsmotors 44 ermittelt. Demnach wird die Menge an eingespritztem Kraftstoff in Abhängigkeit des drehzahlbasierten Merkmals eingestellt und/oder eingeregelt. Üblicherweise wird das drehzahlbasierte Merkmal bestimmt und daraus die Menge an Kraftstoff ermittelt. Durch das drehzahlbasierte Merkmal wird eine mechanische Arbeit des Verbrennungsmotors 44 dargestellt, die proportional zum Quadrat der Winkelgeschwindigkeit dφ/dt der Kurbelwelle oder des Kurbeltriebs ist, wobei das Merkmal direkt oder indirekt von dem Drehzahlsensor 55 ermittelt wird und von der Drehzahl sowie der daraus bestimmbaren Winkelgeschwindigkeit dφ/dt abhängig sein kann. Zur Bestimmung des drehzahlbasierten Merkmals, bspw. der Rotationsenergie der Kurbelwelle oder des Kurbeltriebs, kann eine Zahnzeit oder eine Segmentzeit der Drehzahl der Kurbelwelle oder des Kurbeltriebs des Verbrennungsmotors 44 verwendet werden. Es ist auch möglich, den Drehwinkel φ oder die Winkelgeschwindigkeit dφ/dt mit einem hier nicht dargestellten Drehwinkelsensor zu bestimmen.
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Wie das Diagramm aus 2 zeigt, wird in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das durch die in 4 schematisch dargestellte Anordnung 42 durchführbar ist, zum Ermitteln der optimalen Menge das drehzahlbasierte Merkmal bei unterschiedlichen Mengen an eingespritztem Kraftstoff bestimmt, woraus sich der Verlauf 16 des drehzahlbasierten Merkmals über der eingespritzten Menge ergibt, wobei als optimale Menge die eingespritzte Menge an Kraftstoff ermittelt wird, bei der der Verlauf den Knick 20 aufweist. Die Menge an einzuspritzendem Kraftstoff wird zum Erstellen des Verlaufs 16 ausgehend von einem Startwert für die Menge in der Regel schrittweise, wie bspw. durch das Flussdiagramm aus 1 angedeutet, oder ggf. stetig kontinuierlich erhöht, bis der Verlauf 16 des drehzahlbasierten Merkmals den Knick 20 aufweist. Die Menge an eingespritztem Kraftstoff wird dabei durch Veränderung der Einspritzzeit für das Einspritzventil 48 variiert. Der Knick 20 kann durch Untersuchung der Ableitung des Verlaufs ermittelt werden. Dabei zeigt das Diagramm, dass die Ableitung des Verlaufs 16 vor dem Knick 20 konstant größer als null und ab dem Knick 20 gleich null ist. Somit ist der Knick 20 im Verlauf 16 dadurch erkennbar, dass ein Wert der Ableitung des Verlaufs 16 einen Schwellwert, der hier null ist, erreicht.
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In der Regel steigt das drehzahlbasierte Merkmal, das bspw. von der Winkelgeschwindigkeit dφ/dt abhängig und zu dessen Quadrat proportional sein kann, ab dem Startwert für die Menge an einzuspritzendem Kraftstoff linear an. Sobald der Knick 20 erreicht ist, stellt sich für das drehzahlbasierte Merkmal ein konstanter sowie maximaler Wert ein. Demnach erreicht das drehzahlbasierte Merkmal zumindest beim Warmlauf mit dem Knick 20 sein Maximum, so dass der Verbrennungsmotor 44 seine maximale Arbeit verrichtet. Bei Vorliegen und/oder Erreichen des Knicks 20 ist eine optimale Einspritzzeit 22 erreicht, bei der eine optimale Menge an Kraftstoff eingespritzt wird. Eine weitere Erhöhung der eingespritzten Menge durch Verlängerung der Einspritzzeit würde keine Erhöhung des Moments des Verbrennungsmotors 44 bewirken. Da das drehzahlbasierte Merkmal mit dem Mitteldruck korreliert ist, kann daraus auch ein Lambda-Wert für Abgase des Verbrennungsmotors 44 bestimmt werden, was beim Warmlauf ansonsten nicht direkt möglich ist, da die hierfür erforderliche Lambda-Sonde noch nicht funktionstüchtig ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007013460 A1 [0003]