DE102010040622A1

DE102010040622A1 - Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine und direkteinspritzende Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010040622A1
Application number: DE201010040622
Authority: DE
Inventors: Anne von Vietinghoff; Wolfgang Fischer; Silke Seuling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2010-09-13
Publication date: 2012-03-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine (11), bei dem ein Einspritzventil (19) der Brennkraftmaschine (11) zum Einspritzen einer Kraftstoffmenge (q_i) während einer Einspritzdauer direkt in einen Brennraum (15) der Brennkraftmaschine (11) während einer Ansteuerdauer (t_i) angesteuert wird und mittels eines Körperschallsensors (23) der Brennkraftmaschine (11) ein Körperschallsignal (y(t)) erfasst wird. Um eine während eines Einspritzvorgangs in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzte Kraftstoffmenge (q_i) möglichst genau festlegen zu können, wird, vorgeschlagen, dass in Abhängigkeit von dem erfassten Körperschallsignal (y(t)) die Einspritzdauer (t_i,est) eines Einspritzvorgangs ermittelt wird, der in einem anderen Zeitintervall stattfindet als ein Verbrennungsvorgang in mindestens einem Brennraum (15) der Brennkraftmaschine (11).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei dem ein Einspritzventil der Brennkraftmaschine zum Einspritzen einer Kraftstoffmenge während einer Einspritzdauer direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine während einer Ansteuerdauer angesteuert wird und mittels eines Körperschallsensors der Brennkraftmaschine ein Körperschallsignal erfasst wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine, die gemäß einem solchen Verfahren betrieben wird.
Aus der DE 195 36 110 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt. Gemäß diesem Verfahren werden anhand eines Ausgangssignals eines Körperschallsensors einer Dieselbrennkraftmaschine charakteristische Größen einer Einspritzung in die Brennkraftmaschine, beispielsweise ein Spritzbeginn und/oder ein Spritzende, ermittelt. Dieses Verfahren dient dazu, einen erforderlichen Spritzbeginn und einen daraus resultierenden Brennbeginn bei Dieselbrennkraftmaschinen möglichst genau einzuhalten, um einen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu optimieren und Schadstoff- sowie Geräuschemissionen zu minimieren.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine anzugeben, bei dem eine während eines Einspritzvorgangs in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzte Kraftstoffmenge möglichst genau festgelegt werden kann. Ferner soll gemäß dieser Aufgabe eine entsprechende Brennkraftmaschine angegeben werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in Abhängigkeit von dem erfassten Körperschallsignal die Einspritzdauer eines Einspritzvorgangs ermittelt wird, der in einem anderen Zeitintervall stattfindet als ein Verbrennungsvorgang in mindestens einem Brennraum der Brennkraftmaschine. Vorzugsweise wird die Einspritzdauer eines Einspritzvorgangs ermittelt, der in einem anderen Zeitintervall stattfindet als ein Verbrennungsvorgang in irgendeinem Brennraum der Brennkraftmaschine.
Dadurch, dass nicht nur ein Einspritzbeginn, sondern die Einspritzdauer, das heißt ein Zeitraum, während dem das Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum geöffnet ist, ermittelt wird, kann auf die während des Einspritzvorgangs eingespritzte Kraftstoffmenge mit guter Genauigkeit geschlossen werden. Denn die eingespritzte Kraftstoffmenge ist im Idealfall proportional zur Einspritzdauer. In der Regel entspricht die Ansteuerdauer, das heißt ein Zeitraum zwischen einem Ansteuern des Einspritzventils zum Öffnen und einem Ansteuern des Einspritzventils zum Schließen, nicht der Einspritzdauer. Wird die Einspritzdauer gemäß dem Verfahren ermittelt, dann kann die Ansteuerdauer so korrigiert werden, dass die Einspritzdauer einer beispielsweise in Abhängigkeit von einer gewünschten eingespritzten Kraftstoffmenge vorgegebenen Soll-Einspritzdauer entspricht.
Der Körperschallsensor befindet sich üblicherweise an einem Motorblock der Brennkraftmaschine, so dass ein Körperschallsignal erfasst wird, das von Körperschall im Motorblock abhängt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Körperschallsignal während des Einspritzvorgangs Anteile enthält, die von Öffnungs- und Schließvorgängen des Einspritzventils herrühren. Werden diese Anteile im Körperschallsignal identifiziert, kann die Einspritzdauer ermittelt werden. Allerdings enthält das Körperschallsignal neben den Anteilen, die von dem Öffnen und dem Schließen des Einspritzventils herrühren, auch weitere Anteile, die von anderen Vorgängen innerhalb der Brennkraftmaschine verursacht werden. Da die Gefahr besteht, dass die vom Betätigen des Einspritzventils herrührenden Anteile des Körperschallsignals von den weiteren Anteilen überdeckt werden, kann es zu Fehlern beim Ermitteln der Einspritzdauer kommen. Es hat sich gezeigt, dass Verbrennungsgeräusche, die beim Verbrennen von Kraftstoff im Brennraum auftreten, sich besonders störend auswirken. Daher wird das Körperschallsignal für einen Einspritzvorgang ermittelt, bei dem möglichst keine solchen Störgeräusche, wie beispielsweise die Verbrennungsgeräusche, auftreten. Auf diese Weise kann die Einspritzdauer besonders zuverlässig ermittelt werden.
Um den Einfluss von Störgeräuschen auf das Ermitteln der Einspritzdauer weiter zu reduzieren, kann vorgesehen sein, dass der Einspritzvorgang, dessen Einspritzdauer ermittelt wird, in einem anderen Zeitintervall stattfindet als ein Betätigen eines Einlassventils der Brennkraftmaschine und/oder eines Auslassventils der Brennkraftmaschine. Das Einlassventil kann beispielsweise von einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine zum Einlassen eines Gases, beispielsweise von Luft, in den oder irgendeinen Brennraum betätigt werden. Das Auslassventil kann beispielsweise von der Nockenwelle zum Auslassen eines weiteren Gases, beispielsweise von Abgas, aus dem oder irgendeinem Brennraum betätigt werden. Durch das Betätigen des Einlass- und/oder des Auslassventils können störende Ventilgeräusche entstehen, die sich im Motorblock ausbreiten. Wird die Einspritzdauer für einen Einspritzvorgang ermittelt, während dem das Einlass- und/oder das Auslassventil nicht betätigt wird, dann enthält das erfasste Körperschallsignal diese störende Ventilgeräusche nicht.
Hierbei ist bevorzugt, dass der Einspritzvorgang, dessen Einspritzdauer ermittelt wird, eine Nebeneinspritzung insbesondere eine Voreinspritzung oder eine Nacheinspritzung ist. Denn während diesen Einspritzungen findet keine Verbrennung innerhalb des jeweiligen Brennraums statt. Vorzugsweise wird die Einspritzdauer für einen Einspritzvorgang ermittelt, während dem in keinem Brennraum der Brennkraftmaschine eine Verbrennung stattfindet und/oder kein Einlass- und/oder Auslassventil der Brennkraftmaschine betätigt wird. Es kann vorgesehen werden, dass speziell zum Ermitteln der Einspritzdauer ein gesonderter Messeinspritzvorgang durchgeführt wird.
Um die Einspritzdauer noch genauer ermitteln zu können, wird vorgeschlagen, dass das Körperschallsignal für mehrere Einspritzvorgänge mit derselben Ansteuerdauer erfasst und das erfasste Körperschallsignal über diese Einspritzvorgänge gemittelt wird. Einzelne Ausreißer im zeitlichen Verlauf des Körperschallsignals haben hierdurch keinen oder allenfalls nur einen geringen Einfluss auf das gemittelte Körperschallsignal.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen werden, dass das Körperschallsignal für mehrere Einspritzvorgänge mit derselben Ansteuerdauer erfasst wird, wobei für die einzelnen Einspritzvorgänge zeitliche Verläufe des Körperschallsignals erfasst werden, und dass die zeitlichen Verläufe einer Clusteranalyse unterzogen werden.
Es ist bevorzugt, dass beim Ermitteln der Einspritzdauer ein Einspritzbeginn, an dem der Einspritzvorgang beginnt, ein Einspritzende, an dem der Einspritzvorgang endet, und/oder ein Vollhubzeitpunkt, an dem das Einspritzventil vollständig geöffnet ist, in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf des Körperschallsignals ermittelt wird. Der Einspritzbeginn, das Einspritzende und der Vollhubzeitpunkt gehen mit Merkmalen im zeitlichen Verlauf des Körperschallsignals einher, die sich im Körperschallsignal identifizieren lassen. Zum Zeitpunkt des Einspritzbeginns hat ein Ventilelement, beispielsweise eine Ventilnadel, des Einspritzventils begonnen, sich von einer Lage, bei dem das Einspritzventil geschlossen ist, wegzubewegen, hin zu einer Lage, bei der das Einspritzventil vollständig geöffnet ist. Dieses Ereignis ist mit einem Schlag verbunden, der sich vom Zylinderkopf, wo das Einspritzventil angeordnet ist, über den Motorblock zum Körperschallsensor hin fortpflanzt. Falls es sich bei dem Einspritzventil um ein elektromagnetisches Einspritzventil handelt, schlägt am Einspritzbeginn ein Magnetanker des Einspritzventils gegen das Ventilelement. Am Einspritzende schlägt das Ventilelement gegen einen Ventilsitz, beispielsweise gegen eine Ventildüse des Einspritzventils, was zu einem entsprechenden Anteil im Körperschallsignal führt. Am Vollhubzeitpunkt schlägt das Ventilelement an einem Anschlag des Einspritzventils an und bleibt bis zum Ende der Ansteuerdauer in einer Lage, bei der das Einspritzventil vollständig geöffnet ist. Dieses Anschlagen des Ventilelements pflanzt sich ebenfalls durch den Motorblock zum Körperschallsensor fort und kann somit als Anteil im Körperschallsignal erkannt werden. Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass anhand des Körperschallsignals der Einspritzbeginn und das Einspritzende ermittelt wird, wenn das Einspritzventil während des Einspritzvorgangs nur teilweise geöffnet wird und das Ventilelement anstelle des Vollhubs nur einen Teilhub erreicht. Die Einspritzdauer kann als Differenz von Einspritzende und Einspritzbeginn berechnet werden. Bei dieser Berechnung der Einspritzdauer durch Differenzbildung muss eine Signallaufzeit des Körperschallsignals zwischen dem Einspritzventil und einem Körperschallsensor nicht berücksichtigt werden und muss deshalb nicht bekannt sein.
Hierbei ist bevorzugt, dass der Einspritzbeginn in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf einer Amplitude oder einer Signalenergie des Körperschallsignals ermittelt wird, wobei als Einspritzbeginn ein Zeitpunkt eines Sprungs des zeitlichen Verlaufs oder ein Zeitpunkt des zeitlichen Verlaufs, an dem die Amplitude beziehungsweise die Signalenergie einen vorgegebenen ersten Schwellwert überschreitet, ermittelt wird. In einer Ausführungsform wird als Signalenergie des Körperschallsignals zu einem betrachteten Zeitpunkt dessen Energie zwischen einem Bezugszeitpunkt, beispielsweise dem Beginn der Ansteuerzeit, und dem betrachteten Zeitpunkt ermittelt. In einer anderen Ausführungsform wird als Signalenergie des Körperschallsignals zu einem bestimmten Zeitpunkt die Energie eines Abschnitts des Körperschallsignals um diesen Zeitpunkt herum ermittelt.
Es kann außerdem vorgesehen sein, dass zum Ermitteln des Einspritzbeginns das Akaike-Informationskriterium in Abhängigkeit von dem Körperschallsignal berechnet wird. Der Einspritzbeginn kann beispielsweise an demjenigen Zeitpunkt erkannt werden, an dem ein Funktionswert des Akaike-Informationskriteriums, das heißt ein Funktionswert der sogenannten AIC-Funktion, minimal ist.
Alternativ hierzu kann vorgesehen werden, dass der Einspritzbeginn in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf einer Phase des Körperschallsignals, von einem zeitlichen Verlauf einer Phase des analytischen Körperschallsignals und/oder von einem zeitlichen Verlauf einer Momentanfrequenz des Körperschallsignals ermittelt wird. Hierbei kann die Frequenz durch Ableiten der Phase nach der Zeit berechnet werden. Ab dem Zeitpunkt des Einspritzbeginns schwingen zumindest Teile des Einspritzventils. Eine Resonanzfrequenz dieser Schwingung kann durch Auswerten der Frequenz und/oder der Phase des Körperschallsignals erkannt werden. Der Zeitpunkt, ab dem die Resonanzfrequenz im Körperschallsignal erkannt wird, entspricht dem ermittelten Einspritzbeginn.
Je nach Ausgestaltung des Einspritzventils kann es vorkommen, dass die Schwingung relativ lange andauert und sich mit dem Zeitpunkt des Einspritzendes zeitlich überlappt, so dass der Schlag am Einspritzende relativ schwer im Körperschallsignal identifiziert werden kann. Um das Einspritzende insbesondere in einem solchen Fall besonders genau und zuverlässig erkennen zu können, ist bevorzugt, dass das Einspritzende in Abhängigkeit von zeitlichen Verläufen des Körperschallsignals für zwei Einspritzvorgänge ermittelt wird, die sich hinsichtlich der Ansteuerdauer unterscheiden, wobei als Einspritzende ein Zeitpunkt der zeitlichen Verläufe ermittelt wird, ab dem ein Unterschied zwischen den zeitlichen Verläufen erkannt wird. Das Körperschallsignal wird also für zwei Einspritzvorgänge erfasst und die entsprechenden beiden zeitlichen Verläufe miteinander verglichen. Die beiden Körperschallsignale unterscheiden sich ab dem frühesten Einspritzende.
Hierbei kann vorgesehen werden, dass der Unterschied zwischen den beiden zeitlichen Verläufen ab demjenigen Zeitpunkt der Verläufe erkannt wird, ab dem eine Differenz der absoluten Werte der beiden Verläufe einen zweiten Schwellwert überschreitet.
Alternativ hierzu kann vorgesehen werden, dass der Unterschied zwischen den zeitlichen Verläufen ab demjenigen Zeitpunkt der Verläufe erkannt wird, ab dem eine Ableitung einer kumulierten Summe eines Betrags einer Differenz der beiden Verläufe einen dritten Schwellwert überschreitet.
Weiter kann vorgesehen sein, dass der Unterschied zwischen den zeitlichen Verläufen anhand von Phasenverläufen der zeitlichen Verläufe und/oder anhand von in den zeitlichen Verläufen enthaltenen Frequenzanteilen erkannt wird.
Außerdem ist denkbar, dass auf einen ersten zeitlichen Verlauf der beiden zeitlichen Verläufe mindestens ein Prädiktionsfilter angewendet wird, das anhand eines zweiten zeitlichen Verlaufs der beiden zeitlichen Verläufe ermittelt worden ist, mittels des Prädiktionsfilters der zweite zeitliche Verlauf prädiziert wird, ein Prädiktionsfehler berechet wird und der Unterschied zwischen den zeitlichen Verläufen an einem Zeitpunkt erkannt wird, an dem der Prädiktionsfehler ein Maximum aufweist. Hierbei ist bevorzugt, dass zwei Prädiktionsfilter vorgesehen sind, nämlich ein vorwärts gerichtetes Prädiktionsfilter und ein rückwärts gerichtetes Prädiktionsfilter. Als Prädiktionsfehler kann dann ein fusionierter Prädiktionsfehler in Abhängigkeit von einem Prädiktionsfehler des vorwärts gerichteten Prädiktionsfilters und von einem Prädiktionsfehler des rückwärts gerichteten Prädiktionsfilter berechnet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Einspritzventil anhand der ermittelten Einspritzdauer kalibriert. Hierbei ist bevorzugt, dass für unterschiedliche Werte der Ansteuerdauer ein jeweils zugehöriger Wert der Einspritzdauer ermittelt wird, Tupel gebildet werden, die jeweils einen Wert der Ansteuerdauer und den zugehörigen Wert der Einspritzdauer umfassen, die Tupel gespeichert werden und ein Kennfeld für einen Zusammenhang zwischen der Ansteuerdauer und der Einspritzdauer erzeugt oder korrigiert wird. Auf diese Weise kann ein Zusammenhang zwischen der Ansteuerdauer und der Einspritzdauer durch Erfassen dieser Tupel von einem Steuergerät der Brennkraftmaschine gelernt werden. Fertigungstechnisch bedingte oder vom Verschleiß des Einspritzventils herrührende Toleranzen können somit mit geringem Aufwand automatisch ausgeglichen werden.
Es kann vorgesehen werden, dass die gebildeten Tupel als Stützstellen für ein Interpolationsverfahren herangezogen werden. Auf diese Weise kann auch für eine beim Betrieb der Brennkraftmaschine gewünschte Einspritzdauer, die nicht durch Analyse des Körperschallsignals ermittelt worden ist, eine zugehörige Ansteuerdauer berechnet werden.
Um den mit dem Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens verbundenen Rechenaufwand gering zu halten und um eine Wahrscheinlichkeit einer Fehldetektion des Einspritzbeginns, des Einspritzendes und/oder des Vollhubzeitpunkts möglichst gering zu halten, ist bevorzugt, dass eine Zeitfensterfunktion gebildet wird, die einen Zeitraum umfasst, in dem der Einspritzbeginn, das Einspritzende und/oder der Vollhubzeitpunkt liegt, und dass vor dem Ermitteln des Einspritzbeginns, des Einspritzendes und/oder des Vollhubzeitpunkts das Körperschallsignal mit der Zeitfensterfunktion überlagert wird. Das Überlagern kann einer Multiplikation der Zeitfensterfunktion mit dem Körperschallsignal entsprechen. Hierdurch werden Bereiche im zeitlichen Verlauf des Körperschallsignals, die zum Ermitteln des Einspritzbeginns, des Einspritzendes beziehungsweise des Vollhubzeitpunkts irrelevant sind, aus dem Körperschallsignal ausgeblendet.
Als weitere Lösung der oben angegebenen Aufgabe wird eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine, vorzugsweise eine Otto-Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Einspritzventil zum Einspritzen einer Kraftstoffmenge direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine, einem Körperschallsensor und einem Steuergerät zum Steuern und/oder Regeln der Brennkraftmaschine vorgeschlagen, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, das Einspritzventil während einer Ansteuerdauer anzusteuern und mittels des Körperschallsensors ein Körperschallsignal zu erfassen. Diese Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät zum Ermitteln der Einspritzdauer eines Einspritzvorgangs in Abhängigkeit von dem erfassten Körperschallsignal eingerichtet ist, wobei der Einspritzvorgang in einem anderen Zeitintervall stattfindet als ein Verbrennungsvorgang in mindestens einem Brennraum der Brennkraftmaschine. Mit einer solchen Brennkraftmaschine können die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden.
Hierbei ist besonders bevorzugt, dass das Steuergerät zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 eingerichtet ist, vorzugsweise programmiert ist.
Bei dem Körperschallsensor kann es sich beispielsweise um einen Klopfsensor zum Detektieren einer klopfenden Verbrennung innerhalb des Brennraums anhand des Körperschallsignals handeln. Ein solcher Klopfsensor ist in Otto-Brennkraftmaschinen üblicherweise ohnehin vorhanden. Somit kann die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine besonders kostengünstig realisiert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in welcher exemplarische Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
1 eine Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung;
2 eine schematische Darstellung einer Kalibriereinrichtung eines Steuergeräts der Brennkraftmaschine aus 1;
3 eine schematische Darstellung eines Schätzers der in 2 dargestellten Kalibriereinrichtung;
4 Diagramme eines zeitlichen Verlaufs eines Nadelhubs eines Einspritzventils der Brennkraftmaschine aus 1 sowie eines zeitlichen Verlaufs eines mittels eines Körperschallsensors der Brennkraftmaschine aus 1 erfassten Körperschallsignals; und
5 Diagramme mit einem zeitlichen Verlauf eines Nadelhubs des Einspritzventils sowie mit grafischen Darstellungen von Spektralanteilen des Körperschallsignals in Abhängigkeit von der Zeit.
1 zeigt eine Brennkraftmaschine 11, die als eine Otto-Brennkraftmaschine mit Benzin-Direkteinspritzung ausgebildet ist. Die Brennkraftmaschine 11 weist einen Motorblock 13 mit mehreren Brennräumen (Zylinder) auf, wobei in 1 der Übersichtlichkeit halber lediglich ein Brennraum 15 dargestellt ist. Am Brennraum 15, vorzugsweise an einem Zylinderkopf 17 des Motorblocks 13, ist ein Einspritzventil 19 derart angeordnet, dass eine beispielsweise vorgegebene Kraftstoffmenge q_i direkt in den Brennraum 15 eingespritzt werden kann.
Die Brennkraftmaschine 11 weist ein Steuergerät 21 zum Steuern und/oder Regeln der Brennkraftmaschine 11 auf. Ein Ausgang des Steuergeräts 21 ist mit einem Betätigungselement des Einspritzventils 19 derart verbunden, dass das Steuergerät 21 durch Ansteuern des Einspritzventils 19 das Einspritzventil 19 öffnen kann, so dass ein Einspritzvorgang zum Einspritzen der Kraftstoffmenge q_i beginnt. Ferner kann das Steuergerät 21 das Einspritzventil 19 derart ansteuern, dass ein Einspritzvorgang zum Einspritzen der Kraftstoffmenge q_i endet.
In der gezeigten Ausführungsform wird das Einspritzventil 19 elektromagnetisch betätigt. Das heißt, das Einspritzventil 19 weist ein Betätigungselement mit einer Spule und einem Magnetanker auf. Durch Bestromen der Spule kann der Magnetanker in eine Öffnungsrichtung bewegt werden, so dass er mit einem Ventilelement, insbesondere einer Ventilnadel des Einspritzventils 19 zusammenwirkt, um das Einspritzventil 19 zu öffnen. Wird die Bestromung der Spule des Einspritzventils 19 beendet, dann bewegt eine Rückstellfeder den Magnetanker und das Ventilelement entgegen der Öffnungsrichtung, so dass das Einspritzventil 19 wieder schließt. Das Einspritzventil 19 wird von einem durch die Spule fließenden Ansteuerstrom I(t_i) angesteuert, wobei ein zeitlicher Verlauf des Ansteuerstroms I(t_i) einen Impuls bildet, dessen Breite einer Ansteuerdauer t_i des Einspritzventils 19 entspricht. Bei der gezeigten Ausführungsform weist der Impuls eine relativ steile ansteigende Flanke und eine insgesamt im Vergleich zur ansteigenden Flanke relativ flache abfallende Flanke auf. Während der abfallenden Flanke kann das Steuergerät 21 den Ansteuerstrom I(t_i) in einer solchen Weise schrittweise verringern, dass sich ein abgestufter Verlauf der abfallenden Flanke des Impulses ergibt. In anderen Ausführungsformen kann der Impuls eine beliebige andere Form aufweisen.
Abweichend von der gezeigten Ausführungsform kann das Betätigungselement des Einspritzventils 19 ein Piezoelement aufweisen, das vom Steuergerät 21 zum Betätigen des Ventilelements, insbesondere der Ventilnadel, angesteuert werden kann. In diesem Fall kann es sich bei dem Ansteuersignal anstelle des Ansteuerstroms I(t_i) um eine Ansteuerspannung U(t_i) handeln.
Am Motorblock 13 der Brennkraftmaschine 11 ist ein Körperschallsensor 23 angeordnet. Bei dem Körperschallsensor 23 handelt es sich um einen sogenannten „Klopfsensor”, der auch zum Erkennen einer klopfenden Verbrennung im Brennraum 15 verwendet wird. Der bei Otto-Brennkraftmaschinen üblicherweise ohnehin vorhandene Klopfsensor 23 wird also auch zum Ermitteln einer geschätzten Einspritzdauer t_i,est verwendet. Abweichend hiervon kann zum Ermitteln der geschätzten Einspritzdauer t_i,est auch ein gesonderter Körperschallsensor am Motorblock 13 vorgesehen sein. Der Körperschallsensor 23 ist an einen Eingang des Steuergeräts 23 angeschlossen, so dass das Steuergerät 21 ein vom Körperschallsensor 23 erzeugtes Körperschallsignal y(t) erfassen kann, das von Körperschall im Motorblock 17 abhängt.
Wie aus 1 ersichtlich ist, ist im Steuergerät 21 ein Kennfeld 25 vorgesehen, in dem ein Zusammenhang zwischen der vorgegebenen, während eines Einspritzvorgangs in den Brennraum 15 einzuspritzenden Kraftstoffmenge q_i, einem erfassten oder ermittelten Kraftstoffdruck p_rail, der in einem Kraftstoffhochdruckspeicher (sog. „Rail”) der Brennkraftmaschine 11 herrscht, und der Ansteuerdauer t_i abgelegt ist.
Des Weiteren weist das Steuergerät 21 eine Kalibriereinrichtung 27 auf, die an den Körperschallsensor 23 angeschlossen ist und/oder Zugriff auf das Körperschallsignal y(t) hat und die mit dem Kennfeld 25 so gekoppelt ist, dass sie das Kennfeld 25 modifizieren kann.
Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 11 gibt eine hier nicht näher beschriebene Funktion des Steuergeräts 21 eine während eines Einspritzvorgangs in den Brennraum 15 einzuspritzende Kraftstoffmenge q_i vor. Ferner ermittelt oder erfasst das Steuergerät 21 den Kraftstoffdruck p_rail. Die vorgegebene Kraftstoffmenge q_i kann beispielsweise von einem Frischluftmassestrom von in den Brennraum 15 einströmender Frischluft, einem gewünschten Drehmoment an einer Welle der Brennkraftmaschine 11, einem Sauerstoffgehalt von aus dem Brennraum 15 ausströmendem Abgas oder dergleichen abhängen. Der Kraftstoffdruck p_rail kann beispielsweise mittels eines Drucksensors (nicht gezeigt) im Kraftstoffhochdruckspeicher erfasst werden.
Das Kennfeld 25 ermittelt in Abhängigkeit von der vorgegebenen Kraftstoffmenge q_i und dem Kraftstoffdruck p_rail die Ansteuerdauer t_i. Eine Leistungsstufe (nicht gezeigt) des Steuergeräts 21 generiert in Abhängigkeit von der Ansteuerdauer t_i einen Stromimpuls I(t_i) zum Ansteuern des Einspritzventils 19.
Während eines Einspritzvorgangs erzeugt das Einspritzventil 19 Schwingungen, die insbesondere von Bewegungen des Magnetankers und des Ventilelements zum Öffnen und Schließen des Einspritzventils 19 herrühren. Diese Schwingungen breiten sich beginnend beim Zylinderkopf 17 im Motorblock 15 aus und gelangen zum Körperschallsensor 23, der diese Schwingungen erfasst. Die Kalibriereinrichtung 27 erfasst während mindestens eines Einspritzvorgangs diese Schwingungen als das Körperschallsignal y(t).
Die Kalibriereinrichtung 27 wertet das Körperschallsignal y(t) aus und berechnet anhand des Körperschallsignals y(t) die geschätzte Einspritzdauer t_i,est. Eine tatsächlich in den Brennraum 15 eingespritzte Kraftstoffmenge hängt unter anderem von einer tatsächlichen Einspritzdauer t_i,ist und nicht von der Ansteuerdauer t_i ab. Ein Zusammenhang zwischen der Ansteuerdauer t_i und der tatsächlichen Einspritzdauer t_i,ist ist Toleranzen unterworfen, die von Schwankungen bei einem Herstellungsprozess zum Herstellen des Einspritzventils 19 und von Verschleißerscheinungen des Einspritzventils 19 herrühren. Die Kalibriereinrichtung 27 korrigiert das Kennfeld 25 anhand der geschätzten Einspritzdauer t_i,est derart, dass diese Toleranzen zumindest weitgehend ausgeglichen werden. Hierzu wird der im Kennfeld 25 abgespeicherte Zusammenhang zwischen der vorgegebenen Kraftstoffmenge q_i, dem Kraftstoffdruck p_rail und der Ansteuerdauer t_i zumindest weitgehend korrigiert. Hierdurch wird nicht nur erreicht, dass die tatsächlich in den Brennraum 15 eingespritzte Kraftstoffmenge möglichst geringfügig von der vorgegebenen Kraftstoffmenge q_i abweicht, sondern es wird auch eine Gleichstellung der eingespritzten Kraftstoffmenge bezüglich mehreren Brennräumen in der Weise erreicht, dass die in die einzelnen Brennräume 15 der Brennkraftmaschine 11 eingespritzten Kraftstoffmengen sich untereinander möglichst geringfügig unterscheiden.
Wie aus 2 ersichtlich ist, weist die Kalibriereinrichtung 27 einen Messwertspeicher 29 auf, in dem das digitalisierte Körperschallsignal y(k), das für N Einspritzvorgänge erfasst worden ist, abgelegt wird. In dem Messwertspeicher 29 ist also ein Körperschallsignalvektor Y(k) = (y₁(k), ..., y_N(k)) abgelegt. Für jede zu schätzende Einspritzdauer wird für N Einspritzvorgänge der gleichen Ansteuerdauer das Körperschallsignal y(k) erfasst und digitalisiert. Hierdurch werden mehrere Messdaten erfasst, sodass einzelne Ausreißer einen Wert der geschätzten Einspritzdauer wenig beeinflussen und die Qualität der Messungen verbessert wird.
Die Kalibriereinrichtung 27 weist außerdem einen Schätzer 31 auf, der Zugriff auf den Messwertspeicher 29 bzw. den Körperschallsignalvektor Y(k) hat. Der Schätzer 31 ist zum Ermitteln der geschätzten Einspritzdauer t_i,est eingerichtet.
Der Schätzer 31 hat ferner Zugriff auf einen Schätzwertspeicher 33 der Kalibriereinrichtung 27, in den der Schätzer 31 für jede geschätzte Einspritzdauer t_i,est ein Paar (t_i, t_i,est) ablegen kann, das außer der geschätzte Einspritzdauer t_i,est die zugehörige Ansteuerdauer t_i aufweist. Ferner weist die Kalibriereinrichtung 27 einen Interpolator 35 zum Interpolieren von zwischen den einzelnen Schatzwertpaaren (t_i, t_i,est) liegenden Funktionswerten einer Einspritzdauerfunktion t_i → t_i,est auf. Die Einspritzdauerfunktion t_i → t_i,est bildet die Werte der Ansteuerdauer t_i auf die zugehörigen Werte der geschätzten Einspritzdauer t_i,est ab. Der Interpolator 35 liest also die Paare (t_i, t_i,est) aus dem Schatzwertspeicher 33 aus und verwendet sie als Stützstellen zum Interpolieren der Einspritzdauerfunktion t_i → t_i,est.
Schließlich weist die Kalibriereinrichtung 27 ein Steuerelement 37 zum Steuern der einzelnen Komponenten 29, 31, 33, 35 der Schätzeinrichtung 27 sowie zum Anfordern bestimmter Einspritzvorgänge auf.
Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 11 fordert das Steuerelement 37 von anderen Funktionen des Steuergeräts 21 N Einspritzvorgänge mit einem bestimmten Wert der Ansteuerdauer t_i an. Hierbei werden solche Einspritzvorgänge angefordert, bei denen das Körperschallsignal y(t) außer den vom Betätigen des Einspritzventils 19 herrührenden Schwingungen möglichst wenige störende Anteile aufweist. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Einspritzvorgänge, die sich mit einem Verbrennungsvorgang in irgendeinem Brennraum 15 der Brennkraftmaschine zeitlich nicht überlappen. Beispielsweise kann es sich um Voreinspritzungen oder Nacheinspritzungen handeln. Bei den Einspritzvorgängen kann es sich um Messeinspritzvorgänge handeln, die ausschließlich zum Ermitteln der geschätzten Einspritzdauer t_i,est das heißt zur Kalibrierung, dienen und ansonsten für den Betrieb der Brennkraftmaschine 11, insbesondere zum Erzeugen eines Drehmoments an einer Welle der Brennkraftmaschine 11 oder für den effektiven Betrieb eines Abgassystems der Brennkraftmaschine 11, nichterforderlich sind.
Der Kraftstoffdruck p_rail wird während und/oder zwischen diesen Einspritzvorgängen konstant gehalten. Während den einzelnen Einspritzvorgängen wird das Körperschallsignal y(t) erfasst und mittels eines Analog-Digital-Wandlers (nicht gezeigt) in ein digitalisiertes Körperschallsignal y(k) umgewandelt. Eine beim Digitalisieren verwendete Abtastrate beträgt vorzugsweise mindestens 100 kHz. Es kann jedoch auch eine höhere oder niedrigere Abtastrate verwendet werden. Die mit heutigen Steuergeräten erzielbaren Abtastraten sind zum Ausführen des hier beschriebenen Verfahrens ausreichend. Die digitalisierten Körperschallsignale y(k) für die einzelnen Einspritzvorgänge werden in den Messwertspeicher 29 abgelegt und dadurch der Vektor Y(k) gebildet. Der Schätzer 31 berechnet die Paare (t_i, t_i,ist) und legt diese in den Schätzwertspeicher 33 ab. Schließlich stellt der Interpolator 35 die Einspritzdauerfunktion t_i → t_i,est bereit. Diese Funktion wird dann zum Kalibrieren des Kennfelds 25 herangezogen.
Der Messwertspeicher 29 kann zum Überprüfen einer Datenqualität der einzelnen im Vektor Y enthaltenen erfassten und digitalisierten zeitlichen Verläufe y₁(k), ... y_N(k) eingerichtet sein. Hierbei können solche Messungen aussortiert werden, die eine relativ schlechte Datenqualität haben. Hierzu werden die einzelnen zeitlichen Verläufe y₁(k), ... y_N(k) paarweise miteinander verglichen. Hierbei kann vorgesehen werden, dass für dieselbe Ansteuerdauer das Körperschallsignal y(t) mehrmals erfasst wird und im Messwertspeicher 29 abgelegt wird, sodass mehr zeitliche Verläufe zur Verfügung stehen, anhand deren die Datenqualität der einzelnen zeitlichen Verläufe y₁(k), ... y_N(k) überprüft werden kann. Nur diejenigen zeitlichen Verläufe y₁(k), ... y_N(k), die sich paarweise am Geringsten voneinander unterscheiden, werden bei der weiteren Verarbeitung durch den Schätzer 31 berücksichtigt.
Zu diesem Zweck können beliebige Verfahren angewendet werden. In der gezeigten Ausführungsform werden die einzelnen zeitlichen Verläufe y₁(k), ... y_N(k) einer Clusteranalyse unterzogen. Unter einer Clusteranalyse versteht man ein statistisches Analyseverfahren zur Bildung von Gruppen (sogenannte Cluster), deren Mitglieder (hier die einzelnen zeitlichen Verläufe y₁(k), ... y_N(k)) jeweils ähnliche Eigenschaften aufweisen. Als Ähnlichkeitsmaß zum Quantifizieren der Ähnlichkeit der einzelnen zeitlichen Verläufe y₁(k), ... y_N(k) wird der Euklidische Abstand zwischen diesen Verläufen verwendet. Das heißt jeder zeitliche Verlauf wird als ein Vektor betrachtet, dessen Elemente den Abtastwerten des jeweiligen Verlaufs entsprechen, und als Ähnlichkeitsmaß wird der euklidische Abstand dieser Vektoren voneinander herangezogen. Die Clusteranalyse wird in mehreren Iterationen durchgeführt. Zu Beginn der Clusteranalyse wird für jeden zeitlichen Verlauf y₁(k), ... y_N(k) jeweils ein Cluster gebildet, so dass zu Beginn zunächst N Cluster existieren. In jedem Iterationsschritt werden Cluster zu einem neuen Cluster zusammengefasst, deren Mitglieder sich bezüglich des Ähnlichkeitsmaßes am meisten ähneln. Dieser Iterationsschritt wird so oft wiederholt, bis ein bestimmtes Abbruchkriterium erfüllt ist. Als Abbruchkriterium dient das Erreichen einer bestimmten Anzahl der Cluster.
Der genaue Aufbau des Schätzers 31 ist in 3 dargestellt. Der Schätzer 31 weist einen Funktionsblock 39 zur Vorverarbeitung des Vektors Y(k), der die einzelnen zeitlichen Verläufe enthält, auf. Die Vorverarbeitung 39 kann ein Filtern des Körperschallsignals und/oder eine Korrektur der Laufzeit zwischen dem Einspritzventil 19 und dem Körperschallsensor 23 umfassen. Mit Hilfe der Laufzeitkorrektur können Laufzeitunterschiede zwischen verschiedenen Einspritzventilen 19 und dem Körperschallsensor 23 berücksichtigt beziehungsweise ausgeglichen werden. Ein entsprechendes Filter kann beispielsweise anhand von a priori Wissen über den Aufbau des Motorblocks 13 und/oder des Einspritzventils 19, was die Übertragungsstrecke des Körperschalls angeht, entworfen werden. Hierzu kann beispielsweise eine FEM-Analyse oder eine experimentelle Modalanalyse einer Übertragungsstrecke vom Einspritzventil 19 über den Motorblock 13 zum Körperschallsensor 23 vorgenommen werden.
Der Schätzer 31 weist einen Funktionsblock 41 zum Berechnen eines Einspritzbeginns t_BOI (Begin of Injection, BOI), einen Funktionsblock 43 zum Berechnen eines Einspritzendes t_EOI (End of Injection, EOI) sowie einen Funktionsblock 45 zum Berechnen eines Vollhubzeitpunkts t_EOPL (End of Pintle Lift), zu dem das Einspritzventil 23 vollständig geöffnet ist, auf. Jedem dieser Funktionsblöcke 41, 43, 45 ist ein Funktionsblock 47 zum Überlagern des Körperschallsignalvektors Y(k) mit einer Fensterfunktion 48 zugeordnet. Diese Funktionsblöcke 47 sind zwischen einem Ausgang des Funktionsblocks 39 zur Vorverarbeitung und einem Eingang des jeweiligen Funktionsblocks 43, 45, 47 angeordnet. Die Fensterfunktionen 48 der Funktionsblöcke 47 sind jeweils so gewählt, dass sie einen zeitlichen Bereich aus den Körperschallsignalen Y ausschneiden, in dem die jeweiligen Ereignisse, nämlich der Einspritzbeginn t_BOI, das Einspritzende t_EOI sowie der Vollhubzeitpunkt t_EOPL, voraussichtlich liegen. Da das Einspritzende t_EOI und der Vollhubzeitpunkt t_EOPL von dem Einspritzbeginn t_BOI abhängen, sind die entsprechenden Funktionsblöcke 47 zum Überlagern der Körperschallsignale Y(k) mit dem entsprechenden Fenster 48 mit dem Ausgang des Funktionsblocks 41 verbunden, so dass diese beiden Funktionsblöcke 47 die jeweiligen Fensterfunktionen 48 in Abhängigkeit von dem Einspritzbeginn t_BOI festlegen.
Außerdem weist der Schätzer 31 einen Subtrahierer 49 auf, wobei Eingänge des Subtrahierers 49 mit Ausgängen der Funktionsblöcke 41 und 43 verbunden sind, so dass der Subtrahierer 49 eine Differenz zwischen dem vom Funktionsblock 43 ausgegebenen Wert des Einspritzendes t_EOI und dem vom Funktionsblock 41 ausgegebenen Wert des Einspritzbeginns t_BOI bilden kann, und diese Differenz als geschätzte Einspritzdauer t_i,est = t_EOI – t_BOI ausgeben kann.
Die Fensterfunktion des Funktionsblocks 47, der dem Funktionsblock 41 zugeordnet ist, kann beispielsweise aus einer bekannten mittleren Anzugszeit des Ventilelements des Einspritzventils 19 (Zeit zwischen einem Beginn der Ansteuerung des Einspritzventils und dem Einspritzbeginn) festgelegt sein. Hierbei kann auch eine Wahrscheinlichkeitsverteilung des Einspritzbeginns t_BOI herangezogen werden. Während des Betriebs des Schätzers 31 können die Fensterfunktionen sämtlicher Funktionsblöcke 47 iterativ anhand der Schätzergebnisse t_BOI, t_EOI, t_EOPL angepasst werden.
Der geschätzte Vollhubzeitpunkt t_EOPL kann von weiteren, hier nicht beschriebenen Funktionen des Steuergeräts 21 verwendet werden.
Im Folgenden werden verschiedene Ansätze zum Ermitteln des Einspritzbeginns t_BOI erläutert, die in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung angewendet werden können.
4 zeigt im oberen Diagramm den zeitlichen Verlauf eines Ventilhubs x_a des während der Ansteuerdauer t_ia angesteuerten Einspritzventils 19. Der Beginn der Ansteuerung des Einspritzventils 19, das heißt der Beginn der Bestromung einer Spule des Einspritzventils 19, liegt bei t = 0. Man erkennt, dass das Einspritzventil 19 zum Zeitpunkt t_BOI,ist zu öffnen beginnt. Das Ende der Einspritzung liegt an einem Zeitpunkt t_EOI,ist, an dem das Einspritzventil 19 wieder vollständig geschlossen ist. Die beiden Zeitpunkte t_BOI,ist, t_EOI,ist begrenzen die tatsächliche Einspritzdauer t_i,ist. Im unteren Diagramm der 4 ist der zeitliche Verlauf eines entsprechenden Körperschallsignals y_a(t) dargestellt. Man erkennt, dass eine Amplitude A und eine Signalenergie E des Körperschallsignals y_a nach einer Signallaufzeit Δt nach dem Einspritzbeginn t_BOI,ist zunimmt. Die Signalenergie E des Körperschallsignals y_a(t) zu einem betrachteten Zeitpunkt t kann beispielsweise für den Zeitraum zwischen t = 0 und dem betrachteten Zeitpunkt t berechnet werden. Abweichend hiervon kann auch vorgesehen werden, dass die Signalenergie E für einen Zeitbereich, in dem der betrachtete Zeitpunkt t liegt, berechnet wird.
Der Funktionsblock 41 überprüft, ob die Signalenergie E und/oder die Amplitude A größer ist als ein erster Schwellwert S. Dieser Schwellwert kann beispielsweise im Steuergerät 21 fest gespeichert sein. Zur Auslegung dieses Schwellwerts S können Betriebs- oder Hintergrundgeräusche im Motorblock 13 als ein Gauß'scher weißer Rauschprozess mit den Parameter μ (Erwartungswert) und σ (Standardabweichung) modelliert werden. Für positive Signalamplituden kann beispielsweise ein positiver Schwellwert S⁺ = μ + 3σ und für negative Amplituden ein negativer Schwellwert S = μ – 3σ festgelegt werden. Im gezeigten Beispiel beträgt der Erwartungswert μ = 0, so dass der Betrag beider Schwellwerte gleich ist, S = S⁺ = –S^–.
In einer anderen Ausführungsform wird der Beginn der Einspritzung t_BOI anhand des Phasenverlaufs eines analytischen Körperschallsignals y_AN(t) = y(t) + j·H{(y(t))} ermittelt, welches anhand des erfassten Körperschallsignals y(t) oder des digitalen Körperschallsignals y(k) berechnet wird. Hierbei stellt j die imaginäre Einheit und H{·} den Operator der Hilbert-Transformation dar. Das analytische Körperschallsignal y_AN ist also komplexwertig, wobei der Ausdruck φ = arg{y_AN(t)} einem Phasenwinkel des Körperschallsignals entspricht. Das Ereignis des Öffnens des Einspritzventils 19 (Nadelhub) ist mit einer plötzlichen Veränderung der Dynamik des Körperschallsignals verbunden. Daher erkennt der Funktionsblock 41 den Zeitpunkt t_BOI anhand einer Änderung im Phasenverlauf φ.
Dieser kann beispielsweise durch Bildung einer Ableitung der Phase φ nach der Zeit erkannt werden. Im Falle eines zeitdiskreten Signals kann die Ableitung nach der Zeit durch Differenzbildung zweier zeitlich benachbarter Abtastwerte der Phase φ berechnet werden. Diesem Ansatz zum Ermitteln des Einspritzbeginns t_BOI liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Ableitung der Phase φ nach der Zeit der Momentanfrequenz des Körperschallsignals entspricht und dass zum Einspritzbeginn die Momentanfrequenz des Körperschallsignals (verzögert um eine Laufzeit Δt) auf einen Wert springt, der einer Resonanzfrequenz von schwingenden Teilen des Einspritzventils 19 entspricht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der Einspritzbeginn anhand des Akaike Informationskriteriums erkannt. Das Akaike Informationskriterium wird bei einer Methode der Zeitreihen-Analyse angewendet, bei der eine Zeitreihe in aufeinander folgende stationäre Segmente unterteilt wird. Hierbei kann jedes einzelne Segment als ein autoregressiver stochastischer Prozess modelliert werden. Durch Minimierung einer sogenannten AIC-Funktion kann der optimale Zeitpunkt, an dem zwei aufeinander folgende Segmente getrennt werden sollen, ermittelt werden. Bei der Anwendung dieser Zeitreihenanalyse auf das Ermitteln des Einspritzbeginns entspricht der Zeitraum vor dem ermittelten Einspritzbeginn (t < t_BOI) einem ersten Segment und der Zeitraum nach dem ermittelten Einspritzbeginn (t > = t_BOI) einem zweiten Segment, das auf das erste Segment folgt. Der Einspritzbeginn entspricht nun demjenigen Zeitpunkt t, an dem die AIC-Funktion AIC(t) = t log(var(y(1:t)))) + (T – t – 1)log(var(y(t + 1:T))) minimal wird. Hierbei steht T für den letzten Wert eines zu betrachtenden Zeitabschnitts. Der Ausdruck y(1:t) bezeichnet einen Teilvektor, des Vektors y, der dessen ersten t Elemente umfasst. Der Ausdruck y(t + 1:T) bezeichnet einen Teilvektor des Vektors y, der dessen Elemente t + 1 bis T umfasst. Die Funktion var entspricht der Varianz berechnet über die Elemente ihres Arguments.
Vorzugsweise wird das Ermitteln dieses Minimums auf den vom im zugehörigen Funktionsblock 47 berechneten Zeitfenster vorgegebenen Zeitbereich beschränkt. Der Wert T kann beispielsweise vom Funktionsblock 47 gemäß diesem Zeitfenster vorgegeben werden.
Bei jeder der oben beschriebenen drei Varianten zum Ermitteln des Einspritzbeginns t_BOI kann der Zeitpunkt des Einspritzbeginns t_BOI noch um die Laufzeit Δt des Körperschallsignals y(t) durch den Zylinderkopf und/oder den Motorblock 13 korrigiert werden. Hierdurch kann der absolute Zeitpunkt des Einspritzbeginns noch genauer ermittelt werden. Soll jedoch lediglich die Einspritzdauer t_i,est ermittelt werden, kann diese Korrektur auch unterbleiben, da die Signallaufzeit Δt auch zu einer verzögerten Erkennung des Einspritzendes t_EOI führt.
Im Folgenden werden Ansätze zum Ermitteln des Einspritzendes t_EOI erläutert, die in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung angewendet werden können.
In einer Ausführungsform wird der Zeitpunkt des Einspritzendes t_EOI ermittelt, indem für geringfügig unterschiedliche Ansteuerdauern t_i jeweils ein Körperschallsignal ermittelt wird und diese Körperschallsignale miteinander verglichen werden. Sobald eine Abweichung zwischen den beiden Körperschallsignalen erkannt wird, wird das Einspritzende t_EOI desjenigen Einspritzvorgangs mit der kürzeren Ansteuerdauer t_i erkannt.
In 4 ist der zeitliche Verlauf des Ventilhubs x_b des Einspritzventils 19 für eine größere Ansteuerdauer t_ib > t_ia dargestellt. Der Unterschied zwischen den beiden Ansteuerdauern t_ia, t_ib ist geringer als die kürzere Ansteuerdauer t_ia, beispielsweise die Hälfte der kürzeren Ansteuerdauer t_ia. Der Unterschied zwischen den Ansteuerdauern t_ia, t_ib kann auch noch geringer gewählt werden, beispielsweise kann der Unterschied höchstens ein Fünftel oder höchstens ein Zehntel der kürzeren Ansteuerdauer t_ia betragen. Es kann vorgesehen werden, dass sich die beiden Ansteuerdauern t_ia, t_ib um beispielsweise 2,5 μs unterscheiden.
Anhand des unteren Diagramms der 4 erkennt man, dass sich das beim Ansteuern des Einspritzventils 19 mit der längeren Ansteuerdauer t_ib ergebende Körperschallsignal y_b vor dem Einspritzende t_EOI kaum vom Körperschallsignal y_a unterscheidet, das für einen Einspritzvorgang mit der Ansteuerdauer t_ia erfasst worden ist. Deshalb sind für t < t_EOI die beiden Körperschallsignale y_a, y_b der Übersichtlichkeit halber mit einer gemeinsamen Kurve dargestellt. Die beiden Signale y_a, y_b unterscheiden sich allerdings, sobald das Ventilelement des Einspritzventils 19 in einer Endlage anschlägt, bei der das Einspritzventil 19 geschlossen ist. Für diesen Zeitabschnitt t > = t_EOI sind die beiden Körperschallsignale y_a, y_b durch getrennte Kurven dargestellt.
Der Funktionsblock 43 erkennt den Zeitpunkt des Einspritzendes t_EOI, sobald er einen Unterschied zwischen den beiden Körperschallsignalen y_a, y_b feststellt. In der gezeigten Ausführungsform stellt der Funktionsblock 43 einen Unterschied zwischen den beiden Körperschallsignalen y_a, y_b für denjenigen Zeitpunkt t_EOI fest, für den ein Unterschied der Beträge der beiden Signale y_a, y_b erstmals einen zweiten Schwellwert S_E überschreiten. Bei dem zweiten Schwellwert S_E kann es sich um einen fest vorgegebenen Wert handeln. Es kann jedoch auch vorgesehen werden, dass der Schwellwert S_E in Abhängigkeit von einer maximalen Amplitude eines oder beider Körperschallsignale y_a, y_b gebildet wird. Der Schwellwert S_E kann beispielsweise durch Multiplikation dieser maximalen Amplitude mit einem festen Faktor ermittelt werden.
Im Falle der zeitdiskreten Körperschallsignale y_a, y_b kann eine Ableitung der kumulierten Summe des Betrags der Differenz der Abtastwerte der beiden Körperschallsignale y_a, y_b gebildet werden. Die kumulierte Summe des Betrags der Differenz berechnet sich folgendermaßen:
Die Ableitung S'(t) kann durch Differenzbildung benachbarter Werte ermittelt werden, das heißt S'(t) = S(t) – S(t – 1). Hierbei ist t eine natürliche Zahl, die als Index für die einzelnen Werte des zeitdiskreten Signals S(t) bzw. S'(t) dient. Es kann vorgesehen sein, dass der Einspritzbeginn für denjenigen Zeitpunkt erkannt wird, für den die kumulierte Summe des Betrags der Differenz einen dritten Schwellwert S_F erstmals im zeitlichen Verlauf dieser kumulierten Summe überschreitet.
Abweichend hiervon kann anstelle der Absolutwerte der Körperschallsignale y_a, y_b oder der Differenz der Körperschallsignale y_a, y_b auch die Differenz der Beträge der Körperschallsignale y_a, y_b berechnet und mit einem Schwellwert zum Erkennen des Einspritzendes t_EOI verglichen werden. Darüber hinaus können auch die Phasenverläufe der Körperschallsignale y_a, y_b und/oder in den Körperschallsignalen y_a, y_b enthaltene Frequenzanteile miteinander verglichen werden, um das Einspritzende t_EOI zu detektieren.
In einer anderen Ausführungsform sind zum Ermitteln des Einspritzendes t_EOI Prädiktionsfilter vorgesehen. Anhand des zeitlichen Verlaufs desjenigen Körperschallsignals y_b, das für die längere Ansteuerdauer t_ib erfasst worden ist, wird sowohl ein vorwärts gerichtetes Prädiktionsfilter als auch ein rückwärts gerichtetes Prädiktionsfilter generiert. Anschließend werden beide Prädiktionsfilter auf den zeitlichen Verlauf des Körperschallsignals y_a angewendet, der für den Einspritzvorgang mit der kürzeren Ansteuerdauer t_ia erfasst worden ist. Hierdurch wird mittels der beiden Prädiktionsfilter der Verlauf des Körperschallsignals y_b prädiziert. Hierbei wird ein bei der Vorwärtsprädiktion mittels des vorwärts gerichteten Prädiktionsfilters entstehender Prädiktionsfehler P_v sowie ein bei der Rückwärtsprädiktion mittels des rückwärts gerichteten Prädiktionsfilters entstehender Prädiktionsfehler P_r ermittelt. Die beiden Prädiktionsfehler P_v und P_r werden fusioniert. Hierbei entspricht ein fusionierter Prädiktionsfehler P_f einem Produkt der beiden Prädiktionsfehler, P_f = P_v·P_r. Durch diese Fusion wird das gewünschte Nutzsignal verstärkt, und Ausreißer werden zumindest teilweise eliminiert.
Anschließend wird ein durch das von dem Funktionsblock 43 zugeordneten Funktionsblock 47 festgelegte Fenster vorgegebener Zeitbereich untersucht und in diesem Zeitbereich der Zeitpunkt gesucht, für den der fusionierte Prädiktionsfehler P_f maximal ist. Dieser Zeitpunkt entspricht dem ermittelten Einspritzende t_EOI.
Es kann vorgesehen werden, dass Filterkoeffizienten einer oder beider Prädiktionsfilter anhand eines aus dem Körperschallsignal y_a berechneten analytischen Signals bestimmt werden. Bei einem solchermaßen festgelegten Prädiktionsfilter ergibt sich am Ausgang dieses Prädiktionsfilters ein komplexwertiges Signal. Der Realteil dieses komplexwertigen Signals entspricht dem prädizierten Körperschallsignal y_b, und kann zur Berechnung der oben genannten Prädiktionsfehler herangezogen werden.
In einer noch weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Einspritzende t_EOI durch Auswertung der sich mit der Zeit ändernden spektralen Zusammensetzung verschiedener Körperschallsignale ermittelt wird. Hierbei werden Körperschallsignale, die für verschiedene Einspritzvorgänge erfasst worden sind, die sich hinsichtlich der Ansteuerdauer t_i unterscheiden, miteinander verglichen. Die Ansteuerdauern t_i können sich – anders als in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen – relativ stark voneinander unterscheiden. Es kann beispielsweise jeweils ein Körperschallsignal für eine Ansteuerdauer von t_i = 2 ms und für t_i = 0,5 ms erfasst werden. Zur Analyse der sich mit der Zeit ändernden spektralen Zusammensetzung der Körperschallsignale kann beispielsweise die eigentlich zur Visualisierung der sich mit der Zeit ändernden spektralen Zusammensetzung von Signalen verwendete S-Methode verwendet werden. Daten für eine entsprechende Zeit-Frequenz-Darstellung können anhand der folgenden Gleichung berechnet werden:
Hierbei entspricht F_y(t, f) der Kurzzeit-Fourier-Transformierten (STFT) des jeweiligen Körperschallsignals y, P(ζ) einer Fensterfunktion in Frequenzrichtung und ζ einem Index für eine Frequenzverschiebung. F_y(t, f)* bezeichnet die komplex konjugierte Kurzzeit-Fourier-Transformierte.
Im oberen Diagramm der 5 ist ein zeitlicher Verlauf x_c des Hubs des Ventilelements des Einspritzventils 19 für eine Ansteuerdauer von t_i = 0,5 ms dargestellt. Das in 5 ganz unten eingezeichnete Diagramm zeigt den zeitlichen Verlauf der spektralen Zusammensetzung des entsprechenden Körperschallsignals. Gebiete im dort dargestellten Zeit-Frequenz-Raum, in denen das Signal eine gewisse Stärke überschreitet, sind mit Bereichen 53 gekennzeichnet.
Das in 5 in der Mitte dargestellte Diagramm zeigt eine Darstellung der zeitlichen Änderung der spektralen Zusammensetzung eines Körperschallsignals, das für einen Einspritzvorgang erfasst worden ist, bei dem die Ansteuerdauer t_i = 2 ms beträgt.
Der Funktionsblock 43 vergleicht den zeitlichen Verlauf der spektralen Zusammensetzung beider Körperschallsignale innerhalb des vom entsprechenden Funktionsblock 47 vorgegebenen Fensters, das in diesem Zusammenhang auch als Suchfenster 51 bezeichnet wird. Der Funktionsblock 43 erkennt das Einspritzende (Zeitpunkt t_EOI), wenn sich innerhalb des Suchfensters 51 die spektralen Zusammensetzungen der beiden Körperschallsignale voneinander unterscheiden. Im unten dargestellten Diagramm (für t_i = 0,5 ms) ist ein Bereich 53 mit einem relativ starken Signal vorhanden, der im in der Mitte der 5 eingezeichneten Diagramm für das Vergleichssignal (t_i = 2 ms) nicht vorhanden ist. Somit erkennt der Funktionsblock 43 an dem Zeitpunkt t_EOI, an dem sich die beiden Signale hinsichtlich ihres Spektrums unterscheiden, das Einspritzende.
Nachdem der Funktionsblock 43 nach einem der oben beschriebenen Ansätze das Einspritzende t_EOI ermittelt hat, berechnet der Subtrahierer 49 die geschätzte Einspritzdauer durch Differenzbildung, t_i,est = t_EOI – t_BOI. Es kann vorgesehen werden, dass der Einspritzbeginn t_BOI und/oder das Einspritzende t_EOI durch Subtraktion der Signallaufzeit Δt korrigiert werden. Diese Korrektur kann auch weggelassen werden, weil sie zur Berechnung der geschätzten Einspritzdauer t_i,est durch diese Subtraktion keine Rolle spielt.
Insgesamt ermöglicht es die vorliegende Erfindung, eine tatsächliche Einspritzdauer t_i,est einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, insbesondere einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine, durch Analyse des Körperschallsignals zu ermitteln. Hierdurch kann ein Zusammenhang zwischen der Ansteuerdauer t und entsprechenden Werten der Einspritzdauer t_i,est ermittelt werden. Anhand dieses Zusammenhangs kann dann das Kennfeld 25 kalibriert werden. Da es sich bei dem Körperschallsensor 23 vorzugsweise um einen ohnehin vorhandenen Klopfsensor handelt, kann die Erfindung mit besonders geringem Aufwand realisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19536110 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine (11), bei dem ein Einspritzventil (19) der Brennkraftmaschine (11) zum Einspritzen einer Kraftstoffmenge (q_i) während einer Einspritzdauer in einen Brennraum (15) der Brennkraftmaschine (11) während einer Ansteuerdauer (t_i) angesteuert wird und mittels eines Körperschallsensors (23) der Brennkraftmaschine (11) ein Körperschallsignal (y(t)) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem erfassten Körperschallsignal (y(t)) die Einspritzdauer (t_i,est) eines Einspritzvorgangs ermittelt wird, der in einem anderen Zeitintervall stattfindet als ein Verbrennungsvorgang in mindestens einem Brennraum (15) der Brennkraftmaschine (11).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzvorgang, dessen Einspritzdauer ermittelt wird, in einem anderen Zeitintervall stattfindet als ein Betätigen eines Einlassventils der Brennkraftmaschine und/oder eines Auslassventils der Brennkraftmaschine.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzvorgang, dessen Einspritzdauer (t_i,est) ermittelt wird, eine Voreinspritzung, eine Nacheinspritzung oder ein Messeinspritzvorgang, der ausschließlich zum Ermitteln der Einspritzdauer (t_i,est) durchgeführt wird, ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Körperschallsignal (y(t)) für mehrere Einspritzvorgänge mit derselben Ansteuerdauer (t_i) erfasst und über diese mehrere Einspritzvorgänge gemittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ermitteln der Einspritzdauer (t_i,est) ein Einspritzbeginn (t_BOI), an dem der Einspritzvorgang beginnt, ein Einspritzende (t_EOI), an dem der Einspritzvorgang endet, und/oder ein Vollhubzeitpunkt (t_EOPL), an dem das Einspritzventil (19) vollständig geöffnet ist, in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf des Körperschallsignals (y(t)) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzbeginn (t_BOI) in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf einer Amplitude (A) oder einer Signalenergie (E) des Körperschallsignals (y(t)) ermittelt wird, wobei als Einspritzbeginn ein Zeitpunkt (t_BOI) eines Sprungs des zeitlichen Verlaufs oder ein Zeitpunkt (t_BOI) des zeitlichen Verlaufs, an dem die Amplitude (A) bzw. die Signalenergie (E) einen vorgegebenen ersten Schwellwert (S) überschreitet, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln des Einspritzbeginns das Akaike-Informationskriterium in Abhängigkeit von dem Körperschallsignal (y(t)) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzbeginn (t_BOI) in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf einer Phase des Körperschallsignals (y(t)), von einem zeitlichen Verlauf einer Phase des analytischen Körperschallsignals und/oder von einem zeitlichen Verlauf einer Momentanfrequenz des Körperschallsignals (y(t)) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzende (t_EOI) in Abhängigkeit von zeitlichen Verläufen des Körperschallsignals (y_a, y_b) für zwei Einspritzvorgänge ermittelt wird, die sich hinsichtlich der Ansteuerdauer (t_ia, t_ib) unterscheiden, wobei als Einspritzende ein Zeitpunkt (t_EOI) der zeitlichen Verläufe (y_a, y_b) ermittelt wird, ab dem ein Unterschied zwischen den zeitlichen Verläufen (y_a, y_b) erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied zwischen den zeitlichen Verläufen (y_a, y_b) ab demjenigen Zeitpunkt der Verläufe erkannt wird, in dem eine Differenz der absoluten Werte der beiden Verläufe einen zweiten Schwellwert (S_E) überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied zwischen den zeitlichen Verläufen (y_a, y_b) ab demjenigen Zeitpunkt der Verläufe (y_a, y_b) erkannt wird, in dem eine Ableitung einer kumulierten Summe eines Betrags einer Differenz der beiden Verläufe einen dritten Schwellwert (S_F) überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied zwischen den zeitlichen Verläufen (y_a, y_b) anhand von Phasenverläufen der zeitlichen Verläufe (y_a, y_b) und/oder anhand von in den zeitlichen Verläufen (y_a, y_b) enthaltenen Frequenzanteilen erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen ersten zeitlichen Verlauf (y_a) der beiden zeitlichen Verläufe (y_a, y_b) ein Prädiktionsfilter angewendet wird, das anhand eines zweiten zeitlichen Verlaufs (y_b) der beiden zeitlichen Verläufe (y_a, y_b) ermittelt worden ist, mittels des Prädiktionsfilters der zweite zeitliche Verlauf (y_b) prädiziert wird, ein Prädiktionsfehler berechet wird und der Unterschied zwischen den zeitlichen Verlaufen (y_a, y_b) an einem Zeitpunkt erkannt wird, an dem der Prädiktionsfehler ein Maximum aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedliche Werte der Ansteuerdauer (t_i) ein jeweils zugehöriger Wert der Einspritzdauer (t_i,est) ermittelt wird, Tupel (t_i, t_i,est) gebildet werden, die jeweils einen Wert der Ansteuerdauer (t_i) und den zugehörige Wert der Einspritzdauer (t_i,est) umfassen, und ein Kennfeld (25) für einen Zusammenhang zwischen der Ansteuerdauer (t_i) und der Einspritzdauer (t_i,est) erzeugt oder korrigiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeitfensterfunktion (48) gebildet wird, die einen Zeitraum umfasst, in dem der Einspritzbeginn (t_BOI), das Einspritzende (t_EOI) und/oder der Vollhubzeitpunkt (t_EOPL) liegt, und dass vor dem Ermitteln des Einspritzbeginns (t_BOI), des Einspritzendes (t_EOI) und/oder des Vollhubzeitpunkts (t_EOPL) das Körperschallsignal (y(t)) mit der Zeitfensterfunktion (48) überlagert wird.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine (11), mit mindestens einem Einspritzventil (19) zum Einspritzen einer Kraftstoffmenge (q_i) direkt in einen Brennraum (15) der Brennkraftmaschine (11), einem Körperschallsensor (23) und einem Steuergerät (21) zum Steuern und/oder Regeln der Brennkraftmaschine (11), das dazu eingerichtet ist, das Einspritzventil (19) während einer Ansteuerdauer (t_i) anzusteuern und mittels des Körperschallsensors (23) ein Körperschallsignal (y(t)) zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (21) zum Ermitteln der Einspritzdauer (t_i,est) eines Einspritzvorgangs in Abhängigkeit von dem erfassten Körperschallsignal (y(t)) eingerichtet ist, wobei der Einspritzvorgang in einem anderen Zeitintervall stattfindet als ein Verbrennungsvorgang in mindestens einem Brennraum (15) der Brennkraftmaschine (11).
Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (21) zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 eingerichtet, vorzugsweise programmiert ist.