DE102014110635B4 - Verfahren zur Erkennung und Verhinderung von Schmierungsmängeln auf der Kolbenlauffläche - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Überwachung der räumlichen Ausbreitung eines Einspritzstrahls (21), der von einem Kraftstoffinjektor (20) in eine Brennkammer (11a) an einem Zylinder (11) eines Verbrennungsmotors (10) eingespritzt wird, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:- Berechnung (S10) eines Dichtefaktors (D) für die Einspritzung, der zumindest eine Gasdichte (RhoG) des Gases in der Brennkammer berücksichtigt;- Berechnung (S20) der Eindringtiefe (S,S1,S2) des Einspritzstrahls (21),- Geometrische Prüfung, ob durch den Einspritzstrahl (21) eine Benetzung der Kolbenlauffläche (21) an der Zylinderwand erfolgt, wobei die geometrische Prüfung beinhaltet:- Definition einer ersten Kollisionskontur (g1) durch die Kolbenmulde (15) und/oder den Kolbenmuldenrand (15a);- Definition einer zweiten Kollisionskontur (g2) durch die Zylinderwand (11); und- Erkennen einer Benetzung der Kolbenlauffläche an der Zylinderwand (11), wenn die Ausbreitungsgerade des Einspritzstrahls (21) die erste Kollisionskontur (g1) nicht schneidet und die zweite Kollisionskontur (g2) schneidet.

Description

• In der Praxis ist es bekannt, Verbrennungsmotoren mit einem oder mehreren Zylindern und darin gebildeten Brennkammern auszubilden, wobei ein oder mehrere Kraftstoffinjektoren jeweils Einspritzstrahlen in die Brennkammer injizieren. Diese Einspritzstrahlen können unter Umständen auf die Kolbenlauffläche an der Zylinderwand auftreffen und den dort gebildeten Schmierfilm schädigen. Bisher sind keine zufriedenstellenden Techniken zur Erkennung und Verhinderung dieses Phänomens bekannt. Insbesondere wird nicht der Einfluss der momentanen Position der Kolbenmulde oder eines Kolbenmuldenrandes berücksichtigt.
• Aus der DE 10 2012 107 714 A1 ist bekannt, dass in eine Brennkammer gleichzeitig ein Kraftstoff-Einspritzstrahl und ein Wasser-Einspritzstrahl injiziert werden können. Ziel ist dort, durch die zusätzliche Einspritzung eines Wasserstrahls entgegen der Einspritzrichtung des Kraftstoffstrahls das Auftreffen des Kraftstoffstrahls auf der Zylinderwand zu vermeiden, um die Wärmeverluste infolge einer Wärmeübertragung auf die Zylinderwand zu reduzieren.
• Die DE 10 2009 022 648 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffmaschine, bei dem ein Benetzen einer Brennraumwandung mit Kraftstoff vermieden werden soll. In der DE 10 2006 013 041 A1 wird ein Steuergerät für einen Dieselmotor aufgezeigt. Die DE 603 18 344 T2 bezieht sich auf einen Verbrennungssteuerapparat für einen Dieselmotor, mit Hilfe dessen u.a. eine Kraftstoffabscheidung auf der Wandoberfläche einer Verbrennungskammer vermieden wird. In der US 2014/0 026 539 A1 sind Verfahren und Systeme zum Regenerieren einer Nachbehandlungsanlagen eines Verbrennungsmotors offenbart.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und ein Fahrzeugsteuergerät aufzuzeigen, mit denen ein Auftreffen des Einspritzstrahls auf der Zylinderwand ermittelt werden kann. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung wird die räumliche Ausbreitung eines Einspritzstrahls in der Brennkammer überwacht. Der Einspritzstrahl wird von einem Kraftstoffinjektor in die Brennkammer eines Zylinders am Verbrennungsmotor eingespritzt. Das Verfahren umfasst zumindest die im Hauptanspruch angegebenen Schritte.
• Es wird ein Dichtefaktor für die Einspritzung berechnet. Der Dichtefaktor stellt den stärksten Einflussfaktor für die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die sich daraus ergebende Eindringtiefe eines Einspritzstrahles in der Brennkammer dar. Je geringer der Dichtefaktor für das in der Brennkammer enthaltene Gas ist, desto eher wird der Impuls des eingespritzten Fluids abgebaut und desto schneller finden Phasenübergänge des Fluids von der flüssigen Phase in die Gasphase bzw. eine Vaporisierung statt. Mit anderen Worten wird die Eindringtiefe bei einem geringen Dichtefaktor geringer ausfallen und umgekehrt.
• Basierend auf dem Wert des ermittelten Dichtefaktors und ggfs. weiteren fluid-mechanischen Größen wird die Eindringtiefe für den Einspritzstrahl abgeschätzt. Die Abschätzung erfolgt bevorzugt über eine Modellberechnung. Besonders bevorzugt wird die weiter unten angegebene Näherungsgleichung verwendet, die auf die konkrete Einsatzsituation adaptiert, insbesondere parametrisiert werden kann.
• Anhand einer geometrischen Berechnung wird überprüft, ob durch den Einspritzstrahl eine Benetzung der Kolbenlauffläche an der Zylinderwand erfolgt bzw. mit hoher Wahrscheinlichkeit erfolgt.
• Wenn eine bevorstehende oder erfolgte Laufflächenbenetzung festgestellt oder mit ausreichender Wahrscheinlichkeit ermittelt wird, können Sicherungsmaßnahmen zur Vermeidung eines Motorschadens eingeleitet werden. Die Sicherungsmaßnahmen können beliebiger Art sein und vom Einsatzzweck des Motors abhängen. Bevorzugte Varianten für durchzuführende Sicherungsmaßnahmen werden unten beschrieben.
• Die vorliegende Offenbarung umfasst auch ein Fahrzeugsteuergerät, mit dem zumindest eines der hier offenbarten Verfahren durchführbar ist.
• Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:
• 1: Eine Querschnittsdarstellung eines Zylinders, in dessen Brennkammer ein Kraftstoffeinspritzstrahl injiziert wird;
• 2 u. 3: Vergleichsdarstellungen zur Erläuterung der geometrischen Verhältnisse in der Brennkammer bei unterschiedlichen Hubhöhen des Kolbens;
• 4: ein Erläuterungsdiagramm zur Entstehung von Einspritzstrahlen mit verschiedenen Eindringtiefen;
• 5: ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• In 1 ist beispielhaft ein Zylinder (11) eines Verbrennungsmotors (10) dargestellt. Durch ein Einlassventil (24) und ein Auslassventil (25) kann in an sich bekannter Weise Ladeluft, d.h. ein angesaugtes Beschickungsgas, in die Brennkammer (11a) eingeführt, dort zusammen mit einem Kraftstoff verbrannt und anschließend zu einem Auspuff hin wieder abgelassen werden. Die Ladeluft kann aus reiner Frischluft bestehen. Alternativ kann ein anderes Gas, insbesondere ein Gemisch von Frischluft und rückgeführtem Abgas vorgesehen sein.
• Der Verbrennungsmotor (10) kann ein oder mehrere Sensoren und eine Fahrzeugsteuerung (23) aufweisen oder mit solchen verbunden sein. Durch die Sensoren können relevante fluidmechanische Größen direkt oder indirekt festgestellt werden. Es können insbesondere Luftmassenmesser, Temperatursensoren und/oder Drucksensoren im Ansaugbereich des Motors und/oder in der Brennkammer vorgesehen sein.
• An dem Zylinder (11) ist in dem Beispiel gemäß 1 ein einzelner Kraftstoffinjektor (20) vorgesehen, der hier im Zylinderkopf und in etwa mittig auf der Zentralachse des Zylinders (11) angeordnet ist. Alternativ können mehrere Injektoren (20) mit ggfs. abweichender Anordnung vorgesehen sein.
• Der Kraftstoffinjektor (20) kann beliebig ausgebildet sein. Er kann eine beliebige Anzahl von Spritzlöchern und eine beliebige innere Betätigungsstruktur aufweisen, insbesondere eine in Axialrichtung des Injektors (20) verschiebliche Ventilnadel, die einen inneren Kraftstoffstrom freigibt. Im Folgenden wird beispielhaft davon ausgegangen, dass der Kraftstoffinjektor acht Spritzlöcher aufweist, die gleichmäßig über dem Umfang des in die Brennkammer ragenden Düsenbereichs verteilt sind. Es wird ferner davon ausgegangen, dass alle Spritzlöcher in ein gemeinsames Sackloch im Inneren des Injektors (20) münden. Wenn die Ventilnadel des Kraftstoffinjektors von einem Ventilsitz abgehoben wird, kann Hochdruckkraftstoff, mit dem der Kraftstoffinjektor durch ein Kraftstofffördersystem versorgt wird, in das Sackloch einströmen und von dort durch die Spritzlöcher zur Brennkammer (11a) hin austreten. In 1 sind vereinfachend nur zwei Einspritzstrahlen (21) dargestellt, deren Ausbreitungsrichtung in der Querschnittsebene der Zeichnung liegt.
• Die Spritzlöcher bilden im hydraulischen Sinne eine Drosselstelle, an der der unter dem hohen Fluiddruck (pL) stehende Kraftstoff zunächst als flüssiger Strahl austritt. Bei der weiteren Ausbreitung des Strahls findet eine Zerstäubung statt. Infolge des hohen Differenzdruckes (dp) zwischen dem Fluiddruck (pL) im Injektor (20) und dem Gasdruck (pG) in der Brennkammer reißt der Fluidstrahl unter Bildung einer Vielzahl von kleinen Tropfen auf. Die Tröpfchen haben einen Anfangsdurchmesser (d0), der nach bekannten Näherungsrechnungen abgeschätzt werden kann. Bei der weiteren Strahlausbreitung kann ferner eine Verdampfung des Kraftstoffs stattfinden. Der Durchmesser der Tröpfchen verringert sich und schließlich gehen sie vollständig in die Gasphase über.
• Der Kraftstoffeinspritzstrahl (21) und dessen Ausbildung können über verschiedene Parameter qualitativ und quantitativ erfasst werden. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass der Strahlquerschnitt durch einen Deltoid (Drachenviereck) mit einem Strahlöffnungswinkel (A) und einer Eindringtiefe (S) beschrieben wird. Eine Formel zur Berechnung des Strahlöffnungswinkels in Abhängigkeit von Geometrieparametern des Injektors (20), insbesondere der Spritzlöcher, und fluidmechanischen Kenngrößen, wie der Gasdichte und der Fluiddichte, ist bekannt. Ein mittlerer Durchmesser der Tröpfchen kann beispielsweise über den sogenannten Sauter Mean Radius (SMR) abgeschätzt werden, der in der Praxis bekannt ist.
• Um zu Überwachen, ob der Einspritzstrahl sich so weit in der Brennkammer (11a) ausbreitet, dass er die Zylinderwand und die dort befindliche Kolbenlauffläche (12) erreicht, wird gemäß der vorliegenden Offenbarung vorgeschlagen, die Eindringtiefe (S) des Einspritzstrahls (21) rechnerisch abzuschätzen. Hierfür werden die nachfolgenden Formeln F1 bis F3 vorgeschlagen: $${\begin{array}{cc}{\text{für 0<t<t}}_{\text{b}}& S=C_1\cdot \left(\frac{2\cdot \mathrm{\Delta }p}{{\rho }_L}\right)\end{array}}^{K_1}\cdot t$$

  

  $${\begin{array}{cc}{\text{für t>t}}_{\text{b}}& S=C_2\cdot \left(\frac{\mathrm{\Delta }p}{{\rho }_G}\right)\end{array}}^{K_2}\cdot {\left(d_0\cdot t\right)}^{K_3}$$

  

  $$\begin{array}{cc}{\text{Aufbruchszeit t}}_{\text{b}}& t_b=C_3\cdot \frac{{\rho }_L\cdot d_0}{\sqrt{p_G\cdot \mathrm{\Delta }p}}\end{array}$$

  

  mit:

t:

Zeit

S:

Eindringtiefe

Δp:

Druckdifferenz (sonst als „dp“ bezeichnet)

p_L:

Fluiddichte des Kraftstoffs / Tropfendichte (sonst als „rhoL“ bezeichnet)

ρ_G:

Dichtefaktor - Gasdichte in der Brennkammer (sonst „rhoG“ bezeichnet)

d₀:

Anfänglicher Tropfendurchmesser (sonst als „d0“ bezeichnet)

C₁-C₃:

Proportionalitätsfaktoren (Beispielswerte: C₁ = 0,39; C₂ = 2,95; C₃ = 28, 65)

K₁-K₃:

Exponenten (K_i < 1; Beispielswerte: K₁ = 0,5; K₂ = 0,25; K₃ = 0,5)

• Die Exponenten und Proportionalitätsfaktoren in den vorgenannten Formeln F1 bis F3 stellen Anfangswerte dar, die im Rahmen einer Parametrisierung angepasst werden können. Die Formeln F1 bis F3 sind Näherungsgleichungen, die im Rahmen eines Vergleichs mit gemessenen physikalischen Kennwerten an einem Testsystem angepasst und insbesondere kalibriert werden können. Dabei können bevorzugt die Werte der Exponenten und Proportionalitätsfaktoren derart verändert werden, dass die mit der Näherungsgleichung ermittelten Werte für die Eindringtiefe eine gute Deckung mit der am Testsystem erfassten Eindringtiefe aufweisen.
• Die Strahlausbreitung erfolgt in zwei zeitlich aufeinander folgenden Phasen, die durch das Aufbrechen des Strahls voneinander abgegrenzt sind. Solange der Strahl noch nicht aufgebrochen ist, breitet sich das Strahlende (22) mit konstanter Geschwindigkeit aus. Der Zeitpunkt, zu dem der Einspritzstrahl (21) nach dem Beginn einer Kraftstoffinjektion (SOI = Start Of Injection) aufreißt bzw. ein Aufreißen beginnt, kann über die Gleichung F3 berechnet bzw. angenähert werden. Die Eindringtiefe (S) des Strahlendes (22) vor dem Aufreißen kann in der ersten Ausbreitungsphase über die Gleichung F1 berechnet werden.
• Während bzw. nach dem Aufreißen (t > t_b) nimmt die Strahlgeschwindigkeit in etwa gemäß einer Wurzelfunktion ab, d.h. die Geschwindigkeit, mit der sich das vordere Strahlende (22) bewegt, verändert sich in fallender Richtung. In der zweiten Phase kann die Eindringtiefe (S) des Strahlendes (22) gemäß der Gleichung F2 berechnet bzw. abgeschätzt werden.
• In der Gleichung F2 ist der wichtigste Einflussfaktor der Dichtefaktor (D), der in verallgemeinerter Form gemäß der folgenden Formel F4 definiert sein kann: $$D=\cdot \frac{1}{{\rho }_G}$$

  

  mit:

D:

Dichtefaktor

pG:

Dichtefaktor - Gasdichte in der Brennkammer (sonst als „RhoG“ bezeichnet)

• Die Eindringtiefe (S) kann ggfs. auf Basis einer anderen Formel als der Formel F2 berechnet werden. Insbesondere können aus der Formel F2 zur Vereinfachung die übrigen Faktoren mit Ausnahme der Dichtefaktors (D) weggelassen oder durch konstante Werte ersetzt werden. Diese Werte können im Rahmen der Adaption bzw. Parametrisierung festgelegt und auf den tatsächlichen Anwendungsfall angepasst sein.
• Vor dem Aufreißen ist die Ausbreitung des Einspritzstrahls (21) weitgehend unabhängig von den Verhältnissen in der Brennkammer (11a). Nach dem Aufreißen stellt der Dichtefaktor, der maßgeblich von der Gasdichte (RhoG) und dem zugehörigen Exponenten abhängt, die Haupteinflussgröße dar. Der Dichtefaktor und insbesondere die Gasdichte (RhoG) können in beliebiger Weise ermittelt werden. Er kann insbesondere über physikalische Rechenmodelle ermittelt und gegebenenfalls in Abhängigkeit von verschiedenen Einflussgrößen adaptiert oder kalibriert werden.
• Der Wert des Dichtefaktors hängt wesentlich von der Kompression des Gasgemisches in der Brennkammer (11a) und somit von der Bewegung des Kolbens (14) ab. Bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens (14) wird das Gasgemisch in der Brennkammer verdichtet. Bei einer Abwärtsbewegung wird es entspannt. Daneben haben Temperatur- und Druckänderungen, die durch die Verbrennung erzeugt werden, einen Einfluss auf die Gasdichte (RhoG) und somit auf den Dichtefaktor.
• In 1 ist beispielhaft ein Kolben (14) eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Der Kolben (14) weist einen Kolbenboden (14a) mit einer Kolbenmulde (15) auf. Im Bereich des Kolbenhemds (14b) sind drei Kolbenringe (18a,18b,19) angeordnet. Die beiden oberen Kolbenringe (18a,18b) sind Kompressionsringe. Der untere Kolbenring (19) ist ein Ölabstreifring, über den die Ausbildung des Schmierfilms (13) auf der Wandung des Zylinders (11) gesteuert wird. Der Kolben (14) ist über einen Kolbenbolzen (16) mit einem Pleuel des Kurbeltriebs (17) verbunden.
• Durch den Kurbeltrieb (17) ist die Auf- und Abbewegung des Kolbens (14) mit der Drehung der Kurbelwelle synchronisiert. Es ist in der Praxis üblich, die Auf- und Abbewegung des Kolbens (14) relativ zu vorgegebenen Bezugspunkten auf der Zeitachse, insbesondere in Relation zum oberen Totpunkt (TDC = Top Dead Center) und/oder zum unteren Totpunkt (BDC = Bottom Dead Center) anzugeben.
• Zwischen der Auf- und Abbewegung des Kolbens (14), der momentanen Motordrehzahl und dem Kurbelwellenwinkel besteht ein rechnerisch erfassbares und in der Regel konstantes Verhältnis. Demzufolge können die Auf- und Abbewegung des Kolbens und alle weiteren an dem Zylinder (11) durchgeführten Aktuierungen und Steuermaßnahmen, die mit dem Verbrennungstakt synchronisiert werden, wie insbesondere das Ausführen einer Kraftstoffinjektion, in Bezug auf die Zeit (t) oder gleichbedeutend in Bezug auf den Kurbelwellenwinkel angegeben werden.
• Ein besonders tiefes Eindringen des Einspritzstrahls (21) in die Brennkammer (11a) tritt bei besonders frühen oder besonders späten Einspritzungen auf, d.h. bei solchen Einspritzungen, deren Einspritzbeginn (SOI = Star Of Injection) weit vor oder weit nach dem Erreichen des oberen Totpunktes (TDC) liegt. Mit anderen Worten tritt dieser Fall dann auf, wenn eine Einspritzung zu einem Zeitpunkt erfolgt, bei dem der Kolben (14) besonders nahe am unteren Totpunkt (BDC) ist. Derartig späte Einspritzungen können verschiedene Ursachen haben. Beispielsweise werden zur Regenerierung von Dieselpartikelfiltern sehr späte Einspritzungen vorgenommen, bei denen auch unverbrannter Kraftstoff im Gasgemisch verbleiben und zum Abgastrakt hin ausgetrieben werden kann.
• 2 und 3 zeigen im Vergleich die Ausbildung eines Einspritzstrahls (21) bei einer Injektion nahe dem oberen Totpunkt (TDC), d.h. wenn der Kolben (14) weit nach oben gehoben ist (siehe 2) sowie nahe dem unteren Totpunkt, d.h. wenn der Kolben (14) weit nach unten verlagert ist (siehe 3).
• Eine geometrische Prüfung, ob durch den Einspritzstrahl (21) eine Benetzung der Kolbenlauffläche (12) an der Zylinderwand erfolgt, kann auf beliebige Weise erfolgen. Nachfolgend wird beispielhaft ein Prüfverfahren erläutert, das auf die tatsächlichen Geometrieverhältnisse adaptiert werden kann. Alternativ kann ein anderes Prüfverfahren angewendet werden.
• Der Kolben (14) weist am Kolbenboden (14a) eine Kolbenmulde (15) mit einem Kolbenmuldenrand (15a) auf. Der Düsenabschnitt des Kraftstoffinjektors (20) kann gegebenenfalls teilweise oder vollständig in die Kolbenmulde (15) eintauchen, wenn der Kolben (14) am oder nahe dem oberen Totpunkt (TDC) ist. Demzufolge können ein oder mehrere Einspritzstrahlen (21) in die Kolbenmulde (15) hinein injiziert werden.
• Durch die Kolbenmulde (15) und insbesondere den Kolbenmuldenrand (15a) wird eine erste relevante Kollisionskontur (g1) definiert. Die Kollisionskontur (g1) erstreckt sich in dem Beispiel gemäß 2 ausgehend von dem Bezugspunkt (B) auf dem Kolbenmuldenrand (15a) parallel zur Mittelachse des Zylinders (11) nach unten, d.h. zur Kurbelwelle hin. Die Kollisionskultur (g1) kann im geometrischen Sinne als Halbgerade oder Strecke definiert und zu jedem Zeitpunkt berechnet werden.
• Durch die Ausrichtung der Spritzlöcher sowie die Anordnung des Kraftstoffinjektors (20) sind ein oder mehrere Geraden definiert, auf denen sich das vordere Strahlende (22) jedes Einspritzstrahls bei der Ausbreitung in der Brennkammer bewegt. In 2 ist ein Bezugspunkt (P1) zur Kennzeichnung des vorderen Strahlendes (22) eingezeichnet, dessen x- und y-Koordinaten zu jedem Zeitpunkt aus dem Verlauf der Ausbreitungsgeraden für das Strahlende, der bekannten Anordnung und geometrischen Ausbildung von Injektor (20) und Zylinder (11) sowie dem momentanen Wert der Eindringtiefe (S,S1,S2) berechnet werden kann.
• Wenn bei der geometrischen Überprüfung festgestellt wird, dass die Eindringtiefe (S, in 2: S1)geringer ist als der Abstand von der Spritzlochöffnung bis zur Kollisionskontur (g1), bzw. wenn festgestellt wird, dass der Bezugspunkt (P1) (noch) nicht auf der Kollisionskontur (g1) liegt, kann darauf geschlossen werden, dass der Einspritzstrahl (21) sicher in der Kolbenmulde (15) aufgefangen wird. Es kommt nicht zu einer Laufflächenbenetzung.
• Wenn der Kolben (14) weiter nach unten verlagert ist (vgl. 3) schneidet die Ausbreitungsgerade, auf der sich das vordere Strahlende (22) bewegt, nicht mehr die Kollisionskontur (g1 = Halbgerade). In einem solchen Fall kann es zu einer Laufflächenbenetzung kommen, wenn die Eindringtiefe (S, in 3: S2) so groß wird, dass der Bezugspunkt (P2), der das vordere Strahlende (22) repräsentiert, auf der zweiten Kollisionskontur (g2) zu liegen kommt. Die zweite Kollisionskontur (g2) repräsentiert den Verlauf (Gerade / Halbgerade) der Zylinderwand in der Ausbreitungsebene des jeweils berücksichtigten Einspritzstrahls (21) und insbesondere die Kolbenlauffläche (12).
• In 4 sind zeitliche Ausbildungen der Eindringtiefe (S,S1,S2,S3) bei verschiedenen Einspritzungen dargestellt. Eine erste Einspritzung mit Eindringtiefenverlauf (S1) findet bei einer Lage des Kolbens (14) nahe dem oberen Totpunkt (TDC) statt. Sie wird durch eine gestrichelte Linie dargestellt. In diesem Fall ist durch die hohe Kompression auch der Wert des Dichtefaktors hoch. Demzufolge ist die Zeit (tb1) bis zum Aufreißen des Strahls vergleichsweise kurz und es findet eine starke Strahlabbremsung statt. Der zugehörige Verlauf der Eindringtiefe (S1) ist mit einer kurz gestrichelten Linie dargestellt. Etwa 1,5 ms nach dem Injektionsbeginn (SOI) schneidet die Repräsentationslinie für die Eindringtiefe (S1) die Repräsentationsgerade für die Kollisionskontur (g1). Etwa zu diesem Zeitpunkt trifft der Einspritzstrahl in der Kolbenmulde (15) oder am Kolbenmuldenrand (15a) auf. Es kommt nicht zu einer Laufflächenbenetzung.
• Eine einfach punktierte Linie verdeutlicht die Entwicklung der Eindringtiefe (S2) zu einem etwas späteren Einspritzbeginn (SOI), beispielsweise bei etwa 30 bis 50 Winkelgrad nach dem oberen Totpunkt (TDC). Hier ist infolge der Gasentspannung der Wert des Dichtefaktors bereits deutlich gesunken, sodass der Strahl zu einem späteren Zeitpunkt (tb2) aufreißt und weniger stark abgebremst wird. Bis zum Ende der Injektion ist die Eindringtiefe (S2) jedoch noch nicht bis zur zweiten Kollisionskontur (g2) vorgedrungen. Durch den Einspritzstrahl (21) wird somit (noch) keine Laufflächenbenetzung verursacht.
• Der mit der zweifach punktierten Linie dargestellte Verlauf einer Eindringtiefe (S3) repräsentiert eine Einspritzung, die zu einem sehr späten oder sehr frühen Zeitpunkt ausgeführt wird, d.h. wenn sich der Kolben (14) relativ nahe am unteren Totpunkt (BDC) befindet. In einem solchen Fall ist der Dichtefaktor bereits sehr weit abgefallen. Ein Aufreißen des Strahls findet zu einem späten Zeitpunkt (tb3) statt und nachfolgend wird der Strahl nur mäßig abgebremst. Die Repräsentativlinie für diesen Einspritzstrahl (S3) schneidet bei etwa 1,6 ms nach dem Einspritzbeginn (SOI) die Repräsentationsgerade für die Kollisionskontur (g2). An dem mit dem Doppelkreis gekennzeichneten Schnittpunkt kommt es zu einer Laufflächenbenetzung.
• Die Laufflächenbenetzung kann je nach Stärke des Strahls zu einem Aufreißen des Schmierfilms (13) und/oder zu einer Vermischung des Schmierfilms (13) mitKraftstoff kommen. Beides kann zu einer Störung der Schmierung führen und Motorschäden nach sich ziehen.
• Das Verfahren zur Überwachung der räumlichen Ausbreitung eines Einspritzstrahls (21) kann als Präventiv-Verfahren mit modellierten und ggfs. antizipierten physikalischen Größen bereits vor der Durchführung einer Injektion und/oder als Monitoring-Verfahren mit teilweise oder vollständig gemessenen Werten während einer Einspritzung durchgeführt werden. Es kann bei der Auslegung von Kraftstoffmotoren und Einspritzsteuerungen in Forschung und Entwicklung, bei regelmäßigen Wartungen in der Werkstatt oder dauerhaft während des Motorbetriebs ausgeführt werden. Es kann bevorzugt als Sicherheitsverfahren auf einem Fahrzeugsteuergerät (23) ausgeführt werden.
• Die Berechnung des Dichtefaktors hängt von der Bauart des Motors ab und berücksichtigt maßgebliche den momentanen Wert der Gasdichte (RhoG) sowie den gewählten Exponenten in der Formel F3. Der Dichtefaktor wird bevorzugt basierend auf einer vorbekannten Geometrie und Anordnung von Zylinder (11), Kolben (14) und Kurbeltrieb (17) berechnet. Wenn der Motor über einen Kompressor oder Turbolader verfügt, kann weiterhin die Ladedichte berücksichtigt werden. Ferner kann der Dichtefaktor in Abhängigkeit von einer Zugabe an rückgeführtem Abgas berechnet werden.
• In 5 ist beispielhaft ein bevorzugter Ablauf für die Durchführung des Verfahrens in einem Fahrzeugsteuergerät dargestellt. Das Verfahren kann bei der Durchführung einer und insbesondere jeder Injektion durchgeführt werden. Alternativ kann das Verfahren nur bei solchen Injektionen ausgeführt werden, die in bestimmten Winkelintervallen innerhalb der Auf- und Abbewegung des Kolbens auftreten, insbesondere für besonders frühe oder besonders späte Injektionen.
• In einem ersten Schritt (S10) wird der Dichtefaktor berechnet. Nachfolgend wird in einem weiteren Schritt (S20) die Eindringtiefe (S) berechnet. Anschließend wird auf Basis der geometrischen Berechnung geprüft, ob eine Laufflächenbenetzung vorliegt, bzw. mit erheblicher Wahrscheinlichkeit vorliegt (Schritt S30). Wenn keine Laufflächenbenetzung festgestellt wird, gilt die Injektion als in Ordnung (Ergebnis: OK). Es müssen keine Sicherungsmaßnahmen eingeleitet werden.
• Wird jedoch in Schritt (S30) eine Laufflächenbenetzung festgestellt oder mit erheblicher Wahrscheinlichkeit ermittelt, gilt die Injektion als nicht potentiell schädlich (Ergebnis: NOK). Es können dann Sicherungsmaßnahmen in beliebiger Form eingeleitet werden. Die Sicherungsmaßnahmen können die vorliegende bzw. betrachtete Injektion oder nachfolgende unter denselben oder sehr ähnlichen Parametern ausgeführte Injektionen betreffen.
• Um eine Laufflächenbenetzung zu vermeiden, kann beispielsweise der Einspritzbeginn (SOI) relativ in Richtung der oberen Totpunktlage (UDC) verschoben werden. Mit anderen Worten kann eine besonders frühe Injektion zu einem späteren Zeitpunkt oder eine besonders späte Injektion zu einem früheren Zeitpunkt hin verschoben werden.
• Alternativ oder zusätzlich kann der für die Kraftstoffeinspritzung begründende Kraftstoffdruck verringert werden. Dies kann insbesondere ein Speicherdruck in einem Kraftstoffspeicher (Common Rail) sein. Die Verringerung des Kraftstoffdrucks kann auf beliebige Weise erfolgen, bspw. durch Vorgabe eines niedrigeren Soll-Drucks für eine Folgeinjektion und/oder durch Aktivierung eines Druckablassventils am Kraftstoffspeicher.
• Wiederum alternativ oder zusätzlich kann der Ladedruck erhöht werden, mit dem ein Kompressor oder Turbolader die Ansaugluft verdichtet, sodass eine größere Ladeluftmasse zu Beginn der Kompressionsphase in der Brennkammer (11a) eingeschlossen wird. Hierdurch werden die Gasdichte und somit der Dichtefaktor erhöht.
• Schließlich kann alternativ oder zusätzlich die Abgasrückführrate erhöht werden. Rückgeführtes Abgas hat ebenfalls eine höhere Gasdichte als Frischluft, sodass der Dichtefaktor erhöht werden kann.
• Der Verbrennungsmotor (10) kann insbesondere ein Benzinmotor oder ein Dieselmotor sein. An dem Zylinder (11) können ein oder mehrere Kraftstoffinjektoren (20) angeordnet sein. Diese können im Zylinderkopf zentral oder außermittig platziert sein. Alternativ sind andere Anordnungen, insbesondere Anordnungen von einem oder mehreren Injektoren in der Zylinderwand, möglich. Ferner können anstelle eines Kraftstoffinjektors andere Vorrichtungen zur Erzeugung eines Einspritzstrahls vorgesehen sein.
• BEZUGSZEICHENLISTE

• 10	Verbrennungsmotor	Internal combustion engine
  11	Zylinder	Cylinder
  11a	Brennkammer	Combustion chamber
  12	Kolbenlauffläche	Piston liner
  13	Schmierfilm	Lubrication oil film
  14	Kolben	Piston
  14a	Kolbenboden	Piston head / piston crown
  14b	Kolbenhemd	Piston skirt
  15	Kolbenmulde	Piston bowl
  15a	Kolbenmuldenrand	Piston bowl edge
  16	Kolbenbolzen	Piston bolt
  17	Kurbeltrieb	Crank drive
  18a	Kolbenring / Kompressionsring	Piston ring / Compression ring
  18b	Kolbenring / Kompressionsring	Piston ring / Compression ring
  19	Kolbenring / Ölabstreifring	Piston ring / Oil control ring
  20	Kraftstoffinjektor	Fuel injector
  21	Einspritzstrahl	Injection spray
  22	Strahlende	Spray end
  23	Steuergerät	Control device
  24	Einlassventil	Inlet valve
  25	Auslassventil	Outlet valve
  26	Strahldeltoid	Spray deltoid
  S	Eindringtiefe, Strahllänge	Penetration depth, Spray length
  A	Strahlöffnungswinkel	Spray opening angle
  D	Dichtefaktor	Density factor
  P	Druck	Pressure
  dp	Druckdifferenz zwischen Injektor u. Brennkammer	Pressure difference between injector and combustion chamber
  pG	Gasdruck im Zylinder	Gas pressure in cylinder
  pL	Fluiddruck	Fluid pressure
  Rho	Dichte	Density
  RhoG	Gasdichte in Brennkammer	Gas density in combustion chamber
  RhoL	Fluiddichte im Strahl	Fluid density in spray
  d0	Anfangs-	Initial droplet diameter
  	Tropfendurchmesser
  t	Zeit	Time
  B	Bezugspunkt auf Kolbenmuldenrand	Reference point on piston bowl edge
  P1, P2	Bezugspunkt für Strahlende	Reference point for spray end
  g1, g2	Kollisionskontur / Gerade	Collision outline / line

Claims (10)

1. Verfahren zur Überwachung der räumlichen Ausbreitung eines Einspritzstrahls (21), der von einem Kraftstoffinjektor (20) in eine Brennkammer (11a) an einem Zylinder (11) eines Verbrennungsmotors (10) eingespritzt wird, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: - Berechnung (S10) eines Dichtefaktors (D) für die Einspritzung, der zumindest eine Gasdichte (RhoG) des Gases in der Brennkammer berücksichtigt; - Berechnung (S20) der Eindringtiefe (S,S1,S2) des Einspritzstrahls (21), - Geometrische Prüfung, ob durch den Einspritzstrahl (21) eine Benetzung der Kolbenlauffläche (21) an der Zylinderwand erfolgt, wobei die geometrische Prüfung beinhaltet: - Definition einer ersten Kollisionskontur (g1) durch die Kolbenmulde (15) und/oder den Kolbenmuldenrand (15a); - Definition einer zweiten Kollisionskontur (g2) durch die Zylinderwand (11); und - Erkennen einer Benetzung der Kolbenlauffläche an der Zylinderwand (11), wenn die Ausbreitungsgerade des Einspritzstrahls (21) die erste Kollisionskontur (g1) nicht schneidet und die zweite Kollisionskontur (g2) schneidet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtefaktor (D)basierend auf einer vorbekannten Geometrie und Anordnung von Zylinder (11), Kolben (14) und Kurbeltrieb (17) berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtefaktor (D) in Abhängigkeit von einer Zugabe an rückgeführtem Abgas berechnet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ermittlung einer Laufflächenbenetzung Steuerparameter für die Einspritzung verändert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzbeginn relativ weiter in Richtung der oberen Totpunktlage (UDC) verschoben wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Kraftstoffeinspritzung begründende Kraftstoffdruck (pL), insbesondere ein Speicherdruck, verringert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedruck erhöht wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführrate erhöht wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren als Präventiv-Verfahren bereits vor der Durchführung einer Injektion durchgeführt wird.
10. Fahrzeugsteuergerät zur Auslösung von Kraftstoffeinspritzungen aus zumindest einem Kraftstoffinjektor (20) in eine Brennkammer (11a) eines Zylinders (11) eines Verbrennungsmotors (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.

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