DE102015220721B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose einer Wassereinspritzung in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose einer Wassereinspritzung in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors

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Abstract

Verfahren zur Diagnose einer Wassereinspritzung in einen Brennraum (101) eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass aus Signalen eines Klopfsensors (20) eine Klopfneigung des Verbrennungsmotors ermittelt wird, und dass die Klopfneigung zur Diagnose der Wassereinspritzung ausgewertet wird,
– dass in einem Betriebsbereich des Verbrennungsmotors der Verbrennungsmotor mit einer ersten und einer zweiten Menge an in den Brennraum (101) eingespritztem Wasser betrieben wird, dass die erste und die zweite Menge unterschiedlich sind, dass bei dem ersten Schritt eine erste Klopfneigung und zweiten Schritt eine zweite Klopfneigung bestimmt wird,
– wobei wenn die erste Menge geringer ist als die zweite Menge, die Wassereinspritzung als funktionstüchtig diagnostiziert wird wenn die erste Klopfneigung die zweite Klopfneigung um einen Schwellwert hinaus übersteigt und die Wassereinspritzung als fehlerhaft diagnostiziert wird wenn die erste Klopfneigung die zweite Klopfneigung um weniger als den Schwellwert übersteigt oder die erste Klopfneigung gleich oder geringer ist als die zweite Klopfneigung,
– und wobei wenn die erste Menge höher ist als die zweite Menge die Wassereinspritzung als funktionstüchtig diagnostiziert wird wenn die zweite Klopfneigung die erste Klopfneigung um einen Schwellwert hinaus übersteigt und die Wassereinspritzung als fehlerhaft diagnostiziert wird wenn die zweite Klopfneigung die erste Klopfneigung um weniger als den Schwellwert übersteigt oder die zweite Klopfneigung gleich oder geringer ist als die erste Klopfneigung.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Diagnose einer Wassereinspritzung in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
  • Stand der Technik
  • Aus der DE 39 28 611 A1 und der US 2014/0 102 403 A1 sind bereits ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Wassereinspritzung in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors bekannt. Eine Mengenkontrolle von eingespritztem Wasser ist aus der DE 10 2014 222 474 A1 bekannt. Die Überwachung einer Brennkraftmaschine durch Klopfen ist bereits aus der DE 31 42 729 A1 bekannt.
  • Vorteile der Erfindung
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Diagnose einer Wassereinspritzung haben die Aufgabe eine Diagnose der Wassereinspritzung zu ermöglichen. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Da bei den meisten modernen Motoren ohnehin Klopfsensoren vorgesehen sind, ist für die Diagnose der Wassereinspritzung nicht erforderlich, einen weiteren Sensor, ausschließlich für diesen Zweck vorzusehen. Die Diagnose der Wassereinspritzung erfolgt somit besonders einfach und kostengünstig durch Auswertung von ohnehin für den Betrieb des Verbrennungsmotors bereits vorliegender Daten. Besonders einfach wird dabei eine Klopfneigung des Verbrennungsmotors ermittelt, wobei dieses Maß unabhängig von dem verwendeten Klopfsensortyp ist. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung können daher ohne einen großen Aufwand zur Anpassung für unterschiedliche Sensortypen Verwendung finden. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung sind somit sehr kostengünstig und erkennen zuverlässig eine Fehlfunktion der Wassereinspritzung. Eine verbesserte Diagnose der Wassereinspritzung kann durch eine erste und zweite Messung in einem vorgegebenen Betriebsbereich erfolgen. Durch einen Vergleich der beiden Messungen kann eine sehr genaue Diagnose der Wassereinspritzung erfolgen. Dieser Effekt ist besonders stark, wenn bei einer der Messungen die Menge, die in den Brennraum eingespritzt wird, Null beträgt, d. h. wenn keine Einspritzung von Wasser in den Brennraum erfolgt. Wenn zwischen der ersten Messung der Klopfneigung und der zweiten Messung der Klopfneigung die Wassereinspritzmenge erhöht wird, so sollte bei einem ordnungsgemäßen Betrieb der Wassereinspritzung die Klopfneigung verringert werden. Wenn aufgrund der Messung dies nicht festgestellt wird, so kann eine Fehlfunktion der Wassereinspritzung diagnostiziert werden. Wenn zwischen der ersten Messung der Klopfneigung und der zweiten Messung der Klopfneigung die eingespritzte Wassermenge reduziert wird, so sollte die Klopfneigung zunehmen. Wenn dies bestätigt wird, so funktioniert die Wassereinspritzung einwandfrei und wenn dies nicht bestätigt wird, ist von einer Fehlfunktion der Wassereinspritzung auszugehen. Beide Vorgehensweisen erlauben eine einfache Diagnose mit hoher Genauigkeit, da bereits kleine Veränderungen der Klopfneigung durch den Vergleich der beiden Messungen genau ermittelt werden. Bei beiden Verfahren sollte der Betrieb mit verringerter Wassereinspritzmenge nur kurz erfolgen, um einen klopfenden Betrieb des Verbrennungsmotors zu vermeiden.
  • Besonders einfach erfolgt die Diagnose der Wassereinspritzung, indem die Klopfneigung des Verbrennungsmotors mit einem Vergleichswert verglichen wird. Dabei sind für unterschiedliche Betriebsbereiche des Verbrennungsmotors unterschiedliche Vergleichswerte vorgesehen. Es kann durch diese relativ einfache Maßnahme bereits mit hoher Güte eine Diagnose der Wassereinspritzung erfolgen. Besonders vorteilhaft ist ein zweistufiges Verfahren, bei dem ein Betrieb des Verbrennungsmotors mit einer verringerten Menge der Wassereinspritzung nur dann erfolgt, wenn der Verdacht einer Fehlfunktion besteht. Dazu werden zunächst die Absolutwerte der Klopfneigung mit Vergleichswerten für den betreffenden Betriebsbereich verglichen und wenn dabei die Vergleichswerte überschritten werden, wird die Wassereinspritzung als potentiell fehlerhaft diagnostiziert. Es erfolgt danach ein Verfahren, bei dem zwei Messwerte mit unterschiedlichen Mengen der Wassereinspritzung verglichen werden. Da die zweite Stufe nur bei einem Fehlerverdacht erfolgt, kann ein zeitweiser Betrieb mit einer verringerten Wassermenge, bei dem ja er eine erhöhte Klopfneigung besteht, weitgehend vermieden werden bzw. erfolgt nur wenn absolut notwendig. Bei einem Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern kann das Verfahren zur Diagnose für jeden Zylinder einzeln durchgeführt werden. In einer weiteren Ausgestaltung kann bei einem Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern auch Messwerte unterschiedlicher Zylinder miteinander verglichen werden, wodurch eine Diagnose der Wassereinspritzung einzelner Zylinder durch den Quervergleich verbessert wird. Für die Klopfneigung eignet sich insbesondere die Stärke eines Verbrennungsgeräusches oder die Häufigkeit klopfender Verbrennungen oder eine von einer Klopfregelung ermittelten Klopfgrenze für einen Zündwinkel.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 bis 3 verschiedene Ausgestaltungen von Verbrennungsmotoren mit einer Wassereinspritzung,
  • 4 ein erstes Verfahren zur Diagnose,
  • 5 ein zweites Verfahren zur Diagnose und
  • 6 ein drittes Verfahren zur Diagnose einer Wassereinspritzung.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In der 1 wird schematisch ein Motor, d. h., ein Verbrennungsmotor mit einem Zylinder 10 gezeigt. In dem Zylinder 10 wird durch einen Kolben 100 ein Brennraum 101 definiert. Dem Zylinder 10 bzw. dem Brennraum 101 wird durch ein Saugrohr 11 Luft für eine Verbrennung und durch einen Kraftstoffinjektor 13 Kraftstoff für eine Verbrennung im Zylinder 10 zugeführt. Die dabei entstehenden Abgase werden durch das Abgasrohr 12 von dem Zylinder 10 weggeführt. Es handelt sich hierbei um einen üblichen Otto-Motor oder Diesel-Motor, der in der 1 nur schematisch dargestellt ist. Insbesondere sind weitere Steuerungselemente wie Lufteinlass- und Abgasauslass-Ventile, Mittel zur Beeinflussung des Luftstroms durch das Saugrohr 11 (wie beispielsweise eine Drosselklappe), eine Zündkerze oder eine Glühkerze und andere Elemente üblicher Otto-Motoren und Diesel-Motoren nicht dargestellt, da sie für das Verständnis der Erfindung nicht von Bedeutung sind. Weiterhin wird in der 1 eine Wassereinspritzung in das Saugrohr 11 gezeigt. Die Wassereinspritzung besteht aus einem Wassertank 2, der durch eine Verbindungsleitung 5 mit einer elektrischen Pumpe 1 verbunden ist. Durch die Verbindungsleitung 5 kann Wasser aus dem Tank 2 zur elektrischen Pumpe 1 fließen beziehungsweise von der elektrischen Pumpe 1 aus dem Tank heraus angesaugt werden. Die Seite der elektrischen Pumpe 1, die über die Verbindungsleitung 5 mit dem Wassertank 2 verbunden ist, wird im Folgenden Zulauf genannt. Weiterhin weist die elektrische Pumpe 1 einen Hochdruckausgang auf, der über die Verbindungsleitung 5 mit einem Wasserrail 3 verbunden ist. Bei dem Wasserrail 3 handelt es sich um einen Druckspeicher der mit dem Wasser von der elektrischen Pumpe befüllt werden kann und mit einem Druck beaufschlagt wird. Insbesondere bei der Einspritzung in das Saugrohr ist der Druck relativ gering, so dass das Wasserrail 3 auch als einfacher Schlauch oder als Schlauchverteiler ausgebildet sein kann. Das Wasserrail 3 ist dann über eine weitere Verbindungsleitung 5 mit einem Wasserinjektor 4 verbunden, der in das Saugrohr 11 mündet. Das Wasser in dem Tank 2 wird somit über den Zulauf der elektrischen Pumpe 1 zugeführt und am Hochdruckausgang der Pumpe 1 mit erhöhtem Druck zur Verfügung gestellt. Dieses Wasser wird dann im Wasserrail 3 zwischengespeichert bis es durch eine entsprechende Öffnung des Wasserinjektors 4 in das Saugrohr 11 eingespritzt wird.
  • An dem Wasserrail 3 können auch eine Vielzahl von Wasserinjektoren 4 angeschlossen sein, die eine Mehrzahl von Zylindern 10 mit Wasser versorgt. Dies ist insbesondere bei Mehrzylindermotoren, wie sie heute bei Kraftfahrzeugen üblich sind, eine Ausgestaltung mit der jeder Zylinder individuell mit einer auf ihn abgestimmten Menge Wasser versorgt werden kann.
  • Durch die Einspritzung von Wasser in das Saugrohr 11 wird in dem Brennraum 101 des Zylinders 10, zusammen mit dem durch den Kraftstoffinjektor 13 eingespritzten Kraftstoff, eine Mischung von Luft, Kraftstoff und Wasser erzeugt. Durch eine entsprechende Zündung, entweder durch eine Zündkerze oder durch einen Selbstentzündungsprozess bei einem Diesel-Motor erfolgt dann eine Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches in dem Brennraum des Zylinders 10. Durch das in dieser Luft-Kraftstoffmischung enthaltene Wasser erfolgt eine effektive Kühlung des Brennraums 101 im Zylinder 10, wodurch die Verbrennungstemperatur verringert und bei der Anwendung im Ottomotor die Klopfneigung verringert wird. Hierdurch ist ein optimierter Zündzeitpunkt möglich, welcher sich positiv auf Effizienz bzw. Verbrauch des Ottomotors auswirkt. Bei Otto- und Dieselmotor kann weiterhin auch die Entstehung von schädlichen Abgasen verringert werden. Das Einbringen von Wasser in einen Brennraum ist daher eine Maßnahme, mit der die Qualität der Verbrennung im Brennraum eines Zylinders 10 positiv beeinflusst werden kann. Durch diese Maßnahme kann sowohl die Qualität des Abgases wie auch die thermische Belastung des Zylinders 10, die Leistung und auch der Kraftstoffbedarf positiv beeinflusst werden.
  • In der 2 wird ebenfalls ein Motor mit einer Wassereinspritzung in den Brennraum eines Zylinders 10 gezeigt. Mit den Bezugszeichen 10, 11, 12, 13, 1, 2, 3, 4, 5, 100, 101 werden wieder die gleichen Gegenstände bezeichnet, wie in der 1. Im Unterschied zur 1 ist jedoch der Wasserinjektor 4 nicht so angeordnet, dass er im Saugrohr 11 mündet, sondern direkt im Brennraum 101 des Zylinders 10. Eine Einspritzung von Wasser unmittelbar in den Brennraum des Zylinders 10 erfordert deutlich höhere Drücke als eine Einspritzung in das Saugrohr. Für eine Einspritzung von Wasser in das Saugrohr 11 ist ein Wasserdruck von einigen wenigen bar ausreichend. Da die Einspritzung in den Brennraum des Zylinders 10 erfolgen kann, wenn bereits das Lufteinlassventil in Richtung des Saugrohrs 11 geschlossen ist und sich der Zylinder in einer Verdichtungsphase befindet, ist für die Einspritzung von Wasser in einen Brennraum ein deutlich höherer Druck bis zu einer Größenordnung von 200 bar erforderlich. In dem Wasserrail 3 muss daher Wasser mit einem deutlich höherem Druck gespeichert sein, um eine Einspritzung unmittelbar in den Brennraum des Zylinders 10 zu ermöglichen. Dazu ist der elektrischen Pumpe 1 eine Hochdruckpumpe 6 nachgeordnet.
  • Der Zulauf der Hochdruckpumpe 6 ist über eine Verbindungsleitung 5 mit dem Hochdruckausgang der elektrischen Pumpe 1 verbunden. Der Hochdruckausgang der Hochdruckpumpe 6 ist über eine Verbindungsleitung 5 mit dem Wasserrail 3 verbunden. Es wird so eine Anordnung geschaffen, bei der ein ausreichend hoher Druck erzeugt wird, um eine Einspritzung von Wasser unmittelbar direkt in den Brennraum des Motors zu ermöglichen.
  • In der 3 wird eine weitere Form eines Motors mit einem Wassereinspritzsystem gezeigt. Mit den Bezugszeichen 1, 2, 3, 4, 5, 10, 11, 12, 13, 100, 101 werden wieder die gleichen Gegenstände bezeichnet wie in der 1. Weiterhin wird in der 3 noch das Kraftstoffversorgungssystem gezeigt mit einem Kraftstofftank 14, der durch eine Verbindungsleitung 5 mit einer Vorpumpe 15 verbunden ist. Die Vorpumpe 15 ist über eine Verbindungsleitung 5 mit einer Hochdruckpumpe 6 verbunden. Die Hochdruckpumpe 6 ist dann durch eine Verbindungsleitung 5 mit dem Rail 3 verbunden. Die Hochdruckpumpe 6 weist hier zwei Zulaufanschlüsse auf, wobei der eine Zulaufanschluss mit der elektrischen Pumpe 1, durch die Wasser gepumpt wird, verbunden ist, und der andere Zulauf der Hochdruckpumpe 6 mit der Kraftstoffvorpumpe 15 verbunden ist. Die Hochdruckpumpe 6 pumpt beide Medien und stellt an ihrem Hochdruckausgang eine Emulsion der beiden Flüssigkeiten mit einem für die Einspritzung unmittelbar in den Brennraum geeigneten Druck zur Verfügung. Da sich Kraftstoff und Wasser i. d. R. nicht mischen, ist dem Wasser ein Emulgator zugegeben, so dass es durch die Vermischung von Wasser und Kraftstoff zur Ausbildung einer Emulsion von Kraftstoff und Wasser kommt. Diese Emulsion wird dann in dem Rail 3 mit einem entsprechend hohen Druck gespeichert und durch den Kraftstoff/Wasser-Injektor 4 unmittelbar in den Brennraum 101 des Zylinders 10 eingespritzt.
  • Weitere Variationen von Verbrennungsmotoren mit einer Wassereinspritzung sind ebenfalls möglich und ergeben sich durch Abwandlungen der in den 13 gezeigten Motoren. Beispielsweise kann die Kraftstoffeinspritzung auch in das Saugrohr mit einer Wassereinspritzung ebenfalls in Saugrohr oder aber in den Zylinder direkt erfolgen. Als weitere Variante kann eine doppelte Kraftstoffeinspritzung sowohl in Saugrohr wie auch Zylinder verwendet werden. Bei Mehrzylindermotoren können nur einzelne Zylinder, insbesondere thermisch hoch belastete Zylinder, für eine Wassereinspritzung vorgesehen sein.
  • In den 1 bis 3 wird zusätzlich noch ein Klopfsensor 20, der auf der Außenseite des Zylinders 10 angebracht ist, gezeigt. Bei einem derartigen Klopfsensor handelt es sich um einen Körperschallsensor der Schallwellen im Zylinder aufgrund von Verbrennungen im Brennraum 101 detektieren kann. Ein derartiger Körperschallsensor ist beispielsweise als piezoelektrischer Körperschallsensor oder als Beschleunigungssensor ausgebildet und wertet die Schallwellen, die durch das Material des Zylinders aus dem Brennraum 101 bis zum Körperschallsensor 20 transportiert werden, aus. Derartige Klopfsensoren 20 sind heute bei einer Vielzahl von Verbrennungsmotoren vorgesehen, um den Betrieb eines Verbrennungsmotors zu optimieren. Die Verbrennung in einem Verbrennungsmotor erfolgt besonders effektiv, wenn die Betriebsbedingungen im Brennraum 101 möglichst nah an einem klopfenden Betrieb erfolgen, ohne jedoch, dass es zum Auftreten von Klopfen kommt. Ein Verbrennungsmotor wird daher für einen möglichst effektiven Betrieb möglichst nah an der Klopfgrenze des Motors betrieben. Da bereits kleine Variationen der Betriebsbedingungen, wie beispielswiese eine leichte Variation des Kraftstoffs oder Variationen der Motorbetriebstemperatur den Unterschied zwischen einer nicht klopfenden Verbrennung und einer klopfenden Verbrennung ausmachen, ist es erforderlich, durch einen derartigen Klopfsensor 20 zu überwachen, ob es zu klopfenden Verbrennungen kommt und ggf. durch entsprechende Steuermaßnahmen ein Klopfen zu verhindern.
  • Neben einem Körperschallsensor können auch andere Klopfsensoren, insbesondere Brennraumdrucksensoren oder Ionenstromsensoren als Klopfsensoren 20 verwendet werden. Bei einem Brennraumdrucksensor wird unmittelbar ein Druck im Brennraum 101 gemessen. Ein derartiger Sensor ist aber üblicher Weise nicht an der Seitenwand des Zylinders 10 sondern auf der Oberseite in der Nähe des Kraftstoffeinspritzventils 13 angeordnet. Alternativ können auch Ionenstromsensoren verwendet werden, bei dem zwei Elektroden in den Brennraum 101 hineinragen, an die eine Messspannung angelegt wird. In Abhängigkeit von den Druckverhältnissen und auch im Brennraum entstehenden Druckwellen variiert ein durch Ionen zwischen den beiden Elektroden fließender Strom was ebenfalls eine Erkennung von Klopfvorgängen im Brennraum 101 erlaubt.
  • Durch Verarbeitung des Signals des Klopfsensors 20 wird aus den gemessenen Daten eine Klopfstärke einer Verbrennung und aus der Klopfstärke einer oder mehrerer Verbrennungen wird eine Klopfneigung des Verbrennungsmotors, d. h. des jeweiligen Zylinders 10, dem die Klopfsensoren zugeordnet sind, bestimmt. Üblicher Weise treten Klopfereignisse in einem bestimmten Frequenzbereich des Sensorsignals auf. Dies liegt darin begründet, dass die durch das Klopfen entstehenden Druckwellen im Brennraum 101 in Abhängigkeit von der Geometrie des Brennraums nur in einem bestimmten Frequenzbereich auftreten. Die Weiterverarbeitung der Sensorsignale beinhaltet somit in der Regel zunächst eine Frequenzfilterung, um nur Signale in einem bestimmten Frequenzbereich zu untersuchen. Wenn der Klopfsensor 20 als Körperschallsensor ausgebildet ist, wird dann das gemessene Körperschallsignal, beispielsweise gleichgerichtet und auf integriert um ein Maß für die Klopfintensität im Brennraum zu bestimmen. Diese Klopfintensität wird dann mit einem Referenzwert verglichen und der Unterschied zwischen der gemessenen Klopfintensität und dem Referenzwert wird bewertet. Wenn die Klopfintensität den Referenzwert um einen vorgegebenen Betrag überschreitet, wird auf eine klopfende Verbrennung entschieden.
  • Wenn der Klopfsensor 20 als Körperschallsensor ausgebildet ist, so besteht die Klopfintensität in einer Stärke des Verbrennungsgeräusches. Wenn der Klopfsensor 20 als Brennraumdrucksensor ausgebildet ist, so wird die Klopfintensität aufgrund der Druckschwankungen oder Druckstärke im Brennraum gebildet. Wenn der Klopfsensor 20 als Ionenstromsensor ausgebildet ist, so wird die Klopfintensität einer Verbrennung durch die Stärke und die Schwankungen des Ionenstroms gebildet. Bei all diesen Sensoren kann das Signal des Klopfsensors jeweils in einem Zeitintervall auf integriert werden oder aber es können Spitzenwerte des Sensorsignals zur Bildung der Klopfintensität verwendet werden. Weiterhin sind komplexe Auswertealgorithmen durch Fouriertransformationen und Energiebetrachtungen des Signals zur Bildung der Klopfintensität bekannt. Wesentlich an der Klopfintensität ist einfach das durch die Klopfintensität beurteilt werden kann, ob Klopfen in dem Brennraum 101 aufgetreten ist oder nicht.
  • Aus der so ermittelten Klopfintensität kann dann eine Klopfneigung des betreffenden Zylinders 10 ermittelt werden. Die Klopfneigung wird auch aufgrund mehrerer Verbrennungen an einem Zylinder 10 ermittelt. Dazu kann beispielsweise die Klopfhäufigkeit bestimmt werden, wobei die Klopfhäufigkeit angibt, wie oft eine klopfende Verbrennung aufgetreten ist, d. h. die Klopfintensität für den betreffenden Zylinder als klopfende Verbrennung bewertet wurde. Die Klopfhäufigkeit kann dabei entweder auf ein Zeitintervall bezogen werden oder aber auf das Verhältnis von klopfenden Verbrennungen zu nicht klopfenden Verbrennungen. Ein alternatives Maß für die Klopfneigung kann auch in dem Regelangriff einer Klopfregelung gesehen werden. Eine Klopfregelung beeinflusst üblicher Weise den Zündwinkel, um das Auftreten von Klopfen zu verhindern. Dazu wird jedes Mal, wenn die Klopfintensität eine Verbrennung als klopfend bewertet wurde, der Zündwinkel in Richtung eines späteren Zündwinkels, d. h. in einen Betriebsbereich, in dem Klopfen weniger wahrscheinlich wird, beeinflusst. Wenn dann über einen längeren Zeitraum kein Klopfen aufgetreten ist, wird der Zündwinkel vorsichtig wieder in Richtung eines effizienteren Betriebs, d. h. in Richtung eines früheren Zündwinkels verstellt. Der von der Klopfregelung ausgegebene Zündwinkel stellt somit ebenfalls ein Maß für die Klopfneigung der Verbrennung in einem Brennraum 101 dar.
  • Ausgehend von der Klopfintensitäten mehrerer aufeinander folgenden Verbrennungen kann eine Klopfneigung, d. h. die Wahrscheinlichkeit, dass es zu Klopfen in dem betreffenden Zylinder kommt, ermittelt werden. Dazu werden die Klopfintensitäten mehrerer Verbrennung betrachtet beispielsweise indem die Klopfintensitäten aufaddiert werden und eine Verhältnis zur Anzahl der Verbrennungen gesetzt wird. Es kann so auch eine Klopfneigung bestimmt werden, ohne dass es zu klopfenden Verbrennungen gekommen ist. Dieses Verfahren ist alternativ zur Auswertung der Anzahl der klopfenden Verbrennungen.
  • In der 4 wird ein erstes Verfahren zur Diagnose, der in den 1 bis 3 beschriebenen Wassereinspritzungen beschrieben. In einem ersten Schritt 21 wird dazu der Verbrennungsmotor in einem bestimmten Betriebsbereich betrieben. Als Betriebsbereich wird dabei ein bestimmter Bereich der für den Betrieb des Verbrennungsmotors relevanten Parameter, wie Umweltbedingungen, Messwerte der relevanten Sensoren und Einstellwerte der Aktoren, die den Motor beeinflussen, verstanden. Ein Bereich ist deswegen sinnvoll, da so aufeinander folgende Messungen miteinander vergleichbar sind und somit gemeinsam betrachtet werden können. Große Unterschiede in den Betriebsbedingungen des Motors, beispielsweise einmal Leerlaufdrehzahl von ca. 1000 Umdrehungen/min und eine Volllastdrehzahl, wie beispielswiese 4000 Umdrehungen/min führen zu deutlichen Unterschieden der Klopfneigung und können daher nicht gemeinsam betrachtet werden. im Schritt 21 werden daher zunächst die Betriebsparameter des Verbrennungsmotors, d. h. Werte wie Drehzahl, Last, Lufttemperatur usw. ermittelt. Im darauf folgenden Schritt 22 erfolgt dann die Ermittlung der Klopfneigung des Verbrennungsmotors. Dazu erfolgt eine Vielzahl von Messungen an mehreren Verbrennungen, wobei bei jeder Messung die Klopfintensität einer Verbrennung bestimmt wird. Bei der Bildung der Klopfneigung aus mehreren Verbrennungen ist es erforderlich, dass für jede dieser Messungen der Verbrennungsmotor im gleichen Betriebsbereich ist. Andernfalls lassen sich die Messungen aufgrund der unterschiedlichen Betriebsbedingungen nicht miteinander vergleichen. Im Schritt 22 wird somit die Klopfneigung aus einer Vielzahl von Messungen der Signale des Klopfsensors 20 gebildet.
  • Auf den Schritt 22 folgt der Schritt 23, in dem die so ermittelte Klopfneigung bewertet wird. Dabei wird die Klopfneigung mit einem Vergleichswert für die Klopfneigung verglichen. Dazu ist für den jeweiligen Betriebsbereich ein Vergleichswert für die Klopfneigung in Abhängigkeit davon, ob eine Wassereinspritzung erfolgt oder nicht bzw. welche Menge an Wasser eingespritzt wird, hinterlegt. Im Schritt 23 wird dann aufgrund dieses Vergleichs eine Diagnose der Wassereinspritzung durchgeführt. Insbesondere kann festgestellt werden, ob die Wassereinspritzung funktioniert oder nicht. Wenn die Klopfneigung nicht der erwarteten Klopfneigung für eine Wassereinspritzung entspricht, insbesondere wenn die Klopfneigung deutlich erhöht ist, kann festgestellt werden, dass es offensichtlich nicht zu einer ausreichenden Einspritzung von Wasser in den Brennraum kommt. Bei diesem Ergebnis würde somit die Wassereinspritzung als fehlerhaft diagnostiziert werden.
  • Mit dieser Diagnose wird aber keine Fehlerursache bestimmt, da nur festgestellt wird, ob die Wassereinspritzung erfolgt oder nicht. Bei dieser Art der Auswertung gibt es einen Zusammenhang zwischen der Wahl des Betriebsbereichs und des Vergleichswertes. Wenn die Betriebsbereiche sehr schmal oder näherungsweise punktförmig definiert werden, so kann für die Beurteilung, ob die Wassereinspritzung funktioniert oder nicht, ein Vergleichswert gewählt werden, der sehr nah an dem normalen Betrieb der Klopfneigung liegt und es können somit schon kleine Abweichungen der Wassereinspritzung diagnostiziert werden. Wenn der Betriebsbereich breiter gewählt wird, so muss auch der Vergleichswert einen entsprechenden weiteren Abstand von einem zu erwartenden Normalbetrieb des Verbrennungsmotors einhalten. Die Abwägung und Auslegung entsprechend geeigneter Betriebsbereiche und Vergleichswerte müssen jeweils in Abhängigkeit von der gewünschten Diagnosegenauigkeit festgelegt werden.
  • In der 5 wird ein zweites Verfahren zur Diagnose der Wassereinspritzung beschrieben. In einem ersten Schritt 31 erfolgen dabei mindestens zwei Messungen mit einer ersten und zweiten Menge an Wasser in den Brennraum und die Ergebnisse dieser beiden Messungen, d. h. die aus Messungen ermittelten Klopfneigungen werden miteinander verglichen. Beide Messungen erfolgen dabei im gleichen Betriebsbereich des Verbrennungsmotors, so dass auch eine Vergleichbarkeit der so ermittelten Klopfneigungen gegeben ist.
  • Der Unterschied zwischen den jeweils bei der ersten und zweiten Messung ermittelten Klopfneigung ist dann besonders groß, wenn eine Menge gleich Null ist, d. h. wenn bei einer Messung kein Wasser in den Brennraum eingespritzt wird, während bei der anderen Messung Wasser in den Brennraum eingespritzt wird. Bei dieser Situation ist der Unterschied besonders gut und es ist daher besonders einfach, eine Fehlfunktion der Wassereinspritzung festzustellen. In einem ersten Schritt 31 erfolgt somit eine erste und eine zweite Messung mit einer ersten und zweiten Menge an in dem Brennraum eingespritzten Wasser. Beide Messungen erfolgen in dem gleichen Betriebsbereich des Verbrennungsmotors, so dass die jeweils ermittelten Klopfneigungen miteinander vergleichbar sind.
  • Auf den Schritt 31 erfolgt dann der Schritt 32, wo aus den beiden Messungen mit einer unterschiedlichen Menge an in den Brennraum eingespritztem Wasser eine erste Klopfneigung und eine zweite Klopfneigung bestimmt wird. Auf den Schritt 32 folgt der Schritt 33, in dem die beiden ermittelten Klopfneigungen ausgewertet werden, um zu einer Diagnose der Wassereinspritzung zu gelangen. Die konkrete Auswertung im Schritt 33 hängt davon ab, bei welcher der Messungen eine größere oder kleinere Menge an Wasser verwendet wurde. Wenn die erste Menge an eingespritztem Wasser geringer war als die zweite Menge, so ist zwischen der ersten Messung und der zweiten Messung eine Verringerung der Klopfneigung zu erwarten. Weiterhin sollte diese Verringerung der Klopfneigung deutlich sichtbar sein. Es ist daher bei einer funktionstüchtigen Wassereinspritzung zu erwarten, dass die erste Klopfneigung größer ist als die zweite Klopfneigung, wobei dieser Unterschied größer sein sollte als ein vorgegebener Schwellwert. Wenn die erste Klopfneigung den Schwellwert nicht übersteigt oder gleich oder gar geringer ist als die zweite Klopfneigung, so wird die Wassereinspritzung als fehlerhaft diagnostiziert.
  • Wenn die Wassereinspritzmenge bei der ersten Messung höher ist als bei der zweiten Menge, so wird zwischen der ersten und zweiten Messung eine Zunahme der Klopfneigung erwartet. Auch diese Zunahme der Klopfneigung sollte einen Schwellwert überschreiten. Die Wassereinspritzung wird als fehlerhaft diagnostiziert, wenn die zweite Klopfneigung, die erste Klopfneigung um weniger als den Schwellwert übersteigt oder die zweite Klopfneigung gleich oder geringer als die erste Klopfneigung ist. Entsprechend wird die Wassereinspritzung als funktionstüchtig diagnostiziert, wenn die zweite Klopfneigung (geringere Menge), die erste Klopfneigung (höhere Menge) um einen Schwellwert hinaus übersteigt.
  • Bei dem Verfahren nach der 5 wird ein Betrieb zugelassen, in dem kein Wasser eingespritzt wird, so dass es dabei zum Auftreten von klopfenden Verbrennungen kommen kann, was ja prinzipiell nicht wünschenswert ist. Demgegenüber steht eine verbesserte Diagnose der Wassereinspritzung, da durch die Vergleichsmessung an mindestens zwei Verbrennungsvorgängen, wobei einer mit und einer ohne oder mit verringerter Wassereinspritzung erfolgt, eine besonders zuverlässige und genaue Diagnose erfolgen kann. Die Vor- und Nachteile dieser beiden Vorgehensweisen, entweder nach dem Verfahren nach der 4 oder dem Verfahren nach der 5 müssen in beide Anwendungen entsprechend gegeneinander aufgewogen werden. In der 6 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem beide Vorteile miteinander kombiniert werden und welches nur geringere Nachteile aufweist.
  • Die grundlegende Idee des Verfahrens nach der 6 liegt darin, zunächst das Verfahren nach der 4 durchzuführen und nur dann, wenn dieses erste Verfahren eine Fehlfunktion der Wassereinspritzung nahe legt, das Verfahren nach der 5 durchzuführen. Die Verfahrensschritte 21 bis 23 der 6 entsprechen inhaltlich den Verfahrensschritten 21 bis 23 der 4. Der Schritt 23 der 6 unterscheidet sich jedoch dahingehend, dass als Ergebnis nicht eine Fehlfunktion der Wassereinspritzung sondern eine potentielle Fehlfunktion festgestellt wird. Eine potentielle Fehlfunktion bedeutet noch nicht, dass die Wassereinspritzung gestört ist und entsprechende Ersatzmaßnahmen ergriffen werden sondern nur, dass dann ein genaueres Diagnoseverfahren, nämlich das Verfahren nach der 5 durchgeführt wird. Da hier das Ergebnis nicht fehlerhaft lautet sondern nur potentiell fehlerhaft, können auch die für das Verfahren im Schritt 23 verwendeten Grenzwerte (= Schwellwerte) schärfer festgelegt werden als dies bei einer alleinigen Durchführung des Verfahrens nach der 4 sinnvoll ist. Es kann also zugelassen werden, dass das Verfahren nach den Schritten 21 bis 23 mit einer gewissen Ungenauigkeit zu häufig die Wassereinspritzung als potentiell fehlerhaft diagnostiziert.
  • Wenn im Schritt 23 eine potentielle fehlerhafte Wassereinspritzung festgestellt wird, so folgen die Schritte 31 bis 33, die wieder den entsprechenden Schritten 31 bis 33, der 5 entsprechen. Erst wenn im Schritt 33 endgültig eine Fehlfunktion der Wassereinspritzung diagnostiziert wurde, wird die Wassereinspritzung als fehlerhaft diagnostiziert und es werden entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet. Im Vergleich zu dauernden Durchführung des Verfahrens nach der 5 wird somit beim Verfahren nach der 6 relativ seltener ein Betrieb ohne Wassereinspritzung vorsätzlich zugelassen, was ja ein Betrieb mit einer erhöhten Klopfneigung bedeutet. Beim Verfahren nach der 6 wird somit der Motor seltener vorsätzlich in einem Betrieb mit erhöhter Klopfneigung betrieben.
  • Die Verfahren der 4, 5 und 6 wurden jetzt jeweils für einen Zylinder beschrieben. Bei einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine wird dieses Verfahren für jeden Zylinder jeweils einzeln betrieben, da jeder Zylinder zumindest teilweise ausschließlich dem Zylinder zugeordnete Komponenten einer Wassereinspritzung aufweist. Üblicher Weise ist nämlich jedem Zylinder einzeln ein Wasserinjektor 4 zugeordnet, wohingegen üblicher Weise die Pumpe 1 und das Wasserrail 3 eine gemeinsame Komponente für alle Zylinder darstellt. Wenn jeder Zylinder für sich einen Wasserinjektor 4 aufweist, so muss auch für jeden Zylindern einzeln das Diagnoseverfahren durchgeführt werden. die Diagnose kann jedoch nacheinander für jeden Zylinder erfolgen, so dass nicht alle Zylinder gleichzeitig mit verringerter oder ohne Wassereinspritzung betrieben werden, so dass nicht alle Zylinder gleichzeitig mit erhöhter Klopfneigung betrieben werden. Es kann so das Auftreten von klopfenden Verbrennungen verringert werden, da jeweils nur einer der mehreren Zylinder mit erhöhter Klopfneigung betrieben wird.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Diagnose einer Wassereinspritzung in einen Brennraum (101) eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass aus Signalen eines Klopfsensors (20) eine Klopfneigung des Verbrennungsmotors ermittelt wird, und dass die Klopfneigung zur Diagnose der Wassereinspritzung ausgewertet wird, – dass in einem Betriebsbereich des Verbrennungsmotors der Verbrennungsmotor mit einer ersten und einer zweiten Menge an in den Brennraum (101) eingespritztem Wasser betrieben wird, dass die erste und die zweite Menge unterschiedlich sind, dass bei dem ersten Schritt eine erste Klopfneigung und zweiten Schritt eine zweite Klopfneigung bestimmt wird, – wobei wenn die erste Menge geringer ist als die zweite Menge, die Wassereinspritzung als funktionstüchtig diagnostiziert wird wenn die erste Klopfneigung die zweite Klopfneigung um einen Schwellwert hinaus übersteigt und die Wassereinspritzung als fehlerhaft diagnostiziert wird wenn die erste Klopfneigung die zweite Klopfneigung um weniger als den Schwellwert übersteigt oder die erste Klopfneigung gleich oder geringer ist als die zweite Klopfneigung, – und wobei wenn die erste Menge höher ist als die zweite Menge die Wassereinspritzung als funktionstüchtig diagnostiziert wird wenn die zweite Klopfneigung die erste Klopfneigung um einen Schwellwert hinaus übersteigt und die Wassereinspritzung als fehlerhaft diagnostiziert wird wenn die zweite Klopfneigung die erste Klopfneigung um weniger als den Schwellwert übersteigt oder die zweite Klopfneigung gleich oder geringer ist als die erste Klopfneigung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge der ersten oder zweiten Menge von in den Brennraum (101) eingespritztem Wasser null beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Betriebsbereich des Verbrennungsmotors die Klopfneigung des Verbrennungsmotors mit einem Vergleichswert verglichen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassereinspritzung als fehlerhaft diagnostiziert wird wenn die Klopfneigung des Verbrennungsmotors den Vergleichswert übersteigt.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Stufe die Wassereinspritzung als potentiell fehlerhaft diagnostiziert wird wenn die Klopfneigung des Verbrennungsmotors den Vergleichswert übersteigt und dass dann in einer zweiten Stufe das Verfahren zur Diagnose nach dem Anspruch 1 durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern das Verfahren zur Diagnose für jeden Zylinder einzeln durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klopfneigung durch ein Verbrennungsgeräusch, oder durch die Häufigkeit klopfender Verbrennungen oder durch die von einer Klopfregelung ermittelte Klopfgrenze für einen Zündwinkel bestimmt wird.
  8. Vorrichtung zur Diagnose einer Wassereinspritzung in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind aus Signalen eines Klopfsensors eine Klopfneigung des Verbrennungsmotors zu ermittelten und die Klopfneigung zur Diagnose der Wassereinspritzung auszuwerten, – dass die Mittel weiterhin in einem Betriebsbereich des Verbrennungsmotors den Verbrennungsmotor mit einer ersten und einer zweiten Menge an in den Brennraum (101) eingespritztem Wasser betreiben, wobei die erste und die zweite Menge unterschiedlich sind, und beim ersten Schritt eine erste Klopfneigung und zweiten Schritt eine zweite Klopfneigung bestimmen, – wobei die Mittel wenn die erste Menge geringer ist als die zweite Menge, die Wassereinspritzung als funktionstüchtig diagnostizieren wenn die erste Klopfneigung die zweite Klopfneigung um einen Schwellwert hinaus übersteigt und die Wassereinspritzung als fehlerhaft diagnostizieren wenn die erste Klopfneigung die zweite Klopfneigung um weniger als den Schwellwert übersteigt oder die erste Klopfneigung gleich oder geringer ist als die zweite Klopfneigung, – und wobei die Mittel wenn die erste Menge höher ist als die zweite Menge die Wassereinspritzung als funktionstüchtig diagnostizieren wenn die zweite Klopfneigung die erste Klopfneigung um einen Schwellwert hinaus übersteigt und die Wassereinspritzung als fehlerhaft diagnostizieren wenn die zweite Klopfneigung die erste Klopfneigung um weniger als den Schwellwert übersteigt oder die zweite Klopfneigung gleich oder geringer ist als die erste Klopfneigung.
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