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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Rußablagerungen in einem Lufteinlassbereich eines Verbrennungsmotors. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das Verfahren auszuführen.
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Stand der Technik
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Die interne und externe Abgasführung wird zur Minderung der Emission von Stickoxiden verwendet, welche bei der Verbrennung von Kraftstoff in Verbrennungsmotoren, wie beispielsweise Ottomotoren und Dieselmotoren entstehen. Bei Ottomotoren trägt die Abgasrückführung außerdem zu einer Senkung der Ladungswechselverluste bei und verringert damit auch den Kraftstoffverbrauch im Teillastbetrieb. Hierzu wird ein Teil des den Verbrennungsmotor verlassenden Abgases über eine Abgasrückführungsleitung in das Saugrohr des Verbrennungsmotors zurückgeführt. Das der Frischluft beigemischte inerte Abgas behindert die schnelle Oxidation von Kohlenwasserstoffmolekülen. Dadurch werden Temperaturspitzen bei der Kraftstoffverbrennung abgesenkt. Der Volumenstrom des zurückgeführten Abgases wird bei der externen Abgasführung mittels einer Abgasrückführungsklappe oder eines Abgasrückführungsventils gesteuert. Alternativ zu dieser externen Abgasrückführung kann auch eine interne Abgasrückführung über eine sogenannte Ventilüberschneidung erfolgen. Dabei wird ein Einlassventil im Ausstoßtakt so früh geöffnet, das es zu einem Rückströmen von Abgas in das Saugrohr kommt. Dieses Abgas wird kurze Zeit später, wenn der Zylinderdruck unter den Saugrohrdruck absinkt, wieder in den Zylinder angesaugt.
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Die im Laufe der Zeit aus den Abgasen in das Saugrohr zurückgeleitete Rußmenge vermischt sich allerdings mit den normalen Öldämpfen, die beispielsweise aus der Kurbelgehäuseentlüftung stammen zu einer schmierigen Masse, die sich im Ansaugkrümmer und auf den Einlassventilen absetzt. Hierdurch wird der Ansaugquerschnitt erheblich verengt und dadurch die Motorleistung verringert. Außerdem verändert sich das Wandfilmverhalten im Lufteinlassbereich, was in transienten Betriebsbereichen die Gemischbildung und damit das Abgas deutlich verschlechtern kann. Wenn die Ablagerung zwischen den Zylindern des Verbrennungsmotors ungleichmäßig geschieht, kann zudem ein relativer Luftmangel einzelner Zylinder entstehen, die dann verstärkt Ruß produzieren. Dies kann das Anwachsen von Ablagerungen noch weiter beschleunigen.
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Bei plötzlicher Ablösung von Rußablagerungen in großer Menge kann es zu deren plötzlichem oder intensivem Abbrand oder zur Auslösung frühzeitiger Zündungen (sogenannte Megaklopfer) kommen, was Schäden im Zylinder und in nachfolgenden Gaspfaden verursachen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Das Verfahren dient zum Erkennen von Rußablagerungen in einem Lufteinlassbereich eines Verbrennungsmotors, der eine Direkteinspritzung und eine Saugrohreinspritzung von Kraftstoff aufweist. Es umfasst ein Betreiben des Verbrennungsmotors mit einem ersten Aufteilungsverhältnis zwischen der Direkteinspritzung und der Saugrohreinspritzung für einen vorgebbaren Zeitraum. Das Aufteilungsverhältnis wird zu einem zweiten Aufteilungsverhältnis geändert und eine Änderung einer Drehzahl des Verbrennungsmotors und/oder eines Lambdasignals eines Abgases des Verbrennungsmotors ermittelt. Das Erkennen von Rußablagerungen in dem Lufteinlassbereich erfolgt aus der Änderung der Drehzahl und/oder des Lambdasignals.
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In einer ersten Ausführungsform des Verfahrens wird bei dem ersten Aufteilungsverhältnis mehr als 50 Vol.-%, bevorzugt mehr als 75 Vol.-%, und bei dem zweiten Aufteilungsverhältnis weniger als 50 Vol.-%, bevorzugt weniger als 25 Vol.%, des eingespritzten Kraftstoffs mittels der Direkteinspritzung eingespritzt. Dies kann im Extremfall bedeuten, dass beim ersten Aufteilungsverhältnis nur eine Direkteinspritzung erfolgt und bei dem zweiten Aufteilungsverhältnis nur eine Saugrohreinspritzung erfolgt. Bei dem ersten Aufteilungsverhältnis wird in eventuell vorhandenen Rußablagerungen eingespeicherter Kraftstoff durch die angesaugte Luftströmung ausgetragen. Dies beruht darauf, dass der in den eventuell vorhandenen Rußablagerungen eingespeicherte Kraftstoff verdampft. Gleichzeitig erfolgt kein weiteres Einspeichern von Kraftstoff in den Wandbelägen, da nur noch eine geringe oder überhaupt keine Kraftstoffzufuhr mehr über die Saugrohreinspritzung erfolgt. Wenn auf das zweite Aufteilungsverhältnis umgeschaltet wird, so wird mittels der Saugrohreinspritzung eingespritzter Kraftstoff vermehrt in die Rußbeläge eingespeichert, so dass nicht die vorgesehene Kraftstoffmenge in den Brennraum der Zylinder des Verbrennungsmotors gelangt. Dies führt zu einer kurzzeitigen Abmagerung des Kraftstoff-/Luftgemisches im Brennraum, was zu einer Erhöhung des Lambda-Wertes führt. Indem bei gleichbleibender Luftmenge eine verringerte Kraftstoffmenge zur Verfügung steht, kommt es zu einer Momentenreduzierung, wodurch die Drehzahl des Verbrennungsmotors sinkt. Die Änderung des Lambda-Wertes und die Änderung der Drehzahl sind also Kriterien dafür, wie groß das Kraftstoffspeichervermögen der Rußablagerungen ist. Hierdurch ist das Erkennen von Rußablagerungen in dem Lufteinlassbereich möglich. Unter Erkennen von Rußablagerungen wird dabei sowohl das Erkennen des Vorhandenseins von Rußablagerungen als auch das Erkennen ihrer Stärke verstanden.
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In einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens wird bei dem ersten Aufteilungsverhältnis weniger als 50 Vol.-%, bevorzugt weniger als 25 Vol.-%, und bei dem zweiten Aufteilungsverhältnis mehr als 50 Vol.-%, bevorzugt mehr als 75 Vol.%, des eingespritzten Kraftstoffs mittels der Direkteinspritzung eingespritzt. Dies kann im Extremfall bedeuten, dass beim ersten Aufteilungsverhältnis nur eine Saugrohreinspritzung erfolgt und bei dem zweiten Aufteilungsverhältnis nur eine Direkteinspritzung erfolgt. Bei dem ersten Aufteilungsverhältnis werden eventuell vorhandene Rußablagerungen mit Kraftstoff gesättigt. Dies beruht darauf, dass durch den hohen Anteil der Saugrohreinspritzung eine Anreicherung von Kraftstoff in den eventuell vorhandenen Rußablagerungen erfolgt. Wenn auf das zweite Aufteilungsverhältnis umgeschaltet wird, so wird Kraftstoff von den Rußbelägen abgegeben, so dass mehr als die vorgesehene Kraftstoffmenge in den Brennraum der Zylinder des Verbrennungsmotors gelangt. Dies führt zu einer kurzzeitigen Anfettung des Kraftstoff-/Luftgemisches im Brennraum, was zu einer Verringerung des Lambda-Wertes führt. Indem bei gleichbleibender Luftmenge eine erhöhte Kraftstoffmenge zur Verfügung steht, kann ein Kraftstoff-/Luftgemisch vorliegen, dass für eine sichere Entflammung zu fett ist. Dies kann zu verschleppten Verbrennungen bis hin zu Verbrennungsaussetzern führen, wodurch die Drehzahl des Verbrennungsmotors sinkt. Die Änderung des Lambda-Wertes und/oder die Änderung der Drehzahl sind also auch in dieser Ausführungsform Kriterien dafür, wie groß das Kraftstoffspeichervermögen der Rußablagerungen ist. Hierdurch ist das Erkennen von Rußablagerungen in dem Lufteinlassbereich möglich.
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Das Erkennen von Rußablagerungen in dem Lufteinlassbereich erfolgt vorzugsweise aus dem maximalen Betrag einer Abweichung des Lambdasignals während des Betriebs mit dem zweiten Aufteilungsverhältnis im Vergleich zum Lambdasignal während des Betriebs mit dem ersten Aufteilungsverhältnis. Hierbei wird die Höhe von Lambda-Überschwingern in der ersten Ausführungsform oder von Lambda-Unterschwingern in der zweiten Ausführungsform als Kriterium für das Erkennen der Rußablagerungen genutzt.
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Das Erkennen von Rußablagerungen in dem Lufteinlassbereich erfolgt weiterhin vorzugsweise aus der Dauer einer Abweichung der Drehzahl und/oder des Lambdasignals während des Betriebs mit dem zweiten Aufteilungsverhältnis von der Drehzahl und/oder dem Lambdasignal während des Betriebs mit dem ersten Aufteilungsverhältnis. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Dauer von Abweichungen nicht nur hinsichtlich der Änderung des Lambda-Signals, sondern auch hinsichtlich der Änderung der Drehzahl charakteristisch für das Vorliegen von Rußablagerungen ist.
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Eine Kombination der Höhe und der Dauer von Abweichungen kann beispielsweise durch eine zeitliche Integration der Signalabweichungen erfolgen. Diese zeitliche Integration erfolgt insbesondere unter Berücksichtigung des jeweiligen Ansaugvolumenstroms. Damit wird eine Abhängigkeit des Integrals vom jeweils vorherrschenden Saugrohrdruck oder von der Ansaugluftgasdichte erreicht. Hierdurch wird ein physikalischer Zusammenhang zwischen der verdampften Menge an Kraftstoff und dem Volumenstrom an vorbeistreichender Luft gebildet.
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Wenn während des Betriebs mit dem zweiten Aufteilungsverhältnis keine Änderung der Drehzahl und/oder des Lambdasignals ermittelt wird, so wird vorzugsweise der vorgebbare Zeitraum verlängert. So wird sichergestellt, dass in der ersten Ausführungsform ein ausreichendes Austragen von Kraftstoff bei dem ersten Aufteilungsverhältnis erfolgt, und dass in der zweiten Ausführungsform ein ausreichendes Einlagern von Kraftstoff bei dem ersten Aufteilungsverhältnis erfolgt. Das Verlängern des vorgebbaren Zeitraums kann insbesondere erfolgen, indem die Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen bei dem ersten Aufteilungsverhältnis erhöht wird. Alternativ kann das Verlängern des vorgebbaren Zeitraums insbesondere auch erfolgen, indem die akkumulierte Dauer der Kraftstoffeinspritzungen bei dem ersten Aufteilungsverhältnis erhöht wird.
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Bei dem Erkennen von Rußablagerungen wird bevorzugt ein Referenzwert der Drehzahl und/oder des Lambdasignals für einen Referenzzustand des Verbrennungsmotors ohne Rußablagerungen berücksichtigt. Die Verwendung eines solchen Referenzwerts ist vorteilhaft, da auch ein sauberer Lufteinlassbereich ohne Rußablagerungen auf Grund von Kraftstoffbenetzungseffekten eine gewisse Kraftstoffgrundspeicherfähigkeit besitzt. Der Referenzwert kann insbesondere innerhalb des ersten Betriebszeitraums des Verbrennungsmotors gelernt werden, beispielsweise innerhalb der ersten wenigen hundert Fahrtkilometer eines Kraftfahrzeugs, welches von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird. Hier ist sichergestellt, dass noch keine signifikanten Rußablagerungen vorliegen. Alternativ kann der Referenzwert insbesondere auch mittels Applikation in einem Steuergerät des Verbrennungsmotors hinterlegt werden.
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Bei dem Erkennen von Rußablagerungen wird vorzugsweise eine Ansauglufttemperatur und/oder eine Temperatur des Verbrennungsmotors, und/oder eine Öltemperatur und/oder ein Ethanolgehalt des in den Verbrennungsmotor eingespritzten Kraftstoffs berücksichtigt. Die Temperaturen beeinflussen die im Lufteinlassbereich vorherrschende Wandtemperatur. Dies hat einen direkten Einfluss auf das Verdampfungsverhalten von Kraftstoffen im Lufteinlassbereich. Der Temperatureinfluss kann insbesondere über frei wählbare Korrekturkennfelder oder über frei wählbare Korrekturfaktoren berücksichtigt werden. Diese können bei einer Grundapplikation des Verbrennungsmotors ermittelt und festgelegt werden. Der Ethanolgehalt, der insbesondere bei Verbrennungsmotoren von Flexible-Fuel-Fahrzeugen stark variieren kann, hat maßgeblichen Einfluss auf das Verdampfungsverhalten von Kraftstoffen. Er kann ebenfalls insbesondere über frei wählbare Korrekturkennfelder oder über frei wählbare Korrekturfaktoren berücksichtigt werden. Diese können bei einer Grundapplikation des Verbrennungsmotors ermittelt und festgelegt werden.
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Das erste Aufteilungsverhältnis und das zweite Aufteilungsverhältnis können insbesondere auch nur auf einen Zylinder des Verbrennungsmotors angewandt werden, wenn der Verbrennungsmotor über ein Saugrohreinspritzventil pro Zylinder verfügt. dies ermöglicht eine zylinderindividuelle Diagnose. Wenn der Verbrennungsmotor über jeweils ein Saugrohreinspritzventil pro Einlasskanal verfügt, wobei jeder Einlasskanal in mehreren Zylindern mündet, dann können das erste Aufteilungsverhältnis und das zweite Aufteilungsverhältnis insbesondere auch nur auf eine Gruppe von Zylindern angewandt werden, die mit jeweils einem Einlasskanal verbunden sind. Die Anwendung des Verfahrens auf nur einen Zylinder oder nur eine Gruppe von Zylindern verringert die für den Fahrer eines von dem Verbrennungsmotor angetriebenen Kraftfahrzeugs spürbaren Drehzahl- und/der Laufunruheschwankungen. Außerdem wird auch die Höhe des Lambda-Ausschlags verringert, was zu verringerten Schadstoffemissionen führen kann.
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Nach erfolgtem Erkennen von Rußablagerungen wird vorzugsweise ein Aufteilungsverhältnis einer Kraftstoffeinspritzung des Verbrennungsmotors zu einem höheren Anteil der Saugrohreinspritzung hin verschoben. Auf diese Weise steht ein höheres Kraftstoffvolumen zur Verfügung, um Ablagerungen von den Einlassventilen zu entfernen. Wenn eine an diesen Reinigungsbetrieb anschließende Diagnose ergibt, dass eine Entfernung der Rußablagerungen nicht gelungen ist, so kann insbesondere eine Information ausgegeben werden, dass eine mechanische Reinigung in einer Werkstatt erforderlich ist, oder dass sogar ein Austausch der verunreinigten Teile erfolgen muss. Außerdem kann die Erkennung von Rußablagerungen in einem Diagnosespeicher erfasst werden.
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Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem elektronischen Steuergerät oder Rechengerät abläuft. Dies ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das erfindungsgemäße elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, Rußablagerungen in einem Lufteinlassbereich eines Verbrennungsmotors zu erkennen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die Figur zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor, in dessen Lufteinlassbereich mittels eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung Rußablagerungen erkannt werden können.
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Ausführungsbeispiel der Erfindung
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Ein Verbrennungsmotor 1 eines Kraftfahrzeugs, der in der 1 dargestellt ist, weist ein Saugrohr 2 und einen Abgasstrang 3 auf, in dem eine Lambdasonde 31 angeordnet ist. Eine Abgasrückführungsleitung 41 verbindet den Abgasstrang 3 mit dem Saugrohr 2. Der Verbrennungsmotor 1 weist vier Einspritzventile für eine Direkteinspritzung 11a, 11b, 11c, 11d auf. Diese sind mit einem Hochdruckkraftstoffspeicher 5 verbunden. In dem Saugrohr 2 ist eine Drosselklappe 21 angeordnet. Das Saugrohr 2 ist über einen Lufteinlassbereich 22 mit dem Verbrennungsmotor 1 verbunden, wobei stromaufwärts jedes der vier Zylinder des Verbrennungsmotors 1 jeweils ein Einspritzventil für eine Saugrohreinspritzung 24a, 24b, 24c, 24d angeordnet ist. Ein Temperatursensor 23 misst die Temperatur im Lufteinlassbereich 22. In der Abgasrückführungsleitung 41 ist eine Abgasrückführungskühlung 42 angeordnet. Ein Abgasrückführungsventil 43 ist dazu eingerichtet, um die Verbindung zwischen der Abgasrückführungsleitung 41 und dem Saugrohr 2 zu öffnen und zu schließen. Es wird, ebenso wie die Drosselklappe 21, von einem elektronischen Steuergerät 6 gesteuert.
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Zum Erkennen von Rußablagerungen in dem Lufteinlassbereich 22 wird der Verbrennungsmotor in einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen vorgebbaren Zeitraum nur mittels der Saugrohreinspritzung 24a, 24b, 24c, 24d. Anschließend wird auf einen Betrieb nur mittels der Direkteinspritzung 11a, 11b, 11c, 11d umgeschaltet. Eine Änderung einer Drehzahl des Verbrennungsmotors wird mittels eines Drehzahlsensors (nicht dargestellt) ermittelt. Eine Änderung eines Lambdasignals eines Abgases des Verbrennungsmotors 1 wird mittels der Lambdasonde 31 ermittelt. Das Vorhandensein und die Ausprägung von Rußablagerungen in dem Lufteinlassbereich 22 werden aus der Änderung der Drehzahl und/oder des Lambdasignals ermittelt.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Verbrennungsmotor für einen vorgebbaren Zeitraum nur mittels der Direkteinspritzung 11a, 11b, 11c, 11d betrieben. Anschließend wird auf einen Betrieb nur mittels der Saugrohreinspritzung 24a, 24b, 24c, 24d umgeschaltet. Eine Änderung der Drehzahl des Verbrennungsmotors wird mittels des Drehzahlsensors ermittelt und eine Änderung des Lambdasignals des Abgases des Verbrennungsmotors 1 wird mittels der Lambdasonde 31 ermittelt. Das Vorhandensein und die Ausprägung von Rußablagerungen in dem Lufteinlassbereich 22 werden aus der Änderung der Drehzahl und/oder des Lambdasignals ermittelt.
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In beiden Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der vorgebbaren Zeitraum durch Variation der Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen oder der akkumulierte Dauer der Kraftstoffeinspritzungen vor dem Umschalten der Kraftstoffeinspritzung ermittelt.
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Das Erkennen des Vorhandenseins und der Ausprägung von Rußablagerungen erfolgt in beiden Ausführungsbeispielen indem eine Integration der Signaländerungen von Drehzahl und Lambdawert unter Berücksichtigung des Ansaugvolumenstroms erfolgt und unter Berücksichtigung eines applizierten Referenzwertes für einen sauberen Lufteinlassbereich 22 und unter Berücksichtigung der mittels des Temperatursensors 23 gemessenen Ansauglufttemperatur, der Temperatur des Verbrennungsmotors 1, der Öltemperatur und des Ethanolgehalt des in den Verbrennungsmotor 1 eingespritzten Kraftstoffs die Rußablagerungen erkannt werden.
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Zur Beseitigung erkannter Rußablagerungen wird das Aufteilungsverhältnis der Kraftstoffeinspritzung des Verbrennungsmotors 1 in dessen weiterem Betrieb zu einem höheren Anteil der Saugrohreinspritzung 24a, 24b, 24c, 24d hin verschoben, da der über die Saugrohreinspritzung 24a, 24b, 24c, 24d eingebrachte Kraftstoff in der Regel Rußablagerungen im Lufteinlassbereich 22 abwaschen kann. Nach einem vorgegebenen Reinigungszeitraum wird mittels einer erneuten Diagnose geprüft, ob die Rußablagerungen entfernt werden konnten. Wenn dies nicht gelingt, wird eine Meldung an den Fahrer des Kraftfahrzeugs ausgegeben, dass dieser eine Werkstatt aufsuchen soll.
