DE102018101773B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Wassereinspritzung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Wassereinspritzung

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Abstract

Verfahren zur Wassereinspritzung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserinjektor (104) gemäß einer Ansteuerung (200) zum Öffnen zu einem ersten Zeitpunkt (t1) und zum Schließen zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) angesteuert wird, wobei ein Wasserdruck-Verlauf (300) gemessen wird und eine Änderung des Wasserdruck-Verlaufs (400) abhängig vom Wasserdruck-Verlauf (300) bestimmt wird, wobei abhängig vom Wasserdruck-Verlauf (300) und von der Änderung des Wasserdruck-Verlaufs (400) ermittelt wird, ob eine Öffnung des Wasserinjektors (104) in Folge der Ansteuerung (200) erfolgt ist, und/oder wobei abhängig vom Wasserdruck-Verlauf (300) und von der Änderung des Wasserdruck-Verlaufs (400) ermittelt wird, ob ein Schließen des Wasserinjektors (104) in Folge der Ansteuerung (200) erfolgt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wassereinspritzung insbesondere in einen Brennraum oder ein Saugrohr einer Brennkraftmaschine.
  • EP 0 787 900 B1 und EP 0 825 341 B1 offenbaren ein Verfahren zur Wassereinspritzung, in dem Änderungen eines Wasser-Fließdruckes erfasst werden, um Fehler im Wassereinspritzsystem zu erkennen.
  • Aus der DE 10 2014 222 474 A1 ist ein Verfahren bekannt, welches einen reduzierten Wasserverbrauch mittels Klopfsensor einstellt.
  • In der DE 10 2016 203 056 A1 ist eine Pumpenanordnung einer Wasserspritzvorrichtung offenbart, wobei ein Vier-/Zwei-Wegeventil die Wasserführung vom Wassertank zum Wasserinjektor steuert.
  • Ziel der Erfindung ist es ein demgegenüber verbessertes Verfahren anzugeben.
  • Dies wird durch das Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 1 erreicht.
  • Eine entsprechende Vorrichtung zur Wassereinspritzung nach dem unabhängigen Anspruch 9 wird ebenfalls angegeben.
  • Bezüglich des Verfahrens zur Wassereinspritzung ist vorgesehen, dass ein Wasserinjektor gemäß einer Ansteuerung zum Öffnen zu einem ersten Zeitpunkt und zum Schließen zu einem zweiten Zeitpunkt angesteuert wird, wobei ein Wasserdruck-Verlauf gemessen wird und eine Änderung des Wasserdruck-Verlaufs abhängig vom Wasserdruck-Verlauf bestimmt wird, wobei abhängig vom Wasserdruck-Verlauf und von der Änderung des Wasserdruck-Verlaufs ermittelt wird, ob eine Öffnung des Wasserinjektors in Folge der Ansteuerung erfolgt ist, und/oder wobei abhängig vom Wasserdruck-Verlauf und von der Änderung des Wasserdruck-Verlaufs ermittelt wird, ob ein Schließen des Wasserinjektors in Folge der Ansteuerung erfolgt ist. Abhängig vom Ergebnis der Überprüfung wird eine nachgeordnete Diagnosefunktion ermöglicht, die beispielsweise eine zuverlässige Erkennung einer Fehlfunktion ermöglicht.
  • Vorteilhafterweise wird falls die Öffnung des Wasserinjektors zu früh oder zu spät erfolgt ist, ein Fehler erkannt.
  • Vorteilhafterweise wird falls die Öffnung des Wasserinjektors nicht vollständig erfolgte, ein Fehler erkannt.
  • Vorteilhafterweise wird falls das Schließen des Wasserinjektors zu früh oder zu spät erfolgt ist, ein Fehler erkannt.
  • Vorteilhafterweise wird falls das Schließen des Wasserinjektors nicht vollständig erfolgte, ein Fehler erkannt.
  • Vorteilhafterweise wird wenigstens eine der Bedingungen
  1. a. Überschreitet der Wasser-Druckverlauf vor dem Öffnen des Wasserinjektors einen ersten Grenzwert,
  2. b. Unterschreitet ein Druckgradient im Verlauf der Änderung des Wasserdruck-Verlaufs innerhalb eines ersten Zeitfensters einen zweiten Grenzwert,
  3. c. Unterschreitet der Wasser-Druckverlauf nach Öffnung des Wasserinjektors einen dritten Grenzwert,
  4. d. Überschreitet ein Druckgradient im Verlauf der Änderung des Wasserdruck-Verlaufs innerhalb eines zweiten Zeitfensters einen vierten Grenzwert,
  5. e. Überschreitet der Wasser-Druckverlauf nach Schließen des Wasserinjektors einen fünften Grenzwert,
geprüft. Diese Bedingungen ermöglichen eine besonders zuverlässige Erkennung von Fehlern.
  • Vorteilhafterweise wird der Wasserdruck-Verlauf als Wasserdruck-Signal durch einen Drucksensor erfasst, wobei das Wasserdruck-Signal tiefpassgefiltert wird, und wobei die Änderung des Wasserdruck-Verlaufs als erste Ableitung des tiefpassgefilterten Wasserdruck-Signals bestimmt wird. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Signalverarbeitung.
  • Vorteilhafterweise wird der Wasserdruck-Verlauf als Wasserraildruck-Verlauf in einem Wasserrail gemessen. Für Wassereinspritzsysteme mit Wasserrail wird beispielsweise nur ein Drucksensor benötigt.
  • Die Vorrichtung umfasst einen Wasserinjektor, einen Drucksensor und ein Steuergerät, wobei das Steuergerät ausgebildet ist, ein Wasserdrucksignal vom Drucksensor zu empfangen und den Wasserinjektor gemäß dem Verfahren anzusteuern.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
    • 1 schematisch eine Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung,
    • 2 schematisch eine Ansteuerung eines Wasserinjektors,
    • 3 schematisch einen Wasserrail-Druckverlauf,
    • 4 schematisch einen Verlauf einer ersten Ableitung des Wasserrail-Druckverlaufs.
  • 1 stellt schematisch eine Brennkraftmaschine 100 mit Wassereinspritzung dar.
  • Im Beispiel ist eine Brennkraftmaschine 100 mit mehreren Zylindern 102 und einem Wassereinspritzsystem vorgesehen. In 1 ist einer der Zylinder 102 dargestellt. In jeden der Zylinder 102 wird Wasser mittels eines Wasserinjektors 104 eingespritzt. Im vorliegenden Beispiel gibt es pro Zylinder 102 mindestens einen Wasserinjektor 104. Diese Wasserinjektoren 104 werden über ein Wasserrail 106 mit dem Wasser und einem Druck von etwa 10 Bar, erzeugt durch eine Wasserpumpe 108, versorgt. Die Einspritzung erfolgt im Beispiel in einem Einlasskanal 110, also unmittelbar vor einem Einlassventil 112 für den Zylinder 102.
  • Allgemein kann die Einspritzung des Wassers auch in einem Luftsammler oder in einem Brennraum 114 der Brennkraftmaschine 100 erfolgen. Der Ort der Einspritzung spielt für das beschriebene Verfahren keine Rolle.
  • Es kann auch ein Wasserinjektor 104 für die gesamte Brennkraftmaschine 100 verwendet werden. Dann erfolgt die Einspritzung in den Luftsammler.
  • Im Brennraum 114 wird in herkömmlicher Weise auch ein Kraftstoff-Luft-Gemisch als Arbeitsgas zur Verbrennung bereitgestellt.
  • Bei der Wassereinspritzung wird eine Verdampfungsenthalpie von Wassers dazu genutzt, Ladeluft oder das Arbeitsgas und somit die Verbrennung oder die Abgase zu kühlen.
  • Durch das Wasser wird eine zusätzliche Kühlung bewirkt. Durch diese Kühlung verschiebt sich eine Klopfgrenze der Brennkraftmaschine 100. Ottomotoren können beispielsweise mit höherer Verdichtung und/oder früheren Zündzeitpunkten betrieben werden. Dies wirkt sich positiv auf den Wirkungsgrad des Ottomotors aus.
  • Im Folgenden wird eine Diagnosestrategie beschrieben, die in der Lage ist, eine Fehlfunktion des Wassereinspritzsystems, insbesondere einen Ausfall des Wassereinspritzsystems oder eine Abweichung einer zugeführten Wassermenge von einer Soll-Wassermenge, zu erkennen.
  • Um die Funktionalität des Wassereinspritzsystems zu überprüfen, wird ein Verlauf eines Wasserraildrucks überwacht. Hierfür ist in der Brennkraftmaschine mindestens ein Drucksensor 116 angeordnet. Der Drucksensor 116 misst im Beispiel einen Wasserdruck im Wasserrail 106. Ein Steuergerät 118 ist über eine erste Signalleitung 120 mit dem Wasserinjektor 104 und über eine zweite Signalleitung 122 mit dem Drucksensor 116 verbunden. Das Steuergerät 118 umfasst einen Mikrocontroller mit Instruktionen zur Auswertung von Drucksignalen vom Drucksensor 116 und zur Ansteuerung des Wasserinjektors 104 wie im Folgenden beschrieben. Ausgewertet werden beispielsweise ein tiefpassgefiltertes Wasserraildruck-Signal und dessen erste Ableitung nach der Zeit.
  • 2 zeigt schematisch eine Ansteuerung 200 des Wasserinjektors 104 aufgetragen über der Zeit t. Die Ansteuerung 200 wird beispielsweise durch das Steuergerät 118 vorgegeben. Der Wasserinjektor 104 ist in einem ersten Betriebszustand Z zwischen einem ersten Zeitpunkt t0 und einem zweiten Zeitpunkt t1 geschlossen. Zum Zeitpunkt t1 wird der Wasserinjektor 104 geöffnet. Anschließend wird der Wasserinjektor 104 in einem zweiten Betriebszustand O bis zu einem Zeitpunkt t2 geöffnet betrieben. Zum Zeitpunkt t2 wird der Wasserinjektor 104 geschlossen und anschließend im ersten Betriebsmodus geschlossen betrieben. Diese Ansteuerung 200 kann sich periodisch wiederholen.
  • Während der Ansteuerung 200 des Wasserinjektors 104 stellt sich ein in 3 schematisch über der Zeit t dargestellter Wasserrail-Druckverlauf 300 ein. Der Wasserrail-Druckverlauf 300 in 3 entspricht dem tiefpassgefilterten Wasserraildruck-Signal, das vom Drucksensor 116 erfasst wird.
  • 4 stellt schematisch einen Verlauf einer ersten Ableitung als Änderung 400 des Wasserrail-Druckverlaufs 300 gemäß 3 über der Zeit t dar. Die erste Ableitung wird beispielsweise durch das Steuergerät 118 aus dem tiefpassgefilterten Wasserraildruck-Signal bestimmt.
  • Das Wassereinspritzsystem kann auch ohne Wasserrail ausgeführt sein. Anstelle eines Wasserraildruck-Signals kann auch ein Wasserdruck-Signal an anderer Stelle des Wassereinspritzsystems gemessen werden. Das Verfahren ist insoweit auf einen Wasser-Druckverlauf und Änderungen im Wasser-Druckverlauf anwendbar.
  • Eine eingespritzte Wassermenge korreliert mit der Dauer, die das Wassereinspritzventil geöffnet ist. Der Zeitpunkt t1 einer Öffnung des Wasserinjektors 104 wird anhand eines Druckabfalls im Wasserraildruck bestimmt. Der Zeitpunkt t2 des Schließvorganges des Wasserinjektors 104 wird durch einen Anstieg des Wasserraildrucks bestimmt. Durch eine Abfrage der im Folgenden beschriebenen Bedingungen 1-3 wird ermittelt, ob eine Öffnung des betroffenen Wasserinjektors 104 in Folge seiner Ansteuerung erfolgt ist. Durch die im Folgenden beschriebenen Bedingungen 4 und 5 wird überprüft, ob ein Schließen des betroffenen Wasserinjektors 104 in Folge seiner Ansteuerung erfolgt ist.
    1. 1. Überschreitet der Wasserrail-Druckverlauf 300 vor dem Öffnen des Wasserinjektors 104 einen ersten Grenzwert G1?
    2. 2. Unterschreitet ein Druckgradient im Verlauf der Ableitung 400 insbesondere unmittelbar nach dem Öffnen innerhalb eines ersten Zeitfensters Z1 einen zweiten Grenzwert G2?
    3. 3. Unterschreitet der Wasserrail-Druckverlauf 300 nach Öffnen des Wasserinjektors 104 einen dritten Grenzwert G3?
    4. 4. Überschreitet der Druckgradient innerhalb eines zweiten Zeitfensters Z2 insbesondere unmittelbar nach dem Schließen einen vierten Grenzwert G4?
    5. 5. Überschreitet der Wasserrail-Druckverlauf 300 nach Schließen des Wasserinjektors 104 einen fünften Grenzwert G5?
  • Mit den Bedingungen 1 bis 3 wird überprüft, ob ein Öffnen des Wasserinjektors 104 erfolgt ist. Falls das Öffnen des Wasserinjektors 104 zu früh oder zu spät erfolgt ist, wird im Beispiel ein Fehler erkannt. Falls das Öffnen des Wasserinjektors 104 nicht vollständig erfolgte, wird im Beispiel ein Fehler erkannt. Mit den Bedingungen 4 und 5 wird überprüft, ob ein Schließen des Wasserinjektors 104 erfolgt ist. Falls das Schließen des Wasserinjektors 104 zu früh oder zu spät erfolgt ist, wird im Beispiel ein Fehler erkannt. Falls das Schließen des Wasserinjektors 104 nicht vollständig erfolgte, wird im Beispiel ein Fehler erkannt.
  • Anhand der fünf Bedingungen wird bewertet, ob das Wassereinspritzsystem entsprechend Sollvorgaben funktioniert. Abhängig von individuellen Anforderungen können eine, mehrere oder alle dieser Bedingungen für ein Diagnosesystem genutzt werden. Die Grenzwerte und Zeitfenster werden beispielsweise abhängig vom Wassereinspritzsystem und von Toleranzen gewählt und im Steuergerät 118 gespeichert.
  • Beispielsweise wird die Diagnose bei einem Start der Brennkraftmaschine 100 durchgeführt. Die Diagnose kann auch während eines Betriebs der Brennkraftmaschine 100 durchgeführt werden.
  • Claims (9)

    1. Verfahren zur Wassereinspritzung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserinjektor (104) gemäß einer Ansteuerung (200) zum Öffnen zu einem ersten Zeitpunkt (t1) und zum Schließen zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) angesteuert wird, wobei ein Wasserdruck-Verlauf (300) gemessen wird und eine Änderung des Wasserdruck-Verlaufs (400) abhängig vom Wasserdruck-Verlauf (300) bestimmt wird, wobei abhängig vom Wasserdruck-Verlauf (300) und von der Änderung des Wasserdruck-Verlaufs (400) ermittelt wird, ob eine Öffnung des Wasserinjektors (104) in Folge der Ansteuerung (200) erfolgt ist, und/oder wobei abhängig vom Wasserdruck-Verlauf (300) und von der Änderung des Wasserdruck-Verlaufs (400) ermittelt wird, ob ein Schließen des Wasserinjektors (104) in Folge der Ansteuerung (200) erfolgt ist.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass falls die Öffnung des Wasserinjektors (104) zu früh oder zu spät erfolgt ist, ein Fehler erkannt wird.
    3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass falls die Öffnung des Wasserinjektors (104) nicht vollständig erfolgte, ein Fehler erkannt wird.
    4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass falls das Schließen des Wasserinjektors (104) zu früh oder zu spät erfolgt ist, ein Fehler erkannt wird.
    5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass falls das Schließen des Wasserinjektors (104) nicht vollständig erfolgte, ein Fehler erkannt wird.
    6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Bedingungen a. Überschreitet der Wasser-Druckverlauf (300) vor dem Öffnen des Wasserinjektors (104) einen ersten Grenzwert (G1), b. Unterschreitet ein Druckgradient im Verlauf der Änderung des Wasserdruck-Verlaufs (400) innerhalb eines ersten Zeitfensters (Z1) einen zweiten Grenzwert (G2), c. Unterschreitet der Wasser-Druckverlauf (300) nach Öffnung des Wasserinjektors (104) einen dritten Grenzwert (G3), d. Überschreitet ein Druckgradient im Verlauf der Änderung des Wasserdruck-Verlaufs (400) innerhalb eines zweiten Zeitfensters (Z2) einen vierten Grenzwert (G4), e. Überschreitet der Wasser-Druckverlauf (300) nach Schließen des Wasserinjektors (104) einen fünften Grenzwert (G5), geprüft wird.
    7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdruck-Verlauf (300) als Wasserdruck-Signal durch einen Drucksensor (116) erfasst wird, wobei das Wasserdruck-Signal tiefpassgefiltert wird, und wobei die Änderung des Wasserdruck-Verlaufs (400) als erste Ableitung des tiefpassgefilterten Wasserdruck-Signals bestimmt wird.
    8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdruck-Verlauf (300) als Wasserraildruck-Verlauf in einem Wasserrail (106) gemessen wird.
    9. Vorrichtung zur Wassereinspritzung, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Wasserinjektor (104), einen Drucksensor (116) und ein Steuergerät (118) umfasst, wobei das Steuergerät (118) ausgebildet ist, ein Wasserdrucksignal vom Drucksensor (116) zu empfangen und den Wasserinjektor (104) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 anzusteuern.
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