DE102018126692A1

DE102018126692A1 - Verfahren zur Erkennung einer Verkokung im Einlasstrakt eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoffdirekteinspritzung

Info

Publication number: DE102018126692A1
Application number: DE102018126692.8A
Authority: DE
Inventors: Jörg Köhler
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2020-04-30
Also published as: US20210372331A1; CN112703305A; US11306666B2; CN112703305B; WO2020083704A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erkennung einer Verkokung im Einlasstrakt eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoffdirekteinspritzung, Drosselklappe und variabler Einlassventilhubsteuerung beschrieben. Bei diesem wird ein Korrekturwert (KW), der von der Einlassventilhubsteuerung als Offsetwert mit einem voreingestellten Ventilhub verrechnet wird, ermittelt. Parallel dazu wird ein erster Mengenabweichungstest durchgeführt, durch den ein erster Luftzahlverhältniswert (w) ermittelt wird, der aus einem während des ersten Mengenabweichungstest gemessenen Lambdawert (λ) und einem gewünschten Lambdawert (λ) der Kraftstoffverbrennung in den Brennkammern des Verbrennungsmotors gebildet wird, wobei im ersten Mengenabweichungstest eine Laststeuerung mittels der variablen Einlassventilhubsteuerung durchgeführt wird. In einem zweiten Mengenabweichungstest wird ein zweiter Luftzahlverhältniswert (w) ermittelt, der aus einem während des zweiten Mengenabweichungstest gemessenen Lambdawert (λ) und einem gewünschten Lambdawert (λ) der Kraftstoffverbrennung in den Brennkammern des Verbrennungsmotors gebildet wird, wobei im zweiten Mengenabweichungstest eine Laststeuerung mittels der Drosselklappe durchgeführt wird. Aus dem ersten Luftzahlverhältniswert (w) und dem zweiten Luftzahlverhältniswert (w) wird ein Vergleichsergebnis (VE) gebildet. Ob eine Verkokung im Einlasstrakt des Verbrennungsmotors vorliegt, wird durch kombinierte Auswertung des Vergleichsergebnisses (VE) und des Korrekturwertes (KW) bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Verkokung im Einlasstrakt eines Verbrennungsmotors, der eine Kraftstoffdirekteinspritzung, eine Drosselklappe und eine variable Einlassventilhubsteuerung aufweist, sowie ein entsprechendes Motortestgerät.
Bei Ottomotoren mit Benzindirekteinspritzung kann es zu einer Verkokung des Einlasstraktes kommen, insbesondere am Einlassventil (beispielsweise an der Ventilkehlung) oder im Einlasskanal an der Ventilöffnung. Bei einer derartigen Verkokung lagert sich kohleähnliches Material im Einlasstrakt ab. Ursächlich für die Verkokungsneigung bei Ottomotoren mit Benzindirekteinspritzung ist, dass bei Ottomotoren mit Benzindirekteinspritzung keine kontinuierliche reinigende Spülung des Einlasstraktes, beispielsweise des Einlassventils, mit Benzin stattfindet, da der Kraftstoff direkt im Brennraum eingespritzt wird. Ölrückstände aus der Kurbelgehäuse-Entlüftung, der Ventilschaftdichtung oder der Turbolagerung können sich in Verbindung mit Rußpartikeln aus dem Zylinder unter Hitzeeinwirkung in Form von Kohle im Einlass ablagern. Die Verkokungsneigung nimmt dabei bei Verwendung von Kraftstoffen und Ölen mit niedriger Qualität und bei Fahrprofilen mit niedriger Last tendenziell zu.
Diese Verkokung sorgt für eine Verschlechterung der Laufruhe im Kaltleerlauf und kann zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch sowie zu Beanstandungen im Warmlauf-Fahrverhalten führen. Ein Verkokungsbelag beispielsweise oben an der Ventilkehlung zwischen Ventilteller und Ventilschaft kann die Tumble-Strömung stören, so dass die Leerlaufdrehzahl stärker schwankt und es im Extremfall sogar zu Verbrennungsaussetzern kommen kann. Ein Verkokungsbelag kann sogar als Strömungswiderstand aufgrund unzureichender Zylinderfüllung zu einem Leistungsabfall führen. Darüber hinaus kann ein Verkokungsbelag am Einlassventil oder an der Ventilöffnung ein korrektes Schließen des Ventils verhindern, so dass es zu Kompressionsverlusten und sporadischen Verbrennungsaussetzern kommt.
Typischerweise kann der Grad der Verkokung im Einlasstrakt in der Werkstatt nur nach Demontage von Motorenteilen visuell festgestellt werden. Falls der Einlasstrakt entsprechend verkokt ist, erfolgt dann eine Reinigung des Einlasstrakts oder ein Austausch der betroffenen Bauteile.
Die optische Erkennung einer Verkokung weist den Nachteil eines hohen Arbeitsaufwands zur Demontage der Motorenteile für die optische Zugänglichkeit auf. Außerdem ist die optische Begutachtung mit dem Nachteil mangelnder Objektivierbarkeit verbunden, da die Verkokung bei einer rein visuellen Betrachtung schwer zu beurteilen ist.
Aus der Druckschrift DE 10 2012 213 241 A1 ist ein Verfahren bekannt, das zur Erkennung einer Verkokung im Einlasstrakt eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoffdirekteinspritzung keine Demontage des Verbrennungsmotors erfordert und eine objektive Beurteilung der Verkokung ermöglicht. Das dort beschriebene Verfahren kann jedoch nur bei Verbrennungsmotoren mit Phasenverstellung der Ventilöffnungszeiten (sog. variable Einlassventilsteuerung) zur Anwendung gelangen, bei denen die Steuerung eines Luftmassenstroms mithilfe einer Drosselklappe erfolgt. Bei diesem Verfahren wird der Verbrennungsmotor im Leerlauf mit gegenüber dem Leerlaufnormalbetrieb erhöhter Leerlaufdrehzahl betrieben. Außerdem wird die Öffnungszeit der Einlassventile mithilfe der variablen Einlassventilsteuerung in Richtung früh verstellt, wodurch die Ventilüberschneidung (die Zeitdauer bei der das Einlassventil bereits geöffnet ist, noch bevor das Auslassventil geschlossen ist) vergrößert wird. Mittels Messung wird dann eine für die Laufunruhe des Verbrennungsmotors charakteristische Laufunruhe-Kenngröße des Verbrennungsmotors bestimmt. Anhand der Laufunruhe-Kenngröße lässt sich dann das Vorliegen einer Verkokung im Einlasstrakt erkennen.
Dieses Verfahren kann jedoch nicht bei solchen Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen, bei denen die Steuerung des Luftmassenstroms mittels variabler Einlassventilhubsteuerung erfolgt, da das Brennverfahren anders ausgelegt ist. Während bei einem Verbrennungsmotor mit gedrosselter Laststeuerung die Restgassteuerung über den Einlass erfolgt, wird bei einem Verbrennungsmotor mit variabler Einlassventilhubsteuerung die Restgassteuerung über den Auslass realisiert. Bei einem Verbrennungsmotor mit variabler Einlassventilhubsteuerung handelt es sich um eine vollvariable mechanische Ventilsteuerung. Mit Hilfe dieses Systems wird die Laststeuerung nicht durch die Drosselklappe, sondern durch eine Ventilhubkurve geregelt.
Damit können die Ladungswechselverluste im Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors erheblich reduziert und somit ein Verbrauchsvorteil erreicht werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erkennung einer Verkokung eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoffdirekteinspritzung und variabler Einlassventilhubsteuerung anzugeben, welches zur Erkennung keine Demontage des Verbrennungsmotors erfordert und zumindest ein Indiz für das Vorliegen einer Verkokung ermöglicht. Ferner ist die Aufgabe auf die Angabe eines Motortestgeräts mit entsprechenden Eigenschaften gerichtet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Verkokung im Einlasstrakt eines Verbrennungsmotors. Der Verbrennungsmotor weist eine oder mehrere Zylinderbänke auf, wobei eine jeweilige Zylinderbank mehrere Zylinder mit jeweils einer darin ausgebildeten Brennkammer und zumindest einer Einspritzdüse umfasst. Insbesondere ist in jeder Brennkammer genau eine Einspritzdüse vorgesehen. Den Brennkammern einer jeweiligen Zylinderbank wird ein gemeinsamer Luftmassenstrom zugeführt. Ebenso wird von den Brennkammern einer jeweiligen Zylinderbank ein gemeinsamer Abgasstrom abgeführt. Der Verbrennungsmotor weist eine Kraftstoffdirekteinspritzung auf, insbesondere handelt es sich um einen Ottomotor mit Benzindirekteinspritzung.
Das Verfahren läuft beispielsweise auf einem fahrzeugexternen Motortestgerät ab, welches beispielsweise in einer Fahrzeug-Reparaturwerkstatt verwendet wird. Das Motortestgerät wird über eine entsprechende Fahrzeugschnittstelle mit der Motorsteuerung des Fahrzeugs drahtlos oder drahtgebunden verbunden und kann darüber hinaus den Betrieb des Fahrzeugs steuern und Messwerte von der Motorsteuerung abrufen. Es ist auch denkbar, dass das Verfahren auf dem Motorsteuergerät des Fahrzeugs abläuft, wobei beispielsweise im Fall der Erkennung eines Fehlers, insbesondere einer Verkokung, eine Reinigung der Einlasskanäle und/oder der Einlassventile angewiesen wird. Es kann dazu ein Hinweis zur Reinigung an den Fahrer oder an einen Monteur in der Werkstatt ausgegeben werden und/oder ein entsprechender Hinweis in einem Fehlerspeicher des Fahrzeugs abgelegt werden.
Der Verbrennungsmotor weist eine Drosselklappe im Einlasstrakt und eine variable Einlassventilhubsteuerung (auch VVT, Variabler Ventiltrieb, genannt) auf. Die variable Einlassventilhubsteuerung ermöglicht es, den Ventilhub zu regeln. Mit dem variablen Ventilhub lässt sich die Einlassmenge von Luft in eine Brennkammer des Verbrennungsmotors regeln, so dass die einer Zylinderbank vorgeschaltete Drosselklappe im normalen Betrieb nicht mehr benötigt wird. Die Drosselklappe wird nur in besonderen Betriebszuständen, etwa in einem Notlaufbetrieb, verwendet. Durch die drosselfreie Laststeuerung können Ladungswechselverluste reduziert werden. Eine höhere Einströmgeschwindigkeit der Luft führt zu einer besseren Durchmischung des Benzin-Luft-Gemisches in der Brennkammer.
Bei dem Verfahren wird ein Korrekturwert ermittelt, der von der Einlassventilhubsteuerung als Offsetwert mit einem voreingestellten Ventilhub verrechnet wird. Der Korrekturwert trägt dem Umstand Rechnung, dass u.a. durch verunreinigte Luft (Umgebung, Abgasrückführung, Kurbelgehäuseentlüftung, ...) sich auf den Einlassventilen Ablagerungen bilden können. Dadurch verengt sich der Querschnitt und weniger Luft kann bei dem gleichen Ventilhub in den zugeordneten Brennraum gelangen. Im Leerlauf sind diese Ablagerungen besonders kritisch, da hier die Querschnitte am geringsten sind. Das kann im schlimmsten Fall zu einem unrunden Leerlauf und zu Verbrennungsaussetzern führen. Zur Vermeidung wird eine Ventilhubkorrektur mithilfe des Korrekturwerts ermittelt. Hierdurch können die negativen Auswirkungen der Ablagerungen bis zu einem gewissen Grad ausgeglichen werden.
Ferner wird ein erster Mengenabweichungstest durchgeführt. Durch den Mengenabweichungstest wird ein erster Luftzahlverhältniswert ermittelt, der aus einem während des ersten Mengenabweichungstests gemessenen Lambdawert und einem gewünschten Lambdawert der Kraftstoffverbrennung in den Brennkammern des Verbrennungsmotors gebildet wird. Im ersten Mengenabweichungstest wird eine Laststeuerung des Verbrennungsmotors mittels der variablen Einlassventilhubsteuerung durchgeführt.
Im Anschluss an den ersten Mengenabweichungstest wird ein zweiter Mengenabweichungstest durchgeführt. Durch den zweiten Mengenabweichungstest wird ein zweiter Luftzahlverhältniswert ermittelt, der aus einem während des zweiten Mengenabweichungstest gemessenen Lambdawert und einem gewünschten Lambdawert der Kraftstoffverbrennung in den Brennkammern des Verbrennungsmotors gebildet wird. Im zweiten Mengenabweichungstest wird eine Laststeuerung des Verbrennungsmotors mittels der im Einlasstrakt angeordneten Drosselklappe durchgeführt.
Nach der Durchführung des ersten und des zweiten Mengenabweichungstests wird ein Vergleichsergebnis aus dem ersten Luftzahlverhältniswert und dem zweiten Luftzahlverhältniswert gebildet. Anhand des Vergleichsergebnisses ist ein Indikator für das Vorliegen eines Fehlers im Einlasstrakt des Verbrennungsmotors gegeben.
Die Durchführung des ersten und des zweiten Mengenabweichungstests kann nach dem Ermitteln des Korrekturwerts erfolgen. Die Durchführung des ersten und des zweiten Mengenabweichungstests kann vor dem Ermitteln des Korrekturwerts erfolgen. Die Durchführung des ersten und des zweiten Mengenabweichungstests parallel zu dem Ermitteln des Korrekturwerts erfolgen.
Eine Bestimmung, ob eine Verkokung im Einlasstrakt des Verbrennungsmotors vorliegt, erfolgt durch die kombinierte Auswertung des Vergleichsergebnisses und des Korrekturwertes. Jedes der beiden Kriterien stellt ein Indiz für das Vorliegen einer Verkokung im Einlasstrakt dar. Durch die kombinierte Auswertung kann eine zuverlässigere Aussage über das Vorliegen einer Verkokung im Einlasstrakt getroffen werden.
Während der Durchführung des ersten und des zweiten Mengenabweichungstests erfolgt keine Änderung am Kraftstoffpfad, also der Zulieferung der benötigten Kraftstoffmasse für die Verbrennung. Demgegenüber wird durch die unterschiedliche Laststeuerung, einmal mittels der variablen Einlassventilhubsteuerung und einmal mittels der Drosselklappe, der Luftpfad verändert, sofern ein Fehler bzw. eine Verkokung im Einlasstrakt vorliegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine objektive Feststellung einer Verkokung im Einlasstrakt eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoffdirekteinspritzung. Die objektive Feststellung erfolgt durch Messung und Nutzung weiterer, im Fahrzeug vorhandener Parameter, anstatt durch eine subjektive visuelle Beurteilung. Eine Reinigung bzw. Reparatur findet dadurch nur dann statt, wenn dies objektiv tatsächlich notwendig ist.
Eine Demontage des Verbrennungsmotors allein zur visuellen Beurteilung einer Verkokung ist bei Anwendung des hierin beschriebenen Verfahrens nicht erforderlich. Eine Verkokung kann in sehr kurzer Zeit festgestellt werden. Die Zeitdauer zur Feststellung, ob ein Fehler im Einlasstrakt des Verbrennungsmotors, insbesondere eine Verkokung vorliegt, kann beispielsweise innerhalb von etwa zehn Minuten anstatt in einer Stunde und mehr bei Demontage des Verbrennungsmotors stattfinden. Der Motor muss mithilfe der beschriebenen Methode nicht mehr teilzerlegt werden, wodurch sich weitere Fehlerursachen für die anstehenden Reparaturen bis auf das zwingend Notwendige minimieren lassen. Darüber hinaus ist die Genauigkeit der Erkennung einer Verkokung mit Hilfe einer erfindungsgemäß durchgeführten bilanzierenden Gemischabweichungsmethode deutlich höher als dies im Stand der Technik der Fall ist.
Der Korrekturwert wird in einer zweckmäßigen Ausgestaltung aus der Motorsteuerung ausgelesen. Allgemein gilt: Je größer der absolute Wert des Korrekturwerts ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass sich umfangreiche Ablagerungen auf den Einlassventilen befinden.
Der Korrekturwert ist insbesondere ein zur Laufzeit des Verbrennungsmotors durch die Motorsteuerung ermittelter Wert. Der Korrekturwert ist ferner ein zur Laufzeit des Verbrennungsmotors durch die Motorsteuerung adaptierter Wert, wobei eine Adaption aus einem theoretisch errechneten Luftmassenwert von in die Brennkammern des Verbrennungsmotors einströmender Luft und einem gemessenen Luftmassenwert erfolgt.
Der Korrekturwert wird für oder im Rahmen der kombinierten Auswertung mit einem vordefinierten Grenzwert verglichen, wobei auf das Vorliegen eines Fehlers im Einlasstrakt geschlossen wird, wenn der Korrekturwert den vordefinierten Grenzwert überschreitet. Der vordefinierte Grenzwert kann, z.B. nach der Fertigung des Verbrennungsmotors, in einen Speicher der Motorsteuerung geschrieben werden. Im weiteren Verlauf kann der Korrekturwert dann zur Laufzeit des Verbrennungsmotors, wie dies auch bislang bei Verbrennungsmotoren mit Einlassventilhubsteuerung erfolgt, adaptiert werden. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der gerade aktuelle Korrekturwert verarbeitet. Optional kann vorgesehen sein, auch eine Veränderung des Korrekturwerts über die Zeit, z.B. seit der ersten Inbetriebnahme des Fahrzeugs, zu verarbeiten.
Das Überschreiten des vordefinierten Grenzwerts alleine stellt lediglich ein Indiz für das Vorliegen einer Verkokung dar. Ein Fehlersignal, das eine Verkokung repräsentiert, wird zweckmäßigerweise erst dann ausgegeben, wenn zusätzlich der erste Luftzahlverhältniswert und der zweite Luftzahlverhältniswert unterschiedlich sind. Das kombinierte Vorliegen beider Bedingungen zum gleichen Zeitpunkt ermöglicht eine Fehleraussage mit hoher Sicherheit, dass eine Verkokung vorliegt.
Die Durchführung des ersten und/oder des zweiten Mengenabweichungstests erfolgt zweckmäßigerweise im Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors. Die Steuerung erfolgt, wie oben beschrieben, durch ein fahrzeugexternes Motortestgerät oder die Motorsteuerung des Fahrzeugs.
Der erste Mengenabweichungstest wird zweckmäßigerweise bei geöffneter Drosselklappe und bei kleinem oder sogar minimalem Hub des Einlassventils durchgeführt. Mit anderen Worten erfolgt die Durchführung des ersten Mengenabweichungstests im sog. ungedrosselten Zustand, bei dem die in eine Brennkammer eingeführte Luftmenge ausschließlich von der Höhe des Hubs des Einlassventils abhängt. Aufgrund eines gewählten kleinen oder minimalen Hubs wird sich die in die Brennkammer eingeführte Luft bei vorliegender Verkokung im Einlasskanal oder am Einlassventil in einer gegenüber der erwarteten Luftmenge reduzierten Luftmenge bemerkbar machen. Da der gewünschte Lambdawert (d.h. der Soll-Lambdawert) dadurch stärker von dem gemessenen Lambdawert abweicht, macht sich dies in einem bestimmten ersten zu fetten Luftzahlverhältniswert bemerkbar.
Demgegenüber wird der zweite Mengenabweichungstest bei maximalem Hub des Einlassventils und weitgehend geschlossener Drosselklappe durchgeführt. Die Laststeuerung erfolgt somit mittels der Drosselklappe (sog. gedrosselter Betrieb). Bei einer vorliegenden Verkokung im Einlasskanal oder am Einlassventil wird der zweite Luftverhältniswert keine so starke Abweichung wie im ersten Mengenabweichungstest erfahren, da der Querschnitt, durch den die Luftmenge in die Brennkammer strömen kann, prozentual weniger stark durch die Verkokung beeinflusst ist, als während der Durchführung des ersten Mengenabweichungstests.
Auf das Vorliegen eines Fehlers im Einlasstrakt, d.h. im Luftpfad des Verbrennungsmotors, kann somit dann geschlossen werden, wenn der erste Luftzahlverhältniswert und der zweite Luftzahlverhältniswert unterschiedlich sind. Insbesondere wird auf das Vorliegen einer Verkokung im Einlasstrakt geschlossen, wenn der erste Luftzahlverhältniswert kleiner als ein vorgegebener erster Schwellwert und der zweite Luftzahlverhältniswert größer oder gleich dem vorgegebenen ersten Schwellwert ist.
Der erste Luftzahlverhältniswert wird insbesondere durch den Quotienten aus dem während des ersten Mengenabweichungstests gemessenen Lambdawert und dem gewünschten Lambdawert gebildet. Der zweite Luftzahlverhältniswert wird durch den Quotienten aus dem während des zweiten Mengenabweichungstests gemessenen Lambdawert und dem gewünschten Lambdawert gebildet.
Durch die bevorzugte Art der Bestimmung des ersten und des zweiten Luftzahlverhältniswerts liegt ein Indiz für eine Verkokung dann vor, wenn der erste Luftzahlverhältniswert kleiner als der vorgegebene Schwellwert und damit kleiner als der zweite Luftzahlverhältniswert ist. Dies ergibt sich daraus, dass während des ersten Mengenabweichungstests bei gegebener Verkokung eine geringere Menge an Luft in die Brennkammer strömen kann, als dies der Fall wäre, wenn keine Verkokung vorliegt. Der gemessene Lambdawert ist somit kleiner als der gewünschte Lambdawert. Demgegenüber ist im zweiten Mengenabweichungstest der Unterschied zwischen dem gemessenen und dem gewünschten Lambdawert nicht so groß, da die Verkokung das in die Brennkammer einströmende Luftvolumen nicht derart stark verändert.
Der erste Schwellwert ist insbesondere gleich 1.
Es wird ferner ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das direkt in den internen Speicher eines digitalen Computers geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte des hierin beschriebenen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Produkt auf einem Computer läuft. Das Computerprogrammprodukt kann in der Form eines Datenträgers, z.B. einer DVD, einer CD-ROM, eines USB-Speichersticks und dergleichen vorliegen. Das Computerprogrammprodukt kann auch als ein über ein drahtloses oder leitungsgebundenes Netz ladbares Signal vorliegen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist auf ein Motortestgerät gerichtet. Das Motortestgerät ist zur Erkennung einer Verkokung im Einlasstrakt eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoffdirekteinspritzung, Drosselklappe und variabler Einlassventilhubsteuerung eingerichtet. Das Gerät ist mit dem Kraftfahrzeug zum Steuern des Betriebs des Fahrzeugs und zur Entgegennahme von fahrzeuginternen Messwerten verbindbar, beispielsweise über eine elektrische Verbindung oder eine Funkverbindung. Das Motortestgerät steuert den Verbrennungsmotor über das Motorsteuergerät (Motorsteuerung) so, dass das oben beschriebene Verfahren durchgeführt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigt:

1 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erkennung einer Verkokung im Einlasstrakt eines Verbrennungsmotors.

In 1 ist ein beispielhaftes Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erkennung einer Verkokung im Einlasstrakt eines Verbrennungsmotors dargestellt. Der Verbrennungsmotor weist eine oder mehrere Zylinderbänke auf, wobei eine jeweilige Zylinderbank mehrere Zylinder mit jeweils einer darin ausgebildeten Brennkammer und zumindest einer Einspritzdüse umfasst. Insbesondere ist in jeder Brennkammer genau eine Einspritzdüse vorgesehen. Den Brennkammern einer jeweiligen Zylinderbank wird ein gemeinsamer Luftmassenstrom zugeführt. Ebenso wird von den Brennkammern einer jeweiligen Zylinderbank ein gemeinsamer Abgasstrom abgeführt. Der Verbrennungsmotor weist eine Kraftstoffdirekteinspritzung auf, insbesondere handelt es sich um einen Ottomotor mit Benzindirekteinspritzung und vollvariabler Ventilsteuerung. Die Steuerung des Verbrennungsmotors erfolgt mittels verschiedener in einer Motorsteuerung hinterlegter Steuerparameter.
Der Verbrennungsmotor umfasst neben einer herkömmlichen Drosselklappe im Einlasstrakt eine variable Einlassventilhubsteuerung. Bei dieser handelt es sich um eine vollvariable mechanische Ventilsteuerung. Wie dem Fachmann hinlänglich bekannt ist, und daher nicht weiter ausgeführt wird, wird mit Hilfe dieses Systems die Laststeuerung nicht durch die Drosselklappe, sondern durch eine Ventilhubkurve der Einlassventile geregelt. Mit dem variablen Ventilhub lässt sich die Einlassmenge von Luft in eine Brennkammer des Verbrennungsmotors regeln, so dass die einer Zylinderbank vorgeschaltete Drosselklappe im normalen Betrieb nicht mehr benötigt wird. Die Drosselklappe wird nur in besonderen Betriebszuständen, etwa in einem Notlaufbetrieb, verwendet. Damit können die Ladungswechselverluste im Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors erheblich reduziert und somit ein Verbrauchsvorteil erreicht werden.
Bei dem Verbrennungsmotor mit variabler Ventilhubsteuerung wird von der Einlassventilhubsteuerung ein von der Motorsteuerung bereitgestellter Korrekturwert KW verarbeitet. Der Korrekturwert KW wird von der Einlassventilhubsteuerung als Offsetwert mit einem voreingestellten Ventilhub verrechnet wird. Der Korrekturwert KW trägt dem Umstand Rechnung, dass sich, u.a. durch verunreinigte einströmende Gasmassen (aus der Umgebung, der Abgasrückführung, der Kurbelgehäuseentlüftung, usw.) auf den Einlassventilen Ablagerungen bilden können. Dadurch verengt sich der Querschnitt und weniger Luft kann bei dem gleichen Ventilhub in den zugeordneten Brennraum gelangen. Im Leerlauf sind diese Ablagerungen besonders kritisch, da hier die Querschnitte am geringsten sind. Das kann im schlimmsten Fall zu einem unrunden Leerlauf und zu Verbrennungsaussetzern führen. Zur Vermeidung wird eine Ventilhubkorrektur mithilfe des Korrekturwerts ermittelt. Hierdurch können die negativen Auswirkungen der Ablagerungen bis zu einem gewissen Grad ausgeglichen werden.
Der Korrekturwert KW ist ein zur Laufzeit des Verbrennungsmotors durch die Motorsteuerung ermittelter Wert, der üblicherweise durch die Motorsteuerung über die Zeit adaptiert wird, wobei eine Adaption aus einem theoretisch errechneten Luftmassenwert von in die Brennkammern des Verbrennungsmotors einströmender Luft erfolgt. Die Bestimmung des Korrekturwerts KW erfolgt nach dem folgenden Vorgehen: Es wird ein theoretischer Luftmassenstrom m_theo in den Zylindern mit Hilfe eines Betriebsmodells der Ansaugluftführung unter Berücksichtigung aller beteiligten Massenströme und Betriebszustände berechnet. Ein tatsächlicher Luftmassenstrom m_real wird entweder direkt oder indirekt gemessen, wobei hierzu beispielsweise ein Heissfilm-Luftmassenmesser HFM genutzt werden kann. Aus den ermitteln Luftmassenströmen wird eine Verhältniskennzahl V = m_real / m_theo gebildet. Die Verhältniskennzahl V ist im Folgenden die Führungsgröße der adaptiven Regelung, wobei ein Wert von V_ziel = 1 angestrebt wird, so dass der reale und der theoretische Luftmassenstrom identisch sind. Die genannte adaptive Regelung (sog. Adaptionsfunktion) verändert als Stellgröße die Organe zur Luftmassensteuerung, in diesem Falle den Einlassventilhub EV_hub_offset, wobei eine sich aus der Adaption ergebende Differenz dem Korrekturwert KW entspricht. Ein positiver Wert des Einlassventilhubs EV_hub offset beschreibt eine zusätzliche Öffnung des Einlassventils um x [mm]) Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der gerade aktuelle Korrekturwert KW verarbeitet.
Der Korrekturwert KW wird in einem Schritt S11 ermittelt, indem er aus der Motorsteuerung ausgelesen wird. Allgemein gilt: Je größer der absolute Wert des Korrekturwerts ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass sich umfangreiche Ablagerungen auf den Einlassventilen befinden. Der Korrekturwert KW wird wie folgt bestimmt: $KW = (EV_hub_offset / EV_hub_offset_Grenz) * (V_Grenz / V) .$
Hierbei ist „EV_hub_offset_Grenz“ ein Grenzwert zur Überwachung der Ventilhubadaption und „V_Grenz“ ein Grenzwert zur Überwachung der noch bestehenden Regelabweichung der Luftmassen. Der Korrekturwert KW wird nach folgender Logik genutzt:

In Schritt S12 wird der Korrekturwert KW mit einem vorgegebenen Grenzwert GW verglichen. Der Grenzwert GW kann, z.B. nach der Fertigung des Verbrennungsmotors, fahrzeugindividuell oder einheitlich für einen Verbrennungsmotortyp, in einen Speicher, z.B. der Motorsteuerung oder einer Datenbank, geschrieben werden. Der Grenzwert GW kann insbesondere ein Fertigungstoleranzen des Verbrennungsmotors berücksichtigender Grenzwert sein. Der Grenzwert GW wird z.B. GW = 1 gewählt, dann gilt: Ist der Korrekturwert KW größer als oder gleich 1 (KW ≥ 1), so liegt eine kritische Situation vor. Es gibt den Verdacht, dass eine Verkokung vorhanden ist. Dieser Verdacht kann durch weitere Prüfungen, die nachfolgend in den Schritten S21, S22 und S23 beschrieben werden, validiert werden. Diese Prüfungen werden als Mengenabweichungstests bezeichnet. Ist der Korrekturwert KW kleiner als 1 (KW < 1), so liegt eine unkritische Situation vor. Es ist nicht davon auszugehen, dass eine Verkokung vorliegt.

In Schritt S12 wird somit ermittelt, ob der Korrekturwert KW den Grenzwert GW überschreitet (d.h. KW >= GW) oder nicht (d.h. KW < GW). Das Ergebnis des Vergleichs wird in Schritt S30 weiterverarbeitet. Das Überschreiten des vordefinierten Grenzwerts (d.h. KW >= GW) alleine stellt ein Indiz für das Vorliegen einer Verkokung dar, welches mittels der Durchführung der nachfolgend beschriebenen Schritte S21, S22 und S23 im Weiteren verifiziert wird.
Die Schritte S21, S22 und S23 können zeitlich vor oder zeitlich nach den Schritten S11 und S12 ausgeführt werden. Die Schritte S21, S22 und S23 können ebenso, wie dies 1 zeigt, parallel zu den Schritten S11 und S12 ausgeführt werden.
In Schritt S21 erfolgt das Durchführen eines ersten Mengenabweichungstests, durch den ein erster Luftzahlverhältniswert w₁ ermittelt wird. Der Luftzahlverhältniswert w₁ wird durch den Quotienten aus dem während des ersten Mengenabweichungstests gemessenen Lambdawert λ_{real, 1} und dem gewünschten Lambdawert λ_{soll, 1} (d.h. dem Soll-Lambdawert) der Kraftstoffverbrennung in den Brennkammern des Verbrennungsmotors gebildet. Im ersten Mengenabweichungstest erfolgt eine Laststeuerung des Verbrennungsmotors mittels einer variablen Einlassventilhubsteuerung (VVT).
In Schritt S22 wird ein zweiter Mengenabweichungstest durchgeführt, durch den ein zweiter Luftzahlverhältniswert w₂ ermittelt wird. Der zweite Luftzahlverhältniswert w₂ wird durch den Quotienten aus dem während des zweiten Mengenabweichungstest gemessenen Lambdawerts λ_{real, 2} und dem gewünschten Lambdawert λ_{soll, 2} (d.h. einem Soll-Lambdawert) der Kraftstoffverbrennung in den Brennkammern des Verbrennungsmotors gebildet. Im zweiten Mengenabweichungstest erfolgt die Laststeuerung des Verbrennungsmotors mittels der Drosselklappe im Einlasstrakt des Verbrennungsmotors.
In Schritt S23 erfolgt ein Vergleich der zuvor ermittelten ersten und zweiten Luftzahlverhältniswerte w₁ und w₂. Anhand des Vergleichsergebnisses VE (d.h. w₁ < w₂ oder w₁ = w₂ oder w₁ > w₂) kann auf das Vorliegen eines Fehlers, insbesondere auf das Vorliegen einer Verkokung, im Einlasstrakt des Verbrennungsmotors geschlossen werden. Das Vergleichsergebnis VE wird in Schritt S30 weiter verarbeitet.
Der erste und der zweite Mengenabweichungstest werden nacheinander im Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors durchgeführt.
Der in Schritt S21 durchgeführte erste Mengenabweichungstest wird bei kleinem oder minimalem Hub des Einlassventils durchgeführt, wobei die Drosselklappe, die im Einlasstrakt des Verbrennungsmotors angeordnet ist, geöffnet ist. Mit anderen Worten wird der erste Mengenabweichungstest in der herkömmlichen Betriebsart eines Verbrennungsmotors durchgeführt, welcher über eine variable Einlassventilhubsteuerung verfügt.
Demgegenüber wird der zweite Mengenabweichungstest in Schritt S22 bei maximalem Hub des Einlassventils (d.h. das Einlassventil ist maximal geöffnet) und weitgehend geschlossener Drosselklappe durchgeführt. Diese Betriebsart entspricht einem Notlaufbetrieb, bei dem bei Motoren mit außer Betrieb gesetzter variabler Einlassventilhubsteuerung die Laststeuerung mittels der Drosselklappe durchgeführt wird.
Abhängig davon, ob eine Verkokung vorliegt, ergeben sich charakteristische erste und zweite Luftzahlverhältniswerte w₁, w₂ (d.h. w₁ < w₂ oder w₁ = w₂ oder w₁ > w₂), wobei deren Verhältnis zueinander ein Indiz für das Vorliegen einer Verkokung ist.
Auf einen allgemeinen Fehler im Einlasstrakt kann geschlossen werden, wenn der erste Luftzahlverhältniswert w₁, der in Schritt S21 ermittelt wurde, und der zweite Luftzahlverhältniswert w₂, der im zweiten Schritt S22 ermittelt wurde, unterschiedlich (d.h. w₁ <> w₂) sind. Dies resultiert aus dem Umstand, dass die Luftzahlverhältniswerte w₁, w₂ dann den gleichen Wert aufweisen müssten, wenn die in Schritt S21 und S22 jeweils gemessenen Lambdawerte λ_{real, 1} und λ_{real, 2} bei unterschiedlicher Laststeuerung die gleiche Luftmenge in die Brennkammern einbringen, was sich in einem jeweils gleichen gemessenen Lambdawert niederschlagen müsste. Unterscheidet sich demgegenüber die in den Schritten S21 und S22 in die Brennkammern eingebrachte Luftmenge voneinander, so führt dies zu Unterschieden in den in den Schritten S21 und S22 gemessenen Lambdawerten λ_{real, 1}, Areal, ₂, während die gewünschten Lambdawerte λ_{soll, 1}, λ_soll,2 unverändert bleiben.
Eine Verkokung führt dazu, dass sich kohleähnliche Masse im Einlass, insbesondere im Einlasskanal und/oder am Einlassventil ablagert. Das allmähliche Anwachsen der Kohle führt insbesondere in Schritt S21, bei dem das Ventil nur minimal geöffnet ist, den ansonsten vorhandenen Luftströmungsquerschnitt überproportional stark verringert. Dadurch kann eine geringere Luftmenge in die Brennkammer einströmen, wodurch der gemessene Lambdawert λ_{real, 1} kleiner wird. Dies macht sich in einer Abnahme des ersten Luftzahlverhältniswerts w₁ bemerkbar. Ist somit der erste Luftzahlwert w₁ kleiner als der zweite Luftzahlverhältniswert w₂ (d.h. w₁ < w₂), so kann auf eine Verkokung geschlossen werden. Der Vergleich kann insbesondere gegenüber einem vorgegebenen Schwellwert, der zu 1 gewählt wird, erfolgen, da die jeweiligen Luftzahlkennwerte w₁, w₂ dem Wert 1 entsprechen, wenn kein Fehler vorliegt, da dann der gemessene und der gewünschte Lambdawert annähernd gleich groß sind.
Der umgekehrte Fall, in dem der erste Luftzahlverhältniswert w₁ größer als der vorgegebene Schwellwert sowie größer als der zweite Luftzahlverhältniswert w₂ ist (d.h. w₁ > w₂), lässt den Verdacht auf eine Leckage im Einlasstrakt zu, da hier aufgrund der Strömungsverhältnisse im zweiten Schritt S22, in dem der Verbrennungsmotor gedrosselt betrieben wird, weniger Luftmenge in die Brennkammer schafft.
Es ist insbesondere zweckmäßig, wenn die oben beschriebene Prüfung zylinderindividuell durchgeführt wird. Hierzu werden der erste Luftzahlverhältniswert w₁ und der zweite Luftzahlverhältniswert w₂ zylinderindividuell ermittelt, ebenso wie ein Vergleich zylinderindividuell bestimmt wird. Hierdurch ist es nicht nur möglich, eine grundsätzliche Aussage über das Vorliegen eines Fehlers bzw. einer Verkokung vorzunehmen, sondern sogar den den Fehler aufweisenden Zylinder zu bestimmen bzw. eine Fehlerintensität pro Zylinder auszuweisen.
Auf welche Weise in dem ersten Schritt S21 und dem zweiten Schritt S22 die gemessenen Lambdawerte λ_{real, 1} bzw. λ_{real, 2} sowie die gewünschten Lambdawerte λ_{soll, 1} bzw. λ_{soll, 2} ermittelt werden, ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Ein mögliches Vorgehen ist beispielsweise in der WO 2016/041742 A1 des Anmelders beschrieben.
Darüber hinaus sind dem Fachmann weitere Vorgehensweisen zur zylinderindividuellen Bestimmung eines gemessenen und eines gewünschten Lambdawerts bekannt, so dass in der vorliegenden Beschreibung auf eine detaillierte Beschreibung der Bestimmung verzichtet wird.
Wird in Schritt S30 festgestellt, dass der Korrekturwert KW größer als der Grenzwert GW ist (KW> GW) und gleichzeitig das Vergleichsergebnis VE zum Ergebnis hat, dass w₁ < w₂ ist, dann wird auf eine Verkokung geschlossen, da zwei voneinander unabhängige Methoden jeweils einen Hinweis auf eine Verkokung geben. In diesem Fall kann über das Motortestgerät eine Fehlermeldung ausgeben werden. In allen anderen Fällen kann eine Fehlermeldung unterdrückt und ggfs. eine Warnung ausgegeben werden.
Bezugszeichenliste

S11: Verfahrensschritt
S12: Verfahrensschritt
S21: Verfahrensschritt
S22: Verfahrensschritt
S23: Verfahrensschritt
S30: Verfahrensschritt
λ_{real, 1}: gemessener Lambdawert im ersten Mengenabweichungstest
λ_{real, 2}: gemessener Lambdawert im zweiten Mengenabweichungstest
λ_{soll, 1}: gewünschter (Soll-)Lambdawert im ersten Mengenabweichungstest
λ_{soll, 2}: gewünschter (Soll-)Lambdawert im zweiten Mengenabweichungstest
w₁: erster Luftzahlkennwert
w₂: zweiter Luftzahlkennwert
KW: Korrekturwert
VE: Vergleichsergebnis
GW: Grenzwert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012213241 A1 [0006]
WO 2016/041742 A1 [0056]

Claims

Verfahren zur Erkennung einer Verkokung im Einlasstrakt eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoffdirekteinspritzung, Drosselklappe und variabler Einlassventilhubsteuerung, mit den Schritten: - Ermitteln eines Korrekturwerts (KW), der von der Einlassventilhubsteuerung als Offsetwert mit einem voreingestellten Ventilhub verrechnet wird; - Durchführen eines ersten Mengenabweichungstests, durch den ein erster Luftzahlverhältniswert (w₁) ermittelt wird, der aus einem während des ersten Mengenabweichungstest gemessenen Lambdawert (λ_{real, 1}) und einem gewünschten Lambdawert (λ_{soll, 1}) der Kraftstoffverbrennung in den Brennkammern des Verbrennungsmotors gebildet wird, wobei im ersten Mengenabweichungstest eine Laststeuerung mittels der variablen Einlassventilhubsteuerung durchgeführt wird; - Durchführen eines zweiten Mengenabweichungstests, durch den ein zweiter Luftzahlverhältniswert (w₂) ermittelt wird, der aus einem während des zweiten Mengenabweichungstest gemessenen Lambdawert (λ_{real, 2}) und einem gewünschten Lambdawert (λ_{soll, 2}) der Kraftstoffverbrennung in den Brennkammern des Verbrennungsmotors gebildet wird, wobei im zweiten Mengenabweichungstest eine Laststeuerung mittels der Drosselklappe durchgeführt wird; - Bestimmen eines Vergleichsergebnisses (VE) aus dem ersten Luftzahlverhältniswert (w₁) und dem zweiten Luftzahlverhältniswert (w₂); - Bestimmen, ob eine Verkokung im Einlasstrakt des Verbrennungsmotors vorliegt, durch die kombinierte Auswertung des Vergleichsergebnisses (VE) und des Korrekturwertes (KW).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Korrekturwert (KW) aus einer Motorsteuerung ausgelesen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Korrekturwert (KW) ein zur Laufzeit des Verbrennungsmotors durch die Motorsteuerung ermittelter Wert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Korrekturwert (KW) ein zur Laufzeit des Verbrennungsmotors durch die Motorsteuerung adaptierter Wert ist, wobei eine Adaption aus einem theoretisch errechneten Luftmassenwert von in die Brennkammern des Verbrennungsmotors einströmender Luft und einem gemessenen Luftmassenwert erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Korrekturwert mit einem vordefinierten Grenzwert (GW) verglichen wird, wobei auf das Vorliegen eines Fehlers im Einlasstrakt geschlossen wird, wenn der Korrekturwert (KW) den vordefinierten Grenzwert (GW) überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem ein Fehlersignal, das eine Verkokung repräsentiert, ausgegeben wird, wenn zusätzlich der erste Luftzahlverhältniswert (w₁) und der zweite Luftzahlverhältniswert (w₂) unterschiedlich sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste und/oder der zweite Mengenabweichungstest im Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Mengenabweichungstest bei kleinem oder minimalem Hub des Einlassventils und geöffneter Drosselklappe durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der zweite Mengenabweichungstest bei maximalem Hub des Einlassventils und weitgehend geschlossener Drosselklappe durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Luftzahlverhältniswert (w₁) und der zweite Luftzahlverhältniswert (w₂) zylinderindividuell ermittelt werden, und das Vergleichsergebnis (VE) zylinderindividuell bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Luftzahlverhältniswert (w₁) durch den Quotienten aus dem während des ersten Mengenabweichungstest gemessenen Lambdawerts (λ_{real, 1}) und dem gewünschten Lambdawert (λ_{soll, 1}) gebildet wird und der zweite Luftzahlverhältniswert (w₂) durch den Quotienten aus dem während des zweiten Mengenabweichungstest gemessenen Lambdawerts (λ_{real, 2}) und dem gewünschten Lambdawert (λ_{soll, 2}) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem auf das Vorliegen einer Verkokung im Einlasstrakt geschlossen wird, wenn der erste Luftzahlverhältniswert (w₁) kleiner als ein vorgegebener erster Schwellwert und der zweite Luftzahlverhältniswert (w₂) größer als der vorgegebene erste Schwellwert ist.
Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Speicher eines digitalen Computers geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgeführt werden, wenn das Produkt auf einem Computer läuft
Motortesteinrichtung zur Erkennung von Fehlern im Einlasstrakt eines Verbrennungsmotors, die dazu ausgebildet ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen.