DE102018203699A1

DE102018203699A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine mit einer solchen Steuereinrichtung

Info

Publication number: DE102018203699A1
Application number: DE102018203699.3A
Authority: DE
Inventors: Florian Joos; Alexander Bernhard; Andreas Mehr
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2018-03-12
Filing date: 2018-03-12
Publication date: 2019-09-12
Also published as: WO2019174911A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit wenigstens einem Brennraum (3), wobei dem wenigstens einen Brennraum (3) über ein Gaseinblasventil (5) eine Brenngasmenge für eine Verbrennung in dem wenigstens einen Brennraum (3) zumessbar ist, wobei das Gaseinblasventil (5) mittels eines Ansteuersignals zur Zumessung der Brenngasmenge angesteuert wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Ansteuersignal abhängig von einer Betriebsdauer des Gaseinblasventils (5) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, eine Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines solchen Verfahrens, und eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Steuereinrichtung.
Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine der hier angesprochenen Art ist vorgesehen, dass wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine eine Brenngasmenge über ein Gaseinblasventil für eine Verbrennung in dem wenigstens ein Brennraum zugemessen wird. Das Gaseinblasventil wird dabei mittels eines Steuersignals zur Zumessung der Brenngasmenge angesteuert. Aufgrund von Verschleiß tendieren solche Gaseinblasventile mit zunehmender Betriebsdauer zu einem vergrößerten Durchflussquerschnitt, und daher zu einer erhöhten Gaseinblasmenge bei gleichbleibender Ansteuerung, insbesondere bei gleichbleibender Bestromungsdauer. Die Ansteuersignale für verschiedene Gaseinblasventile, die verschiedenen Brennräumen einer Brennkraftmaschine zugeordnet sind, werden typischerweise durch eine Steuereinrichtung erzeugt, die eingerichtet ist, um die Verbrennungsbedingungen in den verschiedenen Brennräumen einander insbesondere durch verschiedene Ansteuerung der verschiedenen Gaseinblasventile gleichzustellen. Dabei sind für die Ansteuersignale Grenzen, insbesondere Reglergrenzen, vorgesehen, welche durch die Ansteuersignale nicht über- oder unterschritten werden dürfen, wobei diese Grenzen und somit der Regelspielraum insbesondere abhängig ist von den verwendeten Gaseinblasventilen und deren Verhalten über ihre Betriebsdauer. Die Reglergrenzen werden dabei in herkömmlicher Weise in prozentualer Abhängigkeit von einem Mittelwert aus allen Bestromungsdauern für alle Gaseinblasventile bestimmt. Aufgrund des zuvor beschriebenen Alterungseffekts wandert dieser Mittelwert im Laufe der Betriebsdauer der Gaseinblasventile in Richtung kürzerer Bestromungsdauern, wobei zugleich auch - prozentual abhängig hiervon - die Reglergrenzen mit wandern. Wird nun ein gealtertes Gaseinblasventil gegen ein neuwertiges ausgetauscht, weist dieses neuwertige Gaseinblasventil wiederum einen kleineren Durchflussquerschnitt auf, sodass es eigentlich mit einer längeren Bestromungsdauer angesteuert werden müsste. Da sich die Reglergrenzen aber nach wie vor prozentual abhängig von dem Mittelwert aller Gaseinblasventil-Bestromungsdauern berechnen, ist es leicht möglich, dass die eigentlich notwendige Bestromungsdauer für das neuwertige Gaseinblasventil an der oberen Reglergrenze ansteht oder sogar jenseits dieser oberen Reglergrenze angeordnet ist, sodass das neuwertige Gaseinblasventil durch die Steuereinrichtung nicht sinnvoll angesteuert werden kann. Ein zuverlässiger, zündaussetzerfreier Betrieb der Brennkraftmaschine ist dann nicht oder nur unter erschwerten Bedingungen möglich. Alternativ müssen alle Gaseinblasventile zugleich getauscht werden, was teuer und aufwendig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, eine Steuereinrichtung für eine solche Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist zur Durchführung eines solchen Verfahrens, und eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Steuereinrichtung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren der beschriebenen Art derart weitergebildet wird, dass das Ansteuersignal abhängig von einer Betriebsdauer des Gaseinblasventils bestimmt wird. Es wird also bei der Bestimmung des Ansteuersignals explizit eine Betriebsdauer des Gaseinblasventils berücksichtigt, wodurch es möglich wird, unabhängig von dem Alterungszustand anderer Gaseinblasventile für jedes Gaseinblasventil der Brennkraftmaschine zu jedem Betriebszeitpunkt ein sinnvolles Ansteuersignal zu generieren. Somit ist es insbesondere möglich, beim Austausch eines gealterten Gaseinblasventils gegen ein neues Gaseinblasventil dessen Neuzustand explizit bei der Bestimmung des Ansteuersignals zu berücksichtigen, sodass dieses Gaseinblasventil - unabhängig von der Betriebsdauer der übrigen Gaseinblasventile - sinnvoll und korrekt angesteuert werden kann.
Vorzugsweise werden die Reglergrenzen für das Gaseinblasventil individuell, und nicht abhängig vom Mittelwert aller Gaseinblasventile, bestimmt. Insbesondere werden die Reglergrenzen also für jedes Gaseinblasventil der Brennkraftmaschine individuell und besonders bevorzugt abhängig von dessen Betriebsdauer bestimmt. Es ist möglich, dass die Reglergrenzen prozentual abhängig von dem Ansteuersignal, insbesondere der Bestromungsdauer, für das jeweilige Gaseinblasventil bestimmt werden.
Hierdurch können die Reglergrenzen insbesondere enger um die eigentliche Bestromungsdauer herum gewählt werden, als dies bei der herkömmlichen Ansteuerung der Fall ist. Es müssen nämlich keine erweiterten Reglergrenzen für eventuelle Abweichungen im Alterungsverhalten der verschiedenen Gaseinblasventile berücksichtigt werden. Somit wird die Sicherheit des Betriebs der Brennkraftmaschine erhöht.
Im Rahmen des Verfahrens wird insbesondere eine Brennkraftmaschine betrieben, die als Gasmotor ausgebildet ist, wobei die Brennkraftmaschine insbesondere eingerichtet ist zum Betrieb mit einem methanhaltigen, propanhaltigen und/oder butanhaltigen Brenngas. Unter einem Brenngas wird insbesondere ein brennbarer Stoff oder ein brennbares Stoffgemisch verstanden, welcher/welches unter Normalbedingungen, d.h. bei 1013 mbar und 25 °C, gasförmig ist. Dabei kann es sich beispielsweise um Erdgas, verflüssigtes Erdgas (Liquefied Natural Gas - LNG), komprimiertes Erdgas (Compressed Natural Gas - CNG), Deponiegas, Kokereigas, Biogas, Schwachgas, ein Sondergas, oder andere geeignete Gase handeln.
Die Brennkraftmaschine weist bevorzugt eine Mehrzahl von Brennräumen auf, wobei vorzugsweise einzelnen Brennräumen oder einzelnen Brennraumgruppen, beispielsweise Zylinderbänken, jeweils ein Gaseinblasventil zugeordnet ist. Das Gaseinblasventil kann insbesondere eingerichtet und angeordnet sein zur Mehrpunkteindüsung (Multi Point Injection - MPI), zur Einzelpunkteindüsung (Single Point Injection - SPI), oder auch zur Direkteindüsung (Direct Injection - DI) von Brenngas in den dem Gaseinblasventil zugeordneten Brennraum.
Unter einer Betriebsdauer des Gaseinblasventils wird hier insbesondere eine Lebensdauer, das heißt insbesondere eine kumulierte Gesamt-Betriebszeit, des Gaseinblasventils von einer ersten Inbetriebnahme ausgehend bis zu einem momentanen Zeitpunkt, zu dem das Ansteuersignal abhängig von der Betriebsdauer des Gaseinblasventils bestimmt wird, verstanden. Die Betriebsdauer kann als Zeitdauer, aber alternativ oder zusätzlich auch als Gesamt-Anzahl von Schaltzyklen oder in anderer geeigneter Weise erfasst und/oder angegeben werden. Die Betriebsdauer stellt somit insbesondere einen Wert dar, der charakteristisch ist für eine Alterung und/oder für einen Verschleiß des Gaseinblasventils.
Weist die Brennkraftmaschine eine Mehrzahl von Gaseinblasventilen auf, wird vorzugsweise für jedes Gaseinblasventil ein separates Ansteuersignal abhängig von der jeweiligen Betriebsdauer des jeweiligen Gaseinblasventils bestimmt. Auf diese Weise können die Gaseinblasventile unabhängig voneinander in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen Betriebsdauer angesteuert werden.
Unter einem Ansteuersignal zur Ansteuerung des Gaseinblasventils wird insbesondere ein elektrisches Signal verstanden, welches geeignet ist, das Gaseinblasventil zeitweise zu öffnen. Insbesondere wird unter dem Ansteuersignal eine Bestromungsdauer für das Gaseinblasventil verstanden. Das Gaseinblasventil wird dabei bevorzugt durch ein pulsförmiges elektrisches Signal angesteuert, welches zum Öffnen des Gaseinblasventils für die vorgegebene Bestromungsdauer einen bestimmten Hubwert annimmt, beispielsweise eine Hubspannung und/oder einen Hubstrom, wobei es einen Neutralwert annimmt, wenn das Gaseinblasventil geschlossen werden oder geschlossen gehalten werden soll.
Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt die Betriebsdauer des Gaseinblasventils, insbesondere die Betriebsdauer jedes Gaseinblasventils der Brennkraftmaschine separat, erfasst, sodass das Ansteuersignal in Abhängigkeit von der tatsächlichen Betriebsdauer des jeweiligen Gaseinblasventils bestimmt werden kann.
Dass das Ansteuersignal in Abhängigkeit von der Betriebsdauer des Gaseinblasventils bestimmt wird, bedeutet insbesondere, dass das Ansteuersignal in Abhängigkeit von der Betriebsdauer vorgegeben wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ansteuersignal abhängig von einem Alterungsparameter ermittelt wird, wobei der Alterungsparameter abhängig von der Betriebsdauer des Gaseinblasventils bestimmt wird. Insbesondere wird das Ansteuersignal bevorzugt abhängig von dem Alterungsparameter berechnet, der Alterungsparameter geht also direkt in die Berechnung des Ansteuersignals ein. Dass der Alterungsparameter abhängig von der Betriebsdauer des Gaseinblasventils bestimmt wird, bedeutet insbesondere, dass der Alterungsparameter abhängig von der Betriebsdauer des Gaseinblasventils berechnet oder vorgegeben, insbesondere aus einem Kennfeld ausgelesen wird. Auf diese Weise kann die Betriebsdauer des Gaseinblasventils - insbesondere vermittelt über den Alterungsparameter - direkt in die Ermittlung oder Berechnung des Ansteuersignals eingehen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ansteuersignal zusätzlich abhängig von einem über dem Gaseinblasventil abfallenden Differenzdruck ermittelt wird. Die in den Brennraum eingebrachte Brenngasmasse hängt nicht nur von dem Ansteuersignal, d.h. insbesondere von der Bestromungsdauer, sondern auch von dem über dem Gaseinblasventil abfallenden Differenzdruck ab, der maßgeblich das Durchflussverhalten des Gaseinblasventils bestimmt. Soll dem Brennraum eine bestimmte Brenngasmenge zugeführt werden, muss daher bei der Ermittlung des Ansteuersignals auch der Differenzdruck betrachtet werden. Das Ansteuersignal wird weiter bevorzugt abhängig von einer dem Brennraum zuzuführenden Soll-Brenngasmenge sowie wenigstens einem Ventilparameter des Gaseinblasventils ermittelt. Der wenigstens eine Ventilparameter bildet bevorzugt eine Charakteristik des Gaseinblasventils ab, insbesondere bezüglich dessen Öffnungs- und Schließverhaltens und/oder des Durchflussquerschnitts. Eine zeitliche Veränderung des Durchflussquerschnitts ist aber bevorzugt auch durch die Berücksichtigung der Betriebsdauer, insbesondere durch den Alterungsparameter, erfasst oder abgebildet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist - wie bereits ausgeführt - vorgesehen, dass als Ansteuersignal eine Bestromungsdauer für das Gaseinblasventil verwendet wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für eine Mehrzahl von Gaseinblasventilen der Brennkraftmaschine jeweils ein Ansteuersignal abhängig von der jeweiligen Betriebsdauer des jeweiligen Gaseinblasventils bestimmt wird. Bevorzugt wird dabei für jedes Gaseinblasventil ein separater Alterungsparameter bestimmt. So ist es möglich, den individuellen Alterungszustand der Gaseinblasventile zu berücksichtigen. Dabei kann insbesondere auch in einfacher und sicherer Weise berücksichtigt werden, wenn ein gealtertes Gaseinblasventil gegen ein neuwertiges ausgetauscht wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Alterungsparameter ein Alterungsfaktor verwendet wird, der mit einem Gasmengenvorgabesignal - multiplikativ - verrechnet wird. Durch die Verrechnung des Alterungsfaktors mit dem Gasmengenvorgabesignal wird bevorzugt das Ansteuersignal erhalten. Dies stellt eine sehr einfache und bezüglich der Implementierung und Rechenzeit günstige Ausgestaltung des Verfahrens dar. Das Gasmengenvorgabesignal wird bevorzugt in Abhängigkeit von einem momentanen Last- oder Betriebspunkt der Brennkraftmaschine vorgegeben. Dabei berücksichtigt das Gasmengenvorgabesignal bevorzugt insbesondere die einem dem Gaseinblasventil zugeordneten Brennraum der Brennkraftmaschine zuzuführende Soll-Brenngasmenge, das Durchflussverhalten des Gaseinblasventils - insbesondere im nicht gealterten Zustand -, und das Öffnungs- und Schließverhalten des Gaseinblasventils - insbesondere im nicht gealterten Zustand -, wobei der Alterungsfaktor die alterungsabhängige Veränderung der Ventilcharakteristik, insbesondere des Durchflusses und/oder des Öffnungs- und Schließverhaltens des Gaseinblasventils berücksichtigt. Die zeitabhängige Veränderung des Verhaltens des Gaseinblasventils geht also in den Alterungsfaktor ein, der abhängig von der Betriebsdauer des Gaseinblasventils festgelegt wird.
Insbesondere wird das Ansteuersignal - hier in Form einer Bestromungsdauer t_b bevorzugt nach folgender Gleichung berechnet: $m_{G} = (t_{b} - t_{o}) \dot{m} * + \frac{t_{o}}{2} \dot{m} * + \frac{t_{c}}{2} \dot{m} *,$
mit $\dot{m} * = {\dot{m}}_{N} \cdot k,$
wobei m_G die dem Brennraum zugeführte Brenngasmenge, und ṁ_N der Massenstrom oder Massendurchfluss durch das vollständig geöffnete Gaseinblasventil in dessen Neuzustand ist, der insbesondere von der Ventilcharakteristik des konkreten Gaseinblasventils sowie dem über dem Gaseinblasventil abfallenden Differenzdruck abhängt, wobei t_o die Öffnungszeit und t_c die Schließzeit des Gaseinblasventils sind. Dabei wird implizit angenommen, dass der Massenstrom ṁ_N während der Öffnungszeit t_o linear von null auf seinen Maximalwert bei maximal geöffnetem Gaseinblasventil zu- und während der Schließzeit t_c linear von dem maximalen Massenstrom auf null abnimmt, k ist der Alterungsfaktor, der als Alterungsparameter verwendet wird und die betriebsdauerabhängige Veränderung der Ventilcharakteristik des Gaseinblasventils berücksichtigt. Dabei können in dem Alterungsfaktor k vorteilhaft auch Veränderungen berücksichtigt werden, die sich bezüglich des Schaltverhaltens des Gaseinblasventils ergeben, insbesondere Änderungen der Öffnungszeit und der Schließzeit, wobei dann in Gleichung (1) die Konstanten t_o und t_c die entsprechenden Werte im Neuzustand des Gaseinblasventils repräsentieren. Insbesondere berücksichtigt der Alterungsfaktor k bevorzugt die gesamte alterungsabhängige Veränderung der Ventilcharakteristik.
Die Gleichung (1) kann ohne weiteres nach der Bestromungsdauer t_b aufgelöst werden: $t_{b} = \frac{m_{G}}{{\dot{m}}_{N} \cdot k} + \frac{t_{o}}{2} - \frac{t_{c}}{2} .$
Abhängig von einem momentanen Last- oder Betriebspunkt der Brennkraftmaschine wird dann die dem Brennraum zuzuführende Brenngasmasse m_G bestimmt, wobei die Bestromungsdauer t_b dann gemäß Gleichung (3) abhängig von den die Ventilcharakteristik im Neuzustand beschreibenden Ventilparametern ṁ_N, t_o und t_c sowie dem Alterungsfaktor k berechnet wird.
Vorteilhaft an dieser Art der Berechnung ist insbesondere auch, dass die Bestromungsdauer t_b zu allen Zeiten durch die Steuereinrichtung unabhängig von der momentanen Betriebsdauer des Gaseinblasventils berechnet werden kann, was diese Berechnung vereinfacht. Der Effekt der Alterung des Gaseinblasventils wird in insbesondere mathematisch sehr einfacher Weise ausschließlich durch den Alterungsfaktor k berücksichtigt, der für das konkrete Gaseinblasventil abhängig von dessen Betriebsdauer bestimmt wird. Dabei wird die Betriebsdauer für jedes Gaseinblasventil separat erfasst, und der Alterungsfaktor k wird bevorzugt separat für jedes Gaseinblasventil in Abhängigkeit von dessen Betriebsdauer festgelegt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Alterungsparameter nach einem Austausch eines Gaseinblasventils für das neue Gaseinblasventil neu initialisiert wird. Auf diese Weise kann einfach, sicher und kostengünstig der Austausch eines einzelnen Gaseinblasventils in dessen Ansteuerung berücksichtigt werden. Bevorzugt wird der Alterungsparameter für das ausgetauschte Gaseinblasventil - soweit dieses neuwertig ist - auf einen Startwert gesetzt, insbesondere gemäß Gleichung (1) zu eins gewählt.
Insbesondere bei der Verwendung von Gleichung (1) kann der Alterungsfaktor k für ein neuwertiges Gaseinblasventil zu eins gewählt werden, wobei der Alterungsfaktor mit zunehmender Betriebsdauer des Gaseinblasventils zunimmt, sodass die effektive Bestromungsdauer, mit der das Gaseinblasventil angesteuert wird, mit dessen Alterung - aufgrund des altersbedingt vergrößerten Durchflussquerschnitt - gemäß den Gleichungen (1) und (3) abnimmt.
Es ist alternativ auch möglich, dass der Alterungsparameter nach dem Austausch des Gaseinblasventils auf einen der konkreten Alterung oder der konkreten Betriebsdauer des ausgetauschten Gaseinblasventils entsprechenden Zeitwert gesetzt wird. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn statt eines neuwertigen Gaseinblasventils ein bereits gebrauchtes Gaseinblasventil verwendet wird, welches beispielsweise anstelle eines defekten oder noch älteren Gaseinblasventils vorgesehen wird. Der Zeitwert des Alterungsfaktors kann insbesondere gemäß Gleichung (1) größer als eins sein.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Alterungsparameter für das Gaseinblasventil in Abhängigkeit von der Betriebsdauer desselben auf folgende Weise ermittelt wird: Es wird eine erste Ventilcharakteristik für ein neuwertiges Gaseinblasventil gemessen. Als Ventilcharakteristik wird dabei insbesondere ein Durchfluss durch das Gaseinblasventil in Abhängigkeit von einem über dem Gaseinblasventil abhängigen Differenzdruck gemessen. Das Gaseinblasventil wird für wenigstens eine vorbestimmte Zeitdauer, insbesondere für eine sukzessive Folge von vorbestimmten Zeitdauern, betrieben, und es wird jeweils eine weitere Ventilcharakteristik nach jeder Zeitdauer der wenigstens einen vorbestimmten Zeitdauer gemessen. Auf diese Weise wird insbesondere eine Veränderung der Ventilcharakteristik in Abhängigkeit von der Betriebsdauer des Gaseinblasventils bestimmt. Die erste Ventilcharakteristik wird mit der mindestens einen weiteren Ventilcharakteristik - insbesondere nach jeder Zeitdauer der wenigstens einen vorbestimmten Zeitdauer - verglichen, und es wird ein Alterungsparameter in Abhängigkeit von einer Summe der vorbestimmten Zeitdauern, die bis zu der Messung der momentan betrachteten, weiteren Ventilcharakteristik verstrichen sind, aus dem Vergleich abgeleitet.
Dem Alterungsparameter wird eine Betriebsdauer zugeordnet, welche gleich der Summe der bis zu seiner Bestimmung vergangenen, vorbestimmten Zeitdauern ist, und der Alterungsparameter wird in Abhängigkeit von dieser Betriebsdauer - vorzugsweise in einem Kennfeld - hinterlegt.
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zur Bestimmung eines Alterungsparameters für das Gaseinblasventil in Abhängigkeit von dessen Betriebsdauer, bei welchem der Alterungsparameter für das Gaseinblasventil auf die zuvor beschriebene Weise ermittelt wird. Dieses Verfahren kann unabhängig von einem weiteren Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere vor einem Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine, zur Ermittlung des Alterungsparameters durchgeführt werden. Für den Betrieb der Brennkraftmaschine stehen dann zuvor ermittelte Alterungsparameter in Abhängigkeit von der Betriebsdauer des Gaseinblasventils zur Verfügung.
Während des Betriebs der Brennkraftmaschine kann nun die Betriebsdauer des Gaseinblasventils erfasst und jeweils der hinterlegte Alterungsparameter in Abhängigkeit von der momentanen Betriebsdauer ausgelesen und zur Bestimmung des Ansteuersignals verwendet werden.
Vorzugsweise wird der Alterungsparameter zusätzlich abhängig von einem über dem Gaseinblasventil abfallenden Differenzdruck hinterlegt und entsprechend auch abhängig von einem momentan über dem Gaseinblasventil abfallenden Differenzdruck ausgelesen.
Zusätzlich oder alternativ wird bevorzugt jede Messung der Ventilcharakteristik bei wenigstens zwei verschiedenen Bestromungsdauern, besonders bevorzugt bei wenigstens drei verschiedenen Bestromungsdauern, durchgeführt. Der Alterungsparameter kann zusätzlich auch abhängig von der momentanen Bestromungsdauer erfasst und insbesondere hinterlegt werden.
Es ist möglich, dass im Betrieb der Brennkraftmaschine ein interpolierter Wert des Alterungsparameters verwendet wird, wobei quasi eine Alterungskurve in Anhängigkeit von der Betriebsdauer des Gaseinblasventils durch Interpolation zwischen diskreten Betriebsdauer-Werten bestimmt werden kann.
Das vermessene Gaseinblasventil wird bevorzugt auf einem Dauerlaufkomponentenprüfstand und/oder in einem Versuchsmotor gealtert. Vermessungen der Ventilcharakteristik können beispielsweise nach 100 Betriebsstunden, nach 500 Betriebsstunden, nach 1000 Betriebsstunden, nach 1500 Betriebsstunden, nach 5000 Betriebsstunden und nach 10.000 Betriebsstunden erfolgen. Selbstverständlich sind andere sowie zusätzliche Werte für die Betriebsdauer möglich.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die eingerichtet ist zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit der Steuereinrichtung insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden.
Vorzugsweise sind in der Steuereinrichtung alle Gaseinblasventile der Brennkraftmaschine eindeutig registriert, insbesondere über eine Seriennummer oder dergleichen. Vorzugsweise sind dabei die Gaseinblasventile eindeutig bestimmten Brennräumen, insbesondere bestimmten Brennraumpositionen, zugeordnet. Die Betriebsdauer, die in Form einer absoluten Zeit oder in Form von Schaltzyklen der Gaseinblasventile erfasst werden kann, wird für jedes Gaseinblasventil während des Betriebs der Bankermaschine durch die Steuereinrichtung erfasst, wobei das Ansteuersignal für jedes Gaseinblasventil durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit der für das jeweilige Gaseinblasventil erfassten Betriebsdauer bestimmt wird. Insbesondere wird dabei durch die Steuereinrichtung der Alterungsparameter, bevorzugt der Alterungsfaktor, ermittelt.
Wird ein Gaseinblasventil ausgetauscht, wird bevorzugt in der Steuereinrichtung die Referenz auf das ausgebaute Gaseinblasventil - insbesondere dessen Seriennummer - gelöscht, und stattdessen für dieses Gaseinblasventil, insbesondere für die bestimmte Brennraumposition des Gaseinblasventils, eine neue Referenz auf das neue Gaseinblasventil, insbesondere dessen Seriennummer, eingetragen. Die Betriebsdauer für das neue Gaseinblasventil wird dann bevorzugt auf einen Startwert, insbesondere null, oder auf einen Zeitwert - falls ein nicht neuwertiges Gaseinblasventil eingebaut wird, gesetzt. Somit wird auch der Alterungsparameter und insbesondere der Alterungsfaktor neu berechnet, insbesondere bevorzugt bei einem neuwertigen Gaseinblasventil zu eins bestimmt. Die Bestimmung der Alterungsparameter der anderen Gaseinblasventile bleibt davon unberührt.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung oder eine Steuereinrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren und in Zusammenhang mit der Steuereinrichtung beschrieben wurden.
Die Brennkraftmaschine weist vorzugsweise eine Mehrzahl von Brennräumen auf. Insbesondere kann die Brennkraftmaschine vier, sechs, acht, zehn, zwölf, vierzehn, sechzehn, achtzehn oder zwanzig Brennräume aufweisen. Auch andere oder größere oder kleinere Anzahlen von Brennräumen sind möglich.
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, oder als Zweistoff-Motor, insbesondere als Dual-Fuel-Motor oder Bi-Fuel-Motor, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
Die Beschreibung des Verfahrens einerseits sowie der Steuereinrichtung und der Brennkraftmaschine andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Steuereinrichtung und der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Steuereinrichtung oder der Brennkraftmaschine. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Steuereinrichtung und/oder der Brennkraftmaschine beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine oder der Steuereinrichtung bedingt ist. Die Brennkraftmaschine und/oder die Steuereinrichtung zeichnet/zeichnen sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine, und
2 eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1, die wenigstens einen Brennraum 3, hier beispielhaft vier Brennräume 3, aufweist. Jedem der Brennräume 3 ist hier ein separates Gaseinblasventil 5 zugeordnet, wobei die Gaseinblasventile 5 eingerichtet sind, um den ihnen jeweils zugeordneten Brennräumen 3 jeweils eine Brenngasmenge für eine Verbrennung in dem jeweiligen Brennraum 3 zuzumessen. Die Gaseinblasventile 5 sind hier so angeordnet, dass sie jeweils in einen Teil eines Ladepfads 7 einmünden, der einem der Brennräume 3 jeweils separat zugeordnet ist. Der Ladepfad 7 ist eingerichtet, um den Brennräumen 3 Frischluft zuzuführen. Die Gaseinblasventile 5 sind hier demnach insbesondere eingerichtet, um eine Mehrpunkteindüsung (Multi Point Injection - MPI) zu verwirklichen. Es ist aber auch möglich, dass den Brennräumen 3, oder einer Untergruppe von Brennräumen, ein Gaseinblasventil 3 gemeinsam zugeordnet ist, sodass insoweit eine Einzelpunkteindüsung (Single Point Injection - SPI) verwirklicht wird. Es ist insbesondere auch möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 ein einziges Gaseinblasventil 5 aufweist. Es ist aber auch möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 verschiedene Brennraumgruppen von Brennräumen 3 aufweist, beispielsweise zwei oder mehr Zylinderbänke, wobei jeder Brennraumgruppe ein separates Gaseinblasventil 5 zugeordnet ist. Es ist auch möglich, dass die Gaseinblasventile 5 den Brennräumen 3 unmittelbar zur Direkteinbringung von Brenngas in die Brennräume 3 zugeordnet sind, wobei dann insoweit eine Direkteindüsung von Brenngas verwirklicht wird (Direct Injection - DI).
Die Brennkraftmaschine 1 weist außerdem eine Steuereinrichtung 9 auf, die insbesondere eingerichtet ist zur Ansteuerung der Gaseinblasventile 5, insbesondere um diese von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand und zurück zu schalten, um den Brennräumen 3 Brenngas zuzumessen. Hierzu ist die Steuereinrichtung 9 mit den Gaseinblasventilen 5 wirkverbunden.
Es ist möglich, dass die Steuereinrichtung 9 eigens und insbesondere separat zur Ansteuerung der Gaseinblasventile 5 vorgesehen ist. Es ist aber auch möglich, dass die Steuereinrichtung 9 zur Ansteuerung der Brennkraftmaschine 1 insgesamt vorgesehen ist. Insbesondere ist es möglich, dass es sich bei der Steuereinrichtung 9 um ein zentrales Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine 1 (Engine Control Unit - ECU) handelt.
Die Steuereinrichtung 9 ist insbesondere eingerichtet, um für jedes Gaseinblasventil 5 ein Ansteuersignal zur Zumessung der Brenngasmenge für den jeweils dem Gaseinblasventil 5 zugeordneten Brennraum 3 zu erzeugen. Die Steuereinrichtung 9 ist eingerichtet, um das Ansteuersignal in Abhängigkeit von einer Betriebsdauer des jeweiligen Gaseinblasventils 5 zu bestimmen, insbesondere vorzugeben. Auf diese Weise kann eine Alterung der einzelnen Gaseinblasventile 5 individuell für jedes Gaseinblasventil 5 kompensiert werden, wobei es ohne weiteres möglich ist, beispielsweise ein defektes Gaseinblasventil 5 durch ein neuwertiges zu ersetzen, ohne dass sich hieraus Nachteile für die Ansteuerung der Brennkraftmaschine 1 ergeben. Vielmehr kann die Betriebsdauer für das ausgetauschte Gaseinblasventil 5 neu initialisiert, insbesondere auf einen Startwert oder auf einen Zeitwert für das neue Gaseinblasventil 5 gesetzt werden, welches dann insoweit unabhängig und separat von den anderen Gaseinblasventilen 5 mit eigenem, passendem Ansteuersignal angesteuert werden kann. Dies ermöglicht wiederum eine engere Wahl von Reglergrenzen für die Ansteuerung der Gaseinblasventile 5 und insgesamt einen sichereren Betrieb der Brennkraftmaschine 1.
Die Steuereinrichtung 9 ist insbesondere auch eingerichtet, um die Betriebsdauer der einzelnen Gaseinblasventile 5 separat zu erfassen.
Das Ansteuersignal wird insbesondere abhängig von einem Alterungsparameter ermittelt, insbesondere berechnet, wobei der Alterungsparameter bevorzugt abhängig von der Betriebsdauer des jeweiligen Gaseinblasventils 5 bestimmt, insbesondere berechnet oder vorgegeben, vorzugsweise aus einem Kennfeld ausgelesen wird.
Vorzugsweise wird das Ansteuersignal zusätzlich abhängig von einem über dem jeweiligen Gaseinblasventil 5 abfallenden Differenzdruck ermittelt. Hierzu ist die Steuereinrichtung 9 bevorzugt zur Erfassung des entsprechenden Differenzdrucks eingerichtet und insbesondere mit hierzu geeignet angeordneten und eingerichteten Druckmesseinrichtungen, insbesondere Drucksensoren, wirkverbunden. Weiterhin wird das Ansteuersignal bevorzugt abhängig von einer dem jeweiligen Brennraum 3 zuzuführenden Soll-Brenngasmenge, sowie wenigstens einem Ventilparameter des jeweiligen Gaseinblasventils 5, insbesondere einem Durchflussquerschnitt und/oder einem Öffnungsverhalten und/oder einem Schließverhalten, insbesondere einer Öffnungs- und/oder Schließzeit, bestimmt.
Als Ansteuersignal wird insbesondere eine Bestromungsdauer für das jeweilige Gaseinblasventil 5 bestimmt.
Insbesondere wird für jedes Gaseinblasventil 5 ein separater Alterungsparameter bestimmt.
Als Alterungsparameter wird insbesondere ein Alterungsfaktor verwendet, der mit einem Gasmengenvorgabesignal verrechnet wird. Wird ein Gaseinblasventil 5 ausgetauscht, wird der Alterungsparameter bevorzugt für das neue Gaseinblasventil 5 neu initialisiert, wobei er insbesondere auf einen Startwert oder auf einen Zeitwert für das neue Gaseinblasventil 5 gesetzt wird.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1 in Form eines Diagramms, wobei hier ein Massenstrom oder Massendurchfluss m des Brenngases durch ein Gaseinblasventil 5 in dessen Neuzustand gegen die Zeit t aufgetragen ist.
Dabei beginnt eine Ansteuerung, insbesondere eine Bestromung des Gaseinblasventils 5 bei einem ersten Zeitpunkt t₁ . Aufgrund seiner Trägheit öffnet das Gaseinblasventil 5 nicht instantan sondern nach Beginn der Bestromung verzögert, wobei der Durchflussquerschnitt vorzugsweise linear zunimmt, sodass auch der Massenstrom m während einer Öffnungszeit t_o bis zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ - hier linear - zunimmt, bis das Gaseinblasventil 5 zu dem zweiten Zeitpunkt t₂ vollständig geöffnet ist und insoweit seinen maximalen Durchflussquerschnitt aufweist. Die Öffnungszeit t_o ergibt sich aus der Differenz zwischen dem zweiten Zeitpunkt t₂ und dem ersten Zeitpunkt t₁ .
Die Bestromung des Gaseinblasventils 5 endet zu einem dritten Zeitpunkt t₃ , sodass sich die Bestromungsdauer t_b ergibt als Differenz zwischen dem dritten Zeitpunkt t₃ und dem ersten Zeitpunkt t₁ . Zwischen dem zweiten Zeitpunkt t₂ und dem dritten Zeitpunkt t₃ weist der Massenstrom m seinen maximalen, konstanten Wert ṁ_N auf.
Wiederum aufgrund des trägen Verhaltens des Gaseinblasventils 5 schließt dieses nach Ende der Bestromung nicht instantan, sondern verzögert, vorzugsweise linear, wobei auch der Massendurchfluss m über eine Schließzeit t_c des Gaseinblasventils 5 - hier linear - abnimmt, bis das Gaseinblasventil 5 zu einem vierten Zeitpunkt t₄ vollständig geschlossen ist. Die Schließzeit t_c ergibt sich dabei als Differenz zwischen dem vierten Zeitpunkt t₄ und dem dritten Zeitpunkt t₃ .
Als Ansteuersignal wird insbesondere die Bestromungsdauer t_b berechnet. Da der Durchflussquerschnitt des Gaseinblasventils 5 im Laufe von dessen Betriebsdauer verschleißbedingt zunimmt, bedarf es einer alterungsbedingten, betriebsdauerabhängigen Verkürzung der Bestromungsdauer t_b , um dem Brennraum 3 eine gegebene Brenngasmenge zumessen zu können. Dies wird bei der hier vorgeschlagenen Vorgehensweise durch explizite Berücksichtigung der Betriebsdauer und insbesondere durch den Alterungsparameter, ganz besonders den Alterungsfaktor, berücksichtigt. Hierzu werden besonders bevorzugt die oben angegebenen Gleichungen (1) und (3) verwendet.
Der Alterungsparameter für ein Gaseinblasventil 5 wird bevorzugt in Abhängigkeit von dessen Betriebsdauer ermittelt, indem folgende Schritte durchgeführt werden: Es wird eine erste Ventilcharakteristik für ein neuwertiges Gaseinblasventil 5 gemessen. Das Gaseinblasventil 5 wird für wenigstens eine vorbestimmte Zeitdauer - insbesondere für eine Vielzahl vorbestimmter Zeitdauern infolge - betrieben. Es wird jeweils eine weitere Ventilcharakteristik nach jeder Zeitdauer der wenigstens einen vorbestimmten Zeitdauer gemessen, und die erste Ventilcharakteristik wird mit der mindestens einen weiteren Ventilcharakteristik nach jeder der wenigstens einen vorbestimmten Zeitdauern verglichen. Dabei wird ein Alterungsparameter aus dem Vergleich insbesondere in Abhängigkeit von der Summe der bisher vergangenen vorbestimmten Zeitdauern, d.h. der Betriebsdauer des Gaseinblasventils 5, abgeleitet.
Auf diese Weise ist es möglich, individuell für jedes Gaseinblasventil 5 dessen Betriebsdauer und damit Alterung zu berücksichtigen.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit wenigstens einem Brennraum (3), wobei dem wenigstens einen Brennraum (3) über ein Gaseinblasventil (5) eine Brenngasmenge für eine Verbrennung in dem wenigstens einen Brennraum (3) zumessbar ist, wobei das Gaseinblasventil (5) mittels eines Ansteuersignals zur Zumessung der Brenngasmenge angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuersignal abhängig von einer Betriebsdauer des Gaseinblasventils (5) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuersignal abhängig von einem Alterungsparameter ermittelt wird, wobei der Alterungsparameter abhängig von der Betriebsdauer des Gaseinblasventils (5) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuersignal zusätzlich abhängig von einem über dem Gaseinblasventil (5) abfallenden Differenzdruck ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ansteuersignal eine Bestromungsdauer (t_b) für das Gaseinblasventil (5) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Gaseinblasventilen (5) verwendet wird, wobei für jedes Gaseinblasventil (5) ein separates Ansteuersignal in Abhängigkeit von der Betriebsdauer des jeweiligen Gaseinblasventils (5) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Alterungsparameter ein Alterungsfaktor verwendet wird, der zur Bestimmung des Ansteuersignals mit einem Gasmengenvorgabesignal verrechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Alterungsparameter nach einem Austausch des Gaseinblasventils (5) für das ausgetauschte Gaseinblasventil (5) neu initialisiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Alterungsparameter für das Gaseinblasventil (5) in Abhängigkeit von der Betriebsdauer des Gaseinblasventils (5) durch folgende Schritte ermittelt wird: - Messen einer ersten Ventilcharakteristik für ein neuwertiges Gaseinblasventil; - Betreiben des Gaseinblasventils (5) für wenigstens eine vorbestimmte Zeitdauer; - Messen jeweils einer weiteren Ventilcharakteristik nach jeder Zeitdauer der wenigstens einen vorbestimmten Zeitdauer; - Vergleichen der ersten Ventilcharakteristik mit der wenigstens einen weiteren Ventilcharakteristik, und - Ableiten des Alterungsparameters aus dem Vergleich.
Steuereinrichtung (9) für eine Brennkraftmaschine (1), wobei die Steuereinrichtung (9) eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Brennkraftmaschine (1), mit einer Steuereinrichtung (9) nach Anspruch 9.