DE102020210625B4

DE102020210625B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, und Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102020210625B4
Application number: DE102020210625.8A
Authority: DE
Inventors: Jörg Remele; Aron Toth; Tobias Frank
Original assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2020-08-20
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2040-08-21
Also published as: US20230193846A1; EP4200524A1; CN115885098A; WO2022038129A1; DE102020210625A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), wobei
a) ein Injektor (7) angesteuert wird, um eine Voreinspritzmenge eines Brennstoffs in einen Brennraum (3) der Brennkraftmaschine (1) einzubringen, wobei
b) ein Druckgradienten-Kennwert (DKW), der für einen Brennraumdruckgradienten in dem Brennraum (3) charakteristisch ist, für ein Arbeitsspiel des Brennraums (3) ermittelt wird, in dem der Injektor (7) in Schritt a) angesteuert wurde, wobei
c) die Schritte a) und b) mehrfach wiederholt werden, wobei
d) eine Schiefe (S) einer Verteilung der in Schritt c) ermittelten Druckgradienten-Kennwerte (DKW) ermittelt wird, wobei
e) die Ansteuerung des Injektors (7) abhängig von der in Schritt d) ermittelten Schiefe (S) geändert oder beibehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, und eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Steuergerät.
Um bei einer innermotorischen Verbrennung im Betrieb einer Brennkraftmaschine einen Brennraumdruckgradienten, insbesondere Spitzendruckgradienten, zu reduzieren und damit die mechanische Belastung für die Brennkraftmaschine zu verringern, wird häufig eine Voreinspritzung vorgenommen. Dies ermöglicht nicht zuletzt auch, Brennkraftmaschinen effizient und mit niedrigen Emissionen zu betreiben. Um den Brennraumdruckgradient gering zu halten, muss jedoch die Brennstoffmenge, die bei der Voreinspritzung in den Brennraum eingebracht wird, präzise bemessen werden. Der Brennraumdruckgradient steigt nämlich nicht nur bei einer zu geringen voreingespritzten Brennstoffmenge, sondern auch bei einer zu hohen voreingespritzten Brennstoffmenge deutlich an. Typischerweise an Brennkraftmaschinen verbaute Injektoren weisen jedoch insbesondere dann, wenn vergleichsweise kleine Brennstoffmengen injiziert werden sollen, keine hinreichende Reproduzierbarkeit auf. Insbesondere ist eine Schuss-Zu-Schuss-Streuung der eingespritzten Brennstoffmenge hoch, wenn ein solcher Injektor aufeinanderfolgend immer wieder exakt gleich angesteuert wird. Weiterhin können Alterungseffekte auftreten, die über die Lebensdauer des Injektors - bei unveränderter Ansteuerung - zu Veränderungen in der Einspritzmenge führen können. Somit ist aber bei definierter Ansteuerung eines Injektors die genaue in den Brennraum eingebrachte Brennstoffmenge in der Regel unbekannt. Des Weiteren ist der Effekt einer Voreinspritzung nicht unmittelbar kontrollierbar.
Selbst wenn der Brennraumdruckgradient indirekt, beispielsweise über einen Körperschallsensor, erfasst werden kann, bleibt eine Auswertung schwierig. Wird beispielsweise eine iterative Suche nach einem Extremwert über eine Metrik implementiert, kann das Optimum nur durch Probieren, das heißt durch Variation einer Ansteuerkorrektur, ermittelt werden, insbesondere da Metriken, die aus Körperschallsignalen gewonnen werden, keinen absoluten Rückschluss auf den tatsächlichen Brennraumdruckgradienten zulassen. Dies kostet Zeit und hat darüber hinaus zur Folge, dass selbst eigentlich geeignete Ansteuerungen durch ständiges tastendes Probieren von dem Optimum entfernt oder weiterhin einer iterativen Optimierung unterzogen werden, was schlicht daraus folgt, dass keine Kenntnis darüber herrscht, ob die aktuelle Ansteuerung des Injektors bereits in der Nähe des Optimalwerts liegt oder nicht. Dies führt ganz besonders dann zu langwierigen und schlecht konvergierenden Verfahren, wenn die benutzte Metrik im Bereich des gesuchten Extremwerts einen sehr flachen Verlauf aufweist.
Aus DE 10 2009 033 957 A1 geht ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine hervor, wobei ein Injektor angesteuert wird, um eine als Pilotpulsmenge bezeichnete Voreinspritzmenge eines Brennstoffs in einen Brennraum der Brennkraftmaschine einzubringen. Als für einen Brennraumdruckgradienten in dem Brennraum charakteristischer Druckgradienten-Kennwert wird ein Verbrennungsgeräuschpegel für ein Arbeitsspiel des Brennraums ermittelt, in dem der Injektor angesteuert wurde, wobei die zuvor beschriebenen Schritte mehrfach wiederholt werden. Es werden statistische Eigenschaften des Verbrennungsgeräuschpegels ermittelt, und ein Schwellenwert-Geräuschpegel wird basierend auf den statistischen Eigenschaften verändert, wobei ein Vergleich des ermittelten Verbrennungsgeräuschpegels mit dem Schwellenwert-Geräuschpegel wiederum zur Ansteuerung des Injektors verwendet wird. Somit wird der Injektor abhängig von den ermittelten statistischen Eigenschaften des Verbrennungsgeräuschpegels angesteuert.
Aus DE 10 2008 049 205 A1 geht ein Verfahren zur Bestimmung einer Verbrennungsaussetzerwahrscheinlichkeit einer Brennkraftmaschine hervor, wobei ein Druckverlauf ab einem Zündzeitpunkt in einer Brennkammer direkt oder indirekt gemessen wird, wobei das Messen über mehrere Zündzyklen wiederholt wird, wobei eine Verteilung einer Steigung des Druckverlaufs ab dem Zündzeitpunkt über mehrere Zündzyklen berechnet wird, wobei die Verteilung mit einem Minimalwert verglichen wird, und wobei die Verbrennungsaussetzerwahrscheinlichkeit anhand solcher Werte der Verteilung bestimmt wird, die kleiner als der Minimalwert sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest teilweise reduziert, vorzugsweise vermieden sind.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, bei welchem a) ein Injektor angesteuert wird, um eine Voreinspritzmenge eines Brennstoffs in einen Brennraum der Brennkraftmaschine einzubringen. Es wird b) für ein Arbeitsspiel des Brennraums, in dem der Injektor in Schritt a) angesteuert wurde, ein Druckgradienten-Kennwert ermittelt, der für einen Brennraumdruckgradient in dem Brennraum charakteristisch ist. Die Schritte a) und b) werden c) mehrfach wiederholt. Es wird d) eine Schiefe einer Verteilung der in Schritt c) ermittelten Druckgradienten-Kennwerte ermittelt, und die Ansteuerung des Injektors wird e) in Abhängigkeit von der in Schritt d) ermittelten Schiefe geändert oder beibehalten. Vorteilhaft können geeignete Ansteuerungssignale, die keiner nennenswerten Korrektur bedürfen, bereits ohne Iteration erkannt werden, und es wird insbesondere eine schnelle Konvergenz der Extremwertsuche nach der geeigneten Ansteuerung möglich. Dabei wertet das hier vorgeschlagene Verfahren keine mittlere integrale Metrik aus, um die optimale Ansteuerung des Injektors im Sinne eines minimalen Brennraumdruckgradienten zu erhalten, sondern wählt vielmehr einen statistischen Ansatz. Dabei macht sich das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft zunutze, dass der Zusammenhang zwischen der Voreinspritzmenge und dem Brennraumdruckgradienten beziehungsweise dessen Schätzung nicht linear ist. Betrachtet man die Auswirkung mehrerer Voreinspritzungen, die in der tatsächlich eingebrachten Brennstoffmenge um einen Mittelwert streuen, auf die resultierenden Werte des Brennraumdruckgradienten beziehungsweise dessen Schätzung, ergibt sich eine statistische Verteilung dieser Werte. Diese Verteilung unterscheidet sich deutlich, je nachdem, ob man sich in der Nähe des Minimums der Funktion oder davon entfernt befindet.
Um dies zu verstehen, betrachte man (vgl. 2) eine Auftragung des Brennraumdruckgradienten oder alternativ eines Schätzwerts des Brennraumdruckgradienten in Abhängigkeit von der Voreinspritzmenge gemäß einer bestimmten Metrik. Der Einfachheit wegen wird im Folgenden nur noch von dem Brennraumdruckgradienten die Rede sein, dies schließt aber ein, dass es sich dabei um einen Schätzwert für den Brennraumdruckgradienten gemäß einer bestimmten Metrik handeln kann. Die Auftragung des Brennraumdruckgradienten gegen die Voreinspritzmenge weist ein Minimum bei einem optimalen Wert der Voreinspritzmenge auf, der zugleich einer optimalen Ansteuerung des Injektors zugeordnet ist. Ausgehend von diesem Minimum steigt der Brennraumdruckgradient sowohl zu geringeren als auch zu höheren Voreinspritzmengen an. Allerdings verläuft die Brennraumdruckgradient-Kurve im Bereich des Minimums sehr flach, wobei sie zu kleineren Voreinspritzmengen steil ansteigt, während sie zu größeren Voreinspritzmengen zunächst vergleichsweise langsam und dann später steiler ansteigt. Dass der Bereich des Minimums flach ist, bedeutet insbesondere, dass im Bereich des Minimums der Brennraumdruckgradienten-Kurve eine Variation der Voreinspritzmenge um den optimalen Wert herum kaum zu einer Änderung des Brennraumdruckgradienten führt.
Nimmt man nun an, dass die tatsächlich eingebrachten Voreinspritzmengen gaußförmig oder gemäß einer anderen symmetrischen Verteilung um den optimalen Wert verteilt sind, ergibt sich, dass die zugehörigen Brennraumdruckgradienten-Werte im Wesentlichen im Bereich des minimalen Brennraumdruckgradienten liegen, wobei die zugehörige Verteilung der Brennraumdruckgradienten keine Werte aufweist, die kleiner sind als das Minimum, wobei die relative Häufigkeit der Brennraumdruckgradienten-Werte zu größeren Brennraumdruckgradienten-Werten hin abnimmt. In der Nähe des Minimums ist die Verteilung der Brennraumdruckgradienten-Werte daher maximal schief, das heißt unsymmetrisch, die häufigsten Werte liegen am Rand der Verteilung in der Nähe des Minimums, da sowohl eine Abweichung in Richtung größerer Voreinspritzmengen als auch in Richtung kleinerer Voreinspritzmengen zu höheren Brennraumdruckgradienten führt.
Dagegen wandert das Maximum der Verteilung der Brennraumdruckgradienten-Werte immer mehr in Richtung der Mitte des Wertebereichs der betrachteten Stichprobe oder Wertegruppe, je weiter entfernt der Mittelwert der - weiterhin symmetrisch gedachten - Voreinspritzmengen-Verteilung von dem optimalen Wert entfernt liegt. Die Verteilung der Brennraumdruckgradienten-Werte wird also immer weniger schief und immer symmetrischer, je weiter von dem optimalen Wert entfernt der Mittelwert der Voreinspritzmengen-Verteilung liegt.
Die Schiefe der Verteilung der Brennraumdruckgradienten-Werte - und damit auch der Druckgradienten-Kennwerte des hier vorgeschlagenen Verfahrens - stellt also ein robustes und deutliches Kriterium dafür dar, wie gut geeignet die momentane Ansteuerung des Injektors ist, um im Mittel zu einer Voreinspritzmenge zu führen, die den Brennraumdruckgradienten in der Nähe seines Minimums hält.
Somit kann in einfacher und schneller Weise, insbesondere ohne Iteration, festgestellt werden, wie gut die momentane Ansteuerung des Injektors ist, und es kann gegebenenfalls eine schnelle Konvergenz hin zu einer geeigneten Ansteuerung gefunden werden.
Der Injektor wird bevorzugt mit einer bestimmten Bestromungsdauer angesteuert. Insbesondere bedeutet eine Ansteuerung des Injektors eine Ansteuerung mit einer bestimmten Bestromungsdauer. Eine Änderung der Ansteuerung bedeutet insbesondere eine Änderung der Bestromungsdauer. Entsprechend bedeutet ein Beibehalten der Ansteuerung insbesondere ein Beibehalten der bestimmten Bestromungsdauer. Die Ansteuerung ist also insbesondere definiert durch die Bestromungsdauer, mit der der Injektor angesteuert wird.
Als Brennstoff wird über den Injektor bevorzugt ein selbstzündender Brennstoff, insbesondere Diesel oder Dimethylether, oder ein Brenngas, in den Brennraum eingebracht.
Die Voreinspritzmenge des Brennstoffs wird durch den Injektor insbesondere im Wege einer Voreinspritzung, mit innerhalb desselben Arbeitsspiels nachfolgender Haupteinspritzung, in den Brennraum eingebracht. Dabei wird im Wege der Voreinspritzung eine im Vergleich zu der mit der Haupteinspritzung eingebrachten Brennstoffmenge sehr viel kleinere Brennstoffmenge eingebracht, die einen geringeren Anteil an der innerhalb des Arbeitsspiels in den Brennraum eingebrachten chemischen Energie umfasst als die mit der Haupteinspritzung eingebrachte Brennstoffmenge. Aus diesem Zusammenhang ergibt sich zugleich die zuvor beschriebene Problematik bei der Bemessung der Voreinspritzmenge: Ein typischer Injektor ist eingerichtet zur möglichst präzisen Einbringung der Haupteinspritzmenge. Da die Voreinspritzmenge sehr viel kleiner ist als die Haupteinspritzmenge, ist es kaum möglich, diese über die Ansteuerung des Injektors präzise zu definieren.
Dass der Druckgradienten-Kennwert für einen Brennraumdruckgradienten charakteristisch ist, bedeutet insbesondere, dass der Druckgradienten-Kennwert mit dem Brennraumdruckgradient korreliert; insbesondere ist der Druckgradienten-Kennwert aus dem Brennraumdruckgradient ableitleitbar oder abgeleitet, oder es ist umgekehrt der Brennraumdruckgradient - zumindest prinzipiell - aus dem Druckgradienten-Kennwert ableitbar.
Der Brennraumdruckgradient ist bevorzugt insbesondere ein Spitzendruckgradient.
Unter einem Druckgradient wird eine Ableitung des Drucks nach der Zeit verstanden. Der Druckgradient ist also ein zeitlicher Druckgradient.
In dem Schritt c) werden die Schritte a) und b) insbesondere mehrfach bei gleicher Ansteuerung des Injektors wiederholt. Der Schritt c) wird also bevorzugt in einem stationären Zustand der Brennkraftmaschine durchgeführt. Bevorzugt wird das gesamte Verfahren in einem stationären Zustand der Brennkraftmaschine durchgeführt. Somit wird die Auswertung der Verteilung des Druckgradienten-Kennwerts nicht durch Laständerungen und somit insbesondere Änderungen in der eingebrachten Brennstoffmenge gestört und verfälscht.
Bevorzugt werden die Schritte a) und b) in dem Schritt c) ungefähr hundertmal, vorzugsweise hundertmal, wiederholt. Somit ergibt sich jedenfalls eine repräsentative Stichprobe mit aussagefähiger Verteilung der Druckgradienten-Kennwerte.
Bevorzugt wird im Rahmen des Verfahrens eine Brennkraftmaschine betrieben, die eine Mehrzahl von - vorzugsweise identisch ausgebildeten - Brennräumen aufweist. Das Verfahren wird in diesem Fall brennraumindividuell durchgeführt, das heißt insbesondere für jeden Brennraum einzeln. Dies trägt insbesondere der Erkenntnis Rechnung, dass verschiedene Injektoren, die verschiedenen Brennräumen zugeordnet sind, gerade beim Einbringen sehr kleiner Brennstoffmengen ein sehr verschiedenes Verhalten aufweisen können.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass dann, wenn in Schritt e) die Ansteuerung des Injektors geändert wird, die Schritte a) bis e) mit der geänderten Ansteuerung wiederholt werden. Auf diese Weise kann festgestellt werden, ob die geänderte Ansteuerung zu einem verbesserten Verhalten des Injektors geführt oder vielmehr die Situation verschlechtert hat. Vorzugsweise wird diese Vorgehensweise solange iteriert, bis die Ansteuerung in Schritt e) beibehalten wird. Es werden also insbesondere die Schritte a) bis e) jedes Mal dann, wenn in Schritt e) die Ansteuerung des Injektors geändert wird, wiederholt, und dies wird solange fortgesetzt, bis die Ansteuerung in Schritt e) erstmals beibehalten wird. Auf diese Weise kann iterativ - vorzugsweise mit schneller Konvergenz - eine geeignete Ansteuerung des Injektors im Sinne eines möglichst kleinen Brennraumdruckgradienten aufgefunden werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Richtung der Änderung der Ansteuerung, d.h. insbesondere Bestromungsdauer, des Injektors in dem Schritt e) abhängig davon gewählt wird, ob eine zuletzt vorgenommene Änderung der Ansteuerung zu einer größeren Veränderung des Druckgradienten-Kennwerts, insbesondere eines mittleren Druckgradienten-Kennwerts, geführt hat als eine vorletzte Änderung der Ansteuerung. Die Richtung der Änderung ist insbesondere das Vorzeichen der Änderung. Insbesondere wird das Vorzeichen im Vergleich zu dem im letzten Änderungsschritt gewählten Vorzeichen verändert, wenn die zuletzt vorgenommene Änderung der Ansteuerung, d.h. Bestromungsdauer, zu einer größeren Veränderung des Druckgradienten-Kennwerts geführt hat als die vorletzte Änderung der Ansteuerung. Dagegen wird das Vorzeichen im Vergleich zu der letzten Änderung beibehalten, wenn die letzte Änderung der Ansteuerung nicht zu einer größeren Veränderung des Druckgradienten-Kennwerts geführt hat als die vorletzte Änderung der Ansteuerung.
Dieser Vorgehensweise liegt insbesondere der Gedanke zugrunde, dass die Brennraumdruckgradienten-Kurve ausgehend von ihrem Minimum eine ausgeprägte Krümmung aufweist, sodass sich die Steigung der Brennraumdruckgradienten-Kurve ausgehend von dem Minimum in beide Richtungen ändert und insbesondere mit zunehmendem Abstand von dem Minimum in beide Richtungen größer wird. Geht man also von konstanten Änderungswerten oder Änderungsschritten aus, ergibt sich mit zunehmender Entfernung von dem Minimum eine zunehmende Veränderung des Druckgradienten-Kennwerts, sodass dieses Verhalten darauf hinweist, dass das Vorzeichen der Änderung geändert werden sollte, um sich entlang der Brennraumdruckgradienten-Kurve in Richtung des Minimums zu bewegen.
Wenn zu Beginn des Verfahrens noch keine vorhergehenden Durchläufe zur Auswertung zur Verfügung stehen, wird das Vorzeichen für die Änderung bevorzugt zufällig gewählt oder in vorbestimmter Weise initialisiert.
Alternativ oder zusätzlich wird die Richtung der Änderung der Ansteuerung des Injektors in dem Schritt e) abhängig davon gewählt wird, ob eine vorangegangene Änderung der Ansteuerung den Druckgradienten-Kennwert in Richtung eines kleineren Brennraumdruckgradienten oder in Richtung eines größeren Brennraumdruckgradienten beeinflusst hat. Der Effekt der vorangegangenen Änderung wird also bevorzugt bei der Wahl des Vorzeichens der nachfolgenden Änderung berücksichtigt, um die Konvergenz des Verfahrens zu beschleunigen. Dabei wird die Richtung - das heißt das Vorzeichen - der Änderung bevorzugt beibehalten, wenn die vorangegangene Änderung der Ansteuerung den Druckgradienten-Kennwert in Richtung eines kleineren Brennraumdruckgradienten beeinflusst hat. Dies bedeutet nämlich, dass die Änderung in Richtung des angestrebten Minimums geführt hat, sodass es sinnvoll ist, den eingeschlagenen Weg weiter fortzusetzen. Die Richtung der Änderung wird dagegen bevorzugt geändert, wenn die vorangegangene Änderung der Ansteuerung den Druckgradienten-Kennwert in Richtung eines größeren Brennraumdruckgradienten beeinflusst hat. In diesem Fall hat die Änderung nämlich zu einer weiteren Entfernung von dem angestrebten Minimum beigetragen.
Bevorzugt wird dabei ein Mittelwert des Druckgradienten-Kennwerts, insbesondere ein Mittelwert der Verteilung der in Schritt c) ermittelten Druckgradienten-Kennwerte, betrachtet, es wird also insbesondere geprüft, ob die vorangegangene Änderung der Ansteuerung den Mittelwert des Druckgradienten-Kennwerts in Richtung eines kleineren oder eines größeren Brennraumdruckgradienten beeinflusst hat.
Bei einer ersten Durchführung des Verfahrens steht noch keine vorangegangene Änderung zur Bewertung zur Verfügung. In diesem Fall wird bevorzugt die Richtung der Änderung in Schritt e) geraten oder per Zufall bestimmt, oder es wird eine Änderung in einer vorbestimmten Richtung vorgenommen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schiefe der Verteilung in Schritt e) mit einem vorbestimmten Schiefen-Schwellwert verglichen wird. Die Ansteuerung des Injektors wird dann vorzugsweise geändert, wenn die Schiefe kleiner ist als der Schiefen-Schwellwert. Die Ansteuerung wird bevorzugt beibehalten, wenn die Schiefe größer ist als der Schiefen-Schwellwert oder wenn die Schiefe gleich dem Schiefen-Schwellwert ist. Ist der Schiefen-Schwellwert überschritten, ist gewährleistet, dass das Ansteuersignal bereits hinreichend in der Nähe des Optimalwerts liegt und somit nicht weiter korrigiert werden muss. Insbesondere wird der Schiefen-Schwellwert entsprechend definiert, sodass dies gewährleistet ist. Ist die Schiefe dagegen kleiner als der Schiefen-Schwellwert, wird die Ansteuerung des Injektors geändert, und die Schiefe wird erneut ermittelt. Dies wird bevorzugt solange wiederholt, bis die Schiefe den Schiefen-Schwellwert erreicht oder überschreitet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schiefe der Verteilung als Schiefen-Maßzahl ermittelt wird. Dies stellt eine besonders einfache Erfassung der Schiefe dar, die insbesondere mit geringem Rechenaufwand erfolgen kann.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung wird die Schiefen-Maßzahl aus der Verteilung selbst ermittelt, insbesondere durch Histogrammieren der Druckgradienten-Kennwerte und geeignetes Bewerten des Histogramms. Dies stellt eine besonders genaue Erfassung der Schiefe dar.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung wird die Schiefen-Maßzahl direkt aus den ermittelten Druckgradienten-Kennwerten ermittelt, insbesondere ohne explizite Bestimmung der Verteilung, insbesondere ohne, dass es einer Histogrammierung bedarf. Die Schiefen-Maßzahl kann auf diese Weise mit besonders geringem Rechenaufwand und sehr schnell ermittelt werden.
Vorzugsweise wird die Schiefen-Maßzahl ermittelt, indem von dem aktuellen Druckgradienten-Kennwert der Mittelwert der Druckgradienten-Kennwerte abgezogen wird, wobei das Ergebnis auf die empirische Standardabweichung oder Stichprobenstreuung normiert, in die dritte Potenz erhoben, und vorzugsweise durch Bilden eines Mittelwerts, insbesondere eines gleitenden Mittelwerts oder mittels Tiefpassfilter, über mehrere Messwerte geglättet wird. Dabei bedarf es vorteilhaft keiner expliziten Bestimmung der Verteilung. Insbesondere können sowohl der Mittelwert als auch die empirische Standardabweichung rekursiv aus den fortlaufend erfassten Druckgradienten-Kennwerten geschätzt werden. Wichtig ist nur, dass die Ansteuerung des Injektors konstant gehalten wird, die Brennkraftmaschine also insbesondere in einem stationären Betriebszustand läuft.
Insbesondere wird die Schiefen-Maßzahl bevorzugt berechnet als empirische Schiefe v gemäß der folgenden Gleichung: $v = \frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} {(\frac{x_{i} - \bar{x}}{s})}^{3},$
wobei x_i der aktuelle Druckgradienten-Kennwert, x der Mittelwert der Druckgradienten-Kennwerte, s die empirische Standardabweichung oder Stichprobenstreuung, und n die Größe der Stichprobe, d.h. insbesondere die Anzahl der betrachteten Druckgradienten-Kennwerte ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Druckgradienten-Kennwert eine Brennraumdruckgröße oder ein Körperschallwert, insbesondere ein Integral eines Körperschallsensor-Messwerts, verwendet wird. Auf diese Weise kann der Druckgradienten-Kennwert einfach und kostengünstig, insbesondere mit typischerweise ohnehin an der Brennkraftmaschine verbauter Brennraumdrucksensorik ermittelt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren während des Betriebs der Brennkraftmaschine in vorbestimmten Zeitabständen - insbesondere in vorbestimmten Betriebsstunden-Intervallen -, oder aber ereignisgesteuert, beispielsweise initialisiert durch detektierte Klopfereignisse, durchgeführt wird. Auf diese Weise kann ein sicherer Betrieb der Brennkraftmaschine dauerhaft gewährleistet werden.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welches eingerichtet ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer der zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens. In Zusammenhang mit dem Steuergerät verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
Insbesondere ist das Steuergerät eingerichtet, um einen Injektor anzusteuern, insbesondere um eine Bestromungsdauer für den Injektor vorzugeben. Das Steuergerät ist weiter eingerichtet, um einen Druckgradienten-Kennwert zu erfassen, der für einen Brennraumdruckgradienten in einem dem Injektor zugeordneten Brennraum der Brennkraftmaschine charakteristisch ist. Das Steuergerät ist weiter eingerichtet, um eine Schiefe einer Verteilung ermittelter Druckgradienten-Kennwerte zu ermitteln, und um die Ansteuerung des Injektors abhängig von der ermittelten Schiefe zu ändern oder beizubehalten.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die wenigstens einen Brennraum aufweist, wobei dem Brennraum ein Injektor zugeordnet ist, um Brennstoff in den Brennraum einzubringen. Der Injektor ist insbesondere ansteuerbar, um eine Voreinspritzmenge des Brennstoffs in den Brennraum einzubringen. Der Injektor ist hierzu mit einem Steuergerät der Brennkraftmaschine wirkverbunden, sodass das Steuergerät den Injektor ansteuern kann. Die Brennkraftmaschine weist außerdem einen mit dem Steuergerät wirkverbundenen Druckgradienten-Sensor auf, der eingerichtet ist, um eine Messgröße zu erfassen, aus der das Steuergerät einen Druckgradienten-Kennwert ermitteln kann, der für einen Brennraumdruckgradienten in dem Brennraum charakteristisch ist. Vorzugsweise ist der Druckgradienten-Sensor eingerichtet, um eine Brennraumdruckgröße oder Körperschall zu erfassen. Insbesondere kann der Druckgradienten-Sensor als Körperschallsensor ausgebildet sein. Das Steuergerät ist eingerichtet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens. Insbesondere ist das Steuergerät das erfindungsgemäße Steuergerät oder ein Steuergerät gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele.
In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren und dem Steuergerät erläutert wurden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem Ausführungsbeispiel eines Steuergeräts;
2 eine Auftragung eines Druckgradienten-Kennwerts gegen eine Voreinspritzmenge zur Erläuterung des theoretischen Hintergrunds einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine, und
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens in Form eines Flussdiagramms.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1, die wenigstens einen Brennraum 3 aufweist. Die Brennkraftmaschine 1 ist hier in bevorzugter Ausgestaltung als Hubkolbenmotor ausgebildet, wobei dem Brennraum 3 ein hubbeweglicher Kolben 5 zugeordnet ist. Vorzugsweise weist die Brennkraftmaschine 1 eine Mehrzahl insbesondere identisch ausgebildeter Brennräume 3 auf.
Dem Brennraum 3 ist ein Injektor 7 zugeordnet, der eingerichtet ist, um einen Brennstoff in den Brennraum 3 einzubringen. Der Injektor 7 ist insbesondere ansteuerbar, um eine Voreinspritzmenge des Brennstoffs in den Brennraum 3 einzubringen.
Die Brennkraftmaschine 1 weist außerdem ein Steuergerät 9 auf, das mit dem Injektor 7 zur Ansteuerung des Injektors 7 wirkverbunden ist, insbesondere derart, dass der Injektor 7 durch das Steuergerät 9 angesteuert werden kann, um die Voreinspritzmenge des Brennstoffs in den Brennraum 3 einzubringen.
Die Brennkraftmaschine 1 weist außerdem einen mit dem Steuergerät 9 wirkverbundenen Druckgradienten-Sensor 11 auf, der eingerichtet ist, um eine Messgröße zu erfassen, aus der das Steuergerät 9 einen Druckgradienten-Kennwert ermitteln kann, der für einen Brennraumdruckgradienten in dem Brennraum 3 charakteristisch ist. In bevorzugter Ausgestaltung ist der Druckgradienten-Sensor 11 ein Körperschallsensor.
Das Steuergerät 9 ist bevorzugt eingerichtet, um eine Bestromungsdauer für den Injektor 7 vorzugeben.
Das Steuergerät 9 ist außerdem eingerichtet, um ein im Folgenden näher beschriebenes Verfahren durchzuführen:

Dabei wird a) der Injektor 7 angesteuert, um die Voreinspritzmenge in den Brennraum 3 einzubringen, wobei b) der Druckgradienten-Kennwert für ein Arbeitsspiel des Brennraums 3 ermittelt wird, in dem der Injektor 7 in dem Schritt a) angesteuert wurde, wobei c) die Schritte a) und b) mehrfach wiederholt werden, wobei d) eine Schiefe einer Verteilung der in Schritt c) ermittelten Druckgradienten-Kennwerte ermittelt wird, und wobei e) die Ansteuerung des Injektors 7 abhängig von der in Schritt d) ermittelten Schiefe geändert oder beibehalten wird.
Insbesondere wenn in Schritt e) die Ansteuerung des Injektors 7 geändert wird, werden die Schritte a) bis e) mit der geänderten Ansteuerung wiederholt, wobei dies vorzugsweise solange iteriert wird, bis die Ansteuerung in Schritt e) erstmals beibehalten wird.

Eine Richtung der Änderung der Ansteuerung des Injektors 7 in dem Schritt e) wird bevorzugt abhängig davon gewählt, ob eine vorausgegangene Änderung der Ansteuerung - in der unmittelbar vorausgehenden Iteration - den Druckgradienten-Kennwert in Richtung eines kleineren oder in Richtung eines größeren Brennraumdruckgradienten beeinflusst hat.
Die Schiefe der Verteilung wird in dem Schritt e) bevorzugt mit einem vorbestimmten Schiefen-Schwellwert verglichen, wobei die Ansteuerung des Injektors 7 geändert wird, wenn die Schiefe kleiner ist als der vorbestimmte Schiefen-Schwellwert, und wobei die Ansteuerung des Injektors 7 beibehalten wird, wenn die Schiefe größer als der oder gleich dem vorbestimmten Schiefen-Schwellwert ist.
Die Schiefe wird bevorzugt als Schiefen-Maßzahl ermittelt, insbesondere aus der Verteilung der Druckgradienten-Kennwerte selbst, oder in besonders bevorzugter Ausgestaltung direkt aus den ermittelten Druckgradienten-Kennwerten, insbesondere ohne explizite Bestimmung der Verteilung.
Als Druckgradienten-Kennwert wird in bevorzugter Ausgestaltung eine Brennraumdruckgröße oder ein Körperschallwert, insbesondere ein Integral eines Körperschallsensor-Messwerts, verwendet.
Bevorzugt wird das Verfahren während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 in vorbestimmten Zeitabständen oder ereignisgesteuert durchgeführt.
2 zeigt eine diagrammatische Auftragung eines Druckgradienten-Kennwerts D in beliebigen Einheiten gegen eine Voreinspritzmenge V, ebenfalls in beliebigen Einheiten, wobei die Voreinspritzmenge V insbesondere eine in den Brennraum 3 im Wege der Voreinspritzung durch den Injektor 7 eingebrachte Brennstoffmasse ist. Der Druckgradienten-Kennwert D folgt dabei in Abhängigkeit von der Voreinspritzmenge einer Kurve K, die bei einer bestimmten Voreinspritzmenge V_min ein Minimum aufweist, und einerseits zu Voreinspritzmengen kleiner als die bestimmte Voreinspritzmenge V_min und andererseits zu Voreinspritzmengen größer als die bestimmte Voreinspritzmenge V_min ansteigt. Im Bereich des Minimums ist die Kurve K flach, was eine klassische Minimumsuche erschwert.
Anhand von 2 soll im Folgenden das Konzept der Minimumsuche anhand der Schiefe der Verteilung der Druckgradienten-Kennwerte und damit der theoretische Hintergrund des hier vorgeschlagenen Verfahrens näher erläutert werden.
Wird der Injektor 7 zur Einspritzung einer Voreinspritzmenge V mehrfach mit derselben Ansteuerung, insbesondere derselben Bestromungsdauer, angesteuert, ergibt sich eine Voreinspritzmengen-Verteilung der tatsächlich in den Brennraum 3 eingebrachten Voreinspritzmengen V. Diese Voreinspritzmengen-Verteilung kann als symmetrisch angenommen werden; insbesondere kann diese Voreinspritzmengen-Verteilung die Form einer Glockenkurve, insbesondere einer gaußschen Glockenkurve annehmen.
In 2 ist nun eine erste Voreinspritzmengen-Verteilung VV1 dargestellt, die sich für eine Ansteuerung des Injektors 7 im Bereich des Minimums der Kurve K ergibt. Das Maximum der ersten Voreinspritzmengen-Verteilung VV1 liegt insbesondere auf der bestimmten Voreinspritzmenge V_min. Aufgrund des Verlaufs der Kurve K ergibt sich nun eine korrespondierende erste Druckgradienten-Kennwert-Verteilung DV1. Diese weist eine ausgeprägte Schiefe mit ausgeprägter Verschiebung ihres Maximums hin zu kleinen Druckgradienten-Kennwerten auf, insbesondere da die meisten Voreinspritzmengenwerte innerhalb der ersten Voreinspritzmengen-Verteilung VV1 zu Druckgradienten-Kennwerten im Bereich des Minimums führen. Hinzu kommt die ausgeprägte Asymmetrie sowie der flache Verlauf der Kurve K zu größeren Voreinspritzmengen hin, was letztlich dazu führt, dass quasi der gesamte rechte Ast der ersten Voreinspritzmengen-Verteilung VV 1 auf vergleichsweise kleine Druckgradienten-Kennwerte abgebildet wird.
Betrachtet man demgegenüber eine zweite Voreinspritzmengen-Verteilung VV2, deren Maximum bei einer sehr viel größeren Voreinspritzmenge liegt, so fällt diese insbesondere in einen Bereich, indem die Kurve K nahezu linear ansteigt. Dementsprechend ergibt sich hier aufgrund des Verlaufs der Kurve K eine korrespondierende zweite Druckgradienten-Verteilung DV2, die zumindest im Wesentlichen symmetrisch ist, und deren Form im Wesentlichen der Form der zweiten Voreinspritzmengen-Verteilung VV2 entspricht.
Anhand von 2 wird somit unmittelbar klar, dass die Schiefe der Verteilung der Druckgradienten-Kennwerte ein geeignetes Maß ist, um zu bestimmen, wie nah eine bestimmte Ansteuerung des Injektors 7 die dadurch eingebrachte Voreinspritzmenge V bereits in den Bereich des Minimums des Druckgradienten-Kennwerts bringt.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1 in Form eines Flussdiagrams. Das Verfahren startet in einem ersten Schritt S1. In einem zweiten Schritt S2 wird eine Bestromungsdauer BD für den Injektor 7 mit einem vorbestimmten Startwert BDStart initialisiert.
In einem dritten Schritt S3 wird der Injektor 7 mit der Bestromungsdauer BD angesteuert, um eine Voreinspritzmenge eines Brennstoffs in den Brennraum 3 einzubringen. In einem vierten Schritt S4 wird ein Druckgradienten-Kennwert DKW für das Arbeitsspiel des Brennraums 3 ermittelt, in dem der Injektor 7 zuvor in dem dritten Schritt S3 angesteuert wurde, wobei der Druckgradienten-Kennwert DKW für einen Brennraumdruckgradienten in dem Brennraum 3 charakteristisch ist.
In einem fünften Schritt S5 wird abgefragt, ob eine vorbestimmte Anzahl n an Wiederholungen der Schritte S3, S4 durchgeführt wurde. Solange dies noch nicht der Fall ist, wird das Verfahren in dem dritten Schritt S3 fortgesetzt; das heißt die Schritte S3 bis S5 werden solange wiederholt, bis die vorbestimmte Anzahl n an Wiederholungen erreicht ist. Dabei kann die vorbestimmte Anzahl n beispielsweise 100 sein. Insgesamt werden also n Druckgradienten-Kennwerte und insoweit auch - entweder explizit oder zumindest implizit - eine Verteilung der Druckgradienten-Kennwerte erhalten.
Ist die vorbestimmte Anzahl n an Wiederholungen erreicht, wird das Verfahren in einem sechsten Schritt S6 fortgesetzt, in dem eine Schiefe S der Verteilung der Druckgradienten-Kennwerte DKW bestimmt wird. Die Bestimmung der Schiefe S kann entweder nach einer Ermittlung der Verteilung aus der Verteilung selbst oder aber ohne explizite Ermittlung der Verteilung geschehen. Vorzugsweise wird die Schiefe S als empirische Schiefe v gemäß der oben angegebenen Gleichung (1) berechnet.
In einem siebten Schritt S7 wird die Schiefe S mit einem vorbestimmten Schiefen-Schwellwert SSW verglichen. Wird dabei festgestellt, dass die Schiefe S nicht größer ist als der vorbestimmte Schiefen-Schwellwert SSW, wird in einem achten Schritt S8 ein Vorzeichen für einen im Übrigen bevorzugt konstanten, insbesondere vorbestimmten Änderungswert DeltaBD zur Änderung der Bestromungsdauer BD bestimmt. In einem neunten Schritt S9 wird die Bestromungsdauer BD neu definiert als Summe aus dem vorhergehenden Wert der Bestromungsdauer BD und dem Änderungswert DeltaBD für die Bestromungsdauer, inklusive des Vorzeichens, das heißt der Änderungswert DeltaBD selbst ist vorzeichenbehaftet. Anschließend wird das Verfahren in dem dritten Schritt S3 mit dem neuen, in dem neunten Schritt S9 bestimmten Wert für die Bestromungsdauer BD fortgesetzt, das heißt der Injektor 7 wird mit dem neuen Wert für die Bestromungsdauer BD angesteuert.
Das Vorzeichen für den Änderungswert DeltaBD wird dabei in dem achten Schritt S8 insbesondere abhängig davon gewählt, ob eine zuletzt vorgenommene Änderung der Ansteuerung zu einer größeren Veränderung des Druckgradienten-Kennwerts, insbesondere des mittleren Druckgradienten-Kennwerts, geführt hat als eine vorletzte Änderung der Ansteuerung. Insbesondere wird das Vorzeichen im Vergleich zu dem im letzten Änderungsschritt gewählten Vorzeichen verändert, wenn die zuletzt vorgenommene Änderung der Bestromungsdauer zu einer größeren Veränderung des Druckgradienten-Kennwerts geführt hat, als die vorletzte Änderung der Bestromungsdauer. Dagegen wird das Vorzeichen im Vergleich zu der letzten Änderung beibehalten, wenn die letzte Änderung der Bestromungsdauer nicht zu einer größeren Veränderung des Druckgradienten-Kennwerts geführt hat als die vorletzte Änderung der Bestromungsdauer. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass die Kurve K gemäß 2 ausgehend von ihrem Minimum eine ausgeprägte Krümmung aufweist, sodass sich die Steigung der Kurve K ausgehend von dem Minimum in beide Richtungen ändert und insbesondere mit zunehmendem Abstand von dem Minimum in beide Richtungen größer wird. Geht man also von konstanten Änderungswerten DeltaBD aus, ergibt sich mit zunehmender Entfernung von dem Minimum eine zunehmende Veränderung des Druckgradienten-Kennwerts, sodass dieses Verhalten drauf hinweist, dass das Vorzeichen des Änderungswerts DeltaBD geändert werden sollte, um sich entlang der Kurve K in Richtung des Minimums zu bewegen.
Stehen in dem achten Schritt S8 noch keine vorhergehenden Durchläufe des Verfahrens zur Auswertung zur Verfügung, wird das Vorzeichen für den Änderungswert DeltaBD bevorzugt zufällig gewählt oder in vorbestimmter Weise initialisiert.
Der Betrag des Änderungswerts DeltaBD und/oder der Betrag des Startwerts BDStart ist/sind vorzugsweise parametrierbar. Ebenso ist vorzugsweise der Schiefen-Schwellwert SSW parametrierbar.
Wird in dem siebten Schritt S7 festgestellt, dass die Schiefe S größer ist als der vorbestimmte Schiefen-Schwellwert SSW, endet das Verfahren in einem zehnten Schritt S10.
Das Verfahren wird insgesamt bevorzugt während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 in vorbestimmten Zeitabständen oder ereignisgesteuert wiederholt.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), wobei a) ein Injektor (7) angesteuert wird, um eine Voreinspritzmenge eines Brennstoffs in einen Brennraum (3) der Brennkraftmaschine (1) einzubringen, wobei b) ein Druckgradienten-Kennwert (DKW), der für einen Brennraumdruckgradienten in dem Brennraum (3) charakteristisch ist, für ein Arbeitsspiel des Brennraums (3) ermittelt wird, in dem der Injektor (7) in Schritt a) angesteuert wurde, wobei c) die Schritte a) und b) mehrfach wiederholt werden, wobei d) eine Schiefe (S) einer Verteilung der in Schritt c) ermittelten Druckgradienten-Kennwerte (DKW) ermittelt wird, wobei e) die Ansteuerung des Injektors (7) abhängig von der in Schritt d) ermittelten Schiefe (S) geändert oder beibehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn in Schritt e) die Ansteuerung des Injektors (7) geändert wird, die Schritte a) bis e) mit der geänderten Ansteuerung wiederholt werden, wobei dies vorzugsweise solange iteriert wird, bis die Ansteuerung des Injektors (7) in Schritt e) beibehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Richtung der Änderung der Ansteuerung des Injektors (7) in Schritt e) abhängig davon gewählt wird, ob eine zuletzt vorgenommene Änderung der Ansteuerung zu einer größeren Veränderung des Druckgradienten-Kennwerts (DKW), insbesondere eines mittleren Druckgradienten-Kennwerts, geführt hat als eine vorletzte Änderung der Ansteuerung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiefe (S) der Verteilung in Schritt e) mit einem vorbestimmten Schiefen-Schwellwert (SSW) verglichen wird, wobei die Ansteuerung des Injektors (7) geändert wird, wenn die Schiefe (S) kleiner ist als der vorbestimmte Schiefen-Schwellwert (SSW), und wobei die Ansteuerung des Injektors (7) beibehalten wird, wenn die Schiefe (S) größer als der vorbestimmte Schiefen-Schwellwert (SSW) oder gleich dem vorbestimmten Schiefen-Schwellwert (SSW) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiefe (S) als Schiefen-Maßzahl ermittelt wird, insbesondere - aus der Verteilung der Druckgradienten-Kennwerte (DKW), oder - direkt aus den ermittelten Druckgradienten-Kennwerten (DKW).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckgradienten-Kennwert (DKW) eine Brennraumdruckgröße oder ein Körperschallwert, insbesondere ein Integral eines Körperschallsensor-Messwerts, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren während des Betriebs der Brennkraftmaschine (1) in vorbestimmten Zeitabständen oder ereignisgesteuert durchgeführt wird.
Steuergerät (9) für eine Brennkraftmaschine (1), eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Brennkraftmaschine (1) mit wenigstens einem Brennraum (3), wobei dem Brennraum (3) ein Injektor (7) zugeordnet ist, um Brennstoff in den Brennraum (3) einzubringen, wobei der Injektor (7) mit einem Steuergerät (9) der Brennkraftmaschine (1) wirkverbunden ist, sodass das Steuergerät (9) den Injektor (7) ansteuern kann, wobei die Brennkraftmaschine (1) einen mit dem Steuergerät (9) wirkverbundenen Druckgradienten-Sensor (11) aufweist, der eingerichtet ist, um eine Messgröße zu erfassen, wobei das Steuergerät (9) eingerichtet ist, um aus der Messgröße einen Druckgradienten-Kennwert zu ermitteln, der für einen Brennraumdruckgradienten in dem Brennraum (3) charakteristisch ist, wobei das Steuergerät (9) eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.