DE102021212338A1 - Verfahren zum Ermitteln einer eine Durchflussrate eines Kraftstoffinjektors charakterisierenden Größe - Google Patents

Verfahren zum Ermitteln einer eine Durchflussrate eines Kraftstoffinjektors charakterisierenden Größe Download PDF

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Gabriel Iran
Stefan Nonnenmacher
Kilian Bucher
Daniel Heitz
Stefan Bollinger
Patrick Thum
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer eine Durchflussrate eines Kraftstoffinjektors charakterisierenden Größe während eines Betriebs einer Brennkraftmaschine, der der Kraftstoffinjektor zugeordnet ist, wobei wenigstens zwei Eingangswerte (E) für ein datenbasiertes Modell (200) ermittelt werden, und wobei mittels des datenbasierten Modells (200) wenigstens ein Ausgangswert (A) bestimmt wird, anhand dessen ein Wert (VK) für die die Durchflussrate des Kraftstoffinjektors charakterisierende Größe ermittelt wird, wobei das datenbasierte Modell (200) wenigstens zwei voneinander verschiedene Verfahren zum Ermitteln einer eine Durchflussrate eines Kraftstoffinjektors charakterisierenden Größe kombiniert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer eine Durchflussrate eines Kraftstoffinjektors charakterisierenden Größe, insbesondere einer Verkokung, während eines Betriebs einer Brennkraftmaschine, der der Kraftstoffinjektor zugeordnet ist sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Für moderne Brennkraftmaschinen kann ein Kraftstoffversorgungssystem verwendet werden, bei dem in einem Hochdruckspeicher, einem sog. Rail, Kraftstoff mit relativ hohem Druck gespeichert ist, der dann einzelnen Kraftstoffinjektoren zugeführt und von diesen gezielt in Brennräume der Brennkraftmaschine eingebracht wird. Auch wenn in einem solchen Kraftstoffversorgungssystem Kraftstofffilter verwendet werden, kann es trotzdem zu Ablagerungen oder sonstigen Verunreinigungen an den Öffnungen der Injektoren kommen, sei es durch nicht aus dem Kraftstoff herausgefilterte Partikel oder Stoffe, oder aber durch Verkokungen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Ermitteln einer eine Durchflussrate eines Kraftstoffinjektors charakterisierenden Größe sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Betrieb von Brennkraftmaschinen, bei denen Kraftstoff über Kraftstoffinjektoren in Brennräume eingebracht wird, der z.B. aus einem Hochdruckspeicher entnommen wird, wie eingangs erwähnt. Wie schon erwähnt, verkoken solche Kraftstoffinjektoren, dort insbesondere die Einspritzdüsen, während des Betriebs. Der Begriff Verkokung bezeichnet eine relative Durchflussänderung von Einspritzdüsen durch Belagsbildung im Innern der Spritzlöcher. Eine solche Durchflussänderung bezieht sich hierbei auf eine Durchflussrate bzw. Volumenstrom (Volumen pro Zeit) jeweils für einen bestimmten Einspritzdruck, die mit der Zeit von einem nominalen oder ursprünglichen Wert auf einen typischerweise niedrigeren Wert absinkt. Einspritzdüsen verkoken dabei in der Regel sehr unterschiedlich, einige wenige davon manchmal auch sehr stark. Der Umfang der Verkokung ist von vielen Parametern abhängig wie dem Düsendesign, der Kraftstoffqualität oder dem Lastprofil der Anwendung und hat direkten Einfluss auf den hydraulischen Düsendurchfluss, das Verhalten des Kraftstoffinjektors und letztendlich die eingespritzte Kraftstoffmenge bzw. Kraftstoffmasse.
  • Im Lichte dieser Problematik ist es ein Ziel, eine solche Verkokung - oder auch allgemein eine eine Durchflussrate des Kraftstoffinjektors charakterisierende Größe - zu detektieren, zu quantifizieren und die Ansteuerung des Kraftstoffinjektors injektor-individuell so zu korrigieren, dass die eingespritzte Kraftstoffmenge konstant bleibt (bzw. möglichst der gewünschten Kraftstoffmenge entspricht). Dazu werden Ansteuer- bzw. Einspritzparameter wie z.B. Druck im Hochdruckspeicher, (zeitliche) Lage und Dauer der Einspritzung entsprechend den durch die Verkokung veränderten Randbedingungen angepasst.
  • Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten oder Vorgehensweisen, die z.B. für als Magnetventil-Injektoren ausgebildete Kraftstoffinjektoren angewendet werden. Trotz erzielter Fortschritte mit solchen Funktionen, bleibt die Bestimmung der Verkokung eine Herausforderung. Wechselwirkungen mit anderen Toleranzen sowie Umgebungseinflüsse erschweren die Bestimmung der Verkokung in der erforderlichen Genauigkeit, sodass der volle Funktionsumfang dieser Funktionen nicht immer genutzt werden kann.
  • Anforderungen an die Genauigkeit der Detektion von durchflussverändernden Degradationen wie einer Verkokung sind in der Regel sehr hoch. Fehler bei Verfahren, bei denen basierend auf dem Schließzeitpunkt der Düsennadel eine Korrektur der Ansteuerparameter des Kraftstoffinjektors vorgenommen wird, korrelieren in der Regel eins zu eins mit Fehlern der Einspritzmenge.
  • Vor diesem Hintergrund wird vorgeschlagen, ein datenbasiertes Modell zu verwenden, das wenigstens zwei voneinander verschiedene Verfahren - oder Ansätze oder Berechnungsmethoden - zum Ermitteln einer eine Durchflussrate eines Kraftstoffinjektors charakterisierenden Größe kombiniert. Eine solche Größe kann ein absoluter oder relativer Wert der Durchflussrate sein, womit auf eine Verkokung geschlossen werden kann. Hierbei werden wenigstens zwei Eingangswerte für das datenbasierte Modell ermittelt und mittels des datenbasierten Modells wird dann wenigstens ein Ausgangswert bestimmt, anhand dessen ein Wert für die die Durchflussrate des Kraftstoffinjektors charakterisierende Größe ermittelt wird.
  • Je nach Modell kann der Ausgangswert direkt den Wert der Durchflussrate umfassen. Denkbar ist aber auch z.B. ein relativer Wert, der die Verringerung der maximalen Durchflussrate des Kraftstoffinjektors im Vergleich zu einem früheren oder Nominalwert angibt. Als Eingangswerte bzw. entsprechende Eingangsgrößen kommen dabei insbesondere die für die betreffenden Verfahren, die in dem datenbasierten Modell kombiniert werden, verwendeten Eingangswerte bzw. Eingangsgrößen in Betracht.
  • Bevorzugt wird mittels des datenbasierten Modells der wenigstens eine Ausgangswert unter Verwendung maschinellen Lernens, insbesondere eines künstlichen neuronalen Netzes, bestimmt. Basierend auf dem ermittelten Wert für die Größe kann dann auch wenigstens ein Ansteuerparameter für den Kraftstoffinjektor, wie schon erwähnt, angepasst werden. Mit anderen Worten kann das datenbasierte Modell als künstliches neuronales Netz implementiert sein, oder z.B. auch mittels Gaußprozess-Regression oder polynomialer Regression erzeugt werden.
  • Auf diese Weise kann eine Verkokung der Einspritzdüsen injektor-individuell im Fahrzeug während eines Betriebs der Brennkraftmaschine in einer ausführenden Recheneinheit wie dem Motorsteuergerät ohne zusätzliche Sensorik mit Hilfe von z.B. maschinellem Lernen bestimmt werden. Als Sensoren kommen insofern alle für die im Modell kombinierten Verfahren verwendeten Sensoren in Betracht. Dies kann, wie später noch erläutert, z.B. ein sog „Needle-Closing-Sensor“ bzw. NCS sein. Ein solcher Sensor ist dafür vorgesehen, den hydraulischen Druck im Ventilraum des Kraftstoffinjektors zu erfassen. Mittels eines solchen Sensors können anhand charakteristischer Merkmale des Druckverlaufs insbesondere der Umkehrzeitpunkt der Düsennadel und der Schließzeitpunkt der Düsennadel im Kraftstoffinjektor detektiert werden. Der Sensor kann dabei z.B. als Piezo-Sensor ausgebildet sein, der dann eine entsprechende Spannung ausgibt. Weitere Sensoren sind aber nicht nötig.
  • Maschinelles Lernen ermöglicht es, komplizierte Wechselwirkungen einer Vielzahl von Modellparametern kompakt in einem geschlossenen Datenmodell abzubilden. Dieses Datenmodell mit Ein-/ und Ausgängen bzw. Eingangs- und Ausgangswerten kann z.B. in das Motorsteuergerät integriert werden. Im Betrieb werden die erforderlichen Modelleingänge dann entsprechend vom Motorsteuergerät bereitgestellt und injektor-individuell die Verkokung oder der Düsendurchfluss als Ausgang berechnet.
  • Ein entscheidender Punkt des vorgeschlagenen Vorgehens ist die Kombination verschiedener Modellansätze zur Ermittlung oder Erkennung einer Degradation wie der Verkokung in einem Datenmodell mit Hilfe von z.B. maschinellem Lernen. Jedes einzelne Verfahren oder jeder einzelne Ansatz hat dabei für sich betrachtet meist spezifische Schwächen, die dazu führen, dass die geforderte Genauigkeit und Robustheit der Erkennung der Degradation nicht erreicht wird. Durch die Bündelung und das Zusammenführen der unterschiedlichen Modellansätze hierfür in einem Datenmodell wird nun erreicht, dass die spezifischen Schwächen der verschiedenen Ansätze weniger ins Gewicht fallen und damit eine genauere Ermittlung der Verkokung möglich ist.
  • Die kombinierten Ansätze bzw. deren zugrundeliegenden Modelle basieren bevorzugt rein auf skalaren Einspritzsystem-Größen. Es werden insbesondere auch nur Modellparameter gewählt, die entsprechend den einzelnen Ansätzen physikalisch motiviert einen Rückschluss auf die Düsenverkokung ermöglichen. Es geht nicht um eine reine Mustererkennung. Der Parameterraum ist vorzugsweise - aber nicht notwendigerweise - auf Einspritzsystem-Größen konzentriert. Dies erleichtert die Bereitstellung von Daten für das Modelltraining im Vergleich zu Motor- oder Fahrzeugdaten erheblich, da für das Einspritzsystem einerseits detaillierte numerische Rechenmodelle vorliegen und andererseits spezielle Prüfeinrichtungen existieren, mit denen das Einspritzsystem getrennt von der Brennkraftmaschine bzw. vom Motor vermessen werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, umfangreiche Parametervariationen beispielsweise durch Tausch der Einspritzdüsen mit unterschiedlicher Verkokung zur Systemidentifikation durchzuführen, und damit die notwendigen Daten für Modelltraining und -test bereitzustellen.
  • Außerdem wird es ermöglicht, in dem datenbasierten Modell geometrische Parameter des Kraftstoffinjektors zu berücksichtigen. Unter geometrischen Parametern sind hierbei insbesondere sog. Fertigungsdaten zu verstehen, die als zusätzliche Modellparameter integriert werden. Dies umfasst insbesondere Funktionsmerkmale, die einzeln geprüft werden können und sich im Laufe des Fahrzeuglebens nicht bzw. nur wenig ändern. Ein Beispiel für ein solches Funktionsmerkmal ist das A/Z-Verhältnis bzw. Ablauf-Zulauf-Verhältnis (der Steuerraum des Injektors besitzt eine Zulauf- und eine Ablaufdrossel; das A/Z-Verhältnis bezeichnet das Durchfluss-Verhältnis der beiden Drosseln und hat Einfluss auf die Dynamik, also Öffnen und Schließen, der Düsennadel). Fertigungsdaten können dann als Teil eines Modelldatensatzes oder Modelldatenpunktes verwendet werden.
  • Nachfolgend sollen bevorzugte, in dem datenbasierten Modell zu kombinierenden Verfahren zum Ermitteln einer Durchflussrate eines Kraftstoffinjektors näher erläutert werden.
  • Ein bevorzugtes Verfahren zum Ermitteln einer Durchflussrate eines Kraftstoffinjektors ist eines, bei dem basierend auf einem Umkehrzeitpunkt einer Düsennadel des Kraftstoffinjektors und/oder einer Schließdauer der Düsennadel des Kraftstoffinjektors ein, insbesondere druckabhängiges, Maß für die Größe (bzw. Degradation) bestimmt wird. Dieser Umkehrzeitpunkt und diese Schließdauer können z.B. unter Verwendung des vorstehend erwähnten Sensors (NCS) bestimmt werden. Beide Größen (auch als Timing-Größen bezeichnet) charakterisieren die Degradation bzw. Verkokung des Kraftstoffinjektors. Dabei kann sich zunutze gemacht werden, dass sich insbesondere die Nadelschließdauer - und damit auch die Spritzdauer - mit zunehmender Verkokung vergrößert. Eine Schwäche dieses Ansatzes ist, dass die Nadelschließdauer nicht allein von der Verkokung des Injektors abhängt, sondern ebenso von einem Führungsspiel der Düsennadel. Das Führungsspiel ist jedoch nicht konstant und kann sich mit der Zeit in Abhängigkeit von der Belastung verändern, d.h. es „driftet“. Diese Drift des Führungsspiels ist eine Unbekannte, die neben anderen Störgrößen das Verkokungsmodell dieses Ansatzes verfälscht.
  • Ein weiteres bevorzugtes Verfahren zum Ermitteln einer Durchflussrate eines Kraftstoffinjektors ist eines, bei dem anhand von Charakteristika (oder Merkmalen) eines Verlaufs eines Signals eines solchen Sensors (NCS) im Bereich eines Schließzeitpunkts einer Düsennadel des Kraftstoffinjektors ein Maß für die Degradation bestimmt wird. Hierzu kann z.B. auf ein - typischerweise vorliegendes - gefiltertes Sensorsignal zurückgegriffen werden. Hierin zeigt sich beim Nadelschließen eine charakteristische Signalform, die von Sensor- und/oder Kraftstoffinjektorparametern wie dem Düsendurchfluss bzw. der Verkokung abhängig ist. Diese Signalform kann durch charakteristische Größen (z.B. Überschwingen, Unterschwingen, Höhe, Gradient, Dauer) beschrieben werden, die als Parameter in das kombinierte Datenmodell eingehen können.
  • Ein weiteres bevorzugtes Verfahren zum Ermitteln einer Durchflussrate eines Kraftstoffinjektors ist eines, bei dem der Förderbeginn einer Hochdruckpumpe bzw. Hochdruck-Kraftstoffpumpe ein Maß für die eingespritzte Kraftstoffmenge ist. Um mit Hilfe z.B. einer Hubkolbenpumpe mit festem Förderende einen definierten Druck im Hochdruckspeicher zu halten, ist zum Ausgleich einer aus dem Hochdruckspeicher entnommenen Kraftstoffmenge eine entsprechende Füllung des Hubvolumens der Pumpe mit Kraftstoff erforderlich. Der Förderbeginn charakterisiert den Zeitpunkt, an dem der Pumpenkolben beginnt, über ein Rückschlagventil gegen den Druck des Hochdruckspeichers die Kraftstofffüllung der Pumpe in den Hochdruckspeicher zu fördern, und ist ein Maß für die eingespritzte Kraftstoffmenge. Damit kann also auch ein Maß für die Größe bzw. Degradation gewonnen werden.
  • Ein weiteres bevorzugtes Verfahren zum Ermitteln einer Durchflussrate eines Kraftstoffinjektors ist eines, bei dem anhand einer durch eine Einspritzung, insbesondere eine Haupteinspritzung, des Kraftstoffinjektors hervorgerufene Druckänderung und/oder eines Druckgradienten in einem Hochdruckspeicher, über den der Kraftstoffinjektor versorgt wird, ein Maß für die Degradation bestimmt wird. Die Bestimmung des Durchflusses aus dem Gradienten (der eine Druckänderung angibt) eines (insbesondere ungestörten) Einbruchs des Drucks im Hochdruckspeicher bei Einspritzung ist ein weiterer Modellansatz zur Verkokungserkennung. Dabei wird der Druck z.B. zu zwei definierten Zeitpunkten am Beginn und Ende des durch die Einspritzung ausgelösten Druckabfalls bestimmt, und die Druckdifferenz gebildet. Der auf diese Weise abgeleitete Gradient des Druckabfalls stellt ein direktes Maß für den Düsendurchfluss bzw. die Verkokung bei geöffneter Düsennadel außerhalb der Sitzdrosselung dar.
  • Die Bedingungen und Toleranzen der Erfassung des Drucks im Hochdruckspeicher beeinflussen die Güte des Modells. So ist der Echtzeit-Druck im Hochdruckspeicher im Motorsteuergerät in der Regel nicht verfügbar, sondern lediglich ein gefiltertes, zeitdiskretes Signal. Das Erfassen der Druckwerte muss daher zweckmäßigerweise an die Randbedingungen der Druckerfassung angepasst werden.
  • Ein weiteres bevorzugtes Verfahren zum Ermitteln einer Durchflussrate eines Kraftstoffinjektors ist eines, bei dem anhand eines Verhältnisses einer bei einer Einspritzung des Kraftstoffinjektors eingebrachten Kraftstoffmenge und einer Zeitdauer der Einspritzung ein Maß für die Degradation bestimmt wird. Bei dieser Möglichkeit, den Düsendurchfluss zu bestimmen, wird die Einspritzmenge ins Verhältnis zur Spritzdauer des Kraftstoffinjektors (Zeit vom Nadelöffnen bis Nadelschließen) gesetzt. Die Spritzdauer bzw. Einspritzdauer ist im Motorsteuergerät z.B. mit Hilfe des NCS bekannt, nicht jedoch die eingespritzte Kraftstoffmenge. Eine potentielle Ersatzgröße für die Einspritzmenge ist der Druckeinbruch Δp einer Einspritzung im Hochdruckspeicher: Δ p = B V H Δ V .
    Figure DE102021212338A1_0001
  • Der Einbruch Δp des Drucks ist unter den gegebenen Randbedingungen proportional zu dem aus dem Hochdruckspeicher bzw. dessen Volumen VH entnommenen Kraftstoffmenge ΔV. Druckdifferenz und relative Volumenänderung sind dabei über den Kompressionsmodul B verknüpft. Auch hier verfälschen spezifische Toleranzeinflüsse wie z.B. die Randbedingungen der Erfassung des Drucks im Hochdruckspeicher, Toleranzen des Hochdruckvolumens und/oder Einflüsse des Kraftstoffs die Korrelation.
  • Die erwähnten Größen für die verschiedenen Verfahren kommen somit als Eingangsgrößen für das datenbasierte Modell in Betracht.
  • Hervorzuheben ist, dass z.B. im Gegensatz zum ersten Ansatz mit Umkehrzeitpunkt und/oder Schließdauer das Führungsspiel der Düsennadel bei den zuletzt genannten Ansätzen keinen Einfluss auf die ermittelte Verkokung hat. Umgekehrt haben Toleranzen der Erfassung des Raildrucks (Druck im Hochdruckspeicher) keinen Einfluss auf die Timing-Größen Umkehrzeitpunkt und Schließdauer.
  • Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit Common-Rail-System, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
    • 2 zeigt schematisch einen Kraftstoffinjektor, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
    • 3 zeigt schematisch einen Signalverlauf, anhand dessen ein Teil eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform erläutert wird.
    • 4 zeigt schematisch einen Druckverlauf, anhand dessen ein Teil eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform erläutert wird.
    • 5 zeigt schematisch Modelldaten eines datenbasierten Modells, das bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 6 zeigt schematisch einen Vergleich für die Genauigkeit bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform und einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • In 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 100 gezeigt, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Beispielhaft umfasst die Brennkraftmaschine 100 drei Brennräume bzw. zugehörige Zylinder 105. Jedem Brennraum 105 ist ein Kraftstoffinjektor 130 zugeordnet, welcher wiederum jeweils an einen Hochdruckspeicher 120, ein sog. Rail, angeschlossen ist, über welchen er mit Kraftstoff versorgt wird. Es versteht sich, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren auch bei einer Brennkraftmaschine mit einer beliebigen anderen Anzahl an Zylindern, beispielswiese vier, sechs, acht oder zwölf Zylinder, durchgeführt werden kann. Es versteht sich ebenso, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren auch bei einer Brennkraftmaschine mit mehr als einem Rail, beispielsweise V-Motoren mit zwei Rails, durchgeführt werden kann.
  • Weiter wird der Hochdruckspeicher 120 über eine Hochdruckpumpe 110 mit Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 140 gespeist. Die Hochdruckpumpe 110 ist mit der Brennkraftmaschine 100 gekoppelt, und zwar bspw. derart, dass die Hochdruckpumpe über eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, bzw. über eine Nockenwelle, welche wiederum mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, angetrieben wird.
  • Eine Ansteuerung der Kraftstoffinjektoren 130 zum Zumessen bzw. Einspritzen von Kraftstoff in die jeweiligen Brennräume 105 erfolgt über eine als Motorsteuergerät 180 ausgebildete Recheneinheit. Der Übersichtlichkeit halber ist nur die Verbindung vom Motorsteuergerät 180 zu einem Kraftstoffinjektor 130 dargestellt, es versteht sich jedoch, dass jeder Kraftstoffinjektor 130 an das Motorsteuergerät entsprechend angeschlossen ist. Jeder Kraftstoffinjektor 130 kann dabei spezifisch angesteuert werden. Ferner ist das Motorsteuergerät 130 dazu eingerichtet, den Kraftstoffdruck in dem Hochdruckspeicher 120 mittels eines Drucksensors 190 zu erfassen.
  • In 2 ist beispielhaft ein Kraftstoffinjektor 130 mit einem als Magnetventil ausgebildeten Aktor 135 (grundsätzlich kann das Vorgehen auch bei einem Kraftstoffinjektor mit Piezoaktor Anwendung finden) und zugehörigem NCS-Sensor 136 gezeigt, wie er z.B. bei der Brennkraftmaschine 100 gemäß 1 verwendet werden kann. Der Aktor 135 dient zur Ansteuerung eines Servo-Ventils 134 in dem Kraftstoffinjektor 130. Zudem ist eine Düsennadel 137 gezeigt, die Durchflussöffnungen bzw. Düsenlöcher 138 zum Einspritzen von Kraftstoff freigeben und verschließen kann.
  • Der Sensor 136 ist z.B. an dem Kraftstoffinjektor 130 derart angeordnet, dass das Sensorsignal auf Druckänderungen im Ventilraum reagiert, wodurch dann auf charakteristische Zeitpunkte von Einspritzvorgängen mittels des Kraftstoffinjektors 130 wie Öffnen und Schließen der Düsen- bzw. Ventilnadel geschlossen werden kann. Der Aktor 135 ist mit zwei Ansteuerleitungen an z.B. eine Endstufe im Motorsteuergerät 180 angebunden. Der Sensor 136 ist hier über zwei Eingänge an das Motorsteuergerät 180 angebunden.
  • In 3 ist schematisch ein Signalverlauf S über einer Zeit t gezeigt, anhand dessen ein Teil eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform erläutert werden soll. Der Signalverlauf S stellt einen Verlauf des von einem NCS gelieferten Signals dar, bei dem es sich z.B. um eine Spannung handelt.
  • Anhand dieses Verlaufs können grundsätzlich für den Einspritzvorgang charakteristische Zeitpunkt wie ein Öffnungszeitpunkt to, ein Umkehrzeitpunkt tu der Düsennadel sowie ein Schließzeitpunkt ts bestimmt werden. Damit lässt sich z.B. auch die Schließdauer Δts der Düsennadel (als ts-tu) bestimmen.
  • Unter Berücksichtigung des dabei herrschenden Drucks im Hochdruckspeicher kann anhand dieser Timing-Größen grundsätzlich auf den Durchfluss durch den Kraftstoffinjektor und damit auf eine Verkokung geschlossen werden. Wie erwähnt, hängt die Nadelschließdauer aber nicht allein von der Verkokung des Injektors ab, sondern ebenso vom Führungsspiel der Düsennadel, das meist nicht konstant ist.
  • Vor diesem Hintergrund kann dieses Vorgehen mit weiteren, verschiedenen Verfahren bzw. Ansätzen zum Ermitteln einer Durchflussrate eines Kraftstoffinjektors im datenbasierten Modell kombiniert werden.
  • Ein weiteres solches Verfahren soll ebenfalls anhand von 3 erläutert werden. In dem vergrößert dargestellten Ausschnitt des Signalverlaufs S ist der Bereich um den Schließzeitunkt tS der Düsennadel zu sehen. Der konkrete Verlauf kann dort z.B. anhand bestimmter Charakteristika wie dem Signalabfall ΔS1 dem Signalanstieg ΔS2 (oder auch minimalem und maximalem Wert bzgl. einer Referenz, oder auch deren Differenz) sowie dem Abstand Δt1 zwischen dem minimalen und maximalen Wert in diesem Bereich charakterisiert werden.
  • Diese charakteristische Signalform hängt von Sensor- und/oder Kraftstoffinjektorparametern wie dem Düsendurchfluss bzw. der Verkokung ab. Die charakteristischen Größen können im Rahmen eines weiteren Ansatzes als Parameter in das kombinierte Datenmodell eingehen.
  • In 4 ist schematisch ein Druckverlauf mit einem Druck p über der Zeit t gezeigt, anhand dessen ein Teil eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform erläutert werden soll. Dabei gibt p1 den realen Druckverlauf im Hochdruckspeicher an, p2 hingegen den letztlich durch Messung im Motorsteuergerät vorliegenden Verlauf dieses Drucks, der nicht nur diskretisiert, sondern auch zeitverzögert ist.
  • Die Bestimmung des Durchflusses aus dem Gradienten dp/dt eines z.B. ungestörten Einbruchs des Drucks p im Hochdruckspeicher bei Einspritzung erfolgt z.B., indem der Druck zu zwei definierten Zeitpunkten t1 am Beginn und t2 Ende des durch die Einspritzung ausgelösten Druckabfalls bestimmt und die Druckdifferenz gebildet wird. Der auf diese Weise abgeleitete Gradient dp/dt des Druckabfalls stellt ein direktes Maß für den Düsendurchfluss bzw. die Verkokung bei geöffneter Düsennadel dar.
  • Die Bedingungen und Toleranzen der Erfassung des Drucks im Hochdruckspeicher beeinflussen die Güte des Modells. So ist der Echtzeit-Druck im Hochdruckspeicher im Motorsteuergerät in der Regel nicht verfügbar, wie im Diagramm zu sehen, sondern lediglich ein gefiltertes, zeitdiskretes Signal.
  • Wie erwähnt, ist ein weiteres Vorgehen zum Ermitteln der Verkokung die Bestimmung des Verhältnisses einer bei einer Einspritzung des Kraftstoffinjektors eingebrachten Kraftstoffmenge und einer Zeitdauer der Einspritzung als direktes ein Maß für die Verkokung. Die Einspritzmenge kann, wie erwähnt, über den Druckeinbruch Δp zwischen zwei definierten Zeitpunkten t0 und .t3 vor und nach der Einspritzung, der in 4 gezeigt ist, bestimmt werden. Die Einspritzdauer ist im Motorsteuergerät in der Regel bekannt bzw. kann wie z.B. in Bezug auf 3 erläutert (dort dann als tS-tO) ermittelt werden. Im Rahmen des Verfahrens ist für das datenbasierte Modell 200 vorgesehen, einzelne diskrete Merkmale eines Druckverlaufs im Hochdruckspeicher, d. h. einzelne diskrete gemessene Drucke eines Druckverlaufs im Hochdruckspeicher zu verwenden. Dabei sollen diskrete Merkmale/Drucke eines Druckeinbruchs des Druckverlaufs im Hochdruckspeicher verwendet werden. Insbesondere vier, ganz besonders genau vier, bestimmte durch Messung ermittelte Drucke sollen verwendet werden: Diese Drucke sind insbesondere der Druck p2 beim Zeitpunkt t0 (p2(t0)), der Druck p2 beim Zeitpunkt t1 (p2(t1)), der Druck p2 beim Zeitpunkt t0 (p2(t2)) und der Druck p2 beim Zeitpunkt t3 (p2(t3)). Das heißt, es sollen der Druck p2(t0) - insbesondere unmittelbar - vor der Einspritzung, der Druck p2(t3) - insbesondere unmittelbar - nach der Einspritzung, der Druck p2(t1) zu Beginn des freien Einspritzens und der Druck p2(t2) zum Ende des freien Einspritzens für das datenbasierte Modell 200 verwendet werden. Der Druck p2(t1) und der Druck p2(t2) werden somit zu Zeitpunkten bestimmt, die einen ungestörten Einbruch (insbesondere bei geringstem Strömungswiderstand) des Drucks p2 im Hochdruckspeicher beschreiben (Anfang, Ende).
  • In 5 ist schematisch eine Datenstruktur der Modelldaten zur Erstellung eines datenbasierten Modells, insbesondere Verkokungs-Modells 200 gezeigt, das bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform verwendet werden kann. Das Modell 200 erhält als Eingangsgrößen E z.B. den aktuellen Druck p sowie die aktuelle Temperatur T des Kraftstoffs im Hochdruckspeicher, und zudem die von den verschiedenen Verfahren bzw. Ansätzen, die in Bezug auf die 3 und 4 näher erläutert wurden, benötigen Parameter bzw. Größen, die hier mit X1,1, ..., X2,1, ..., X3,1, ... und X4,1, ... angedeutet sind. Außerdem können geometrischen Daten bzw. Fertigungsdaten berücksichtigt werden, die hier mit Y1, ... angedeutet sind.
  • In den Modelldaten 200 können verschiedene Datensätze, beispielhaft sind Zeilen 1 bis n dargestellt, auf geeignete Weise berücksichtigt bzw. miteinander kombiniert werden, sodass sich jeweils als Ausgangsgröße A ein Maß VK für die die Durchflussrate charakterisierende Größe und damit auch für die Verkokung ergibt. Dieses Maß VK kann z.B. in Prozent der nominalen oder ursprünglichen Durchflussrate angegeben sein. Die Eingangsgrößen bzw. die entsprechenden Parameter können bei Bedarf relativ zu einem Nominalinjektor betrachtet werden.
  • In 6 ist schematisch ein Vergleich für die Genauigkeit bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform und einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Hierzu ist eine geschätzte bzw. berechnete Durchflussrate Qpred über einer realen Durchflussrate Q aufgetragen, wobei die gestrichelte Diagonale Qpred=Q, also den Idealfall angibt.
  • Die mit einem Kreis dargestellten Punkte entsprechen dabei einem (nur) mittels eines Ansatzes unter Bestimmung von Umkehrzeitpunkt und Schließdauer der Düsennadel geschätzten bzw. berechneten Durchflussrate, die mit einem Kreuz bzw. einem X dargestellten Punkte entsprechen rein beispielhaft und zur Verdeutlichung der Tendenz bei einem Verfahren mit dem erläuterten datenbasierten Modell zur Bestimmung der Durchflussrate bzw. der Verkokung. Dabei ist deutlich zu sehen, dass damit die Genauigkeit deutlich größer ist, als bisher.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Ermitteln einer eine Durchflussrate (Q) eines Kraftstoffinjektors charakterisierenden Größe während eines Betriebs einer Brennkraftmaschine (100), der der Kraftstoffinjektor (130) zugeordnet ist, wobei wenigstens zwei Eingangswerte (E) für ein datenbasiertes Modell (200) ermittelt werden, und wobei mittels des datenbasierten Modells (200) wenigstens ein Ausgangswert (A) bestimmt wird, anhand dessen ein Wert (VK) für die die Durchflussrate (Q) des Kraftstoffinjektors charakterisierenden Größe ermittelt wird, wobei das datenbasierte Modell (200) wenigstens zwei voneinander verschiedene Verfahren zum Ermitteln einer eine Durchflussrate (Q) eines Kraftstoffinjektors charakterisierenden Größe kombiniert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mittels des datenbasierten Modells (200) der wenigstens eine Ausgangswert (A) unter Verwendung maschinellen Lernens, insbesondere eines künstlichen neuronalen Netzes, bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das datenbasierte Modell (200) als neuronales Netz implementiert ist.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die die Durchflussrate (Q) des Kraftstoffinjektors charakterisierende Größe eine absolute oder relative Durchflussrate des Kraftstoffinjektors umfasst.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei basierend auf dem ermittelten Wert (VK) für die Größe wenigstens ein Ansteuerparameter für den Kraftstoffinjektor (130) angepasst wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das datenbasierte Modell (200) ein Verfahren zum Ermitteln einer eine Durchflussrate (Q) eines Kraftstoffinjektors charakterisierenden Größe umfasst, bei dem basierend auf einem Umkehrzeitpunkt (tu) einer Düsennadel (137) des Kraftstoffinjektors (130) und/oder einer Schließdauer (Δts) der Düsennadel (137) des Kraftstoffinjektors (130) ein, insbesondere druckabhängiges, Maß für die Größe bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das datenbasierte Modell (200) ein Verfahren zum Ermitteln einer eine Durchflussrate (Q) eines Kraftstoffinjektors charakterisierenden Größe umfasst, bei dem anhand von Charakteristika (ΔS1, ΔS2, Δt1) eines Verlaufs eines Signals eines Sensors (135), der dafür vorgesehen ist, ein Öffnen und/oder Schließen des Kraftstoffinjektors (130) zu erfassen, im Bereich eines Schließzeitpunktes (ts) einer Düsennadel des Kraftstoffinjektors (130) ein Maß für die Größe bestimmt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das datenbasierte Modell (200) ein Verfahren zum Ermitteln einer eine Durchflussrate (Q) eines Kraftstoffinjektors charakterisierenden Größe umfasst, bei dem anhand eines Förderbeginns einer Hochdruckpumpe (110) ein Maß für eine eingespritzte Kraftstoffmenge (ΔV) bestimmt wird, um ein Maß für die Größe zu bestimmen.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das datenbasierte Modell (200) ein Verfahren zum Ermitteln einer eine Durchflussrate (Q) eines Kraftstoffinjektors charakterisierenden Größe umfasst, bei dem anhand einer durch eine Einspritzung, insbesondere eine Haupteinspritzung, des Kraftstoffinjektors (130) hervorgerufene Druckänderung (Δp) und/oder eines Druckgradienten (dp/dt) in einem Hochdruckspeicher (120), über den der Kraftstoffinjektor (130) versorgt wird, ein Maß für die Größe bestimmt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das datenbasierte Modell (200) ein Verfahren zum Ermitteln einer eine Durchflussrate (Q) eines Kraftstoffinjektors charakterisierenden Größe umfasst, bei dem anhand eines Verhältnisses einer bei einer Einspritzung des Kraftstoffinjektors (130) eingebrachten Kraftstoffmenge und einer Zeitdauer der Einspritzung ein Maß für die Größe bestimmt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in dem datenbasierten Modell (200) weiterhin geometrische Parameter (Y1) des Kraftstoffinjektors (130) berücksichtigt werden.
  12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei Eingangswerte (E) für das datenbasierte Modell (200) ausgewählt oder abgeleitet sind aus Werten folgender Größen: Umkehrzeitpunkt (tu) einer Düsennadel (137) des Kraftstoffinjektors (130), Schließdauer (Δts) der Düsennadel (137) des Kraftstoffinjektors (130), Charakteristika (ΔS1, ΔS2, Δt1) eines Verlaufs eines Signals eines Sensors (135), der dafür vorgesehen ist, ein Öffnen und/oder Schließen des Kraftstoffinjektors (130) zu erfassen, im Bereich eines Schließzeitpunktes (ts) einer Düsennadel des Kraftstoffinjektors (130), Förderbeginn einer Hochdruckpumpe (110), durch eine Einspritzung, insbesondere eine Haupteinspritzung, des Kraftstoffinjektors (130) hervorgerufene Druckänderung (Δp) in einem Hochdruckspeicher (120), über den der Kraftstoffinjektor (130) versorgt wird, durch eine Einspritzung, insbesondere eine Haupteinspritzung, des Kraftstoffinjektors (130) hervorgerufenen Druckgradienten (dp/dt) in einem Hochdruckspeicher (120), über den der Kraftstoffinjektor (130) versorgt wird, und Verhältnis einer bei einer Einspritzung des Kraftstoffinjektors (130) eingebrachten Kraftstoffmenge und einer Zeitdauer der Einspritzung.
  13. Recheneinheit (180), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
  14. Computerprogramm, das eine Recheneinheit (180) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (180) ausgeführt wird.
  15. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 14.
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