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DE102005044547A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen eines defekten Einspritzventils - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen eines defekten Einspritzventils Download PDF

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DE102005044547A1
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Heidrun Hacker
Peter Dr. Hohner
Dennis Dipl.-Ing. Luksch (FH)
Oliver Dipl.-Ing. Platzek (FH)
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Mercedes Benz Group AG
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DaimlerChrysler AG
Robert Bosch GmbH
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Abstract

Zum Erfassen eines defekten Einspritzventils einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine wird vorgeschlagen, den zeitlichen Verlauf des Lambdawertes (lambda) des Abgasmassenstroms stromab der Brennkraftmaschine zu erfassen; einen Schwingungsanteil (lambda¶S¶) der Frequenz eines Arbeitsspiels (a) der Brennkraftmaschine aus dem erfassten zeitlichen Verlauf des Lambdawertes (lambda) zu extrahieren und dann ein defektes Einspritzventil zu beurteilen, falls der extrahierte Schwingungsanteil (lambda¶S¶) des zeitlichen Verlaufs des Lambdawertes ein vorbestimmtes Maß übersteigt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen eines defekten Einspritzventils einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine.
  • Bei einem direkteinspritzenden Ottomotor ist das Einspritzventil (Injektor) so angebracht, dass seine Einspritzdüse direkt in den Brennraum ragt. Mit dieser Anordnung ist es möglich, den Kraftstoff direkt in den Brennraum einzubringen. Arbeitet das System fehlerfrei, ist die abgesetzte Kraftstoffmenge in jedem Zylinder derart, dass sich ein gewünschtes stöchiometrisches Luft/Kraftstoffgemisch einstellt.
  • Wenn eines dieser Einspritzventile aufgrund eines Fehlverhaltens nicht vollständig geschlossen werden kann, bewirkt die eingebrachte Kraftstoffmenge ein anderes als das benötigte stöchiometrische Luft/Kraftstoffgemisch. Ein solches defektes Einspritzventil kann den Motorlauf/die Motormechanik auf verschiedene Weise negativ beeinflussen.
  • Zum Beispiel kann beim Abstellen des Motors ein Zylinder mit Kraftstoff gefüllt werden, sodass bei einem Wiederstart der Kraftstoff verdichtet wird und so zu unwiderruflichen mechanischen Motorschäden führen kann. Weiter ist durch den zusätzlichen eingebrachten Kraftstoff bei einem Kaltstart mit einem erhöhten Ausstoß von Kohlenwasserstoffen zu rechnen, wodurch die immer strenger werdenden Abgasnormen nicht eingehalten werden können. Durch eine Ungleichverteilung des Kraftstoffes zwischen den einzelnen Zylindern kann es bei großen Leckagen außerdem zu einem unruhigen Motorlauf kommen.
  • Es besteht deshalb Bedarf an einer Möglichkeit, ein defektes Einspritzventil erfassen zu können.
  • Hierzu offenbart zum Beispiel die DE 42 43 178 A1 ein Verfahren zur Erkennung undichter Einspritzventile bei einer Brennkraftmaschine, bei dem beim Startvorgang unter vorgebbaren Bedingungen alle Zylinder, einschließlich der nichteingespritzten, gezündet werden. Anschließend erfolgt eine Drehzahlmessung und Überwachung derart, dass eine von einer zusätzlichen Entflammung in einem Zylinder verursachte Drehzahlsteigerung erkannt wird.
    •
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine weitere Vorrichtung und ein weiteres Verfahren zum Erfassen eines defekten Einspritzventils einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine bereitzustellen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen eines defekten Einspritzventils einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine bereitzustellen, welche keinen Eingriff in den normalen Betriebsablauf der Brennkraftmaschine erfordern.
  • Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
  • Zum Erfassen eines defekten Einspritzventils einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine wird zunächst der zeitliche Verlauf des Lambdawertes des Abgasmassenstroms stromab der Brennkraftmaschine mittels einer Lambdasonde erfasst; dann wird ein Schwingungsanteil der Frequenz eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine aus dem erfassten zeitlichen Verlauf des Lambdawertes extrahiert; und ein defektes Einspritzventil wird erkannt, falls der extrahierte Schwingungsanteil des zeitlichen Verlaufs des Lambdawertes ein vorbestimmtes Maß übersteigt.
  • Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass ein undichtes Einspritzventil das stöchiometrische Luft/Kraftstoffgemisch im Brennraum und als Folge davon auch im Abgasmassenstrom verändert. Diese Veränderung erfolgt im Rhythmus des Arbeitsspiels, d.h. mit der Frequenz des Einspritztaktes der Zylinder. Durch Erfassen dieser Veränderung des Lambdawertes im Abgasmassenstrom kann daher ohne einen Eingriff in den normalen Betriebsablauf der Brennkraftmaschine ein defektes Einspritzventil erfasst werden. Diese Erfassung kann außerdem mittels der ohnehin vorhandenen Lambdasonden und eines speziellen Auswerteprogramms des ohnehin vorhandenen Steuergeräts der Brennkraftmaschine durchgeführt werden.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung werden zur Beurteilung, ob der extrahierte Schwingungsanteil ein vorbestimmtes Maß übersteigt, die folgenden Schritte ausgeführt. Zuerst wird ein Absolutwert des extrahierten Schwingungsanteils des zeitlichen Verlaufs des Lambdawertes gebildet; dann wird dieser Absolutwert des extrahierten Schwingungsanteils über einen vorbestimmten Zeitraum gemittelt; und schließlich wird beur teilt, ob der gebildete Mittelwert des Absolutwertes ein vorbestimmtes Maß übersteigt.
  • In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung werden zur Beurteilung, ob der extrahierte Schwingungsanteil ein vorbestimmtes Maß übersteigt, die folgenden Schritte ausgeführt. Zuerst wird ein Absolutwert des extrahierten Schwingungsanteils des zeitlichen Verlaufs des Lambdawertes gebildet; dann wird dieser Absolutwert des extrahierten Schwingungsanteils über vorbestimmte Zeiträume integriert und ein Mittelwert dieser Integralwerte über einen vorbestimmten Zeitraum gebildet; und schließlich wird beurteilt, ob der gebildete Mittelwert der Integralwerte ein vorbestimmtes Maß übersteigt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zur Beurteilung, ob der extrahierte Schwingungsanteil ein vorbestimmtes Maß übersteigt, alternativ die folgenden Schritte ausgeführt. Zunächst wird ein Absolutwert des extrahierten Schwingungsanteils des zeitlichen Verlaufs des Lambdawertes gebildet; dann wird dieser Absolutwert des extrahierten Schwingungsanteils über vorbestimmte Zeiträume integriert und ein gleitender Mittelwert der Integralwerte gebildet; und schließlich wird beurteilt, ob der gebildete gleitende Mittelwert ein vorbestimmtes Maß übersteigt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen eines defekten Einspritzventils einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine wird vorzugsweise während eines Leerlaufbetriebs der Brennkraftmaschine, d.h. bei einer geringen Motorlast und stehendem Fahrzeug, während eines Homogenbetriebs (λ ≈ 1)der Brennkraftmaschine, und bei einer betriebswarmen Brennkraftmaschine ausgeführt.
    •
  • Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
  • 1 eine beispielhafte Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Lambdawertes bei einem defekten Einspritzventil im Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine; und
  • 2 verschiedene Darstellungen (a) bis (d) zur Erläuterung der Verfahrensschritte zur Beurteilung eines defekten Einspritzventils der Brennkraftmaschine.
  • Die vorliegende Erfindung ist vorteilhafterweise auf eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine (z.B. Ottomotor), bei welcher die Düsenspitzen der Einspritzventile direkt in den Brennraum ragen, anwendbar.
  • Die Erfassung eines defekten Einspritzventils der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine erfolgt vorzugsweise im Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine, d.h. λ ≈ 1, während des Leerlaufbetriebs der Brennkraftmaschine, d.h. bei geringer Motorlast und bei stehendem Fahrzeug, und bei einer betriebswarmen Brennkraftmaschine. Außerdem muss im Abgasstrang stromab der Brennkraftmaschine eine Lambdasonde angeordnet sein, die natürlich betriebsbereit sein muss und fehlerfrei arbeitet.
  • Arbeiten alle Einspritzventile (Injektoren) der Brennkraftmaschine fehlerfrei, so misst die Lambdasonde im Abgasstrang einen konstanten Lambdawert von λ ≈ 1, was auf ein stöchio metrisches Luft/Kraftstoffgemisch in allen Zylindern der Brennkraftmaschine zurückzuführen ist.
  • Wenn ein Einspritzventil im Fehlerfall undicht ist, wird in dem zugehörigen Zylinder kein gewünschtes stöchiometrisches Luft/Kraftstoffgemisch erzeugt, sondern die Lambdasonde im Abgasstrang der Brennkraftmaschine misst eine Schwingung des Lambdawertes λ, wie in 1 veranschaulicht.
  • Der von der Lambdasonde gemessene Lambdawert λ setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: dem stöchiometrischen Anteil entsprechend der von der Motorsteuerung berechneten benötigten Kraftstoffmenge für den Betriebspunkt und dem nicht-stöchiometrischen Anteil aufgrund einer Leckagemenge durch ein defektes Einspritzventil. Während der stöchiometrische Anteil durch die Verbrennung im Brennraum umgesetzt wird, sorgt der nicht-stöchiometrische Anteil für eine leichte Überfettung des Zylinders.
  • So bildet der nicht-stöchiometrische Anteil im resultierenden Lambdawert λ des Abgasmassenstroms eine Schwingung aus (siehe 1), welche mit der Frequenz eines Arbeitsspiels a der Zylinder der Brennkraftmaschine schwingt. Diese Schwingung ist im Leerlaufbereich mit minimaler Motorlast aufgrund des hier großen Leckagefehlers am stärksten ausgebildet. Diese Schwingung des Lambdawertes λ kann auf einfache Weise durch eine verbaute lineare Lambdasonde vor dem Katalysator gemessen und ausgewertet werden.
  • Unter Bezugnahme auf 2(a) bis (d) wird nun die Auswertung des gemessenen Lambdawertes λ zur Erfassung eines defekten Einspritzventils erläutert.
  • Ausgehend von dem erfassten Lambdawert λ, wie er in 1 dargestellt ist, wird im ersten Schritt der durch den nicht-stöchiometrischen Anteil hervorgerufene Schwingungsanteil λS aus dem zeitlichen Verlauf des gemessenen Lambdawertes λ extrahiert (siehe 2(a)). Mittels eines Hochpassfilters und entsprechender Grenzfrequenz ist es möglich, ein Signal λS ausreichender Signalgüte für die weitere Auswertung zu generieren.
  • In einem nächsten Schritt (siehe 2(b)) wird der Absolutwert |λS| des Schwingungsanteils λS des Lambdawertes λ gebildet, um eine bessere Aussage über die Schwingungsintensität treffen zu können.
  • Dieser Absolutwert |λS| des Schwingungsanteils λS wird nun fortlaufende über einen vorbestimmten Zeitraum dt aufintegriert und als I1, I2, I3, ..., In zwischengespeichert, wie in 2(c) gezeigt.
  • Die gewünschte Information über das Schwingungsverhalten des Lambdawertes λ erhält man schließlich aus einem gleitenden Mittelwert GMIλS dieser zuvor gebildeten Integralwerte In (siehe 2(d)). Der gleitende Mittelwert GMIλS kann nun über einen Zeitraum beobachtet und bewertet werden. Insbesondere wird ein Einspritzventil als defekt beurteilt, wenn der gleitende Mittelwert GMIλS einen vorbestimmten Wert übersteigt.
  • Während die Erfindung oben anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen vollständig beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, dass der Fachmann zahlreiche Änderungen und Modifikationen daran vornehmen kann, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, wie er durch die anhängenden Ansprüche definiert ist.
  • Während in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel das Schwingungsverhalten anhand des gleitenden Mittelwertes GMIλS der Integralwerte IλS des Absolutwertes |λS| des Schwingungsanteils λS des Lambdawertes λ bewertet worden ist, ist es in einer vereinfachten Ausführungsform der Erfindung auch möglich, das Schwingungsverhalten des Lambdawertes λ anhand eines ,normalen' Mittelwertes der Integralwerte IλS des Absolutwertes |λS| des Schwingungsanteils λS des Lambdawertes λ zu bewerten.
  • In einer noch einfacheren Ausführungsform der Erfindung ist es beispielsweise ferner denkbar, direkt den Mittelwert des Absolutwertes |λS| des Schwingungsanteils λS des Lambdawertes λ zu bestimmen und auszuwerten, d.h. auf den Zwischenschritt der Integration zu verzichten.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zum Erfassen eines defekten Einspritzventils einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, mit einer Lambdasonde zum Erfassen eines Lambdawertes (λ) des Abgasmassenstroms stromab der Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch eine Extraktionseinrichtung zum Extrahieren eines Schwingungsanteils (λS) der Frequenz eines Arbeitsspiels (a) der Brennkraftmaschine aus dem erfassten zeitlichen Verlauf des Lambdawertes (λ); und eine Beurteilungseinrichtung zum Beurteilen eines defekten Einspritzventils, falls der extrahierte Schwingungsanteil (λS) ein vorbestimmtes Maß übersteigt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beurteilungseinrichtung aufweist: eine Einrichtung zum Bilden eines Absolutwertes (|λS|) des extrahierten Schwingungsanteils des zeitlichen Verlaufs des Lambdawertes; eine Einrichtung zum Bilden eines Mittelwertes des gebildeten Absolutwertes (|λS|) des Schwingungsanteils über einen vorbestimmten Zeitraum; und eine Beurteilungseinrichtung zum Beurteilen, ob der ge bildete Mittelwert des Absolutwertes (|λS|) ein vorbestimmtes Maß übersteigt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beurteilungseinrichtung aufweist: eine Einrichtung zum Bilden eines Absolutwertes (|λS|) des extrahierten Schwingungsanteils des zeitlichen Verlaufs des Lambdawertes; eine Integrationseinrichtung zum Integrieren des gebildeten Absolutwertes (|λS|) über vorbestimmte Zeiträume (dt); eine Einrichtung zum Bilden eines Mittelwertes der Integralwerte (IλS) über einen vorbestimmten Zeitraum; und eine Beurteilungseinrichtung zum Beurteilen, ob der gebildete Mittelwert der Integralwerte (IλS) ein vorbestimmtes Maß übersteigt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beurteilungseinrichtung aufweist: eine Einrichtung zum Bilden eines Absolutwertes (|λS|) des extrahierten Schwingungsanteils des zeitlichen Verlaufs des Lambdawertes; eine Integrationseinrichtung zum Integrieren des gebildeten Absolutwertes (|λS|) über vorbestimmte Zeiträume (dt); eine Einrichtung zum Bilden eines gleitenden Mittelwertes (GMIλS) der Integralwerte (IλS); und eine Beurteilungseinrichtung zum Beurteilen, ob der gebildete gleitende Mittelwert (GMIλS) der Integralwerte (IλS) ein vorbestimmtes Maß übersteigt.
  5. Verfahren zum Erfassen eines defekten Einspritzventils einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch die Schritte: Erfassen des zeitlichen Verlaufs des Lambdawertes (λ) des Abgasmassenstroms stromab der Brennkraftmaschine; Extrahieren eines Schwingungsanteils (λS) der Frequenz eines Arbeitsspiels (a) der Brennkraftmaschine aus dem erfassten zeitlichen Verlauf des Lambdawertes (λ); und Beurteilen eines defekten Einspritzventils, falls der extrahierte Schwingungsanteil (λS) des zeitlichen Verlaufs des Lambdawertes ein vorbestimmtes Maß übersteigt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beurteilung, ob der extrahierte Schwingungsanteil (λS) ein vorbestimmtes Maß übersteigt, die folgenden Schritte ausgeführt werden: Bilden eines Absolutwertes (|λS|) des extrahierten Schwingungsanteils des zeitlichen Verlaufs des Lambdawertes; Bilden eines Mittelwertes des gebildeten Absolutwertes (|λS|) des extrahierten Schwingungsanteils über einen vorbestimmten Zeitraum; und Beurteilen, ob der gebildete Mittelwert des Absolutwertes (|λS|) ein vorbestimmtes Maß übersteigt.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beurteilung, ob der extrahierte Schwingungsanteil (λS) ein vorbestimmtes Maß übersteigt, die folgenden Schritte ausgeführt werden: Bilden eines Absolutwertes (|λS|) des extrahierten Schwingungsanteils des zeitlichen Verlaufs des Lambdawertes; Integrieren des gebildeten Absolutwertes (|λS|) des extrahierten Schwingungsanteils über vorbestimmte Zeiträume (dt); Bilden eines Mittelwertes der Integralwerte (IλS) über einen vorbestimmten Zeitraum; und Beurteilen, ob der gebildete Mittelwert der Integralwerte (IλS) ein vorbestimmtes Maß übersteigt.
  8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beurteilung, ob der extrahierte Schwingungsanteil (λS) ein vorbestimmtes Maß übersteigt, die folgenden Schritte ausgeführt werden: Bilden eines Absolutwertes (|λS|) des extrahierten Schwingungsanteils des zeitlichen Verlaufs des Lambdawertes; Integrieren des gebildeten Absolutwertes (|λS|) des extrahierten Schwingungsanteils über vorbestimmte Zeiträume (dt); Bilden eines gleitenden Mittelwertes (GMIλS) der Integralwerte (IλS); und Beurteilen, ob der gebildete gleitende Mittelwert (GMIλS) ein vorbestimmtes Maß übersteigt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren während eines Leerlaufbetriebs der Brennkraftmaschine ausgeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren während eines Homogenbetriebs der Brennkraftmaschine ausgeführt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ausgeführt wird, nachdem die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur erreicht hat.
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