DE102007046489B3

DE102007046489B3 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007046489B3
Application number: DE102007046489A
Authority: DE
Inventors: Jens Pache; Gerd Dr. Rösel
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2027-09-29
Also published as: KR101512289B1; KR20090033105A; US7996141B2; US20090088949A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Entlüftung eines Kurbelgehäuses in einen Ansaugtrakt werden Betriebsparameter der Brennkraftmaschine erfasst (102). Ein Kraftstoff-Massenstrom aus dem Kurbelgehäuse in den Ansaugtrakt wird in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern bestimmt (103). Die Brennkraftmaschine wird in Abhängigkeit von dem Kraftstoff-Massenstrom aus dem Kurbelgehäuse in den Ansaugtrakt gesteuert (111) oder überwacht (108).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Entlüftung eines Kurbelgehäuses in einen Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Programm mit Anweisungen zum Steuern eines solchen Verfahrens und auf eine Vorrichtung zum Steuern und/oder Überwachen der Funktionsfähigkeit einer Brennkraftmaschine.
Vor allem unmittelbar nach einem Kaltstart einer Brennkraftmaschine kann unverbrannter Kraftstoff in einem Schmierstoff der Brennkraftmaschine gelöst werden, der dann mit steigender Betriebstemperatur wieder ausdampft. Beispielsweise bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen nach dem Otto-Prinzip oder nach dem Diesel-Prinzip kann Kraftstoff vor allem in den ersten Sekunden nach einem Kaltstart an dem Ölfilm an der kalten Wand der Brennkammer kondensieren und sich im Ölfilm lösen. Dieses Problem tritt vor allem bei einer Direkteinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum und vor allem bei Ottomotoren aber auch bei anderen Verfahren der Kraftstoff-Zufuhr und Brennkraftmaschinen auf.
Das Lösen von Kraftstoff im Schmierstoff bewirkt eine unerwünschte Veränderung der Schmiereigenschaften des Schmierstoffs. Dadurch können der Verschleiß und die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Defekts erhöht und die Lebenserwartung der Brennkraftmaschine verringert werden.
Der im Schmierstoff gelöste Kraftstoff verdampft mit steigender Betriebstemperatur wieder und sammelt sich in einer Hubkolben-Brennkraftmaschine vor allem im Kurbelgehäuse an. Um eine Emission von unverbranntem Kraftstoff in die Umwelt zu vermeiden, wird das Kurbelgehäuse über eine Kurbelgehäuseentlüftung mit dem Ansaugtrakt verbunden. Aufgrund eines Druckgefälles vom Kurbelgehäuse zum Ansaugtrakt stellt sich ein vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängiger Massenstrom vom Kurbelgehäuse in den Ansaugtrakt ein. Dieser Massenstrom umfasst Abgas und Luft, die an den Dichtringen der Kolben vorbei vom Brennraum in das Kurbelgehäuse gelangt sind (so genannter Blow-By) und gegebenenfalls Kraftstoff, der im Kurbelgehäuse aus dem Schmierstoff ausgedampft sind.
Die Steuerung einer modernen Brennkraftmaschine überwacht die Funktionsfähigkeit ihrer Komponenten mittels einer Diagnose der ihr zur Verfügung stehenden Betriebsparameter. Kraftstoff, der aus dem Schmierstoff ausdampft und über die Kurbelgehäuseentlüftung in den Ansaugtrakt gelangt, fettet das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem oder den Brennräumen der Brennkraftmaschine an. Für eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs und des Luftsauerstoffs (λ = 1) muss die Steuerung der Brennkraftmaschine im Verhältnis zu der der Brennkraftmaschine zugeführten Frischluft weniger Kraftstoff zumessen. Eine solche Abweichung wird von der Steuerung als Defekt an der Brennkraftmaschine, beispielsweise an der Kraftstoff-Zufuhr-Einrichtung oder an einem Lambdasensor interpretiert. Um diese Fehlinterpretation zu vermeiden, wird herkömmlich eine zu niedrige der Brennkraftmaschine zuzumessende Kraftstoffmenge innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne nach einem Kaltstart nicht als Fehler interpretiert. Die Diagnose eines Defekts der Brennkraftmaschine wird dadurch wesentlich eingeschränkt. Diese Einschränkung ist besonders schwerwiegend, wenn die Brennkraftmaschine immer nur für kurze Zeit betrieben wird, beispielsweise im Stadtverkehr.
In der DE 101 47 977 A1 ist ein Verfahren zum Erkennen einer Leckage im Einlasskanal eines Verbrennungsmotors beschrieben, der eine Lambda-Regelung aufweißt. Dabei kann eine Leckage im Einlasskanal des Verbrennungsmotors erkannt werden, indem ein Auswertesignal in Abhängigkeit eines Stellsignals der Lambda-Regelung erzeugt und in Bezug auf das Überschreiten eines Grenzwertes überwacht wird. Im Fall einer Leckage im Einlasskanal erhält der Verbrennungsmotor eine zusätzliche Luftmasse, die von einem Luftmassenmesser nicht erfasst worden ist.
Die zusätzliche Luftmasse wird von der Lambda-Regelung durch eine Erhöhung des Stellsignals ausgeglichen, sodass das ebenfalls erhöhte Auswertesignal zum Erkennen von Leckagen im Einlasskanal herangezogen werden kann. Insbesondere kann auf diese Weise erkannt werden, ob eine Kurbelgehäuse-Entlüftung des Verbrennungsmotors noch ordnungsgemäß mit dem Einlasskanal verbunden ist. Der Kraftstoff-Massenstrom aus dem Kurbelgehäuse wird bei diesem Verfahren weder bestimmt noch beim Betrieb der Brennkraftmaschine berücksichtigt.
Aus der US 6,779,516 B1 ist eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelgehäuse-Entlüftung bekannt, wobei mittels eines Sensors der Massenstrom aus dem Kurbelgehäuse in den Ansaugtrakt bestimmt wird und die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit dieser ermittelten Größe gesteuert wird. Das Signal wird als Trigger für eine Steuerungseinrichtung benutzt die einen Alarm aktiviert oder das Abschalten der Brennkraftmaschine bewirkt oder eine Anzeige aktiviert, dass ein Werkstattbesuch notwendig ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Entlüftung eines Kurbelgehäuses in einen Ansaugtrakt, sowie ein Programm mit Anweisungen zum Steuern eines solchen Verfahrens und eine Vorrichtung zum Steuern und/oder Überwachen der Funktionsfähigkeit einer Brennkraftmaschine zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, einen Kraftstoff-Massenstrom aus einem Kurbelgehäuse in einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine zu bestimmen und beim Steuern oder Überwachen der Brennkraftmaschine zu berücksichtigen. Ein Vorteil besteht darin, dass mit der Berücksichtigung des Kraftstoff-Massenstroms eine präzisere Steuerung und eine vollständigere und genauere Überwachung der Funktionsfähigkeit der Brennkraftmaschine möglich ist.
Zur Bestimmung des Kraftstoff-Massenstroms werden beispielsweise Betriebsparameter der Brennkraftmaschine zum betrachteten Zeitpunkt und zu einem Zeitpunkt, zu dem kein Kraftstoff aus dem Schmierstoff ausdampft, verglichen. Kein oder wenig Kraftstoff dampft beispielsweise bei einer niedrigen Betriebstemperatur kurze Zeit nach einem Kaltstart aus. Beispielsweise wird in diesen beiden Zeitpunkten jeweils das Verhältnis des in die Brennkraftmaschine strömenden Frischluft-Massenstroms und des der Brennkraftmaschine von einer Kraftstoff-Zufuhr-Einrichtung zugemessenen Kraftstoff-Massenstroms betrachtet. Gleichzeitige Abweichungen des Lambda-Faktors von 1 oder von einem anderen vorgegebenen Lambda-Faktor können entsprechend berücksichtigt werden. Äquivalent ist ein Vergleich der am Ausgang einer Lambdaregelung vorliegenden Pegel bzw. Werte oder ein Vergleich von bei der Lambdaregelung verwendeten additiven Adaptionswerten zu den beiden genannten Zeitpunkten. Ein Vorteil dieser Bestimmung des Kraftstoff-Massenstroms besteht darin, dass lediglich Parameter erforderlich sind, die durch eine Steuerung der Brennkraftmaschine regelmäßig erfasst werden, bzw. in dieser bereits vorliegen.
Ein auf eine oben beschriebene Weise bestimmter Kraftstoff-Massenstrom kann vor seiner Verwendung zum Steuern oder Überwachen der Brennkraftmaschine auf seine Plausibilität hin geprüft werden, beispielsweise anhand seiner zeitlichen Entwicklung. Beispielsweise kann angenommen werden, dass der Kraftstoff-Massenstrom vom Kurbelgehäuse in den Ansaugtrakt in einem Verhältnis zum Gesamt-Massenstrom vom Kurbelgehäuse in den Ansaugtrakt steht, das nur langsam variiert und eine Funktion der Temperatur der Brennkraftmaschine ist. Durch eine solche Plausibilitätsprüfung können Betriebszustände, die auf einen Defekt an der Brennkraftmaschine hindeuten, von solchen Betriebszuständen unterschieden werden, in denen le diglich Kraftstoff aus dem Schmierstoff ausdampft und das Brennstoff-Luft-Verhältnis in dem oder den Brennräumen der Brennkraftmaschine anreichert bzw. anfettet.
Für eine weitere Verbesserung der Steuerung und/oder Überwachung einer Brennkraftmaschine kann die Masse m(t) des im Schmiermittel der Brennkraftmaschine gelösten Kraftstoffs durch einen Modellparameter dargestellt werden. Der Modellparameter stellt dabei beispielsweise die Masse m(t) in Gramm oder einer beliebigen anderen Einheit dar oder ist mit einem beliebigen Proportionalitätsfaktor zu der Masse m(t) proportional. Der Modellparameter wird beispielsweise bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine auf einen vorbestimmten Startwert gesetzt oder bei jedem Startvorgang um einen Betrag erhöht. Dieser Betrag kann eine Funktion der zum Startzeitpunkt vorliegenden Temperatur der Brennkraftmaschine sein, um die Temperaturabhängigkeit der Kondensation und Lösung von Kraftstoff im Schmierstoff-Film an der Brennraumwand abzubilden. Nach dem Startvorgang wird der Modellparameter in regelmäßigen oder unregelmäßigen Zeitintervallen um einen Minderungsbetrag verringert, der von dem Kraftstoff-Massenstrom aus dem Kurbelgehäuse in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine und/oder direkt oder indirekt von anderen erfassten Betriebsparametern abhängt.
Unter der beschriebenen Berücksichtigung des Kraftstoff-Massenstroms aus dem Kurbelgehäuse in den Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine kann auch ein Ende eines Austrags bzw. eines Ausgasens von Kraftstoff aus einem Schmierstoff mit erhöhter Genauigkeit bestimmt werden. Nach dem festgestellten Ende des Ausgasens von Kraftstoff aus dem Schmierstoff können Steuerparameter geändert, die Überwachung einer Funktionsfähigkeit der Brennkraftmaschine gestartet oder der für eine Überwachung der Funktionsfähigkeit verwendete zulässige Bereich eines Verhältnisses zwischen der Brennkraftmaschine zugeführtem Kraftstoff und der Brennkraftmaschine zugeführter Frischluft verringert werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine;
2 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 10 mit einem Brennraum 11 in einem Zylinder 12. Der Brennraum 11 wird an einer Seite (in 1 an seiner Unterseite) von einem Kolben 13 abgeschlossen. Der Kolben 13 ist über Pleuel 14 mit einer in 1 nicht dargestellten Kurbelwelle in einem Kurbelgehäuse 15 verbunden. Die Brennkraftmaschine 10, insbesondere der sich im Zylinder 12 bewegende Kolben 13 wird von einem Schmierstoff 16 geschmiert, der sich im Kurbelgehäuse 15 sammelt und von in 1 nicht dargestellten Einrichtungen umgewälzt und gefiltert wird.
Die Brennkraftmaschine 10 weist ferner ein Luftfilter 21, eine Drosselklappe 22, einen Ansaugtrakt 23 und eine Entlüftung 24 des Kurbelgehäuses 15 in den Ansaugtrakt 23 auf. Der Ansaugtrakt 23 ist über ein Einlassventil 25 mit dem Brennraum 11 verbunden, das mittels einer Nockenwelle 26 gesteuert wird. Am Brennraum 11 der Brennkraftmaschine 10 sind ferner ein Kraftstoff-Einspritzventil 27 und eine Zündkerze 28 angeordnet. Das Kraftstoff-Einspritzventil 27 kann alternativ am Ansaugtrakt 23 und damit in Stromrichtung vor dem Einlassventil 25 angeordnet sein oder durch einen Vergaser oder eine andere Kraftstoff-Zufuhr-Einrichtung ersetzt sein. Im Fall eines Dieselmotors kann die Zündkerze 28 entfallen.
Der Brennraum 11 der Brennkraftmaschine 10 steht ferner über ein Auslassventil 31, das mittels einer Nockenwelle 32 gesteuert wird, mit einem Abgastrakt 33 in Verbindung. In dem Abgastrakt 33 können einer oder mehrere Katalysatoren 34 oder andere Einrichtungen zum Filtern oder Aufbereiten von Abgasen der Brennkraftmaschine 10 angeordnet sein.
Die Brennkraftmaschine 10 ist mit einer Steuerung 40 gekoppelt, die als Bestandteil der Brennkraftmaschine 10 angesehen werden kann. Die Steuerung 40 umfasst einen Prozessor 41, der mit einem Programmspeicher 42 und einem Wertespeicher 43 gekoppelt ist. Der Prozessor 41, der Programmspeicher 42 und der Wertespeicher 43 können jeweils ein oder mehrere mikroelektronische Bauelemente umfassen. Alternativ können der Prozessor 41, der Programmspeicher 42 und der Wertespeicher 43 teilweise oder vollständig in einem mikroelektronischen Bauelement integriert sein. Der Programmspeicher 42 kann ein Programm in Form von Software oder Firmware zum Steuern von einem der nachfolgend beschriebenen Verfahren enthalten. Die Steuerung 40 kann anstelle des Prozessors 41, des Programmspeichers 42 und des Wertespeichers 43 eine oder mehrere diskret aufgebaute oder integrierte analoge oder digitale Schaltungen aufweisen, die ausgebildet sind, um eines der nachfolgend beschriebenen Verfahren zu steuern.
Die Steuerung 40 ist über Leitungen mit einem Temperatursensor 51, einem Luftmassensensor 52, einem Drehzahlsensor 53, Lambdasensoren 54, 55, einem Umgebungstemperatursensor 56, dem Kraftstoff-Einspritzventil 27, der Zündkerze 28, sowie optional mit weiteren Sensoren oder Aktoren und anderen Einrichtungen der Brennkraftmaschine 10 gekoppelt. Der Temperatursensor 51 ist an der Brennkraftmaschine 10 so angeordnet, dass er eine relevante Temperatur erfasst. Möglich ist beispielsweise eine Anordnung im Kühlmittelkreislauf, im Schmierstoffkreislauf oder am Zylinderkopf. Der Luftmassensensor 52 erfasst den Massenstrom der vom Luftfilter 21 über die Drosselklappe 22 in den Ansaugtrakt 23 strömenden Frischluft. Der Luftmassensensor 52 kann alternativ in Stromrichtung vor der Drosselklappe 23 oder auch hinter der Einmündung der Entlüftung 24 in den Ansaugtrakt 23 angeordnet sein. Im letzten Fall wären die nachfolgend angegebenen Gleichungen entsprechend zu modifizieren.
Anstelle des Luftmassensensors 52 kann ein Drucksensor vorgesehen sein, der den Umgebungsdruck oder den Druck im Ansaugtrakt 23 erfasst. In diesem Fall wird der Frischluft-Massenstrom aus dem Druck und der Drehzahl der Brennkraftmaschine (oder auch aus weiteren Betriebsparametern) berechnet oder mittels eines Kennfeldes bzw. einer Tabelle (Look-Up-Table) ermittelt. Der Drehzahlsensor 53 erfasst die Drehzahl der Brennkraftmaschine und ist dazu beispielsweise an einer Nockenwelle 26 oder an einem Schwungrad der Brennkraftmaschine 10 angeordnet. Die Lambdasensoren 54, 55 sind beispielsweise vor bzw. hinter dem Katalysator 34 am Abgastrakt 33 angeordnet. Der Umgebungstemperatursensor 56 ist beispielsweise so angeordnet, dass er unbeeinflusst von Abwärme der Brennkraftmaschine 10 oder anderer Vorrichtungen die Temperatur der umgebenden Atmosphäre umfasst. Alternativ kann der Umgebungstemperatursensor 56 oder ein weiterer Temperatursensor am Luftsensor 21 oder im Ansaugtrakt 23 so angeordnet sein, dass er die Temperatur der angesaugten Frischluft erfasst. Zusätzlich oder anstelle der in 1 dargestellten Sensoren 51, 52, 53, 54, 55, 56 können weitere Sensoren an der Brennkraftmaschine 10 angeordnet sein.
Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine oder auch eine andere Brennkraftmaschine kann mit einem der nachfolgend mit Bezug auf 2 dargestellten Verfahren betrieben werden. Diese Verfahren können beispielsweise durch die Steuerung 40 gesteuert werden. Bei verschiedenen Varianten der Verfahren werden die nachfolgend zunächst dargestellten mathematischen Modelle und Gleichungen verwendet.
Für eine vollständige Verbrennung eines vorbestimmten Kraftstoff-Massenstroms ṁ_Fuel, d. h. für eine vollständige Umsetzung des Kraftstoffs mit Luftsauerstoff, ist der Luft-Massenstrom ṁ_{Air,stoichiometric} = ṁ_Fuel·k erforderlich. Dabei ist k ein stöchiometrischer Faktor, der von der Zusammensetzung des Kraftstoffs abhängt. Tatsächlich steht der Luft-Massenstroms ṁ_Air zur Verfügung. Das Verhältnis zwischen dem tatsächlich zur Verfügung stehenden Luft-Massenstroms ṁ_Air und dem für eine vollständige Verbrennung erforderlichen Luft-Massenstrom ṁ_{Air,stoichiometric} wird als Lambda-Faktor bzw. Verbrennungsluftverhältnis λ bezeichnet,
Bei einer Kolben-Brennkraftmaschine mit einer Entlüftung des Kurbelgehäuses in den Ansaugtrakt enthält der Luft-Massenstrom ṁ_Air in den oder die Brennräume mindestens zwei Beiträge, ṁ_Air = ṁ_Air,Intake + ṁ_Air,BlowBy. Der größere Beitrag ṁ_Air,Intake ist Umgebungs- bzw. Frischluft, die beispielsweise über ein Luftfilter angesaugt wird. Ein kleiner Beitrag ṁ_Air,BlowBy stammt aus dem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine und wird in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine geleitet.
Auch der Kraftstoff-Massenstrom ṁ_Fuel umfasst mindestens zwei Beiträge, ṁ_Fuel = ṁ_{Fuel,Injection} + ṁ_Fuel,BlowBy. Der größere Teil ṁ_{Fuel,Injection} wird von einer Kraftstoff-Einspritz-Einrichtung oder einer anderen Kraftstoff-Zufuhr-Einrichtung in den Ansaugtrakt oder direkt in den oder die Brennräume eingebracht. Ein kleinerer Beitrag ṁ_Fuel,BlowBy stammt aus dem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine. Vor Allem bei niedrigen Betriebstemperaturen kondensiert Kraftstoff an der oder den Wänden des bzw. der Brennräume und löst sich dort im Öl. Vor Allem bei höheren oder hohen Betriebstemperaturen verdampft der im Öl gelöste Kraftstoff wieder und gelangt direkt in den oder die Brennräume oder über das Kurbelgehäuse und die Kurbelgehäuse-Entlüftung in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine.
Der Lambda-Faktor beträgt damit insgesamt
In Gleichung 2 ist allerdings nicht berücksichtigt, dass der aus dem Öl verdampfende Kraftstoff eine andere, temperatur- und zeitabhängige Zusammensetzung hat als der von der Kraftstoff-Zufuhr frisch zugeführte Kraftstoff. Diese andere Zusammensetzung des aus dem Öl verdampfenden Kraftstoffs kann mit einem korrigierten, beispielsweise temperatur- und zeitabhängigen Stöchiometriefaktor k'(T, t) berücksichtigt werden,
Ohne Berücksichtigung eines Eintrags von Kraftstoff in das Öl und eines Austrags von Kraftstoff aus dem Öl (ṁ_Fuel,BlowBy = 0) beträgt der Lambda-Faktor
Gleichung 4 gilt beispielsweise bei niedriger Betriebstemperatur, da die Ausdampfrate des Kraftstoffs aus dem Schmierstoff temperaturabhängig ist. Ferner gilt Gleichung 4 nach längerem Betrieb bei normaler Betriebstemperatur. Bei normaler Betriebstemperatur kondensiert nur wenig oder kein Kraftstoff an Brennraumwänden, und der Eintrag von Kraftstoff kann vernachlässigt werden. Nach längerem Betrieb ist zuvor im Schmieröl gelöster Kraftstoff (fast) vollständig wieder verdampft, und der Austrag von Kraftstoff aus dem Schmieröl kann vernachlässigt werden.
Der bei einer niedrigen Betriebstemperatur und folglich geringem Austrag von Kraftstoff aus dem Schmierstoff erfasste Lambda-Faktor λ₀ und der bei höherer Betriebstemperatur erfasste Lambda-Faktor λ können in Beziehung zu einander gesetz werden. Durch Division der Gleichung 4 durch die Gleichung 2 erhält man
Gleichung 4 kann nach ṁ_Fuel,BlowBy aufgelöst werden,
Der Lambda-Faktor λ ist eine durch einen Lambda-Sensor erfasste Messgröße. Der Frischluft-Massenstrom ṁ_Air,Intake ist eine durch einen Luftmassensensor erfasste Messgröße oder wird aus dem Umgebungsdruck und der Drehzahl oder anderen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine bestimmt. Der Luft-Massenstrom ṁ_Air,BlowBy aus dem Kurbelwellengehäuse ist von verschiedenen Betriebsparametern abhängig und kann aus diesen berechnet oder mittels eines Kennfeldes bzw. einer Tabelle ermittelt werden. Der Kraftstoff-Massenstrom ṁ_{Fuel,Injection} aus der Kraftstoff-Zufuhr ist eine Stellgröße der Kraftstoff-Zufuhr-Einrichtung bzw. ein der Kraftstoff-Zufuhr-Einrichtung vorgegebener Sollwert. Die Abhängigkeit des Stöchiometriefaktors k von der Zusammensetzung des aus dem Öl ausgetragenen Kraftstoffs wird in guter Näherung als konstant angenommen. Damit kann der Austrag von Kraftstoff ṁ_Fuel,BlowBy berechnet werden,
Die Konzentration c_BlowBy = ṁ_Fuel,BlowBy/ṁ_BlowBy des Kraftstoffs im Gesamt-Massenstrom ṁ_BlowBy = ṁ_Air,BlowBy + ṁ_Fuel,BlowBy vom Kurbelgehäuse in den Ansaugtrakt kann nach
berechnet werden. Dabei sind λ_SP der dem Lambda-Regler vorgegebene Sollwert, λ_meas der tatsächlich gemessene Lambda-Faktor und Δ_LC die relative Abweichung der Stellgröße des Lambda-Reglers in einem Zeitpunkt mit Ausgasen von Kraftstoff aus dem Schmierstoff von einem Zeitpunkt ohne Ausgasen von Kraftstoff aus dem Schmierstoff.
Die Masse des zum Zeitpunkt t im Öl gelösten Kraftstoffs beträgt
bzw. bei Berechnung nur zu diskreten Zeitpunkten t_i ṁ(ti+1) = ṁ(ti) + ṁ(ti)·Δt. (Gleichung 10)
Die Berechnung kann mit einer festen Periode Δt = t_i+1 – t_i = const ∀i oder mit variablen zeitlichen Abständen Δt_i = t_i+1 – t_i wiederholt werden.
Der Massenstrom vom Kurbelgehäuse in den Ansaugtrakt nimmt mit zunehmender Drehzahl ab, ist also im Leerlauf am höchsten. Im Leerlauf sind gleichzeitig sowohl der Kraftstoff-Massenstrom ṁ_{Fuel,Injection} aus der Kraftstoff-Zufuhr-Einrichtung als auch der Frischluft-Massenstrom ṁ_Air,Intake am geringsten. Deshalb kann der Kraftstoff-Massenstrom ṁ_Fuel,BlowBy aus dem Kurbelgehäuse im Leerlauf am genauesten bestimmt werden (Gleichung 7). Bei steigender Drehzahl und steigender Last wird die Bestimmung des Kraftstoff-Massenstroms ṁ_Fuel,BlowBy aus dem Kurbelgehäuse ungenauer.
Bei einer Variante des nachfolgend dargestellten Verfahrens wird der Kraftstoff-Massenstrom ṁ_Fuel,BlowBy aus dem Kurbelgehäuse nur in einem vorbestimmten Betriebszustand nach Gleichung 7 bestimmt, beispielsweise nur im Leerlauf oder bei niedriger Last und niedriger Drehzahl. Bei höheren Drehzahlen wird der Kraftstoff-Massenstrom ṁ_Fuel,BlowBy aus dem Kurbelgehäuse aus der Konzentration c_BlowBy = ṁ_Fuel,BlowBy/ṁ_BlowBy des Kraftstoffs im Gesamtmassenstrom ṁ_BlowBy bestimmt. Dabei wird angenommen, dass die Konzentration c_BlowBy sich als Funktion der Zeit nur langsam ändert.
In dieser Näherung wird deshalb zwischen ersten Zeitpunkten, in denen sich die Brennkraftmaschine in einem vorbestimmten Betriebszustand befindet, und zweiten Zeitpunkten, in denen sich die Brennkraftmaschine nicht in dem vorbestimmten Betriebszustand befindet, unterschieden. In den ersten Zeitpunkten wird der Kraftstoff-Massenstrom ṁ_Fuel,BlowBy aus den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine bestimmt, beispielsweise mittels Gleichung 7. In den zweiten Zeitpunkten wird der Kraftstoff-Massenstrom ṁ_Fuel,BlowBy mit ṁFuel,BlowBy = cBlowBy·ṁBlowBy (Gleichung 11)bestimmt, wobei als Konzentration c_BlowBy des Kraftstoffs im Gesamtmassenstrom ein beim letzten zurückliegenden ersten Zeitpunkt ermittelter Wert verwendet wird.
Nachfolgend wird mit Bezug auf 2 ein Verfahren einer Brennkraftmaschine, wie sie beispielsweise oben mit Bezug auf 1 dargestellt wurde, beschrieben. Bei verschiedenen Varianten dieses Verfahrens werden die oben dargestellten mathematischen Modelle und Gleichungen verwendet. Lediglich um ein Verständnis des anhand der 2 dargestellten Verfahrens und seiner Varianten zu vereinfachen werden in der nachfolgenden Beschreibung Bezugszeichen aus 1 verwendet.
Bei einem Startvorgang bzw. ausgelöst durch einen Startvorgang einer Brennkraftmaschine 10 wird in einem ersten Schritt 101 ein Modellparameter auf einen vorbestimmten Startwert gesetzt. Im Fall der oben anhand der 1 dargestellten Steuerung 40 wird der Modellparameter beispielsweise im Wertespeicher 43 gehalten. Der vorbestimmte Startwert kann von einer Temperatur der Brennkraftmaschine beim Startvorgang abhängig sein. Als relevante Temperatur der Brennkraftmaschine 10 kann dazu beispielsweise die Temperatur des Kühlmittels, die Temperatur des Schmierstoffs oder die Temperatur des Zylinderkopfs verwendet werden. Mit dem Setzen des Modellparameters wird abgebildet, bzw. mathematisch modelliert, dass die Masse des am kalten Schmierstofffilm an der Innenwand des Brennraums 11 kondensierenden und sich im Schmierstofffilm lösenden Kraftstoffs von der Temperatur des Schmierstofffilms abhängig ist.
Alternativ wird der Modellparameter bei jedem Startvorgang der Brennkraftmaschine 10 um einen festen vorbestimmten Betrag oder um einen von der Temperatur der Brennkraftmaschine beim Startvorgang abhängigen vorbestimmten Betrag erhöht. Dazu wird der Modellparameter auch nach einem Abschalten der Brennkraftmaschine 10 bis zum nächsten Startvorgang gespeichert. Damit wird modelliert, dass bereits von vorangehenden Startvorgängen Kraftstoff in dem Schmierstoff der Brennkraftmaschine 10 gelöst sein kann.
In einem zweiten Schritt 102 werden einer oder mehrere Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 10 erfasst. Im Fall der oben anhand der 1 dargestellten Brennkraftmaschine 10 werden der oder die Betriebsparameter beispielsweise durch einen oder mehrere der Sensoren 51, 52, 53, 54, 55, 56 erfasst. Zu den Betriebsparametern, die im zweiten Schritt 102 erfasst werden können, zählen insbesondere die vom Drehzahlsensor 53 erfasste Drehzahl der Brennkraftmaschine 10, der vom Luftmassensensor 52 erfasste Frischluft-Massenstrom ṁ_Air,Intake, der von einer Kraftstoff-Einspritz-Einrichtung oder einer anderen Kraftstoff-Zufuhr-Einrichtung der Brennkraftmaschine 10 zugemessene Kraftstoff-Massenstrom ṁ_{Fuel,Injection}, eine von einem Temperatursensor 51 erfasste Temperatur der Brennkraftmaschine 10, eine von einem Umgebungstemperatursensor 56 erfasste Umgebungstemperatur, ein von einem in 1 nicht dargestellten Umgebungsdrucksensor oder von einem Drucksensor in einem Ansaugtrakt 23 der Brennkraftmaschine 10 vor dem Startvorgang erfasster Umgebungsdruck, und von einem oder mehreren Lambdasensoren 54, 55 erfasste Lambda-Faktoren.
In einem dritten Schritt 103 wird in Abhängigkeit von den im zweiten Schritt 102 erfassten Betriebsparametern ein Kraftstoff-Massenstrom ṁ_Fuel,BlowBy aus einem Kurbelgehäuse 15 in den Ansaugtrakt 23 der Brennkraftmaschine 10 bestimmt. Dazu wird beispielsweise Gleichung 6 oder Gleichung 7 verwendet, wobei der Luft-Massenstrom ṁ_Air,BlowBy aus dem Kurbelgehäuse 15 über die Entlüftung 24 in den Ansaugtrakt 23 mittels eines mathematischen Modells oder eines Kennfelds bzw. einer Nachschlagetabelle (look-up-table) aus der Drehzahl und anderen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 10 gewonnen werden kann.
In einem vierten Schritt 104 wird der bestimmte Kraftstoff-Massenstrom ṁ_Fuel,BlowBy aus dem Kurbelgehäuse 15 in den Ansaugtrakt 23 auf seine Plausibilität geprüft. Beispielsweise ist ein Ausgasen von Kraftstoff aus einem Motoröl eines Ottomotors typischerweise erst ab einer Temperatur von 65°C oder 70°C zu beobachten, bei höheren Temperaturen temperaturabhängig, jedoch bei konstanter Drehzahl und konstanter Last nur langsam variabel. Ferner kann davon ausgegangen werden, dass die Konzentration c_BlowBy = ṁ_Fuel,BlowBy/ṁ_BlowBy des aus dem Schmierstoff ausdampfenden Kraftstoffs im Gesamtmassenstrom ṁ_BlowBy = ṁ_Air,BlowBy + ṁ_Fuel,BlowBy von der Drehzahl und der Last nur schwach abhängig ist und als Funktion der Zeit nur langsam variiert.
Mit der letztgenannten Annahme einer lediglich schwachen Variation der Konzentration des Kraftstoffs im Gesamtmassenstrom kann wie oben dargestellt zwischen ersten Zeitpunkten, in denen sich die Brennkraftmaschine in einem vorbestimmten Betriebszustand befindet, und zweiten Zeitpunkten, in denen sich die Brennkraftmaschine nicht in dem vorbestimmten Betriebszustand befindet, unterschieden werden. Wie oben dargestellt kann der Kraftstoffmassenstrom ṁ_Fuel,BlowBy in den zweiten Zeitpunkten mit Gleichung 11 bestimmt werden. Dabei kann als Konzentration c_BlowBy des Kraftstoffs im Gesamtmassenstrom ein beim letzten zurückliegenden ersten Zeitpunkt ermittelter Wert verwendet werden. Alternativ wird dieser Wert seit dem letzten zurückliegenden ersten Zeitpunkt unter der Annahme fortgeschrieben, dass die Konzentration c_BlowBy langsam abnimmt.
Eine Steuerung 40 einer Brennkraftmaschine 10 kann Stellgrößen gleichzeitig steuern und regeln. Der Ausgang einer Steuerung oder einer Steuerungslogik kann dazu (additiv oder multiplikativ) mit einem Ausgang eines Reglers bzw. einer Regelungslogik überlagert werden. Der Steuerungsanteil wird in diesem Fall als Vorsteuerung bezeichnet. Je genauer das der Steuerung zugrunde liegende mathematische Modell das Verhalten der Brennkraftmaschine 10 abbildet, desto geringer wird der Anteil der Regelung. Parameter des der Steuerung zugrundeliegenden Modells können in einem fünften Schritt 105 in Abhängigkeit von dem im dritten Schritt 103 bestimmten und gegebenenfalls im vierten Schritt 104 auf seine Plausibilität überprüften Kraftstoff-Massenstrom eingestellt werden.
In einem sechsten Schritt 106 wird der Modellparameter um einen Minderungsbetrag verringert, der von dem im dritten Schritt 103 bestimmten Kraftstoff-Massenstrom ṁ_Fuel,BlowBy und/oder von im zweiten Schritt 102 erfassten Betriebsparametern abhängt. Dadurch wird die Verringerung der Masse des im Schmierstoff der Brennkraftmaschine gelösten Kraftstoffs durch Verdampfen bzw. Austrag und Abfuhr über die Entlüftung 24 modelliert bzw. abgebildet.
In einem siebten Schritt 107 wird ein zulässiger Bereich eines Kraftstoff-Verhältnisses zwischen einem der Brennkraftmaschine 10 durch eine Kraftstoff-Zufuhr-Einrichtung zugeführten Kraftstoff-Massenstrom ṁ_{Fuel,Injection} und einem der Brennkraftmaschine zugeführten Frischluft-Massenstrom ṁ_Air,Intake in Abhängigkeit von dem im dritten Schritt 103 bestimmten Kraftstoff-Massenstrom ṁ_Fuel,BlowBy festgelegt. Alternativ wird der zulässige Bereich in Abhängigkeit von anderen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 10 festgelegt, beispielsweise in Abhängigkeit von einer Temperatur der Brennkraftmaschine 10 und dem im ersten Schritt 101 gesetzten oder erhöhten und im sechsten Schritt 106 verringerten Modellparameter.
In einem achten Schritt 108 wird das tatsächliche momentane Kraftstoff-Luft-Verhältnis bestimmt. Im Fall der oben anhand der 1 dargestellten Brennkraftmaschine wird dazu das Verhältnis zwischen dem durch den Luftmassensensor 52 erfassten Frischluft-Massenstrom ṁ_Air,Intake und dem der Brennkraftmaschine 10 über das Kraftstoff-Einspritzventil 27 zugemessenen Kraftstoff-Massenstrom ṁ_{Fuel,Injection} gebildet.
In einem neunten Schritt 109 wird durch einen Vergleich des im achten Schritt 108 bestimmten Kraftstoff-Luft-Verhältnisses und des im siebten Schritt 107 bestimmten zulässigen Bereichs eine Funktionsfähigkeit oder ein Defekt der Brennkraftmaschine festgestellt. Insbesondere kann bei einem Abweichen des im achten Schritt 108 bestimmten Kraftstoff-Luft-Verhältnisses von dem im siebten Schritt 107 festgelegten zulässigen Bereich auf einen Defekt der Kraftstoff-Zufuhr-Einrichtung des Luftmassensensors 52 oder einer Lambdasonde 54, 55 geschlossen werden.
Der zweite Schritt 102, der dritte Schritt 103, der vierte Schritt 104, der fünfte Schritt 105, der sechste Schritt 106, der siebte Schritt 107, der achte Schritt 108 und der neunte Schritt 109 werden vorzugsweise periodisch oder zu beliebigen Zeitpunkten wiederholt.
In einem zehnten Schritt 110 wird ein Ende eines Austrags von Kraftstoff aus einem Schmierstoff bestimmt. Das Ende des Austrags bzw. Ausgasens von Kraftstoff kann beispielsweise daran erkannt werden, dass der Modellparameter keinen positiven Wert mehr aufweist oder, dass der im dritten Schritt 103 bestimmte Kraftstoff-Massenstrom ṁ_Fuel,BlowBy aus dem Kurbelgehäuse 15 in den Ansaugtrakt 23 den Wert 0 annimmt oder eine vorbestimmte Schwelle unterschreitet. Ferner kann vorgesehen sein, dass eine vorbestimmte Zeitdauer nach dem letzten Startvorgang der Brennkraftmaschine 10 auf jeden Fall das Ende des Austrags bzw. Ausgasens von Kraftstoff aus dem Schmierstoff der Brennkraftmaschine bestimmt wird.
Nach dem im zehnten Schritt 110 bestimmten bzw. erkannten Ende des Austrags von Kraftstoff wird in einem elften Schritt 111 der bereits im siebten Schritt 107 festgelegte zulässige Bereich des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses auf einen vorbestimmten Wert verringert, der von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 10 abhängig sein kann. Dies bedeutet, dass bei nachfolgenden Prüfungen der Funktionsfähigkeit der Brennkraftmaschine erhöhte Anforderungen gestellt werden.
Bei Varianten des oben anhand der 2 dargestellten Verfahrens werden verschiedene Schritte weggelassen. Beispielsweise kann auf die mathematische Modellierung der Masse m(t) des im Schmierstoff gelösten Kraftstoffs durch den Modellparameter im ersten Schritt 101 und im sechsten Schritt 106 verzichtet werden. Alternativ kann auf die Prüfung der Plausibilität im vierten Schritt 104 verzichtet werden.
Die oben anhand der 1 dargestellte Steuerung und das oben anhand der 2 dargestellte Verfahren und seine Varianten können für alle Kraftstoffarten und Motorarten eingesetzt werden. Besondere Vorteile weist das Verfahren beispielsweise bei Ethanol-haltigen Ottokraftstoffen auf, da Ethanol aufgrund seines hohen Siedepunkts besonders zur Kondensation an kalten Brennraumwänden neigt.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) mit einer Entlüftung (24) eines Kurbelgehäuses (15) in einen Ansaugtrakt (23), mit folgenden Schritten: Erfassen (102) von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (10); Bestimmen (103) eines Kraftstoff-Massenstroms aus dem Kurbelgehäuse (15) in den Ansaugtrakt (23) in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern; Steuern (105) oder Überwachen (108) der Brennkraftmaschine (10) in Abhängigkeit von dem Kraftstoff-Massenstrom aus dem Kurbelgehäuse (15) in den Ansaugtrakt (23).
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit folgendem Schritt: Festlegen (107) eines zulässigen Bereichs eines Kraftstoff-Luft-Verhältnisses zwischen der Brennkraftmaschine (10) zugeführtem Kraftstoff und der Brennkraftmaschine (10) zugeführter Frischluft in Abhängigkeit von dem bestimmten Kraftstoff-Massenstrom; Bestimmen (108) des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses; Feststellen (109) einer Funktionsfähigkeit oder eines Defekts der Brennkraftmaschine (10) in Abhängigkeit davon, ob das bestimmte Kraftstoff-Luft-Verhältnis in dem zulässigen Bereich liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner mit folgenden Schritten: Prüfen (104) der Plausibilität des bestimmten Kraftstoff-Massenstroms; Feststellen (109) der Funktionsfähigkeit der Brennkraftmaschine (10) in Abhängigkeit von der Plausibilität des bestimmten Kraftstoff-Massenstroms.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Plausibilität des bestimmten Kraftstoff-Massenstroms anhand der zeitlichen Entwicklung des bestimmten Kraftstoff-Massenstroms geprüft (104) wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner mit folgendem Schritt: Einstellen (105) eines Parameters einer Vorsteuerung der Brennkraftmaschine (10) in Abhängigkeit von dem bestimmten Kraftstoff-Massenstrom.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner mit folgenden Schritten: – Einführen eines Modellparameters, der die Masse des in einem Schmierstoff (16) der Brennkraftmaschine (10) gelösten Kraftstoffs darstellt und der in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern bestimmt wird, – Bestimmen des Kraftstoff-Massenstroms in Abhängigkeit dieses Modellparameters, – Erhöhen (101) des Modellparameters bei einem Startvorgang, – Verringern (106) des Modellparameters während eines Betriebs der Brennkraftmaschine (10).
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Modellparameter bei einem Startvorgang um einen Betrag erhöht (101) wird, der von einer zu mindestens einem Zeitpunkt erfassten Temperatur der Brennkraftmaschine (10) abhängt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der Modellparameter bei einem Startvorgang um einen Betrag erhöht (101) wird, der von einem zeitlichen Verlauf einer Temperatur der Brennkraftmaschine (10) abhängt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem der Modellparameter bei einem Startvorgang um einen Betrag erhöht (101) wird, der von einer innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls oder bis zum Erreichen einer vorbestimmten Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine (10) eingespritzten Kraftstoff-Masse abhängt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner mit folgenden Schritten: – Einführen eines Modellparameters, der die Masse des in einem Schmierstoff (16) der Brennkraftmaschine (10) gelösten Kraftstoffs darstellt und der in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern bestimmt wird, – Setzen (101) eines Modellparameters auf einen vorbestimmten Startwert bei einem Startvorgang; – Verringern (106) des Modellparameters während eines Betriebs der Brennkraftmaschine (10).
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der vorbestimmte Startwert eine Funktion einer Temperatur der Brennkraftmaschine (10) beim Startvorgang ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei dem der Modellparameter während eines Betriebs der Brennkraftmaschine (10) zu mehreren Zeitpunkten jeweils um einen Minderungsbetrag verringert (106) wird, der von den zu dem jeweiligen Zeitpunkt erfassten Betriebsparametern abhängt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, bei dem der Modellparameter während eines Betriebs der Brennkraftmaschine (10) zu mehreren Zeitpunkten jeweils um einen Minderungsbetrag verringert (106) wird, der von dem Kraftstoff-Massenstrom abhängt, der in Abhängigkeit von den zu dem jeweiligen Zeitpunkt erfassten Betriebsparametern bestimmt wurde.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem zwischen ersten Zeitpunkten, in denen sich die Brennkraftmaschine (10) in einem vorbestimmten Betriebszustand befindet, und zweiten Zeitpunkten, in denen sich die Brennkraftmaschine (10) nicht in dem vorbestimmten Betriebszustand befindet, unterschieden wird, zu einem ersten Zeitpunkt der Minderungsbetrag in Abhängigkeit von zu dem jeweiligen ersten Zeitpunkt erfassten Betriebsparametern bestimmt wird, zu einem zweiten Zeitpunkt der Minderungsbetrag in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine (10) und von einer Kraftstoffkonzentration in der Entlüftung des Kurbelgehäuse bestimmt wird, wobei die Kraftstoffkonzentration in Abhängigkeit von zum letzten zurückliegenden ersten Zeitpunkt erfassten Betriebsparametern bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner mit folgenden Schritten: Bestimmen (110) eines Endes eines Austrags von Kraftstoff aus einem Schmierstoff der Brennkraftmaschine (10); Feststellen einer Funktionsfähigkeit oder eines Defekts der Brennkraftmaschine (10) nach dem Ende des Austrags.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner mit folgenden Schritten: Bestimmen (110) eines Endes eines Austrags von Kraftstoff aus einem Schmierstoff der Brennkraftmaschine (10); Verringern eines zulässigen Bereichs eines Verhältnisses zwischen der Brennkraftmaschine (10) zugeführtem Kraftstoff und der Brennkraftmaschine zugeführter Frischluft nach dem bestimmten Ende des Austrags, wobei die Funktionsfähigkeit der Brennkraftmaschine (10) durch Vergleich des Verhältnisses zwischen der Brennkraftmaschine (10) zugeführtem Kraftstoff und der Brennkraftmaschine (10) zugeführter Frischluft mit dem zulässigen Bereich überwacht wird.
Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–16, wenn das Computerprogramm in einem Computer ausgeführt wird.
Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–16, wenn das Computerprogramm in einem Computer ausgeführt wird.
Vorrichtung (40) zum Betreiben und/oder Überwachen der Funktionsfähigkeit einer Brennkraftmaschine (10), wobei die Vorrichtung (40) ausgebildet ist, um ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 auszuführen.
Vorrichtung (40) zum Betreiben und/oder Überwachen der Funktionsfähigkeit einer Brennkraftmaschine (10), mit einem Computerprogramm nach Anspruch 17 oder 18.