DE102005006490B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine zur Bereitstellung eines gegenüber einem Normalbetrieb heißeren Abgasstromes mittels einer Motorsteuereinrichtung für eine vorgegebene Zeitdauer in einen Heizbetrieb umgeschalten wird, und wobei zur Diagnostizierung eines ordnungsgemäßen oder fehlerhaften Heizbetriebs ein angesaugter Luftmassenstrom als den Heizbetrieb charakterisierende Motor- und/oder Betriebskenngröße erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der für eine bestimmte Motordrehzahl während des Heizbetriebs angesaugte Luftmassenstrom zur Diagnostizierung des Heizbetriebs mit einem für die gleiche Drehzahl vorgegebenen Luftmassenstrom-Vergleichswert verglichen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Es ist allgemein bekannt, die Motorsteuerungen von Fahrzeugen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, mit Eigendiagnosesystemen auszustatten, die z. B. alle abgasbeeinflussenden Systeme, Funktionen und Bauteile überwachen und den Fahrer informieren, wenn ein Fehlverhalten dieser Bauteile eintritt. Im Rahmen dieser auch On-Board-Diagnose (OBD) genannten Eigendiagnose soll somit z. B. in Verbindung mit der Überschreitung vorgegebener Abgasgrenzwerte erreicht werden, dass der Fahrer über eine Signallampe im Armaturenbrett des Fahrzeuges informiert und aufgefordert wird, das Fahrzeug zu einer Werkstatt zu bringen. Zusätzlich sollen geeignete Maßnahmen ergriffen werden, die die Fahrsicherheit aufrecht erhalten, eine Weiterfahrt ermöglichen sowie Folgeschäden vermeiden. In der Werkstatt besteht die Möglichkeit, einen Fehlerspeicher auszulesen, um anhand der gespeicherten Daten eine schnelle Fehlerfindung und Reparatur zu ermöglichen.
  • Besonders kritisch bezüglich der einzuhaltenden Abgasgrenzwerte ist ein Kaltstart bzw. Motorneustart einer Brennkraftmaschine, da bei einem derartigen Neustart der Brennkraftmaschine der Katalysator noch nicht seine auch Anspringtemperatur genannte Betriebstemperatur erreicht hat, die erst die erforderliche Konvertierung der Schadstoffe ermöglicht. Um den Katalysator möglichst schnell nach einem derartigen Neustart der Brennkraftmaschine auf seine Betriebstemperatur zu bringen, können z. B. elektrische Heizelemente eingesetzt werden, mittels denen der Katalysator beim Motorneustart unmittelbar und direkt durch diese Zusatzheizung erwärmt wird.
  • Des weiteren ist es allgemein bekannt, mittels Ventilhubverstelleinrichtungen an einer Brennkraftmaschine von Fahrzeugen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, bestimmte Zielgrößen dieser Brennkraftmaschine wie z. B. das Abgasverhalten, die maximale Leistung oder den Verbrauch zu beeinflussen. Die Steuerung der einzelnen Systeme erfolgt dabei stets in Verbindung mit einer Motorsteuereinrichtung, die auch die zur Erfassung von einzelnen Parametern sowie deren Auswertung erforderlichen Mittel aufweist.
  • Aus der gattungsbildenden DE 100 31 924 A1 ist bereits ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs bekannt, bei dem nach dem Start einer Brennkraftmaschine eine Katalysatorheizmaßnahme aktiviert wird, beispielsweise eine Sekundärluftpumpe und eine Glühkerze eingeschaltet werden. In einem anschließenden Schritt werden dann Betriebskenngrößen, wie Motordrehzahl, Kühlwassertemperatur, Ansauglufttemperatur oder auch Ansaugluftmenge erfasst, aus denen eine Modelltemperatur des Katalysators berechnet wird. Diese Modelltemperatur des Katalysators wird dann mit einer Ist-Temperatur des Katalysators verglichen, wozu konkret vorgesehen ist, die Differenz beider Werte mit einem Schwellwert zu vergleichen. Wenn die Modelltemperatur die Ist-Temperatur deutlich unterschreitet, ist die Differenz größer als ein entsprechend bemessener Schwellwert. Diese Schwellwertüberschreitung zeigt dann an, dass eine notwendige Voraussetzung für eine richtige Temperaturmodellierung nicht erfüllt ist, sodass in einem nachfolgenden Auswerteschritt davon ausgegangen wird, dass das nicht Einhalten der Modellvoraussetzung durch die Unwirksamkeit der Heizmaßnahme bedingt ist. Entsprechend erfolgt dann eine Fehlermeldung.
  • Ferner beschreibt die DE 195 38 731 A1 ein Verfahren zur Regelung des Warmlaufs in einer Brennkraftmaschine, bei dem durch Erfassung und Auswertung des Druckes im Brennraum zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslassventils dem Steuergerät die Information vorliegt, ob die Verbrennung beim Öffnen des Auslassventils bereits beendet war oder nicht. Mit dieser Information sollen gezielte Eingriffe in die Zündung und/oder Einspritzung möglich sein, um beispielsweise verschleppte Verbrennungen für ein sehr schnelles Aufheizen des Katalysators oder magere Verbrennungen zu realisieren, um die Rohemission niedrig zu halten.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung zu stellen, mit der einerseits eine schnelle und effiziente Aufheizung eines Abgaskatalysators sowie andererseits eine zuverlässige und funktionssichere Überwachung der Aufheizphase im Rahmen der On-Board-Diagnose möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Gemäß Anspruch 1 wird die Brennkraftmaschine zur Bereitstellung eines gegenüber einem Normalbetrieb heißeren Abgasstromes mittels einer Motorsteuereinrichtung für eine vorgegebene Zeitdauer in einen Heizbetrieb geschalten, wobei zur Diagnostizierung eines ordnungsgemäßen oder fehlerhaften Heizbetriebs ein bei einer bestimmten Motordrehung angesaugter Luftmassenstrom als den Heizbetrieb charakterisierende Motor- und/oder Betriebskenngröße der Brennkraftmaschine erfasst wird und mittels eines für die gleiche Drehzahl vorgegebenen Luftmassenstrom-Vergleichswertes verglichen wird. Insbesondere ist hier die Erfassung des angesaugten Luftmassenstromes im Leerlauf vorgesehen.
  • Mit einer derartigen erfindungsgemäßen Verfahrensführung erhöht sich z. B. insbesondere für die schnelle Katalysatoraufheizung während der Kaltstart phase die Ladungswechselarbeit in erheblichem Maße, was wiederum eine Erhöhung des Energieumsatzes zur Kompensation dieser erheblich erhöhten Ladungswechselarbeit erfordert und eine Anhebung der Abgastemperatur im Krümmer bewirkt. Weiterhin wird durch diese bewusste Verschlechterung des Motorwirkungsgrades bei einer geforderten konstanten Leistungsabgabe des Motors der Abgasmassendurchsatz des Motors deutlich erhöht, so dass sich somit hier durch diese Maßnahmen insgesamt die Abgastemperatur und der Abgasmassenwärmestrom deutlich erhöht. Mittels der Diagnostizierung wird dabei sichergestellt, dass der Heizbetrieb für die vorgegebene Zeitdauer auch ordnungsgemäß abläuft, d. h. „eingeschaltet" bzw. „ausgeschaltet" wird, so dass in Abhängigkeit von der ermittelten Abweichung vom Vergleichswert, die beim ordnungsgemäßen Heizbetrieb im wesentlichen nicht gegeben ist, ein ordnungsgemäßer oder fehlerhafter Heizbetrieb diagnostiziert und im Rahmen der On-Board-Diagnose angezeigt werden kann. Damit wird beim Start der Brennkraftmaschine eine zuverlässige Überwachung des Heizbetriebes auf einfache Weise mit den ohnehin im Fahrzeug vorhandenen Bauteilen und Steuereinrichtungen möglich.
  • Vorteilhaft ist hierzu weiter vorgesehen, dass in einem Kennfeld der Motorsteuereinrichtung eine Vielzahl von Luftmassenstrom-Vergleichswerten für eine Vielzahl von Motordrehzahlen und Zündwinkeln abgelegt ist, wobei der für den jeweiligen Heizbetrieb in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und dem Zündwinkel ermittelte Luftmassenstromwert mittels einer Vergleichereinrichtung der Motorsteuereinrichtung mit dem für eine gleiche Motordrehzahl und einen gleichen Zündwinkel aus dem Kennfeld ausgelesenen Luftmassenstrom-Vergleichswert verglichen wird. Eine derartige Verfahrensführung ist in Verbindung mit einem Motorsteuergerät einfach und schnell mit geringer Prozessorleistung durchzuführen.
  • Besonders bevorzugt ist weiter eine Verfahrensführung, bei der die Motordrehzahl die über die einzelnen Zündfolgen der Zylinder einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine aufgelöste Drehzahl ist, so dass für alle im Heizbetrieb laufenden Zylinder der Brennkraftmaschine eine zylinderselektive Diagnose des ordnungsgemäßen oder fehlerhaften Heizbetriebes möglich ist, da dann die Diagnose für jeden einzelnen Zylinder durchgeführt werden kann. Dies ist insbesondere in Verbindung mit Reparaturmaßnahmen in der Werkstatt erforderlich, da dann nicht sämtliche Zylinder, die im Heizbetrieb betrieben werden, analysiert und durchgeprüft werden müssen. Um festzustellen, welcher Zylinder nicht in der gewünschten Weise geschaltet wurde, kann beispielsweise das Signal der Drehzahlerkennung ausgewertet werden, bei dem es sich um ein hochaufgelöstes Signal handelt, bei dem über die Drehgeschwindigkeit, welche der Verbrennung eines bestimmten Zylinders zugeordnet ist, auf die vom jeweiligen Zylinder abgegebene Arbeit rückgeschlossen werden kann. Da sich eben gerade diese Arbeit beim Heizbetrieb gegenüber dem konventionellen Normalbetrieb deutlich unterscheidet, ist somit der nicht geschaltete und damit fehlerhafte Zylinder eindeutig zu diagnostizieren.
  • Als Vergleichswerte eignen sich weiter vorteilhaft die leicht zu erfassenden bzw. ermittelnden bzw. gegebenenfalls ohnehin bereits in Kennfeldern der Motorsteuereinrichtung abgelegten Werte für den Normalbetrieb der Brennkraftmaschine. Mit derartigen Vergleichswerten ist eine zuverlässige und aussagekräftige Diagnose möglich, da man z. B. bei einer Betrachtung eines in dem Heizbetrieb und in dem Normalbetrieb angesaugten gleichen Luftmassenstroms von ca. 80 kg/h deutlich unterschiedliche Motordrehzahlen zwischen dem Heizbetrieb und dem Normalbetrieb vorliegen hat, die im Heizbetrieb bei ca. 1200 U/min und im konventionellen Betrieb bei ca. 4000 U/min liegen.
  • Weiter ist auch die Ermittlung des Mitteldrucks der Brennkraftmaschine zusätzlich zur Erfassung des Luftmassenstroms oder als den Heizbetrieb charakterisierende Motor- und/oder Betriebskenngröße möglich, dessen für einen bestimmten Betriebspunkt ermittelter Wert dann mit einem für eine gleiche Drehzahl vorgegebenen Mitteldruck-Vergleichswert verglichen wird. Auch mit einer derartigen auf den Mitteldruck bezogenen Verfahrensführung können gute Diagnoseergebnisse erzielt werden, insbesondere bei auf den Normalbetrieb bezogenen Vergleichswerten, da sich z. B. bei ca. 1200 U/min im Heizbetrieb ein Mitteldruck von ca. 3 bar und im konventionellen Betrieb ein Mitteldruck von ca. 10 bar einstellt.
  • Eine weiterhin besonders bevorzugte erfindungsgemäße Verfahrensführung mit einfacher, zuverlässiger und unverfälschter Diagnose ergibt sich dann, wenn der Heizbetrieb von der Motorsteuereinrichtung nur im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine innerhalb vorgegebener Drehzahlgrenzen freigegeben wird.
  • Weiter kann vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine von der Motorsteuereinrichtung bei jedem Kaltstart als Motorneustart stets im Heizbetrieb als Katalysator-Heizbetrieb betrieben wird, und zwar vorzugsweise für eine Zeitdauer von 3 bis maximal 20 Sekunden. Innerhalb dieser Zeitspanne ist eine zuverlässige und schnelle Aufheizung des Katalysators möglich.
  • Zur Bereitstellung eines gegenüber einem Normalbetrieb heißeren Abgasstromes im Heizbetrieb ist gemäß einer ersten Verfahrensführung vorgesehen, dass im Heizbetrieb die Öffnung der Zylinder-Auslassventile gegenüber einer Auslassventil-Basiseinstellung im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine bezogen auf den oberen Totpunkt bzw. bezogen auf Grad Kurbelwinkel in Richtung spät verschoben wird. Dabei kann dann z. B. das Schließen der Zylinder-Auslassventile bezogen auf den oberen Totpunkt bzw. auf Grad Kurbelwinkel in etwa gegenüber einer Auslassventilöffnungs-Basiseinstellung konstant gehalten werden, so dass sich dadurch eine kurze Auslassventil-Öffnungsdauer einstellt. D. h., dass dann die Ventilöffnungszeit der Zylinder-Auslassventile im Heizbetrieb gegenüber der Ventilöffnungszeit im Normalbetrieb verkürzt wird. Grundsätzlich ist dabei jedoch auch, was das Schließen der Zylinder-Auslassventile betrifft, eine gegenüber der Auslassventil-Basiseinstellung im Normalbetrieb Veränderung des Schließzeitpunktes in Richtung früh oder spät möglich. Bevorzugt ist die Verschiebung in Richtung früh, z. B. um ca. 10 bis 15°, so dass in Verbindung mit der in Richtung spät verschobenen Öffnung der Zylinder-Auslassventile eine gegenüber der Auslassventil-Basiseinstellung erheblich kürzere Gesamtventilöffnungszeit erreicht wird. Konkret kann z. B. ein Schließen der Zylinder-Auslassventile spätestens bei Erreichen des oberen Totpunktes vorgesehen sein, und zwar in Verbindung mit einem Öffnen der Zylinder-Auslassventile bei vorzugsweise 20 bis 100° Kurbelwinkel vor OT bzw. bei 30 bis 50° Kurbeiwinkel vor OT.
  • Alternativ oder bevorzugt zusätzlich hierzu kann der Ventilhub der Auslassventile während des Heizbetriebs gegenüber dem Ventilhub im Normalbetrieb verkleinert werden. Dies kann beispielsweise durch Vorsehen eines separaten Heiznockens auf einer Nockenwelle erfolgen, der gegenüber einem dem Normalbetrieb zugeordneten Nocken einen deutlich reduzierteren Ventilhub von z. B. 0,5 bis 5 mm, bevorzugt 1 bis 2 mm zur Verfügung stellt, während übliche Ventilhübe bei ca. 12 mm liegen. Bevorzugt trägt die Länge der Öffnung der Zylinder-Auslassventile unter Berücksichtigung des zuvor Gesagten 20 bis 100° Kurbelwinkel, bevorzugt 30 bis 50° Kurbelwinkel bezogen auf einen Ventilhub von in etwa 1 mm.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 schematisch ein Diagramm, bei dem der Luftmassenstrom über der Drehzahl bei konstanten Zündwinkel aufgetragen ist,
  • 2 schematisch ein Heizbetrieb-Kennfeld, bei dem der Luftmassenstrom über der Motordrehzahl und dem Zündwinkel aufgetragen ist, und
  • 3 schematisch ein Normalbetrieb-Kennfeld, bei dem der Luftmassenstrom über der Motordrehzahl und dem Zündwinkel aufgetragen ist.
  • In der 1 ist für in etwa konstante Zündwinkel schematisch der von der Brennkraftmaschine angesaugte Luftmassenstrom über der Motordrehzahl aufgetragen. Wie ein Vergleich der beiden durchgezogenen Betriebslinien für einen Heizbetrieb und einen Normalbetrieb zeigt, ist im Heizbetrieb für eine bestimmte Drehzahl n der Wert des Luftmassenstroms m1 größer als der für die gleiche Drehzahl n im Normalbetrieb vorliegende und als Vergleichswert abgelegte Luftmassenstrom-Vergleichswert m2. Durch einen Vergleich dieser Werte lässt sich somit auf einfache und zuverlässige Weise ein ordnungsgemäßer Heizbetrieb und damit ein ordnungsgemäßer Umschaltvorgang in bzw. aus dem Heizbetrieb heraus von der Motorsteuereinrichtung diagnostizieren.
  • Im Diagramm der 1 ist lediglich beispielhaft strichliert noch eine ebenfalls einen Heizbetrieb kennzeichnende Kennkurve dargestellt, die flacher als die Heizbetrieb-Kennkurve, jedoch deutlich steiler als die Normalbetriebs-Kennkurve verläuft und anhand der z. B. bei einer Auswertung des Vergleichsergebnisses mit der Normalbetriebs-Kennkurve darauf geschlossen werden kann, dass nicht sämtliche der im Heizbetrieb betriebenen Zylinder in den Heizbetrieb umgeschalten worden sind. Für die Drehzahl n ergibt sich hier dann ein gegenüber dem Luftmassenstromwert m1 verringerter Wert m1.
  • Für den Fall, dass es sich bei der Drehzahl nicht um die Motordrehzahl insgesamt, sondern um die über die einzelnen Zündfolgen der Zylinder aufgelöste Drehzahl der einzelnen Zylinder handelt, liegt für jeden der Zylinder eine der 1 entsprechende Luftmassenstrom-Drehzahl-Korrelation vor. In einem solchen Fall, wird bei einem nicht ordnungsgemäßen Heizbetrieb des Zylinders die von der Motorsteuereinrichtung im Rahmen der Diagnostizierung erfasste Kennkurve mit der Normalbetriebs-Kennkurve zusammenfallen und damit einen nicht ordnungsgemäßen Heizbetrieb anzeigen. Sollte z. B. in einem solchen Fall die Mechanik zur Umschaltung defekt sein, kann somit durch eine derartige zylinderselektive Auflösung der Drehzahlen im Rahmen der On-Board-Diagnose vom Wartungspersonal sofort der richtige Zylinder zur Reparatur adressiert werden.
  • In den 2 und 3 sind lediglich schematisch Kennfelder dargestellt, bei denen jeweils der Luftmassenstrom über der Motordrehzahl und dem Zündwinkel aufgetragen ist. Das Kennfeld der 2 kennzeichnet den Heizbetrieb, während das Kennfeld der 3 den Normalbetrieb darstellt. Wie ein Vergleich dieser beiden Kennfelder zeigt, liegen die Luftmassenstromwerte im Heizbetrieb wesentlich höher als diejenigen des Normalbetriebs.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine zur Bereitstellung eines gegenüber einem Normalbetrieb heißeren Abgasstromes mittels einer Motorsteuereinrichtung für eine vorgegebene Zeitdauer in einen Heizbetrieb umgeschalten wird, und wobei zur Diagnostizierung eines ordnungsgemäßen oder fehlerhaften Heizbetriebs ein angesaugter Luftmassenstrom als den Heizbetrieb charakterisierende Motor- und/oder Betriebskenngröße erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der für eine bestimmte Motordrehzahl während des Heizbetriebs angesaugte Luftmassenstrom zur Diagnostizierung des Heizbetriebs mit einem für die gleiche Drehzahl vorgegebenen Luftmassenstrom-Vergleichswert verglichen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassenstrom-Vergleichswert in Abhängigkeit von einem Zündwinkel vorgegeben wird, der dem für den zu beurteilenden Heizbetrieb eingestellten Zündwinkel entspricht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kennfeld der Motorsteuereinrichtung eine Vielzahl von Luftmassenstrom-Vergleichswerten für eine Vielzahl von Motordrehzahlen und Zündwinkeln abgelegt ist, und dass der für den jeweiligen Heizbetrieb in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und dem Zündwinkel ermittelte Luftmassenstromwert mittels einer Vergleichereinrichtung der Motorsteuereinrichtung mit dem für eine gleiche Motordrehzahl und einen gleichen Zündwinkel aus dem Kennfeld ausgelesenen Luftmassenstrom-Vergleichswert verglichen wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Motordrehzahl die über die einzelnen Zündfolgen der Zylinder einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine aufgelöste Drehzahl verwendet wird zur zylinderselektiven Diagnose des ordnungsgemäßen oder fehlerhaften Heizbetriebs für alle im Heizbetrieb laufenden Zylinder der Brennkraftmaschine.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Vergleichswert dem Wert für den Normalbetrieb der Brennkraftmaschine entspricht.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als den Heizbetrieb charakterisierende Motor- und/oder Betriebskenngrößen für eine bestimmte Motordrehzahl während des Heizbetriebs zusätzlich der Mitteldruck ermittelt und mit einem für die gleiche Drehzahl vorgegebenen Mitteldruck-Vergleichswert verglichen wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbetrieb von der Motorsteuereinrichtung nur im Leerlaufbetrieb innerhalb vorgegebener Drehzahlgrenzen freigegeben wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine von der Motorsteuereinrichtung bei jedem Kaltstart im Heizbetrieb als Katalysator-Heizbetrieb betrieben wird, vorzugsweise für eine Zeitdauer von 3 bis 20 Sekunden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizbetrieb die Öffnung der Zylinder-Auslassventile gegenüber einer Auslassventil-Basiseinstellung im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine bezogen auf den oberen Totpunkt bzw. bezogen auf Grad Kurbelwinkel in Richtung spät verschoben wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilöffnungszeit der Zylinder-Auslassventile im Heizbetrieb gegenüber der Ventilöffnungszeit im Normalbetrieb verkürzt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilhub der Zylinder-Auslassventile während des Heizbetriebs gegenüber dem Ventilhub im Normalbetrieb verkleinert wird.
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