DE10060694A1 - Verfahren zur Betriebszustandserfassung von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen - Google Patents

Verfahren zur Betriebszustandserfassung von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Betriebszustandserfassung von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, bei dem Meßgrößen und Ereignisse des Betriebs des Kraftfahrzeugs erfaßt und zu bewertbaren sowie vergleichbaren Größen verarbeitbar sind. Dabei werden Meßgrößen und Ereignisse des Betriebs des Kraftfahrzeugs erfaßt und daraus Basisgrößen gebildet. Weiterhin werden Klassiergrößen aus Verweilzeiten von jeweils zwei Meßgrößen in Form von Verbundklassierungen gebildet. Sowohl die Basisgrößen als auch die Verbundklassiergrößen werden in einem Speicher gespeichert und als entsprechende Signale zum Abruf bereitgestellt. Auf der Basis der so gewonnenen Informationen erfolgt eine geeignete Bewertung mit dem Ziel der rechnerischen Ermittlung einer Soll-Bewertungsgröße für z. B. den Verbrauch eines Betriebsstoffes wie Motoröl und Kraftstoff und ein entsprechender Vergleich mit einem Verbrauchsmeßwert, welcher den Rückschluß auf den Verschleißzustand des Verbrennungsmotors oder von Komponenten der Verbrennungsmotors erlaubt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betriebs­ zustandserfassung von Verbrennungsmotoren von Kraft­ fahrzeugen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
Derartige Verfahren dienen dazu Motorbetriebszustände und Meßwerte in Form von Belastungskollektiven zu erfassen um daraus Basisinformationen über den Motorlebenslauf und so­ mit der Fahr- und Umgebungsbedingungen sowie der spezifi­ schen Fahrweise zu gewinnen. Diese Belastungskollektive können als Hilfsmittel zur Beurteilung von zum Beispiel Mo­ torölverbrauch, Kraftstoffverbrauch, Motorverschleiß oder Verschleiß bestimmter Bauteile wie zum Beispiel Riemen oder Steuerkette herangezogen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zu schaffen, welches eine Motordiagnose im Sinne einer Schadensfrüherkennung des Verbrennungsmotors oder von Komponenten des Verbrennungsmotors erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Durch dieses Verfahren werden die erfaßten Betriebsdaten auf eine Art und Weise kumuliert und zum Bewertungsabruf gespeichert, die ein weites Spektrum an Bewertungsmöglich­ keiten durch eine Vielzahl von kombinierbaren Daten bietet.
Um eine Bewertung eines Belastungskollektivs mit dem Ziel von z. B. einer Verbrauchshochrechnung von Betriebsstoffen oder einer direkten Verschleißhochrechnung von Komponenten des Verbrennungsmotors zu ermöglichen, kann eine Sollbewertungsgröße ermittelt werden, durch Multiplikation der einzelnen in einer Häufigkeitsmatrix einer festen Beobachtungszeit hochgezählten Häufigkeitseinträge (z) mit einem Bewertungsgewicht (Gij) zu Einzelbewertungen und Auf­ summierung der Einzelbewertung nach der Formel B = 1/cTΣjΣi (zij.Gij), wobei B die ermittelte Soll- Bewertungsgröße in deren Maßeinheit, zij der Häufig­ keitseintrag der Verbundsklasse i, j in sec, Gij das Bewertungsgewicht der Klasse i, j in der Maßeinheit der Soll-Bewertungsgröße pro h und cT eine dimensionslose Normierungskonstante ist. Damit kann z. B. aus einem erfaßten Last/Drehzahl-Belastungskollektiv für die Betriebsstoffe Motoröl oder Kraftstoff der Gesamtverbrauch ermittelt werden.
Wird eine spezifische Soll-Gesamtbewertungsgröße ermittelt durch Multiplikation der einzelnen in der Häufigkeitsmatrix während einer Gesamtbeobachtungszeit hochgezählten Häufigkeitseinträge (z) mit einem Bewertungs­ gewicht (Gij) zu Einzelbewertungen und Aufsummierung der Einzelbewertungen und Teilung der Summe der Einzelbewertungen durch die Summe der Häufigkeitseinträge (z) nach der Formel Bspez = ΣjΣi(zij.Gij)/ΣjΣi(zij) in der Maßeinheit der Bewertungsgröße pro h, wobei Bspez die ermittelte Soll-Gesamtbewertungsgröße, zij der Häufigkeitseintrag der Verbundsklasse i, j in sec und Gij das Bewertungsgewicht der Klasse i, j in der Maßeinheit der Bewertungsgröße pro h ist, so erhält man den spezifischen Gesamtverbrauchswert.
Die Bewertungsgewichte Gij sind im wesentlichen von der Beschaffenheit des Verbrennungsmotors und von den Eigenschaften des Betriebsstoffs abhängig. Diese können analytisch ermittelt oder meßtechnisch entweder aus Prüfstandsversuchen oder aus Feldversuchen unter Verwendung geeigneter Schätzmethoden wie z. B. Least-Square-Methode bestimmt werden.
Eine sensible Schadens- und insbesondere Schadens­ früherkennung und eine Schlußfolgerung auf mögliche Verschleiße und Defekte ist dadurch möglich, daß während des festen Zeitabschnitts zum Hochzählen der Häufigkeits­ matrix oder während der Gesamtbeobachtungszeit der Istwert einer Bewertungsgröße oder der Istwert einer Gesamtbewertungsgröße gemessen und anschließend mit der Soll-Bewertungsgröße oder der spezifischen Soll- Gesamtbewertungsgröße verglichen wird.
Wird z. B. der Betriebsstoff Motoröl betrachtet, so können aus dem Vergleich der Soll-Bewertungsgröße des Ölverbrauchs mit der gemessenen Bewertungsgröße die folgenden Schlußfolgerungen gezogen werden:
  • - bei einem im Vergleich zur Soll-Bewertungsgröße höheren gemessenen Bewertungsgröße kann ein Symptom für mögliche oder beginnende Schädigungen des Verbrennungsmotors wie z. B. Verschleiß im "Tribosystem" Kolben-Ringe- Zylinderlaufbahn, Undichtigkeiten und ähnliches abgeleitet werden.
  • - bei einer näherungsweise mit der Soll-Bewertungsgröße übereinstimmenden gemessenen Verbrauchs-Bewertungsgröße verhält sich der Verbrennungsmotor dem Nominal- und somit Normalverhalten entsprechend, so daß insbesondere bei einsatzbedingt höherem Ölverbrauch Schädigungen weitgehend ausgeschlossen werden können.
Wird als Betriebsstoff Kraftstoff betrachtet, so gilt sinngemäß:
  • - bei einer im Vergleich zur Soll-Bewertungsgröße erhöhten gemessenen Verbrauchs-Bewertungsgröße kann ein Symptom für mögliche bestehende oder beginnende Schädigungen des Kraftstoffsystems wie z. B. Fehler im Einspritzsystem, Leckagen und ähnliches abgeleitet werden.
  • - bei einer näherungsweise mit der Soll-Bewertungsgröße übereinstimmenden gemessenen Verbrauchsbewertungsgröße verhält sich der Verbrennungsmotor dem Nominal- und somit Normalverhalten entsprechend, so daß insbesondere bei einsatzbedingt erhöhtem Kraftstoffverbrauch zahlreiche Fehlermöglichkeiten ausgeschlossen werden können.
Erfolgt die Betriebszustandserfassung oder Abspeicherung von sogenannten Basisgrößen in Form eines Basis-Gesamtbe­ lastungskollektivs, der erwähnten Klassiergrößen in Form des Klassiergrößen-Belastungskollektivs onboard des Fahr­ zeugs so ist sichergestellt, daß jeglicher Betrieb des Kraftfahrzeugs erfaßt wird.
Um weiterhin sicherzustellen, daß die gespeicherten Daten bei Unterbrechung der Energieversorgung nicht verloren ge­ hen kann die Abspeicherung der Basisgrößen, des Basis-Ge­ samtbelastungskollektivs, der Klassiergrößen und des Klas­ siergrößen-Belastungskollektivs in einem Permanentspeicher erfolgen.
Die Aufsummierung der Klassiergrößen zum Klassiergrößen-Be­ lastungskollektiv kann in mehreren vorzugsweise gleichen Zeitbereichen eines Zeitintervalls erfolgen, wobei die Zeitbereiche ein Gegenwartszeitbereich und mehrere Vergan­ genheitszeitbereiche sind.
Betragen dabei die Zeitbereiche etwa 328 Stunden so ent­ spricht dies etwa 16.000 km Fahrstrecke so daß zwei Ver­ gangenheitszeitbereiche zusammen eine Fahrstrecke von etwa 32.000 km abbilden und so ein Wartungsintervall der übli­ chen Größe von 30.000 km sicher überdeckt wird.
Alternativ oder ergänzend dazu können "Kurzzeit-Kollektive" definiert werden, mit denen kürzere Fahrstrecken wie z. B. nur die letzten 1.000 km abgedeckt werden, um für den unmittelbar vergangenen Überwachungszeitraum eine Bewertung zu ermöglichen.
Die zu erfassenden Meßgrößen können der Motorbetrieb und/oder die Kühlwassertemperatur und/oder die Drehzahl der Kurbelwelle und/oder die Motorlast und/oder die gefahrenen Kilometer und/oder die Fahrgeschwindigkeit und/oder das Drehmoment an der Kurbelwelle und/oder die Kaltstarts und/oder der Betrieb in einem bestimmten Gang sein.
Eine differenzierte Bewertungsmöglichkeit wird dadurch er­ reicht, daß zur Bildung der Basisgrößen eine Aufsummierung der Zeiten der Meßgrößen Motorbetrieb und/oder hohe Dreh­ zahl und/oder hohe Kühlwassertemperatur und/oder hohe Mo­ torlast und/oder Betriebsstand und/oder Betrieb in einem bestimmten Gang sowie eine Aufsummierung des Auftretens der Ereignisse gefahrene Kilometer und/oder Umdrehungen der Kurbelwelle und/oder Anzahl der Kaltstarts erfolgt.
Damit wird eine einparametrische Momentanwertzählung erreicht.
Besonders aussagkräftige Daten werden erzielt, wenn Verbundklassierungen für die Meßgrößen einer bestimmten Kühlwassertemperatur bei einer bestimmten Motordrehzahl und/oder einer bestimmten Motorlast bei einer bestimmten Drehzahl und/oder einer bestimmten Motorlast bei einer be­ stimmten Fahrgeschwindigkeit erfolgen, was einer zweiparametrischen Momentanwertzählung entspricht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 zwei Darstellungen der Meßgrößen X und Y jeweils über der Zeit t,
Fig. 2 eine Häufigkeitsmatrix der Meßgrößen X und Y nach Fig. 1,
Fig. 3 eine perspektivische Häufigkeitsmatrix eines ersten Meßgrößenpaares,
Fig. 4 eine perspektivische Häufigkeitsmatrix eines zwei­ ten Meßgrößenpaares,
Fig. 5 eine perspektivische Häufigkeitsmatrix eines dritten Meßgrößenpaares,
Fig. 6 eine Tabelle mit Basisgrößen und Klassiergrößen sowie den dazu entnehmbaren Aussagen,
Fig. 7 eine Darstellung der Verfahrensschritte zur Be­ triebszustandserfassung und Auswertung.
Die Fig. 1 und 2 zeigen das Prinzip der Verbundklassierung (zweiparametrische Momentanwertzählung). Dabei sind in Fig. 1 jeweils über die Zeit t zum einen die Meßgröße X und zum anderen die Meßgröße Y aufgetragen. Dabei sind Größenbereiche X1 bis X4 und Y1 bis Y4 festgelegt.
Fig. 2 zeigt eine Häufigkeitsmatrix für die Meßgrößen X1 bis X4 und Y1 bis Y4 entsprechend der Kurven in Fig. 1.
Beide Meßgrößen X und Y werden in festen Zeitabständen tabtast abgetastet und das Ergebnis in der dem Wertepaar entsprechenden Zelle der Häufigkeitsmatrix in Fig. 2 hochge­ zählt. Die vier Messungen in Fig. 1 sind in der Häu­ figkeitsmatrix in Fig. 2 eingetragen. Dabei zeigt die erste Messung die Verbundklasse X4/Y3, die zweite Messung die Verbundklasse X3/Y3, die dritte Messung die Verbundklasse X2/Y3 und die vierte Messung ebenfalls die Verbundklasse X2/Y3.
Die in den Zellen der Häufigkeitsmatrix aufgeführten Werte bedeuten Zellamplituden die die Gesamtverweilzeit in den Verbundklassen darstellen.
Durch die Häufigkeitsmatrix wird der Bezug zur Zeitskala völlig eliminiert. Auf diese Weise wird eine starke Daten­ verdichtung erreicht und gleichzeitig die hier interessie­ rende Information, die Gesamtverweilzeit in einem durch die zwei Parameter X und Y definierten Betriebszustand extra­ hiert.
Die Fig. 3 bis 5 zeigen perspektivisch drei Häufigkeitsma­ trizen, bei denen als Säulen die Gesamtverweilzeiten in durch zwei Parameter definierten Betriebszuständen darge­ stellt sind. In Fig. 3 sind dabei die Parameter Kühlwasser­ temperatur TKW über der Drehzahl der Kurbelwelle NKW, in Fig. 4 die Motorlast LAST über der Drehzahlkurbelwelle NKW und in Fig. 5 die Motorlast LAST über der Fahrgeschwindig­ keit V aufgetragen.
Wie auch der Tabelle in Fig. 6 zu entnehmen ist, gibt die Klassengröße TKW/NKW zum Beispiel eine Information über die Warmlaufphase oder eventuelle Hochtemperaturphasen.
Die Klassiergröße LAST/NKW gibt eine Information über die Motorarbeitspunkte, das Leistungsniveau und insbesondere über die Verbräuche der Betriebsstoffe Motoröl und Kraftstoff sowie die Klassiergröße LAST/VTACHO über das Einwirken von Fahrwiderständen.
Neben diesen Klassiergrößen sind in der Tabelle in Fig. 6 auch Basisgrößen und die diesen Basisgrößen entnehmbaren Informationen aufgeführt.
Während die Klassiergrößen und Basisgrößen onboard im Kraftfahrzeug erfaßt und gespeichert werden kann die Aus­ wertung der sich daraus ergebenen bereitgestellten Signale offboard erfolgen um zu den gewünschten Aussagen zu ge­ langen.
Wie Fig. 7 zeigt, erfolgt in der ersten Stufe des Verfahrens onboard die Erfassung von Meßgrößen und Er­ eignissen des Betriebes wie z. B. Motorlast, Drehzahl der Kurbelwelle, Kühlwassertemperatur, aus denen Basisgrößen durch Aufsummierung der Zeiten der Meßgrößen und Ereignisse des Betriebs gebildet werden.
Die gebildete Basisgrößen werden fortlaufend zu Basis- Gesamtkollektiven aufsummiert und in einem Speicher abrufbereit gespeichert.
Weiterhin werden Klassiergrößen wie z. B. Kühlwasser­ temperatur/Drehzahl der Kurbelwelle, Motorlast/Drehzahl der Kurbelwelle oder Motorlast/Fahrgeschwindigkeit aus Verweilzeiten von Verbundklassierungen zweier Meßgrößen gebildet, zu einem Klassiergrößen-Belastungskollektiv fortlaufend aufsummiert und ebenfalls abrufbereit in einem Speicher gespeichert.
In der zweiten Stufe des Verfahrens erfolgt aufgrund der in der ersten Stufe ermittelten Belastungskollektive eine Bewertung dieser Belastungskollektive um Soll- Bewertungsgrößen oder spezifische Soll-Bewertungsgrößen zu ermitteln. Dies kann onboard oder, wie im dargestellten Fall, offboard erfolgen. Dabei erfolgt z. B. eine Gewichtung des Motorlast/Drehzahl der Kurbelwelle-Kollektiv mit einem Ölverbrauchs-Kennfeld.
Um Schlußfolgerungen auf den Verschleißzustand oder Defekte des Verbrennungsmotors oder der Komponenten des Verbrennungsmotors ziehen zu können, erfolgt in der dritten Stufe des Verfahrens ebenfalls onboard oder offboard ein Vergleich der Soll-Bewertungsgrößen mit Istwerten der Bewertungsgrößen, die z. B. meßtechnisch aus Prüfstandsversuchen oder aus Feldversuchen ermittelt wurden.
Entsprechen sich die Soll-Bewertungsgrößen und die Istwerte der Bewertungsgrößen wie im vorliegenden Fall für den Ölverbrauch, so sind der Verbrennungsmotor und seine Komponenten in Ordnung. Bei Abweichung von Soll- Bewertungsgröße und Istwerte der Bewertungsgröße besteht Verdacht auf einen Motorschaden oder erhöhter Motorverschleiß.

Claims (13)

1. Verfahren zur Betriebszustandserfassung von Ver­ brennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, bei dem Meßgrößen und Ereignisse des Betriebs des Kraftfahrzeugs erfaßt und zu bewertbaren sowie vergleichbaren Größen verarbeitbar sind, gekennzeichnet durch folgende Schritte
  • - Erfassung von Meßgrößen (X, Y) und Ereignissen des Betriebs des Kraftfahrzeugs,
  • - Bildung von Basisgrößen (NKW, LAST, TKW) aus den erfaßten Meßgrößen und Betriebszuständen durch
  • - Aufsummierung der Verweil-Zeiten bestimmter Meßgrößen in bestimmten Klassierintervallen
  • - Aufsummierung bestimmter Ereignisse,
  • - fortlaufende Aufsummierung der gebildeten Basisgrößen zu einem Basis-Gesamtbelastungskollektiv,
  • - Abspeicherung der Basisgrößen und des Basis-Gesamtbe­ lastungskollektivs in einem Speicher und Be­ reitstellung entsprechender Signale zum Abruf,
  • - Bildung von Klassiergrößen (TKW/NKW, LAST/NKW, LAST/VTACHO) aus Verweilzeiten von Verbundklassierungen jeweils
zweier Meßgrößen, wobei
  • - die Verweilzeiten des jeweiligen Befindens in einer bestimmten Verbundklasse während eines festen Zeitabschnitts in einer Häufigkeitsmatrix hochgezählt werden,
  • - fortlaufende Aufsummierung der Klassiergrößen (TKW/NKW, LAST/NKW, LAST/VTACHO) zu einem Klassiergrößen- Belastungskollektiv,
  • - Abspeicherung der Klassiergrößen (TKW/NKW, LAST/NKW, LAST/VTACHO) und des Klassiergrößen-Be­ lastungskollektivs in einem Speicher und Bereitstel­ lung entsprechender Signale zum Abruf.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sollbewertungsgröße ermittelt wird, durch Multiplikation der einzelnen in der Häufigkeitsmatrix während des festen Zeitabschnitts hochgezählten Häufigkeitseinträge (z) mit einem Bewertungsgewicht (Gij) zu Einzelbewertungen und Aufsummierung der Einzelbewertung nach der Formel B = 1/cTΣjΣi (zij.Gij), wobei
B die ermittelte Soll-Bewertungsgröße in deren Maßeinheit,
zij der Häufigkeitseintrag der Verbundsklasse i, j in sec,
Gij das Bewertungsgewicht der Klasse i, j in der Maßeinheit der Soll-Bewertungsgröße pro h und
cT eine dimensionslose Normierungskonstante ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine spezifische Soll- Gesamtbewertungsgröße ermittelt wird durch Multi­ plikation der einzelnen in der Häufigkeitsmatrix während einer Gesamtbeobachtungszeit hochgezählten Häufigkeitseinträge (z) mit einem Bewertungsgewicht (Gij) zu Einzelbewertungen und Aufsummierung der Einzelbewertungen und Teilung der Summe der Einzelbewertungen durch die Summe der Häufigkeitseinträge (z) nach der Formel Bspez = ΣjΣi(zij.Gij)/ΣjΣi(zij) in der Maßeinheit der Bewertungsgröße pro h, wobei
Bspez die ermittelte Soll-Gesamtbewertungsgröße,
zij der Häufigkeitseintrag der Verbundsklasse i, j in sec und
Gij das Bewertungsgewicht der Klasse i, j in der Maßeinheit der Bewertungsgröße pro h ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß während des festen Zeitabschnitts zum Hochzählen der Häufigkeitsmatrix oder während der Gesamtbeobachtungszeit der Istwert einer Bewertungsgröße oder der Istwert einer Gesamtbewertungsgröße gemessen und anschließend mit der Soll-Bewertungsgröße oder der spezifischen Soll- Gesamtbewertungsgröße verglichen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebszustandser­ fassung und Abspeicherung der Basisgrößen, des Basis- Gesamtbelastungskollektivs, der Klassiergrößen und des Klassiergrößen-Belastungskollektivs onboard des Kraft­ fahrzeugs erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abspeicherung der Ba­ sisgrößen, des Basis-Gesamtbelastungskollektivs, der Klassiergrößen und des Klassiergrößen-Belastungskol­ lektivs in einem Permanentspeicher erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufsummierung der Klas­ siergrößen zum Klassiergrößen-Belastungskollektiv in mehreren Zeitbereichen eines Zeitintervalls erfolgt, wobei die Zeitbereiche einen Gegenwartszeitbereich und mehrere Vergangenheitszeitbereiche umfassen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitbereiche etwa die gleiche Erstreckung besitzen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitbereiche etwa 328 Stunden betragen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zu erfassenden Meß­ größen der Motorbetrieb und/oder die Kühlwassertempe­ ratur und/oder die Drehzahl der Kurbelwelle und/oder die Motorlast und/oder die gefahrenen Kilometer und/oder die Fahrgeschwindigkeit und/oder das Drehmo­ ment an der Kurbelwelle und/oder die Kaltstarts und/oder der Betrieb in einem bestimmten Gang sind.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Basisgrößen eine Aufsummierung der Zeiten der Meßgrößen Mo­ torbetrieb und/oder hohe Drehzahl und/oder hohe Kühl­ wassertemperatur und/oder hohe Motorlast und/oder Be­ trieb Stand und/oder Betrieb in einem bestimmten Gang erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Basisgrößen eine Aufsummierung des Auftretens der Ereignisse gefahrene Kilometer und/oder Umdrehungen der Kurbel­ welle und/oder Anzahl der Kaltstarts erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Verbundklassierungen für die Meßgrößen einer bestimmten Kühlwassertemperatur bei einer bestimmten Motordrehzahl und/oder einer be­ stimmten Motorlast bei einer bestimmten Drehzahl und/oder einer bestimmten Motorlast bei einer bestimm­ ten Fahrgeschwindigkeit erfolgen.
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