DE10114375A1 - Verfahren zur Funktionsdiagnose mindestens eines Ladungsbewegungselements - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsdiagnose mindestens eines Ladungsbewegungselements in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs bei laufendem Verbrennungsmotor, folgende Schritte umfassend: (a) Erzeugen (12) einer Ladungsbewegung durch das mindestens eine Ladungsbewegungselement; (b) Einstellen (14) mindestens eines Zündwinkels in Richtung "früh" auf einen frühen Zündwinkelwert; (c) Ermitteln (16) einer für die Klopfaktivität charakteristischen Größe und (d) Vergleichen (18) der ermittelten Größe mit einem Sollwert, um ein mögliches Abweichen festzustellen. Die Erfindung betrifft außerdem eine Motorsteuervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, das erfindungsgemäße Verfahren automatisch durchzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsdiagnose mindestens eines Ladungsbewegungselements in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs und eine Motorsteuervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.

Aus der DE 199 22 568 ist eine Ladungsbewegungsklappe bekannt. Diese Ladungsbewegungsklappe ist in einem Ansaugrohr angeordnet, von dem aus durch ein Einlaßventil Luft in einen Zylinder überführt wird. Sie umfaßt eine Platte, die passend zu einem Querschnitt des Ansaugrohrs geformt ist, wobei etwa ein Viertel der Platte ausgenommen ist, um der Luft einen Durchtritt durch diese Aussparung zu erlauben, wenn sich die Ladungsbewegungsklappe in einer geschlossenen Position befindet. Dieser Durchtritt der Luft bewirkt eine erhöhte Bewegung der Ladung im Zylinder. In der genannten Druckschrift wird die Ladungsbewegungsklappe in Kombination mit einer dual gleichen, variablen Nocken-Synchronisation eingesetzt. Diese Kombination ermöglicht es, einen Verbrennungsmotor entweder unter vollständig oder nahezu stöchiometrischen oder unter mageren Bedingungen zu betreiben, so daß zur Reduzierung der Luftverschmutzung eine Mager-NOx-Falle eingesetzt werden kann. Durch die Ladungsbewegungsklappe wird die Bewegung der Ladung im Zylinder erhöht und damit die Fähigkeit zum Umgang mit einer Ladungsverdünnung verbessert. Dies wird erreicht, indem die Ladungsbewegungsklappe der in den Zylinder eintretenden Ladung selektiv ein Drehmoment mitgibt.

Die Ladungsbewegungsklappe ist abgasbeeinflussend, so daß ein Ausfall bzw. ein Defekt der Ladungsbewegungsklappe zu ungewünschten schädlichen Abgasemissionen führen kann.

Aus der DE 40 26 853 ist eine Vorrichtung bekannt, durch die festgestellt werden kann, ob in Ansaugrohren befindliche Drosselklappen den gewünschten Öffnungswinkel aufweisen. Eine Normalfall-Regeleinheit gibt bestimmte Öffnungssollwerte für die einzelnen Drosselklappen vor. Mit Hilfe von Öffnungswinkelerfassungseinheiten können die tatsächlichen Öffnungsistwerte der einzelnen Drosselklappen ermittelt werden. Diese Istwerte werden dann mit den Sollwerten verglichen. Übersteigt die berechnete Differenz zwischen einem Istwert und einem Sollwert einen bestimmten Wert, liegt eine Fehlfunktion im Regelsystem einer Drosselklappe vor, weil diese Drosselklappe offensichtlich nicht der Vorgabe der Normalfall-Regeleinheit folgt. Zur Regelung der Ansaugluftmenge werden dann von der gegenüber der Normalfall-Regeleinheit vorrangigen Störfall-Regeleinheit nur die störungsfreien Drosselklappen gesteuert. Dieses Regelsystem ist jedoch äußerst aufwendig, da jede Drosselklappe mit einer Öffnungswinkelerfassungseinheit kombiniert werden muß. Außerdem erscheint diese Art der Funktionsüberprüfung für Ladungsbewegungsklappen nicht in allen Fällen geeignet. Zum Beispiel könnte bei einer Ladungsbewegungsklappe eine Störung dadurch auftreten, daß die Aussparung aufgrund von Materialalterung größer ist als vorgesehen. Diese Art der Störung würde durch eine Überprüfung mit Hilfe einer Öffnungswinkelerfassungseinheit nicht festgestellt werden.

Hinzu kommt weiterhin, daß eine Ladungsbewegung auch durch andere Ladungsbewegungselemente erzeugt werden kann als durch Ladungsbewegungsklappen, so daß die Funktionsfähigkeit dieser Ladungsbewegungselemente nicht auf die in der DE 40 26 853 beschriebene Weise überprüft werden kann. Beispielsweise wird in der WO 99/46491 ein Ottomotor offenbart, der mehrere Einlaßventile für einen Zylinder besitzt, die durch eine variable Ventilsteuerung eine Ladungsbewegung in dem Zylinder verursachen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Funktionsdiagnose mindestens eines Ladungsbewegungselements bereitzustellen, das einfach durchzuführen ist, nicht den Einbau von aufwendigen Prüfungseinheiten voraussetzt und zu zuverlässigen Ergebnissen führt. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, eine Motorsteuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Funktionsdiagnose mindestens eines Ladungsbewegungselements in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, das bei laufendem Verbrennungsmotor durchgeführt wird und das folgende Schritte umfaßt:

• a) Erzeugen einer Ladungsbewegung durch das mindestens eine Ladungsbewegungselement;
• b) Einstellen mindestens eines Zündwinkels in Richtung "früh" auf einen frühen Zündwinkelwert;
• c) Ermitteln einer für die Klopfaktivität charakteristischen Größe; und
• d) Vergleichen der ermittelten Größe mit einem Sollwert, um ein mögliches Abweichen festzustellen.

Im Sinne der Erfindung ist unter Einstellen mindestens eines Zündwinkels in Richtung "früh" zu verstehen, daß ein früher Zündwinkelwert eingestellt wird, der einem Sollzündwinkel entspricht, wobei der Sollzündwinkel in der Regel im Bereich der Klopfgrenze liegt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei tatsächlich erzeugter Ladungsbewegung und einem Motorbetrieb mit Zündwinkeln, die ohne Ladungsbewegung im wirkungsgradoptimalen Bereich liegen, ein Klopfen auftritt, das ohne erzeugte Ladungsbewegung nicht auftreten würde. Wird eine Ladungsbewegung durch das mindestens eine Ladungsbewegungselement erzeugt und mindestens ein Zündwinkel auf einen oben beschriebenen Zündwinkelwert eingestellt, so signalisiert das Klopfen, daß tatsächlich eine Ladungsbewegung erreicht wurde. Ist hingegen die Klopfaktivität nicht so hoch wie erwartet, liegt eine Störung bei der Erzeugung der Ladungsbewegung vor. Dabei stellt die Klopfaktivität im Sinne der Erfindung ein Maß dafür dar, ob und wie stark ein Klopfen auftritt. Wird beispielsweise kein Klopfen beobachtet, ist die Klopfaktivität gleich null.

Ebenso kann umgekehrt eine nicht erzeugte Ladungsbewegung (z. B. offene Ladungsbewegungsklappe) dadurch erkannt werden, das mit dem oben beschriebenen Zündwinkel kein Klopfen auftritt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf sehr einfache Art und Weise durchgeführt werden und führt trotzdem zu sehr zuverlässigen Ergebnissen, da die Ladungsbewegung direkt überprüft wird, und nicht eine indirekte Prüfung, beispielsweise über eine Stellung eines Ladungsbewegungselements, stattfindet. Außerdem müssen die Ladungsbewegungselemente nicht extra mit zusätzlichen Überprüfungselementen gekoppelt werden, um das Verfahren durchführen zu können.

Eine erste besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die in Schritt c) ermittelte Größe charakteristisch für die Klopfaktivität ist, die durch einen bestimmten Zylinder verursacht wird. Bekannterweise weist ein Motor ein oder mehrere Zylinder auf, wobei in einem Zylinder ein hin und her bewegbarer Kolben angeordnet ist. Herkömmlicherweise ist der Kolben über eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle verbunden. Pro Zylinder können ein oder mehrere Ansaugrohre vorgesehen sein, durch die der Motor mit Luft versorgt wird, wobei die Luft jeweils über ein oder mehrere Einlaßventile in den jeweiligen Zylinder eingelassen wird. In einem solchen Ansaugrohr kann nun beispielsweise ein Ladungsbewegungselement angeordnet sein, so daß das Nichtfunktionieren des Ladungsbewegungselements in dem Ansaugrohr dazu führt, daß durch den Zylinder, mit dem das Ansaugrohr verbunden ist, eine vom Sollwert abweichende Klopfaktivität verursacht wird. Ist wie bei der genannten Weiterbildung die in Schritt c) ermittelte Größe charakteristisch für die Klopfaktivität, die durch einen bestimmten Zylinder verursacht wird, so kann gezielt das mindestens eine Ladungsbewegungselement hinsichtlich seiner Funktionsfähigkeit überprüft werden, das mit dem bestimmten Zylinder in Wirkverbindung steht. Es ist daher äußerst sinnvoll, pro Zylinder eine Größe zu ermitteln, die charakteristisch für die Klopfaktivität ist, die durch diesen Zylinder verursacht wird.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung geht in die in Schritt c) ermittelte charakteristische Größe eine Frequenz und/oder eine Amplitude eines Klopfens in einem bestimmten Winkelfenster der Kurbelwelle ein, wobei das bestimmte Winkelfenster der Kurbelwelle dem bestimmten Zylinder zugeordnet ist. Insbesondere die Amplitude stellt ein geeignetes Maß für die Klopfaktivität dar, die durch einen bestimmten Zylinder verursacht wird.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß bei Abweichen der ermittelten Größe von dem Sollwert ein Warnsignal erzeugt wird, das darüber informiert, daß mindestens ein Ladungsbewegungselement oder mindestens ein mit dem bestimmten Zylinder in Wirkverbindung stehendes Ladungsbewegungselement nicht funktionsfähig ist. Dabei kann das Warnsignal beispielsweise durch eine entsprechende Anzeige am Armaturenbrett realisiert werden, so daß ein Fahrer oder eine andere Überprüfungsperson unverzüglich über die Störung informiert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei Übereinstimmen der ermittelten Größe mit dem Sollwert nach Schritt d) zu Schritt b) zurückgeschleift werden, wobei der mindestens eine Zündwinkel in Richtung "früh" auf einen anderen frühen Zündwinkelwert verschoben wird. Dies ist besonders vorteilhaft, weil es vorkommen kann, daß der zuerst eingestellte Zündwinkelwert nicht ausreichend nach früh verschoben war.

Der frühe Zündwinkelwert oder der andere frühe Zündwinkelwert kann ein Basiszündwinkel für den Betrieb ohne Ladungsbewegung sein, also ein wirkungsgradoptimaler Zündwinkel.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die in Schritt c) für die Klopfaktivität charakteristische Größe die Aktivität einer automatischen Klopfregelung ist. Da das sogenannte Klopfen beim Betrieb eines Verbrennungsmotors einen kritischen Betriebszustand darstellt, der die Lebensdauer des Motors ungünstig beeinflussen kann, wird häufig eine sogenannte Klopfregelung eingesetzt. Die Klopfregelung verschiebt beim Sensieren des Klopfens eines Zylinders des Verbrennungsmotors den Zündwinkel in Richtung spät. Folglich ist die Aktivität, das heißt der Betriebszustand, einer automatischen Klopfregelung, ein geeignetes Maß für die Klopfaktivität. Ist in einem Fahrzeug bereits eine automatische Klopfregelung vorgesehen, kann darauf verzichtet werden, Elemente zur Verfügung zu stellen, die das Klopfen beispielsweise in der oben beschriebenen Art und Weise auswerten.

Das mindestens eine Ladungsbewegungselement kann mindestens eine Ladungsbewegungsklappe umfassen, und die mindestens eine Ladungsbewegungsklappe kann in Schritt a) in eine geschlossene oder in eine nahezu geschlossene Stellung überführt werden. Wesentlich ist, daß durch die jeweilige Stellung eine Ladungsbewegungserzeugung für den in den Brennraum eingelassenen Luftstrom erreicht werden kann.

Das mindestens eine Ladungsbewegungselement kann aber auch mindestens ein Einlaßventil umfassen, das in Schritt a) derart aktiviert wird, daß es die Ladungsbewegung regelmäßig erzeugt. Dies kann beispielsweise durch die oben bereits beschriebene variable Ventilsteuerung geschehen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das erfindungsgemäße Verfahren automatisch, insbesondere durch eine Motorsteuervorrichtung durchgeführt wird, so daß das erfindungsgemäße Verfahren auch von einer unerfahrenen oder unkundigen Person initiiert werden kann bzw. automatisch während des Motorlaufs abläuft. Alternativ kann das Verfahren auch manuell durchgeführt werden.

Die obige Aufgabe wird auch gelöst durch eine Motorsteuervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, das erfindungsgemäße Verfahren automatisch oder manuell durchzuführen. Dies setzt voraus, daß die Verfahrensschritte in der Motorsteuervorrichtung abgelegt sind und daß die Motorsteuervorrichtung Elemente umfaßt, durch die die einzelnen Schritte durchgeführt werden können. Vorteilhafterweise können bei der erfindungsgemäßen Motorsteuervorrichtung auch die bereits oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erwähnten Funktionen realisiert sein.

Weitere Vorteile gehen aus den im folgenden unter Hinweis auf die Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen hervor.

Die Figur zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Funktionsdiagnose mindestens eines Ladungsbewegungselements in einem Verbrennungsmotor.

In der Figur ist ein erfindungsgemäßes Verfahren dargestellt, mit dem die Funktion mindestens eines Ladungsbewegungselements in einem Verbrennungsmotor diagnostiziert werden kann. Beispielhaft wird hier ein Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug untersucht, der mehrere Zylinder aufweist, denen jeweils durch ein Ansaugrohr Luft zugeführt wird, wobei in jedem Ansaugrohr eine Ladungsbewegungsklappe angeordnet ist. In einem ersten Schritt 10 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Testprozedur eingeleitet, indem beispielsweise ein Betätigungselement betätigt wird, woraufhin ein Befehl zum Starten des Verfahrens erzeugt wird. Durch den Befehl wird in einer Ausgestaltung der Erfindung eine Motorsteuervorrichtung dazu veranlaßt, mit der Funktionsdiagnose zu beginnen. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei laufendem Motor durchgeführt. Ebenso kann der Anstoß zur Diagnose durch das Motorsteuergerät "automatisch" eingeleitet werden

In einem zweiten Schritt 12 wird dann eine Ladungsbewegung erzeugt, indem die Ladungsbewegungsklappen in Richtung schließen angestellt werden. Dies ist abhängig davon, wie die Ladungsbewegungsklappen ausgebildet sind. Diejenigen Ladungsbewegungsklappen, die eine Aussparung zur Ladungsbewegungserzeugung aufweisen, können auch vollständig geschlossen werden. Diejenigen Ladungsbewegungsklappen, die keine derartige Aussparung aufweisen, werden soweit angesellt, daß durch die noch verbleibende Öffnung eine entsprechender Ladungsbewegung erzeugt wird.

In einem weiteren Schritt 14 werden die Zündwinkel in Richtung früh verstellt. Beispielsweise kann ein Zündwinkelwert gewählt werden, der einem Basiszündwinkel für den Betrieb ohne Ladungsbewegung entspricht. Daraufhin wird in Schritt 16 die Klopfaktivität ermittelt und bewertet. Dies geschieht durch Ermittlung der Aktivität einer im Fahrzeug vorhandenen Klopfregelung. Diese Aktivität bildet eine charakteristische Größe, die mit einem Sollwert verglichen wird, wobei der Sollwert einer bei erzeugter Ladungsbewegung zu erwartenden Aktivität entspricht. Wird in Schritt 18 festgestellt, daß die Klopfregelung weniger aktiv ist als mit z. B. angestellten Ladungsbewegungsklappen, also mit erzeugter Ladungsbewegung, erwartet, kann auf eine mangelnde Funktionsfähigkeit der Ladungsbewegungsklappen geschlossen werden. Wird dies in Schritt 20 festgestellt, setzt in Schritt 22 der Versuch einer zylinderselektiven Zuordnung ein.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird zu diesem Zweck die Klopfregelung inaktiv geschaltet, und pro Zylinder wird aus einer Amplitude eines Klopfens in einem bestimmten Winkelfenster der Kurbelwelle eine charakteristische Größe ermittelt, wobei das bestimmte Winkelfenster der Kurbelwelle dem Zylinder zugeordnet ist. Die charakteristische Größe wird dann jeweils mit einem Sollwert verglichen, der bei erzeugter Ladungsbewegung und dem eingestellten Zündwinkelwert erwartet wird. Auf diese Art und Weise kann festgestellt werden, ob die Klopfaktivität, die durch einen Zylinder verursacht wird, geringer ist als erwartet. Ist dies der Fall, ist die Ladungsbewegung in diesem Zylinder gestört, und die in Wirkverbindung mit diesem Zylinder stehende Ladungsbewegungserzeugung ist nicht vollständig funktionsfähig. Wird dies in Schritt 24 festgestellt, wird die Testprozedur durch Schritt 26 verlassen. Vor Schritt 26 kann allerdings ein Warnsignal erzeugt werden, das eine Person darüber informiert, welche Ladungsbewegungsklappe voraussichtlich nicht vollständig funktionsfähig ist.

Unter Umständen kann auf die beschriebene Art und Weise keine zylinderselektive Zuordnung durchgeführt werden. In einem solchen Fall wird die Testprozedur über Schritt 28 in Schritt 26 verlassen.

Wird in Schritt 18 jedoch festgestellt, daß die Klopfregelung nicht weniger aktiv ist als mit angestellten Ladungsbewegungsklappen erwartet, kann das Verfahren zu Schritt 14 zurückgeschleift werden, wobei in Schritt 14 der Zündwinkelwert weiter nach früh verstellt wird. Hat der Zündwinkel jedoch bereits einen maximal nach früh verstellten Wert erreicht, wird in Schritt 30 festgestellt, daß die Erzeugung der Ladungsbewegung fehlerfrei verläuft und daher auch die Ladungsbewegungsklappen vollständig funktionsfähig sind. Daraufhin wird die Testprozedur in Schritt 26 verlassen.

Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Ottomotor mit mehreren Einlaßventilen für jeweils einen Zylinder untersucht. Bei diesem Ottomotor wird eine Ladungsbewegung im gesamten Motorbetriebsbereich durch eine variable Ventilsteuerung realisiert. Durch die alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann überprüft werden, ob die Ventilsteuerung und die Ventile einwandfrei funktionieren. Die Verfahrensschritte laufen dabei analog den oben beschriebenen Schritten ab, wobei in dieser Ausführungsform eventuell andere Zündwinkelwerte eingestellt werden müssen und auch die Sollwerte von den oben verwendeten Sollwerten abweichen können.

Alle beschriebenen Verfahrensschritte können durch eine Motorsteuervorrichtung automatisch durchgeführt werden, wenn diese entsprechend ausgelegt ist. Die Vorrichtungselemente, die dafür notwendig sind, sind für den Fachmann bei Kenntnis der Verfahrensschritte offensichtlich.

Weitere Veränderungen, Modifikationen oder Kombinationen der oben beschriebenen Ausführungsformen sind für den Fachmann ebenfalls offensichtlich und fallen damit ebenso unter den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche.

Claims (12)

1. Verfahren zur Funktionsdiagnose mindestens eines Ladungsbewegungselements in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs bei laufendem Verbrennungsmotor, folgende Schritte umfassend:

• a) Erzeugen (12) einer Ladungsbewegung durch das mindestens eine Ladungsbewegungselement;
• b) Einstellen (14) mindestens eines Zündwinkels nach Richtung "früh" auf einen frühen Zündwinkelwert;
• c) Ermitteln (16) einer für die Klopfaktivität charakteristischen Größe; und
• d) Vergleichen (18) der ermittelten Größe mit einem Sollwert, um ein mögliches Abweichen festzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Schritt c) ermittelte Größe charakteristisch für die Klopfaktivität ist, die durch einen bestimmten Zylinder verursacht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die in Schritt c) ermittelte charakteristische Größe eine Frequenz und/oder eine Amplitude eines Klopfens in einem bestimmten Winkelfenster der Kurbelwelle eingeht, wobei das bestimmte Winkelfenster der Kurbelwelle dem bestimmten Zylinder zugeordnet ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abweichen der ermittelten Größe von dem Sollwert ein Warnsignal erzeugt wird, das darüber informiert, daß mindestens ein Ladungsbewegungselement oder mindestens ein mit dem bestimmten Zylinder in Wirkverbindung stehendes Ladungsbewegungselement nicht oder nur bedingt funktionsfähig ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei Übereinstimmen der ermittelten Größe mit dem Sollwert nach Schritt d) zu Schritt b) zurückgeschleift wird, wobei der mindestens eine Zündwinkel nach Richtung "früh" auf einen anderen frühen Zündwinkelwert verschoben wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der frühe Zündwinkelwert oder der andere frühe Zündwinkelwert ein Basiszündwinkel für den Betrieb ohne Ladungsbewegung ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in Schritt c) für die Klopfaktivität charakteristische Größe die Aktivität einer automatischen Klopfregelung ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Ladungsbewegungselement mindestens eine Ladungsbewegungsklappe umfaßt und daß die mindestens eine Ladungsbewegungsklappe in Schritt a) in eine geschlossene oder in eine nahezu geschlossene Stellung überführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Ladungsbewegungselement mindestens ein Einlaßventil umfaßt, das in Schritt a) derart aktiviert wird, daß es die Ladungsbewegung erzeugt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren automatisch oder manuell durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren durch eine Motorsteuervorrichtung durchgeführt wird.

12. Motorsteuervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 automatisch oder manuell durchzuführen.