DE10159392A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, bei dem eine Vielzahl von Parametern mittels Messpunkten 1, 3, 5 untersucht werden. Bei einzelnen Messpunkten 3 kann dabei der Motor nicht lauffähig (nicht innerhalb der Linie 22) betrieben werden. Wenn festgestellt wird, dass zu einem Messpunkt 3 der Motor nicht lauffähig ist, so wird durch Verschieben ein neuer Messpunkt 4 erzeugt, zu dem der Motor lauffähig ist. Das Verfahren kann insbesondere automatisiert erfolgen.

Description

Stand der Technik
• Die Erfindung geht aus von einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung zur Untersuchung eines Verbrennungsmotors nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. Aus einem Artikel von Kuder, J. und Kruse, T., "Parameteroptimierung an Ottomotoren mit Direkteinspritzung", Motortechnische Zeitung, Juni 2000, S. 378 ff. ist bereits ein Verfahren zur Untersuchung eines Verbrennungsmotors bekannt. Außer diesem Artikel ist bekannt bei einer Vielzahl von Betriebspunkten mit vorgegebener Last- und Drehzahl jeweils weitere Parameter in einem Messbereich zu untersuchen. Die weiteren Parameter werden anhand von Messpunkten untersucht, wobei insbesondere der Saugrohrdruck, der Einspritzzeitpunkt, der Kraftstoffdruck, Ventilsteuerzeiten, Zündzeitpunkte, Abgasrückführrate oder die Stellung einer Ladungsbewegungsklappe verändert werden. Aufgrund der Vielzahl der möglichen Parameter ist es nicht möglich, Messungen an dem Verbrennungsmotor mit allen möglichen Parametereinstellungen vorzunehmen. Es werden daher Messpunkte mit bestimmten Parametereinstellungen innerhalb des Messbereichs einzeln vermessen. Dabei sind insbesondere Extrempunkte von Interesse, d. h. Parametereinstellungen, bei denen die Parameter jeweils maximal oder minimal mögliche Werte annehmen.
Vorteile der Erfindung
• Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung haben den Vorteil, dass durch einfache Maßnahmen eine einfache Messung unterschiedlicher Messpunkte ermöglicht wird. Insbesondere ist es so möglich, eine automatisierte Messung vorzunehmen, da durch eine einfache Vorgehensweise die Gefahr der Zerstörung des Motors zuverlässig verhindert wird und gleichzeitig ein Weiterlaufen der Messung ermöglicht wird.
• Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Besonders einfach wird der Messbereich um einen Mittelpunkt herum angeordet, wobei zunächst bestimmt wird, ob der Motor bei einem Betrieb mit diesem Mittelpunkt lauffähig ist. Sofern Messpunkte angefahren werden, die nicht lauffähig sind, erfolgt ein Betrieb mit dem Messmittelpunkt, um so den Motor wieder in einem lauffähigen Bereich zu halten. Wenn der Motor bei einem Messpunkt als nicht lauffähig beurteilt wird, so werden die Parameter verändert, um einen neuen Messpunkt zu definieren, wobei der neue Messpunkt im Verhältnis zu anderen Messpunkten relativ nah am alten Messpunkt liegt. Durch diese Vorgehensweise wird ein neuer sinnvoller Messpunkt definiert, der ebenfalls eine aussagefähige Messung des Motors ermöglicht und zum Anderen eine größere Wahrscheinlichkeit hat, dass der Motor lauffähig ist. Diese Veränderung der Parameter erfolgt dabei insbesondere, indem der Messpunkt näher zu einem Messpunkt verschoben wird, dessen Lauffähigkeit bekannt ist. Dabei kann es sich insbesondere um den Messmittelpunkt handeln. Besonders einfach kann die Lauffähigkeit des Motors durch einen Temperatursensor direkt am Abgaskrümmer und einem weiteren Temperatursensor im Katalysator beurteilt werden.
• Insbesondere, wenn die Temperatur des Katalysators die Temperatur des Abgaskrümmers übersteigt, sollte sofort auf einen Betrieb des Motors zu einem bekannt lauffähigen Messpunkt umgeschaltet werden.
Zeichnungen
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• Es zeigen
• Fig. 1 eine schematisierte Ansicht eines Zylinders mit verschiedenen Komponenten, die die Verbrennung in dem Zylinder beeinflussen, und
• Fig. 2 und 3 ein Diagramm von zwei Parametern, jeweils mit Messpunkten, einem Messmittelpunkt und Grenzen der Lauffähigkeit.
Beschreibung
• In der Fig. 1 wird schematisch ein Teil eines Brennraums 100 eines Verbrennungsmotors gezeigt. In dem Brennraum 100 wird Kraftstoff verbrannt und die sich dadurch ergebende Druckerhöhung wird zur Bewegung eines Kolbens genutzt. Zur Beeinflussung dieser Verbrennung in dem Brennraum 100 sind eine Vielzahl von Komponenten vorgesehen. Der Kraftstoff wird durch ein Einspritzventil 100 direkt in den Brennraum 100 eingespritzt. Ein im Brennraum 100 gebildetes Gemisch von Kraftstoff und Luft wird durch einen Zündfunken an einer Zündkerze 102 gezündet. Die notwendige Luft wird dem Brennraum 100 durch ein Saugrohr 103 zugeführt. Dazu wird ein Einlaßventil 104 geöffnet, so daß Luft aus dem Saugrohr 103 in den Brennraum 100 strömen kann. Bei der Verbrennung ist dann das Einlaßventil 104 geschlossen. Das Abgas der Verbrennung wird durch ein Auslaßventil 105 in einen Auslasskanal 106 entlassen. Der Druck im Saugrohr 103 am Einlaßventil 104 kann durch eine Drosselklappe 107 beeinflußt werden. Das Einströmverhalten der Luft in den Brennraum 100 kann durch Betätigung einer Ladungsbewegungsklappe 108 beeinflußt werden. Weiterhin kann Abgas aus dem Auslasskanal 106 durch einen Rückführkanal 109 in das Saugrohr 103 zurückgeleitet werden. Die Stärke dieser Rückführung, d. h. die Abgasrückführrate, kann durch den Abgasrückführsteller 110 beeinflußt werden. Dem Auslasskanal 106 nachgeordnet ist ein Abgaskrümmer 160, durch den die Abgase in den Katalysator 161 eingeleitet werden. Sowohl für den Abgaskrümmer 160 wie auch für den Katalysator 161 ist jeweils ein Temperatursensor 150 und 151 vorgesehen, mit denen die Temperatur des Abgaskrümmers 160 bzw. des Katalysators 161 bestimmt werden können.
• Für die Verbrennung im Brennraum 100 kann somit der Saugrohrdruck, der Einspritzzeitpunkt, der Kraftstoffdruck, mit dem eingespritzt wird, die Ansteuerzeiten der Ventile, die Rate der Abgasrückführung und die Stellung der Ladungsbewegungsklappe beeinflußt werden. Die Parameter, mit denen die hier gezeigten Komponenten betätigt werden, müssen bei den einzelnen Motoren experimentell bestimmt werden. Insbesondere ist es dabei wünschenswert, möglichst günstige, d. h. optimale, Parameterkombinationen zu finden, bei denen der Verbrauch, die Leistung des Motors, die Abgase und weitere Daten des Motors optimal sind. Zum Teil müssen hierbei Abwägungen getroffen werden, da es oft nicht möglich ist, alle Daten eines Motors gleichzeitig zu optimieren. Ein optimaler Satz von Parameterpunkten enthält somit auch immer eine gewisse Wertung, die darin besteht, daß einander entgegenlaufende Daten eines Motors unterschiedlich stark gewichtet werden. Für die Ansteuerung des Motors im realen Betrieb in einem Kraftfahrzeug wird daher in einem entsprechenden elektronischen Steuergerät ein Kennfeld gespeichert, bei dem in Abhängigkeit von Last und der Drehzahl optimierte Sätze von Parametern für Last- und Drehzahlpunkte gespeichert sind. Zwischen den Last- und Drehzahlpunkten wird anhand der gespeicherten Werte interpoliert. Für die Herstellung eines derartigen Kennfelds wird der Motor in einem Motorprüfstand untersucht, um anhand der Messungen die Daten für das Kennfeld zu bestimmen.
• In der Fig. 2 wird schematisch ein Diagramm gezeigt, bei dem ein Parameter A gegen einen Parameter B aufgetragen ist. Es wird so eine Parameterebene AB aufgespannt. Im realen Betrieb handelt es sich in der Regel nicht um zwei Parameter, sondern um eine größere Vielzahl von Parametern, so dass nicht eine Parameterebene AB, sondern ein mehrdimensionaler Raum aufgespannt wird. Aus Vereinfachungsgründen wird jedoch hier nur eine Parameterebene AB dargestellt.
• Bei der Untersuchung des Motors wird nun diese Parameterebene AB daraufhin untersucht, welche Kombination von Parametern AB für einen bestimmten Betriebspunkt, der insbesondere durch die Angabe einer Drehzahl N und einer Last L definiert ist, sinnvoll ist. Beispielsweise kann es sich bei dem Parameter A um den Einspritzzeitpunkt und bei dem Parameter B um den Zündwinkel handeln. Um nun für einen bestimmten Betriebspunkt einen optimalen Satz von Parametern AB zu bestimmen, werden nun die Parameter A und B in bestimmten Grenzen variiert und es wird jeweils die Reaktion des Verbrennungsmotors auf diese Parametervariation untersucht. Ziel dieser Vorgehensweise ist es, eine optimale Kombination der Parameter AB zu finden, beispielsweise eine Kombination, bei der der Kraftstoffverbrauch möglichst gering wird.
• Da jedoch noch weitere Bedingungen optimiert werden sollen, beispielsweise Zusammensetzung des Abgases, Fahrverhalten des Motors usw., stellt ein "optimierter" Parametersatz immer einen Kompromiss zwischen einer Vielzahl von teilweise einander entgegenlaufender Anforderungen dar. Es bedarf daher immer einer gewissen Wertung, um zu beurteilen, ob ein Parametersatz optimal ist oder nicht. Zum Auffinden eines derartigen optimalen Parametersatzes ist für den Parameter A ein Untersuchungsbereich in den Grenzen zwischen A1 und A2 vorgesehen. Für den Parameter B ist ein Untersuchungsbereich in den Grenzen zwischen den Werten B1 und B2 vorgesehen. Von besonderem Interesse sind dabei jeweils die Maximalkombinationen der Parameter, d. h. es sollten auf jeden Fall Messpunkte vorgesehen werden, die nahe den Werten A1B1, A2B1, A2B2 und A1B2 sind.
• Weitere Messpunkte liegen mehr im Inneren des durch die Parameterbereiche aufgespannten Bereichs. Diese dienen dazu, um die Abhängigkeit der Reaktion des Motors zwischen den Extremwerten zu untersuchen. Durch Messung dieser einzelnen Messpunkte wird dann ein Modell des Motors gebildet, durch das er dann ein optimaler Betriebspunkt, d. h. eine als optimal bewertete Kombination der Parameter AB bestimmt werden kann. Dies ist auch dann möglich, wenn an dem als optimal errechneten Betriebspunkt unmittelbar keine Messung erfolgt ist.
• In dem Diagramm ist weiterhin noch eine Lauffähigkeitsgrenze 22 eingezeichnet. Der Verbrennungsmotor ist nämlich nicht unbedingt bei allen Kombinationen der Parameter A und B innerhalb der Bereiche A1-A2, B1-B2 lauffähig, d. h. es gibt Kombinationen der Parameter A und B, bei denen der Motor nicht betrieben werden kann oder bei denen ein dauernder Betrieb zu einer Schädigung oder Zerstörung des Motors führen kann. Dies ist beispielsweise beim Zündwinkel unmittelbar einsichtig, da bei einem 2u späten Zündwinkel die Verbrennung im Zylinder nur unvollständig erfolgt und so ein hoher Prozentsatz an verbranntem Kraftstoff ausgestoßen wird. Dieser Kraftstoff führt dann in einem Katalysator, der im Abgastrakt des Motors angeordnet ist, zu einer Nachverbrennung, die zu so hohen Temperaturwerten führen kann, dass der Katalysator zerstört wird. Der Verbrennungsmotor kann daher nicht mit diesem Parameter betrieben werden, da es sonst zu einer Zerstörung des Katalysators kommt. In dem Diagramm der Fig. 2 ist klar zu erkennen, dass die Messpunkte 1 innerhalb des durch die Linie 22 markierten Lauffähigkeitsbereichs liegen.
• Weiterhin wird in der Fig. 2 noch ein Messmittelpunkt 5 gezeigt, d. h. ein Messpunkt, der bezüglich des Parameters A in der Mitte zwischen den Punkten A1 und A2 und bezüglich des Parameters B in der Mitte zwischen den Parameterwerten B1 und B2 liegt. Des Messmittelpunkt 5 sollte sinnvollerweise immer so angeordnet sein, dass er in etwa in der Mitte des Lauffähigkeitsbereichs 22 liegt. Wenn der Messmittelpunkt 5 an der Grenze des Lauffähigkeitsbereichs 22 liegt, wäre die Frage zu stellen, ob die Auswahl der Parameterbereiche sinnvoll war.
• Weiterhin wird in dem Diagramm der Fig. 2 noch der Messpunkt 3 gezeigt, der in der Nähe des Extremwertes A1 und B2 liegt. Dieser Messpunkt 3 liegt außerhalb der Lauffähigkeitsgrenze 22. Wenn versucht wird, den Verbrennungsmotor mit diesem Messpunkt 3 zu betreiben, so wird der Motor in einem Zustand betrieben, der nicht lauffähig ist, d. h. der Motor läuft überhaupt nicht, oder aber er wird so betrieben, dass es zu einer Zerstörung des Motors oder von Komponenten kommt.
• Wenn beim Messpunkt 3 festgestellt wird, dass dieser Punkt nicht lauffähig ist, kann bei diesem Messpunkt auch keine Messung der Reaktion des Motors erfolgen. Eine einfache Vorgehensweise wäre, einfach diesen Messpunkt 3 dann nicht zu vermessen. Der Nachteil dieser Vorgehensweise ist aber, dass er diesen Extremmesswerten dann nicht zur Verfügung steht, d. h. die Modellbildung des Motors, die ja insbesondere Messungen an den Extremwerten benötigt, würde erschwert oder gegebenenfalls nicht möglich sein. Wenn er Messpunkt 3 nicht messbar ist, so sollte statt des Messpunktes 3 optimalerweise ein Messpunkt gemessen werden, der nahe diesem Messpunkt 3 liegt, aber gerade eben innerhalb des Lauffähigkeitsbereichs 22 liegt.
• Erfindungsgemäß wird nun ein besonders einfaches Verfahren vorgeschlagen, wie eine Verschiebung dieses Messpunkts 3 in den Lauffähigkeitsbereichs 22 hinein erfolgen kann.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand der Fig. 3 näher erläutert. In der Fig. 3 wird nun der gleiche Gegenstand gezeigt wie in der Fig. 2 mit dem Unterschied, dass die Messpunkte 1 der Fig. 2 in der Fig. 3 nicht dargestellt werden. Es wird somit, wie in der Fig. 2 das AB-Diagramm mit der eingezeichneten Lauffähigkeitsgrenze 22 im Messmittelpunkt 5 und dem Messpunkt 3 gezeigt.
• Weiterhin wird ein neuer Messpunkt 4 gezeigt, der dadurch hervorgegangen ist, dass der Messpunkt 3 in Richtung auf den Messmittelpunkt 5 verschoben wurde. Dies erfolgt auf Parameterebene, d. h. indem die Parameter A und B beeinflusst werden.
• Bezüglich des Parameters A wird der neue Parameter A4 gebildet durch A4 = A3 - F.(A3 - A5).
• Bezüglich des Parameters B4 des Messpunkts 4 erfolgt dies durch B4 = B3 - F.(B3 - B5).
• Die Zahlen stehen hier jeweils für die entsprechenden Parameterpunkte, die zu den Messpunkten 3, 4 und 5 gehören. Der Faktor F gibt an, wie stark der Messpunkt 3 in Richtung auf den Messmittelpunkt 5 verschoben wird und liegt sinnvollerweise zwischen 0,1 und 0,5.
• Das beschriebene Verfahren erlaubt eine möglichst einfache Verschiebung eines Messpunkts in Richtung eines lauffähigen Bereichs. Es sind aber auch andere Verfahren vorstellbar, durch die eine derartige Verschiebung bewirkt wird. Es sind aber auch beliebige andere mathematische Verfahren denkbar, mit denen eine derartige Verschiebung erfolgt.
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere ein automatisierter Messbetrieb ermöglicht. Bisher war es so, dass bei der Feststellung nicht betriebsfähiger Punkte entweder ein Abbruch der gesamten Messung oder ein völliges Ignorieren des Messpunktes erfolgte. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann nun automatisiert die Generierung eines neuen Messpunkts anstelle des nicht lauffähigen Messpunkts erfolgen. Dies ist von großem Vorteil bei der Untersuchung von Verbrennungsmotoren, da sich solche Messungen oft über mehrere Tage hinwegziehen und somit beispielsweise auch ein automatisierter Messbetrieb über Nacht erfolgen soll. Die Abfolge eines solchen automatisierten Messbetriebs wird in dem Diagramm nach der Fig. 4 noch einmal dargestellt.
• In der Fig. 4 wird ein Strukturgramm, d. h. eine Abfolge von Prozessschritten, gezeigt, wie sie auch automatisiert durchgeführt werden können. In dem Schritt 200 wird zunächst aus einer Liste von möglichen Messpunkten ein zu untersuchender Messpunkt ausgewählt. Die Messliste ist bereits vorher entweder von einem Bediener oder automatisiert erstellt worden.
• Weiterhin enthält die Liste einen Messmittelpunkt, wobei von diesem Messmittelpunkt bekannt ist, dass bei ihm der Motor lauffähig ist, d. h. mit der Parameterkombination des Messmittelpunkts kann der Motor sinnvoll auch über eine längere Zeit hinweg betrieben werden. Nach der Auswahl eines nächsten Messpunkts im Schritt 200 wird der Motor im Schritt 201 zunächst testweise bei diesem Punkt betrieben. Dabei wird insbesondere überprüft, ob der Motor mit diesem Messpunkt, d. h. mit der ausgewählten Kombination von Parametern lauffähig ist. Dabei kann es insbesondere sinnvoll sein, die Werte der Temperatursensoren 150 und 151 einzulesen. Eine Beurteilung der Lauffähigkeit des Motors kann besonders einfach dadurch erfolgen, dass die Temperaturen der Temperatursensoren 150, 151 der Fig. 1 ausgelesen werden. Wenn dabei festgestellt wird, dass die Temperatur im Katalysator 162 die Temperatur im Auspuffkrümmer 160 übersteigt, so wird ein unverhältnismäßig hoher Anteil des Kraftstoffs im Zylinder 100 nicht vollständig verbrannt. Dies führt im Katalysator 162 zu einem starken Temperaturanstieg, was zu einer Zerstörung des Katalysators führen kann. Alternativ kann auch der Gradient der Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden Temperatursensoren herangezogen werden. Wenn so festgestellt wird, dass der Motor mit lauffähigen Parametern betrieben wird, so folgt im anschließenden Schritt 202 eine Messung dieses Punktes. Nach der Messung der Reaktion des Motors zu diesem Messpunkt im Schritt 202 wird dann wieder zum Schritt 200 zurückgekehrt, d. h. es wird dann ein weiterer Messpunkt für eine weitere Messung ausgewählt. Wenn bei dem Schritt 201 festgestellt wird, dass der Motor bei dem Messpunkt nicht lauffähig ist, so wird zunächst auf den Schritt 204 zurückgesprungen, in dem der Motor dann für eine definierte Zeit wieder bei einem lauffähigen Messpunkt betrieben wird. Vorzugsweise handelt es sich dabei um den Messmittelpunkt 5. Dem Motor wird somit die Zeit gegeben, alle Werte wieder zu normalisieren, insbesondere, dass die Temperatur im Abgaskrümmer 160 und Katalysator 161 wieder normale Werte erreichen.
• Darauf folgt dann der Schritt 205, bei dem der Messpunkt nach dem Verfahren, wie es zur Fig. 3 beschrieben wurde, verändert wird, in der Hoffnung, so einen neuen Messpunkt zu finden, der in der Nähe des nicht lauffähigen Messpunkts, aber innerhalb der Laufgrenze 22 liegt. Auf diesen Schritt 205 folgt dann wieder der Überprüfungsschritt 201, in dem überprüft wird, ob der so neu aufgefundene Messpunkt einen lauffähigen Betrieb des Motors ermöglicht. Je nach Ergebnis dieser Überprüfung folgt dann entweder der Schritt 202 oder 204. Dadurch, dass der Messpunkt beim Schritt 205 immer näher an den Messmittelpunkt 205 herangerückt wird, wird zu irgendeinem Zeitpunkt auf jeden Fall ein lauffähiger Messpunkt erzeugt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Untersuchung eines Verbrennungsmotors, wobei zu einem Betriebspunkt mit vorgegebener Last- und Drehzahl eine Last von Parametern, insbesondere ein Einspritzzeitpunkt, ein Zündzeitpunkt, ein Saugrohrdruck, ein Kraftstoffdruck, eine Abgasrückführrate, eine Ventilsteuerzeit oder eine Stellung einer Abgasbewegungsklappe jeweils in einem Untersuchungsbereich (A1, A2, B1, B2) untersucht wird, indem die Reaktionen des Verbrennungsmotors bei den Messpunkten (1, 3, 4, 5) die jeweils einem Satz von Parametern AB entsprechen, gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Messpunkte (1, 3, 4, 5) nacheinander angefahren werden, dass ermittelt wird, ob zu einem Messpunkt (1, 3, 4, 5) der Motor lauffähig ist und dass, wenn ermittelt wird, dass der Motor bei den Messpunkten (1, 3, 4, 5) nicht lauffähig ist, der Motor mit einem anderen Messpunkt (5) betrieben wird, zu dem bekannt ist, dass der Motor lauffähig ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich einen Messmittelpunkt (5) aufweist und dass zuerst ermittelt wird, ob der Motor beim Betrieb am Messmittelpunkt (5) lauffähig ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn festgestellt wird, dass der Motor zu einem Messpunkt 3 nicht lauffähig ist, die Parameter (A, B) verändert werden, um einen neuen Messpunkt (4) zu erzeugen, wobei der Messpunkt (4) relativ zu anderen Messpunkten (1) nahe am nicht lauffähigen Messpunkt (3) liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der neue Messpunkt 4 erzeugt wird, in dem die Parameter des nicht lauffähigen Messpunkts 3 in Richtung auf einen lauffähigen Messpunkt verschoben werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der lauffähige Messpunkt der Messmittelpunkt 5 ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffähigkeit des Motors durch Auswertung der Temperatursignale eines ersten Temperatursensors 150, der einem Abgaskrümmer 160 zugeordnet ist, und eines zweiten Temperatursensors 151, der einem Katalysator 161 zugeordnet ist, ermittelt wird.

7. Vorrichtung zur Untersuchung eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersuchung zumindest teilweise automatisiert mit einem der vorhergehenden Verfahren erfolgt.