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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose der Kompression
von mindestens einem Zylinder bei einer Brennkraftmaschine.
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Eine
Reihe von Fehlern einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise unruhiger
Lauf, schlechter Start oder hoher Ölverbrauch, hängt von
der Kompression der Zylinder ab. Es ist daher üblich, bei der Suche nach bestimmten
Fehlern den Kompressionsdruck in den Zylindern zu messen. Bei einem
Benzinmotor werden hierzu die Zündkerzen
heraus- und ein Kompressionsdruckmessgerät eingeschraubt. Danach wird
der Motor mit dem Anlasser bei abgezogenen Zündkerzen und deaktivierter
Einspritzung mit dem Anlasser geschleppt und der Kompressionsdruck
eines Zylinders aufgezeichnet. Für
die verbleibenden Zylinder wird diese Prozedur wiederholt.
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Bei
einem Dieselmotor erfolgt die Messung des Kompressionsdrucks üblicherweise
an der Öffnung der
Glühkerze.
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Es
hat sich herausgestellt, dass die Verfahren zum Messen des Zylinderdrucks
sehr aufwendig sind und durch eine zunehmende kompakte Bauweise
der Motoren der Ein- und Ausbau der Messgeräte aufwendiger wird.
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Die
DE 197 34 680 A1 offenbart
ein Verfahren zur zylinderselektiven Dichtigkeitsprüfung der
Brennräume
von Brennkraftmaschinen bei unterdrücktem Verbrennungsprozess.
Bei dem Verfahren wird der zeitliche Verlauf der Kurbelwellendrehzahl
erfasst und aus diesem ein Signal zur Diagnose der Kompression abgeleitet.
Die Diagnose erfolgt anhand der für mehrere Arbeitsspiele der
Brennkraftmaschine ermittelten Drehzahlamplituden.
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Die
EP 1 158 286 A2 offenbart
ein Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung
der Brennräume
von Brennkraftmaschinen welches die in der
DE 197 34 680 A1 dargestellte
Erfindung weiterbildet. Bei diesem Verfahren werden Quereinflüsse zwischen
den Brennräumen
durch eine spezielle Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Kurbelwellendrehzahl
kompensiert. Mit Quereinflüssen
werden Abhängigkeiten
zwischen den einzelnen Brennräumen
bezeichnet. So wird z. B. bei einer Undichtigkeit eines Brennraums
die Drehung der Kurbelwelle weniger verzögert und dadurch der anschließend zu
komprimierende Brennraum mit einer höheren Kurbelwellendrehzahl
verdichtet. Eine Aussage über
den zylinderselektiven Kompressionsdruck ist somit nur im Vergleich
der Zylinder untereinander möglich.
Durch die Kompensation der Quereinflüsse kann dagegen die Dichtigkeitsprüfung auch
für Brennkraftmaschinen
mit einem Zylinder erfolgen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Diagnose
der Kompression bereitzustellen, das mit einfachen Mitteln eine
zuverlässige
Diagnose der Kompression erlaubt.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch
1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltung bilden die Gegenstände
der Unteransprüche.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Diagnose der Kompression von mindestens einem Zylinder einer
Brennkraftmaschine wird während
des Startvorgangs und vor Einsetzen der Verbrennung eine zeitliche Änderung
der Drehzahl erfasst und aus dieser ein Signal zur Diagnose der
Kompression (Diagnosesignal) abgeleitet. Während des Startvorgangs wird
der Motor durch den Anlasser geschleppt. Wird die Zahnlücke des
Kurbelwellengeberrades und ein weiteres Signal des Nockenwellengebers
erkannt, so ist die aktuelle Motorposition bekannt, der Motor ist
dann synchronisiert und nachfolgend erfolgt eine Einspritzung und
Zündung, so
dass der Motor startet. Vor Erreichen der Synchronisation, während des
Startvorgangs erfolgt keine Verbrennung, da wegen der fehlenden
Kenntnis der Motorposition keine Zündung und in der Regel auch
keine Einspritzung erfolgt. In dieser Zeit beschleunigt der Anlasser
den Motor nicht auf eine konstante Drehzahl, sondern es wurde festgestellt,
dass eine sich zyklisch ändernde
Drehzahl auftritt. Die Änderung
der Drehzahl ist auf die Verdichtung der Luft oder gegebenenfalls
des Kraftstoff-Luftgemischs sowie die Entspannung des Zylinderinhalts
im Expansionstakt zurückzuführen. Das
Entspannen des verdichteten Luft-Kraftstoffgemischs führt zu einer
Drehzahlbeschleunigung der Kurbelwelle. Bei einem intakten Zylinder
ist die im Expansionstakt frei werdende Arbeit selbstverständlich größer als
bei einem defekten Zylinder, so dass die Menge der im Expansionstakt
frei werdenden Arbeit ein Maß für die Kompression
des Zylinders ist. Die im Expansionstakt frei werdende Arbeit führt zu einer
Erhöhung
der Drehzahl und ist somit ein Maß für die Diagnose der Kompression.
Analog führt
die im Kom pressionstakt aufgenommene Arbeit zu einer Verringerung
der Drehzahl.
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Bevorzugt
wird als zeitliche Änderung
der Drehzahl eine Drehzahlbeschleunigung erfasst, d.h. die erste
zeitliche Ableitung der Drehzahl. Wie vorstehend erläutert, ist
insbesondere die im Expansionstakt frei werdende Arbeit und/oder
die im Kompressionstakt aufgenommene Arbeit ein Maß für die Kompression,
so dass die durch die Expansions-/Kompressionsarbeit herbeigeführte Zunahme
oder Abnahme der Drehzahl, also die Drehzahlbeschleunigung, ein
Indikator für
die Kompression ist.
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Bevorzugt
wird die Drehzahlbeschleunigung im Expansionstakt eines zu diagnostizierenden
Zylinders gemessen.
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Zur
Erzeugung eines zuverlässigen
Diagnosesignals wird für
die gemessene Drehzahlbeschleunigung ein Schwellenwertvergleich
durchgeführt,
wobei bei einem Überschreiten
des Schwellenwerts die Kompression als ausreichend diagnostiziert
wird.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Schwellenwert abhängig von
einer erfassten Motor- und/oder Kühlwassertemperatur. Ebenso
kann der Schwellenwert zusätzlich
oder ausschließlich
von einer Öltemperatur
abhängen.
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Ein
besonderer Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
dass dieses als on-board-Diagnose eingesetzt werden kann. In dieser
Ausgestaltung des Verfahrens wird hierbei bei weitgehend geschlossener
Drosselklappe die Änderung
des Drehzahlbeitrages des Zylinders erfasst, der als erster einen
vollständigen
Ansaug- und Kompressionstakt ab schließt. Sollen bei der on-board-Diagnose
weitere Zylinder berücksichtigt
werden, so geschieht dies unter Berücksichtigung des fallenden
Saugrohrdrucks während des
Startvorgangs. Da zu Beginn des Startvorgangs die Zylinder eine
unbestimmte Winkelstellung einnehmen, wird der diagnostizierte Zylinder
eindeutig aus der Position bei der Motorsynchronisation und der
Anzahl der Umdrehung zwischen Startbeginn und Synchronisation bestimmt.
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In
einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
die jedoch auch zusätzlich
zu der on-board-Diagnose
eingesetzt werden kann, wird bei weitgehend geöffneter Drosselklappe und abgeschalteter
Zündung
sowie Einspritzung die Änderung
der Drehzahlbeiträge
von mehreren Zylindern bestimmt. Dieses Verfahren eignet sich besonders
für die
Kompressionsdiagnose in der Werkstatt. Hierbei wird bei weitgehend,
vorzugsweise vollständig
geöffneter
Drosselklappe und abgeschalteter Zündung sowie Einspritzung die Änderung
der Drehzahlbeiträge
von mehreren Zylindern erfasst. Bevorzugt schleppt der Starter hierbei
die Kurbelwelle. Die Änderung
der Drehzahl wird hierbei nach Erreichen von stationären Bedingungen
erfasst, wobei für
die stationären
Bedingungen annähernd
konstante Drehzahlschwankungen auftreten.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Änderung der Drehzahl für eine vorbestimmte
Anzahl von Arbeitsspielen gemittelt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird nachfolgend anhand von drei Beispielen näher erläutert. Es zeigt:
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1 die
Expansionsarbeit der verdichteten Luft eines Zylinders, die zu einer
Drehzahlbeschleunigung der Kurbelwelle führt,
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2 die
Drehzahlbeschleunigung infolge der Expansionsarbeit, und
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3 die
Drehzahlbeschleunigung bis zum Erreichen einer periodischen Änderung.
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1 zeigt
den beispielhaften Verlauf 10 der Drehzahl N über der
Zeit, wobei die Drehzahl N in Umdrehungen pro Minute aufgetragen
ist. Die Werte sind jedoch nur beispielhaft, da sich das vorliegende
Verfahren sowohl für
Otto- als auch für
Dieselmotoren eignet, die sich bekanntermaßen in ihren Drehzahlen beim Start
unterscheiden. Die Zeit ist in Sekunden aufgetragen. In dem dargestellten
Drehzahlverlauf erfolgt die Synchronisation ungefähr bei 0,45
s, so dass dann Einspritzung und Zündung einsetzen. Dies wird
deutlich durch die bei ungefähr
0,5 s ansteigende Drehzahl. In dem Zeitintervall A wird der Motor
durch den Anlasser beschleunigt. Deutlich erkennbar gegen Ende eines
Intervalls A ist eine lokale Zunahme und wieder Abnahme der Drehzahl.
Für ein
Zeitintervall dt von 0,05 s erhöht
sich die Drehzahl um 124 l/min. Diese Drehzahlerhöhung ist
durch die im Expansionstakt freigegebene Arbeit bedingt, so dass
dN/dt: = a ein Maß für die von
dem Zylinder geleistete Expansionsarbeit ist. Diese wiederum ist
ein Maß für die Kompression,
so dass der Quotient ein Indikator für eine intakte Kompression
des Zylinders ist.
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Bild
2 zeigt ebenfalls den Drehzahlverlauf über der Zeit während des
Startvorgangs. Mit den einzelnen lokalen Maxima 12, 14, 16, 18 sind
die Expansionsbeschleunigungen der einzelnen Zylinder erkennbar.
Wie leicht ersichtlich, nehmen die Drehzahlbeschleunigung von 2913
s/min für
das Maximum 14, über
2882 s/min für
das Maximum 16 und mit 2581 s/min für das Maximum 18 ab.
Dieser Effekt rührt
daher, dass mit jedem Ansaugen des Kraftstoff-/Luftgemisches Luft
aus dem Saugrohr entnommen wird und dadurch mit dem abnehmenden
Saugrohrdruck die Zylinderfüllung
sinkt. Da weniger Luft angesaugt wird, wird folglich weniger Kompressionsarbeit
aufgewendet und somit weniger Kompressionsarbeit freigesetzt. Dies
führt zu
der abnehmenden Drehzahlbeschleunigung, wie sie in 2 dargestellt
ist.
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Je
nach Motorstillstandsposition wird in der ersten Kompressionsphase 12 im
entsprechenden Zylinder mehr oder weniger Luft verdichtet. Eine
definierte vollständige
Verdichtung ergibt sich erst für
den Zylinder, der als erster einen vollständigen Ansaug- und Kompressionstakt
abschließt,
hier der Zylinder der zu Maximum 14 führt. Dieser Zylinder ist der
bei dem Verfahren diagnostizierte Zylinder. Für diesen Zylinder ist aufgrund
des im Verhältnis
zum Hubvolumen relativ großen
Gesamtsaugrohrvolumen der Saugrohrdruck am Ende des Ansaugtaktes
lediglich vernachlässigbar
abgefallen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den während der Startphase
bei der geschlossenen Drosselklappe abnehmenden Saugrohrdruck MAP über Kennfelder
mit zu berücksichtigen.
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Unterschiedliche
Motor-Kühlmittel-
(TCO) und Öltemperaturen
(TOIL) führen
zu unterschiedlicher Reibung der Zylinder, wodurch die Kurbelwelle
je nach Temperatur eine unterschiedlich starke Beschleunigung erfährt. Zur
Beurteilung der Expansionsarbeit müssen diese Randbedingungen
bei der Diagnose berücksichtigt
werden und können
beispielsweise über
Kennfelder in einem Steuergerät
(nicht dargestellt) berücksichtigt werden.
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Aus
den nachfolgenden Bewegungsgleichungen für die motorische Rotationsbewegung
wird deutlich, wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Abhängigkeiten
von Reibung, Nebenaggregaten und Anlassermoment weitgehend eliminiert
werden. Aus der Definitionsgleichung für die Drehzahlbeschleunigung
a ergibt sich die folgende Bewegungsgleichung: a
= M/J = (MReib(N,TCO,TOIL) + MKomp(MAP, ε) + MExp(MAP, ε)
+ MAnlass(N, VB))/J,wobei MReib das Reibungsmoment beschreibt, das von
der Drehzahl N, der Kühlmitteltemperatur
TCO und der Öltemperatur
TOIL abhängt,
MKomp bezeichnet das Moment durch die Füllungskompression,
dass von dem Saugrohrdruck MAP und dem Verdichtungsverhältnis ε abhängt, MExp bezeichnet das Moment durch die Füllungsexpansion,
das ebenfalls von dem Saugrohrdruck MAP und dem Verdichtungsverhältnis ε abhängt und MAnlass bezeichnet das Antriebsmoment des
Anlassers, das von der Drehzahl und der Batteriespannung abhängt. J steht
für das
Trägheitsmoment
des Motors mit Nebenaggregaten.
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Zerlegt
man die Drehzahlbeschleunigung in die während der Kompressionsphase
und während
der Expansionsphase anliegenden Momente, so ergeben sich die folgenden
beiden Momentengleichungen: akomp J
= MAnlass(N, VB) – MKomp(MAP, ε) – MReib(N, TCO, TOIL), aexp J = MAnlass(N,
VB) + MExp(MAP, ε) – MReib(N,
TCO, TOIL).
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Durch
Differenzbildung der Gleichungen bei gleicher Drehzahl und Kühlmitteltemperatur
TCO heben sich die Terme MAnlass(N, VB)
und MReib(N, TCO) heraus, so dass sich für die Momentenänderung Δa
= aexp – akomp der folgende nur von dem Saugrohrdruck
MAP und dem Verdichtungsverhältnis ε abhängige Zusammenhang ergibt: Δa
= (MKomp(MAP, ε) + MExp(MAP, ε))/J.
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Die
Definition von Δa
macht deutlich, dass die Größe im wesentlichen
vom Saugrohrdruck und dem Verdichtungsverhältnis ε abhängt, so dass als Kriterium
für die
Kompressionsdiagnose die folgende Beziehung angewendet werden kann: Δa > Schwelle1 (MAP) ⇒ Kompression
ausreichend.
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Ist
diese Bedingung nicht erfüllt,
liegt also Δa
unterhalb der Schwelle 1, so ist die Kompression des diagnostizierten
Zylinders nicht ausreichend, was beispielsweise durch einen Eintrag
in den Fehlerspeicher der Motorsteuerung zum Ausdruck gebracht werden
kann. Bei der Synchronisation wird, wie erwähnt, die Motorposition eindeutig
bestimmt. Aus dieser Position lässt
sich mit der Anzahl der Umdrehungen zwischen Startbeginn und Synchronisation
der diagnostizierte Zylinder eindeutig bestimmen.
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In
einer alternativen Ausgestaltung erfolgt die Kompressionsdruckdiagnose
in der Werkstatt unter Verwendung eines Werkstatt-Testers. Hierzu
wird die Zündung
und die Einspritzung der Zylinder abgeschaltet und die Drosselklappe
ganz geöff net,
um ausreichend Frischluft für
die Zylinder zur Verfügung
zu stellen. 3 zeigt den dabei auftretenden
Verlauf der Drehzahl, der nach einem Zeitintervall B ungefähr einen
stationären Zustand
anstrebt, in dem eine periodische Schwankung der Drehzahl auftritt.
Bei betätigtem
Anlasser kann dann die Kompressions- und Expansionsarbeit der Zylinder
bestimmt werden.
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In
einem möglichen
Verfahren zur Bestimmung der Kompression wird der Motor über den
Starter geschleppt. Nach Einschalten des Starters wird mit der Auswertung
bis zum Erreichen einer stationären
Bedingung gewartet, beispielsweise für das Zeitintervall B mit 0,5
s. In Bild 3 zeigt sich, dass alle Zylinder eine identische Kompression
besitzen, da eine konstante Drehzahlschwankung der Leerlaufdrehzahl
auftritt. Das Verhältnis
der Drehzahlschwankung zur mittleren Drehzahl über beispielsweise vier Arbeitsspiele
kann zur mittleren Kompressionsbestimmung für alle Zylinder genutzt werden.
Hierzu wird eine mittlere Drehzahl
N wie
folgt definiert:
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Ebenfalls
wird eine minimale mittlere Drehzahl für die vier Arbeitsspiele
N MAX nach
den folgenden Gleichungen definiert:
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Ein
Maß für eine gleichmäßige Kompression
ist die Drehzahlschwankung N ^, die beispielsweise gemäß der folgenden
Gleichung definiert sein kann:
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Ein
Schwellenwertvergleich der Drehzahlschwankung N ^ ermöglicht hier
auch wieder eine Diagnose der Kompression: N ^ > Schwelle2 (TCO,
N) ⇒ Kompression
ausreichend
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Im
Unterschied zu der on-board-Diagnose wird bei der Werkstattdiagnose
auch die mittlere Drehzahl bzw. die Leerlaufdrehzahl berücksichtigt.
