DE102006016484A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Es soll eine Methode gefunden werden, mit welcher ein Motor einerseits zwecks NOx-Minimierung möglichst dicht an der Aussetzergrenze betrieben werden kann, ohne jedoch andererseits die Aussetzergrenze tatsächlich zu überschreiten. Es werden verbrennungsrelevante Kenngrößen der Brennkraftmaschine (80) gemessen (90), die Messsignale aufbereitet (10) und in Folge einer Interpretation (10) der aufbereiteten Messsignale Verbrennungsaussetzer erkannt (20), wobei auf Basis des aktuellen Interpretationsvorganges (10) und auf Basis früherer gespeicherter Interpretationsvorgänge und Aussetzererkennungen (50) eine Reaktionsstrategie festgelegt wird (30), die aktuelle Reaktionsstrategie (30) daraufhin überprüft wird, ob sie entweder bereits gespeichert oder wenigstens teilweise neu ist, im Falle einer wenigstens teilweise neuen Reaktionsstrategie (30) diese bzw. ihre neuen Teile gespeichert werden (60) und auf Basis der aktuell festgelegten Reaktionsstrategie Ausgangssignale an Stellglieder (70) der Brennkraftmaschine (80) oder ihrer Komponenten erzeugt (40) und an diese übermittelt werden. Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Zweck der Erfindung ist eine Regelung von Verbrennungsparametern eines Verbrennungsmotors, bevorzugt eines Dieselmotors, dicht entlang der Aussetzergrenze z.B. zum Zwecke der Optimierung bestimmter Zielgrößen, insbesondere der NOx-Emission.
  • Man würde eine Reduzierung der NOx-Emissionen an einem Dieselmotor gerne ohne eine De-NOx-Abgasnachbehandlung zustande bringen, da diese in der Regel zusätzliche Bauteile, zusätzliche Sensorik, zusätzlichen Steuerungsaufwand, gegebenenfalls einen Harnstoff-Additivtank, zusätzlichen Wartungsaufwand, Fragen bezüglich der Wirksamkeit über der Motorlebensdauer und der Missbrauchssicherheit (z.B. Kunde füllt Additiv nicht nach), etc. mit sich bringt.
  • Mit anderen Worten: Die Lösung des NOx-Problems über die Abgasnachbehandlung ist für Hersteller und Kunden teuer, kostet Gewicht, nimmt Bauraum in Anspruch, wird also nur notgedrungen eingesetzt.
  • Will man stattdessen die NOx-Emission über innermotorische Maßnahmen weiter verringern, bedient man sich in der Regel der bekannten Verstellmöglichkeiten, die z.B. lauten:
    • a) Absenken des Verdichtungsverhältnisses,
    • b) Spätverstellen des Einspritzzeitpunkts (bei Ottomotoren: des Zündzeitpunkts),
    • c) Erhöhen der Abgasrückführ-Rate (AGR-Rate),
    • d) Einführen bzw. Verbessern der AGR-Kühlung
    • e) Verbessern der Ladeluftkühlung oder
    • f) Verbessern der Brennraum-Innenkühlung durch zusätzliche Einspritzung von Wasser oder einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion.
  • Kombinationen oder hiermit vergleichbare Verfahren sind ebenfalls bekannt.
  • Als großes Problem erweist sich, dass die NOx-bildenden Reaktionen im Brennraum eine Abhängigkeit von der Temperatur in 4. Potenz haben. Dadurch beruhen gerade die besonders wirksamen Maßnahmen zur NOx-Reduzierung ganz (Maßnahmen a, b, d, e, f) oder mindestens teilweise (Maßnahme c) darauf, dass die Verbrennungstemperatur abgesenkt wird. Maßnahme c wirkt außerdem durch die Verringerung der Sauerstoffkonzentration, die ja an der NOx-Bildung beteiligt ist.
  • Absinkende Verbrennungstemperatur und absinkende Sauerstoffkonzentration jedoch führen in der Regel zu schlechterem (langsamerem und/oder weniger vollständigem) Durchbrennen der Zylinderfüllung, schlechteren Zündbedingungen, und zu einer Annäherung an die Aussetzergrenze. Verbrennungsaussetzer wiederum sind unbedingt zu vermeiden, da sie für den Fahrer per kurzzeitigem Leistungseinbruch und/oder im Laufruheempfinden („Ruckeln") unangenehm spürbar sind, und außerdem zu inakzeptablem Ausstoß un- oder nur teilverbrannter Stoffe führen (insbes. CO, HC).
  • Letzteres ist auch bei Verwendung von Oxidationskatalysatoren unerwünscht, da es deren Umsetzrate überfordern und/oder diese durch extreme Exothermie-Spitzenbelastung schädigen kann.
  • Erschwerend kommt noch hinzu, dass man nach heutigem Stand der Technik bei der Auslegung der Verbrennungsparameter eines Motors einen deutlichen Sicherheitsabstand von der Aussetzergrenze halten muss, damit es auch z.B. unter dem Einfluss:
    • – eines qualitativ nach unten streuenden Kraftstoffs (z.B. Cetanzahl niedrig),
    • – einer durch Fertigungsstreuung oder Alterung bedingt insgesamt oder auf einzelnen Zylindern niedrigeren realen Kompression,
    • – einer durch Sensor- (z.B. HFM, d.h. Heißfilm- oder sonstiger Luftmassenmesser) oder Stellertoleranzen (z.B. AGR-Steller) nach oben streuenden AGR-Rate,
    • – eines in Richtung spät streuenden Einspritzbeginns (Toleranz OT-Geber-Lage oder Toleranz Injektor)
    • – usw.
    nicht zu Aussetzern kommt.
  • Zur Lösung dieser Problematik verlangt ist also eine Methode, bei der man den Motor einerseits zwecks NOx-Minimierung möglichst dicht an der Aussetzergrenze betreiben kann, ohne jedoch andererseits die Aussetzergrenze tatsächlich zu überschreiten.
  • Verfahren zum Erkennen von Verbrennungsaussetzern sind aus dem Stand der Technik bekannt. So ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 102 54 479 B4 ein Verfahren zum Erkennen von Verbrennungsaussetzern und zum Überprüfen einer Laufruheregelung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem eine von der Beschleunigung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine abhängige Kenngröße mittels eines Überwachungs- und Analyse-Verfahrens bei laufender Brennkraftmaschine ständig ermittelt und aus einem Vergleich der Kenngröße mit einem Schwellenwert auf einen Verbrennungsaussetzer erkannt wird, wobei die Streuung der Kenngröße ermittelt und zur Adaption des Schwellenwertes an Änderungen der Laufruhe der Brennkraftmaschine verwendet wird, und bei welchem Verfahren mittels einer Laufruheregelung die Verbrennung in den Zylindern der Brennkraftmaschine korrigiert wird, um Abweichungen zwischen den Drehmomentbeiträgen der einzelnen Zylinder auszugleichen, wobei die Streuung der Kenngröße zum Überprüfen des Ergebnisses der Laufruheregelung verwendet wird.
  • Nachteilig hierbei ist, dass zur Adaption des Schwellwertes lediglich eine einzige Größe, nämlich die Streuung einer Kenngröße herangezogen wird. Eine Brennkraftmaschine ist im Fahrbetrieb vielerlei Einflüssen unterworfen, die große, meist unvorhersehbare und oft nicht reproduzierbare Auswirkungen auf die Streuung einer Größe haben. Daher ist es in der Regel äußerst schwierig, lediglich aufgrund der Streuung einer Größe einen Schwellwert zu adaptieren.
  • Eine große und in DE 102 54 479 B4 ungelöste Schwierigkeit hierbei ist jedoch die Abhängigkeit des auswertbaren Kurbelwellenbeschleunigungssignals vom Triebstrang, denn neben der Qualität der Verbrennung, die man mittels Auswertung dieses Signals beurteilen möchte, ist das Signal in starkem Masse abhängig vom Triebstrang, dessen Steifigkeiten, dessen Massenträgheitsmomenten, der im eingekuppelten Falle „am Motor hängenden" Fahrzeugmasse, der eingelegten Gesamtübersetzung, der aktuellen Stellung von Kupplung oder dem Betriebspunkt eines eventuellen hydraulischen Drehmomentwandlers, usw. So wird eine eindeutige Zuordnung eines bestimmten Signalverlaufs zu einem bestimmten Verbrennungsereignis ebenso unmöglich wie das einmalige Erarbeiten eine Bedatung einer Funktion gemäß der Erfindung aus der DE 102 54 479 B4 für einen Motor unabhängig vom Fahrzeug bzw. Getriebe, in dem er zur Anwendung kommt.
  • Nach derzeitigem Serienstand der Technik erfolgen Auswertungen gemäß der Erfindung aus der DE 102 54 479 B4 denn auch nur in sehr begrenzten Betriebsbereichen, z.B. nur im Leerlauf (Gänge P oder N oder bei getretener Kupplung) oder bei einem Fahrzeug mit Wandlerautomatik in einem sehr eng begrenzten Betriebsfenster, in dem man die Auswirkungen von Wandler, Getriebe und Fahrzeug auf das Signal gut kennt und bei der Auswertung geeignet eliminieren kann. Auswertungen erfolgen insbesondere nicht bei Betrieb mit geschlossener Kupplung eines mechanischen Getriebes oder geschlossener Wandlerüberbrückungskupplung eines Automatikgetriebes mit hydraulischem Wandler.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine anzugeben, mit dem ein sicherer Betrieb an der Aussetzergrenze möglich ist.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit ausgewählten Merkmalen des Patentanspruchs 1,
    • – bei welchem verbrennungsrelevante Kenngrößen der Brennkraftmaschine gemessen, die Messsignale aufbereitet und in Folge einer Interpretation der aufbereiteten Messsignale Verbrennungsaussetzer erkannt werden,
    • – wobei auf Basis des aktuellen Interpretationsvorganges und auf Basis früherer gespeicherter Interpretationsvorgänge und Aussetzererkennungen eine Reaktionsstrategie festgelegt wird,
    • – wobei die aktuelle Reaktionsstrategie daraufhin überprüft wird, ob sie entweder bereits gespeichert oder wenigstens teilweise neu ist,
    • – wobei im Falle einer wenigstens teilweise neuen Reaktionsstrategie diese bzw. ihre neuen Teile gespeichert werden und
    • – wobei auf Basis der aktuell festgelegten Reaktionsstrategie Ausgangssignale an Stellglieder der Brennkraftmaschine oder ihrer Komponenten erzeugt und an diese übermittelt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber dem Stand der Technik die Vorteile auf, dass aufgrund der Aufbereitung und Interpretation der Messsignale Aussetzer der Brennkraftmaschine unabhängig vom Messverfahren zuverlässig erkannt werden und eine auf der Interpretation der jeweiligen Messsignale aufbauende Reaktionsstrategie unter allen gegebenen Bedingungen den Betrieb der Brennkraftmaschine dicht an der Aussetzergrenze mit hohem Wirkungsgrad und geringen Emissionen sicherstellt.
  • Weiterhin ist von Vorteil, dass hierzu auf frühere und gespeicherte Interpretationen und Reaktionsstrategien zurück gegriffen und somit auf wiederkehrenden Rechenaufwand in einem Motorsteuergerät verzichtet werden kann. Durch den Vergleich aktueller Interpretationen und Reaktionsstrategien mit gespeicherten und das Speichern neuer Teile werden auch Langzeitdrifts und Abnutzungserscheinungen kompensiert. Insgesamt kann mit diesen Maßnahmen der Rechenaufwand im Motorsteuergerät vergleichsweise gering gehalten werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 4 wird vorgeschlagen, dass zur Interpretation der aufbereiteten Messsignale das Erkennen gespeicherter typischer Signalverläufe sowie ein Vergleichen eines aktuellen Signalverlaufes mit bei gleichen Randbedingungen typischen gespeicherten Signalverläufen, oder andere Verfahren wie eine Mustererkennung angewendet werden.
  • Diese Maßnahme erspart ebenfalls wiederkehrenden Rechenaufwand im Motorsteuergerät, da wiederholt auftretende Messsignale nicht erneut interpretiert werden müssen, sondern auf bereits gespeichertes Wissen zurück gegriffen werden kann. Dies gilt in gleichem Maße für die resultierende Reaktionsstrategie und die Ausgangssignale für Stellglieder, so dass zudem eine sehr schnelle Reaktion erfolgen kann.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung gemäß Patentanspruch 6 ist vorgesehen, dass beim Festlegen einer Reaktionsstrategie zwischen schnell vorzunehmenden Reaktionen und weniger schnell vorzunehmenden Reaktionen unterschieden wird.
  • Dadurch ist es möglich, nur die schnell vorzunehmenden Reaktionen mit schnell wirkenden Stellgliedern durchzuführen, wodurch merklich Rechenkapazität im Motorsteuergerät eingespart wird. Schnell vorzunehmende Reaktionen, denen insbesondere in Verbindung mit Aussetzern eine besondere Bedeutung zukommt, sind dabei solche, die sich bereits im nächsten Arbeitsspiel auswirken sollen, beispielsweise der Ansteuerbeginn von Injektoren bei Einspritzvorgängen. Weniger schnell vorzunehmende Reaktionen wie zum Beispiel das Verstellung von Drosselklappen, Drallklappen, Ventilsteuerzeiten, AGR-Raten, Ladedrücken oder Verdichtungsverhältnissen, die sich über mehrere Arbeitsspiele hinweg ziehen, können bei verfügbarer Rechenkapazität im Motorsteuergerät abgearbeitet werden.
  • Weiterer Vorteil der Unterscheidung in schnelle und langsame Maßnahmen ist, dass mittels der schnellen Maßnahmen aktuell erkannte Aussetzer sehr schnell – im Idealfall schon beim nächsten Arbeitsspiel – beseitigt werden können, während die langsamen Maßnahmen – sofern sie vom Wirkungsgrad, Abgas- und/oder Geräuschverhalten her vorteilhafter sind – dann bevorzugt werden können, wenn im Motorsteuergerät bereits die Erfahrung vorliegt, dass in einem bestimmten Betriebspunkt unter bestimmten Randbedingungen häufig Aussetzer auftraten, also mit hoher Wahrscheinlichkeit erwartet werden, und also ein vorausschauender, vorsorglicher Eingriff angeraten ist.
  • Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist nach Patentanspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass beim Festlegen einer Reaktionsstrategie zwischen Zylinder selektiven Reaktionen, Reaktionen, die für alle Zylinder einzelner Zylinderbänke gelten sollen, und Reaktionen, die pauschal alle Zylinder betreffen, unterschieden wird.
  • Auch dieser Vorschlag führt zur Einsparung von Rechenkapazität im Motorsteuergerät, da für pauschal für alle Zylinder vorzunehmende Reaktionen nur eine Berechnung notwendig ist. Zudem kann ein einzelner Zylinder, bei dem sich beispielsweise Aussetzer abzeichnen, gezielt angesteuert und beeinflusst werden, so dass es nicht zu Aussetzern kommt.
  • Wird bei mehreren Zylindern auf Aussetzer erkannt, kann die pauschale Maßnahme vorteilhafter sein. Ein bereits zuvor wegen erster Aussetzer einzelner Zylinder für diese zylinderselektiv vorgenommener Eingriff kann dann ggf. parallel mit dem Hochfahren des pauschalen Eingriffs wieder zurückgenommen werden.
  • Ebenso kann z.B. bei immer wiederkehrenden Aussetzern des immer gleichen Zylinders für diesen ein zylinderselektiver Eingriff dauerhaft vorgesehen und auch beim zusätzlichen Aktivieren eines pauschalen Eingriffs beibehalten werden, um dem bei diesem Zylinder gegenüber den anderen Zylindern offensichtlich abweichend kritischeren Aussetzerverhalten Rechnung zu tragen.
  • In einer Weiterentwicklung der Erfindung gemäß Patentanspruch 8 ist vorgesehen, dass eine Information über die bei einer jeweils festgelegten Reaktionsstrategie erzeugten und übermittelten Ausgangssignale an Stellglieder der Brennkraftmaschine oder ihrer Komponenten gespeichert wird.
  • Schließlich wird im Patentanspruch 9 noch vorgeschlagen, dass die Häufigkeit von erkannten Verbrennungsaussetzern pauschal und/oder zylinderbankselektiv und/oder zylinderselektiv gespeichert und beim Festlegen einer Reaktionsstrategie berücksichtigt wird.
  • Diese Vorschläge dienen, insbesondere im Zusammenhang mit Patentanspruch 4, als weitere Maßnahmen dazu, Rechenkapazität einzusparen. Wird ein bereits gelernter und gespeicherter Zustand erkannt, beispielsweise wiederkehrende drohende oder tatsächliche Aussetzer in einem bestimmten Betriebspunkt, so können die ebenfalls bereits gelernten und gespeicherten Reaktionen ohne intensive Berechnung schnell veranlasst bzw. durchgeführt und (weitere) Aussetzer vermieden werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Patentansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren angegeben.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine Übersicht über einen gesamten Strukturplan des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2 einen ersten Teil des Strukturplans nach 1 in detaillierter Form und
  • 3 einen zweiten Teil des Strukturplans nach 1 in detaillierter Form.
  • Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges.
  • Die 1 zeigt eine Übersicht über einen gesamten Strukturplan 1 des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die innerhalb einer gestrichelten Linie 2 befindlichen Funktionen von Funktionsblöcken 10 bis 60 in einem Motorsteuergerät eines Kraftfahrzeuges abgearbeitet werden. Ein Funktionsblock 80 symbolisiert die Brennkraftmaschine (Diesel- oder Ottomotor). Mit Hilfe einer Sensorik, symbolisiert durch einen Funktionsblock 90, werden Betriebsgrößen des Motors 80 erfasst und einem nachgeschalteten Funktionsblock 10 innerhalb des Motorsteuergerätes zugeführt, wobei der Funktionsblock 10 eine Signalaufbereitung und Signalinterpretation symbolisieren soll.
  • Die Ergebnisse des Funktionsblocks 10 werden einem nachgeschalteten Funktionsblock 20 zugeführt, dessen Aufgabe die Erkennung von (Zündungs-, Verbrennungs-) Aussetzern ist, wobei der Funktionsblock 20 seine Ergebnisse einem nachgeschalteten Funktionsblock 30 zuführt. Dem Funktionsblock 30, dessen Aufgabe die Ausarbeitung einer Reaktionsstrategie ist, werden auch Signale aus einem Funktionsblock 50 zugeführt, in dem Rückgriffe auf früheres gespeichertes Wissen veranlasst werden.
  • Die Ergebnisse der Reaktionsstrategie im Funktionsblock 30 werden sowohl einem nachgeschalteten Funktionsblock 40 als auch einem Funktionsblock 60 zugeführt, wobei im Funktionsblock 40 die Ansteuerung von Stellgliedern des Motors 80 erfolgt, während im Funktionsblock 60 gelerntes Wissen, das aus neuen Reaktionsstrategien resultiert, abgespeichert und bei Bedarf wiederum dem Funktionsblock 50 zugeführt wird. Die Signale des Funktionsblocks 40 zur Stellgiedansteuerung werden jeweiligen Stellgliedern zugeführt, was durch einen Funktionsblock 70 symbolisiert ist.
  • 2 zeigt mit den Funktionsblöcken 10, 20 und 90 einen ersten Teil 3 des Strukturplans 1 nach 1 in detaillierter Form. Die Sensorik im Funktionsblock 90 kann demnach jeweils einen oder mehrere Körperschall- bzw. Klopfsensoren 91, Ionenstrom-Sensoren 92, Brennraumdruck-Sensoren 93, Kurbelwellen-Sensoren 94 oder sonstige Sensoren 95 bzw. eine beliebige Kombination aus den genannten und anderen möglichen Sensoren aufweisen.
  • Körperschall- bzw. Klopfsensoren 91 erlauben es schon nach heutigem Stand der Technik bei einem Ottomotor 80, den Zündzeitpunkt im Hinblick auf günstigen spezifischen Verbrauch und hohe Drehmoment- und Leistungswerte früh zu programmieren, und die Gefahr von Selbstzündungen einzelner Gemischherde (so genannte „klopfende Verbrennung" mit ihren negativen Folgen für Brennraumdruckspitzenbelastung und lokale Spitzentemperaturen) zu vermeiden.
  • Üblicherweise detektiert ein Klopfsensor 91 (meist nach Piezo-Elektrischem Prinzip) solche Verbrennungszustände mittels Körperschallerscheinungen und hält den tatsächlichen Zündzeitpunkt nach einem entsprechend festzulegenden Regelalgorithmus von der Klopfgrenze gerade immer nur soweit fern wie nötig. Außerdem ermöglicht der Klopfsensor auch den gefahrlosen Betrieb mit Kraftstoffen minderer Qualität (minderer Oktanzahl).
  • Auch bei Dieselmotoren 80 gibt es schon nach heutigem Stand der Technik derartige Klopfsensoren 91, und zwar um die Injektoren bezüglich einer Nullmenge zu kalibrieren (Nullmengenkalibrierung). Sinn dabei ist es, für eine genauere Dosierung kleiner und kleinster Einspritzmengen, wie sie z.B. für die geräuschmindernden Voreinspritzungen wichtig ist, die Toleranz- und Alterungsdrift-Erscheinungen der Injektoren zu minimieren.
  • Dazu werden einzelne Injektoren in Schubphasen (in denen ja normalerweise nicht eingespritzt wird) so lange schrittweise länger angesteuert, bis der Klopfsensor 91 durch entsprechende Körperschallwellen einen Verbrennungsbeitrag des entsprechenden Zylinders erkennt.
  • Das Signal eines Körperschall- oder Klopfsensors 91 würde man nun zum erfindungsgemäßen Zwecke ausnutzen, um anhand von untypischen Signalverläufen bzw. von für Aussetzerphänomene auf typische Art und Weise vom normaltypischen Signalverlauf abweichende Signalverläufe auf Aussetzer schließen zu können. Ein Aussetzer wird je nach Intensität entweder keinen Verbrennungsdruckanstieg bewirken, oder hat aufgrund verschleppter und/oder unvollständig ablaufender Verbrennung einen geringeren und zeitlich verzögerten Verbrennungsdruckverlauf zur Folge. Diese Abweichungen vom normalen Brennraumdruckverlauf äußern sich natürlich auch im Körperschall, der ja vom Verbrennungsdruckverlauf maßgeblich angeregt wird.
  • Ebenfalls kann schon nach heutigem Stand der Technik zur Nullmengenkalibrierung an einem Dieselmotor 80 ein Kurbelwellensensor 94 herangezogen werden. Die Vorgehensweise ist ähnlich wie im Zusammenhang mit dem Körperschall- bzw. Klopfsensor 91 beschrieben, jedoch wird für die Erkennung einer Verbrennung eines einzelnen Zylinders (also einer Einspritzung des jeweils zu kalibrierenden Injektors) anstelle eines Klopfsensors 91 ein für die Motordrehzahlerfassung ohnehin vorhandener Kurbelwellensensor 94 genutzt.
  • Durch Auswertung (z.B. durch Differenzierung) des Drehzahlsignals des Kurbelwellensensors 94 ist es möglich, die momentane Beschleunigung des Motors 80 zu errechnen.
  • Der Beschleunigungsverlauf über dem Kurbelwinkel ist im Schub (also ohne Einspritzung und ohne Verbrennung) für einen Motor 80 mit bekannter Zylinder- und Taktzahl charakteristisch, entsprechend den zu bewegenden Massen im Kurbeltrieb und den Kräften, die bei Kompression und Entspannung der einzelnen Zylinderfüllungen auftreten.
  • Ein bestimmtes typisches Abweichen des Signalverlaufs vom für den Schubbetrieb typischen Verlauf in demjenigen Zeitfenster, in dem der entsprechende Zylinder seinen Arbeitstakt verrichtet, deutet darauf hin, dass dieser nun einen Arbeitsbeitrag durch Verbrennung geleistet hat, wobei die Abweichung in einer größeren Beschleunigung beim Arbeitstakt dieses Zylinders im Vergleich zu seinem Arbeitstakt ohne Einspritzung bzw. zum Arbeitstakt der anderen nicht befeuerten Zylinder besteht.
  • Ebenso dient die Auswertung des Signals des Kurbelwellensensors 94 schon nach heutigem Stand der Technik zu einer Laufruheregelung bei einem Dieselmotor 80. In einem bestimmten Betriebsbereich des Motors 80 kann durch Vergleich der Beschleunigungsbeiträge der einzelnen Zylinder erkannt werden, ob und wie sehr einzelne Zylinder trotz gleicher Ansteuerung ihrer Injektoren stärker oder schwächer als die anderen „feuern". Solche Ungleichförmigkeiten äußern sich in einem unruhigen Motorlauf, dem dadurch begegnet werden kann, dass den Injektoren der zu schwach feuernden Zylinder etwas mehr und den Injektoren der zu stark feuernden Zylinder etwas weniger Einspritzmenge zugeteilt wird (dabei bleibt die Einspritzmenge im Mittel über alle Zylinder gleich).
  • Zudem dient die Auswertung des Signals des Kurbelwellensensors 94 schon nach heutigem Stand der Technik zu einer weiteren Regelung, bei der Ruckelbewegungen bei einem Dieselmotor 80 ausgeregelt werden sollen. In bestimmten Fällen (z.B. bei zu heftigen Lastsprüngen, Einkuppelvorgängen, Gangwechseln) kann es zu einem Aufschaukeln des Antriebsstrangs kommen. Dieses Aufschaukeln ist am Kurbelwellensensor 94 dadurch erkennbar, dass dem normaltypischen Verlauf des Signals eine Drehzahlschwingung mit der typischen Antreibsstrangeigenfrequenz überlagert ist.
  • Das Signal eines Kurbelwellensensors 94 würde man nun zum erfindungsgemäßen Zwecke ausnutzen, um anhand von untypischen Signalverläufen bzw. von für Aussetzerphänomene auf typische Art und Weise vom normaltypischen Signalverlauf abweichende Signalverläufe auf Aussetzer schließen zu können.
  • Ein Aussetzer wird je nach Intensität entweder keinen Verbrennungsdruckanstieg bewirken, oder hat aufgrund verschleppter und/oder unvollständig ablaufender Verbrennung einen geringeren und zeitlich verzögerten Verbrennungsdruckverlauf zur Folge. Diese Abweichungen vom normalen Brennraumdruckverlauf äußern sich natürlich auch im Signal des Kurbelwellensensors bzw. im daraus gewonnenen Beschleunigungsverlauf über dem Kurbelwinkel, da ja die jeweils von der Verbrennung in einzelnen Zylindern hervorgerufene Beschleunigung der Kurbelwellendrehbewegung vom Verbrennungsdruckverlauf in den jeweiligen Zylindern maßgeblich bestimmt wird.
  • Bei Ottomotoren 80 ist schon nach heutigem Stand der Technik anstelle des Klopfsensors 91 oder ergänzend dazu auch die Ionenstrommessung mit Hilfe eines Ionenstromsensors 92 zur Detektierung von klopfender Verbrennung bekannt. Hierbei wird ausgenutzt, dass es je nach Art der Verbrennung zu einer unterschiedlich intensiven Ionisierung des Gases im Brennraum des Motors 80 kommt. Dies wird über einen Ionenstromsensor 92 erfasst, der z.B. in Zündkerze oder Einspritzdüse integriert sein kann.
  • Das Signal eines Ionenstromsensors 91 würde man nun zum erfindungsgemäßen Zwecke ausnutzen, um anhand von untypischen Signalverläufen bzw. von für Aussetzerphänomene auf typische Art und Weise vom normaltypischen Signalverlauf abweichende Signalverläufe auf Aussetzer schließen zu können.
  • Ein Aussetzer wird je nach Intensität das Ausbleiben einer Verbrennung (totaler Aussetzer) oder deren zeitliche und intensitätsmäßige Verschleppung (verzögert und/oder unvollständig ablaufende Verbrennung) bewirken.
  • Diese Abweichungen vom normalen Verbrennungsverlauf äußern sich natürlich auch im Signal des Ionenstromsensors, da die Ionisierung des Gases im Brennraum ja jeweils von der Verbrennung in den einzelnen Zylindern maßgeblich bestimmt wird.
  • Der Brennraumdruck (und sein zeitlicher Verlauf) kann, neben der indirekten Messung mittels eines Kurbelwellensensors 94, auch direkt durch Messung des Brennraumdruckes mit Hilfe eines Brennraumdrucksensors 93 gemessen werden. Dazu bieten sich z.B. Quarzdruckaufnehmer an, die beispielsweise in Glühstifte (Stand der Technik), Zündkerzen, Injektoren oder deren jeweilige Halter integriert sein können. Mittels Auswertung solcher Brennraumdruckverläufe sind Aussagen über die Güte der Verbrennung einzelner Zylinder möglich.
  • Das Signal eines solchen Brennraumdrucksensors 93 würde man nun zum erfindungsgemäßen Zwecke ausnutzen, um anhand von untypischen Signalverläufen bzw. von für Aussetzerphänomene auf typische Art und Weise vom normaltypischen Signalverlauf abweichende Signalverläufe auf Aussetzer schließen zu können. Ein Aussetzer wird je nach Intensität entweder keinen Verbrennungsdruckanstieg bewirken, oder hat aufgrund verschleppter und/oder unvollständig ablaufender Verbrennung einen geringeren und zeitlich verzögerten Verbrennungsdruckverlauf zur Folge. Diese Abweichungen vom normalen Brennraumdruckverlauf äußern sich natürlich im Signal eines Brennraumdrucksensors unmittelbar.
  • Die Vielzahl der bei der Erfindung einsetzbaren, aus den genannten Gründen gemäß Stand der Technik teilweise ohnehin bereits verbauten Sensoren 90 bis 94 bzw. sonstiger geeigneter Sensoren 95 oder beliebige Kombinationen hiervon erlaubt eine zuverlässige und sichere Erkennung von Aussetzern über den gesamten Betriebsbereich des Motors 80 hinweg, selbst in Betriebsbereichen, in denen der Einsatz bestimmter einzelner Sensoren 90 bis 95 nicht oder nur bedingt möglich oder sinnvoll ist.
  • So ist es bei der Verwendung von Körperschallsensoren 91, Brennraumdrucksensoren 93 oder Ionenstromsensoren 92 ein wesentlicher Vorteil, dass die Aussetzererkennung hiermit unabhängig von der Ausführung des Triebstrangs (also bei jeder Triebstranghardware, bei Einbau des Motors in jeden Fahrzeugtyp, bei jeder Art von Getriebe, in jedem Gang, bei jeder Fahrgeschwindigkeit, bei jeder Stellung der Kupplung oder des Wandlers oder der Wandlerüberbrückungskupplung, ...), immer möglich ist.
  • Diese Sensoren 91 bis 93 gleichen somit einen gewissen Nachteil des Kurbelwellensensors 94 aus, dessen Signalverlauf von all den erwähnten Details des Triebstranges abhängt, was es ungemein erschwert, daraus auf Aussetzer zu schließen. Dieses Problem ist daher auch bei der Erfindung aus der DE 102 54 479 B4 existent und ungelöst.
  • Im Leerlauf dagegen oder mit getretener Kupplung reagiert der Drehzahlsignalverlauf eines Kurbelwellensensors 94 sehr deutlich auf das Ausbleiben einzelner Verbrennungen, oder auf deren zeitliche und intensitätsmäßige Abweichung, also auf totale Aussetzer oder teilweise Aussetzer (verschleppte/unvollständige Verbrennung).
  • Die Aufbereitung und Interpretation der Signale der Sensoren 91 bis 95 bzw. deren Kombination wird im Funktionsblock 10 vorgenommen. Zur Signalaufbereitung ist das Ausfiltern von Störsignalen in einem Funktionsblock 11, eine geeignete Maßnahme, da insbesondere ein Fahrzeug zahlreichen elektrischen und magnetischen Störfeldern ausgesetzt ist, die ein Sensorsignal verfälschen und unbrauchbar machen können. Sinnvoll können darüber hinaus ein ein- oder mehrfaches Differenzieren oder Integrieren des Sensorsignals sein, oder eine andere mathematische Methode, wie dies in einem nachgeschalteten Funktionsblock 12 dargestellt ist, oder, wie in einem weiteren nachgeschalteten Funktionsblock 13 dargestellt, eine Frequenzanalyse oder weitere derartige Analyseverfahren.
  • Zur Interpretation der Signale der Sensoren 91 bis 95 bzw. deren Kombination sind in Funktionsblöcken 14 und 15 mehrere Möglichkeiten genannt. So kann beispielsweise eine Mustererkennung eingesetzt sein, um typische aussetzerfreie Verläufe von Sensorsignalen, welche in bestimmten Phasen (z.B. von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel) und bei bestimmten Randbedingungen (z.B. Drehzahl, Last, Höhe, Temperatur, möglicherweise zylinderselektiv) auftreten, zu identifizieren.
  • Im nachgeschalteten Funktionsblock 15 erfolgt dann ein Vergleich aktueller Signalverläufe, beispielsweise von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel oder von Zylinder zu Zylinder, mit gespeicherten typischen aussetzerfreien Signalverläufen bei gleichen Randbedingungen, um bei bekannten Signalverläufen eine erneute Berechnung einer Reaktionsstrategie zu umgehen, bzw. um die vom nachfolgenden Funktionsblock 20 für die Aussetzererkennung benötigte Information bereitszustellen.
  • Im nachgeschalteten Funktionsblock 20 erfolgt aufbauend auf dem Vergleichsergebnis zwischen aktuellen und gespeicherten Signalverläufen im Funktionsblock 10 eine Bewertung von Signalabweichungen, wozu beispielsweise eine stochastische Streuung (von Zylinder zu Zylinder, von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel, o.ä.) unter gleichen Bedingungen herangezogen wird. Falls sich aus Abweichungen außerhalb dieser als „normal" interpretierten Streuungen die Bewertung ergibt, dass Aussetzer auftreten, wird im nachgeschalteten Funktionsblock 30 eine entsprechende Reaktionsstrategie ausgearbeitet.
  • In 3 ist ein zweiter Teil 4 des Strukturplans 1 nach 1 mit den Funktionsblöcken 20 bis 70 in detaillierter Form dargestellt. Wird im Funktionsblock 20 erkannt, dass Aussetzer auftreten, wird diese Information an den nachgeschalteten Funktionsblock 30 weitergegeben, gegebenenfalls zusätzlich die Information über deren „Heftigkeit". Dem Funktionsblock 30 wird auch eine Information über gespeichertes Wissen aus früherer Erkenntnis vom vorgeschalteten Funktionsblock 50 zugeführt.
  • Innerhalb des Funktionsblocks 30 erfolgt dann in einem Funktionsblock 31 eine Aufteilung in schnelle Reaktionsvorgänge, die auf dem Ergebnis des Funktionsblocks 20 aufbauen, und in weniger schnelle Reaktionsvorgänge, die auf dem Ergebnis des Funktionsblocks 50 aufbauen. Zu den schnellen Reaktionsvorgängen kann beispielsweise eine Regelung und zu den weniger schnellen Reaktionsvorgängen beispielsweise eine Vorsteuerung gehören.
  • Passend zu dieser beabsichtigten Unterscheidung in langsame und schnelle Reaktionsvorgänge lassen sich die verschiedenen gegen Aussetzer wirksamen Eingriffe dementsprechend in zwei Gruppen sortieren, nämlich in solche, bei denen ein angeforderter Eingriff blitzschnell umgesetzt wird (im Idealfall schon beim nächsten Arbeitsspiel), und solche, bei denen ein angeforderter Eingriff erst nach einer gewissen Reaktionszeit wirksam umgesetzt wird. Letztere eignen sich nur für die langsamen Reaktionen, erstere natürlich für beide Reaktionsarten.
  • In einem nachgeschalteten Funktionsblock 32 erfolgt eine Unterscheidung der Reaktionsvorgänge in zylinderselektive und pauschale (für alle Zylinder) vorzunehmende Maßnahmen. In einem weiteren Funktionsblock 33 wird entschieden, welche Stellglieder anzusteuern sind und in welchem Maße (Zeitpunkt, Quantität), und zwar abhängig von der im Funktionsblock 31 getroffenen Aufteilung in schnelle und langsame Reaktionen, von der im Funktionsblock 32 getroffenen Unterscheidung zwischen zylinderselektiven und pauschalen Maßnahmen und abhängig von Häufigkeit und Schwere erkannter Aussetzer.
  • Bei Motoren mit mehreren Zylinderköpfen bzw. -bänken (z.B. V- oder Boxermotoren) kann gegebenenfalls zusätzlich zu zylinderselektiven oder pauschalen Maßnahmen noch eine dritte Kategorie eingeführt werden, nämlich Maßnahmen, die nur alle Zylinder einer Zylinderbank betreffen. Soweit getrennte Zylinderbänke über separat angesteuerte Steller (z.B. für Lader, AGR-Ventile, Drosseln, Einlaßkanalabschaltungen, Nockenwellen- oder sonstige Ventilverstellungen o.ä. verfügen, kann die zusätzliche Einführung auch solcher zylinderbankselektiven Maßnahmen sinnvoll sein.
  • Die Ergebnisse der Reaktionsstrategie im Funktionsblock 30 werden einerseits dem nachgeschalteten Funktionsblock 40 (Stellgliedansteuerung) übergeben und andererseits dem Funktionsblock 60. Im Funktionsblock 60 wird gelerntes wissen, das aus neu erarbeiteten Reaktionsstrategien resultiert, abgespeichert. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass in einem Funktionsblock 61 eine Information über einen von häufigen Aussetzern betroffenen Zylinder, den betreffenden Betriebsbereich und den Umfang (Art und Stärke) des notwendigen Eingriffs abgelegt wird.
  • In einem Funktionsblock 62 kann weiterhin für den Fall, dass für längere Zeit kein Eingriff der Aussetzerregelung mehr notwendig war, ein Maß für eine Notwendigkeit eines Eingriffs verringert werden. (In Realität ist dies z.B. denkbar, wenn zwischenzeitlich Kraftstoff nachgetankt wurde.) Zudem kann beispielsweise in einem Funktionsblock 63 eine Information über die in den Funktionsblöcken 61 und 62 gewonnenen Erkenntnisse abgelegt werden, so dass sie auch für spätere Fahrzyklen verfügbar ist. Bei Bedarf werden die Ergebnisse des Funktionsblocks 60 dem Funktionsblock 50 zugeführt.
  • Die Signale des Funktionsblocks 40 (Stellgiedansteuerung) werden im Funktionsblock 70 jeweiligen Stellgliedern zur Einstellung der Betriebsweise der Brennkraftmaschine zugeführt, wie beispielsweise einem AGR-Steller 71 zur Einstellung der AGR-Rate, einem Ladedruck-Steller 72, einem Stelleingriff in den Ansteuerbeginn (für Diesel und Otto-Direkteinspritzer, stattdessen für Otto-Saugrohreinspritzer ersatzweise Zündzeitpunkt) 73 und weiteren zur Aussetzerbekämpfung geeigneten Stellern, die stellvertretend durch einen Funktionsblock 74 symbolisiert sind.
  • Solche weiteren geeigneten Stellereingriffe für Funktionsblock 74 können z.B. sein:
    • a) zeitlicher Abstand von mehreren Einzelzündungen pro Arbeitsspiel, gegebenenfalls aus mehreren Zündkerzen pro Brennraum (Ottomotor),
    • b) Drosselklappensteller,
    • c) Steller einer Einlaßkanalabschaltung,
    • d) Steller von Resonanzklappen,
    • e) Steller einer Ein- und/oder Auslaßventilsteuerung,
    • f) Nockenwellensteller,
    • g) Steller zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses ε bei laufendem Motor (diverse Ausführungen in Literatur als Stand der Technik bekannt),
    • h) Verteilung der Gesamteinspritzmenge auf die einzelnen Einspritzungen, deren Anzahl und zeitliche Abstände zueinander,
    • i) Aktivierung der Glüheinrichtung,
    • j) Aktivierung einer Ansaugluftvorwärmung,
    • k) usw.
  • Von den in den Funktionsblöcken 71-73 und in obiger Aufzählung genannten Stellereingriffen a bis j zählen zu der Kategorie der schnellen Eingriffe insbesondere die Eingriffe 73, a und h, weil Eingriffe dort von einem Arbeitsspiel zum nächsten wirksam umsetzbar sind.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (80), a) bei welchem verbrennungsrelevante Kenngrößen der Brennkraftmaschine (80) gemessen (90), die Messsignale aufbereitet (10) und in Folge einer Interpretation (10) der aufbereiteten Messsignale Verbrennungsaussetzer erkannt werden (20), b) wobei auf Basis des aktuellen Interpretationsvorganges (10) und auf Basis früherer gespeicherter Interpretationsvorgänge und Aussetzererkennungen (50) eine Reaktionsstrategie festgelegt wird (30), c) wobei die aktuelle Reaktionsstrategie (30) daraufhin überprüft wird, ob sie entweder bereits gespeichert oder wenigstens teilweise neu ist (60), d) wobei im Falle einer wenigstens teilweise neuen Reaktionsstrategie (30) diese bzw. ihre neuen Teile gespeichert werden (60) und e) wobei auf Basis der aktuell festgelegten Reaktionsstrategie (30) Ausgangssignale an Stellglieder (70) der Brennkraftmaschine (80) oder ihrer Komponenten erzeugt und an diese übermittelt werden (40).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Messen (90) der verbrennungsrelevanten Kenngrößen der Brennkraftmaschine (80) eine Körperschallmessung (91), eine Ionenstrommessung (92), eine Brennraumdruckmessung (93), eine Messung der Kurbelwellenbeschleunigung (94) oder eine beliebige Kombination hiervon zylinderindividuell oder pauschal für alle Zylinder der Brennkraftmaschine angewendet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufbereitung (10) der Messsignale ein Ausfiltern von Störsignalen (11), eine mathematische Bearbeitung wie Differenzieren oder Integrieren (12), eine Frequenzanalyse (13) oder beliebige Kombinationen hiervon angewendet werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Interpretation (10) der aufbereiteten Messsignale das Erkennen gespeicherter typischer Signalverläufe (14) sowie ein Vergleichen eines aktuellen Signalverlaufes mit bei gleichen Randbedingungen typischen gespeicherten Signalverläufen (15) oder andere Verfahren wie eine Mustererkennung angewendet werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern (20) eine Bewertung aktueller Messpunkte oder des aktuell gemessenen Signalverlaufes mit Hilfe von relevanten statistischen Größen durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Festlegen einer Reaktionsstrategie (30) zwischen schnell vorzunehmenden Reaktionen und weniger schnell vorzunehmenden Reaktionen unterschieden wird (31).
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Festlegen einer Reaktionsstrategie (30) zwischen zylinderselektiven Reaktionen, Reaktionen, die für alle Zylinder einzelner Zylinderbänke gelten sollen, und Reaktionen, die pauschal alle Zylinder betreffen, unterschieden wird (32).
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Information über die bei einer jeweils festgelegten Reaktionsstrategie (30) erzeugten und übermittelten Ausgangssignale an Stellglieder (70) der Brennkraftmaschine (80) oder ihrer Komponenten gespeichert wird (61).
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Häufigkeit von erkannten Verbrennungsaussetzern pauschal oder zylinderbankselektiv oder zylinderselektiv gespeichert (61, 62) und beim Festlegen einer Reaktionsstrategie (30) berücksichtigt wird (50)
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