DE102008006569A1

DE102008006569A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erkennen einer Leckage eines Zylinders eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102008006569A1
Application number: DE102008006569A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bethmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-01-29
Filing date: 2008-01-29
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2028-01-30
Also published as: US7860670B2; US20090192733A1; DE102008006569B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Erkennen einer Leckage eines Zylinders (14) eines Verbrennungsmotors (12), wobei der Verbrennungsmotor (12) in dem Zylinder (14) einen Kolben (16) aufweist, der an einer Kurbelwelle (20) befestigt ist, wobei die Vorrichtung (10) folgende Merkmale umfasst: - eine Zeitintervall-Bestimmungseinheit (24), die ausgebildet ist, um ein erstes Zeitintervall (t1) zu bestimmen, in dem die Kurbelwelle (20) ein vorgegebenes erstes Winkelsegment (30) vor dem Erreichen des zündungsoberen Totpunktes des Kolbens (16) in dem Zylinder (14) durchläuft, und um ein zweites Zeitintervall (t2) zu bestimmen, in dem die Kurbelwelle (20) ein vorgegebenes zweites Winkelsegment (32) nach dem Erreichen des zündungsoberen Totpunktes des Kolbens (16) in dem Zylinder (14) durchläuft; und - eine Zylinderleckage-Bestimmungseinheit (36), die ausgebildet ist, um abhängig von dem ersten (t1) und abhängig von dem zweiten (t2) Zeitintervall eine Leckage des Zylinders (14) zu erkennen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erkennen einer Leckage eines Zylinders eines Verbrennungsmotors sowie auf ein Verfahren zum Erkennen einer Leckage eines Zylinders eines Verbrennungsmotors.
Stand der Technik
Bisher ist ein Ansatz bekannt, Kompressionsverluste auf einzelnen Zylindern eines Verbrennungsmotors mittels einer Auswertung eines Kurbelwellensensorsignals zu realisieren. Dabei werden im Steuergerät bestimmte Segmentlaufzeiten von Messzähnen eines Kurbelwellengeberrades gemessen und ausgewertet, so dass ein Rückschluss auf das Zeitintervall möglich ist, das eine Kurbelwelle benötigt, um ein vordefiniertes Winkelsegment zu durchlaufen. Bei Kompressionsverlusten in dem betrachteten Zylinder benötigt die Kurbelwelle zum Durchlaufen eines Winkelsegmentes vor dem zündungsoberen Totpunkt des Kolbens in dem Zylinder eine kürzere Zeit als in einem Fall, bei dem der Abschluss bzw. die Abdichtung des Zylinders fehlerfrei (d. h. „in Ordnung") ist. Im Folgenden wird dieser Totpunkt auch mit „ZOT" bezeichnet, um eine ausreichende Abgrenzung gegenüber dem oberen Totpunkt zwischen Arbeitstakten zu liefern, in denen der Kolben die Verbrennungsgase aus dem Zylinder drückt und nachfolgend ein frisches Brennstoffgemisch in den Zylinder einsaugt. Mit dem „zündungsoberen Totpunkt" ist dagegen derjenige Totpunkt bezeichnet, bei dem der Kolben vom Kompressions-Arbeitstakt in den Arbeitstakt der Zündung des Brennstoffgemisches und damit in den Arbeitstakt der Einleitung der Expansionsphase übergeht. Es ist anzumerken, dass in der weiteren Anmeldung auf diesen speziellen zündungsoberen Totpunkt abgestellt wird, wenn lediglich ein „oberer Totpunkt" genannt wird.
Diese verringerte Zeit, die der Kolben bei Auftreten einer Leckage zum Durchlaufen des genannten Winkelsegments benötigt, resultiert aus der Tatsache, dass die vom Kolben zu verrichtende Kompressionsarbeit geringer ist und der Kolben (und somit auch die Kurbelwelle) nicht so stark abgebremst wird. Den gegenteiligen Effekt erhält man entsprechend in der Expansionsphase nach dem ZOT. Hier wird die Segmentlaufzeit länger, da der Kompressionsdruck gegenüber einem fehlerfreien Zylinderabschluss nicht mehr so groß ist. Bisher werden diese Zeiten vor dem ZOT und nach dem ZOT separat und direkt ausgewertet und eine Fehlererkennung auf Basis einer relativen Betrachtung der einzelnen Zylinder durchgeführt. Problematisch ist ein derartiges Vorgehen jedoch dann, wenn Toleranzen von Messzähnen eines Geberrades auftreten, das an der Kurbelwelle befestigt ist und dessen Messzähne zur Bestimmung der Zeitintervalle verwendet werden, die die Kurbelwelle benötigt, um die entsprechenden Winkelsegmente vor und nach dem ZOT zu durchlaufen. Durch diese Geberradtoleranzen werden die auszuwertenden Zahnzeiten unter Umständen so stark verfälscht, dass es zu fehlerhaften Erkennungen auf den Zylindern kommen kann, oder alternativ bei hohen Toleranzen die Fehlererkennungsschwelle sehr hoch gewählt werden muss, wodurch die Diagnosequalität im Fehlerfall leidet. Dadurch ist die Diagnosequalität heute abhängig von den Geberradtoleranzen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, Leckagen eines Zylinders des Verbrennungsmotors besser und kostengünstiger zu erkennen, insbesondere auch Geberradtoleranzen durch einen einfachen und zugleich kostengünstigen Ansatz zu kompensieren.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 11 gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Erkennen einer Leckage eines Zylinders eines Verbrennungsmotors, wobei der Verbrennungsmotor in dem Zylinder einen Kolben aufweist, der an einer Kurbelwelle befestigt ist, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale umfasst:

– eine Zeitintervall-Bestimmungseinheit, die ausgebildet ist, um ein erstes Zeitintervall zu bestimmen, in dem die Kurbelwelle ein vorgegebenes erstes Winkelseg ment vor dem Erreichen des zündungsoberen Totpunktes des Kolbens in dem Zylinder durchläuft, und um ein zweites Zeitintervall zu bestimmen, in dem die Kurbelwelle ein vorgegebenes zweites Winkelsegment nach dem Erreichen des zündungsoberen Totpunktes des Kolbens in dem Zylinder durchläuft; und
– eine Zylinderleckage-Bestimmungseinheit, die ausgebildet ist, um abhängig von dem ersten Zeitintervall und abhängig von dem zweiten Zeitintervall eine Leckage des Zylinders zu erkennen.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch die Verknüpfung der Zeitintervalle vor und nach dem oberen Totpunkt des betrachteten Zylinders eine einfache Möglichkeit zur Verbesserung der Erkennung einer Leckage des Zylinders des Verbrennungsmotors gegeben ist. Insbesondere wird der Wirkungszusammenhang ausgenutzt, dass sich bei dem Vorliegen einer Leckage des Zylinders der Kompressions- und Expansionsdruck in dem betrachteten Zylinder unterscheiden. Hierdurch liefert eine Verknüpfung der Segmentlaufzeiten, die die Kurbelwelle zum Durchlaufen eines vorgegebenen Winkelsegments vor und nach dem ZOT des Kolbens benötigt, ein deutlich besseres Resultat in Bezug auf die Erkennung von Leckagen der Zylinder, als die getrennte Auswertung der Segmentlaufzeiten vor oder nach dem ZOT alleine. Durch diese Verknüpfung der Segmentlaufzeiten wird zugleich auch eine robustere Auswertung möglich, insbesondere beim Auftreten von Geberradtoleranzen, da diese Toleranzen durch den erfindungsgemäßen Ansatz etwas kompensiert werden können, da pro Zylinder zwei Winkelsegmente ausgewertet werden. Der erfindungsgemäße Ansatz bietet daher den Vorteil, durch eine algorithmische Aufbereitung und Verknüpfung der bereits verfügbaren Signale eine deutlich verbesserte Diagnosequalität zu ermöglichen.
Günstig ist es auch, wenn in einer weiteren Ausführungsform die Zylinderleckage-Bestimmungseinheit ausgebildet ist, um das Erkennen der Leckage anhand einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitintervall erfolgt. Hierdurch wird ausgenutzt, dass bei einem Bestehen einer Leckage des Zylinders bei der Kompression vor dem Erreichen des ZOT und bei der Expansion nach dem Erreichen des ZOT gegenläufige Effekte auftreten, die durch die Differenzbildung verstärkt werden. Das hierdurch erhaltene Signal wird somit genauer auswertbar und erhöht daher die Robustheit des hier vorgeschlagenen Ansatzes.
Entsprechend einer anderen Ausführungsform kann der Verbrennungsmotor eine Mehrzahl von weiteren Zylindern aufweisen, in denen je ein Kolben angeordnet ist, der an der Kurbelwelle befestigt ist, wobei die Zeitintervall-Bestimmungseinheit ausgebildet sein kann, um für jeden der Kolben der weiteren Zylinder ein erstes Kolbenzeitintervall zu bestimmen, in dem die Kurbelwelle ein Winkelsegment vor dem Erreichen des oberen Totpunktes des jeweiligen Kolbens in dem entsprechenden der weiteren Zylinder durchläuft. Weiterhin kann die Zeitintervall-Bestimmungseinheit ausgebildet sein, um für jeden Kolben der weiteren Zylinder ein zweites Kolbenzeitintervall zu bestimmen, in dem die Kurbelwelle ein Winkelsegment nach dem Erreichen des oberen Totpunktes des jeweiligen Kolbens in dem entsprechenden der weiteren Zylinder durchläuft. Zusätzlich kann auch die Zylinderleckage-Bestimmungseinheit ausgebildet sein, um das erste und zweite Zeitintervall des Zylinders sowie die ersten und zweiten Kolbenzeitintervalle der restlichen Zylinder miteinander zu verknüpfen und auf der Basis der Verknüpfung eine Leckage des Zylinders zu erkennen. Dies bietet den Vorteil, dass durch den Einbezug der weiteren Zylinder des Verbrennungsmotors motorspezifische Eigenheiten kompensiert werden können und die Leckage lediglich auf der Basis einer Abweichung der Werte des Zylinders von den Werten für die weiteren Zylinder erfolgen kann.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Zylinderleckage-Bestimmungseinheit ausgebildet sein, um ein erstes Verhältnis zu ermitteln, wobei ein Mittelwert der ersten Kolbenzeitintervalle der restlichen Zylinder gebildet wird von dem das erste Zeitintervall des Zylinders subtrahiert wird und das Ergebnis der Subtraktion durch das erste Zeitintervall des Zylinders dividiert wird. Weiterhin kann die Zylinderleckage-Bestimmungseinheit ausgebildet sein, um ein zweites Verhältnis zu ermitteln, wobei ein Mittelwert der zweiten Kolbenzeitintervalle der restlichen Zylinder gebildet wird von dem das zweite Zeitintervall des Zylinders subtrahiert wird und das Ergebnis dieser Subtraktion durch das zweite Zeitintervall des Zylinders dividiert wird. Schließlich kann die Zylinderleckage-Bestimmungseinheit ausgebildet sein, um zum Erkennen einer Leckage des Zylinders die Verknüpfung auf der Basis des ersten und zweiten Verhältnisses zu bilden. Durch die beschriebene Berücksichtigung des ersten und zweiten Verhältnisses ist somit eine Normierung der erfassten Messwerte mit Bezug auf den Zylinder möglich. Hierdurch ist ein Vergleich der Zylinder relativ zueinander möglich.
Weiterhin kann in einer anderen Ausführungsform die Zylinderleckage-Bestimmungseinheit ausgebildet sein, um das zweite Verhältnis vom ersten Verhältnis zu subtrahieren, um einen Gesamtabweichungswert für den Zylinder zu ermitteln und das Vorliegen einer Leckage des Zylinders auf der Basis der erhaltenen Gesamtabweichung zu bestimmen. Durch diese Differenzbildung ist es möglich, eine Verstärkung der durch Leckagen verursachten Kompressions- und Expansionseffekte zu erreichen, die auf die Kurbelwelle vor und nach ihrem Durchlaufen des ZOT wirken und die relative Auswertung der Zylinder zueinander wird deutlich verbessert und somit ergibt sich eine bessere Diagnosequalität.
Günstig ist es auch, wenn der Verbrennungsmotor in einem zweiten Zylinder aus der Mehrzahl der weiteren Zylinder einen zweiten Kolben aufweist, der an einem Segment der Kurbelwelle befestigt ist, das bezüglich einer Drehachse der Kurbelwelle eine gleiche Ausrichtung wie ein Segment der Kurbelwelle aufweist, an dem der Kolben des Zylinders befestigt ist. In diesem Fall kann dann die Zylinderleckage-Bestimmungseinheit ausgebildet sein, um zum Erkennen einer Leckage des Zylinders für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors einen Gesamtabweichungswert zu bestimmen, hieraus einen Mittelwert der Gesamtabweichungswerte aller Zylinder des Verbrennungsmotors zu ermitteln und von dem ermittelten Mittelwert der Gesamtabweichungswerte aller Zylinder des Verbrennungsmotors einen Mittelwert aus den Gesamtabweichungswerten für den Zylinder und den zweiten Zylinder zu subtrahieren, um einen Segmentkorrekturwert zu erhalten. Dieser Segmentkorrekturwert kann dann zu dem Gesamtabweichungswert des Zylinders addiert werden, um aus dem Ergebnis der Addition auf die Leckage des Zylinders zu schließen. Dies bietet den Vorteil, unter Ausnutzung der Kenntnis, dass bei einer geradzahligen Zylinderanzahl zwei Zylinder auf dem gleichen Kurbelwellensegment befestigt sind, eine Korrektur der für alle Zylinder aufgenommenen Messwerte durchführen zu können. Dadurch lässt sich eine nochmals genauere Bestimmung einer Leckage des Zylinders realisieren und das Ergebnis ist nahezu unabhängig von Geberradtoleranzen.
Auch kann, wenn der Verbrennungsmotor eine Drosselklappe aufweist, die Zeitintervall-Bestimmungseinheit ausgebildet sein, um das erste und zweite Zeitintervall dann zu bestimmen, wenn die Drosselklappe weiter geöffnet ist, als in ihrer normalen Stellung bei einem Start des Verbrennungsmotors. Beispielsweise kann die Drosselklappe dabei größer als 10 Prozent ihrer maximalen Öffnungsmöglichkeit geöffnet sein. Dies bietet den Vorteil, dass sich der Wirkungszusammenhang ausnutzen lässt, dass die Kompressionsverlust(arbeit) bzw. Expansionsarbeit bei einer aufgetretenen (Zylinder-)Leckage umso größer sind (und damit umso besser detektiert werden können), je weiter die die Drosselklappe geöffnet ist, da eine maximale Frischluftfüllung der Zylinder ohne Drosselverluste möglich ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist an der Kurbelwelle ein Geberrad mit Messzähnen befestigt, wobei die Messzähne einen Abstand voneinander aufweisen, der innerhalb eines definierten Toleranzbereichs gleich ist, wobei die Zeitintervall-Bestimmungseinheit eine Lageerfassungseinheit aufweisen kann, die ausgebildet ist, um das erste und zweite Zeitintervall unter Verwendung der Messzähne des Geberrades zu bestimmen. Der definierte Toleranzbereich kann dabei einen Bereich zwischen 1% und 5% betragen. Durch die genauere Auswertungsmöglichkeit ermöglicht dies den Einsatz von herkömmlichen Geberrädern mit Standard-Toleranzen zwischen 1% und 5%, ohne dass die Gefahr besteht, die Leckage der Zylinder evtl. nicht mehr korrekt erkennen zu können, bzw. eine Leckage von eigentlich dichten Zylindern fälschlicherweise zu erkennen. Somit wird eine genauere und robustere Diagnose möglich.
In einer anderen Ausführungsform, bei der der Verbrennungsmotor eine Zündanlage zum Zünden eines Brennstoffgemisches im Zylinder oder eine Einspritzanlage zum Einspritzen eines Brennstoffgemisches in den Zylinder aufweist, kann die Zeitintervall-Bestimmungseinheit ausgebildet sein, um das erste und zweite Zeitintervall dann zu bestimmen, wenn sich die Zündanlage in einem Ruhezustand befindet, in dem kein Zünden des Brennstoffgemisches im Zylinder erfolgt oder sich die Einspritzanlage in einem Ruhezustand befindet, in dem kein Brennstoffgemisch in den Zylinder eingespritzt wird. Dies bietet den Vorteil, dass keine störenden Effekte aus dem Verbrennungsvorgang im Zylinder die Messung der Zeitintervalle beeinträchtigen, was ansonsten zur Folge haben könnte, dass evtl. vorhandene Leckagen im Abschluss des Zylinders nicht richtig erkannt werden könnten. Beispielsweise kann die Zeitintervall-Bestimmungseinheit ausgebildet sein, das erste und zweite Zeitintervall zu bestimmen, wenn der Verbrennungsmotor durch den Anlasser, d. h. durch einen externen Antrieb, mit der Anlasserdrehzahl gedreht wird.
Günstig ist es auch, wenn die Zylinderleckage-Bestimmungseinheit ausgebildet ist, um die Leckage des Zylinders durch die Anwendung einer Schwellenwertentscheidung zu erkennen. Dies ermöglicht eine numerisch einfach zu implementierende Möglichkeit, um eine aufgetretene Leckage im Zylinder zu detektieren.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erkennen einer Leckage eines Zylinders eines Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei der Verbrennungsmotor in dem Zylinder einen Kolben aufweist, der an einer Kurbelwelle befestigt ist und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

– Bestimmen eines ersten Zeitintervalls, in dem die Kurbelwelle ein vorgegebenes erstes Winkelsegment vor dem Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens in dem Zylinder durchläuft, und Bestimmen eines zweiten Zeitintervalls, in dem die Kurbelwelle ein vorgegebenes zweites Winkelsegment nach dem Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens in dem Zylinder durchläuft; und
– Erkennen einer Leckage des Zylinders abhängig von dem ersten und abhängig von dem zweiten Zeitintervall.

Das vorstehende Verfahren kann ferner nicht nur auf einen einzelnen Zylinder (z. B. den betrachteten Zylinder) sondern auch für alle Zylinder durchgeführt werden, so dass jeder Zylinder des Verbrennungsmotors einmal als Zylinder untersucht wird. Mit dem vorstehend genannten Verfahren können daher alle Zylinder auf Leckagen untersucht werden.
Auch kann in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Bestimmen des ersten und zweiten Zeitintervalls bei einer Drehung der Kurbelwelle mit einer Drehzahl erfolgen, die einer Drehzahl eines Anlassers beim Start des Verbrennungsmotors entspricht. Dies bietet den Vorteil, dass die Kompression in den Zylindern derart hoch wird, dass Kompressionsverluste durch eine Leckage des Zylinders eine deutlich geringere Abbremsung der Kurbelwelle verursachen, als dies im fehlerfreien Fall erfolgt, so dass die Leckagen auf einfache und robuste Weise erkannt werden können.
Weiterhin umfasst die Erfindung auch ein Computerprogramm zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens, wenn das Computerprogramm auf einer Datenverarbeitungsanlage ausgeführt wird. Hierdurch wird es möglich, die bereits in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor weit verbreiteten Bordrechner auch für die Auswertung der Bestimmung einer Leckage eines Zylinders in einem Prüfmodus zu verwenden. Alternativ können auch Werkstattrechner bei einem Systemcheck während einer Inspektion des Fahrzeugs zur Durchführung des Verfahrens verwendet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Vorrichtung, mit dessen Hilfe die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ansatzes erläutert wird;
2A–2D Diagramme, in denen die Auswirkung von Zylinderleckagen unterschiedlicher Größe und deren Erkennungsmöglichkeit durch den vorgeschlagenen Ansatz dargestellt werden; und
3 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren.
Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein. Weiterhin sind eventuell angegebene Dimensionen und Maße nur exemplarisch, so dass die Erfindung nicht auf diese Dimensionen und Maße beschränkt ist. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden können oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Blockschaltbild, in dem der prinzipielle Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 im Zusammenwirken mit den Komponenten eines Verbrennungsmotors 12 dargestellt ist. Der Verbrennungsmotor 12 umfasst einen Zylinder 14, in dem sich ein Kolben 16 auf- und Abbewegen kann, der wiederum über eine Pleuelstange 18 an einer Kurbelwelle 20 befestigt ist. Die Pleuelstange 18 ist dabei an einem von der Drehachse 22 der Kurbelwelle 20 abgesetzten Segment befestigt. Üblicherweise umfasst der Verbrennungsmotor 12 mehrere Zylinder, die entsprechend dem Zylinder 14 aufgebaut sind, die in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch nicht dargestellt wurden. Die Kurbelwelle 20 weist an einem Segment, das auf der Drehachse der Kurbelwelle 20 liegt, ein Geberrad 24 auf. Dieses Geberrad 24 hat Geberradzähne, mit deren Hilfe der aktuelle Drehwinkel der Kurbelwelle 20 mittels einer Lageerfassungseinheit 26 bestimmt werden kann. Um die absolute Position der Kurbelwelle 20 zu bestimmen, weist das Geberrad 24 eine Lücke in dem Geberradzahnkranz auf, so dass eine "Null"-Position der Kurbelwelle 20 bestimmbar ist. Alternativ zu dem Geberrad können auch andere Vorrichtungen zur Bestimmung des Drehwinkels der Drehachse 22 verwendet werden (beispielsweise eine optisch auslesbare Scheibe).
Undichtheiten in dem Zylinder 14 (wie beispielsweise Leckagen an den Dichtungen um Ventile oder Elemente 28 einer Einspritz- bzw. Zündanlage) verursachen einen Leistungsverlust des Verbrennungsmotors 12, den es zu vermeiden gilt. Hierzu kann der Wirkungszusammenhang ausgenutzt werden, dass bei einem Bestehen einer Leckage des Zylinders 14 gegenüber einem fehlerfreien Zylinder 14 bei aufsteigendem Kolben 16 eine geringere Kompressionsarbeit auf den Kolben 16 zu leisten ist und zugleich bei absteigendem Kolben 16 eine geringere Expansionsarbeit vom Zylinder 14 geleistet wird. Um störende Einflüsse zu vermeiden, die durch Druckschwankungen bei der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder 14 verursacht werden, sollte die Feststellung von Undichtheiten in dem Zylinder 14 sinnvoller Weise als Werkstatttest unter Anlasserdrehzahl ohne Einspritzung (bzw. ohne Zündung) durchgeführt werden. Günstigerweise sollte ein solcher Test auch bei möglichst weit geöffneter Drosselklappe erfolgen, um eine möglichst maximale Luftfüllung des Zylinders zu ermöglichen und somit höhere Kompressions(verlust)arbeit bzw. Expansionsarbeit zu bekommen. Eine geschlossene Drosselklappe führt dazu, dass die Diagnosegüte schlechter wird.
Die Kompressions- bzw. Expansionsarbeit des Zylinders 14 kann dabei durch Auswertung der Kolbengeschwindigkeit bestimmt werden, nämlich durch die Bestimmung eines ersten Zeitintervalls t₁, das die Kurbelwelle 20 benötigt, um ein vorgegebenes erstes Winkelsegment 30 vor dem oberen Totpunkt zu durchlaufen (Kompressionsarbeit) und durch die Bestimmung eines zweiten Zeitintervalls t₂, das die Kurbelwelle 20 benötigt, um ein vorgegebenes zweites Winkelsegment 32 nach dem zündungsoberen Totpunkt zu durchlaufen (Expansionsarbeit). Das erste Winkelsegment 30 und das zweite Winkelsegment 32 können dabei gleich groß sein (beispielsweise 12°). Die Lage dieser Winkelsegmente ist motorspezifisch zu ermitteln und sollte deshalb variabel anpassbar sein. Um eine möglichst einheitliche Auswertung für alle Zylinder sicherzustellen sollten auch die Auswertungen der Kurbelwellengeschwindigkeiten für die restlichen Zylinder in einem entsprechenden Winkelsegmentbereich vor und nach dem ZOT erfolgen. Hierdurch kann ein ausreichend großer Drehwinkel überdeckt werden, bei dem eine Erfassung der Drehung der Kurbelwelle 20 durch das Geberrad 24 einfach und sicher durchführbar ist. Das erste und zweite Zeitintervall t₁ bzw. t₂ kann dabei anhand eines Signals der Lageerfassungseinheit 26 (die die Position der Geberradzähne des Geberrades 24 auswertet) in der Zeitintervall-Bestimmungseinheit 34 bestimmt werden.
Wie eingangs bereits erwähnt wurde, ist bei der beschriebenen Vorgehensweise von Bedeutung, dass die Abstände zwischen den Messzähnen des Geberrads (oder der alternative Sensor) keine zu großen Toleranzen aufweisen. Durch den erfindungsgemäßen Ansatz soll das vorgestellte Verfahren robuster gegenüber Geberradtoleranzen und zugleich noch genauer bezüglich einer Fehlererkennung gemacht werden. Um diese Steigerungen der Robustheit kostengünstig durchzuführen, sollen die Geberradtoleranzen durch einen Kompensationsalgorithmus ausgeglichen werden. Zur Verstärkung des den Fehlerfall charakterisierenden Diagnosemerkmals soll weiterhin eine geschickte Verknüpfung der beiden Zeitintervalle t₁ und t₂ vor und nach dem zündungsoberen Totpunkt pro Zylinder erfolgen. Diese Verknüpfung kann dabei in der Zylinderleckage-Bestimmungseinheit 36 erfolgen, die aus dem erfassten ersten und zweiten Zeitintervall t₁ bzw. t₂ für den betrachteten Zylinder bestimmt, ob in diesem eine Leckage vorliegt oder nicht. Diese Zylinderleckage-Bestimmungseinheit 36 kann dabei ein Werkstatttester oder ein Steuergerät in der Motorsteuerung des Verbrennungsmotors sein.
Durch eine Verknüpfung der Zeitintervalle vor und nach dem zündungsoberen Totpunkt in Form einer Subtraktion kann eine Verstärkung des Signals pro Zylinder erreicht werden, die es ermöglicht, anstatt einer separaten Schwelle pro ermitteltem Zeitintervall nur eine Gesamtschwelle pro Zylinder zu verwenden. Die Verstärkung ergibt sich durch die Ausnutzung der gegenläufigen Effekte vor bzw. nach dem oberen Totpunkt. Somit wird der Merkmalsabstand zwischen den fehlerfreien Zylindern („iO"-Fall; „in Ordnung"-Fall) und einem fehlerbehafteten Zylinder größer. Hierbei kann insbesondere ein Vergleich zwischen mehreren Zylindern des Verbrennungsmotors 12 durchgeführt werden, um motorspezifische Effekte zu kompensieren.
Speziell können für die Bestimmung einer Leckage in der Zylinderleckage-Bestimmungseinheit normierte Zeitintervall-Differenzbeträge Δ_Zylx(vOT) und Δ_Zylx(nOT) für den Zylinder x ermittelt werden. Zur Bestimmung des ersten normierten Zeitintervall-Differenzbetrags Δ_Zylx(vOT) wird ein Mittelwert aus den ersten Kolbenzeitintervallen für die weiteren Zylinder (ohne den Zylinder x) gebildet. Von diesem Mittelwert wird das erste Zeitintervall t₁ des Zylinders x abgezogen und die Differenz durch das erste Zeitintervall t₁ des Zylinders x dividiert. Zur Bestimmung des zweiten normierten Zeitintervall-Differenzbetrags Δ_Zylx(nOT) wird ein Mittelwert aus den zweiten Kolbenzeitintervallen für die weiteren Zylinder (ohne den Zylinder x) gebildet. Von diesem Mittelwert wird das zweite Zeitintervall t₁ des Zylinders x abgezogen und die Differenz durch das zweite Zeitintervall t₁ des Zylinders x dividiert.
In 2A sind die relativen Abweichungswerte Δ_Zylx(vOT) bzw. Δ_Zylx(nOT) für die 4 Zylinder eines 4-Zylinder-Verbrennungsmotors dargestellt, wobei jeweils 10 Messungen durchgeführt und der sich daraus ergebende Mittelwert dieser Messungen für Δ_Zylx(vOT) bzw. Δ_Zylx(nOT) im Diagramm aus 2A dargestellt wurde, um Messwertfehler der Einzelmessungen zu kompensieren. Im Zylinder Nr. 2 sind unterschiedlich große Fehler in Form von einer Leckage durch Löcher mit unterschiedlichen Durchmessern im Zylinder verbaut. Für die Aufnahme des Diagramms aus 2A wurden diese Leckagen durch den Einbau von Fehlersimulations-Einsätzen in die Öffnung für die Einspritzdüsen oder Zündkerzen realisiert. Auf der x-Achse sind die unterschiedlichen verwendeten Leckagegrößen für den Fall vor Erreichen des oberen Totpunktes und nach Erreichen des oberen Totpunktes durch den Kolben eingetragen (mittlere Werte mit iO gekennzeichnet entspricht einem fehlerfreien „in Ordnung" System, jeweils daneben sind ansteigende Leckagegrößen dargestellt). Auf der y-Achse sind die relativen Abweichungswerte Δ_Zylx(vOT) bzw. Δ_Zylx(nOT) für die jeweils entsprechenden Zylinder eingetragen. Aus der in 2A mit einem Dreieck markierten Linie für den Zylinder Nr. 2 werden die oben bereits geschilderten Einflüsse auf die Segmentzeiten (d. h. Zeitintervalle) vor dem ZOT (linke Seite) und nach dem ZOT (rechte Seite) bei auftretenden Leckagen deutlich erkennbar. Herkömmlicherweise erfolgt eine Auswertung dieser Messwerte durch zwei getrennte Schwellenwerte vor und nach dem Erreichen des ZOT, wie dies in 2A ersichtlich ist. Hierzu sind aufgrund der unterschiedlichen Ausprägungen der Abweichungen meist unterschiedliche Schwellenwerte zu verwenden, wodurch der herkömmliche Ansatz einerseits aufwändig durchzuführen ist und andererseits auch durch evtl. ungünstig gewählte Schwellenwerte für eine hochgenaue Fehlerbestimmung nicht präzise genug ist. Da ein Kompressionsverlust aber immer zu positiven Abweichungen vor dem ZOT und immer zu negativen Abweichungen nach dem ZOT führt, kann eine Differenz aus dem ersten Zeitintervall-Differenzbetrag Δ_Zylx(vOT) und dem zweiten Zeitintervall-Differenzbetrag Δ_Zylx(nOT) zur Beurteilung des Gesamteinflusses berechnet werden.
In 2B ist ein Diagramm dieser Differenz der Abweichungen vor und nach dem oberen Totpunkt dargestellt, wobei nun lediglich der Bezug auf die unterschiedlichen Größen der Leckagedurchmesser eingetragen ist. Es wird aus der hellen Linie für Zylinder Nr. 2 ersichtlich, dass durch die Subtraktion eine deutliche Verstärkung des den Fehlerfall charakterisierenden Merkmals aufgetreten ist und es wird somit eine bessere Erkennungsgüte wie auch eine einfachere Schwellenwertermittlung für den Fehlerfall (bei vorliegend z. B. 4% der Abweichungsdifferenz) ermöglicht.
Bei Motoren mit einer geraden Zylinderanzahl kann zur Kompensation der Geberradfehler der Wirkungszusammenhang ausgenutzt werden, dass meist zwei Zylinder auf dem gleichen Segment der Kurbelwelle (und damit auch auf dem gleichen Segment des Kurbelwellengeberrades) auftreten und somit auch die gleichen Fehler in den gemessenen Segmentzeiten bzw. Zeitintervallen resultieren. Diese Geberradfehler wirken sich prinzipiell proportional auf die gemessenen Segmentzeiten aus, d. h. 5% Abweichung der Länge eines Segmentes bewirken eine 5%-ige Abweichung der gemessenen Segmentzeit (d. h. durch die 5%-Toleranz der Messzähne des Geberrades wird das „Auswerte"-Winkelsegment 30 bzw. 32 mit der gleichen 5%-igen Toleranz falsch bestimmt, so dass hierdurch auch die Zeitintervalle t₁ und t₂ falsch bestimmt werden). Dieser Fehler wurde entsprechend simuliert. Das Simulationsergebnis für die Differenz der Abweichungen vor und nach dem ZOT (bei einer Messzahntoleranz von –5%) ist in 2C dargestellt. Die Zylinder 0 und 2 liegen dabei annahmegemäß auf dem gleichen Kurbelwellensegment (d. h. die Kurbelwellensegmente, an denen die Kolben der Zylinder 0 und 2 befestigt sind, haben die gleiche Ausrichtung bezüglich der Drehachse der Kurbelwelle). In 2C ist deutlich erkennbar, dass Geberradfehler zwei Zylinder gleich beeinflussen. Eine Toleranz von –5% führt in diesem Fall bereits dazu, dass die Erkennungsschwelle von 4% für Zylinder Nr. 0 und 2 schon im fehlerfreien Fall (d. h. bei einem Zylinder ohne Kompressionsverlust) beinahe zu einer Fehlererkennung führt.
Um diesen Effekt der Beeinflussung von zwei Zylindern zu kompensieren, kann man nun unter Verwendung eines Korrekturwertes K_Segment eine einfache Korrektur der Gesamtabweichung der Zylinder vornehmen, bei der von den Mittelwerten der Gesamtabweichungen (gemessen über alle Zylinder) ein Mittelwert der Gesamtabweichung aller Zylinder abgezogen wird, die an dem gleichen Segment der Kurbelwelle befestigt sind. Dieser Korrekturwert K_Segment für die auf dem gleichem Kurbelwellensegment befestigten Zylinder wird dann zu dem Wert für die auf dem (Referenz-)Zylinder gemessene Gesamtabweichung hinzuaddiert, um den korrigierten Gesamtabweichungswert für den Zylinder zu erhalten.
Nach der Durchführung der Kompensation lässt sich mit den vorstehend genannten Parametern ein Diagramm der Gesamtabweichungen vor bzw. nach dem ZOT erhalten, wie es in 2D dargestellt ist. Hierbei ist deutlich ersichtlich, dass die Entscheidungsschwelle zur Erkennung einer Leckage eines Zylinders auf 2% Abweichung gesenkt werden kann und noch immer eine Leckage des Zylinders eindeutig erkannt werden kann.
In 3 ist ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren 40 dargestellt. Hierbei erfolgt in einem ersten Schritt 42 ein Bestimmen eines ersten Zeitintervalls, in dem die Kurbelwelle ein vorgegebenes erstes Winkelsegment vor dem Erreichen des zündungsoberen Totpunktes des Kolbens in dem Zylinder durchläuft und ein Bestimmen eines zweiten Zeitintervalls, in dem die Kurbelwelle ein vorgegebenes zweites Winkelsegment nach dem Erreichen des zündungsoberen Totpunktes des Kolbens in dem Zylinder durchläuft. Hieran anschließend erfolgt in einem weiteren Schritt 44 ein In-Beziehungsetzen des ersten und zweiten Zeitintervalls und ein Erkennen einer Leckage des Zylinders auf der Basis der Beziehung des ersten und zweiten Zeitintervalls. Insbesondere kann der zweite Schritt 44 derart ausgeführt werden, dass der vorstehend beschriebene Kompensationsalgorithmus ausgeführt wird.
Das beschriebene Kompensationsverfahren bietet somit den Vorteil, dass der vorgeschlagene Ansatz deutlich robuster gegenüber Geberradeinflüssen ist. Weiterhin wird das den Fehlerfall charakterisierende Merkmal im Fehlerfall geringer und das „Rauschen" bei einer Erkennung eines fehlerfreien Zustandes daher reduziert. Dies wiederum ermöglicht die Absenkung der Fehlererkennungsschwelle. Zugleich bleibt die Fehlererkennungsschwelle unabhängig vom Geberradfehler nahezu gleich.

Claims

Vorrichtung (10) zum Erkennen einer Leckage eines Zylinders (14) eines Verbrennungsmotors (12), wobei der Verbrennungsmotor (12) in dem Zylinder (14) einen Kolben (16) aufweist, der an einer Kurbelwelle (20) befestigt ist, wobei die Vorrichtung (10) folgende Merkmale umfasst: – eine Zeitintervall-Bestimmungseinheit (34), die ausgebildet ist, um ein erstes Zeitintervall (t₁) zu bestimmen, in dem die Kurbelwelle (20) ein vorgegebenes erstes Winkelsegment (30) vor dem Erreichen des zündungsoberen Totpunktes des Kolbens (16) in dem Zylinder (14) durchläuft, und um ein zweites Zeitintervall (t₂) zu bestimmen, in dem die Kurbelwelle (20) ein vorgegebenes zweites Winkelsegment (32) nach dem Erreichen des zündungsoberen Totpunktes des Kolbens (16) in dem Zylinder (14) durchläuft; und – eine Zylinderleckage-Bestimmungseinheit (36), die ausgebildet ist, um abhängig von dem ersten (t₁) und abhängig von dem zweiten (t₂) Zeitintervall eine Leckage des Zylinders (14) zu erkennen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderleckage-Bestimmungseinheit (36) ausgebildet ist, um die Leckage des Zylinders (14) abhängig von der Differenz zwischen dem ersten (t₁) und dem zweiten Zeitintervall (t₂) zu erkennen.
Vorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor (12) eine Mehrzahl von weiteren Zylindern aufweist, in denen je ein Kolben angeordnet ist, die an der Kurbelwelle (20) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitintervall-Bestimmungseinheit (34) ausgebildet ist, um für jeden der Kolben der weiteren Zylinder ein erstes Kolbenzeitintervall zu bestimmen, in dem die Kurbelwelle (20) ein Winkelsegment (30) vor dem Erreichen des zündungsoberen Totpunktes des jeweiligen Kolbens in dem entsprechenden der weiteren Zylinder durchläuft und wobei die Zeitintervall-Bestimmungseinheit (34) ferner ausgebildet ist, um für jeden Kolben der weiteren Zylinder ein zweites Kolbenzeitintervall zu bestimmen, in dem die Kurbelwelle ein Winkelsegment (32) nach dem Erreichen des zündungsoberen Totpunktes des jeweiligen Kolbens in dem entsprechenden der weiteren Zylinder durchläuft und wobei die Zylinderleckage-Bestimmungseinheit (36) ausgebildet ist, um das erste (t₁) und zweite (t₂) Zeitintervall sowie die ersten und zweiten Kolbenzeitintervalle miteinander zu verknüpfen und auf der Basis der Verknüpfung eine Leckage des Zylinders (14) zu erkennen.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderleckage-Bestimmungseinheit (36) ausgebildet ist, um ein erstes Verhältnis (Δ_Zylx(vOT)) zu ermitteln, wobei ein Mittelwert der ersten Kolbenzeitintervalle gebildet wird von dem das erste Zeitintervall (t₁) subtrahiert wird und das Ergebnis der Subtraktion durch das erste Zeitintervall (t₁) dividiert wird, wobei die Zylinderleckage-Bestimmungseinheit (36) ferner ausgebildet ist, um ein zweites Verhältnis (Δ_Zylx(nOT)) zu ermitteln, wobei ein Mittelwert der zweiten Kolbenzeitintervalle gebildet wird von dem das zweite Zeitintervall (t₂) subtrahiert wird und das Ergebnis dieser Subtraktion durch das zweite Zeitintervall (t₂) dividiert wird und wobei die Zylinderleckage-Bestimmungseinheit (36) ferner ausgebildet ist, zum Erkennen einer Leckage des Zylinders (14) die Verknüpfung auf der Basis des ersten (Δ_Zylx(vOT)) und zweiten (Δ_Zylx(nOT)) Verhältnisses zu bilden.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderleckage-Bestimmungseinheit (36) ausgebildet ist, um das zweite Verhältnis (Δ_Zylx(nOT)) vom ersten Verhältnis (Δ_Zylx(vOT)) zu subtrahieren, um einen Gesamtabweichungswert (Δ_Zylxgesamt) für den Zylinder (14) zu ermitteln und das Vorliegen einer Leckage des Zylinders (14) auf der Basis der erhaltenen Gesamtabweichung (Δ_Zylxgesamt) zu bestimmen.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 5, wobei der Verbrennungsmotor (12) in einem zweiten Zylinder aus der Mehrzahl der weiteren Zylinder einen zweiten Kolben aufweist, der an einem Segment der Kurbelwelle (20) befestigt ist, das bezüglich einer Drehachse (22) der Kurbelwelle (20) eine gleiche Ausrichtung wie ein Segment der Kurbelwelle (20) aufweist, an dem der Kolben (16) des Zylinders (14) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderleckage-Bestimmungseinheit (36) ausgebildet ist, um zum Erkennen einer Leckage des Zylinders (14) für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors (12) einen Gesamtabweichungswert zu bestimmen, daraus einen Mittelwert der Gesamtabweichungswerte (Mittelwert(Werte_{alle Zyl.})) aller Zylinder des Verbrennungsmotors (12) zu ermitteln, von dem ermittelten Mittelwert der Gesamtabweichungswerte aller Zylinder (Mittelwert_{alle Zyl.}) des Verbrennungsmotors (12) einen Mittelwert aus den Gesamtabweichungswerten für den Zylinder und den zweiten Zylinder (Mittelwert(Werte_Segment)) zu subtrahieren, um einen Segmentkorrekturwert (K_Segment) zu erhalten und zu dem Gesamtabweichungswert des Zylinders (Wert_gemessen) den Segmentkorrekturwert (K_Segment) zu addieren.
Vorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor (12) eine Drosselklappe aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitintervall-Bestimmungseinheit (34) ausgebildet ist, um das erste (t₁) und zweite (t₂) Zeitintervall dann zu bestimmen, wenn die Drosselklappe weiter geöffnet ist, als in ihrer normalen Stellung bei einem Start des Verbrennungsmotors.
Vorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der an der Kurbelwelle (20) ein Geberrad (24) mit Messzähnen befestigt ist, wobei die Messzähne einen Abstand voneinander aufweisen, der innerhalb eines definierten Toleranzbereichs gleich ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitintervall-Bestimmungseinheit (34) eine Lageerfassungseinheit (26) aufweist, die ausgebildet ist, um das erste (t₁) und zweite (t₂) Zeitintervall unter Verwendung der Messzähne des Geberrades (24) zu bestimmen.
Vorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor (12) eine Zündanlage (28) zum Zünden eines Brennstoffgemisches im Zylinder (14) oder eine Einspritzanlage zum Einspritzen eines Brennstoffgemisches in den Zylinder (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitintervall-Bestimmungseinheit (34) ausgebildet ist, um das erste (t₁) und zweite (t₂) Zeitintervall dann zu bestimmen, wenn sich die Zündanlage (28) in einem Ruhezustand befindet, in dem kein Zünden des Brennstoffgemisches im Zylinder (14) erfolgt oder wenn sich die Einspritzanlage in einem Ruhezustand befindet, in dem kein Brennstoffgemisch in den Zylinder (14) eingespritzt wird.
Vorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderleckage-Bestimmungseinheit (36) ausgebildet ist, um die Leckage des Zylinders (14) durch die Anwendung einer Schwellenwertentscheidung zu erkennen.
Verfahren (40) zum Erkennen einer Leckage eines Zylinders (14) eines Verbrennungsmotors (12), wobei der Verbrennungsmotor (12) in dem Zylinder (14) einen Kolben (16) aufweist, der an einer Kurbelwelle (20) befestigt ist, wobei das Verfahren (40) folgende Schritte umfasst: – Bestimmen (42) eines ersten Zeitintervalls (t₁), in dem die Kurbelwelle (20) ein vorgegebenes erstes Winkelsegment (30) vor dem Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens (16) in dem Zylinder (14) durchläuft, und Bestimmen eines zweiten Zeitintervalls (t₂), in dem die Kurbelwelle (20) ein vorgegebenes zweites Winkelsegment (32) nach dem Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens (16) in dem Zylinder (14) durchläuft; und – Erkennen einer Leckage des Zylinders (14) abhängig von dem ersten (t₁) und abhängig von dem zweiten (t₂) Zeitintervall.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen (42) des ersten (t₁) und zweiten (t₂) Zeitintervalls bei einer Drehung der Kurbelwelle mit einer Drehzahl erfolgt, die einer Drehzahl eines Anlassers beim Start des Verbrennungsmotors entspricht.
Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 11, wenn das Computerprogramm auf einer Datenverarbeitungsanlage ausgeführt wird.