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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Schaltzustandes einer Ventilsteuereinheit zumindest eines durch eine Zylinderabschaltung abschaltbaren Zylinders einer Brennkraftmaschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Eine Zylinderabschaltung (ZAS) ist ein System zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches von Verbrennungsmotoren. In Fahrsituationen mit niedrigem Leistungsbedarf wird die Kraftstoffzufuhr unterbrochen beziehungsweise kein Kraftstoff in die Zylinder des Verbrennungsmotors eingespritzt. Gleichzeitig werden die Einlass- und Auslassventile abgeschalteter Zylinder geschlossen gehalten, um Gaswechselverluste zu vermeiden und ggf. die Zylindertemperatur hoch zu halten. Es können entweder eine komplette Zylinderbank, z. B. bei V-Motoren, oder auch einzelne Zylinder (Einzelzylinderabschaltung) abgeschaltet werden.
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Ein derartiges System zur Zylinderabschaltung weist üblicherweise Ventilsteuereinheiten auf, die die Ventile eines abzuschaltenden Zylinders von der Nockenwellenbewegung mechanisch entkoppeln können. Es kann sich beispielsweise um Nockenumschalteinheiten bei Nockenwellen mit u. a. sog. Nullnocken oder z. B. um schaltbare Tassenstößel, schaltbare Schlepphebel, schaltbare Abstützelemente, Schiebenockensysteme, mechanische vollvariable Ventiltriebsysteme auf der Basis von Rastkurvengetriebe oder elektro-hydraulische vollvariable Ventiltriebsysteme handeln.
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Für einen einwandfreien Betrieb eines Fahrzeugdiagnosesystems (auch On-Board-Diagnose – kurz OBD) benötigt dieses Informationen über den aktuellen Schaltzustand der Ventilsteuereinheiten, d. h. ob ein Ventil von der Nockenwellenbewegung entkoppelt ist oder nicht, da andernfalls das Fahrzeugdiagnosesystem es nicht vermag, Zündaussetzer der Brennkraftmaschine von beabsichtigten Zylinderabschaltungen zu unterscheiden.
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Dabei werden unter Fahrzeugdiagnosesystemen Anwendungen verstanden, die während der kompletten Lebensdauer von Steuergeräten in Kraftfahrzeugen verwendet werden, um diese zu überwachen. Die Lebensdauer umfasst die Entwicklung, die Produktion sowie später den Service der Steuergeräte in den Fachwerkstätten. Fahrzeugdiagnosesysteme bedienen sich unter anderem der On-Board-Diagnose-Funktionalitäten der einzelnen Steuergeräte. In Verbindung mit Auswertung der Datenbuskommunikation ermöglicht das eine detaillierte Fehleranalyse.
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Um den Schaltzustand der Ventilsteuereinheiten zu erfassen, können die Ventilsteuereinheiten Sensoren, wie z. B. Hallsensoren aufweisen, die den Schaltzustand der Ventilsteuereinheiten direkt erfassen und eine Signalrückführung bereitstellen.
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Alternativ kann ein Ausgangssignal eines MAP-Sensors (MAP = Manifold-Absolute-Pressure, auch Ladedrucksensor) der Brennkraftmaschine auf Pulsationen hin ausgewertet werden, die einen Schaltzustand einer Ventilsteuereinheit charakterisieren. Je nach Schaltzustand resultiert im Ansaugsystem des Verbrennungsmotors ein charakteristischer zeitlicher Druckverlauf. Dabei wird unter einem MAP-Sensor ein Drucksensor zur Erfassung des Saugrohr-Absolutdrucks bei Otto- bzw. Turbodieselmotoren verstanden, der beim Ottomotor zur Steuerung der elektronischen Benzineinspritzung und beim Turbodiesel zur Steuerung des Ladedrucks eines variablen Turboladers verwendet wird. Ferner kann die Auswertung des Ausgangssignals des MAP-Sensors mit der Auswertung eines Ausgangssignals eines MAF-Sensors (mass air flow meter, auch Luftmassensensor) kombiniert werden.
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Mit Hallsensoren, die den Ventilsteuereinheiten zugeordnet sind, können sehr zuverlässig die Schaltzustände der Ventilsteuereinheiten erfasst werden, was jedoch einen zusätzlichen Sensor erfordert, während bei der Erfassung der Schaltzustände von Ventilsteuereinheiten durch Auswertung von Ausgangssignalen von MAP-Sensoren und/oder MAF-Sensoren die Gefahr von Fehlerfassungen gegeben ist.
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Es besteht daher Bedarf daran, einen Weg aufzuzeigen, wie bei geringem baulichem Aufwand der Schaltzustand einer Ventilsteuereinheit zuverlässig erfasst werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Ermittlung des Schaltzustandes einer Ventilsteuereinheit zumindest eines durch eine Zylinderabschaltung abschaltbaren Zylinders einer Brennkraftmaschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Da zur Ermittlung des Schaltzustandes einer Ventilsteuereinheit ein Klopfsensorsignal eines Klopfsensors erfasst und auf ein Auftreten eines Signal-Charakteristikums für einen mittels einer Ventilsteuereinheit abgeschalteten Zylinder hin ausgewertet wird, kann bei geringem baulichem Aufwand der Schaltzustand zuverlässig ermittelt werden. Im Idealfall ist kein baulicher Aufwand erforderlich, da ein Klopfsensorsignal mit einem ohnehin vorhandenen Klopfsensor der Brennkraftmaschine erfasst und ausgewertet wird.
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Zwei im Wesentlichen relevante auftretende Schaltzustände sind, dass die Ventile des Zylinders von einer Nockenwellenbewegung entkoppelt sind oder nicht.
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Ein Klopfsensor ist Bestandteil einer elektronischen Klopfregelung eines Verbrennungsmotors. Es handelt sich dabei um einen Körperschallsensor, dessen Signal mit Hilfe von elektronischen Filtern und einem digitalen Signalprozessor auf die für das Klopfen typischen hochfrequenten Schwingungsanteile untersucht wird. Einer oder mehrere dieser Sensoren sollen Detonationen in jedem Zylinder erkennen. Im erfassten Körperschallsignal lässt sich jedoch ebenso das Ausbleiben von Detonationen als Signal-Charakteristikums für einen mittels der Ventilsteuereinheit abgeschalteten Zylinder erkennen, im einfachsten Fall durch einen unerwartet langen zeitlichen Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Detonationen.
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Vorzugsweise wird auf das Erkennen des Signal-Charakteristikums für einen mittels der Ventilsteuereinheit abgeschalteten Zylinder hin festgestellt, dass sich die Ventilsteuereinheit in dem Schaltzustand befindet, in dem die Ventile des zumindest einen abschaltbaren Zylinders von der Nockenwellenbewegung entkoppelt sind.
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Da ein Ausbleiben von Detonationen im einzelnen Zylinder mehrere Ursachen haben kann, ist eine Plausibilisierung anhand des gewünschten Schaltzustands der Ventilsteuereinheit zweckmäßig. So kann unterschieden werden, ob die Zylinderabschaltung oder ein etwaiger Zündaussetzer oder andere Gründe, die zum Ausbleiben einer Detonation führen können, für das Ausbleiben der Detonation ursächlich sind. Ebenso kann hinsichtlich unerwünschter, aber dennoch auftretender Detonationen vorgegangen werden. Ist beispielsweise eine Zylinderabschaltung gewünscht, müssen sowohl der Ventiltrieb des betroffenen Zylinders entkoppelt als auch dessen Einspritzung und Zündung unterbunden sein. Kommt es dennoch zu einer Detonation im betroffenen Zylinder, liegt offensichtlich eine Verkettung mehrerer Fehlerzustände vor.
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Es hat sich nun gezeigt, dass sich Zündaussetzer im Klopfsensorsignal klanglich anders darstellen als eine beabsichtigte Zylinderabschaltung. Ein erstes Unterscheidungsmerkmal ist die Häufigkeit von ausbleibenden Detonationen. Insbesondere bleiben Detonationen bei beabsichtigter Zylinderabschaltung häufiger hintereinander aus als bei Zündaussetzern.
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Weiterhin hat sich gezeigt, dass sich die Klangbilder ausbleibender Detonationen für unterschiedliche Schaltzustände der Ventilsteuereinheit unterscheiden. Solche unterschiedlichen Klangbilder können beispielsweise durch Spracherkennungsmethoden unterschieden werden. Auch ist eine Mustererkennung für die Unterscheidung zweckmäßig, wobei bestimmte Klangbildmuster vorab z. B. auf einem Motorprüfstand ermittelt werden können.
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Da der erzeugte Körperschall im niederfrequenten Bereich maßgeblich von der Kraftanregung durch den Kurbeltrieb, resultierend aus Massen- und Gaskräften, erzeugt wird, kann im unteren Frequenzbereich (< 1.000 Hz) erkannt werden, ob der jeweilige Kolben gegen das geschlossene Ventil arbeitet, oder durch das offene Ventil ansaugt bzw. ausschiebt.
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Der Schaltzustand der Ventilsteuereinheit lässt sich darüber hinaus anhand von charakteristischen Körperschallmerkmalen erkennen, die beim Wechsel der Schaltzustände auftreten. Dies können je nach Art der Betätigung Anlagenwechsel oder für den Steller charakteristische Geräusche sein. Daneben treten beim entkoppelten Ventiltrieb charakteristische Schwingungen auf, die durch die Kraftanregung beim Öffnen des Ventils gegen die Ventilfederkraft entstehen. Darüber hinaus kann die Rückkehr des Ventils zum geschlossenen Ventilsitz (”Anschlagen am Ventilsitz”) je nach Ventilspiel erkannt werden.
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Durch den Einsatz mehrerer Klopfsensoren an unterschiedlichen Orten am Zylinderblock bzw. an der Zylinderbank und durch Vergleich der Signale dieser Klopfsensoren miteinander kann, insbesondere unter Berücksichtigung der erwarteten Zündfolge der Zylinder, eine von einem oder mehreren Klopfsensoren erfasste ausbleibende Detonation vorteilhafterweise einem bestimmten Zylinder zugeordnet werden.
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Auf diese Feststellung hin kann dann vorzugsweise ein Abschalterkennungssignal generiert werden. Dieses kann dann im Fahrzeug sehr einfach als Information verwendet werden, um das Ausbleiben von Detonationen als gewollt oder ungewollt zu erkennen und entsprechend richtig zu reagieren.
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Beispielsweise kann das Abschalterkennungssignal zu einer Fahrzeugdiagnosevorrichtung des Kraftfahrzeugs übertragen werden. Somit stehen der Fahrzeugdiagnosevorrichtung mit dem Abschalterkennungssignal Informationen zur Verfügung, die es der Fahrzeugdiagnosevorrichtung erlauben, Zündaussetzer der Brennkraftmaschine von beabsichtigten Zylinderabschaltungen der Zylinder zu unterscheiden.
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Beispielsweise unterdrückt auf Empfang des Abschalterkennungssignals hin die Fahrzeugdiagnosevorrichtung eine Überwachung von Zündaussetzern der Brennkraftmaschine. Somit werden ausbleibende Zündvorgänge aufgrund einer aktivierten Zylinderabschaltung nicht in fehlerhafter Weise als Zündaussetzer gewertet. Daher ist ein einwandfreier Betrieb der Fahrzeugdiagnosevorrichtung gewährleistet.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, elektrische und optische Datenträger, wie Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Szenario, bei dem bei einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs ein abgeschalteter Zylinder erfasst wird.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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1 zeigt eine Brennkraftmaschine 2 zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 2 kann ein Otto- oder ein Dieselmotor sein.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Brennkraftmaschine 2 eine Motorbank 22 mit einer Mehrzahl von Zylindern 4a, 4b, 4c, ..., 4n auf. Hiervon abweichend kann die Brennkraftmaschine 2 auch z. B. zwei Motorbänke aufweisen, wie z. B. bei einem V-Motor.
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Jedem der Zylinder 4a, 4b, 4c, ..., 4n sind Einlass- und Auslassventile 20a, 20b, 20c, ..., 20n zugeordnet. Die Einlass- und Auslassventile 20a, 20b, 20c, ..., 20n werden von einer oder mehreren Nockenwellen 18 geöffnet und geschlossen.
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Die Brennkraftmaschine 2 weist eine Zylinderabschaltung auf, sodass z. B. in Fahrsituationen mit niedrigem Leistungsbedarf ein oder mehrere des Zylinder 4a, 4b, 4c, ..., 4n abgeschaltet werden, indem kein Kraftstoff eingespritzt wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel können einzelne Zylinder 4a, 4b, 4c, ..., 4n abgeschaltet werden. Bei Brennkraftmaschinen mit zwei oder mehr Motorbänken kann alternativ eine ganze Motorbank 22 komplett abgeschaltet werden.
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Bei der Zylinderabschaltung werden die Einlass- und Auslassventile 20a, 20b, 20c, ..., 20n der abgeschalteten Zylinder 4a, 4b, 4c, ..., 4n geschlossen gehalten, um Gaswechselverluste und eine zu starke Abkühlung des Zylinders zu vermeiden. Hierzu werden die Einlass- und Auslassventile 20a, 20b, 20c, ..., 20n der abgeschalteten Zylinder 4a, 4b, 4c, ..., 4n mittels Ventilsteuereinheiten 6a, 6b, 6c, ..., 6n von der Drehung der Nockenwelle 18 entkoppelt, wobei je eine Ventilsteuereinheit 6a, 6b, 6c, ..., 6n einem der Zylinder 4a, 4b, 4c, ..., 4n zugeordnet ist.
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Bei den Ventilsteuereinheiten 6a, 6b, 6c, ..., 6n kann es sich z. B. um schaltbare Tassenstößel, schaltbare Schlepphebel, schaltbare Abstützelemente, Schiebenockensysteme, mechanische vollvariable Ventiltriebsysteme auf der Basis von Rastkurvengetriebe oder elektro-hydraulische vollvariable Ventiltriebsysteme handeln.
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Ferner ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 2 ein Klopfsensor 8 zugeordnet, der an der Motorbank 22 körperschallübertragend befestigt ist. Alternativ können mehreren oder jedem der Zylinder 4a, 4b, 4c, ..., 4n ein eigener Klopfsensor zugeordnet sein. Ferner können, wenn die Brennkraftmaschine 2 mehrere Motorbänke aufweist, jeder Motorbank 22 ein oder mehrere Klopfsensoren zugeordnet sein.
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Der Klopfsensor 8 ist ein Bestandteil einer elektronischen Klopfregelung der Brennkraftmaschine 2. Der Klopfsensor 8 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Körperschallsensor, dessen Klopfsensorsignal S z. B. mit Hilfe von elektronischen Filtern und einem digitalen Signalprozessor auf die für das Klopfen typischen hochfrequenten Schwingungsanteile untersucht wird.
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Das Klopfsensorsignal S wird einer Auswertevorrichtung 10 zugeführt, die dazu ausgebildet ist, das Klopfsensorsignal S auszuwerten, um den Schaltzustand der Ventilsteuereinheiten 6a, 6b, 6c, ..., 6n festzustellen. Ferner ist die Auswerteeinrichtung 10 gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet, auf das Feststellen hin, dass die Ventile eines Zylinders von der Nockenwellenbewegung mittels der Ventilsteuereinheit entkoppelt sind ein Abschalterkennungssignal A zu erzeugen und das Abschalterkennungssignal A zu einer Fahrzeugdiagnosevorrichtung 12 zu übertragen, das der Brennkraftmaschine 2 zugeordnet ist.
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Unter einer Fahrzeugdiagnosevorrichtung 12 wird dabei ein Fahrzeugdiagnosesystem verstanden, dass dazu ausgebildet ist, während des Fahrbetriebes z. B. alle abgasbeeinflussenden Systeme der Brennkraftmaschine 2 sowie zusätzlich weitere wichtige Steuergeräte zu überwachen, deren Daten durch ihre Software zugänglich sind. Auftretende Fehler werden dem Fahrer des Kraftfahrzeugs über eine Kontrollleuchte angezeigt und im jeweiligen Steuergerät dauerhaft gespeichert. Fehlermeldungen können dann später durch eine Fachwerkstatt über genormte Schnittstellen abgefragt werden.
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Die Auswertevorrichtung 10 und/oder Fahrzeugdiagnosevorrichtung 12 können einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs zugeordnet sein und für die Durchführung ihrer Aufgaben Hard- und/oder Softwarekomponenten aufweisen.
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Im Betrieb der Brennkraftmaschine 2 wird zweckmäßigerweise erfasst, ob die Zylinderabschaltung aktiviert ist. Bei aktivierter Zylinderabschaltung wird das Klopfsensorsignal S des Klopfsensors 8 der Brennkraftmaschine 2 erfasst und auf ausbleibende Detonationen hin ausgewertet.
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Unter Berücksichtigung der erwarteten Zündfolge und des aktuellen Kurbelwinkels kann eine ausbleibende Detonation einem bestimmten Zylinder zugeordnet werden. Sind mehrere Klopfsensoren vorhanden, kann die Zuordnung durch Vergleich der Klopfsensorsignale verbessert werden.
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In einem weiteren Schritt wird das Klopfsensorsignal S der Auswertevorrichtung 10 zugeführt. Um das Klopfsensorsignal S von Störsignalen zu befreien, kann das Klopfsensorsignal S z. B. mit einem Filter 14, z. B. einem Bandpass, gefiltert werden.
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In einem weiteren Schritt wird das gefilterte Klopfsensorsignal S ausgewertet, um abgeschaltete Zylinder 4a, 4b, 4c, ..., 4n der Brennkraftmaschine 2 zu erfassen. Dabei wird ausgewertet, ob ein Signal-Charakteristikum für abgeschaltete Zylinder 4a, 4b, 4c, ..., 4n in dem gefilterten Klopfsensorsignal S enthalten ist oder nicht. Dabei repräsentiert das Signal-Charakteristikums einen ausbleibenden Zündvorgang des zumindest einen abgeschalteten Zylinders 4a, 4b, 4c, ..., 4n.
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In einfachster Ausgestaltung kann ein mittels der Ventilsteuereinheit abgeschalteter Zylinder bereits dann festgestellt werden, wenn für diesen Zylinder bei aktivierter Zylinderabschaltung Zündaussetzer erkannt werden.
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Gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform kann im unteren Frequenzbereich (< 1.000 Hz) erkannt werden, ob der jeweilige Kolben gegen das geschlossene Ventil arbeitet (d. h. Ventiltrieb entkoppelt), oder durch das offene Ventil ansaugt bzw. ausschiebt (d. h. Ventiltrieb nicht entkoppelt), da der erzeugte Körperschall im niederfrequenten Bereich maßgeblich von der Kraftanregung durch den Kurbeltrieb, resultierend aus Massen- und Gaskräften, erzeugt wird.
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Der Schaltzustand der Ventilsteuereinheit lässt sich darüber hinaus gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform anhand von charakteristischen Körperschallmerkmalen erkennen, die beim Wechsel der Schaltzustände auftreten. Dies können je nach Art der Betätigung Anlagenwechsel oder für den Steller charakteristische Geräusche sein. Daneben treten beim entkoppelten Ventiltrieb charakteristische Schwingungen auf, die durch die Kraftanregung beim Öffnen des Ventils gegen die Ventilfederkraft entstehen. Darüber hinaus kann die Rückkehr des Ventils zum geschlossenen Ventilsitz („Anschlagen am Ventilsitz”) je nach Ventilspiel erkannt werden.
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Die Spracherkennung kann insbesondere dann hilfreich sein, wenn der Detonationsverlauf im Zylinder zeitlich ausgedehnt ist, d. h. vergleichsweise langsam abläuft. Dies ist bei Ottomotoren der Fall, so dass gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform eine Auswertung des zeitlichen Brennverlaufs mittels Spracherkennung bei hinreichend hoher Abtastrate möglich wird. Der zeitliche Brennverlauf im Zylinder äußert sich in einer je nach Betriebspunkt des Motors charakteristischen spektralen Zusammensetzung des Klopfsensorsignals. Dieser Brennverlauf äußert sich am Klopfsensor als Körperschall, welcher mit Methoden der Spracherkennung ausgewertet und anschließend klassifiziert werden kann (einfachste Unterscheidung: Brennverlauf i. O./n. i. O.).
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Zusätzlich kann vorgesehen sein, ein Ausgangssignal eines MAP-Sensors (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 2 auf Pulsationen hin auszuwerten und/oder ein Ausgangssignals eines MAF-Sensors (nicht dargestellt) zu erfassen und in Kombination mit dem Klopfsensorsignal S auszuwerten, um den zumindest einen abgeschalteten Zylinder 4a, 4b, 4c, ..., 4n der Brennkraftmaschine 2 mit einer nochmals gesteigerten Genauigkeit zu erfassen.
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Wenn abgeschaltete Zylinder 4a, 4b, 4c, ..., 4n erfasst wurden, erzeugt die Auswertevorrichtung 10 das Abschalterkennungssignal A und überträgt das Abschalterkennungssignal A zu der Fahrzeugdiagnosevorrichtung 12.
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Somit stehen der Fahrzeugdiagnosevorrichtung 12 mit dem Abschalterkennungssignal A Informationen zur Verfügung, die es der Fahrzeugdiagnosevorrichtung 12 erlaubt, Zündaussetzer der Brennkraftmaschine 2 von beabsichtigten Zylinderabschaltungen der Zylinder 4a, 4b, 4c, ..., 4n zu unterscheiden. Daher ist ein einwandfreier Betrieb der Fahrzeugdiagnosevorrichtung 12 gewährleistet, wobei durch Auswertung eines Klopfsensorsignals S mit einem ohnehin vorhandenen Klopfsensors 8 der Brennkraftmaschine 2 ein geringer baulicher Aufwand erforderlich ist.
