DE102016009988A1

DE102016009988A1 - Verfahren zum Erkennen einer Zylinderanomalie

Info

Publication number: DE102016009988A1
Application number: DE102016009988.7A
Authority: DE
Inventors: Tobias Frank; Jörg Remele
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2016-08-17
Publication date: 2017-09-14

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Erkennen einer Zylinderanomalie einer Brennkraftmaschine, bei dem der Kurbelgehäusedruck (pKG) über einen Kurbelwellenwinkel (φ) erfasst wird, aus dem erfassten Kurbelgehäusedruck (pKG(φ)) mittels einer mathematischen Funktion ein Vektor mit einem Betrag (|Ƒ(pKGi)|) und einer Phasenlage (Phase(Ƒ(pKGi)) der 0.5-ten Ordnung berechnet wird, bei dem der Betrag der 0.5-ten Ordnung mit einem Grenzwert (GW) verglichen wird und bei überhöhtem Betrag (|Ƒ(pKGi)| > GW) über die zugeordnete Phasenlage (Phase(Ƒ(pKGi)) ein schadhafter Zylinder identifiziert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Zylinderanomalie einer Brennkraftmaschine, bei dem der Kurbelgehäusedruck winkelsynchron erfasst und über eine mathematische Funktion gewandelt wird.
Bei Brennkraftmaschinen wird der Kurbelgehäusedruck vom elektronischen Motorsteuergerät überwacht. Aus der DE 11 2012 003 853 T5 ist ein Diagnoseverfahren zum Erkennen eines schadhaften Zylinders bekannt. In einem ersten Schritt des Diagnoseverfahrens wird der zeitliche Verlauf des Kurbelgehäusedrucks mittels einer diskreten Fourier-Transformation, zum Beispiel einer Fast-Fourier-Transformation, in einen Frequenzbereich mit unterschiedlichen Frequenzkomponenten übertragen. Anschließend werden in einem zweiten Schritt die unterschiedlichen Frequenzanteile, zum Beispiel die erste oder die 0.5-te Ordnung, hinsichtlich einer erhöhten Amplitude überprüft. Bei überhöhter Amplitude wird dann in einem dritten Schritt auf die zuvor über der Zeit gespeicherten Kurbelgehäusedruckwerte zurückgegriffen und hinsichtlich Maxima ausgewertet. In einem vierten Verfahrensschritt wird eine selektive Deaktivierung oder Veränderung der Kraftstoffeinspritzung initiiert, die Reaktion hierauf beobachtet und der verursachende Zylinder bzw. die verursachenden Zylinder festgelegt. Bei einer Brennkraftmaschine mit zum Beispiel sechzehn Zylindern ist dieses Verfahren sehr zeitaufwendig. Vor dem Hintergrund eines sich anbahnenden mechanischen Versagens der Brennkraftmaschine ist dies kritisch. Zudem ist eine Fehldiagnose möglich, da im Fall eines Kolbenringbruchs der abgeschaltete Zylinder durch seine Kompression dennoch Blowby erzeugt, sodass trotz Variierens der Einspritzparameter der Defekt nicht zweifelsfrei lokalisiert werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erkennen einer Zylinderanomalie einer Brennkraftmaschine zu entwerfen, welches schnell und zuverlässig ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1. In den Unteransprüchen sind die Ausgestaltungen dargestellt.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Kurbelgehäusedruck über dem Kurbelwellenwinkel erfasst und aus dem erfassten Kurbelgehäusedruck mittels einer mathematischen Funktion ein Vektor mit Betrag und Phasenlage ausschließlich der 0.5-ten Ordnung berechnet wird. Danach wird der Betrag der 0.5-ten Ordnung mit einem Grenzwert verglichen und bei überhöhtem Betrag über die zugeordnete Phasenlage ein schadhafter Zylinder identifiziert. Mit anderen Worten: Aus dem gemessenen Kurbelgehäusedruck wird ein einziger komplexwertiger Koeffizient bestimmt. Dessen Phasenlage entspricht der Lage der entdeckten Störung im Signal innerhalb des Arbeitsspiels und liefert direkt die Information, welcher Zylinder für die Störung im Signal ursächlich ist.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Betrag und die Phasenlage des Vektors mittels Görtzel-Algorithmus berechnet werden. Gegenüber einer klassischen Fourier-Transformation ergeben sich zwei Vorteile. Der erste Vorteil besteht in einer nennenswerten Einsparung an Rechenleistung. Der zweite Vorteil besteht im Entfall einschränkender Annahmen über die Anzahl an verwendeten Datenpunkten, welche für die Berechnung erforderlich sind. Aufgrund der winkelsynchronen Erfassung ist im Vergleich zu einer zeitlichen Erfassung keine Anpassung der Berechnungsvorschrift an die momentane Motordrehzahl nötig.
Die schnelle Prozessgeschwindigkeit wird auch dadurch erreicht, dass zur Lokalisierung des schadhaften Zylinders auf jeglichen Eingriff in den Motorbetrieb, Beobachtung und Auswertung möglicher Reaktionen verzichtet wird. Insgesamt ist das Diagnoseverfahren prozesssicher und bietet die Vorteile einer reinen Softwarelösung, nämlich deren nahezu kostenneutrale Umsetzbarkeit und Nachrüstbarkeit.
In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens dargestellt. Es zeigen:
1 ein Diagramm,
2 ein Blockschaltbild und
3 ein Programm-Ablaufplan.
Die 1 zeigt ein Diagramm des Kurbelgehäusedrucks pKG über dem Kurbelwellenwinkel φ für eine Brennkraftmaschine mit acht Zylindern (1.–8.). Der Bereich von 0° bis 720° Kurbelwellenwinkel φ entspricht einem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine. Wie aus der Darstellung der 1 unmittelbar ersichtlich, ist der Kurbelgehäusedruckverlauf beim zweiten Zylinder signifikant erhöht. Die weitere Beschreibung erfolgt gemeinsam mit der 2, in welcher das Diagnoseverfahren in einem Blockschaltbild dargestellt ist. Der gemessene Druckverlauf des Kurbelgehäuses pKG(φ) ist die Eingangsgröße für eine Umdrehungsüberlagerung 1. Die Umdrehungsüberlagerung 1 bildet den gleitenden Mittelwert über eine vorgebbare Anzahl an Arbeitsspielen aus dem gemessenen Druckwerten pKG(φ) zu einer bestimmten Winkelposition. Zusätzlich werden diese Mittelwerte der winkelbezogenen Werte in eine Matrix (Array) einsortiert. Danach wird in einer Transformation 2 mittels einer mathematischen Funktion ein einzelner komplexwertiger Koeffizient der 0.5-ten Ordnung berechnet. Als mathematische Funktion wird hierbei der Görtzel-Algorithmus bevorzugt.
Der komplexwertige Koeffizient wiederum entspricht einem Vektor mit einem Betrag (Länge) und einer Richtung. In der 2 ist der Betrag mit dem Bezugszeichen |Ƒ(pKGi)| und die Richtung des Vektors, also die Phasenlage, mit dem Bezugszeichen Phase(Ƒ(pKGi)) gekennzeichnet. In einem Vergleicher 3 wird dann der Betrag |Ƒ(pKGi)| zu einem Grenzwert GW in Beziehung gesetzt. Der Grenzwert GW kann als Wert aus einem Speicher ausgelesen werden oder in Abhängigkeit einer Motordrehzahl nMOT und eines Motormoments M über ein Kennfeld ermittelt werden. Im Vergleicher 3 wird für den Verlauf gemäß 1 also festgestellt, dass der Betrag |Ƒ(pKGi)| der 0.5-ten Ordnung größer als der Grenzwert GW ist. Die endgültige stimmige Zuordnung zu einem Zylinder, also die Identifikation des fehlerbehafteten Zylinders, erfolgt über den Funktionsblock 4. Das heißt, die erhöhte Amplitude des gemessenen Druckverlaufs der 1 wird zweifelsfrei dem zweiten Zylinder zugeordnet. Für den beschriebenen Fall erfolgt dann ein zylinderindividueller Alarm oder im allgemeinen Fall eine Handlungsempfehlung HE für den Bediener. Als Alternative ist hierzu vorgesehen, dass bei Identifikation eines schadhaften Zylinders die Brennkraftmaschine in einen sicheren Zustand versetzt wird.
In der 3 ist ein Programm-Ablaufplan des Diagnoseverfahrens dargestellt. Bei S1 wird der Kurbelgehäusedruck pKG über dem Kurbelwellenwinkel φ während einer vorgebbaren Anzahl von Arbeitsspielen, zum Beispiel 5 Arbeitsspiele, erfasst. Bei S2 wird über die Umdrehungsüberlagerung (2: 1) der Mittelwert, insbesondere ein gleitender Mittelwert, über alle Arbeitsspiele aus dem Druckwert pKG zu einer bestimmten Winkelposition, also pKG(φ), bestimmt und abgespeichert. Bei S3 wird dann aus dem Mittelwert mittels einer mathematischen Funktion ein Vektor mit dem Betrag |Ƒ(pKGi)| und der dazugehörigen Phasenlage Phase(Ƒ(pKGi)) der 0.5-ten Ordnung berechnet und bei S4 ausgegeben. Das Verfahren bietet jedoch auch die Möglichkeit, dass eine oder wenige andere Ordnungen betrachtet werden. Im Anschluss wird bei S5 der Grenzwert GW eingelesen und der Betrag |Ƒ(pKGi)| mit dem Grenzwert GW verglichen, Schritt S6. Ist dieser kleiner als der Grenzwert GW, Abfrageergebnis S6: nein, so wird der Programm-Ablauf beim Punkt A fortgesetzt. Ist der Betrag hingegen größer als der Grenzwert GW, Abfrageergebnis S6: ja, so wird bei S7 über die Phasenlage Phase(Ƒ(pKGi)) der fehlerbehaftete Zylinder identifiziert. Danach wird bei S8 ein zylinderindividueller Alarm initiiert oder im allgemeinen Fall eine Handlungsempfehlung für den Bediener angezeigt. Alternativ hierzu kann bei S8 die Brennkraftmaschine in einen sicheren Zustand, zum Beispiel einen Notstopp, versetzt werden. In der Zeichnung ist damit ist der Programmablauf zwar beendet, in der Praxis wird der Fehler jedoch weiter beobachtet.
Aus der vorhergehenden Beschreibung ergeben sich für die Erfindung zusammenfassend folgende Vorteile:

• Über das mathematische Verfahren wird ausschließlich ein einziger Vektor für die 0.5te Ordnung berechnet, woraus ein schnelle und eindeutige Identifikation des sich verschlechternden Zylinders resultiert;
• Gegenüber der klassischen Fourier-Transformation gestattet das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren eine nennenswerte Einsparung von Rechenleistung auf dem Motorsteuergerät;
• das Verfahren bietet eine hohe Prozesssicherheit, da keine Eingriffe in den Betrieb der Brennkraftmaschine, zum Beispiel in die Kraftstoffeinspritzung, mit anschließender Bobachtung und Auswertung erforderlich sind.

Bezugszeichenliste

1: Umdrehungsüberlagerung
2: Transformation
3: Vergleicher
4: Funktionsblock Zuordnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 112012003853 T5 [0002]

Claims

Verfahren zum Erkennen einer Zylinderanomalie einer Brennkraftmaschine, bei dem der Kurbelgehäusedruck (pKG) über einen Kurbelwellenwinkel (φ) erfasst wird, aus dem erfassten Kurbelgehäusedruck (pKG(φ)) mittels einer mathematischen Funktion ein Vektor mit einem Betrag (|Ƒ(pKGi)|) und einer Phasenlage (Phase(Ƒ(pKGi)) der 0.5-ten Ordnung berechnet wird, bei dem der Betrag der 0.5-ten Ordnung mit einem Grenzwert (GW) verglichen wird und bei überhöhtem Betrag (|Ƒ(pKGi)| > GW) über die zugeordnete Phasenlage (Phase(Ƒ(pKGi)) ein schadhafter Zylinder identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert (GW) in Abhängigkeit einer Motordrehzahl (nMOT) und eines Motormoments (M) berechnet wird (GW = f(nMOT, M)).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vektor mittels Görtzel-Algorithmus berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgezeichnete Kurbelgehäusedruck (pKG(φ)) gefiltert wird.
Verfahren nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Identifikation eines schadhaften Zylinders eine Handlungsempfehlung (HE) generiert wird.
Verfahren nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Identifikation eines schadhaften Zylinders die Brennkraftmaschine in einen sicheren Zustand versetzt wird.