DE102016222802A1

DE102016222802A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln von Kompressionsverlusten von Zylindern

Info

Publication number: DE102016222802A1
Application number: DE102016222802.1A
Authority: DE
Inventors: Jochen Gattnar; Walter Lehle; Sani Dzeko; Robert Manfred Zielke; Patrick Weiss; Matthias Stegmaier; Philipp Hagemann; Thomas Mettal
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2018-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Kompressionsverlusten von Zylindern (3a bis 3f) eines Verbrennungsmotors (2), wobei jeweilige Kolben (4a bis 4f) der Zylinder (3a bis 3f) mit einer Kurbelwelle (5) verbunden sind. Eine Drehzahl (n) der Kurbelwelle (5) wird kontinuierlich gemessen (S1). Jeweilige Verläufe der Drehzahl (n) werden für jeden Zylinder (3a bis 3f) in zumindest einem Teilbereich eines Verdichtungstakts und/oder einem Teilbereich eines Arbeitstakts des jeweiligen Zylinders (3a bis 3f) bestimmt (S2). Ein Kompressionsverlust wird in einem jeweiligen Zylinder (3a bis 3f) anhand der Verläufe der Drehzahl (n) ermittelt (S3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Kompressionsverlusten von Zylindern eines Verbrennungsmotors und eine Vorrichtung zum Ermitteln von Kompressionsverlusten von Zylindern eines Verbrennungsmotors.
Stand der Technik
Tritt beispielsweise durch Leckage in einem oder in mehreren Zylindern eines Motors ein Kompressionsverlust auf, so ändert sich das Verhalten relativ zu den verbleibenden Zylindern. Insbesondere während des Verdichtungstakts ist der aufgrund der Kompression entstehende Gegendruck geringer als im Falle eines fehlerfrei arbeitenden Zylinders. Umgekehrt ist während des Arbeitstakts das abgegebene Kraftmoment kleiner als dies für funktionstüchtige Zylinder der Fall ist, da ein geringerer Druck aufgebaut wurde und ein Teil des im Zylinder befindlichen Gasgemisches entweicht.
Die frühzeitige Erkennung von Kompressionsverlusten und Leckagen ist daher von großer Bedeutung. Aus der Druckschrift DE 10 2013 212 232 A1 ist ein Verfahren zur Erkennung von defekten Einlassventilen oder Auslassventilen bekannt, wobei ein Saugrohrdruck und ein Drehzahlsignal gemessen werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Ermitteln von Kompressionsverlusten von Zylindern eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zum Ermitteln von Kompressionsverlusten von Zylindern eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 zur Verfügung.
Demnach betrifft die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Ermitteln von Kompressionsverlusten von Zylindern eines Verbrennungsmotors, wobei jeweilige Kolben der Zylinder mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden sind. Die Drehzahl der Kurbelwelle wird kontinuierlich und/oder diskret gemessen und jeweilige Verläufe der Drehzahl werden für jeden Zylinder in zumindest einem Teilbereich eines Verdichtungstakts und/oder einem Teilbereich eines Arbeitstakts des jeweiligen Zylinders bestimmt. Anhand der Verläufe der Drehzahl wird ein Kompressionsverlust ermittelt. Vorzugsweise wird ein Kompressionsverlust in einem jeweiligen Zylinder ermittelt.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Vorrichtung zum Ermitteln von Kompressionsverlusten von Zylindern eines Verbrennungsmotors, wobei jeweilige Kolben der Zylinder mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden sind. Die Vorrichtung ist dazu ausgebildet, ein Messsignal bezüglich einer kontinuierlich und/oder diskret gemessenen Drehzahl der Kurbelwelle zu empfangen, jeweilige Verläufe der Drehzahl für jeden Zylinder in zumindest einem Teilbereich eines Verdichtungstakts und/oder einem Teilbereich eines Arbeitstakts des jeweiligen Zylinders zu bestimmen, und einen Kompressionsverlust in einem jeweiligen Zylinder anhand der Verläufe der Drehzahl zu ermitteln.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Bei einem Kompressionsverlust in einem oder in mehreren Zylindern verändert sich der Verlauf der Drehzahl insbesondere während des Verdichtungstakts und des Arbeitstakts. Durch exaktes Bestimmen des jeweiligen Verlaufs und durch Vergleichen der verschiedenen Verläufe für die einzelnen Zylinder kann ein Kompressionsverlust in einem Zylinder genau erkannt werden. Somit kann durch Auswerten des Verlaufs sowohl die Stärke des Kompressionsverlustes als auch der betroffene Zylinder selbst ermittelt werden.
Vorzugsweise wird eine Einspritzung in die Zylinder während des Ermittelns deaktiviert, so dass der Einfluss der Einspritzung nicht berücksichtigt werden muss.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird für jeden Verlauf ein Anstieg der Drehzahl in einem Bereich ermittelt, welcher einen Teilbereich nach dem Beginn des Arbeitstakts des jeweiligen Zylinders umfasst. Der Kompressionsverlust wird anhand eines Vergleichs der ermittelten Anstiege der Drehzahl ermittelt. Während des Verdichtungstakts eines Zylinders reduziert sich die Drehzahl der Kurbelwelle aufgrund der durch die zunehmende Kontraktion verstärkten Gegenkraft des Kolbens des Zylinders, welcher die Funktion einer Gasfeder hat. Die Drehzahl steigt mit Beginn des Arbeitstakts aufgrund der Expansion des Gases wieder an. Falls jedoch ein Kompressionsverlust in einem Zylinder auftritt, wird sowohl die Kompressionskraft als auch die Expansionskraft reduziert. Einerseits ist somit die am Ende des Verdichtungstakts erreichte Drehzahl größer, als dies für einen funktionstüchtigen Zylinder der Fall wäre, umgekehrt ist die durch die Expansion während des Arbeitstakts erzielbare maximale Drehzahl geringer, als dies für einen funktionstüchtigen Zylinder der Fall wäre. Beide Effekte führen dazu, dass der Anstieg der Drehzahl im Falle eines Kompressionsverlusts reduziert wird, so dass ein Kompressionsverlust anhand eines Vergleichs der Änderungen - insbesondere der Anstiege - der Drehzahl sicher erkannt werden kann. Der Anstieg der Drehzahl wird hierbei vorzugsweise zwischen einer ersten Winkelstellung im Bereich eines oberen Totpunktes des Zylinders, etwa bei genau 0°, bei einem Wert zwischen -6° und 6° oder zwischen -12° und 12°, und einer zweiten Winkelstellung bei einem Wert im Bereich zwischen 20° und 70°, vorzugsweise zwischen 30° und 60°, und vorzugsweise bei einem Wert von 60° gemessen, um den Einfluss der Kompression bzw. Expansion eines folgenden Zylinders zu reduzieren und somit das Signal zu verstärken.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird für einen Zylinder ein Kompressionsverlust ermittelt, falls der Anstieg der Drehzahl für diesen Zylinder kleiner ist als ein anhand eines Mittelwerts der Anstiege der Drehzahl bestimmter Schwellenwert. Der Schwellenwert kann beispielsweise ein vorgegebener Prozentsatz des Mittelwertes, beispielsweise ein Wert zwischen 50 und 80 %, vorzugsweise 80 % des Mittelwerts sein. Der Schwellenwert kann jedoch auch durch Abziehen eines maximal zulässigen Differenzwertes von dem Mittelwert bestimmt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird für jeden Zylinder ein erster Flächenwert durch Integration über den Verlauf der Drehzahl in einem ersten Integrationsbereich ermittelt, wobei der erste Integrationsbereich einen Bereich des Verdichtungstakts umfasst, und ein zweiter Flächenwert wird durch Integration über den Verlauf der Drehzahl in einem zweiten Integrationsbereich ermittelt, wobei der zweite Integrationsbereich einen Bereich des Arbeitstakts umfasst. Insbesondere kann der erste Integrationsbereich dem Teilbereich des Verdichtungstakts entsprechen und der zweite Integrationsbereich kann dem Teilbereich des Arbeitstakts entsprechen. Durch Vergleich des ersten Flächenwerts mit dem zweiten Flächenwert wird ein jeweiliger Vergleichswert ermittelt, wobei der Kompressionsverlust anhand eines Vergleichs der ermittelten Vergleichswerte ermittelt wird. Wie bereits oben erörtert, wird bei einem Kompressionsverlust die Drehzahl während des Verdichtungstakts weniger reduziert, so dass der erste Flächenwert in diesem Fall ansteigt gegenüber dem ersten Flächenwert eines funktionstüchtigen Zylinders. Umgekehrt steigt die Drehzahl während des Arbeitstakts weniger stark an, so dass der zweite Flächenwert im Falle eines Kompressionsverlusts kleiner ist als dies für einen funktionstüchtigen Zylinder der Fall wäre. Der erste Flächenwert steigt folglich an, während der zweite Flächenwert kleiner wird, so dass anhand des Vergleichswertes der defekte Zylinder ermittelt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird der jeweilige Vergleichswert durch Teilen des ersten Flächenwerts durch den zweiten Flächenwert oder durch Abziehen des zweiten Flächenwerts von dem ersten Flächenwert gebildet. Für einen Zylinder wird ein Kompressionsverlust ermittelt, falls der Vergleichswert für diesen Zylinder größer ist als ein anhand eines Mittelwerts der Vergleichswerte bestimmter Schwellenwert. Der Schwellenwert kann hierbei wie analog zu obigem Verfahren bestimmt werden, etwa anhand eines Prozentwertes des Mittelwerts. Da der Vergleichswert, wie oben beschrieben, bei Kompressionsverlust gegenüber einem funktionstüchtigen Zylinder ansteigt, kann der defekte Zylinder erkannt werden. Anhand einer Größe des Vergleichswerts kann weiter eine Stärke des Kompressionsverlusts bestimmt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird die Kurbelwelle zumindest zeitweise von einem Starter angetrieben, welcher über eine Freilaufeinrichtung mit der Kurbelwelle gekoppelt und von der Kurbelwelle entkoppelt werden kann. Ein Kompressionsverlust in einem jeweiligen Zylinder wird anhand eines Übergangs des Starters von einem entkoppelten Zustand in einen gekoppelten Zustand ermittelt. Vorzugsweise ist der Starter hierbei mit der Kurbelwelle gekoppelt, falls eine Drehzahl eines Ritzels bzw. einer Welle des Starters, multipliziert mit einem vorgegebenen Faktor, größer oder gleich groß ist wie die Drehzahl der Kurbelwelle. Umgekehrt öffnet die Freilaufeinrichtung und entkoppelt somit den Starter von der Kurbelwelle, wenn die Drehzahl der Kurbelwelle größer ist als die Drehzahl des Starterritzels, multipliziert mit dem vorgegebenen Faktor. Zu Beginn des Verdichtungstakts ist somit der Starter von der Kurbelwelle entkoppelt. Bei zunehmender Kompression reduziert sich die Drehzahl der Kurbelwelle solange, bis die Freilaufeinrichtung schließt und den Starter mit der Kurbelwelle erneut koppelt. Durch die Kopplung kommt es zu einem Stoß, da der Starter Drehmoment auf die Kurbelwelle überträgt, so dass die Drehzahl erneut kurzfristig erhöht wird, solange bis der Starter erneut entkoppelt wird. In der Folge kann es zu weiteren Stößen kommen. Der genaue Zeitpunkt bzw. die genaue Winkellage der Kurbelwelle, bei welcher die Koppelung mit dem Starter bzw. die nachfolgende Entkoppelung des Starters stattfindet, hängt von der Stärke des Abnehmens der Drehzahl ab, und somit insbesondere auch von einem Kompressionsverlust des Zylinders. Anhand der genauen Position bzw. anhand der Winkellage relativ zu einem oberen Totpunkt des Zylinders kann dadurch ein Kompressionsverlust erkannt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird anhand des jeweiligen Verlaufs der Drehzahl während des Teilbereichs des Verdichtungstakts des jeweiligen Zylinders eine jeweilige Winkelstellung der Kurbelwelle ermittelt, bei welcher der Verlauf der Winkelgeschwindigkeit ein Maximum oder Minimum aufweist, nachdem der Starter von einem entkoppelten Zustand in einen gekoppelten Zustand mit der Kurbelwelle übergeht. Ein Kompressionsverlust in einem jeweiligen Zylinder wird anhand eines Vergleichs der ermittelten Winkelstellungen ermittelt.
Vorzugsweise wird hierbei für einen Zylinder ein Kompressionsverlust ermittelt, falls die ermittelte Winkelstellung für diesen Zylinder einen Winkelabstand der Kurbelwelle von einem oberen Totpunkt dieses Zylinders aufweist, welcher kleiner ist als ein anhand eines Mittelwerts der Winkelabstände der Kurbelwelle von jeweiligen oberen Totpunkten der Zylinder bestimmter Schwellenwert. Der Schwellenwert kann analog wie oben bestimmt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird für einen Zylinder ein Kompressionsverlust ermittelt wird, falls die ermittelte Winkelstellung für diesen Zylinder einen Winkelabstand der Kurbelwelle von dem nachfolgenden Zylinder aufweist, welcher größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird für mindestens ein Arbeitsspiel des Verbrennungsmotors der Verlauf der Drehzahl fouriertransformiert, und ein Kompressionsverlust wird anhand eines Vergleichs der fouriertransformierten Drehzahl bei einer Grundfrequenz des Verbrennungsmotors und bei einer Einzylinderfrequenz des Verbrennungsmotors ermittelt. Die Grundfrequenz entspricht einer Grundschwingung aller Zylinder und entspricht der Zylinderanzahl geteilt durch 4π. Die Einzylinderfrequenz entspricht einer Frequenz von 1/4π. Die Fouriertransformation kann durch schnelle Fouriertransformation (FFT) oder diskrete Fouriertransformation (DFT) durchgeführt werden. Insbesondere kann die fouriertransformierte Drehzahl lediglich für die Grundfrequenz und die Einzylinderfrequenz berechnet werden. Vorzugsweise kann anhand einer Phase der Fouriertransformierten der Zylinder mit Kompressionsverlust bestimmt werden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann anstelle der Fourier-Transformation eine Laplace-Transformation oder eine Wavelet-Transformation durchgeführt werden.
Figurenliste
Es zeigen:

1 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Ermitteln von Kompressionsverlusten von Zylindern gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2, 3 Drehzahlverläufe für Zylinder ohne bzw. mit Kompressionsverlust zur Illustration einer beispielhaften Ermittlung eines Kompressionsverlusts;
4, 5 Drehzahlverläufe für Zylinder ohne bzw. mit Kompressionsverlust zur Illustration einer weiteren beispielhaften Ermittlung eines Kompressionsverlusts;
6, 7, 8 Drehzahlverläufe für Zylinder ohne bzw. mit Kompressionsverlust zur Illustration einer weiteren beispielhaften Ermittlung eines Kompressionsverlusts;
9, 12 Drehzahlverläufe für Zylinder ohne bzw. mit Kompressionsverlust zur Illustration einer weiteren beispielhaften Ermittlung eines Kompressionsverlusts;
10, 13 fouriertransformierte Drehzahlverläufe der in den 8 bzw. 11 gezeigten Drehzahlverläufe;
11, 14 Detailansichten der in den 10 bzw. 13 gezeigten fouriertransformierten Drehzahlverläufe;
15 eine komplexe Darstellung des fouriertransformierten Drehzahlverlaufs bei der Einzylinderfrequenz; und
16 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Ermitteln von Kompressionsverlusten von Zylindern gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden. Verschiedene Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern dies sinnvoll ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Ermitteln von Kompressionsverlusten von Zylindern eines Verbrennungsmotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die jeweiligen Kolben der Zylinder sind mit einer Kurbelwelle verbunden und werden durch diese in Bewegung gesetzt. Die Anzahl der Zylinder ist nicht beschränkt.
In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird mittels eines Messgeräts kontinuierlich und/oder diskret eine Drehzahl der Kurbelwelle gemessen. Hierzu wird vorzugsweise eine Zahnzeit eines an der Kurbelwelle angeordneten Geberrads gemessen und die Drehzahl anhand der Zahnzeit bestimmt. Anstelle der Drehzahl kann die weitere Auswertung jedoch auch anhand der Zahnzeit durchgeführt werden.
Eine Einspritzung in die Zylinder wird bei der Messung deaktiviert. Der Motor ist mit einem Starter verbunden, welcher über eine Freilaufeinrichtung mit der Kurbelwelle gekoppelt ist und die Kurbelwelle zumindest zeitweise antreibt. Die Kurbelwelle wird somit von dem Starter geschleppt.
In einem zweiten Verfahrensschritt S2 werden für jeden einzelnen der Zylinder in einem Teilbereich eines Verdichtungstakts des Zylinders bis zu einem oberen Totpunkt und/oder in einem Teilbereich eines Arbeitstakts des Zylinders, beginnend mit dem oberen Totpunkt, ein Verlauf der Drehzahl bestimmt.
In 2 ist beispielhaft für einen Verbrennungsmotor mit vier Zylindern 3a bis 3d der jeweilige Verlauf der Drehzahlen n der vier Zylinder 3a bis 3d, gemessen in Umdrehungen pro Minute (rpm), in Abhängigkeit von der Zahnzeit der Kurbelwelle illustriert. Hierzu ist an der Kurbelwelle ein Zahnrad als Geberrad angebracht, welches Zähnen im Abstand von 6° aufweist. Das Zahnrad weist 58 Zähne auf, das heißt es weist eine breitere Zahnlücke zum Bestimmen der exakten Position des Zahnrads auf. Der Übergang von einem Zahn zum nächsten wird durch eine Lichtschranke oder durch einen Hallsensor registriert. Die entsprechende Zahnzeit wird somit in Intervallen I mit einer Länge von 6° angegeben. Ein Wert von 0° entspricht einem oberen Totpunkt OT des jeweiligen Zylinders.
Vorzugsweise entspricht der Teilbereich des Verdichtungstakts einem Winkelbereich zwischen -120° und 0°. Der Teilbereich des Arbeitstakts entspricht vorzugsweise einem Winkelbereich von 0° bis 120°. Diese Intervalle sind jedoch nur beispielhaft und können insbesondere kleiner sein, beispielsweise zwischen -60° bis 0° bzw. 0° bis 60°.
Zur Bestimmung des Verlaufs wird jeweils der obere Totpunkt OT des jeweiligen Zylinders gemessen, beispielsweise mittels eines mit einer Nockenwelle des Verbrennungsmotors verbundenen Phasengebers. Die Verläufe der Drehzahl können für verschiedene Zylinder teilweise einen Überlapp aufweisen, insbesondere für eine größere Anzahl von Zylindern, etwa sechs oder acht Zylinder. Ein Bereich des Verdichtungstakts des einen Zylinders kann einem Bereich des Arbeitstakts eines weiteren Zylinders entsprechen.
In einem weiteren Verfahrensschritt S3 wird ein Kompressionsverlust in einem jeweiligen Zylinder 3a bis 3d anhand der Verläufe der Drehzahl n ermittelt.
Anhand der in den folgenden Figuren illustrierten Drehzahlverläufe werden verschiedene Möglichkeiten zum Ermitteln des Kompressionsverlusts genauer erläutert.
Gemäß einer ersten Möglichkeit wird für jeden Verlauf ein Anstieg der Drehzahl n in einem Teilbereich nach dem Beginn des Arbeitstakts des jeweiligen Zylinders ermittelt. Für diese erste Möglichkeit kann vorzugsweise lediglich ein Verlauf der Drehzahl n zu Beginn des Arbeitstakts eines jeden Zylinders ermittelt werden.
Der Anstieg kann beispielsweise durch Bilden einer Differenz der Drehzahl n zu einer Winkelstellung im Arbeitstakt nach dem oberen Totpunkt OT, insbesondere einer Winkelstellung mit einem Wert in einem Bereich zwischen 30° und 60°, vorzugsweise mit einem Wert gleich 60°, und einer Drehzahl n am oberen Totpunkt, das heißt bei 0° bestimmt werden. Wahlweise kann der Anstieg in diesem Intervall auch durch Berechnen einer Steigung einer diese Punkte verbindenden Gerade ma bis md ermittelt werden.
Weiter wird ein Mittelwert der Anstiege der Drehzahl n bestimmt. Anhand dieses Mittelwerts wird ein Schwellenwert bestimmt, vorzugsweise ein bestimmter Prozentsatz des Mittelwerts, beispielsweise ein Wert zwischen 50 und 90 % des Mittelwerts. Falls der ermittelte Anstieg für einen der Zylinder kleiner als der Schwellenwert ist, wird ermittelt, dass der Zylinder einen Kompressionsverlust aufweist.
In dem in 2 gezeigten Szenario sind die Anstiege für alle Zylinder 3a bis 3d im Wesentlichen gleich groß, so dass ermittelt wird, dass in keinem der Zylinder ein Kompressionsverlust vorliegt.
Bei dem in 3 gezeigten Szenario wird ermittelt, dass der vierte Zylinder 3d einen Kompressionsverlust aufweist, was sich in der verglichen mit den anderen Zylindern höheren Drehzahl am oberen Totpunkt OT sowie an der verringerten Drehzahl n in einem Winkelbereich um 60° nach dem oberen Totpunkt OT herum bemerkbar macht, so dass die Steigung der entsprechenden Gerade md in diesem Bereich kleiner ausfällt als die Steigungen der entsprechenden Geraden ma, mb, mc des ersten Zylinders 3a, zweiten Zylinders 3b oder dritten Zylinders 3c.
Gemäß weiteren Ausführungsformen wird ein Kompressionsverlust anhand eines Vergleichs des ermittelten Anstiegs des Zylinders mit dem ermittelten Anstieg des in der Zündfolge vorangehenden und/oder nachfolgenden Zylinders ermittelt.
In den 4 und 5 wird eine weitere Möglichkeit zum Ermitteln eines Kompressionsverlusts erläutert.
Die Verläufe der Drehzahlen n für die vier Zylinder 3a, 3b, 3c, 3d, welche in dem in 4 illustrierten Szenario keinen Kompressionsverlust aufweisen, weisen während dem jeweiligen Verdichtungstakt an im Wesentlichen derselben Winkelposition ein lokales Minimum min und ein darauf folgendes lokales Maximum max auf. Das Minimum entspricht einem Zeitpunkt, bei welchem der Starter aufgrund der Reduzierung der Drehzahl n der Kurbelwelle über die Freilaufeinrichtung erneut mit der Kurbelwelle gekoppelt wird. Es kommt zu einem Stoß und einem nachfolgenden Anstieg der Drehzahl n bis zu dem Maximum max. Aufgrund der erneuten Entkoppelung des Starters aufgrund des erneuten Anstiegs der Drehzahl n fällt die Drehzahl n nach dem Maximum max wieder ab. Eine Position xa, xb, xc, xd des Maximums max wird für die Zylinder 3a bis 3d anhand des jeweiligen Verlaufs der Drehzahl n ermittelt.
In 5 ist ein Szenario illustriert, bei welchem der zweite Zylinder 3b einen Kompressionsverlust aufweist. Ein jeweiliger Abstand Da bis Dd zwischen dem oberen Totpunkt OT und der jeweiligen Position xa bis xd des Maximums wird für jeden der Verläufe ermittelt. Ein Mittelwert der Abstände Da bis Dd wird berechnet und ein Schwellenwert anhand des Mittelwerts bestimmt, beispielsweise als ein bestimmter Prozentsatz, etwa zwischen 50 und 90 % des Mittelwerts. Falls der Abstand Da bis Dd kleiner ist als der Schwellenwert, wird ermittelt, dass der Zylinder einen Kompressionsverlust aufweist. Im in 5 illustrierten Szenario wird daher ermittelt, dass der zweite Zylinder 3b einen Kompressionsverlust aufweist, da der Abstand Db des zweiten Zylinders 3b unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt.
Anstelle der Abstände Da bis Dd kann auch ein Abstand Δ zu einem in der Zündreihenfolge nachfolgenden Zylinder berechnet werden, wie beispielhaft für den zweiten Zylinder 3b eingezeichnet. Ist der Abstand Δ negativ, das heißt das Maximum des nachfolgenden Zylinders ist weiter vom oberen Totpunkt OT entfernt als das Maximum des untersuchten Zylinders, und ist der Abstand Δ betragsmäßig größer als ein vorgegebener Schwellenwert, so kann ermittelt werden, dass der Zylinder einen Kompressionsverlust aufweist. Grund ist, dass das Maximum des defekten Zylinders im Allgemeinen zum oberen Totpunkt OT hin verschoben wird, während das Maximum des nachfolgenden Zylinders vom oberen Totpunkt OT weg zu kleineren Winkelbereichen verschoben wird.
Anstelle der jeweiligen Position xa bis xd des Maximums kann auch die jeweilige Position des Minimums ausgewertet werden. Die Kriterien zu Erkennung des defekten Zylinders sind hierbei analog.
In den 6 und 7 wird eine weitere Möglichkeit zum Ermitteln eines Kompressionsverlusts erläutert, wobei in dem in 6 illustrierten Szenario kein Kompressionsverlust auftritt, während in dem in 7 illustrierten Szenario ein dritter Zylinder 3c von sechs Zylindern 3a bis 3f einen Kompressionsverlust aufweist. Durch Integration über den Verlauf der Drehzahl n während eines Teilbereichs des Verdichtungstakts vorzugsweise bis zum oberen Totpunkt OT wird ein erster Flächeninhalt A1 bestimmt. Eine untere Grenze des Integrationsbereichs kann beispielsweise in einem Winkelbereich zwischen -90° und -30° liegen und vorzugsweise -60° betragen. Die obere Grenze des Integrationsbereichs kann auch eine von dem oberen Totpunkt abweichende Position haben, etwa einen vorgegebenen Wert zwischen -12° und 12°, vorzugsweise einen vorgegebenen Wert zwischen -6° und 6°.
Weiter wird ein zweiter Flächeninhalt A2 durch Integration über den Verlauf der Drehzahl n während eines Teilbereichs des Arbeitstakts ermittelt. Eine obere Grenze des Integrationsbereichs kann beispielsweise in einem Winkelbereich zwischen 30° und 90° liegen und vorzugsweise 60° betragen. Eine untere Grenze des Integrationsbereichs zur Bestimmung des zweiten Flächeninhalts A2 entspricht vorzugsweise der oberen Grenze zur Bestimmung des ersten Flächeninhalts A1. Vorzugsweise sind Teilbereiche des Verdichtungstakts und des Arbeitstakts, über welche integriert wird, gleich groß.
Ein Vergleichswert wird als der Quotient des ersten Flächenwerts A1 durch den zweiten Flächenwert A2 oder durch Abziehen des zweiten Flächenwerts A2 von dem ersten Flächenwert A1 berechnet. Ein Mittelwert über die Vergleichswerte wird bestimmt. Anhand des Mittelwerts wird ein Schwellenwert festgelegt, beispielsweise ein bestimmter Prozentsatz des Mittelwerts, beispielsweise 90 % des Mittelwerts. Falls der Vergleichswert eines Zylinders größer als der Schwellenwert ist, wird ermittelt, dass der Zylinder einen Kompressionsverlust aufweist. In dem in 7 illustrierten Szenario wird ermittelt, dass der dritte Zylinder 3c einen Kompressionsverlust aufweist, da hier das Verhältnis des ersten Flächenwerts A1 zu dem zweiten Flächenwert A2 größer ist als für die anderen Zylinder und über dem vorgegebenen Schwellenwert liegt.
Anstelle des ersten Flächenwerts A1, welcher über einen Integrationsbereich bis zum oberen Totpunkt OT ermittelt wird, kann auch ein dritter Flächenwert A3 durch Integration des Drehzahlverlaufs über einen Integrationsbereich berechnet werden, dessen untere Grenze zu Beginn des Verdichtungstakts liegt, wobei eine Breite des Integrationsbereichs vorzugsweise der Breite des Integrationsbereichs zur Ermittlung des zweiten Flächenwerts A2 entspricht. Die entsprechende Situation ist in 8 illustriert. Beispielshalber liegt hierbei der Integrationsbereich für den dritten Flächenwert A3 zwischen -120° und -60° und der Integrationsbereich für den zweiten Flächenwert A2 zwischen 0° und 60°. Wiederum wird ein Vergleichswert als der Quotient des dritten Flächenwerts A3 durch den zweiten Flächenwert A2 oder durch Abziehen des zweiten Flächenwerts A2 von dem dritten Flächenwert A3 berechnet. Liegt der Vergleichswert über einem vorgegebenen Schwellenwert, wird ermittelt, dass der entsprechende Zylinder einen Kompressionsverlust aufweist.
In den 9 bis 15 wird eine weitere Möglichkeit zum Ermitteln eines Kompressionsverlusts erläutert, wobei in dem in den 9 bis 11 illustrierten Szenario kein Kompressionsverlust auftritt, während in dem in den 12 bis 15 illustrierten Szenario ein Kompressionsverlust in einem Zylinder auftritt.
9 zeigt jeweilige Drehzahlverläufe für sechs Zylinder ohne Kompressionsverlust. Der gesamte Verlauf der Drehzahl wird für mindestens ein Arbeitsspiel der Zylinder ermittelt und fouriertransformiert.
In 10 ist die Amplitude A des Realteils, Imaginärteils sowie des Absolutbetrags des fouriertransformierten Drehzahlverlaufs als Funktion der Frequenz f in Einheiten 1/rad illustriert.
11 zeigt eine Detailansicht des in 10 illustrierten fouriertransformierten Gesamtsignals. Es ist erkennbar, dass der Hauptbeitrag der Grundfrequenz aller Zylinder entspricht und einen Wert von 6/4π·1/rad = 0,4775·1/rad aufweist. Allgemein liegt die Grundschwingung bei der Anzahl der Zylinder geteilt durch 4π, wobei die 4π einem Arbeitsspiel, das heißt zwei Umdrehungen entsprechen.
In 12 sind jeweilige Drehzahlverläufe für sechs Zylinder 3a bis 3f eingezeichnet, wobei der zweite Zylinder 3b einen Kompressionsverlust aufweist.
13 zeigt das fouriertransformierte gesamte Drehzahlsignal und 14 eine entsprechende Detailansicht.
Wie sich durch Vergleich der 10 und 13 bzw. 11 und 14 erkennen lässt, ist das fouriertransformierte Signal bei Kompressionsverlust unregelmäßiger, weist also bei mehreren Frequenzen höhere Werte auf. Bei einem Kompressionsverlust eines einzelnen Zylinders tritt insbesondere ein erhöhter Beitrag bei einer Einzelzylinderfrequenz 1/4π·1/rad = 0,07958·1/rad auf, entsprechend der Frequenz eines einzelnen Zylinders.
Durch Vergleichen der Einzelzylinderfrequenz und der Grundfrequenz wird ein Kompressionsverlust festgestellt. Beispielsweise wird die Einzelzylinderfrequenz durch die Grundfrequenz geteilt und ein Kompressionsverlust festgestellt, falls der Quotient einen vorgegebenen Wert übersteigt. Alternativ wird ein Defekt festgestellt, wenn die Amplitude der Einzelzylinderfrequenz einen vorgegebenen Wert übersteigt.
Vorzugsweise wird hierzu der Absolutbetrag des fouriertransformierten Signals ausgewertet. Es kann jedoch auch der Realteil oder Imaginärteil des fouriertransformierte Signals ausgewertet werden.
Vorzugsweise kann zusätzlich der Zylinder mit Kompressionsverlust ermittelt werden. Dazu wird eine Phase φ des komplexwertigen fouriertransformierten Drehzahlverlaufs bei der Einzelzylinderfrequenz bestimmt. Werden die Zylinder in der Zündreihenfolge entgegen dem Urzeigersinn aufgetragen, wie in 15 illustriert, so entspricht die Phase dem Zylinder mit Kompressionsverlust, wobei falls nötig ein Offset mit einberechnet werden muss. Somit kann anhand der Phase φ der Zylinder mit Kompressionsverlust ermittelt werden.
In 16 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung 1 zum Ermitteln von Kompressionsverlusten von Zylindern 3a bis 3f eines Verbrennungsmotors 2 illustriert. Jeweilige Kolben 4a bis 4f der Zylinder 3a bis 3f sind mit einer Kurbelwelle 5 verbunden. Während in 16 ein Sechszylindermotor illustriert ist, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern umfasst insbesondere auch Vierzylinder-, Achtzylinder-, Zehnzylinder- oder Zwölfzylindermotoren. Der Motor wird bei deaktivierter Einspritzung durch einen Starter 9 über eine Freilaufeinrichtung 10 geschleppt bzw. zumindest zeitweise angetrieben. Eine Messeinrichtung 6 des Verbrennungsmotors 2 misst kontinuierlich und/oder diskret eine Drehzahl n der Kurbelwelle 5 und gibt ein entsprechendes Messsignal aus. Die Vorrichtung 1 weist eine Schnittstelle 7 auf, welche dazu ausgebildet ist, das Messsignal zu empfangen und an eine Bestimmungseinrichtung 8 zu übertragen. Die Bestimmungseinrichtung 8 ist dazu ausgebildet, jeweilige Verläufe der Drehzahl n für jeden Zylinder 3a bis 3f in zumindest einem Teilbereich eines Verdichtungstakts und/oder einem Teilbereich eines Arbeitstakts des jeweiligen Zylinders 3a bis 3f zu bestimmen.
Weiter ist die Bestimmungseinrichtung 8 der Vorrichtung 1 dazu ausgebildet, einen Kompressionsverlust in einem jeweiligen Zylinder 3a bis 3f anhand der Verläufe der Drehzahl zu ermitteln. Die Bestimmungseinrichtung 8 kann insbesondere eines der in den 3 bis 15 illustrierten Verfahren zur Ermittlung durchführen.
Die Vorrichtung 1 und der Verbrennungsmotor 2 bilden eine Motoranordnung. Gemäß einer Ausführungsform kann die Vorrichtung 1 auch ein Teil des Verbrennungsmotors sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013212232 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Ermitteln von Kompressionsverlusten von Zylindern (3a bis 3f) eines Verbrennungsmotors (2), wobei jeweilige Kolben (4a bis 4f) der Zylinder (3a bis 3f) mit einer Kurbelwelle (5) verbunden sind, mit den Schritten: kontinuierliches und/oder diskretes Messen (S1) einer Drehzahl (n) der Kurbelwelle (5); Bestimmen (S2) von jeweiligen Verläufen der Drehzahl (n) für jeden Zylinder (3a bis 3f) in zumindest einem Teilbereich eines Verdichtungstakts und/oder einem Teilbereich eines Arbeitstakts des jeweiligen Zylinders (3a bis 3f); und Ermitteln (S3) eines Kompressionsverlusts anhand der Verläufe der Drehzahl (n).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei während des Ermittelns eine Einspritzung in die Zylinder (3a bis 3f) deaktiviert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für jeden Verlauf ein Anstieg der Drehzahl (n) in einem Bereich ermittelt wird, welcher einen Teilbereich nach dem Beginn des Arbeitstakts des jeweiligen Zylinders (3a bis 3f) umfasst, und wobei der Kompressionsverlust anhand eines Vergleichs der ermittelten Anstiege der Drehzahl (n) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für jeden Zylinder (3a bis 3f) ein erster Flächenwert (A1) durch Integration über den Verlauf der Drehzahl (n) in einem ersten Integrationsbereich ermittelt wird, wobei der erste Integrationsbereich einen Bereich des Verdichtungstakts umfasst, und ein zweiter Flächenwert (A2) durch Integration über den Verlauf der Drehzahl (n) in einem zweiten Integrationsbereich ermittelt wird, wobei der zweite Integrationsbereich einen Bereich des Arbeitstakts umfasst, wobei durch Vergleich des ersten Flächenwerts (A1) mit dem zweiten Flächenwert (A2) ein jeweiliger Vergleichswert ermittelt wird, und wobei der Kompressionsverlust anhand eines Vergleichs der ermittelten Vergleichswerte ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kurbelwelle (5) zumindest zeitweise von einem Starter (9) angetrieben wird, welcher über eine Freilaufeinrichtung (10) mit der Kurbelwelle (5) gekoppelt und von der Kurbelwelle (5) entkoppelt werden kann, wobei ein Kompressionsverlust in einem jeweiligen Zylinder (3a bis 3f) anhand eines Übergangs des Starters (9) von einem entkoppelten Zustands in einen gekoppelten Zustand ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei anhand des jeweiligen Verlaufs der Drehzahl (n) während des Teilbereichs des Verdichtungstakts des jeweiligen Zylinders (3a bis 3f) eine jeweilige Winkelstellung der Kurbelwelle (5) ermittelt wird, bei welcher der Verlauf der Winkelgeschwindigkeit ein Maximum oder Minimum aufweist, nachdem der Starter (9) von einem entkoppelten Zustand in einen gekoppelten Zustand mit der Kurbelwelle (5) übergeht, und wobei ein Kompressionsverlust in einem jeweiligen Zylinder (3a bis 3f) anhand eines Vergleichs der ermittelten Winkelstellungen ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei für einen Zylinder (3a bis 3f) ein Kompressionsverlust ermittelt wird, falls die ermittelte Winkelstellung für diesen Zylinder (3a bis 3f) einen Winkelabstand der Kurbelwelle (5) von einem oberen Totpunkt (OT) des Zylinders (3a bis 3f) aufweist, welcher kleiner ist als ein anhand eines Mittelwerts der Winkelabstände der Kurbelwelle (5) von jeweiligen oberen Totpunkten (OT) der Zylinder (3a bis 3f) bestimmter Schwellenwert.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei für einen Zylinder (3a bis 3f) ein Kompressionsverlust ermittelt wird, falls die ermittelte Winkelstellung für diesen Zylinder (3a bis 3f) einen Winkelabstand der Kurbelwelle (5) von dem nachfolgenden Zylinder (3a bis 3f) aufweist, welcher größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für mindestens ein Arbeitsspiel des Verbrennungsmotors der Verlauf der Drehzahl fouriertransformiert wird, und ein Kompressionsverlust anhand eines Vergleichs der fouriertransformierten Drehzahl bei einer Grundfrequenz und bei einer Einzylinderfrequenz ermittelt wird.
Vorrichtung (1) zum Ermitteln von Kompressionsverlusten von Zylindern (3a bis 3f) eines Verbrennungsmotors (2), wobei jeweilige Kolben (4a bis 4f) der Zylinder (3a bis 3f) mit einer Kurbelwelle (5) verbunden sind, wobei die Vorrichtung (1) dazu ausgebildet ist, ein Messsignal bezüglich einer kontinuierlich gemessenen Drehzahl (n) der Kurbelwelle (5) zu empfangen, jeweilige Verläufe der Drehzahl (n) für jeden Zylinder (3a bis 3f) in zumindest einem Teilbereich eines Verdichtungstakts und/oder einem Teilbereich eines Arbeitstakts des jeweiligen Zylinders (3a bis 3f) zu bestimmen, und einen Kompressionsverlust anhand der Verläufe der Drehzahl (n) zu ermitteln.