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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, aufweisend einen Motor mit einer Anzahl von Zylindern und eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen eines Betriebs der Brennkraftmaschine. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines Betriebs einer Brennkraftmaschine sowie eine Software.
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Es ist bekannt, durch Zylinderdrucksensoren einen Zylinderdruck in einem Zylinder eines Motors zu überwachen. Hierdurch kann bei atypischem Verhalten des Zylinderdrucks im Zylinder, beispielsweise bei ungewöhnlich großem oder ungewöhnlich kleinem Zylinderdruck, auf einen mechanischen Defekt des Motors geschlossen werden. Bekannte mechanische Defekte mit Einfluss auf das Verhalten des Zylinderdrucks sind in diesem Rahmen ein gebrochener oder abgenutzter Kolbenring, ein Ventilabriss, ein Festklemmen eines Ventils aufgrund von Ablagerungen im Brennraum. Neben mechanischen Defekten hat es ebenfalls Einfluss auf das Verhalten des Zylinderdrucks wenn das Ventilspiel von Einlass- oder Auslassventil zu groß ist.
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Daher werden typischerweise regelmäßig Wartungsarbeiten an Motoren durchgeführt, bei denen die Ventile und der Zustand der Kolbenringe untersucht werden.
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DE 11 2015 002 293 T5 beschreibt ein Verfahren, bei dem ein Kompressionsdruck nach der Produktion bestimmt wird und geprüft wird, ob ein derartiger Kompressionsdruck erhalten bleibt und ob der Kompressionsdruck in dem Zylinder so ist, dass er für entsprechende Betriebsbedingungen einem Sollwert entspricht, der unter anderem von dem Kompressionsverhältnis, das bei der Produktion bestimmt wird, bereitgestellt ist. Nur in einem Einlasskanal zu einem Zylinder ist dazu ein Drucksensor angeordnet und das Verfahren sieht dann zur Vermeidung von Drucksensoren für einen Zylinderdruck vor, d.h. ohne, dass Löcher für Drucksensoren in den Brennraum gebohrt werden müssen, dass eine Druckänderung in dem Brennraum in Bezug auf einen Gasdruck durch Erfassen von Bewegungen mittels einem piezoresistiven Sensor ausgeführt wird, die von der Druckänderung erzeugt werden und ein Kompressionsdruck dann berechnet wird. Die Bewegungen, die durch das Verfahren erfasst werden können und die von den Druckänderungen in dem Brennraum erzeugt werden, können beispielsweise Vibrationen, Geräusche, das heißt Gasbewegungen, und verschiedene Arten von Formänderungen, wie z. B. Vorsprünge, in dem Zylinderkopf oder in daran angrenzenden Teilen in dem Motor sein.
DE 11 2015 002 437 T5 offenbart ebenfalls ein Modell, hier ein Drehmomentmodell, zur Vorhersage des Zylinderdrucks im Brennraum.
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Weiterhin ist ein Steuerungssystem für Brennkraftmaschinen bekannt, welches bei Vorliegen eines atypischen Verhaltens des Zylinderdrucks ein Signal an einen Nutzer der Brennkraftmaschine auslöst.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Brennkraftmaschine bereitzustellen, insbesondere eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, die besonders vorteilhaft Zylinderdruckdaten einer Brennkraftmaschine während eines Betriebs der Brennkraftmaschine überwacht. Hierbei soll insbesondere eine effektive Überwachung bereitgestellt werden, durch die im Fall eines Schadens eine schnelle Wartung unterstützt wird.
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Zum Lösen dieser Aufgabe wird eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
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Die Brennkraftmaschine gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist einen Motor mit einer Anzahl von Zylindern und eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen eines Betriebs der Brennkraftmaschine auf.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass
- - für jeden Zylinder aus der Anzahl von Zylindern ein jeweiliger Zylinderdrucksensor der Überwachungseinrichtung an dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine angeordnet ist und ausgebildet ist, einen Zylinderdruck des jeweiligen Zylinders zu messen, dem Zylinderdruck entsprechende Zylinderdruckdaten zu bestimmen und ein die Zylinderdruckdaten anzeigendes jeweiliges Zylinderdrucksignal auszugeben;
- - eine Analyseeinheit der Überwachungseinrichtung ausgebildet ist, das jeweilige Zylinderdrucksignal zu empfangen und aus einem zeitlichen Verlauf der Zylinderdruckdaten des jeweiligen Zylinders zylinderindividuell für jeden Zylinder zu ermitteln, ob eine Anomalie des Zylinderdrucks vorliegt, insbesondere ob eine Anomalie des Zylinderdrucks während einer Kompressionsphase des jeweiligen Zylinders im Betrieb des Motors vorliegt, wobei
die Anomalie bestimmbar ist als ein im zeitlichen Verlauf der Zylinderdruckdaten auftretendes Symptom,
das Symptom verglichen wird mit einer adäquaten Referenz der Zylinderdruckdaten, und
aus einer signifikanten verhältnismäßigen Größe des Symptoms im Vergleich zur adäquaten Referenz auf das Vorliegen der Anomalie, insbesondere Ausmaß und Art der Anomalie, geschlossen wird, und wobei
die Analyseeinheit weiter ausgebildet ist, die Anomalie dem jeweiligen Zylinder des Motors zuzuordnen.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass eine Reparatur eines schadhaften Motors besonders effizient und schnell erfolgen kann, wenn ein Ort eines schadhaften Zylinders bekannt ist. Außerdem kann eine regelmäßige Wartung entbehrlich sein, wenn im Betrieb der Brennkraftmaschine eine Funktionsfähigkeit von entsprechenden verschleißanfälligen Komponenten erfolgen kann.
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Die Erfindung hat erkannt, dass eine Überwachung des zeitlichen Verlaufs der Zylinderdruckdaten Rückschlüsse auf eine Funktionsfähigkeit der Ventile und des Kolbenrings der Zylinder des Motors erlaubt, so dass aus einer zylinderindividuellen Auswertung der Zylinderdruckdaten auf einen konkreten Schaden eines bestimmten Zylinders des Motors geschlossen werden kann.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ermöglicht eine besonders effektive Wartung, da für eine festgestellte Anomalie bereits der Zylinder, an dem die Anomalie aufgetreten ist bekannt ist. Insbesondere kann eine Reparaturzeit und somit auch eine Standzeit der Brennkraftmaschine verkürzt werden.
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Eine Wartung der Zylinder gemäß fester Wartungsintervalle kann durch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine vorteilhaft vermieden werden.
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Die Auswertung von Zylinderdruckdaten ist insbesondere angesichts eines einfachen und robusten Aufbaus handelsüblicher Zylinderdrucksensoren vorteilhaft. Hierbei stellen Zylinderdruckdaten vorzugsweise den Druck im Zylinder über einen Kurbelwinkel für das vorliegende Arbeitsspiel des Zylinders dar.
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Die Kompressionsphase eines Zylinders wird gebildet durch denjenigen Teil eines Arbeitszyklus eines entsprechenden Zylinders, bei dem der Kolben zu einem Zylinderkopf des Zylinders bewegt wird, so dass der Druck im Verbrennungsraum des Zylinders erhöht wird. Hierbei wird die Kompressionsphase vorzugsweise durch eine linke und rechte Flanke um einen maximalen Zylinderdruck einer Zylinderdruckkurve gebildet.
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Das Symptom ist ein Merkmal des zeitlichen Verlaufs der Zylinderdruckdaten, welches dazu geeignet ist, Rückschlüsse auf einen Schaden an dem entsprechendem Zylinder, an dem die Zylinderdruckdaten gemessen wurden, zuzulassen. Auf das Vorliegen einer Anomalie wird im Rahmen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine aus der Größe des Symptoms im Vergleich zu einer adäquaten Referenz geschlossen. Dies bedeutet, dass das Symptom in Bezug gesetzt wird zu der adäquaten Referenz, also beispielsweise einem zu einem früheren Zeitpunkt gemessenen Zylinderdruck der Zylinderdruckkurve, einem vorbestimmten Vergleichswert zu einer Eigenschaft der Zylinderdruckkurve, oder einer vorbestimmten Soll-Zylinderdruckkurve.
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Eine Anomalie ist ein Fehlverhalten des Motors, insbesondere der Ein- und/oder Auslassventile oder der Kolbenringe im Zylinder. Bei Vorliegen einer signifikant verhältnismäßigen Größe des Symptoms angesichts der adäquaten Referenz kann auf ein solches Fehlverhalten, also eine Anomalie, geschlossen werden. Eine signifikant verhältnismäßige Größe des Symptoms liegt vor, wenn im Vergleich zu üblichen Unterschieden zur adäquaten Referenz ein Maß überschritten ist, was geeignet ist, ein Fehlverhalten gegenüber einer zufälligen Abweichung eines zufälligen Unterschieds wahrscheinlich zu machen. Insbesondere kann hierdurch sichergestellt werden, dass nicht bautechnisch bedingte Ungenauigkeiten, wie etwa das Kolbenspiel, zum Ermitteln des Vorliegens einer Anomalie führen. Aus dem Fehlerverhalten des Motors wird erfindungsgemäß auf einen mechanischen Defekt an dem entsprechenden Zylinder und/oder auf ein anormales Ventilspiel, also ein Ventilspiel, das sich deutlich von einem vorbestimmten Ventilspiel unterscheidet, geschlossen.
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Ein zeitlicher Verlauf von Zylinderdruckdaten zeigt den gemessenen Zylinderdruck für mindestens drei verschiedene Kurbelwinkel innerhalb einer Kompressionsphase des jeweiligen Zylinders an, bevorzugt mehr als 10, mehr als 50 oder mehr als 100 verschiedene Kurbelwinkel innerhalb einer Kompressionsphase des jeweiligen Zylinders.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Verfahren zum Überwachen eines Betriebs einer Brennkraftmaschine mit einer Anzahl von Zylindern, insbesondere einer Brennkraftmaschine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- - Messen eines jeweiligen Zylinderdrucks für alle Zylinder der Brennkraftmaschine;
- - Bestimmen von entsprechenden Zylinderdruckdaten und Ausgeben eines die Zylinderdruckdaten anzeigenden Zylinderdrucksignals;
- - Empfangen des jeweiligen Zylinderdrucksignals und zylinderindividuelles Ermitteln ob eine Anomalie des Zylinderdrucks vorliegt, anhand eines zeitlichen Verlaufs der Zylinderdruckdaten, wobei
die Anomalie bestimmbar ist als ein im zeitlichen Verlauf der Zylinderdruckdaten auftretendes Symptom,
das Symptom verglichen wird mit einer adäquaten Referenz der Zylinderdruckdaten, und
aus einer signifikanten verhältnismäßigen Größe des Symptoms im Vergleich zur adäquaten Referenz auf das Vorliegen der Anomalie, insbesondere Ausmaß und Art der Anomalie, geschlossen wird, und
- - Zuordnen der ermittelten Anomalie zu einem Zylinder des Motors.
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Vorteilhaft ermöglicht das Verfahren eine zylinderindividuelle Feststellung, welcher Zylinder einen Schaden aufweist. Weiterhin kann angesichts des Symptoms ein Anomaliegrund angezeigt werden, was eine Wartung einer entsprechenden Brennkraftmaschine besonders vereinfachen kann.
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Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft automatisiert ausgeführt werden, insbesondere in regelmäßigen Abständen automatisiert ausgeführt werden, ohne dass einzelne Verfahrensschritte eine manuelle Bedienung des Nutzers erfordern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Software gelöst, die Programmmittel aufweist, mit einem Modul, das dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Überwachen eines Betriebs einer Brennkraftmaschine zu steuern.
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Die Software wird bevorzugt während eines Betriebs der Brennkraftmaschine durch einen mit der Brennkraftmaschine verbundenen Prozessor ausgeführt.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
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Vorzugsweise ist die Analyseeinheit der Brennkraftmaschine ausgebildet, für mehrere Symptome zu überprüfen, ob diese Symptome in dem Verlauf der Zylinderdruckdaten auftreten. Hierdurch kann das Vorliegen einer Anomalie für verschiedene Anomalieursachen, also verschiedene Fehlfunktionen des Motors überprüft werden. Dies ermöglicht das Feststellen unterschiedlicher zu wartender Bauteile des Motors und erhöht mithin die Effizienz der Wartung.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Brennkraftmaschine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist die Analyseeinheit weiter ausgebildet, aus diskreten Werten des ermittelten zeitlichen Verlaufs der Zylinderdruckdaten des Zylinders eine aktuelle Zylinderdruckkurve mit aktuellen Zylinderdruckkurven-Koeffizienten zu berechnen und basierend auf der aktuellen Zylinderdruckkurve zu ermitteln, ob eine Anomalie des Zylinderdrucks vorliegt. In dieser Weiterbildung kann die Brennkraftmaschine vorteilhaft einen Verarbeitungsaufwand der Überwachungseinrichtung reduzieren, da bereits aus wenigen Werten für den Zylinderdruck des Zylinders, die den ermittelten zeitlichen Verlauf der Zylinderdruckdaten darstellen, auf die aktuelle Zylinderdruckkurve geschlossen werden kann. Hierbei wird besonders vorteilhaft ein bekannter charakteristischer Verlauf von Zylinderdruckkurven berücksichtigt. Insbesondere kann durch die Brennkraftmaschine gemäß dieser Weiterbildung auf einen maximalen Zylinderdruck geschlossen werden, ohne dass die Messung des Zylinderdrucks in derartig kleinen zeitlichen Abständen stattfinden muss, dass der maximale Zylinderdruck tatsächlich gemessen wird.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Brennkraftmaschine weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass
- - die Überwachungseinrichtung eine Speichereinheit aufweist, die mit der Analyseeinheit verbunden ist und die ausgebildet ist, vorbestimmte Soll-Druckdaten zu speichern, die eine Soll-Druckverlaufskurve des Motors kennzeichnen, wobei
- - die Analyseeinheit ausgebildet ist, auf die vorbestimmten Soll-Druckdaten zuzugreifen und die vorbestimmten Soll-Druckdaten als adäquate Referenz für den Vergleich des Symptoms genutzt wird.
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In dieser Weiterbildung kann vorteilhaft ein Unterschied zwischen einer sich aus den ermittelten Zylinderdruckdaten ergebenden aktuellen Druckverlaufskurve und der Soll-Druckverlaufskurve bestimmt werden. Hierdurch können vorteilhaft für das Bestimmen, ob Symptome eine signifikante verhältnismäßige Größe haben, lediglich diejenigen Symptome untersucht werden, die sich aus deutlichen Abweichungen zur Soll-Druckverlaufskurve ergeben. In einer besonders vorteilhaften Variante dieser Weiterbildung, wurden die vorbestimmten Soll-Druckdaten zu einem früheren Zeitpunkt von der Analyseeinheit der Brennkraftmaschine aus Zylinderdruckdaten des jeweiligen Zylinders während eines fehlerfreien Zustands des Motors bestimmt. Dies ermöglicht die Verwendung einer Soll-Druckverlaufskurve, die an den jeweiligen Motor, insbesondere an den jeweiligen Zylinder des Motors angepasst ist.
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In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der Brennkraftmaschine ist die Analyseeinheit ausgebildet, zu ermitteln, ob eine Anomalie des Zylinderdrucks vorliegt, basierend auf einem Erkennen einer Verringerung eines symptomatischen maximalen Zylinderdruck des Zylinders im Vergleich zu einer die adäquate Referenz bildenden früheren Messung des Zylinderdrucks. Aus der Verringerung des maximalen Zylinderdrucks des Zylinders kann auf eine Fehlfunktion des Einlassventils geschlossen werden. Ein sich dynamisch verringernder maximaler Zylinderdruck kann insbesondere durch ein undichtes Ventil, beispielsweise aufgrund von Ablagerungen im Brennraum, verursacht werden.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Weiterbildung der Brennkraftmaschine ist die Analyseeinheit ausgebildet, zu ermitteln, ob eine Anomalie des Zylinderdrucks vorliegt, basierend auf einem Erkennen einer Verschiebung einer symptomatischen zeitlichen Lage eines maximalen Zylinderdrucks relativ zu einem die adäquate Referenz bildenden oberen Totpunkt der Brennkraftmaschine hin zu einem negativen Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine. Der negative Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine liegt im Bereich einer linken Flanke, oder einlaufenden Flanke der sich bei fehlerfreier Funktion des Motors ergebenden Zylinderdruckverlaufskurve. Verschiebt sich der maximale Zylinderdruck folglich zur negativen Kurbelwinkeln, bedeutete dies, dass bevor der entsprechende Kolben des Zylinders seinen oberen Totpunkt erreicht hat, ein maximaler Druck in dem Verbrennungsraum des Zylinders entsteht. Hierdurch wird eine Fehlfunktion des Einlassventils des Zylinders erkannt und entsprechend das Vorliegen einer Anomalie ermittelt.
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In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der Brennkraftmaschine ist die Analyseeinheit ausgebildet, zu ermitteln, ob eine Anomalie des Zylinderdrucks vorliegt, basierend auf einem Erkennen einer Verringerung eines symptomatischen indizierten Mitteldrucks des Zylinders im Vergleich zu einer die adäquate Referenz bildenden früheren Messung des indizierten Mitteldrucks. Der indizierte Mitteldruck ergibt sich bekanntermaßen aus dem Verhältnis von indizierte Arbeit, die durch den Zylinder verrichtet wird, und vorliegendem Hubvolumen. Das Ermitteln eines im Vergleich zu einer früheren Messung verringerten indizierten Mitteldrucks zeigt eine Fehlfunktion des Einlassventils des entsprechenden Zylinders an.
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Zusätzlich oder alternativ ist die Analyseeinheit der Brennkraftmaschine in einer Weiterbildung ausgebildet, zu ermitteln, ob eine Anomalie des Zylinderdrucks vorliegt, basierend auf einem Erkennen einer Verringerung eines symptomatischen minimalen Zylinderdrucks nach einem Erreichen eines oberen Totpunkts der Brennkraftmaschine im Vergleich zu einem die adäquate Referenz bildenden minimalen Zylinderdruck vor einem oberen Totpunkt der Brennkraftmaschine. Eine Verringerung des minimalen Zylinderdrucks nach einer Kompression unter ein Niveau, das vor dieser Kompression erreicht wurde, zeigt eine fehlerhafte Kompression innerhalb des Zylinders an. Hierbei kann auf einem Defekt eines Ventils an dem entsprechenden Zylinder geschlossen werden, falls die Verringerung eine signifikante verhältnismäßige Größe im Vergleich zu dem Niveau vor der Kompression hat, also keine bauteilbedingten Schwankungen vorliegen, die auch im Falle eines funktionierenden Zylinders vorliegen würden.
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In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der Brennkraftmaschine ist die Analyseeinheit ausgebildet, zu ermitteln, ob eine Anomalie des Zylinderdrucks vorliegt, basierend auf einem Erkennen einer starken Vergrößerung einer symptomatischen Krümmung einer auslaufenden Flanke einer sich aus dem zeitlichen Verlauf der Zylinderdruckdaten ergebenden Zylinderdruckkurve nach einem oberen Totpunkt der Brennkraftmaschine. Eine derart starke Vergrößerung einer Krümmung einer auslaufenden Flanke, also einer rechten Flanke, führt zu einem charakteristischen Knick in einem entsprechenden Zylinderdruckverlauf. Ein solcher Knick, also eine stark vergrößerte Krümmung, ergibt sich typischerweise durch eine Umkehr einer Strömungsrichtung aufgrund von Druckdifferenzen zwischen Brennraum und Ladeluftrohr an dem Zylinder. Mit zunehmender Fehlfunktion eines Einlassventils des Zylinders verschiebt sich dieser Knick zu kleineren Kurbelwinkeln. Bereits durch den Knick kann auf das Vorliegen der entsprechenden Anomalie, also einer Fehlfunktion des Einlassventils, geschlossen werden. Aus einer Lage des Knicks kann wiederum auf ein Ausmaß der Anomalie, also auf einen Grad der Fehlfunktion des Ventils geschlossen werden.
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In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Weiterbildung der Brennkraftmaschine ist die Analyseeinheit ausgebildet, aus einer Verringerung eines symptomatischen Grades an Symmetrie einer sich aus dem zeitlichen Verlauf der Zylinderdruckdaten ergebenden Zylinderdruckkurve bezüglich eines oberen Totpunktes der Brennkraftmaschine zu ermitteln, ob eine Anomalie des Zylinderdrucks vorliegt. Bei einem korrekt eingestellten Einlassventil ist typischerweise eine Achsensymmetrie im Zylinderdruckverlauf bezüglich dem oberen Totpunkt der Brennkraftmaschine erkennbar, wenn der Motor entweder geschleppt wird oder die Zylinderabschaltung aktiviert ist. Ein geringer Grad an Symmetrie, also eine gewisse Asymmetrie, innerhalb der sich aus dem zeitlichen Verlauf der Zylinderdruckdaten ergebenden Zylinderdruckkurve, lässt eine Fehlfunktion, insbesondere ein nicht korrekt eingestelltes Einlassventil erkennen. Hierbei wird die adäquate Referenz durch ein bei fehlerfreiem Motor typischerweise vorliegendes Maß an Asymmetrie in der Zylinderdruckkurve gebildet.
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Weiterhin ist die Analyseeinheit in einer Weiterbildung ausgebildet, basierend auf den Zylinderdruckdaten und auf einem vorbestimmten Hubvolumen des Zylinders der Brennkraftmaschine für mindestens zwei verschiedene Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine, einen symptomatischen aktuellen Polytropen-Exponent des Zylinders der Brennkraftmaschine zu bestimmen und dadurch zu ermitteln, ob eine Anomalie des Zylinderdrucks vorliegt. Die adäquate Referenz ist in dieser Weiterbildung ein vorbestimmter Polytropen-Exponent des entsprechenden Zylinders, auf den die Analyseeinheit zugreifen kann. Der Polytropen-Exponent ist derjenige Exponent n, für den gilt p·Vn = const, wobei p der gemessene Zylinderdruck und V des spezifische Volumen des Gases in dem Zylinder sind. Der Polytropen-Exponent n ist gleich 1 für einen isothermen Prozess, gleich 0 für einen isobaren Prozess, und sehr groß für einen isochoren Prozess. Aus dem Wert des Zylinderdruckes bei zwei verschiedenen Schnittstellen kann direkt auf den vorliegenden Polytropen-Exponent geschlossen werden, wobei vorzugsweise als Stützstellen 100° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt sowie 64° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt der Brennkraftmaschine gewählt werden. Unterscheidet sich der Polytropen-Exponent von dem vorbestimmten Polytropen-Exponent liegt ein Kompressionsfehler vor. Ein solcher Kompressionsfehler kann durch eine Fehlfunktion der Ventile und/oder des Kolbenringes des Zylinders verursacht werden.
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In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der Brennkraftmaschine ist die Analyseeinheit ausgebildet, zu ermitteln, ob eine Anomalie des Zylinderdrucks vorliegt, basierend auf einer Analyse eines durch den zeitlichen Verlauf der Zylinderdruckdaten gebildeten symptomatischen Druckverlaufsmusters zum Zeitpunkt eines Schließens eines Einlass- und/oder Auslassventils. Das Schließen des Einlass oder Auslassventils lässt sich durch charakteristische hochfrequente Zylinderdruckschwingungen bei einem jeweiligen vorbestimmten Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt der Brennkraftmaschine feststellen. Fehlen eine solche hochfrequenten Zylinderdruckschwingungen, oder fällt sie deutlich geringer aus als dies typischerweise der Fall ist, kann auf ein falsch eingestelltes Einlassventil und/oder entsprechend auf ein falsch eingestelltes Auslassventil geschlossen werden. Insbesondere kann auf eine derartige falsche Einstellung geschlossen werden, falls eine stetige Zylinderdruckverlaufskurve aus den gemessenen Zylinderdruckdaten erhalten wird, die keine charakteristischen hochfrequenten Zylinderdruckschwingungen anzeigt. Derartige plötzliche Abweichungen von einem konstanten Druck, wie sie im Falle von fehlerfreien Ventilen vorliegt, können besonders gut automatisiert, insbesondere mittels eines Computers automatisiert, bestimmt werden. Weiterhin erlaubt die Brennkraftmaschine gemäß dieser Weiterbildung ein Feststellen, ob ein Defekt des Einlass- oder Auslassventils des entsprechenden Zylinders vorliegt. Weiterhin kann durch Lage und Größe der charakteristischen hochfrequenten Zylinderdruckschwingungen bei dem entsprechenden Kurbelwinkel auf ein Ventilspiel des jeweiligen Ventils des Zylinders geschlossen werden. So führt ein verringertes Ventilspiel dazu, dass ein Ventil früher öffnet und später schließt, im Vergleich zu einem nicht verringerten Ventilspiel. Aus der Lage der charakteristischen hochfrequenten Zylinderdruckschwingungen, kann bestimmt werden, ob ein vorliegendes Ventilspiel eines Ventils des Zylinders einem vor einem Betrieb des Zylinders vorbestimmten Ventilspiel entspricht. Weiterhin kann die Analyseeinheit zusätzlich zu dem Vorliegen einer Anomalie zusätzlich oder alternativ ein Ventilspiel für Einlass- und/oder Auslassventil des Zylinders ausgeben. Hierdurch kann eine durchzuführende Wartung besonders effektiv ausgeführt werden, da bereits Angaben zu dem vorliegenden Ventilspiel existieren. Insbesondere kann durch das Ermitteln einer Anomalie des Ventilspiels, also beispielsweise eines fehlerhaft großen Ventilspiels, eine präventive Wartung des entsprechenden Zylinders durchgeführt werden, ehe ein Schaden an dem Motor entstehen konnte.
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In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der Brennkraftmaschine ist die Analyseeinheit ausgebildet, bei Vorliegen einer Anomalie zusätzlich eine Analyse eines durch den zeitlichen Verlauf der Zylinderdruckdaten gebildeten symptomatischen Druckverlaufsmusters zum Zeitpunkt eines Schließens eines Einlass- und/oder Auslassventils des Zylinders auszuführen und basierend darauf der Anomalie eine Anomalieursache zuzuordnen, insbesondere zu unterscheiden, ob ein Defekt eines Ventils oder eines Kolbenrings vorliegt. Bei festgestelltem Vorliegen einer Anomalie am Zylinder, liegt typischerweise ein mechanischer Defekt von einem der Ventile oder einem der Kolbenringe des Zylinders vor. Falls eine Anomalie an einem Zylinder festgestellt wurde, jedoch auch die für ein Schließen des Einlass oder Auslassventils typischen charakteristischen hochfrequenten Zylinderdruckschwingungen festgestellt wurden, kann daher auf einen mit großer Wahrscheinlichkeit vorliegenden Kolbenringdefekt geschlossen werden. Diese Weiterbildung erlaubte besonders vorteilhaft eine Unterscheidung zwischen zwei verschiedenen Fehlerursachen am Zylinder. Dies ermöglicht die Feststellung einer Anomalieursache, ohne dass hierfür ein Auseinanderbauen des Motors oder eine manuelle Untersuchung des Motors notwendig sind.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung liegt eine Kombination von mindestens zwei der beschriebenen Weiterbildungen vor. Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine dabei ausgebildet, verschiedene Eigenschaften des zeitlichen Verlaufs der Zylinderdruckdaten, also verschiedene Symptome durch die Analyseeinheit untersuchen zu können, so dass aufgrund mehrerer Symptome mit signifikanter verhältnismäßiger Größe auf einen Defekt und/oder eine Fehlfunktion eines Bauteils des Zylinders geschlossen werden kann. Insbesondere ist die Brennkraftmaschine in einer Weiterbildung ausgebildet, erst bei einem Vorliegen von mehreren Symptomen mit signifikanter verhältnismäßiger Größe das Vorliegen einer Anomalie zu bestätigen. Hierdurch können Fehler der Überwachungseinrichtung besonders zuverlässig vermieden werden.
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In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der Brennkraftmaschine ist die Analyseeinheit ausgebildet, ein Ausgabesignal auszulösen, falls ein Vorliegen einer Anomalie des Zylinderdrucks ermittelt wird. Das Auslösen eines Ausgabesignals ermöglicht eine schnelle Reaktion auf die Anomalie, also auf ein Fehlverhalten des Zylinders, beispielsweise durch einen Hersteller und/oder Nutzer der Brennkraftmaschine. Hierdurch kann ein Folgeschaden an dem Zylinder vermieden werden.
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In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der Brennkraftmaschine zeigt die Analyseeinheit an, an welchem Zylinder aus der Anzahl von Zylindern das Vorliegen einer Anomalie des Zylinderdrucks ermittelt wurde. Hierdurch ist bereits bei Vorliegen des Ausgabesignals klar, welcher Zylinder im Rahmen einer Wartung repariert werden muss, und an wie vielen Zylindern ein Fehlverhalten, also eine Anomalie, vorliegt. Beispielsweise kann das Ausgabesignal anzeigen ob ein Zylinder der A-Seite oder ein Zylinder der B-Seite betroffen ist. Beispielsweise kann das Ausgabesignal weiter anzeigen, welcher Zylinder der A-Seite oder der B-Seite betroffen ist, wie etwa durch das Anzeigen der Information B6 für eine Anomalie an dem sechsten Zylinder der B-Seite des Motors.
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Vorzugsweise zeigt das Ausgabesignal weiterhin eine Motoridentifikationsnummer an, die eine Zuordnung des Ausgabesignals zu dem das Ausgabesignal auslösenden Motor ermöglicht. Hierdurch kann beispielsweise ein Hersteller der Brennkraftmaschine sofort die Anomalie, die für einen Motor festgestellt wurde, nach Art und Ausmaß angesichts des für den konkreten Motors vorliegenden Verwendungszwecks beurteilen, insbesondere beurteilen, ob ein Nutzer über die Fehlfunktion der Brennkraftmaschine informiert werden sollte.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung zeigt das Ausgabesignal neben dem Vorliegen der Anomalie auch eine Anomalieursache an, insbesondere ob ein Defekt eines Ventils oder eines Kolbenrings vorliegt. Die Brennkraftmaschine aus dieser Weiterbildung ermöglicht besonders vorteilhaft eine detaillierte Feststellung, welches Bauteil eines Zylinders im Rahmen einer Wartung repariert und/oder ausgetauscht werden muss. Hierdurch kann eine Wartung der Brennkraftmaschine besonders effektiv gestaltet werden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Brennkraftmaschine weist die Überwachungseinrichtung weiterhin eine Steuereinheit auf, die ausgebildet ist, ein Messen des Zylinderdrucks durch den jeweiligen Zylinderdrucksensor und/oder ein Ermitteln des Vorliegens einer Anomalie durch die Analyseeinheit in regelmäßigen zeitlichen Abständen auszulösen. Im Rahmen dieser Weiterbildung kann besonders vorteilhaft der Überwachungsaufwand durch den Nutzer und/oder Hersteller der Brennkraftmaschine reduziert werden. Insbesondere kann die Überwachung derart automatisiert werden, dass kein manuelles Auslösen einer Aktivierung der Überwachungseinrichtung notwendig ist. Die regelmäßigen zeitlichen Abstände sind typischerweise ein vorbestimmtes Zeitintervall, wie beispielsweise alle 10 Sekunden, alle 5 Minuten, jede Stunde, alle 2 Stunden. Die Überwachung des Zylinderdrucks eines jeden einzelnen Zylinders der Brennkraftmaschine kann dabei zu jedem Arbeitsspiel erfolgen. Weiterhin können die regelmäßigen zeitlichen Abstände durch ein den Motor betreffendes Ereignis gebildet werden, wie beispielsweise einen Start eines Betriebs der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine oder einem Beenden eines Betriebs einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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In einer weiteren Weiterbildung weist die Brennkraftmaschine weiterhin eine Warnvorrichtung mit einer Sendeeinheit auf, wobei die Warnvorrichtung mit der Analyseeinheit verbunden ist und ausgebildet ist, bei Vorliegen einer Anomalie des Zylinderdrucks ein Ausgabesignal zu erzeugen und über die Sendeeinheit auszugeben, insbesondere an ein externes Überwachungsgerät eines Herstellers und/oder eines Nutzers der Brennkraftmaschine. Vorzugsweise stellt die Überwachung der Brennkraftmaschine durch die Überwachungseinrichtung mithilfe des externen Überwachungsgeräts eine Serviceleistung des Herstellers dar, der den Nutzer der Brennkraftmaschine gegebenenfalls informieren kann, falls eine erhebliche Fehlfunktion des Zylinders der Brennkraftmaschine vorliegt. Das Ausgabesignal kann insbesondere ein optisches oder akustisches Ausgabesignal sein.
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In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen eines Betriebs einer Brennkraftmaschine weist das Verfahren weiterhin ein Berechnen einer aktuellen Zylinderdruckkurve mit aktuellen Zylinderdruckkurven-Koeffizienten aus diskreten Werten des ermittelten zeitlichen Verlaufs der Zylinderdruckdaten des Zylinders auf, wobei das Ermitteln, ob eine Anomalie des Zylinderdrucks vorliegt, auf der aktuellen Zylinderdruckkurve basiert.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Verfahren weiterhin den zusätzlichen Schritt eines Auslösens eines Ausgabesignals auf, falls ein Vorliegen einer Anomalie des Zylinderdrucks ermittelt wird.
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In einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens basiert das Ermitteln, ob eine Anomalie des Zylinderdrucks vorliegt, auf vorbestimmten Soll-Druckdaten als adäquate Referenz, insbesondere auf einer vorbestimmten Soll-Druckverlaufskurve.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Im Einzelnen zeigt die Zeichnung in:
- 1 eine Illustration eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, wobei eine Überwachungseinrichtung der Brennkraftmaschine eine Analyseeinheit und für jeden Zylinder des Motors einen Zylinderdrucksensor aufweist;
- 2a ein erstes Diagramm mit drei Zylinderdruckkurven und vier durch die Zylinderdruckkurven dargestellte Symptome;
- 2b ein zweites Diagramm mit drei Zylinderdruckkurven und zwei durch die Zylinderdruckkurven dargestellte Symptome;
- 2c ein drittes Diagramm mit zwei Zylinderdruckkurven und zwei durch die Zylinderdruckkurven dargestellte Symptome;
- 3 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine Illustration eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 100, wobei eine Überwachungseinrichtung 120 der Brennkraftmaschine 100 eine Analyseeinheit 140 und für jeden Zylinder 115 des Motors 110 einen Zylinderdrucksensor 130 aufweist.
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Die Überwachungseinrichtung 120 weist entsprechend der Anzahl von Zylindern 115 eine Anzahl von Zylinderdrucksensoren 130 auf, wobei jedem Zylinder aus der Anzahl von Zylindern 115 ein jeweiliger Zylinderdrucksensor 130 zugeordnet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist jedoch nur ein einziger Zylinderdrucksensor 130 dargestellt. Der zugeordnete Zylinderdrucksensor 130 ist an dem jeweiligen Zylinder 115 der Brennkraftmaschine 100 angeordnet und ausgebildet, einen Zylinderdruck des jeweiligen Zylinders 115 zu messen, dem Zylinderdruck entsprechende Zylinderdruckdaten zu bestimmen und ein die Zylinderdruckdaten anzeigendes jeweiliges Zylinderdrucksignal 135 auszugeben.
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Die Analyseeinheit 140 der Überwachungseinrichtung 120 ist ausgebildet das jeweilige Zylinderdrucksignal 135 zu empfangen, insbesondere das einem jeweiligen Zylinder 115 zugeordnete Zylinderdrucksignal 135 zu empfangen. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Brennkraftmaschine mehr als eine Analyseeinheit auf, beispielsweise eine erste Analyseeinheit für eine A-Seite des Motors und eine zweite Analyseeinheit für eine B-Seite des Motors.
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Weiterhin ist die Analyseeinheit 140 ausgebildet, aus dem zeitlichen Verlauf der Zylinderdruckdaten des jeweiligen Zylinders zylinderindividuell zu ermitteln, ob eine Anomalie des Zylinderdrucks vorliegt. Insbesondere ist die Analyseeinheit 140 ausgebildet, zylinderindividuell zu ermitteln, ob eine Anomalie des Zylinderdrucks während einer Kompressionsphase des jeweiligen Zylinders im Betrieb des Motors vorliegt. Diese Ermittlung erfolgt für jedes der von den einzelnen Zylinderdrucksensoren 130 ausgegebenen Zylinderdrucksignale 135. Hierbei können die einzelnen Zylinderdrucksignale 135 nacheinander oder parallel zueinander ausgewertet werden. Die Anomalie ist hierbei als ein im zeitlichen Verlauf der Zylinderdruckdaten auftretendes Symptom bestimmbar. Die Analyseeinheit des dargestellten Ausführungsbeispiels ist ausgebildet, aus dem zeitlichen Verlauf der Zylinderdruckdaten eine gemessene Abhängigkeit zwischen Zylinderdruck und Kurbelwinkel des jeweiligen Zylinders zu ermitteln und einzelne Merkmale dieser gemessenen Abhängigkeit als Symptom zu untersuchen. Im Rahmen einer solchen Untersuchung wird das Symptom mit einer adäquaten Referenz der Zylinderdruckdaten in Beziehung gesetzt, insbesondere verglichen. Liegt eine signifikante verhältnismäßige Größe des Symptoms im Vergleich zur adäquaten Referenz vor, also wird ein Unterschied zwischen dem Symptom und der adäquaten Referenz festgestellt, die während eines fehlerfreien Betriebs des Motors nicht wahrscheinlich ist, wird auf das Vorliegen der Anomalien, insbesondere Ausmaß und Art der Anomalie, geschlossen. Beispiele für verschiedene Symptome und adäquate Referenzen, die auf das Vorliegen einer Anomalie schließen lassen, sind im Rahmen von 2a, 2b und 2c vorgestellt.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Überwachungseinrichtung 120 weiterhin eine Speichereinheit 150 auf, die mit der Analyseeinheit 140 verbunden ist und ausgebildet ist, vorbestimmte Soll-Druckdaten zu speichern, die eine Soll-Druckverlaufskurve des Motors 110 kennzeichnen.
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Die Analyseeinheit 140 ist ausgebildet, auf die vorbestimmten Soll-Druckdaten zuzugreifen und die vorbestimmten Soll-Druckdaten für einen Vergleich mit den gemessenen Zylinderdruckdaten zu nutzen. Bei der Untersuchung einiger Symptome nutzt die Analyseeinheit 140 die vorbestimmten Soll-Druckdaten als adäquate Referenz für den Vergleich des Symptoms und in diesem Rahmen für eine Bestimmung der signifikanten verhältnismäßigen Größe des Symptoms.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Analyseeinheit 140 zusätzlich ausgebildet, aus diskreten Werten des ermittelten zeitlichen Verlaufs der Zylinderdruckdaten des Zylinders 115 eine aktuelle Zylinderdruckkurve mit aktuellen Zylinderdruckkurven-Koeffizienten zu berechnen und basierend auf der aktuellen Zylinderdruckkurve zu ermitteln, ob eine Anomalie des Zylinderdrucks vorliegt.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die auf der Speichereinheit gespeicherten vorbestimmten Soll-Druckdaten Daten, die vor einem Betrieb der Brennkraftmaschine 100 der Speichereinheit 150 zugeführt wurden. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Analyseeinheit 140 weiterhin ausgebildet, aus zu einem früheren Zeitpunkt bestimmten Zylinderdruckdaten während eines fehlerfreien Betriebs des Motors 110 eine Soll-Druckverlaufskurve des Motors 110 zu bestimmen und an die Speichereinheit 150 auszugeben.
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Schließlich weist die Brennkraftmaschine 100 eine Warnvorrichtung 160 mit einer Sendeeinheit 170 auf. Die Warnvorrichtung ist mit der Analyseeinheit 140 verbunden und ausgebildet, bei Vorliegen einer Anomalie des Zylinderdrucks ein Ausgabesignal 145 zu erzeugen und über die Sendeeinheit 170 auszugeben. Insbesondere wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel das Ausgabesignal 145 an ein externes Überwachungsgerät 180 eines Herstellers der Brennkraftmaschine 100 ausgegeben. Im Rahmen des dargestellten Ausführungsbeispiels zeigt das Ausgabesignal 145 an, an welchem Zylinder 115 aus der Anzahl von Zylindern der Brennkraftmaschine 100 das Vorliegen einer Anomalie des Zylinderdrucks ermittelt wurde. Weiterhin wird durch das Ausgabesignal 145 eine Motoridentifikationsnummer angezeigt, die eine Zuordnung des Ausgabesignals 145 zu einem das Ausgabesignal 145 auslösenden Motor 110 ermöglicht. Weiterhin zeigt das Ausgabesignal 145 an, ob ein Defekt eines Ventils oder eines Kolbenrings des entsprechenden Zylinders 115 vorliegt, falls eine solche Feststellung durch die Analyseeinheit 140 angesichts des die Anomalie anzeigenden Symptoms getroffen wurde.
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Das Ausgabesignal 145 löst einen Eintrag innerhalb einer Datenbank 185 des externen Überwachungsgeräts 180 aus, durch den der Hersteller der Brennkraftmaschine 100 informiert wird, dass einer Anomalie des Zylinderdrucks vorliegt. Der Hersteller kann daraufhin den Nutzer der Brennkraftmaschine informieren und eine Wartung der Brennkraftmaschine 100 durchführen. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Überwachungseinrichtung weiter ausgebildet, das Ausgabesignal an den Nutzer der Brennkraftmaschine auszugeben. Hierdurch kann der Nutzer besonders schnell einen Betrieb der Brennkraftmaschine einstellen, um einen weiteren Schaden der Brennkraftmaschine zu vermeiden.
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Weiterhin weist die Brennkraftmaschine 100 eine Steuereinheit 190 auf, die ausgebildet ist, ein Messen des Zylinderdrucks durch den jeweiligen Zylinderdrucksensor 130 in regelmäßigen zeitlichen Abständen auszulösen, insbesondere für jeden Zylinderdrucksensor 130 auszulösen. Hierdurch kann ein Aufwand der Überwachung der Brennkraftmaschine 100 für den Nutzer in besonderem Maße reduziert werden. Insbesondere kann auf ein manuelles Auslösen einer Aktivierung der Überwachungseinrichtung 120 gänzlich verzichtet werden.
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2a zeigt ein erstes Diagramm 200 mit drei Zylinderdruckkurven K1, K2 und K3 und fünf durch die Zylinderdruckkurven dargestellte Symptome.
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Auf der x-Achse 210 des ersten Diagramms 200 ist der Kurbelwinkel KW von -360° bis 360° dargestellt, wobei 0° den oberen Totpunkt der Brennkraftmaschine, an der die Zylinderdruckkurven gemessen wurden, darstellt. Über der y-Achse 220 des ersten Diagramms 200 ist ein gemessener Zylinderdruck in bar dargestellt.
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Für einen fehlerfreien Motor mit funktionierendem Ventil und 0,3 mm Ventilspiel am Einlassventil wurde die Kurve K1 gemessen, die einen höchsten maximalen Zylinderdruck p1_max bei 0° Kurbelwinkel KW1_max zeigt. Die Kurve K2 wurde für einen Zylinder mit einem Einlassventil, das derart eingestellt war, dass es im geschlossenen Zustand 1 mm geöffnet war, gemessen, die einen verringerten maximalen Zylinderdruck p2_max zeigt, der bei ca. 25° Kurbelwinkel KW2_max vor dem Totpunkt der Brennkraftmaschine liegt. Schließlich wurde die Zylinderdruckkurve K3 für einen Zylinder mit einem Einlassventil , das derart eingestellt war, dass es im geschlossenen Zustand 2 mm geöffnet war, gemessen, die einen weiter verringerten maximalen Zylinderdruck p3_max zeigt, der bei ca. 35° Kurbelwinkel KW3_max vor dem Totpunkt der Brennkraftmaschine liegt, und folglich weiter verschoben ist gegenüber K1 als der Kurbelwinkel des maximalen Zylinderdrucks der Kurve K2.
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Der maximale Zylinderdruck p1_max, p2_max, p3_max des durch einen Zylinderdrucksensor untersuchten Zylinders stellt ein Symptom dar, durch das auf das Vorliegen einer Anomalie, also einer Fehlfunktion des Motors, geschlossen werden kann. So zeigt ein sinkender maximaler Zylinderdruck p2_max, p3_max gemäß den Kurven K2 und K3 eine signifikant verhältnismäßige Größe des maximalen Zylinderdrucks im Vergleich zu einem maximalen Zylinderdrucks bei fehlerfreiem Zylinder, wie in K1 dargestellt. Die Analyseeinheit ist hierbei dazu ausgebildet, aufgrund der großen Differenz zwischen dem maximalen Zylinderdruck der in Kurve K1 erreicht wird und den maximalen Zylinderdrücken, die in den Kurven K2 und K3 erreicht werden, auf das Vorliegen einer Anomalie, insbesondere auf das Vorliegen einer Fehlfunktion eines Einlassventils des Zylinders zu schließen und anzuzeigen.
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Weiterhin zeigt das Verschieben des Kurbelwinkels KW1_max, KW2_max, KW3_max, an dem der maximale Zylinderdruck erreicht wird, angesichts der Kurven K1, K2 und K3, dass eine Fehlfunktion des Einlassventils vorliegt. Der Kurbelwinkel, der bei maximalem Zylinderdruck erreicht wird, stellt in diesem Sinne ein Symptom dar, das mit einer adäquaten Referenz für den Kurbelwinkel bei maximalem Zylinderdruck verglichen werden muss, um das Vorliegen einer Anomalie, also einer Fehlfunktion des Motors feststellen zu können.
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Zusätzlich oder alternativ zu einer Untersuchung des maximalen Zylinderdrucks zeigt auch der jeweils indizierte Mitteldruck der Kurven K1, K2 und K3, dass eine Fehlfunktion eines Ventils vorliegt, da der indizierte Mitteldruck der Kurven K2 und K3 deutlich unterhalb eines indizierten Mitteldrucks eines fehlerfreien Zylinders gemäß Kurve K1 liegt.
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Die Kurve K1 zeigt einen zeitlichen Verlauf typischer Zylinderdruckdaten im Rahmen eines fehlerfreien Betriebs einer Brennkraftmaschine. Daher kann die Kurve K1 als Soll-Druckverlaufskurve des Motors oder von Motoren mit vergleichbaren Betriebsparametern genutzt werden, um bei deutlicher Abweichung zu der Kurve K1 auf das Vorliegen einer Anomalie schließen zu können. Ob eine deutliche Abweichung oder Differenz zu den Zylinderdruckdaten der Kurve K1 vorliegt, wird insbesondere im Kurbelwinkel-Bereich einer erhöhten Kompression, also eines erhöhten Zylinderdrucks untersucht. So kann die Form der durch die gemessenen Zylinderdruckdaten erhaltenen Zylinderdruckkurve ein Symptom sein, das man mit einer Soll-Druckverlaufskurve gemäß K1 als adäquate Referenz vergleicht. Ein solcher Vergleich kann beispielsweise durch ein Ermitteln der Fläche zwischen beiden Kurven erfolgen.
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Weiterhin können charakteristische hochfrequente Zylinderdruckschwingungen bei einem Kurbelwinkel, von dem bekannt ist, dass das Auslassventil an diesem Kurbelwinkel schließt, ein funktionsfähiges Auslassventil anzeigen. So zeigen K1, K2 und K3 in einem in 2a dargestellten Diagrammausschnitt 230 ein deutliches Verringern des gemessenen Zylinderdrucks um mehr als 0,2 bar an dem vorbestimmten Kurbelwinkel KW AV von -350° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt der Brennkraftmaschine, wodurch auf ein funktionsfähiges Auslassventil geschlossen werden kann.
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2b zeigt ein zweites Diagramm 250 mit den drei Zylinderdruckkurven K1, K2 und K3 und zwei durch die Zylinderdruckkurven dargestellte Symptome.
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Das zweite Diagramm 250 mit der x-Achse 210 und der y-Achse 220 zeigte wiederum die gleichen Kurven K1, K2 und K3, wobei die x-Achse 210 des zweiten Diagramms 250 den Kurbelwinkel zwischen -200° Kurbelwinkel und 200° Kurbelwinkel anzeigt.
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2b macht deutlich, dass ein weiteres Symptom ein Grad an Symmetrie von einlaufender und auslaufender Flanke um den oberen Totpunkt der Brennkraftmaschine darstellt. Während die Kurve K1 nahezu perfekt symmetrisch um den oberen Totpunkt der Brennkraftmaschine ist (dargestellt durch eine Symmetrieachse 260), zeigen die Kurven K2 und K3 einen hohen Grad an Asymmetrie bezüglich dargestellter potentieller Symmetrieachsen 262, 264, der auf eine Fehlfunktion eines Ventils des Zylinders schließen lässt. Während eine gewisse Asymmetrie im Rahmen baulicher Ungenauigkeiten stets anzutreffen ist, geht im Rahmen einer Fehlfunktion des überwachten Zylinders die Symmetrie in einem signifikanten unverhältnismäßigen Maße verloren, verglichen mit einer baulich bedingten Asymmetrie als adäquate Referenz.
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Weiterhin können charakteristische hochfrequente Zylinderdruckschwingungen bei einem Kurbelwinkel KW EV, von dem bekannt ist, dass das Einlassventil an diesem Kurbelwinkel schließt, ein funktionsfähiges Einlassventil anzeigen. Ein dargestellter Diagrammausschnitt 270 des zweiten Diagramms 250 zeigt, dass lediglich die Kurve K1, von der bekannt ist, dass das Einlassventil bei -184° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt der Brennkraftmaschine schließt, ein deutliches sprunghaftes Absenken des Zylinderdruckes um mehr als 0,5 bar bei diesem Kurbelwinkel KW EV zeigt. Die Kurven K2 und K3 zeigen hingegen kein solches Absenken, so dass auf ein nicht fehlerfreies Schließen der Einlassventile der gemäß der Kurven K2 und K3 gemessenen Zylinder entschieden werden kann.
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Aus der Form der Kurven, die sich bei einem Schließen der Einlass- und/oder Auslassventile der Zylinder des Motors ergeben, kann zusätzlich oder alternativ auf ein vorliegendes Ventilspiel der entsprechenden Ventile geschlossen werden. So zeigt die Kurve K1 ein Ventilspiel von 0,3 mm. Sollte ein Ventilspiel von 0 mm vorliegen oder nahe 0 mm, würde das Ventil dagegen immer früher öffnen und später schließen, was anhand der Kurve durch einen späteren Abfall des Zylinderdruckes erkennbar wäre. Mithin bildet eine Lage des charakteristischen Musters für das Schließen des Einlassventils und/oder des Auslassventils ein weiteres Symptom, durch das auf eine Anomalie, nämlich ein gegebenenfalls zu großes Ventilspiel, geschlossen werden kann.
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2c zeigt ein drittes Diagramm 280 mit der x-Achse 210 und der y-Achse 220, mit den zwei Zylinderdruckkurven K2 und K3 und zwei durch die Zylinderdruckkurven dargestellte Symptome.
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Das dritte Diagramm 280 zeigte die Kurven K2 und K3, die bereits aus dem ersten und zweiten Diagramm bekannt sind.
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Als weiteres Symptom für ein fehlerhaft funktionierendes Einlassventil zeigen die Kurven K2 und K3 einen sprunghaften Anstieg einer Krümmung, der sich in einem jeweiligen Knick 284, 288 der gemessenen Zylinderdruckkurve bemerkbar macht. Die Kurve K2 zeigt diesen Knick 284 bei etwa 10° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt. Die Kurve K3 zeigt diesen Knick 288 bei etwa -15° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt jedoch auf einer auslaufenden Flanke der entsprechenden Zylinderdruckkurve.
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Ein derartiger Knick 284, 288 und/oder ein Verschieben des Knickes 284, 288 im Laufe der Zeit zu niedrigeren Kurbelwinkel, stellt ein Symptom dar, durch das auf das Vorliegen einer Anomalie, nämlich eines fehlerhaften Zylinderventils, geschlossen werden kann.
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Zusätzlich oder alternativ kann eine Anomalie des Zylinderdrucks auch basierend darauf ermittelt werden, dass ein minimaler Zylinderdruck p2_min, p3_min nach einem Erreichen eines oberen Totpunkts der Brennkraftmaschine im Vergleich zu einem die adäquate Referenz bildenden minimalen Zylinderdruck vor dem oberen Totpunkt der Brennkraftmaschine verringert ist. Die Kurve K2 zeigt eine deutliche Verringerung des minimalen Zylinderdrucks p2_min im Vergleich zu einem minimalen Zylinderdrucks vor dem oberen Totpunkt der Brennkraftmaschine. K3 lässt einen derart verringerten minimalen Zylinderdrucks p3_min ebenfalls erkennen.
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Vorzugsweise ist die Analyseeinheit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ausgebildet, verschiedene Symptome einer aktuellen sich aus dem zeitlichen Verlauf der Zylinderdruckdaten ergebenden Zylinderdruckkurve durch einen Vergleich mit einer adäquaten Referenz auszuwerten. Durch verschiedene Anzeichen einer Anomalie, nämlich mehrere Symptome, die eine signifikante verhältnismäßige Größe im Vergleich zu einer adäquaten Referenz aufweisen, kann diese Anomalie besonders verlässlich angezeigt werden.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens 300.
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Das erfindungsgemäße Verfahren 300 zum Überwachen eines Betriebs einer Brennkraftmaschine mit einer Anzahl von Zylindern weist die im Folgenden erläuterten vier Verfahrensschritte 310, 320, 330, 340 auf.
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Ein erster Verfahrensschritt 310 umfasst ein Messen eines jeweiligen Zylinderdrucks für alle Zylinder der Brennkraftmaschine.
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In einem nächsten Verfahrensschritt 320 werden entsprechende Zylinderdruckdaten bestimmt und ein die Zylinderdruckdaten anzeigendes Zylinderdrucksignal ausgegeben.
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Ein darauffolgender Verfahrensschritt 330 umfasst ein Empfangen des jeweiligen Zylinderdrucksignals und ein zylinderindividuelles Ermitteln, ob eine Anomalie des Zylinderdrucks vorliegt, anhand eines zeitlichen Verlaufs der Zylinderdruckdaten, wobei die Anomalie bestimmbar ist als ein im zeitlichen Verlauf der Zylinderdruckdaten auftretendes Symptom, wobei das Symptom verglichen wird mit einer adäquaten Referenz der Zylinderdruckdaten, und wobei aus einer signifikanten verhältnismäßigen Größe des Symptoms im Vergleich zur adäquaten Referenz auf das Vorliegen der Anomalie, insbesondere Ausmaß und Art der Anomalie, geschlossen wird.
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In einem weiteren Verfahrensschritt 340 wird die ermittelte Anomalie einem Zylinder des Motors zugeordnet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren führt die Verfahrensschritte 310, 320 und 330 vorzugsweise wiederholt in regelmäßigen zeitlichen Abständen aus, zumindest bis eine Anomalie ermittelt wird oder der Betrieb der Brennkraftmaschine eingestellt wird.
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Im Rahmen des letzten Verfahrensschrittes 340 wird vorzugsweise auch das Vorliegen der Anomalie zusammen mit dem zugeordneten Zylinder des Motors angezeigt. Dieses Anzeigen führt typischerweise zu einem Auslösen eines Ausgabesignals, durch das ein Hersteller und/oder ein Nutzer der Brennkraftmaschine darüber informiert werden, das eine präventive Wartung empfohlen wird, insbesondere zum Austauschen oder zur Wartung von Ventilen oder Kolbenringen des Motors.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Brennkraftmaschine
- 110
- Motor
- 115
- Zylinder
- 120
- Überwachungseinrichtung
- 130
- Zylinderdrucksensor
- 135
- Zylinderdrucksignal
- 140
- Analyseeinheit
- 145
- Ausgabesignal
- 150
- Speichereinheit
- 160
- Warnvorrichtung
- 170
- Sendeeinheit
- 180
- externes Überwachungsgerät
- 185
- Datenbank
- 190
- Steuereinheit
- 200
- erstes Diagramm
- 210
- x-Achse
- 220
- y-Achse
- 230
- Diagrammausschnitt des ersten Diagramms
- 250
- zweites Diagramm
- 260
- Symmetrieachse
- 262, 264
- potentielle Symmetrieachse
- 270
- Diagrammausschnitt des zweiten Diagramms
- 280
- drittes Diagramm
- 284, 288
- Knick
- 300
- Verfahren
- 310, 320, 330 340
- Schritte des Verfahrens
- p1_max
- maximaler Zylinderdruck der Kurve K1
- p2_max
- maximaler Zylinderdruck der Kurve K2
- p3_max
- maximaler Zylinderdruck der Kurve K3
- p2_min
- minimaler Zylinderdruck nach oberen Totpunkt der Kurve K2
- p3_min
- minimaler Zylinderdruck nach oberen Totpunkt der Kurve K3
- K1, K2, K3
- Zylinderdruckkurve
- KW1_max
- Kurbelwinkel bei maximalem Zylinderdruck der Kurve K1
- KW2_max
- Kurbelwinkel bei maximalem Zylinderdruck der Kurve K2
- KW3_max
- Kurbelwinkel bei maximalem Zylinderdruck der Kurve K3
- KW_AV
- vorbestimmter Kurbelwinkel für Schließen des Auslassventils
- KW EV
- vorbestimmter Kurbelwinkel für Schließen des Einlassventils
