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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren mit dem ein jeweiliger Drucksensor, der zur Druckmessung im Luft-Ansaugtrakt oder im Abgas-Auslasstrakt eines Verbrennungsmotors angeordnet ist auf seine fehlerfreie Funktion, insbesondere im Hinblick auf dessen dynamisches Verhalten, überprüft werden kann, um einen störungsfreien und insbesondere in Bezug auf den Schadstoffausstoß gesetzeskonformen Betrieb des jeweiligen Verbrennungsmotors über die gesamte Betriebsdauer hinweg sicher zu stellen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Motor-Steuerungseinheit, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
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Hubkolben-Verbrennungsmotoren, die im Rahmen dieser Beschreibung verkürzt auch nur als Verbrennungsmotoren bezeichnet werden, weisen ein oder mehrere Zylinder auf in denen jeweils ein Hubkolben angeordnet ist. Zur Veranschaulichung des Prinzips eines Hubkolben-Verbrennungsmotors wird im Folgenden Bezug auf 1 genommen, die beispielhaft einen Zylinder eines ggf. auch mehrzylindrigen Verbrennungsmotors mit den wichtigsten Funktionseinheiten darstellt.
Der jeweilige Hubkolben 6 ist linear beweglich im jeweiligen Zylinder 2 angeordnet und schließt mit dem Zylinder 2 einen Brennraum 3 ein. Der jeweilige Hubkolben 6 ist über ein sogenanntes Pleuel 7 mit einem jeweiligen Hubzapfen 8 einer Kurbelwelle 9 verbunden, wobei der Hubzapfen 8 exzentrisch zur Kurbelwellendrehachse 9a angeordnet ist. Durch die Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum 3 wird der Hubkolben 6 linear „abwärts“ angetrieben. Die translatorische Hubbewegung des Hubkolbens 6 wird mittels Pleuel 7 und Hubzapfen 8 auf die Kurbelwelle 9 übertragen und in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle 9 umgesetzt, die den Hubkolben 6 nach Überwindung eines unteren Totpunktes im Zylinder 2 wieder in Gegenrichtung „aufwärts“ bis zu einem oberen Totpunkt bewegt. Um einen kontinuierlichen Betrieb des Verbrennungsmotors 1 zu ermöglichen muss während eines sogenannten Arbeitsspiels eines Zylinders 2 zunächst der Brennraum 3 mit dem Kraftstoff-Luft-Gemisch befüllt, das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum 3 verdichtet, dann gezündet und zum Antrieb des Hubkolbens 6 expandierend verbrannt werden und schließlich das nach der Verbrennung verbleibende Abgas aus dem Brennraum 3 ausgeschoben werden. Durch kontinuierliche Wiederholung dieses Ablaufs ergibt sich ein kontinuierlicher Betrieb des Verbrennungsmotors 1 unter Abgabe einer zur Verbrennungsenergie proportionalen Arbeit.
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Je nach Motorkonzept ist ein Arbeitsspiel des Zylinders 2 in zwei über eine Kurbelwellenumdrehung (360°) verteilte Takte (Zweitaktmotor) oder in vier über zwei Kurbelwellenumdrehungen (720°) verteilte Takte (Viertaktmotor) gegliedert.
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Als Antrieb für Kraftfahrzeuge hat sich bis heute der Viertaktmotor durchgesetzt. In einem Ansaugtakt wird, bei Abwärtsbewegung des Hubkolbens 6, Kraftstoff-Luft-Gemisch oder auch nur Frischluft (bei Kraftstoff-Direkteinspritzung) aus dem Luft-Ansaugtrakt 20 in den Brennraum 3 eingebracht. Im folgenden Verdichtungstakt wird, bei Aufwärtsbewegung des Hubkolbens 6, das Kraftstoff-Luft-Gemisch oder die Frischluft im Brennraum 3 verdichtet sowie ggf. separat Kraftstoff mittels eines, zu einem Kraftstoff-Zuführsystem gehörenden, Einspritzventils 5 direkt in den Brennraum 3 eingespritzt. Im folgenden Arbeitstakt wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels einer Zündkerze 4 gezündet, expandierend verbrannt und bei Abwärtsbewegung des Hubkolbens 6 unter Abgabe von Arbeit entspannt. Schließlich wird in einem Ausschiebetakt, bei erneuter Aufwärtsbewegung des Hubkolbens 6, das verbleibende Abgas aus dem Brennraum 3 in den Abgastrakt 30 ausgeschoben.
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Die Abgrenzung des Brennraumes 3 zum Luft-Ansaugtrakt 20 oder Abgastrakt 30 des Verbrennungsmotors erfolgt in der Regel und insbesondere bei dem hier zugrungegelegten Beispiel über Einlassventile 22 und Auslassventile 32. Die Ansteuerung dieser Ventile erfolgt nach heutigem Stand der Technik über mindestens eine Nockenwelle. Das gezeigte Beispiel verfügt über eine Einlassnockenwelle 23 zur Betätigung der Einlassventile 22 und über eine Auslassnockenwelle 33 zur Betätigung der Auslassventile 32. Zwischen den Ventilen und der jeweiligen Nockenwelle sind zumeist noch weitere, hier nicht dargestellte, mechanische Bauteile zur Kraftübertragung vorhanden, die auch einen Ventilspielausgleich beinhalten können (z.B. Tassenstößel, Kipphebel, Schlepphebel, Stößelstange, Hydrostößel etc.).
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Der Antrieb der Einlassnockenwelle 23 und der Auslassnockenwelle 33 erfolgt über den Verbrennungsmotor 1 selbst. Hierzu werden die Einlassnockenwelle 23 und die Auslassnockenwelle 33 jeweils über geeignete Einlassnockenwellen-Steueradapter 24 und Auslassnockenwellen-Steueradapter 34, wie zum Beispiel Zahnräder, Kettenräder oder Riemenräder mithilfe eines Steuergetriebes 40, das zum Beispiel ein Zahnradgetriebe, eine Steuerkette oder einen Steuerzahnriemen aufweist, in vorgegebener Lage zueinander und zur Kurbelwelle 9 über einen entsprechenden Kurbelwellen-Steueradapter 10, der entsprechend als Zahnrad, Kettenrad oder Riemenrad ausgebildet ist, mit der Kurbelwelle 9 gekoppelt. Durch diese Verbindung ist die Drehlage der Einlassnockenwelle 23 und der Auslassnockenwelle 33 in Relation zur Drehlage der Kurbelwelle 9 prinzipiell definiert. In 1 ist beispielhaft die Kopplung zwischen Einlassnockenwelle 23 und der Auslassnockenwelle 33 und der Kurbelwelle 9 mittels Riemenscheiben und Steuerzahnriemen dargestellt.
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Der über ein Arbeitsspiel zurückgelegte Drehwinkel der Kurbelwelle wird im Weiteren als Arbeitsphase oder einfach nur Phase bezeichnet. Ein innerhalb einer Arbeitsphase zurückgelegter Drehwinkel der Kurbelwelle wird dem entsprechend als Phasenwinkel bezeichnet. Der jeweils aktuelle Kurbelwellen-Phasenwinkel der Kurbelwelle 9 kann mittels eines mit der Kurbelwelle 9 oder dem Kurbelwellen-Steueradapter 10 verbundenen Lagegebers 43 und einem zugeordneten Kurbelwellen-Lagesensor 41 laufend erfasst werden. Dabei kann der Lagegeber zum Beispiel als Zähnerad mit einer Mehrzahl von äquidistant über den Umfang verteilt angeordneten Zähnen ausgeführt sein, wobei die Anzahl der einzelnen Zähne die Auflösung des Kurbelwellen-Phasenwinkelsignals bestimmt.
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Ebenso können ggf. zusätzlich die aktuellen Phasenwinkel der Einlassnockenwelle 23 und der Auslassnockenwelle 33 mittels entsprechender Lagegeber 43 und zugeordneter Nockenwellenlagesensoren 42 laufend erfasst werden.
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Da sich der jeweilige Hubzapfen 8 und mit ihm der Hubkolben 6, die Einlassnockenwelle 23 und mit ihr das jeweilige Einlassventil 22 sowie die Auslassnockenwelle 33 und mit ihr das jeweilige Auslassventil 32 durch die vorgegebene mechanische Kopplung in vorgegebener Relation zueinander und in Abhängigkeit von der Kurbelwellendrehung bewegen, durchlaufen diese Funktionskomponenten synchron zur Kurbelwelle die jeweilige Arbeitsphase. Die jeweiligen Drehlagen der Einlassnockenwelle, der Auslassnockenwelle sowie der Kurbelwelle und die Hubpositionen von Hubkolben 6, Einlassventilen 22 und Auslassventilen 32 können so, unter Berücksichtigung der jeweiligen Übersetzungsverhältnisse, auf den durch den Kurbelwellen-Lagesensor 41 vorgegebenen Kurbelwellen-Phasenwinkel der Kurbelwelle 9 bezogen werden. Bei einem idealen Verbrennungsmotor ist somit jedem bestimmten Kurbelwellen-Phasenwinkel ein bestimmter Hubzapfenwinkel HZW (2), ein bestimmter Kolbenhub, ein bestimmter Einlassnockenwellenwinkel und somit ein bestimmter Einlassventilhub sowie ein bestimmter Auslassnockenwellenwinkel und somit ein bestimmter Auslassventilhub zuordenbar. Das heißt alle genannten Komponenten befinden sich bzw. bewegen sich in Phase mit der sich drehenden Kurbelwelle 9.
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Bei modernen Verbrennungsmotoren 1 können innerhalb der mechanischen Koppelstrecke zwischen Kurbelwelle 9 und Einlassnockenwelle 23 sowie der Auslassnockenwelle 33 jedoch zusätzliche Stellglieder vorhanden sein, zum Beispiel integriert in den Einlassnockenwellenadapter 24 und den Auslassnockenwellenadapter 34, die einen gewünschten steuerbaren Phasenversatz zwischen der Kurbelwelle 9 und Einlassnockenwelle 23 sowie der Auslassnockenwelle 33 bewirken. Diese sind als sogenannte Phasensteller bei sogenannten variablen Ventiltrieben bekannt.
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Symbolisch ist auch eine elektronische, programmierbare Motor-Steuerungseinheit 50 (CPU) zur Steuerung der Motorfunktionen dargestellt, das mit Signal-Eingängen 51 zur Entgegennahme der vielfältigen Sensorsignale und mit Signal- und Leistungs-Ausgängen 52 zur Ansteuerung entsprechender Stelleinheiten und Aktuatoren sowie mit einer elektronischen Recheneinheit 53 und einer zugeordneten elektronischen Speichereinheit 54 ausgestattet ist.
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Für einen optimalen Betrieb des Verbrennungsmotors (bezüglich Emissionen, Verbrauch, Leistung, Laufruhe etc.) sollte die während des Ansaugtaktes in den Brennraum eingebrachte Frischgasladung bestmöglich bekannt sein, um die weiteren Parameter für die Verbrennung, wie zum Beispiel die zuzuführende, ggf. direkt eingespritzte Kraftstoffmenge darauf abstimmen zu können. Der sogenannte Ladungswechsel, also das Ansaugen von Frischgas und das Ausschieben des Abgases ist dabei in großem Maße abhängig von den Steuerzeiten der Einlassventile 22 und Auslassventile 32, also vom zeitlichen Verlauf der jeweiligen Ventilhübe in Bezug auf den zeitlichen Verlauf des Kolbenhubs sowie von Höhe und Verlauf der Drücke im Luft-Ansaugtrakt und im Abgas-Auslasstrakt. In anderen Worten ist der Ladungswechsel im Betrieb abhängig von den Phasenlagen der Ein- und Auslassventile in Relation zum Kurbelwellen-Phasenwinkel und somit zur Phasenlage des Hubkolbens im Zusammenwirken mit dem jeweiligen Druckverlauf im Luft-Ansaugtrakt und im Abgas-Auslasstrakt.
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Stand der Technik zur Ermittlung der Frischgasladung und zur Abstimmung der Steuerparameter des Verbrennungsmotors darauf, ist die Vermessung eines sogenannten Referenz-Verbrennungsmotors in allen auftretenden Betriebszuständen, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Drehzahl, der Last, ggf. der durch Phasensteller vorgebbaren Ventilsteuerzeiten, ggf. den Betriebsparametern von Abgasturbolader oder Kompressor, etc. und die Speicherung von diesen Messwerten oder Derivaten davon oder von das Verhalten wiedergebenden Modellansätzen auf dem Motorsteuergerät eines entsprechenden Serien-Verbrennungsmotors. Alle baugleichen, in Serie produzierten Verbrennungsmotoren der gleichen Baureihe werden dann mit diesem erzeugten Referenz-datensatz betrieben.
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Eine, zum Beispiel durch Fertigungstoleranzen verursachte, Abweichung der tatsächlichen Relativpositionen zwischen Einlass- und Auslassventilen und dem Kurbelwellen-Phasenwinkel bzw. der Hubkolbenposition eines Serien-Verbrennungsmotors in Bezug auf die idealen Referenzpositionen des Referenz-Verbrennungsmotors, also eine Phasendifferenz des Einlassventilhubs, des Auslassventilhubs und gegebenenfalls des Kolbenhubs in Bezug auf den durch den Kurbelwellen-Lagesensor vorgegebenen Kurbelwellen-Phasenwinkel bzw. die Phasenlage der Kurbelwelle führt dazu, dass die tatsächlich angesaugte Frischgasladung von der als Referenz bestimmten Frischgasladung abweicht und somit die auf dem Referenz-Datensatz basierenden Steuerparameter nicht optimal sind. Auch eine Abweichung der laufenden Messwerte für den jeweiligen Druck im Luft-Ansaugtrakt und im Abgas-Auslasstrakt führt zu Fehlern bei der Ermittlung der tatsächlich angesaugten Frischgasladung. Weitere Fehlerquellen, die sich negativ auf das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors auswirken können sind zum Beispiel eine abweichende Kraftstoffzusammensetzung, abweichende Trimmung des Ansaugtraktes bzw. des Abgastraktes, abweichende Kraftstoff-Einspritzzeitpunkte, abweichende Kraftstoff-Einspritzmengen und ggf. abweichende Verdichtungsverhältnisse. Beim Betrieb des Verbrennungsmotors können sich durch diese Fehler erhebliche negative Auswirkungen bezüglich Emissionen, Verbrauch, Leistung, Laufruhe etc. ergeben.
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Mögliche Ursachen für die beschriebenen Abweichungen können z.B. sein:
- - Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen der beteiligten mechanischen Komponenten, sowie
- - Verschleißerscheinungen im Betrieb sowie
- - Verformungserscheinungen elastisch oder plastisch durch hohe mechanische Belastungszustände.
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Die bisherige Lösung der beschriebenen Problematik, gemäß dem aktuellen Stand der Technik, liegt dabei prinzipiell in der wiederkehrenden oder kontinuierlichen Ermittlung und Quantifizierung der auftretenden Abweichungen zwischen Referenz-Verbrennungsmotor und Serien-Verbrennungsmotor im laufenden Betrieb, um entsprechende Maßnahmen zur Korrektur oder Kompensation mittels Anpassung von Steuerungsparametern durchführen zu können.
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Zu weiteren Steigerung der Genauigkeit und ggf. zur Plausibilisierung und Überwachung der Ermittlung der oben genannten Abweichungen wurden in kürzerer Vergangenheit Verfahren entwickelt die unabhängig von entsprechenden Positions- und Lagesensoren arbeiten.
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Bei den oben genannten Verfahren zur wiederkehrenden oder kontinuierlichen Ermittlung der genannten Abweichungen, werden dem jeweiligen Zylinder zuordenbare dynamische Druckschwingungen im Luft-Ansaugtrakt oder im Abgas-Auslasstrakt des betreffenden Verbrennungsmotors im laufenden Betrieb gemessen und daraus ein entsprechendes Druckschwingungssignal erzeugt. Gleichzeitig wird ein Kurbelwellen-Phasenwinkelsignal ermittelt.
Unter dem Begriff „Luft-Ansaugtrakt“ oder auch einfach „Ansaugtrakt“, „Ansaugsystem“ oder „Einlasstrakt“ eines Verbrennungsmotors fasst der Fachmann dabei alle Komponenten, die der Luftzuführung zu den jeweiligen Brennräumen der Zylinder dienen und somit den sogenannten Luftpfad definieren zusammen. Dazu können zum Beispiel ein Luftfilter, ein Ansaugrohr, Ansaugkrümmer oder Verteilerrohr oder kurz Saugrohr, ein Drosselklappenventil, sowie ggf. ein Verdichter und die Ansaugöffnung im Zylinder bzw. der Einlasskanal des Zylinders gehören.
Unter dem Begriff „Abgas-Auslasstrakt“ oder auch einfach „Auslasstrakt“, „Abgastrakt“ oder „Abgas-System“ dagegen werden alle Komponenten zusammengefasst, über die das Abgas abströmt und somit den sogenannten Abgaspfad bilden, wie zum Beispiel: Die Auslassöffnung bzw. der Auslasskanal des jeweiligen Zylinders, Abgas führende Rohre, Komponenten zur Abgasrückführung, Partikelfilter, Katalysatoren und Schalldämpfer.
Aus dem Druckschwingungssignal werden mit Hilfe Diskreter-Fourier-Transformation die Phasenlage und/oder die Amplitude zumindest einer ausgesuchten Signalfrequenz der gemessenen Druckschwingungen in Bezug auf das Kurbelwellen-Phasenwinkelsignal ermittelt. Im Weiteren werden auf Basis der ermittelten Phasenlage und/oder Amplitude zumindest einer jeweiligen ausgesuchten Signalfrequenz, unter Heranziehung entsprechender Referenzwerte oder Referenz-Kennlinien, die aktuellen Werte der genannten Abweichungen ermittelt. Dazu wurden die Referenzwerte oder Referenz-Kennlinien zuvor an einem idealen Referenz-Verbrennungsmotor gleicher Bauart ermittelt und in entsprechenden Kennfeldern hinterlegt oder mittels einer jeweiligen algebraischen Modell-Funktion aktuell ermittelt.
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Auf Grundlage der ermittelten Abweichungen werden dann ggf. Korrekturen oder Adaptionen der Steuerparameter des Verbrennungsmotors, in Abhängigkeit von den ermittelten Abweichungen, im Steuergerät vorgenommen.
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So wird beispielsweise in Dokument
DE 10 2015 209 665 A1 ein Verfahren zur Identifizierung von Ventilsteuerzeiten eines Verbrennungsmotors offenbart. Dabei werden, wie oben beschrieben, die Phasenwinkel ausgesuchter Signalfrequenzen der gemessenen Druckschwingungen ermittelt. Auf Basis der ermittelten Phasenwinkel werden dann unter Heranziehung von Referenz-Phasenwinkeln und zugehöriger Referenz-Ventilsteuerzeiten gleicher Signalfrequenzen der Druckschwingungen eines Referenz-Verbrennungsmotors und/oder einer daraus hergeleiteten Modell-Funktion, die Ventilsteuerzeiten des betreffenden Verbrennungsmotors ermittelt.
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Ein weiteres Verfahren zur kombinierten Identifizierung einer Kolbenhub-Phasendifferenz, einer Einlassventilhub-Phasendifferenz und einer Auslassventilhub-Phasendifferenz eines Verbrennungsmotors ist aus Dokument
DE 10 2015 222 408 B3 bekannt. Auch hier werden mittels Diskreter-Fourier-Transformation die Phasenlagen ausgesuchter Signalfrequenzen der gemessenen Druckschwingungen im Einlass- und/oder Auslasstrakt, in Bezug auf das Kurbelwellen-Phasenwinkelsignal ermittelt. Auf dieser Basis werden in Abhängigkeit von Einlassventilhub-Phasendifferenz und Auslassventilhub-Phasendifferenz stehende Linien gleicher Phasenlagen der ausgesuchten Signalfrequenzen ermittelt und ein gemeinsamer Schnittpunkt der ermittelten Linien durch signalfrequenzabhängige Phasenverschiebung bestimmt. Aus dem ermittelten gemeinsamen Schnittpunkt werden die Einlassventilhub-Phasendifferenz und die Auslassventilhub-Phasendifferenz bestimmt und die Kolbenhub-Phasendifferenz wird bestimmt aus dem Wert der erfolgten Phasenverschiebungen.
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Die Dokumente
DE 10 2015 226 138 B3 und
DE 10 2015 226 461 A1 offenbaren jeweils ein Verfahren zur Ermittlung der Zusammensetzung des zum Betrieb eines Verbrennungsmotors verwendeten Kraftstoffes. Auch diese Verfahren basieren auf der Messung und Analyse der Druckschwingungen im Einlasstrakt des betreffenden Verbrennungsmotors mittels Diskreter-Fourier-Transformation. Hierbei wird beispielsweise zusätzlich zur ermittelten Ist-Phasenlage der ausgesuchten Signalfrequenz bei saugsynchroner Kraftstoffeinspritzung, in gleicher Weise, ohne Kraftstoffeinspritzung oder bei direkter Kraftstoffeinspritzung in den geschlossenen Brennraum, eine weitere Vergleichs-Phasenlage der ausgesuchten Signalfrequenz und die Ist-Phasenlagendifferenz zwischen beiden ermittelt. Dann wird unter Heranziehung von Referenz-Phasenlagendifferenzen der gleichen Signalfrequenz für unterschiedliche Kraftstoffzusammensetzungen, die Kraftstoffzusammensetzung des aktuell verwendeten Kraftstoffes ermittelt.
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Ein Verfahren zur Ermittlung des Einspritzbeginn-Zeitpunktes und der Einspritzmenge des Kraftstoffes im Normalbetrieb eines Verbrennungsmotors, ebenfalls auf Basis von gemessenen Druckschwingungen im Einlasstrakt des Verbrennungsmotors, ist aus Dokument
DE 10 2015 226 461 A1 bekannt.
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Weitere Verfahren, die auf Basis der Messung der dynamischen Druckschwingungen in Ansaugtrakt oder Abgastrakt und deren Analyse mittels Diskreter-Fourier Transformation basieren, wie zum Beispiel:
- - die kombinierte Identifizierung von Phasendifferenzen des Einlassventilhubs und des Auslassventilhubs eines Verbrennungsmotors;
- - die Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors;
- - die Überwachung von im Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors auftretenden Abweichungen und
- - die Ermittlung der aktuellen Trimmung des Einlasstraktes eines Verbrennungsmotors im Betrieb,
sind in den deutschen Patentoffenlegungsschriften DE 10 2016 219 584 A1 ; DE 10 2017 209 112 A1 ; DE 10 2016 222 533 A1 und DE 10 2017 209 386 A1 offenbart.
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Bei der Anwendung der oben genannten Verfahren können sich bei fehlerhaften Druckschwingungssignalen, zum Beispiel aufgrund eines Defektes oder einer mangelhaften Funktion des Drucksensors, in der Konsequenz daraus, erhebliche Verschlechterungen im Betriebsverhalten und insbesondere im Abgasverhalten des Verbrennungsmotors ergeben. Aus diesem Grund ist es wichtig und teilweise gar vom Gesetzgeber vorgeschrieben, die einwandfreie, fehlerlose Funktion solcher, das Abgasverhalten beeinflussenden Komponenten über die gesamte Betriebsdauer des jeweiligen Verbrennungsmotors sicherzustellen bzw. Fehlfunktionen im Betrieb zu erkennen.
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Weiterhin sind beispielsweise aus den Dokumenten
DE 10 2015 225 922 A1 und
DE 10 2015 224 736 A1 Verfahren zur Diagnose und zum Prüfen der Funktionsfähigkeit von Komponenten und Sensoreinrichtungen eines Kraftfahrzeugs bekannt. Dabei werden Schallsignale oder Drucksignale erfasst, beispielsweise mittels Frequenzanalyse ausgewertet, Veränderungen oder Abweichungen werden ermittlet und mit Grenzwerten verglichen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein einfaches, kostengünstiges und zuverlässiges Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels dem eine Fehlfunktion eines im Luft-Ansaugtrakt oder Abgas-Auslasstrakt eines Verbrennungsmotors angeordneten Drucksensors, im Betrieb, insbesondere in Bezug auf dessen dynamisches Verhalten, zuverlässig und zeitnah festgestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Überprüfung der Funktion eines Drucksensors im Luft-Ansaugtrakt oder Abgas-Auslasstrakt eines Verbrennungsmotors im Betrieb gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
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Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überprüfung der Funktion eines Drucksensors im Luft-Ansaugtrakt oder Abgas-Auslasstrakt eines Verbrennungsmotors im Betrieb werden die dynamischen Druckschwingungen der Ansaugluft im Luft-Ansaugtrakt oder des Abgases im Abgas-Auslasstrakt des betreffenden Verbrennungsmotors im Betrieb mittels des betreffenden Drucksensors gemessen und daraus ein entsprechendes Druckschwingungssignal erzeugt. Auf Basis dieses Druckschwingungssignals wird mit Hilfe Diskreter-Fourier-Transformation, für mehrere ausgesuchte Signalfrequenzen jeweils ein Wert eines bestimmten Betriebscharakteristikums des Verbrennungsmotors ermittelt. Durch Vergleich der ermittelten Werte mit einander werden dann Abweichungswerte der für unterschiedliche Signalfrequenzen ermittelten Werte des Betriebscharakteristikums voneinander ermittelt. Diese Abweichungswerte werden dann zur Beurteilung der Funktion des jeweiligen Drucksensors herangezogen, wobei die einwandfreie Funktion des Drucksensors bestätigt wird, wenn keiner der ermittelten Abweichungswerte einen vorgegebenen Abweichungs-Grenzwert überschreitet und wobei eine Fehlfunktion des Drucksensors diagnostiziert wird, wenn zumindest einmal mindestens einer der ermittelten Abweichungswerte einen vorgegebenen Abweichungs-Grenzwert überschreitet.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen darin, dass ohne zusätzliche Sensorik, rein auf Basis des Druckschwingungssignals des zu überprüfenden Drucksensors selbst, die Funktion dieses Drucksensors überprüft werden kann. Dazu kann zudem weitgehend auf die ohnehin im Betrieb wiederholend ausgeführten Messungen und Analysen des Druckschwingungssignals zurückgegriffen werden, was eine zeitnahe Erkennung einer Funktionsstörung des Drucksensors gewährleistet.
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Zur Analyse des Druckschwingungssignals, wird dieses einer Diskreten Fourier-Transformation (DFT) unterzogen. Dazu kann ein als Fast Fourier-Transformation (FFT) bekannter Algorithmus zur effizienten Berechnung der DFT herangezogen werden. Mittels DFT wird nun das Druckschwingungssignal in einzelne Signalfrequenzen zerlegt, die im Weiteren separat vereinfacht bezüglich ihrer Amplitude und der Phasenlage analysiert werden können.
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Im vorliegenden Fall hat sich gezeigt, dass sich Fehlfunktionen eines Drucksensors, insbesondere bei der Messung von hochdynamischen Druckschwingungen, auf die als Signalfrequenzen bezeichneten unterschiedlichen Frequenzanteile des Druckschwingungssignals, unterschiedlich auswirken. Ergeben sich also bei der Ermittlung eines bestimmten Betriebscharakteristikums auf Basis des Druckschwingungssignals stark unterschiedliche Werte für unterschiedliche Signalfrequenzen, so ist davon auszugehen, dass eine Fehlfunktion oder zumindest eine Beeinträchtigung der einwandfreien Funktion des Drucksensors vorliegt. Dies macht sich das erfindungsgemäße Verfahren zunutze, indem je ein aktueller Wert des Betriebscharakteristikums für mehrere, voneinander verschiedene Signalfrequenzen ermittelt wird und diese Werte miteinander verglichen werden. Dies kann beispielsweise durch einfache Differenzbildung zwischen jeweils zwei Werten erfolgen. Dabei kann jeweils nur der höchste Wert mit dem niedrigsten Wert oder jeder Wert mit jedem anderen Wert verglichen werden. Die so ermittelten Differenzwerte werden hier allgemein als Abweichungswerte bezeichnet. Für die zulässige maximale Größe des Abweichungswertes wird im Vorfeld, zum Beispiel bei der Spezifizierung oder einer Vermessung des jeweiligen Sensortyps, ein Abweichungs-Grenzwert festgelegt. Dieser Abweichungs-Grenzwert wird bei der Durchführung des Verfahrens zum Vergleich mit den ermittelten Abweichungswerten herangezogen, wobei die einwandfreie Funktion des Drucksensors bestätigt wird, wenn keiner der ermittelten Abweichungswerte den vorgegebenen Abweichungs-Grenzwert überschreitet und andererseits eine Fehlfunktion des Drucksensors diagnostiziert wird, wenn zumindest einmal, also zumindest bei einem Messdurchgang, mindestens einer der ermittelten Abweichungswerte oder zumindest der größte Abweichungswert den vorgegebenen Abweichungs-Grenzwert erreicht oder überschreitet.
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Eine weiterführende Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens macht sich die Erkenntnis zunutze, dass sich Fehlfunktionen eines Drucksensors sowohl auf die Phasenlage als auch auf die Amplitude der jeweiligen Signalfrequenzen unterschiedlich auswirken. Dem entsprechend ist diese Ausführung des Verfahrens dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig zu dem Druckschwingungssignal ein Kurbelwellen-Phasenwinkelsignal ermittelt wird und die Phasenlage und/oder die Amplitude der ausgesuchten Signalfrequenzen der gemessenen Druckschwingungen in Bezug auf das Kurbelwellen-Phasenwinkelsignal ermittelt werden und dass auf Basis der jeweils ermittelten Phasenlage oder Amplitude oder Phasenlage und Amplitude der jeweiligen Signalfrequenz je ein Wert eines bestimmten Betriebscharakteristikums des Verbrennungsmotors ermittelt wird.
Das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche Kurbelwellen-Phasenwinkelsignal kann mit einem mit der Kurbelwelle verbundenen Zähnerad und einem Hall-Sensor ermittelt werden. Eine solche Sensoranordnung ist ebenfalls in modernen Verbrennungsmotoren zu anderen Zwecken bereits vorhanden. Das damit erzeugte Kurbelwellen-Phasenwinkelsignal kann in einfacher Weise von dem erfindungsgemäßen Verfahren mitbenutzt werden. Dies hat den Vorteil, dass kein zusätzlicher Sensor angeordnet werden muss und so keine Zusatzkosten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verursacht werden.
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Diese Ausführung bietet sich in vorteilhafter Weise insbesondere dann an, wenn auch die Ermittlung des entsprechenden Betriebscharakteristikums auf der Phasenlage oder Amplitude oder Phasenlage und Amplitude einer jeweiligen Signalfrequenz ermittelt wird.
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In weiteren Ausführungen des Verfahrens ist das bestimmte Betriebscharakteristikum des Verbrennungsmotors eine oder mehrere der folgenden Betriebsparameter: eine Einlassventilhub-Phasenlage, eine Auslassventilhub-Phasenlage, eine Kolbenhub-Phasenlage, eine Kraftstoff-Zusammensetzung, ein Beginn-Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung, eine Einspritzmenge der Kraftstoffeinspritzung, ein Verdichtungsverhältnis der Zylinder, eine Trimmung des Einlasstraktes und ein Ventiltrieb-Abweichungswert. Zur Ermittlung dieser genannten Betriebsparameter auf Basis des im Luft-Ansaugtrakt oder Abgas-Auslasstrakt ermittelten Druckschwingungssignals wird hier auf die Offenbarung der einleitend zum Stand der Technik genannten Dokumente verwiesen, in denen die einzelnen Verfahren im Detail erläutert werden.
Bei der Heranziehung mehrerer der genannten Betriebsparameter als Betriebscharakteristikum, kann beispielsweise nach der Ermittlung eines über den Abweichungs-Grenzwert hinausgehenden ersten Abweichungswertes eines bestimmten ersten Betriebscharakteristikums zunächst noch ein weiterer Abweichungswert auf Basis eines weiteren bestimmten Betriebscharakteristikums ermittelt werden, um den ersten Abweichungswert zu bestätigen.
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Die Vorteile der Verwendung der genannten Betriebsparameter als Betriebscharakteristikum liegen darin, dass diese Betriebsparameter ohnehin laufend im Betrieb ermittelt werden und sich der Zusatzaufwand für die Überprüfung der Funktion des Drucksensors somit sehr niedrig gehalten werden kann.
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In vorteilhafter Weise entsprechen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die ausgesuchten Signalfrequenzen der Ansaugfrequenz als Grundfrequenz oder 1. Harmonische und den weiteren vielfachen, also der 2. bis n. der sogenannten „Harmonischen“ der Ansaugfrequenz des Verbrennungsmotors. Dabei steht die Ansaugfrequenz wiederum in eindeutigem Zusammenhang mit der Drehzahl des Verbrennungsmotors.
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Für diese ausgesuchten Signalfrequenzen kann dann beispielsweise, unter Heranziehung eines parallel erfassten Kurbelwellen-Phasenwinkelsignals, die in diesem Zusammenhang als Phasenwinkel bezeichnete Phasenlage und die Amplitude der ausgesuchten Signalfrequenzen in Bezug auf den Kurbelwellen-Phasenwinkel ermittelt werden.
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Hierdurch ergeben sich besonders eindeutige und somit gut auszuwertende Ergebnisse bei der Ermittlung des jeweiligen bestimmten Betriebscharakteristikums, wodurch eine hohe Genauigkeit der Ergebnisse gewährleitet werden kann.
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Vorteilhaft kann das Verfahren, wie auch die einzelnen Verfahren zur Ermittlung der genannten Betriebsparameter, auf einer elektronischen programmierbaren Motor-Steuerungseinheit (CPU) des betreffenden Verbrennungsmotors ausgeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass kein separates Steuer- oder Rechengerät erforderlich ist und die Algorithmen des Verfahrens in die entsprechenden Abläufe der Motor-Steuerprogramme, und insbesondere in die Algorithmen zur Ermittlung der Betriebsparameter eingebunden werden können.
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In weiterer Ausgestaltung der vorausgehend erläuterten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einer Motor-Steuerungseinheit wird, sofern eine Fehlfunktion des Drucksensors diagnostiziert wird, mittels der Motor-Steuerungseinheit der Verbrennungsmotor in einer Notlauf-Betriebsart weiter betrieben oder ein Notstop des Verbrennungsmotors eingeleitet. Alternativ oder ergänzend dazu wird eine Fehlermeldung ausgegeben, die beispielsweise einem Fahrzeugführer signalisiert, dass der Drucksensor als defekt erkannt worden ist.
So wird in vorteilhafter Weise sicher gestellt, das der jeweilige Verbrennungsmotor nicht mit auf einem fehlerhaften Druckschwingungssignal des entsprechenden Drucksensors basierenden fehlerhaften Stellgrößen betrieben wird, die eine Einhaltung der Emissionsgrenzen nicht gewährleisten können.
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Die erfindungsgemäße Motor-Steuerungseinheit zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, weist zumindest eine elektronische Recheneinheit, zumindest eine elektronische Speichereinheit, mehrere Signaleingänge und mehrere Signalausgänge auf. Optional kann die elektronische Recheneinheit auch mehrere separat oder in Kombination arbeitende Recheneinheiten und Speichereinheiten aufweisen. Dabei ist in zumindest einer der elektronischen Recheneinheiten und/oder in der elektronischen Speichereinheiten ein Programmcode und Berechnungsparameter hinterlegt, zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer der beschriebenen Ausführungen, mittels der Motor-Steuerungseinheit, während des bestimmungsgemäßen Betriebs des Verbrennungsmotors.
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Vorteil der erfindungsgemäßen Motor-Steuerungseinheit ist es, dass der Programmcode und Berechnungsparameter zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unmittelbar eingebettet werden können in die Routinen und Programmabläufe zur Steuerung der Betriebs des Verbrennungsmotors und dass gleichfalls keine separaten Steuerungseinheiten erforderlich werden.
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Eine detaillierte Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im Weiteren unter Zuhilfenahme der Figuren.
Es zeigen:
- 1: Eine vereinfachte Schemazeichnung zur Erläuterung des Aufbaus und der Funktion eines Hubkolben-Verbrennungsmotors.
- 2: Ein vereinfachtes Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
- 3: Ein weiter detaillierter Ausschnitt aus dem vereinfachten Blockdiagramm gemäß 1 zur weiter detaillierten Darstellung einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Funktions- und Benennungsgleiche Teile sind in den Figuren durchgängig mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die in 1 dargestellte Schemazeichnung zur Erläuterung des Aufbaus und der Funktion eines Hubkolben-Verbrennungsmotors wurde bereits einleitend beschrieben. Es ist jedoch anzumerken, dass die dargestellte Motor-Steuerungseinheit 50, zumindest eine elektronische Recheneinheit 53, zumindest eine elektronische Speichereinheit 54, mehrere Signaleingänge 51 und mehrere Signalausgänge 52, die auch durch Leistungsausgänge ergänzt werden können, aufweist. Weiterhin sind in der elektronischen Recheneinheit 53 und/oder in der elektronischen Speichereinheit 54 ein Programmcode und Berechnungsparameter hinterlegt, mittels der die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie vorausgehend beschrieben, mittels der Motor-Steuerungseinheit 50, während des bestimmungsgemäßen Betriebs des Verbrennungsmotors erfolgt.
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2 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm, bei dem die wesentlichen Verfahrensschritten in den einzelnen Blöcken zusammengefasst dargestellt sind.
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Zu Beginne werden dynamische Druckschwingungen der Ansaugluft im Luft-Ansaugtrakt 20 und/oder des Abgases im Abgas-Auslasstrakt 30 des betreffenden Verbrennungsmotors 1 mittels des betreffenden Drucksensors 44 im Betrieb gemessen und daraus ein entsprechendes Druckschwingungssignal DS_S erzeugt, was durch den mit B1 gekennzeichneten Block dargestellt ist.
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In dem mit D2 gekennzeichneten Block findet dann auf Basis des Druckschwingungssignals DS_S, mit Hilfe Diskreter-Fourier-Transformation DFT, die Ermittlung der Werte des ausgesuchten Betriebscharakteristikums Emtlg_BChk_W1...X statt, was durch Block B2 dargestellt ist. Dabei wird auf Basis des Druckschwingungssignals DS_S mit Hilfe Diskreter-Fourier- -Transformation DFT, für mehrere ausgesuchte Signalfrequenzen SF1, SF2 bis SFX (auch SF1...X) jeweils ein Wert des bestimmten Betriebscharakteristikums BChk_W1, BChk_W2 bis BChk_WX (auch BChk_W1...X) des Verbrennungsmotors 1 ermittelt. Die einzelnen ermittelten Werte des Betriebscharakteristikums, BChk_W1, BChk_W2 bis BChk_WX, werden in 2 durch die Blöcke B3.1, B3.2 bis B3.X dargestellt.
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Als bestimmtes Betriebscharakteristikum kann einer oder mehrere Betriebsparameter herangezogen werden, die auf Basis des gleichen Druckschwingungssignals DS_S ermittelt werden, nach einem der einleitend genannten Verfahren aus dem Stand der Technik. So kann beispielsweise eine Einlassventilhub-Phasenlage, eine Auslassventilhub-Phasenlage oder eine Kolbenhub-Phasenlage als bestimmtes Betriebscharakteristikum genutzt werden, die beispielsweise mit einem der im Stand der Technik offenbarten Verfahren ermittelt werden können. Auch eine Kraftstoff-Zusammensetzung, ein Beginn-Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung, eine Einspritzmenge der Kraftstoffeinspritzung, ein Verdichtungsverhältnis der Zylinder, eine Trimmung des Einlasstraktes und ein Ventiltrieb-Abweichungswert, ermittelt gemäß den Verfahren, die in den Eingangs genannten Schutzrechtsdokumenten offenbart sind, können als bestimmtes Betriebscharakteristikum genutzt werden.
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Werden beispielsweise mehrere der oben genannten Betriebsparameter aus dem Druckschwingungssignal DS_S des zu überprüfenden Drucksensors 44 ermittelt, so bietet es sich an, das erfindungsgemäße Verfahren auf Basis dieser mehreren Betriebsparameter als jeweiliges Betriebscharakteristikum durchzuführen und die Ergebnisse zur Verifizierung bzw. Bestätigung des Einzel-Ergebnisses abzugleichen. So können ggf. Fehlbeurteilungen aufgrund von sogenannten Ausreißer-Messwerten vermieden werden.
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Im weiteren Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt nunmehr die Ermittlung sogenannter Abweichungswerte Emtlg_Aw_W1...Y der für unterschiedliche Signalfrequenzen SF1...X ermittelten Werte des Betriebscharakteristikums BChk_W1...X voneinander, was durch Block B4 symbolisiert wird. Dies kann beispielsweise erfolgen durch Vergleich, insbesondere Differenzbildung jeweils zweier ermittelter Werte. Dabei können beispielsweise zunächst die am weitesten voneinander entfernten Werte ermittelt und die Differenz dieser beiden Werte gebildet werden. Wodurch ein maximaler Abweichungswert gefunden ist. Oder es werden alle ermittelten Werte des Betriebscharakteristikums BChk_W1...X mit jeweils allen anderen Werten des Betriebscharakteristikums verglichen, was mehrere Abweichungswerte Aw_W1, Aw_W2 bis Aw_WY (auch Aw_W1...Y) ergibt, die in 2 beispielhaft durch die mit B4.1, B4.2 bis B4.Y bezeichneten Blöcke dargestellt ist.
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Im weiteren Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt nun ein jeweiliger Vergleich der ermittelten Abweichungswerte Aw_W1, Aw_W2 bis Aw_WX mit einem vorgegebenen Abweichungs-Grenzwert Aw_Gw dahingehend, ob zumindest einer der ermittelten Abweichungswerte Aw_W1, Aw_W2 bis Aw_WX den Abweichungs-Grenzwert Aw_Gw erreicht oder überschreitet Aw_W1...X ≥ Aw_Gw. Dies ist in Block B5 veranschaulicht.
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Der Abweichungsgrenzwert Aw_Gw wurde dazu im Vorfeld des bestimmungsgemäßen Betriebs des Verbrennungsmotors 1 beispielsweise empirisch oder rechnerisch ermittelt und in der, auch in 2 dargestellten elektronischen Speichereinheit 54 der Motor-Steuerungseinheit 50 (CPU) hinterlegt. Auf der gleichen Motor-Steuerungseinheit 50 kann ebenso das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden, das dort in Form von Programmcode hinterlegt ist.
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Auf Grundlage des Ergebnisses des vorgenannten Vergleichs Aw_W1...X ≥ Aw_Gw, erfolgt eine Bestätigung der einwandfreien Funktion des Drucksensors 44, DSens=ok, wie in Block B6 dargestellt, wenn keiner der ermittelten Abweichungswerte Aw_W1...Y einen vorgegebenen Abweichungs-Grenzwert Aw_Gw erreicht oder überschreitet.
Dagegen wird eine Fehlfunktion DSens_Ffkt des Drucksensors (44) diagnostiziert, wie in Block B7 dargestellt, wenn zumindest einmal mindestens einer der ermittelten Abweichungswerte Aw_W1...Y einen vorgegebenen Abweichungs-Grenzwert Aw_Gw erreicht oder überschreitet.
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In Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dann, sofern eine Fehlfunktion DSens_Ffkt des Drucksensors 44 diagnostiziert wurde, mittels des Motor-Steuergeräts 50 der Verbrennungsmotor 1 in eine Notlauf-Betriebsart Nt-Btb umgeschaltet und weiter so betrieben werden, wie in Block B8.1 dargestellt, oder es kann ein Notstop des Verbrennungsmotors 1, Nt_stop, eingeleitet werden, wie in Block B8.2 dargestellt. Ebenso wird wahlweise alternativ oder ergänzend dazu eine Fehlermeldung (Info_Sig) ausgegeben, wie durch Block B8.3 dargestellt, die beispielsweise einem Fahrzeugführer signalisiert, dass der Drucksensor als defekt erkannt wurde.
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3 zeigt einen weiter detaillierter Ausschnitt aus dem vereinfachten Blockdiagramm gemäß 1 zur weiter detaillierten Darstellung einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei ist mittels des Blocks B1.1 dargestellt, dass gleichzeitig zu dem Druckschwingungssignal DS-S ein Kurbelwellen-Phasenwinkelsignal Kw_Pw ermittelt wird. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines ohnehin am Verbrennungsmotor vorgesehenen Kurbelwellen-Lagesensors 41, wie in 1 dargestellt.
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Weiterhin ist in 3 der Block B2 weiter detailliert, um durch die Blöcke B2.1, B2.2 bis B2.X darzustellen, dass für die ausgesuchten Signalfrequenzen SF1, SF2 bis SFX (auch SF1...X) des gemessenen Druckschwingungssignals DS_S jeweils die Phasenlage Ph11, Ph12 bis Ph1X (auch Ph11...X) und/oder die Amplitude Ampl, Amp2 bis AmpX (auch Amp1...X) der ausgesuchten Signalfrequenzen SF1...X in Bezug auf das Kurbelwellen-Phasenwinkelsignal Kw_Pw_S ermittelt werden. Auf Basis der jeweils ermittelten Phasenlage Phl1...X oder Amplitude Amp1...X oder Phasenlage Phl1...X und Amplitude Amp1...X der jeweils eine Wert eines bestimmten Betriebscharakteristikums BChk_W1...X des Verbrennungsmotors 1 für die jeweilige Signalfrequenz SF1...X ermittelt wird.
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Nochmal in Kürze zusammengefasst, betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überprüfung der Funktion eines Drucksensors im Luft-Ansaugtrakt oder Abgas-Auslasstrakt eines Verbrennungsmotors im Betrieb sowie eine Motor-Steuerungseinheit zur Durchführung des Verfahrens und basiert darauf, dass dynamische Druckschwingungen der Ansaugluft im Luft-Ansaugtrakt oder des Abgases im Abgas-Auslasstrakt des betreffenden Verbrennungsmotors im Betrieb mittels des betreffenden Drucksensors gemessen werden, und auf Basis des erhaltenen Druckschwingungssignals mit Hilfe Diskreter-Fourier-Transformation für mehrere ausgesuchten Signalfrequenzen jeweils ein Wert eines bestimmten Betriebscharakteristikums des Verbrennungsmotors sowie Abweichungswerte der für die unterschiedlichen Signalfrequenzen ermittelten Werte voneinander ermittelt werden. In Abhängigkeit davon, ob ermittelte Abweichungswerte einen vorgegebenen Grenzwert unter- oder überschreiten, wird die einwandfreie Funktion des Drucksensors bestätigt oder eine Fehlfunktion des Drucksensors diagnostiziert.
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Hierdurch gelingt es, eine einwandfreie Funktion des Drucksensors zu überwachen und im Versagensfall entsprechende Maßnahmen einzuleiten, die eine Fehlfunktion des Verbrennungsmotors und einen ggf. darauf basierenden erhöhten Schadstoffausstoß verhindern.
