DE102018209253A1 - Fourier-Diagnose eines Ladungswechselverhaltens eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Diagnosemittel zur Diagnose eines Ladungswechselverhaltens eines Verbrennungsmotors (1) mit mehreren Zylindern (Z1-Z4), gekennzeichnet durch die Schritte: Ermitteln eines Drehzahlverlaufs (101) des Verbrennungsmotors, Ermitteln einer Ausprägung wenigstens einer Ladungswechselkenngröße (A) mittels einer Fourier-Transformation aus dem ermittelten Drehzahlverlauf (101), und Zuordnen eines Abweichungstyps zu dem Drehzahlverlauf (101).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Diagnosemittel zur Diagnose eines Ladungswechselverhaltens eines Verbrennungsmotors, sowie einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern mit einem solchen Diagnosemittel.
• Unrunder Motorlauf und Verbrennungsaussetzer sind ein grundsätzliche Problem bei Verbrennungsmotoren, die zumindest zu einem fehlerhaften Aufbau des Vortriebs-Drehmoments führen können. Dass ein fehlerhafter Drehmomentaufbau vorliegt, lässt sich regelmäßig an der Ausgangsgröße der Motordrehzahl - sprich an der Drehzahlentwicklung der Kurbelwelle - auslesen.
• Allerdings reicht das reine Wissen um das Vorliegen irgendeines Fehlers zumeist nicht aus, um Abhilfe zu schaffen. Für die Behebung des Fehlers ist eine eindeutige Diagnose der Fehlfunktion notwendig, wobei die Ursachen für Verbrennungsaussetzer und/oder unrunden Motorlauf extrem unterschiedlich sein können.
• Eine genaue Diagnose ist mit gegenwärtigen Diagnosesysteme sehr komplex und benötigt diverse Informationen aus verschiedenen Teilsystemen des Verbrennungsmotors. Schon eine Unterscheidung mechanischer Probleme im Zylinder (beispielsweise in der Gleitpaarung) einerseits und von Problemen in der Gasfüllung (Ladungswechsel) oder im Luftpfad andererseits sind bei einem Werkstattbesuch des Kunden mit dem funktionsbeeinträchtigten Motor schwierig.
• Ein Werkstattbesuch mit einem unrund laufenden Motor kann für den Kunden daher unerfreulich bzgl. der Erfolgswahrscheinlichkeit einer zutreffenden ersten Diagnose sein.
• Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Identifizierung einer Fehlerursache für unrunden (also gegenüber einem Soll verändertem) Motorlauf und/oder Verbrennungsaussetzer zu ermöglichen, und insbesondere eine verbesserte Diagnose eines Ladungswechselverhaltens eines Verbrennungsmotors mit mehreren Zylindern bereitzustellen.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Diagnose eines Ladungswechselverhaltens eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen von Anspruch 1, ein Diagnosemittel zur Diagnose eines Ladungswechselverhaltens eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen von Anspruch 7, sowie einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen von Anspruch 10. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Diagnose eines Ladungswechselverhaltens eines Verbrennungsmotors mit mehreren Zylindern bereitgestellt, das insbesondere zur Identifizierung einer Fehlerursache für unrunden Motorlauf und/oder Verbrennungsaussetzer geeignet ist. Das Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf:
• a) Ermitteln eines Drehzahlverlaufs des Verbrennungsmotors. Unter einem Drehzahlverlauf ist vorliegend insbesondere eine Entwicklung der Drehzahl über einen Kurbelwinkel des Kurbeltriebs des Verbrennungsmotors und/oder über die Zeit zu verstehen. Insbesondere wird gemäß einer Ausführung eine zeitlich und/oder über den Kurbelwinkel fein aufgelöster Verlauf der Drehzahl über ein vorbestimmtes Diagnose-Zeitfenster ermittelt. Dieses Diagnose-Zeitfenster ist vorzugsweise ein Arbeitsspiel des Verbrennungsmotors, also insbesondere zwei Umdrehungen des Kurbeltriebs bzw. derjenige Kurbelwinkel oder Zeitabschnitt, in welchem jeder der Zylinder des Verbrennungsmotors alle Takte des Viertakt-Prozesses durchläuft. Als Diagnose-Zeitfenster können aber auch mehrere Arbeitsspiele vorgesehen sein.
• b) Ermitteln einer Ausprägung wenigstens einer Ladungswechselkenngröße mittels einer Fourier-Transformation aus dem ermittelten Drehzahlverlauf. Als Ladungswechselkenngröße kann beispielsweise eine Amplitude einer bestimmten, mittels der Fourier-Transformation ermittelten Motorordnung und/oder eine Amplitudendifferenz zwischen einer ermittelten und einer vorbestimmten, beispielsweise in einem Betriebsmodell hinterlegten Amplitude sein.
• c) Zuordnen eines Abweichungstyps zu dem Drehzahlverlauf in Abhängigkeit von der ermittelten Ausprägung der Ladungswechselkenngröße. Unter einem Abweichungstyp ist vorliegend eine vorbestimmte Ausprägung des Drehzahlverlaufs und/oder der Fourier-Transformation des Drehzahlverlaufs zu verstehen, die einem bestimmten Fehlertyp zugeordnet ist, der zu verändertem Motorlauf und/oder Verbrennungsaussetzern führt. Insbesondere sind dabei unterschiedliche vorbestimmte Drehzahlverläufe und/oder Fourier-Transformationen des Drehzahlverlaufs verschiedenen Abweichungstypen, wie beispielsweise einer Leckage im Ansaugluftsystem, zugeordnet.Gemäß einer Ausführung werden zum Zuordnen des Abweichungstyps folgende Schritte durchgeführt:
• c1) Vergleich der ermittelten Ausprägung der Ladungswechselkenngröße mit vorbestimmten Ausprägungen der Ladungswechselkenngröße, die verschiedenen Abweichungstypen zugeordnet sind. Insbesondere erfolgt ein Soll-Ist-Vergleich zwischen der ermittelten Ausprägung und zuvor ermittelten Ausprägungen, die als stellvertretend für verschiedene bestimmte - einen unrunden Motorlauf und/oder Verbrennungsaussetzer nach sich ziehende - Fehlertypen angesehen werden.
• c2) Zuordnung eines Abweichungstyps zu dem Drehzahlverlauf (101) entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs. Insbesondere wird ein Abweichungstyp zugeordnet, wenn der Vergleich eine - nach fachüblichen Überlegungen festzulegende - hinreichende Übereinstimmung zwischen der ermittelten Ausprägung und einer vorbestimmten Ausprägung der Ladungswechselkenngröße ergeben hat.
• Gemäß einer Ausführung werden zum Ermitteln des Vergleichsergebnisses folgende Schritte durchgeführt:
• c2.i) Bildung einer Differenz zwischen der ermittelten Ausprägung und der vorbestimmten Ausprägung. Insbesondere kann für einen oder mehrere Betriebspunkte des Verbrennungsmotors eine mittels der Fourier-Transformation eine Motorordnungs-Analyse durchgeführt und die ermittelte Amplitude für eine bestimmte Unterordnung einer vorbestimmten Amplitude für einen bestimmten Abweichungstyp bzw. Fehlertyp im Sinne einer Differenzbildung gegenübergestellt werden.
• c2.ii) Zuordnung eines Abweichungstyps zu dem Drehzahlverlauf, wenn die Differenz einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, der insbesondere einen bestimmten Abweichungstyp zugeordnet ist. Insbesondere kann für mehrere Betriebspunkte eines Betriebsfelds jeweils ermittelt werden, ob eine Amplitudendifferenz einen Schwellenwert überschreitet.
• Ergebnis ist dann insbesondere eine grobe Aussage darüber, in welchen Bereich die Fehlerursache für den unrunden Motorlauf und/oder den Verbrennungsaussetzer fällt; beispielsweise kann als Ergebnis des Verfahrens unterschieden werden, ob die Abweichung bzw. der Fehler einer Kolbenreibung, einer Aufbereitung eines Verbrennungsgemischs oder einer Zuführung von Frischluft und/oder rückgeführtem Abgas zugeordnet werden kann. Darüber hinaus können durch ein Ausschlussverfahren auch Bereiche der Fehlerursache benannt werden, wo der Fehler nicht zu vermuten ist.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Diagnosemittel zur, insbesondere Onboard-, Diagnose eines Ladungswechselverhaltens eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Viertakters, mit mehreren, insbesondere vier, Zylindern bereitgestellt, welches insbesondere zur Identifizierung einer Fehlerursache für unrunden Motorlauf und/oder Verbrennungsaussetzer dient. Das Diagnosemittel weist zumindest eine Erfassungseinheit auf, die dazu eingerichtet ist, eine Drehzahl einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zu erfassen, insbesondere eine entsprechende Sensoreinheit und/oder einen Zugriff auf ein hinterlegtes, geeignetes Betriebsmodell.
• Ferner weist das Diagnosemittel eine Recheneinheit auf, die zumindest dazu eingerichtet ist, i) die Erfassungseinheit zu steuern. Die Recheneinheit ist zusätzlich dazu eingerichtet, ii) eine Ausprägung wenigstens einer Ladungswechselkenngröße mittels einer Fourier-Transformation aus einem ermittelten Drehzahlverlauf zu ermitteln, und
  - einen Abweichungstyp zu dem Drehzahlverlauf in Abhängigkeit von der ermittelten Ausprägung der Ladungswechselkenngröße zuzuordnen.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verbrennungsmotor mit mehreren, insbesondere drei, vier oder sechs Zylindern bereitgestellt, der wenigstens ein Diagnosemittel nach einer Ausführung der Erfindung aufweist.
• Die Erfindung ist wegen der zeitgleichen Wechsel zwischen den einzelnen Takten der verschiedenen Zylinder in besonders einfacher Weise ausführbar bei einem, insbesondere als Viertakter ausgebildeten, Verbrennungsmotor mit vier Zylindern. Natürlich sind gemäß anderer Ausführungen auch andere Zylinderzahlen möglich.
• Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass die Zyklen eines Viertakt-Verbrennungsmotors (Einlass, Kompression, Arbeitszyklus, Auslass) sich zeitlich zwischen den einzelnen Zylindern überschneiden - sie treten bei verschiedenen Zylindern parallel nebeneinander auf.
• Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, eine Information bezüglich des zu vermutenden Abweichungstyps bzw. Fehlertyps unabhängig von dem Drehzahlloch und von einem einzelnen Zylinder, aber dennoch auf Basis eines Drehzahlverlaufs des Verbrennungsmotors, zu ermitteln, um weiterhin die vorhandene Fähigkeit zur Drehzahlerfassung benutzen zu können.
• Der erfindungsgemäße Ansatz, aus dem ermittelten Drehzahlverlauf des Verbrennungsmotors über eine Fourier-Transformation eine Motorordnungs-Analyse zu erstellen und dieser Ordnungsanalyse die Ladungswechselkenngröße zu entnehmen, ermöglicht zumindest für Fehlerursachen jenseits eines einzelnen Zylinders eine Zuordnung bestimmter Abweichungstypen bzw. Fehlertypen. Beispielsweise ist es mit einem solchen Verfahren möglich, auf Basis der Amplitude (als Ladungswechselkenngröße) einer bestimmten Ordnung in der ermittelten Ordnungsanalyse eine Differenz der ermittelten Amplitude und einer vorbestimmten Abweichungstyp-Amplitude, die einem bestimmten Abweichungstyp zugeordnet ist, zu ermitteln.
• Insbesondere kann dann ein Abweichungstyp zugeordnet werden, wenn der Vergleich der beiden Amplituden eine Amplitudendifferenz ergibt, die einen gewissen Schwellenwert überschreitet. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Fehler identifiziert werden, der dem Abweichungstyp einer Leckage im Ansaugluftsystem zuzuordnen ist.
• Insbesondere können verschiedene Abweichungstyp-Amplituden für unterschiedliche Abweichungstypen und/oder für verschiedene Betriebspunkte des Verbrennungsmotors jeweils in einem Betriebsmodell, beispielsweise in der Motorsteuerung, hinterlegt sein. Insbesondere können verschiedene Schwellenwerte für die anzuwendende Amplitudendifferenz für unterschiedliche Abweichungstypen und/oder für verschiedene Betriebspunkte des Verbrennungsmotors jeweils in einem Betriebsmodell, beispielsweise in der Motorsteuerung, hinterlegt sein.
• Dies erlaubt eine grobe Eingrenzung der Fehlerursache für einen unrunden Motorlauf und/oder Verbrennungsaussetzer auf diese vorbestimmten Abweichungstypen (vorliegend auch als Fehlertypen bezeichnet). Abweichungstypen bzw. Fehlertypen können zum Beispiel sein: 1) eine zu geringe oder zu hohe Füllung des Zylinders mit Frischluft und/oder rückgeführtem Abgas); 2) eine zu geringe Kompression des Zylinders; 3) eine zu hohe mechanische Reibung im Zylinder; 4) eine Vorentflammung und/oder andere irreguläre Verbrennung.
• Mit der Drehzahlerfassung wird dazu insbesondere vorhandene Sensorik (Drehzahlerfassung) mit erweiterten Funktionen genutzt. Die Fähigkeiten der vorhandenen Drehzahlerfassung am Motor, insbesondere an der Kurbelwelle, wurden bisher nicht genutzt, um eine solche Grobeinteilung der Fehlerursachen vorzunehmen.
• Mit der Erfindung ergibt sich eine deutlich leichtere Ursachenfindung für Laufunruhe-Probleme inkl. Verbrennungsaussetzer, insbesondere durch eine Identifikation des Problems in der Gasfüllung (Ladungswechsel) oder einen Ausschluss des Luftpfades.
• Eine gemäß einer Ausführung durchzuführende Online-Datenerfassung der Diagnose-Ergebnisse im Fahrbetrieb erlaubt der Werkstatt den Zugriff auf reale Fahrsituationen und damit insbesondere eine gerichtetere Abarbeitung von Service-Umfängen und/oder eine schnellere Durchführung von Wartungen. In letzter Konsequenz bedingt dies geringere Gewährleistungskosten, eine höhere Kundenzufriedenheit und/oder weniger Wiederholreparaturen.
• Diagnoseverfahren sind nach verschiedenen Ausführungen der Erfindung anhand unterschiedlicher Ladungswechselkenngrößen möglich.
• Um auf Basis eines Drehzahlverlaufs ein zuverlässiges Diagnosesignal zu erhalten, wird gemäß einer anderen Ausführung zur Ermittlung der Drehzahlentwicklung ein kontinuierlicher (d.h. insbesondere ein in sehr kleinen zeitlichen Abständen ermittelter) Drehzahlverlauf während des Diagnose-Zeitfensters ermittelt, insbesondere gemessen.
• Als Ladungswechselkenngröße kann der ermittelte Drehzahlverlauf verwendet werden.
• Die Charakteristika der derart ermittelten Fourier-Transformation, insbesondere im Frequenzbereich über die verschiedenen Motorordnungen, können anschließend mit den Charakteristika entsprechender Fourier-Transformationen verglichen werden, die bestimmten Fehlertypen zugeordnet sind.
• Diese Ausführung eines analytischen Verfahrens im Frequenzbereich kann, insbesondere ab einer mittleren Motorlast und bis zu hohen Drehzahlen, gut verwendet werden, wenn ein nennenswerter Luftmassenstrom in der Luftzuführung, also beispielsweise ein hoher Druck im Saugrohr, vorhanden ist, und basiert insbesondere auf einer Signalanalyse der Drehzahl mithilfe einer Fourieranalyse und Merkmalsbildung. Der hohe Druck muss für diese Ausführung im System vorhanden sein, da sonst auch abgasseitig kein erhöhter Gegendruck anliegt. Insbesondere wird zur Kompensation der Leckageverluste, beispielsweise in einem System mit einer Abgasturboaufladung, mehr Abgasenthalpie angefordert. Insbesondere kann eine gegebenenfalls nötige Druckanpassung durch den Wastegatesteller geregelt werden.
• Gemäß einer Ausführung wird mittels der DFT- und/oder FFT-Berechnung eine Amplitudendifferenz einer bestimmten Motorordnung ermittelt und zur Identifikation eines Abweichungstyps verwendet, insbesondere mittels eines Vergleichs der ermittelten Differenz mit hinterlegten Werten.
• Um die Diagnose vorteilhaft anhand eines Vielfachen der Grunderregerfrequenz des diagnostizierten Motors durchführen zu können, wird gemäß einer Ausführung als Ladungswechselkenngröße eine Amplitude einer bestimmten Motorordnung - bei einem Vierzylinder insbesondere die Amplitude der zwölften Motorordnung - ermittelt und zum Zuordnen eines Abweichungstyps verwendet.
• Je nachdem, ob in einem bestimmten Betriebsfall die Optimierung der benötigten Rechenleistung oder der absolute Genauigkeit im Vordergrund steht, wird gemäß unterschiedlichen Ausführungen die Ausprägung der Ladungswechselkenngröße mittels einer DFT- und/oder FFT-Berechnung ermittelt.
• Um einen ausreichenden Datensatz für eine ausreichend genaue Diagnose zu ermitteln, wird gemäß einer Ausführung der Drehzahlverlauf während eines Diagnose-Zeitfensters ermittelt wird, das insbesondere wenigstens einem Arbeitsspiel des Viertakt-Verbrennungsmotors entspricht, also wenigstens zwei Umdrehungen der Kurbelwelle.
• Gemäß einer Ausführung ist das Diagnosemittel dazu eingerichtet, zum Zuordnen des Abweichungstyps die ermittelte Ausprägung der Ladungswechselkenngröße mit vorbestimmten Ausprägungen der Ladungswechselkenngröße, die verschiedenen Abweichungstypen zugeordnet sind, zu vergleichen, und einen Abweichungstyp zu dem Drehzahlverlauf entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs zuzuordnen.
• Gemäß einer Ausführung ist das Diagnosemittel dazu eingerichtet, zum Ermitteln des Vergleichsergebnisses eine Differenz zwischen der ermittelten Ausprägung und der vorbestimmten Ausprägung zu bilden, und einen Abweichungstyp zu dem Drehzahlverlauf zuzuordnen, wenn die Differenz einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
• Eine beispielhafte Anwendung eines Verfahrens nach einer Ausführung der Erfindung ist als Ausführungsbeispiel in der Figurenbeschreibung dargestellt.
• Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen,
• 1 a-c in schematischen Ansichten einen Verbrennungsmotor mit einem Diagnosemittel nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung, wobei in 1a die Einbauumgebung des Verbrennungsmotors, in 1b relevante Parameter sowie in 1c Drehmomentbeiträge an dem Kurbeltrieb des Verbrennungsmotors über die Zeit dargestellt sind;
• 2a-b einen Drehzahlverlauf des Motors gemäß 1a (siehe 2a) sowie eine Darstellung einer Motorordnungs-Analyse über diesen Drehzahlverlauf (siehe 2b), jeweils für einen fehlerfreien Betriebszustand und für einen Betriebszustand mit einer Leckage des Aufladeluftsystems; und
• 3 ein Diagnose-Kennfeld über die Motorlast und die Motordrehzahl, in welchem ein Bereich einer Schwellenwertüberschreitung bezüglich der in 2b eingetragenen Amplitudendifferenz gekennzeichnet ist.
• In 1a ist ein Verbrennungsmotor 1 in seiner Einbauumgebung dargestellt, wobei der Verbrennungsmotor 1 im Ausführungsbeispiel ein Viertakter mit 4 Zylindern Z1, Z2, Z3 und Z4 ist.
• In der Darstellung der 1a ist von der Einbauumgebung insbesondere das Ansaugsystem 9 mit dem Luftfilter LF am Lufteinlass, der Abgasturbolader ATL sowie eine Ladeluftkühlung und der Luftsammler LS zu den Zylindern Z hin gezeigt. Ersichtlich sind zudem potentielle Leckagebereiche L an den Rohrleitungen zwischen den verschiedenen Komponenten. An dem Zylinder Z1 ist exemplarisch ein potentielles mechanisches Versagen R am Kolben und/oder an der Zylinderinnenwand signalisiert, welches potenziell zu einer stark erhöhten Reibung führen würde.
• In 1b ist der Verbrennungsmotor 1 in einer detaillierteren Schemaansicht dargestellt. Der Verbrennungsmotor 1 weist die Zylinder Z1, Z2, Z3 und Z4 auf, wobei alle Zylinder Z ihren Drehmomentbeitrag M an dem Kurbeltrieb KT bereitstellen der Verbrennungsmotor 1 weist zusätzlich ein Diagnosemittel 2 nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung auf, das eine Recheneinheit 4, eine Drehzahl-Erfassungseinheit 6 sowie optional eine Druck-Erfassungseinheit 7 für die Referenzdrücke aus Umgebung und Luftsammler bzw. Kurbelgehäuse aufweist. Die optionale Druck-Erfassungseinheit 7 arbeitet insbesondere mittels Auslesen der zu ermittelnden Werte aus einem Betriebsmodell, beispielsweise der Motorsteuerung.
• Der 1b ist unter anderem zu entnehmen, dass in Abhängigkeit von dem jeweiligen Zylinderdruck p jeder Zylinder Z zyklisch einen Drehmomentbeitrag M an den Kurbeltrieb KT anlegen kann. Die Gesamtheit der Drehmomentbeiträge resultiert in einer zeitlich veränderlichen Drehzahl n einer Kurbelwelle des Kurbeltriebs KT.
• Die momentane Drehzahl n kann mittels der Drehzahl-Erfassungseinheit 6 und der Recheneinheit 4 ermittelt und von dem Diagnosemittel 2 verwendet werden.
• In 1c ist ein exemplarischer Drehmomentverlauf 10 am Kurbeltrieb KT bei Normalbetrieb bei einem bestimmten Betriebspunkt (bestimmte Drehzahl; bestimmter Lastzustand) über den Kurbelwinkel KW dargestellt. Ersichtlich ist, dass der Drehmomentbeitrag M alternierend von unterschiedlichen Zylindern Z kommt. Dargestellt ist genau ein Arbeitsspiel (= ein KW-Bereich von 720°) des als Viertakter ausgebildeten Vierzylinder-Motors 1.
• Das dargestellte Arbeitsspiel entspricht im Ausführungsbeispiel einem zur Ermittlung des Drehzahlverlaufs 101 verwendeten Diagnose-Zeitfenster 20 (vgl. auch 2a).
• Im Ausführungsbeispiel wird für den Verbrennungsmotor 1 nach 1 die zwölfte Motorordnung MO₁₂ (insbesondere handelt es sich bei den Motorordnungen um über die Drehzahl normierte Frequenzen, um im gesamten Kennfeldbereich mit dem gleichen Merkmal arbeiten zu können) analysiert. Das beispielhaft beschriebene Verfahren ist für 4-Zylinder-Motoren optimiert, kann aber analog angepasst ggf. auch für andere Zylinderzahlen verwendet werden. Basis der in der beispielhaften Ausführung beschriebenen Diagnose ist das dritte Vielfache der Grunderregerfrequenz des Motors 1 (bezogen auf ein Arbeitsspiel = vier Takte bei einem Vierzylinder-Viertakter).
• In der 2a ist ein Diagramm mit Drehzahlentwicklungen 100 während eines Diagnose-Zeitfensters 20 dargestellt. Das Diagramm zeigt einen Drehzahlverlauf 101, der mittels der Drehzahl-Erfassungseinheit 6 ermittelt wurde. Zudem zeigt das Diagramm den Drehzahlverlauf 101', der aus einem Betriebsmittel der Motorsteuerung ausgelesen ist, wo er für den betrachteten Bezugspunkt des Motors bei 3000 Umdrehungen pro Minute und einem definierten Lastfall als Abweichungs-typischer Drehzahlverlauf für den Fall einer Leckage L im Ansaugluftsystem hinterlegt ist.
• Im Sinne des beispielhaften Verfahrens wird der ermittelte Drehzahlverlauf 101 zu dem mit weiteren, im Betriebsmodell für andere potentielle Fehlerfälle hinterlegten Drehzahlverläufen verglichen, die allerdings der Einfachheit halber in 2a nicht dargestellt sind. Das Ausführungsbeispiel wird also nachfolgend beispielhaft für die Identifizierung des Abweichungstyps Leckage L im Ansaugluftsystem beschrieben.
• Der 2 a kann entnommen werden, dass der ermittelte Drehzahlverlauf 101 und der Abweichungs-typische Drehzahlverlauf 101' sich voneinander unterscheiden. Um die unterschiedlichen Verläufe 101 und 101' besser analysieren zu können, werden beide Verläufe einer Fourier-Transformation unter Verwendung eines FFT-Verfahrens oder ggf. mittels eines DFT-Verfahrens unterzogen.
• In 2 b ist das Ergebnis dieser Fourier-Transformationen in Form einer Ordnungsanalyse zu den Motorordnungen MO₁ bis MO₂₅ über die Amplitude A dargestellt. Zu jeder Motorordnung ist die ermittelte Amplitude A_MO mit einem Dreieck und die Abweichungs-typische Amplitude A_MO' mit einem Kreis dargestellt.
• Daraus lässt sich in einem Vergleich eine Amplitudendifferenz Δ A_MO = A_MO - A_MO' ermitteln.
• Wenn diese Amplitudendifferenz Δ A_MO größer ist als ein für den Abweichungstyp zum betrachteten Motor-Betriebspunkt (definiert durch die Drehzahl n und den Lastfall we) festgelegter und im Betriebsmodell hinterlegten Schwellenwert ist, liefert das beispielhafte Verfahren für den untersuchten Betriebspunkt das Ergebnis, dass der entsprechende Abweichungstyp vorliegt.
• In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird in der Ordnungsanalyse 200 entsprechend die zwölfte Motorordnung MO₁₂ untersucht. Für diese Motorordnung ergibt sich die Amplitudendifferenz zu Δ A₁₂ = A₁₂ - A₁₂'. Wenn Δ A₁₂ größer als der für den Betriebsfall festgelegte Schwellenwert hinsichtlich des Abweichungstyps einer Leckage L im Ansaugluftsystem ist, wird dem Motor 1 für diesen Betriebspunkt der Abweichungstyp L zugeordnet.
• In 3 ist ein Diagnosekennfeld 300 für die zwölfte Motorordnung MO₁₂ bezüglich der Identifizierung des Abweichungstyps L dargestellt, aufgeschlüsselt nach Betriebspunkten, die durch eine Kombination der untersuchten Drehzahl n und des untersuchten Lastfalls we definiert sind. Für die Motor-Betriebspunkte in dem dunkel hinterlegten Bereich des Kennfelds 300 ist die Amplitudendifferenz Δ A₁₂ größer als der Schwellenwert, sodass der Abweichungstyps L identifiziert wird. Für die Motorbetriebspunkte in dem hell hinterlegten Bereich des Kennfelds 300 ist die Amplitudendifferenz kleiner als der Schwellenwert, sodass der Abweichungstyps nicht identifiziert wird.
• Die Darstellung der 3 zeigt eine Auswertung über mehrere Diagnose-Zeitfensters 20 über das gesamte Kennfeld, wobei zu der betrachteten Mehrzahl der Verfahrensdurchführungen durch Anwendung eines t-Tests die statistische Signifikanz der dargestellten Ergebnisse deutlich erhöht wird. Der Effekt von Ausreißern auf die dargestellten Ergebnisse ist somit fast vollständig eliminiert.
• Die beschriebene Ordnungsanalyse mittels FFT-Transformation kann analog für jedes Arbeitsspiel oder für jede Umdrehung (dementsprechend zwölfte oder sechste Ordnung bei Vierzylindern) durchgeführt werden und entweder mit hinterlegtem Wissen aus einer Lookup-Tabelle aus einem Betriebsmodell, beispielsweise der Motorsteuerung, verglichen werden. Alternativ kann mithilfe einer Drehzahlsimulation das Residuum zwischen gemessener und simulierter Größe abgeglichen werden. Bei Überschreitung des Grenzwertes liegt - analog zur obigen Beschreibung - ein Fehler vor, der insbesondere dem Abweichungstyp einer Leckage zugeordnet werden kann.
• Für die Anwendung bei anderen Motoren kann nach zu diesem Beispiel analogen beispielhaften Verfahren, bei ansonsten analoger Anwendung das jeweils entsprechende Vielfache der Grunderregerordnung des Motors analysiert werden, insbesondere die sechste Ordnung (Zweizylinder), die neunte Ordnung (Dreizylinder-Viertakt bei Arbeitsspiel) oder die 18. Ordnung (Sechszylinder-Viertakt, aufgelöst je Arbeitsspiel).
• Bezugszeichenliste

1

Verbrennungsmotor

2

Diagnosemittel

4

Recheneinheit

6

Erfassungseinheit für die Drehzahl der Kurbelwelle

7

Druckerfassungseinheit

9

Ansaugsystem

10

Drehmomentverlauf des Verbrennungsmotors über einen Motorzyklus

20

Diagnose-Zeitfenster

100

Diagramm Drehzahlentwicklung

101

Drehzahlverlauf

A

Amplitude zu einer Motorordnung

Δ A

Amplitudendifferenz

ATL

Abgasturbolader

KT

Kurbeltrieb

KW

Kurbelwinkel

L

potentielle Leckagen

LF

Luftfilter

LS

Luftsammler

M

Drehmoment eines Zylinders in 1

MO

Motorordnung

n

Drehzahl

p

Zylinderdruck in 1

R

potentieller mechanischer Fehler durch Reibung Kolben/Zylinder

we

Lastfall [kj/L]

Z

Zylinder

Claims (10)

1. Verfahren zur Diagnose eines Ladungswechselverhaltens eines Verbrennungsmotors (1) mit mehreren Zylindern (Z1-Z4), gekennzeichnet durch die Schritte: - Ermitteln eines Drehzahlverlaufs (101) des Verbrennungsmotors, - Ermitteln einer Ausprägung wenigstens einer Ladungswechselkenngröße (A₁₂) mittels einer Fourier-Transformation aus dem ermittelten Drehzahlverlauf (101), und - Zuordnen eines Abweichungstyps zu dem Drehzahlverlauf (101) in Abhängigkeit von der ermittelten Ausprägung der Ladungswechselkenngröße (A₁₂).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zuordnen des Abweichungstyps folgende Schritte durchgeführt werden: - Vergleich der ermittelten Ausprägung der Ladungswechselkenngröße (A₁₂) mit vorbestimmten Ausprägungen (A₁₂') der Ladungswechselkenngröße, die verschiedenen Abweichungstypen zugeordnet sind, - Zuordnung eines Abweichungstyps zu dem Drehzahlverlauf (101) entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln des Vergleichsergebnisses folgende Schritte durchgeführt werden: - Bildung einer Differenz (Δ A₁₂) zwischen der ermittelten Ausprägung (A₁₂) und der vorbestimmten Ausprägung (A₁₂'), - Zuordnung eines Abweichungstyps zu dem Drehzahlverlauf (101), wenn die Differenz (Δ A₁₂) einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ladungswechselkenngröße eine Amplitude (A₁₂) einer bestimmten Motorordnung (MO₁₂) ermittelt und zum Zuordnen eines Abweichungstyps verwendet wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausprägung der Ladungswechselkenngröße (A₁₂) mittels einer DFT- und/oder FFT-Berechnung ermittelt wird.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlverlauf während eines Diagnose-Zeitfensters (20) ermittelt wird, das insbesondere wenigstens einem Arbeitsspiel des Viertakt-Verbrennungsmotors (1) entspricht.
7. Diagnosemittel (2) zur Diagnose eines Ladungswechselverhaltens eines Verbrennungsmotors (1) mit mehreren Zylindern (Z), wobei das Diagnosemittel (2) aufweist: - eine Drehzahl-Erfassungseinheit (6), die dazu eingerichtet ist, eine Drehzahl (n) einer Kurbelwelle (KT) des Verbrennungsmotors (1) zu erfassen, - eine Recheneinheit (4), die dazu eingerichtet ist, die Drehzahl-Erfassungseinheit (6) zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (4) dazu eingerichtet ist, - eine Ausprägung wenigstens einer Ladungswechselkenngröße (A₁₂) mittels einer Fourier-Transformation aus einem ermittelten Drehzahlverlauf (101) zu ermitteln, und - einen Abweichungstyp zu dem Drehzahlverlauf (101) in Abhängigkeit von der ermittelten Ausprägung der Ladungswechselkenngröße (A₁₂) zuzuordnen.
8. Diagnosemittel (2) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Diagnosemittel (2) dazu eingerichtet ist, zum Zuordnen des Abweichungstyps - die ermittelte Ausprägung der Ladungswechselkenngröße (A₁₂) mit vorbestimmten Ausprägungen (A₁₂') der Ladungswechselkenngröße, die verschiedenen Abweichungstypen zugeordnet sind, zu vergleichen, und - einen Abweichungstyp zu dem Drehzahlverlauf (101) entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs zuzuordnen.
9. Diagnosemittel (2) gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Diagnosemittel (2) dazu eingerichtet ist, zum Ermitteln des Vergleichsergebnisses - eine Differenz (Δ A₁₂) zwischen der ermittelten Ausprägung (A₁₂) und der vorbestimmten Ausprägung (A₁₂') zu bilden, und - einen Abweichungstyp zu dem Drehzahlverlauf (101) zuzuordnen, wenn die Differenz (Δ A₁₂) einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
10. Verbrennungsmotor (1) mit mehreren Zylindern (Z), gekennzeichnet durch ein Diagnosemittel (2) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9.

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