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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Lastmoments eines Verbrennungsmotors. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das Verfahren auszuführen.
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Stand der Technik
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Die Dichtigkeit des Luftsystems sowie der Zylinder eines Verbrennungsmotors ist für eine effektive Kraftstoffverbrennung entscheidend. Undichtigkeiten in diesen Bereichen führen zu Leistungseinbußen, unrundem Motorverlauf und Verschlechterung des Emissionsverhaltens. Außerdem wird insbesondere bei Benzinmotoren die Bildung des Luft/Kraftstoffgemisches sehr stark von Annahmen über die Luftmasse bzw. die Zylinderfüllung beeinflusst. Falsche Annahmen führen hier ebenfalls zu einer schlechten Verbrennung, einem erhöhten Kraftstoffverbrauch und erhöhten Schadstoffemissionen.
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Die Dichtigkeit des Luftsystems kann in einer Werkstatt mittels Presslufttests überprüft werden. Auch die Kompressionsfähigkeit eines Zylinders kann über ein spezielles Prüfgerät detektiert werden. Hierbei ist allerdings jeweils der Anschluss externer Geräte notwendig. Weiterhin ist ein Test der Kompressionsfähigkeit möglich, der ein Kurbelwellensignal des Verbrennungsmotors bei seinem Starterbetrieb auswertet. Hierbei werden Auffälligkeiten im Drehzahlsignal untersucht. Diese hängen allerdings stark von den motormechanischen Gegebenheiten ab, so dass die zugrundeliegende Funktion für jeden Motortyp individuell bedatet werden muss. Auch die Diagnose von Luftsystemstellern, ohne das Luftsystem zu öffnen, ist sehr komplex.
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Offenbarung der Erfindung
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Das Verfahren dient zum Ermitteln eines Lastmoments bzw. Schleppmoments eines Verbrennungsmotors. Der Verbrennungsmotor ist gemeinsam mit einem Elektromotor an dem Antriebsstrang angeordnet. Zwischen den beiden Motoren weist der Antriebsstrang eine Kupplung auf. In einem motorischen Betrieb des Verbrennungsmotors wird bei abgeschalteter Kraftstoffeinspritzung des Verbrennungsmotors die Kupplung geschlossen, so dass der Elektromotor den Verbrennungsmotor schleppt. Das Lastmoment des Verbrennungsmotors wird dann aus einer elektrischen Stromaufnahme des Elektromotors ermittelt.
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Dem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Lastmoment des Verbrennungsmotors eine Größe darstellt, aus der viele Aussagen über Defekte des Verbrennungsmotors und der mit ihm verbundenen Komponenten getroffen werden können. Ein Elektromotor, der beispielsweise bei einem parallelen Hybridkraftfahrzeug gemeinsam mit dem Verbrennungsmotor an einem Antriebsstrang angeordnet ist, kann dazu dienen, das Lastmoment im Stillstand des Kraftfahrzeugs zu ermitteln. Unter einem Elektromotor wird dabei ein Motor verstanden, welcher dazu eingerichtet ist, um den Antriebsstrang dauerhaft anzutreiben. Elektrische Startermotoren, die lediglich dazu dienen, beim Starten des Verbrennungsmotors diesen anzuschleppen, können in ihrer Drehzahl nicht hinreichend genau geregelt werden, um in dem Verfahren verwendet zu werden.
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Das Ermitteln des Lastmoments des Verbrennungsmotors erfolgt in dem Verfahren vorzugsweise dadurch, dass in einem ersten Verfahrensschritt vor dem Schließen der Kupplung eine erste elektrische Stromaufnahme des Elektromotors bei einer vorgegebenen Drehzahl des Elektromotors gemessen wird. Hieraus wird ein Lastmoment des Elektromotors ermittelt. Nach dem Schließen der Kupplung erfolgt ein zweiter Verfahrensschritt, in dem eine zweite elektrische Stromaufnahme des Elektromotors gemessen wird. Das Lastmoment des Verbrennungsmotors wird dann aus der zweiten elektrischen Stromaufnahme und aus dem Lastmoment des Elektromotors bei der vorgegebenen Drehzahl ermittelt. Hierzu ist es also wichtig, den Elektromotor vor dem Schließen der Kupplung und nach dem Schließen der Kupplung auf derselben Drehzahl halten zu können. Vor dem Schließen der Kupplung wird der Elektromotor in einem motorischen Betrieb betrieben, um die vorgegebene Drehzahl zu erreichen. Nach dem Schließen der Kupplung bleibt er in dem motorischen Betrieb, schleppt nun aber zusätzlich den Verbrennungsmotor. Dabei wird seine Drehzahl auf den vorgegebenen Wert geregelt. Das Lastmoment des Verbrennungsmotors ergibt sich dann aus der Differenz zwischen dem Gesamtlastmoment im zweiten Verfahrensschritt und dem im ersten Verfahrensschritt ermittelten Lastmoment des Elektromotors. Das Verfahren kann nur durchgeführt werden, wenn eine mit dem Elektromotor verbundene Batterie ausreichend geladen ist.
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Wenn das Lastmoment des Verbrennungsmotors bekannt ist, kann es als Hilfsgröße für weitere Funktionen des Verbrennungsmotors verwendet werden. Beispielsweise kann es in einem Verfahren zum Ermitteln einer Einspritzmenge eines Kraftstoffinjektors verwendet werden, wie es in der
DE 10 2016 226 132 A1 beschrieben wird.
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Das Lastmoment des Verbrennungsmotors kann außerdem mit mindestens einem Schwellenwert verglichen werden. Aus dem Vergleich kann auf einen Defekt in einem Luftsystem, einem Abgassystem, einem hydraulischen System oder einer Motormechanik des Verbrennungsmotors geschlossen werden. Wenn das Lastmoment sehr niedrig ist, also unter einem vorgegebenen Minimalschwellenwert liegt, kann insbesondere auf Leckagen im Luftsystem geschlossen werden. Bei einem zu hohen Lastmoment, das also über einem Maximalschwellenwert liegt, kann auf drosselnde Effekte im Luftsystem oder im Abgassystem oder auf eine mangelhafte Schmierung des hydraulischen Systems oder der Motormechanik geschlossen werden.
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Eine weitere Auswertung des Lastmoments des Verbrennungsmotors kann erfolgen, indem dieses einer Frequenzanalyse, insbesondere einer schnellen Fourier-Transformationsanalyse (Fast Fourier Transform; FFT) unterzogen wird. Aus einem Ergebnis der Frequenzanalyse kann insbesondere auf einen Kompressionsfehler eines Zylinders des Verbrennungsmotors geschlossen werden. Hierzu kann das Ergebnis der Frequenzanalyse gemeinsam mit dem zeitlichen Verlauf des Kurbelwellenwinkels des Verbrennungsmotors betrachtet werden, um den Einfluss der verschiedenen Zylinderexpansionsphasen und Kompressionsphasen auf das Lastmoment zu untersuchen. Dadurch können die Kompressionsfehler zylinderindividuell ermittelt werden.
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Aus dem Ergebnis der Frequenzanalyse kann weiterhin insbesondere auf einen Defekt einer Kraftstoffhochdruckpumpe des Verbrennungsmotors geschlossen werden. Eine Kraftstoffhochdruckpumpe, die mit einem Kraftstoffhochdruckspeicher für die Kraftstoffdirekteinspritzung in den Verbrennungsmotor verbunden ist, wird üblicherweise mittels eines Kettenzuges von dem Verbrennungsmotor angetrieben. Aus dem Ergebnis der Frequenzanalyse kann auf das Pumpenschleppmoment der Kraftstoffhochdruckpumpe geschlossen werden, und wenn dieses von einem Sollwert abweicht, ein Defekt der Hochdruckkraftstoffpumpe erkannt werden.
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Neben den voranstehend beschriebenen Möglichkeiten, das in einem Standardleerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors ermittelte Lastmoment auszuwerten, sehen verschiedene Ausführungsformen des Verfahrens weiterhin vor, durch eine geeignete Betätigung von Stellern Änderungen am Lastmoment des Verbrennungsmotors hervorzurufen und hieraus auf eventuelle Defekte weiterer Komponenten zu schließen. So ist es in einer Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen, dass bei geschlossener Kupplung ein Öffnungsgrad einer Zumesseinheit der Kraftstoffhochdruckpumpe des Verbrennungsmotors geändert wird und aus dem Vergleich einer erwarteten Änderung des Lastmoments des Verbrennungsmotors mit seiner tatsächlichen Änderung auf einen Defekt der Zumesseinheit geschlossen wird. Mit Öffnen der Zumesseinheit gelangt mehr Kraftstoff in die Kraftstoffhochdruckpumpe, so dass deren Leistungsbedarf steigt, was zu einem erhöhten Leistungsbedarf der Kraftstoffhochdruckpumpe führt. Ändert sich das Lastmoment nicht in der erwarteten Weise, so kann dies auf eine klemmende Zumesseinheit, eine defekte Kraftstoffhochdruckpumpe oder eine Leckage im hydraulischen System des Verbrennungsmotors zurückzuführen sein. Die Zumesseinheit kann hierbei insbesondere auch als elektrisches Schaltventil ausgeführt sein.
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In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird bei geschlossener Kupplung ein Öffnungsgrad eines Ventils in einem Luftsystem des Verbrennungsmotors geändert. Aus einem Vergleich einer erwarteten Änderung des Lastmoments des Verbrennungsmotors mit seiner tatsächlichen Änderung wird auf einen Defekt des Ventils oder auf ein Leck im Luftsystem geschlossen. Beispielsweise kann der Verbrennungsmotor zunächst maximal entdrosselt werden, indem alle Ventile seines Luftsystems, also insbesondere seine Drosselklappe, ein eventuell vorhandener VTG-Aktuator, (variable Turbinengeometrie) und ein Abgasrückführungsventil (AGR) maximal geöffnet werden. Anschließend erfolgt eine Messung bei voller Drosselung des Verbrennungsmotors, also bei maximal geschlossenen Ventilen im Luftsystem. Wenn sich zwischen den mittleren Lastmomenten bei maximaler Entdrosselung und maximaler Drosselung ein Unterschied ergibt, der unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes liegt, so weist dies auf ein Leck im Luftsystem hin. Hierbei sollte allerdings ausgeschlossen werden, dass dieser Effekt auf einen defekten Steller zurückzuführen ist. Dies kann beispielsweise durch eine Lagerückmeldung der Steller erfolgen. Wird lediglich ein Steller des Abgasrückführungsventils betätigt und dadurch ein unerwartet geringer Unterschied im Lastmoment des Verbrennungsmotors erzeugt, so kann insbesondere auf ein undichtes AGR-Ventil geschlossen werden.
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In dem Verfahren kann vorgesehen sein die Ergebnisse der Ergebnisse einer Bewertung des Lastmoments in einer Kombinationsmatrix anzuzeigen, um so ein Diagnoseergebnis zu erzeugen.
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Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Steuergerät oder auf einem elektronischen Rechengerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung unterschiedlicher Ausführungsbeispiele des Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um mittels des Verfahrens ein Lastmoment des Verbrennungsmotors zu ermitteln.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch Komponenten eines Verbrennungsmotors, dessen Lastmoment mittels Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt werden kann.
- 2 zeigt schematisch andere Komponenten eines Verbrennungsmotors, dessen Lastmoment mittels eines Verfahrens gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung ermittelt werden kann.
- 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 4 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf des Lastmoments eines Verbrennungsmotors in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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In 1 ist ein Kraftstofftank 100 dargestellt, welcher einen Verbrennungsmotor 200 mit Kraftstoff 110 versorgt. Der Kraftstoff wird durch einen Kraftstoffvorfilter 120 geleitet und von einer elektrischen Kraftstoffpumpe 130 angesaugt. Dann fließt er weiter durch einen Kraftstoffhauptfilter 140 in eine als elektrisches Schaltventil ausgeführte Zumesseinheit 150, mittels welcher der Kraftstoffstrom dosiert werden kann. Eine Kraftstoffhochdruckpumpe 160 verdichtet den Kraftstoff 110 und speist ihn in einen Kraftstoffhochdruckspeicher 170 ein, welcher auch als Common Rail bezeichnet wird. Dieser ist mit vier Kraftstoffinjektoren 171 bis 174 für die Kraftstoffdirekteinspritzung in vier Zylinder 201 bis 204 des Verbrennungsmotors 200 verbunden. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 160 wird mittels eines nicht dargestellten Kettenzuges von dem Verbrennungsmotor 200 angetrieben. Der Verbrennungsmotor 200 ist an einem Antriebsstrang 300 angeordnet. Jenseits einer Kupplung 310 im Antriebsstrang 300 ist an diesem weiterhin ein Elektromotor 400 angeordnet. Der Elektromotor 400 wird in einem motorischen Betrieb mittels einer Batterie 410 mit elektrischer Energie versorgt. In einem generatorischen Betrieb speist er elektrische Energie in die Batterie 410 ein. Die elektrische Kraftstoffpumpe 130, die Zumesseinheit 150, die Kraftstoffhochdruckpumpe 160, die Kraftstoffinjektoren 171 bis 174, der Verbrennungsmotor 200, die Kupplung 310, der Elektromotor 400 und die Batterie 410 werden von einem elektronischen Steuergerät 500 gesteuert.
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Das Luftsystem 210 und das Abgassystem 220 des Verbrennungsmotors 200 sind in 2 dargestellt. Das Luftsystem 210 weist ein Saugrohr 211 auf, in dem eine Drosselklappe 212 angeordnet ist. Mittels des Saugrohrs 211 kann Luft in die Zylinder 201 bis 204 des Verbrennungsmotors 200 eingeleitet werden. Durch die Verbrennung in den Zylindern 201 bis 204 entstehendes Abgas wird in eine Abgasleitung 221 des Abgassystems 220 ausgestoßen. Eine Abgasrückführungsleitung 213, die ein Teil des Luftsystems 210 ist, zweigt aus der Abgasleitung 221 ab und mündet zwischen der Drosselklappe 212 und dem Verbrennungsmotor 200 im Saugrohr 211. In der Abgasrückführungsleitung 213 ist ein Abgasrückführungsventil 214 angeordnet.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, das in einer Werkstatt durchgeführt werden kann, ist in 3 dargestellt. Nach dem Start 600 des Verfahrens durch einen Servicetechniker erfolgt eine Überprüfung 610, ob Freigabebedingungen des Verfahrens erfüllt sind. Diese Freigabebedingungen umfassen, dass die Batterie 410 ausreichend geladen ist und dass auch keine elektrischen Fehler vorliegen. Wenn die Freigabebedingungen nicht erfüllt sind, so wird versucht, diese durch eine Batterievorkonditionierung 611 herbeizuführen. Anschließend erfolgt eine Prüfung 612, ob es erfolgreich gelungen ist, die Freigabebedingungen herbeizuführen. Ist dies nicht gelungen, so wird das Verfahren beendet. Anderenfalls oder wenn die Freigabebedingungen von vorherein erfüllt waren, erfolgt nun ein Sperren 620 von Funktionalitäten, die das Testergebnis des Verfahrens verfälschen könnten.
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Dies umfasst das Sperren einer Partikelfilterregeneration. Anschließend erfolgt eine Ermittlung 621 des Lastmoments des Elektromotors 400. Hierzu wird die Kupplung 310 geöffnet, der Elektromotor 400 motorisch auf eine vorgegebene Drehzahl gebracht und durch eine nicht dargestellte Sensorik in der Batterie 410 seine elektrische Stromaufnahme gemessen. Aus dieser wird sein Lastmoment berechnet. Anschließend erfolgt ein erstes Ermitteln 622 des Lastmoments des Verbrennungsmotors 200. Hierzu wird bei abgeschalteter Kraftstoffeinspritzung des Verbrennungsmotors 200 die Kupplung 310 geschlossen und der Verbrennungsmotor 200 vom Elektromotor 400 angetrieben. Dabei wird der Elektromotor 400 vom elektronischen Steuergerät 500 auf dieselbe Drehzahl geregelt, mit der er bei der Ermittlung 621 seines Lastmoments betrieben wurde. Mittels der Sensorik der Batterie 410 wird erneut seine elektrische Stromaufnahme gemessen und aus dieser sowie aus dem bereits bekannten Lastmoment des Elektromotors 400 wird das Lastmoment des Verbrennungsmotors 200 berechnet. Dieses wird mit einem oberen Schwellenwert und einem unteren Schwellenwert verglichen 630. Wird der untere Schwellenwert unterschritten, so wird auf eine Leckage im Luftsystem 210 geschlossen. Wird der obere Schwellenwert überschritten, so wird auf einen drosselnden Effekt im Luftsystem 210, auf einen drosselnden Effekt im Abgassystem 220, auf eine mangelnde Schmierung des hydraulischen Systems 230 oder auf eine mangelnde Schmierung des Verbrennungsmotors 200 geschlossen. Der zeitliche Verlauf des hochfrequent abgetasteten Lastmoments des Verbrennungsmotors 200 wird als Nächstes einer Frequenzanalyse 631 unterzogen. Diese wird als FFT-Analyse durchgeführt. Unter Berücksichtigung des Kurbelwellenwinkels des Verbrennungsmotors 200, welcher mittels eines nicht dargestellten Kurbelwellensensors gemessen werden kann, wird nun aus dem Ergebnis der FFT-Analyse darauf geschlossen, ob einer der Zylinder 201 bis 204 einen Kompressionsfehler aufweist. Weiterhin wird aus dem Ergebnis der Frequenzanalyse auf einen eventuellen Defekt der Kraftstoffhochdruckpumpe 160 geschlossen.
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4 zeigt die Änderung des Lastmoments M des Verbrennungsmotors 200 mit der Zeit t. Zum Zeitpunkt t1 wird die Kupplung 310 geschlossen. Zum Zeitpunkt t2 erreicht das Lastmoment M sein Maximum und der Vergleich 630 mit dem Schwellenwerten und die Frequenzanalyse 631 können durchgeführt werden.
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Während deren Ergebnis ausgewertet wird, werden die Drosselklappe 212 und das Abgasrückführungsventil 214 maximal geöffnet und der Verbrennungsmotor 200 so entdrosselt 640. Dadurch sinkt das Lastmoment M bis zum Zeitpunkt t3 ab. Der so erreichte Wert des Lastmoments M wird gespeichert 641. Anschließend werden die Drosselklappe 212 und das Abgasrückführungsventil 214 maximal geschlossen und der Verbrennungsmotor 200 auf diese Weise maximal gedrosselt 642. Das Lastmoment M steigt bis zum Zeitpunkt t4 an. Der neue Wert des Lastmoments M wird mit dem Wert zum Zeitpunkt t3 verglichen. Liegt diese Änderung unterhalb eines Schwellenwertes, so wird darauf geschlossen, dass entweder das Luftsystem 210 ein Leck aufweist oder dass die Drosselklappe 212 oder das Abgasrückführungsventil 214 defekt sind 643. Anschließend erfolgt ein Erhöhen 644 des Öffnungsgrades der Zumesseinheit 150. Hierdurch steigt das Lastmoment M bis zum Zeitpunkt t5 an. Wenn die Änderung des Lastmoments M vom Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t5 nicht einer Erwartung entspricht, so wird darauf geschlossen, dass ein Defekt der Zumesseinheit 150, der Kraftstoffhochdruckpumpe 160 oder des hydraulischen Systems 230 vorliegt.
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Alle in den Schritten 230 bis 245 erzielten Ergebnisse werden anschließend an einem Servicemodul, das an das elektronische Steuergerät 500 angeschlossen werden kann, angezeigt 650. Wenn eine Prüfung 660 ergibt, dass an der Serviceeinheit ein erneuter Durchlauf des Verfahrens verlangt wird und die Freigabebedingungen noch immer erfüllt sind, dann werden die Schritte 630 bis 650 wiederholt. Anderenfalls erfolgt ein Beenden 670 des Verfahrens.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016226132 A1 [0007]