DE102019201149A1 - Verfahren zum Diagnostizieren einer Leckage eines Zylinders einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Diagnostizieren einer Leckage eines Zylinders einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern. Hierbei wird aus Differenzen (DNQ) von Quadratwerten von Drehzahlen (n) der Brennkraftmaschine auf die Leckage geschlossen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Diagnostizieren einer Leckage eines Zylinders einer Brennkraftmaschine. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um eine Leckage eines Zylinders einer Brennkraftmaschine zu diagnostizieren.
• Stand der Technik
• In Werkstätten kann ein Kompressionsverlust durch eine Leckage des Zylinders einer Brennkraftmaschine über einen mechanischen Kompressionstest diagnostiziert werden. Dazu wird mit einem Manometer der Kompressionsdruck im Brennraum des Zylinders gemessen. Dies erfordert allerdings, dass bei einem Ottomotor die Zündkerze beziehungsweise bei einem Dieselmotor die Glühkerze demontiert werden muss.
• Eine Softwarelösung zur Diagnose der Leckage sieht vor, dass die Brennkraftmaschine mittels ihres Starters unbefeuert geschleppt wird. Dabei werden über vorgegebene Kurbelwellenwinkelbereiche die benötigten Zeiten für das Schleppen gemessen. Eine große Leckage führt zu einer geringeren Kompression im Zylinder, wodurch die benötigte Zeit für einen Kompressionshub kleiner wird. Dadurch kann ein Rückschluss auf das Vorliegen einer Leckage getätigt werden. Dieses Verfahren eignet sich besonders für Dieselmotoren, welche ein hohes Verdichtungsverhältnis haben. Durch die hohe Verdichtung entsteht ein hoher Kompressionsenddruck, wodurch die Kurbelwelle des Dieselmotors stark abgebremst wird. Eine Leckage führt dazu, dass sich der hohe Kompressionsenddruck nicht aufbauen kann und die Kurbelwelle deshalb nicht abgebremst wird. Dies führt zu großen Zeitunterschieden für denselben zurückgelegten Winkelbereich bei Zylindern mit und ohne Leckage. Bei Ottomotoren ist die Trennschärfe dieses Verfahrens allerdings gering, da durch kleinere Verdichtungsverhältnisse die Zeitunterschiede zwischen Zylindern mit und ohne Leckage nur sehr klein sind.
• Offenbarung der Erfindung
• In dem Verfahren zum Diagnostizieren einer Leckage eines Zylinders einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern ist vorgesehen, dass aus Differenzen von Quadratwerten von Drehzahlen der Brennkraftmaschine auf die Leckage geschlossen wird. Dabei wird ausgenutzt, dass die Differenz zwischen dem Quadrat einer Drehzahl am Beginn eines Zeitraums und dem Quadrat der Drehzahl am Ende des Zeitraums ein Äquivalent für den Energieabbau der Brennkraftmaschine ist. Dieser Energieabbau beruht auf einem Verlustmoment, das aus der Reibung im Kurbeltrieb der Brennkraftmaschine und in Nebenaggregaten, aus der Leckage des Zylinders, aus Wandwärmeverlusten im Zylinder und aus Ladungswechselverlusten beziehungsweise Drosselverlusten besteht. Dieses Verfahren kann im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine angewendet werden und ist sowohl für Benzinmotoren als auch für Dieselmotoren nutzbar. Es sind auch keine baulichen Veränderungen an der Brennkraftmaschine erforderlich. Insbesondere werden keine zusätzlichen Sensoren benötigt.
• In dem Verfahren ist es vorteilhaft, wenn Quadratwerte von möglichst fehlerfreien Drehzahlen verwendet werden, um daraus auf leckagebedingte Verlustmomente schließen zu können. Fehlerfrei bedeutet hierbei insbesondere, dass die Drehzahl winkelfehlerfrei sein sollte. Es ist deshalb bevorzugt, dass die Drehzahlen jeweils als Mittelwerte über Kurbelwellenwinkelbereiche der Brennkraftmaschine ermittelt werden, die eine Breite von 360°KW aufweisen. Eine Drehzahl, die über einen solchen Kurbelwellenwinkelbereich von 360°KW ermittelt wird, ist winkelfehlerfrei. Wenn die Brennkraftmaschine zur Ermittlung des Kurbelwellenwinkels ein 60-2 Kurbelwellenwinkelgeberrad aufweist, so kann dieser Mittelwert beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass die Drehzahl immer durch Messen der Zeit vom ersten Zahn bis zum nächsten erreichten ersten Zahn ermittelt wird. Dieser Vorgang kann für jeden weiteren Zahn wiederholt werden. Auf diese Weise erhält man für jeden verfügbaren Zahn des Kurbelwellenwinkelgeberrades eine Drehzahl und somit im vorliegenden Fall 58 Werte.
• Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Differenzen zwischen Quadratwerten von Drehzahlen gebildet werden, deren Kurbelwellenwinkelbereiche sich überschneiden. Hierdurch ist der Kompressionstakt eines Zylinders jeweils an der Erzeugung mehrerer berücksichtigter Drehzahlen beteiligt. Dies kann beispielsweise so realisiert werden, dass eine erste Drehzahl über einen Kurbelwellenwinkelbereich von 0°KW bis 360°KW ermittelt wird und eine zweite Drehzahl über einen Kurbelwellenwinkelbereich von 180°KW bis 540°KW.
• Die Kurbelwellenwinkelbereiche werden vorzugsweise so gewählt, dass am Beginn jedes Kurbelwellenwinkelbereichs ein Einlassventil eines Zylinders schließt. Dadurch befindet sich dieser Zylinder dann in dem Kurbelwellenwinkelbereich in einem Kompressionstakt. Dies erlaubt Rückschlüsse auf eventuelle Kompressionsverluste und damit Leckagen des Zylinders.
• Wenn eine der Differenzen niedriger ist als alle anderen Differenzen, dann wird vorzugsweise darauf geschlossen, dass ein Zylinder eine Leckage aufweist. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass Drehzahlquadrate, bei denen ein Zylinder mit einer Leckage durch seine Kompression läuft, deutlich größer sind als solche, bei denen er nicht mit seiner Kompression beteiligt ist. Beispielsweise bei einem Vierzylindermotor mit einem defekten Zylinder, für den vier Differenzen berechnet werden, ergibt sich, dass eine Differenz niedriger als die anderen ist. Es wird deshalb besonders bevorzugt auf das Vorliegen einer Leckage eines Zylinders geschlossen, der sich in keinem der Kurbelwellenwinkelbereiche im Kompressionstakt befindet, in dem Drehzahlen ermittelt werden, die an der Bildung der Differenz beteiligt sind, die niedriger ist als alle anderen Differenzen.
• Bei höherer Zahl der Zylinder der Brennkraftmaschine überschneiden sich 360°KW breite Kurbelwellenwinkelbereiche, in denen die einzelnen Kompressionen wirken immer mehr. Dort kann aber durch Auswertung mehrerer oder sogar aller möglichen 360°KW breiten Kurbelwellenwinkelbereiche des Kurbelwellenwinkelgeberrades trotzdem ermitteln, welcher der Zylinder eine Leckage aufweist.
• Die Drehzahlen betragen in dem Verfahren vorzugsweise maximal 600 Umdrehungen pro Minute (rpm). In diesem Bereich niedriger Drehzahlen bestimmen hauptsächlich die Zylinderleckage und Wandwärmeverluste den Energieabbau der Brennkraftmaschine. Dies basiert auf der bei niedrigen Drehzahlen immer länger werdenden Zeit, in der die Leckage sowie die Wandwärme wirken. Da die Zylinderwände in allen Zylindern annähernd gleich warm sind, sind auch die Wandwärmeverluste in allen Zylindern gleich groß. Damit hängt der Energieverlust dann nur noch von der Leckage im jeweiligen Zylinder ab. Solche niedrigen Drehzahlen können insbesondere im Auslauf der Brennkraftmaschine und dort besonders gegen Ende des Auslaufs erreicht werden.
• Weiterhin ist bevorzugt, dass ein Druck in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine beim Diagnostizieren seinen Maximalwert aufweist, der aufgrund des Luftsystems der Brennkraftmaschine erreicht werden kann. Dieser kann insbesondere durch das Ansteuern einer Drosselklappe im Saugrohr und/oder das Ansteuern eines Turboladers eingestellt werden. Bei einem hohen Saugrohrdruck steigt der Kompressionsenddruck an, wodurch die Leckage stärker wirkt. Weiterhin werden Drosselverluste auf nahezu null gesenkt und beeinflussen die Drehzahl damit nicht.
• Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät oder auf einem elektronischen Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung unterschiedlicher Ausführungsformen des Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen durchzuführen. 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 eine Leckage eines Zylinders einer Brennkraftmaschine mittels des Verfahrens zu diagnostizieren.
• Figurenliste
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine, die mittels Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine Leckage eines Zylinders diagnostiziert werden kann.
• 2 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf von Drücken in den Zylindern einer Brennkraftmaschine in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 3 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der Differenz von Drehzahlquadraten von einer Drehzahl einer Brennkraftmaschine in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• 4 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der Differenz von Drehzahlquadraten eines Zylinders von der Drehzahl für unterschiedliche Auslaufdauern einer Brennkraftmaschine in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 5 zeigt in einem Diagramm die Änderung der Differenz von Drehzahlquadraten von einem Kurbelwellenwinkel einer Brennkraftmaschine für einen Zylinder mit Leckage und einem Zylinder ohne Leckage in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung
• Eine Brennkraftmaschine 10 mit vier Zylindern Z0 bis Z3, die in 1 dargestellt ist, kann mittels eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf das Vorliegen einer Leckage eines der Zylinder Z0 bis Z3 diagnostiziert werden. Die Brennkraftmaschine 10 weist ein Saugrohr 11 und ein Abgasrohr 12 auf. In dem Saugrohr 11 ist eine Drosselklappe 13 angeordnet. Die Brennkraftmaschine 10 und die Drosselklappe 13 werden von einem elektronischen Steuergerät 20 gesteuert.
• In dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel weist der Zylinder Z0 der Brennkraftmaschine 10 eine Leckage auf. Der Verlauf des Drucks p mit der Zeit t ist in 2 für jeden der vier Zylinder Z0 bis Z3 dargestellt. Dort erfolgt bei jeder Kompression eine Umwandlung von kinetischer Energie der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 10 in potentielle Energie. Dies wird auch als Luftfeder bezeichnet. Bei der Expansion wird diese potentielle Energie wieder in kinetische Energie umgewandelt. Es ist erkennbar, dass der Zylinder Z0, welcher eine Leckage aufweist, in jedem seiner Kompressionstakte ein geringeres Maximum seines Druckes p(Z0) erreicht, als es für den Druck p(Z1) bis p(Z3) jedes der anderen Zylinder Z1 bis Z3 erreicht wird. Hierbei ist ein Auslauf der Brennkraftmaschine 10 dargestellt, in dem die Drehzahl n der Brennkraftmaschine 10 allmählich abnimmt.
• Es wird über 5 Intervalle von je 360°KW eine Zeit und daraus eine Drehzahl n₁ bis n₅ bestimmt. Beispielsweise wird n₁ aus der Zeit Zahn Nr. 0 bis Zahn Nr. 0 gebildet, n₂ wird dagegen aus der Zeit Zahn Nr. 30 bis Zahn Nr. 30 gebildet. Damit überschneiden sich die Winkelintervalle um 180°KW.
• Dabei fällt der Beginn jedes Kurbelwellenwinkelbereiches mit dem Schließen eines Einlassventils eines der Zylinder Z0 bis Z3 zusammen. Dies ist daran zu erkennen, dass jeweils nach Beginn eines dieser Kurbelwellenwinkelbereiche ein Anstieg des Druckes p im jeweiligen Zylinder Z0 bis Z3 erfolgt, was auf der dort erfolgenden Kompression beruht. Zum Diagnostizieren einer Leckage eines Zylinders werden nun gemäß den folgenden Formeln 1 bis 4 Differenzen DNQ von Drehzahlquadraten berechnet: $${\text{DNQ}}_{12}={\text{n}}_1{}^2-{\text{n}}_2{}^2$$

  

  $${\text{DNQ}}_{23}={\text{n}}_2{}^2-{\text{n}}_3{}^2$$

  

  $${\text{DNQ}}_{34}={\text{n}}_3{}^2-{\text{n}}_4{}^2$$

  

  $${\text{DNQ}}_{45}={\text{n}}_4{}^2-{\text{n}}_5{}^2$$

  
• Die geringere Kompression des leckagebehafteten Zylinders Z0 trägt zu jeder der Drehzahlen n₁, n₂ und n₅ bei. Sie fließt damit in die Formeln 1, 2 und 4 ein. Dies führt dazu, dass die Differenzen DNQ₁₂ , DNQ₂₃ und DNQ₄₅ jeweils einen höheren Wert annehmen als die Differenz DNQ₃₄ . Diese Berechnung wurde für verschiedene Drehzahlen n der Brennkraftmaschine 10 wiederholt. Die Ergebnisse der Berechnungen wurden in 3 in Abhängigkeit von der Drehzahl n aufgetragen. Dort ist erkennbar, dass die Trennschärfe dieses Effektes mit abnehmender Drehzahl n größer wird. Je später sich die Brennkraftmaschine 10 in ihrem Auslauf befindet und je kleiner damit die Drehzahl n ist, desto deutlicher kann die Abweichung der Differenz DNQ₃₄ von den anderen Differenzen DNQ₁₂ , DNQ₂₃ und DNQ₄₅ erkannt werden. Daraus, dass lediglich die Kompression im Zylinder Z0 keinen Anteil an der Berechnung der Differenz DNQ₃₄ hat, kann auf eine Leckage im Zylinder Z0 geschlossen werden.
• In 4 wurde für zwei unterschiedliche Ergebniswinkel von 540°KW und von 1.080°KW der Verlauf der Differenz DNQ₃₄ mit der Drehzahl n aufgetragen. Hier wird deutlich, dass die beiden Differenzen DNQ₅₄₀°KW und DNQ_1.080°KW jeweils bei einer Drehzahl n von circa 600 rpm ein Minimum M erreichen. Bei höheren Drehzahlen n wird die Differenz DNQ₅₄₀°KW beziehungsweise DNQ_1.080°KW im Wesentlichen durch die Reibung in der Brennkraftmaschine 10 bestimmt. Bei kleineren Drehzahlen n bestimmen hauptsächlich die Leckage und die Wandwärmeverluste den Energieabbau in der Brennkraftmaschine 10, wobei unterschiedliche Ergebniswinkel unterscheidbar sind.
• Während der Diagnose wird die Drosselklappe 13 vollständig geöffnet, um so einen möglichst hohen Druck 11 zu erzeugen. Damit werden Drosselverluste in der Brennkraftmaschine 10 minimiert.
• Der Verlauf der Differenz DNQ mit der Position Pos der Kurbelwelle, also dem Kurbelwellenwinkel, beziehungsweise der Nummer Za eines Zahns an einem 60-2 Kurbelwinkelgeberrad der Kurbelwelle ist in 5 dargestellt. Dabei wird der Verlauf DNQ_n.i.o. einer Brennkraftmaschine 10 mit einem leckagebehafteten Zylinder, also beispielsweise dem Zylinder Z0, und der Differenz DNQ_i.o. einer Brennkraftmaschine 10 ohne leckagebehaftete Zylinder dargestellt. Der Verlauf der Differenz DNQ_n.i.o. einer Brennkraftmaschine 10 mit einem leckagebehafteten Zylinder folgt dabei einem gepunktet dargestellten Mittelwert. Der Verlauf der Differenz DNQ_i.o. kann als Kennlinie einer intakten Brennkraftmaschine 10 mit nicht leckagebehafteten Zylindern angesehen werden. Diese ist bei Vorliegen eines leckagebehafteten Zylinders zu höheren Werten hin verschoben wie in 5 durch die gestrichelt dargestellte Trendlinie T dargestellt ist. In dem Bereich B weicht der Verlauf der Differenz DNQ_n.i.o. allerdings von dieser Trendlinie T ab und fällt auf die Kennlinie der Differenz DNQ_i.o. . Dies kann in den verschiedenen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgenutzt werden, um zu diagnostizieren, welcher der Zylinder Z0 bis Z3 leckagebehaftet ist, da der Bereich B den Bereich der Kurbelwellenposition Pos darstellt, indem der leckagebehaftete Zylinder Z0 nicht in Kompression steht, wodurch der Energieabbau in diesem Bereich dem einer Brennkraftmaschine 10 mit intakten Zylindern entspricht.

Claims (11)

1. Verfahren zum Diagnostizieren einer Leckage eines Zylinders (Z0) einer Brennkraftmaschine (10) mit mehreren Zylindern (Z0 - Z3), worin aus Differenzen (DNQ) von Quadratwerten von Drehzahlen (n) der Brennkraftmaschine (10) auf die Leckage geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlen (n) jeweils als Mittelwerte über 360°KW breite Kurbelwellenwinkelbereiche der Brennkraftmaschine (10) ermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzen (DNQ) zwischen Quadratwerten von Drehzahlen (n) gebildet werden, deren Kurbelwellenwinkelbereiche sich überschneiden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Beginn jedes Kurbelwellenbereiches ein Einlassventil eines Zylinders (Z0 - Z3) schließt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Vorliegen einer Leckage eines Zylinders (Z0) geschlossen wird, wenn eine Differenz (DNQ₃₄) niedriger ist, als alle anderen Differenzen (DNQ₁₂, DNQ₂₃, DNQ₄₅).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Vorliegen einer Leckage eines Zylinders (Z0) geschlossen wird, der sich in keinem der Kurbelwellenwinkelbereiche in einem Kompressionstakt befindet, in denen Drehzahlen (n) ermittelt werden, die an der Bildung der Differenz (DNQ₃₄) beteiligt sind, die niedriger ist, als alle anderen Differenzen (DNQ₁₂, DNQ₂₃, DNQ₄₅).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlen (n) maximal 600 rpm betragen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck in einem Saugrohr (11) der Brennkraftmaschine (10) beim Diagnostizieren seinen Maximalwert aufweist.
9. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
10. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.
11. Elektronisches Steuergerät (20), welches eingerichtet ist, um eine Leckage eines Zylinders (Z0) einer Brennkraftmaschine (10) mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zu diagnostizieren.

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