DE102020119802B4 - Diagnosis of a compression behavior of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Diagnose eines Kompressionsverhaltens eines Verbrennungsmotors (1) in einem Kraftfahrzeug mit mehreren Zylindern (Z1-Z4), aufweisend die Schritte:- Bestimmen eines Diagnose-Zeitfensters (112) innerhalb eines Drehmomentlochs (12) eines der Takte des Verbrennungsmotors (1), betriebspunktunabhängig während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs,- Identifizieren wenigstens eines Zylinders (Z1-Z4), welcher sich zu Beginn des Diagnose-Zeitfensters in einem Kompressionstakt befindet,- Ermitteln eines Zylinderdruckverlaufs des identifizierten Zylinders (Z1-Z4) während des Diagnose-Zeitfensters in Abhängigkeit von einer ermittelten Drehzahlentwicklung (100) des Verbrennungsmotors (1) während des Diagnose-Zeitfensters (112), und- Zuordnen eines Abweichungstyps zu dem identifizierten Zylinder (Z1-Z4) in Abhängigkeit von einem Polytropenkoeffizienten (N), der in Abhängigkeit von dem ermittelten Zylinderdruckverlauf für das Diagnose-Zeitfenster ermittelt wird.Method for diagnosing a compression behavior of an internal combustion engine (1) in a motor vehicle with multiple cylinders (Z1-Z4), comprising the steps: - determining a diagnostic time window (112) within a torque gap (12) of one of the clocks of the internal combustion engine (1), independent of the operating point during driving operation of the motor vehicle,- identifying at least one cylinder (Z1-Z4), which is in a compression stroke at the beginning of the diagnosis time window,- determining a cylinder pressure curve of the identified cylinder (Z1-Z4) during the diagnosis time window as a function from a determined speed development (100) of the internal combustion engine (1) during the diagnosis time window (112), and assigning a deviation type to the identified cylinder (Z1-Z4) depending on a polytropic coefficient (N), which depends on the determined Cylinder pressure curve is determined for the diagnosis time window.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Diagnosemittel zur Diagnose eines Kompressionsverhaltens eines Verbrennungsmotors, sowie einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern mit einem solchen Diagnosemittel.The invention relates to a method and a diagnostic means for diagnosing a compression behavior of an internal combustion engine, and an internal combustion engine with multiple cylinders with such a diagnostic means.
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.Rough engine running and combustion misfires are a fundamental problem in combustion engines, which can at least lead to an incorrect build-up of the propulsion torque. The fact that there is a faulty torque build-up can be regularly read from the output variable of the engine speed - i.e. the speed development of the crankshaft.
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.However, the mere knowledge of the existence of an error is usually not enough to remedy the situation. A clear diagnosis of the malfunction is necessary to rectify the fault, whereby the causes of combustion misfires and/or rough engine running can be extremely different.
Aus der
Dieses Verfahren ist aber aufgrund der teuren Zylinderdrucksensoren nicht für einen Serieneinsatz in Personenkraftfahrzeugen geeignet.Due to the expensive cylinder pressure sensors, however, this method is not suitable for series use in passenger vehicles.
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.An accurate diagnosis is very complex with current diagnostic systems and requires various information from different subsystems of the combustion engine. Even distinguishing between mechanical problems in the cylinder (e.g. in the sliding couple) on the one hand and problems in the gas filling (charge exchange) or in the air path on the other hand is difficult when the customer visits the workshop with the functionally impaired engine.
Ein Werkstattbesuch mit einem unrund laufenden Motor kann für den Kunden daher unerfreulich bzgl. der Erfolgswahrscheinlichkeit einer zutreffenden ersten Diagnose sein.A visit to the workshop with an engine that is not running smoothly can therefore be unpleasant for the customer with regard to the probability of a correct initial diagnosis being successful.
Um dergleichen immer besser zu vermeiden, gewinnen Möglichkeiten einer vorausschauenden Wartung („predictive maintenance“, auch „Gesundheitsfunktionen“ genannt) für Verbrennungsmotoren immer größere Wichtigkeit. Diese sollen den aktuellen Performancezustand - und damit den Wartungsbedarf - insbesondere hinsichtlich benötigtem Wartungsumfang und hinsichtlich einer vorteilhaften Zeitschiene quantifizieren.In order to avoid such things better and better, options for predictive maintenance (also known as “health functions”) for combustion engines are becoming increasingly important. These are intended to quantify the current performance status - and thus the maintenance requirement - in particular with regard to the required scope of maintenance and with regard to an advantageous timeline.
Aus der
Dieses Verfahren kann aber nur in einem Schubbetrieb des Motors durchgeführt werden und ist daher nicht für eine vollständige On-Board-Diagnostik geeignet.However, this method can only be carried out when the engine is overrun and is therefore not suitable for complete on-board diagnostics.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Identifizierung einer Fehlerursache für unrunden Motorlauf und/oder Verbrennungsaussetzer zu ermöglichen, und insbesondere eine verbesserte Diagnose eines Kompressionsverhaltens eines Verbrennungsmotors mit mehreren Zylindern bereitzustellen.Against this background, it is an object of the invention to enable improved identification of a fault cause for rough engine running and/or combustion misfires, and in particular to provide improved diagnosis of a compression behavior of an internal combustion engine with multiple cylinders.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Diagnose eines Kompressionsverhaltens eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen von Anspruch 1, ein Diagnosemittel zur Diagnose eines Kompressionsverhaltens eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen von Anspruch 12, sowie einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen von Anspruch 14 Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a method for diagnosing a compression behavior of an internal combustion engine having the features of
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Diagnose eines Kompressionsverhaltens eines Verbrennungsmotors mit mehreren Zylindern bereitgestellt, aufweisend zumindest einen, mehrere oder alle der folgenden Verfahrensschritte - in der angegebenen oder einer anderen fachmännisch sinnvollen Reihenfolge:
- a) Bestimmen eines Diagnose-Zeitfensters innerhalb eines Drehmomentlochs eines der Takte des Verbrennungsmotors während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs. Unter einem Diagnose-Zeitfenster ist insbesondere ein zusammenhängender Zeitraum als Anteil eines Taktes (beispielsweise einer der Takte eines Viertakt-Verbrennung) der Verbrennung in dem Verbrennungsmotor zu verstehen. Unter einem Drehmomentenloch ist vorliegend insbesondere ein Kurbelwinkelbereich zu verstehen, in welchem der betrachteten Zylinder und/oder alle Zylinder des Motors keinen im Kontext relevanten Beitrag zu einem Vortriebs-Drehmoment leisten.
- b) Identifizieren wenigstens eines Zylinders, welcher sich zu Beginn des Diagnose-Zeitfensters in einem Kompressionstakt befindet. Die Identifikation dieses/dieser Zylinder kann insbesondere durch ein Auslesen vorhandener Informationen aus einem Betriebsmodell, insbesondere der Motorsteuerung, erfolgen. Insbesondere wird bei einem Viertakter-Motor mit vier Zylindern der eine Zylinder identifiziert, welcher sich zu Beginn des Diagnose-Zeitfensters in einem Kompressionstakt befindet.
- c) Ermitteln eines Zylinderdruckverlaufs des identifizierten Zylinders während des Diagnose-Zeitfensters, und
- d) Zuordnen eines Abweichungstyps zu dem identifizierten Zylinder in Abhängigkeit von einem Polytropenkoeffizienten, der in Abhängigkeit von dem ermittelten Zylinderdruckverlauf für das Diagnose-Zeitfenster ermittelt wird. Unter einem Abweichungstyp ist vorliegend eine vorbestimmte Ausprägung des Polytropenkoeffizienten zu verstehen, die einem bestimmten Fehlertyp zugeordnet ist, der zu unrundem Motorlauf und/oder Verbrennungsaussetzern führt.
- a) Determination of a diagnosis time window within a torque gap of one of the cycles of the internal combustion engine while the motor vehicle is being driven. A diagnosis time window is to be understood in particular as a continuous period of time as a portion of a cycle (for example one of the cycles of a four-stroke combustion engine) of the combustion in the internal combustion engine. In the present case, a torque hole is to be understood in particular as a crank angle range in which the cylinder under consideration and/or all cylinders of the engine do not make any contribution to a propulsion torque that is relevant in the context.
- b) Identifying at least one cylinder which is in a compression stroke at the beginning of the diagnosis time window. This/these cylinders can be identified in particular by reading out existing information from an operating model, in particular the engine control. In particular, in the case of a four-stroke engine with four cylinders, the one cylinder which is in a compression stroke at the start of the diagnosis time window is identified.
- c) determining a cylinder pressure profile of the identified cylinder during the diagnosis time window, and
- d) Assigning a deviation type to the identified cylinder as a function of a polytropic coefficient, which is determined as a function of the determined cylinder pressure profile for the diagnosis time window. In the present case, a type of deviation is to be understood as meaning a predetermined characteristic of the polytropic coefficient, which is assigned to a specific type of error that leads to uneven engine operation and/or combustion misfires.
Gemäß einer Ausführung werden zum Zuordnen des Abweichungstyps mehrere oder alle der folgenden Verfahrensschritte - in der angegebenen oder einer anderen fachmännisch sinnvollen Reihenfolge - durchgeführt:
- d1) Ermitteln des Zylinderdruckverlaufs auf Basis der ermittelten Ausprägung der Druckkennzahl jeweils für wenigstens zwei Zeitintervalle im Diagnose-Zeitfenster, und/oder
- d2) Ermitteln des Polytropenkoeffizienten auf Basis der ermittelten Ausprägung der Druckkennzahl und der zu den Zeitintervallen ermittelten Zylindervolumina, und/oder
- d3) Vergleich des ermittelten Polytropenkoeffizienten mit vorbestimmten Ausprägungen des Polytropenkoeffizienten, die verschiedenen Abweichungstypen zugeordnet sind, und/oder
- d4) Zuordnen eines Abweichungstyps für den untersuchten Zylinder zu dem bestimmten Diagnose-Zeitfenster entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs.
- d1) determining the cylinder pressure profile on the basis of the determined expression of the pressure index for at least two time intervals in the diagnosis time window, and/or
- d2) determining the polytrope coefficient on the basis of the determined form of the pressure index and the cylinder volumes determined at the time intervals, and/or
- d3) comparison of the determined polytrope coefficient with predetermined forms of the polytrope coefficient, which are assigned to different types of deviation, and/or
- d4) Assigning a deviation type for the examined cylinder to the determined diagnosis time window according to the result of the comparison.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Diagnosemittel zur Diagnose eines Kompressionsverhaltens eines Verbrennungsmotors mit mehreren Zylindern bereitgestellt, welches insbesondere dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einer Ausprägung der Erfindung. Das Diagnosemittel weist zumindest auf:
- i) eine Drehzahl-Erfassungseinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Drehzahl einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zu erfassen, und gemäß einer Ausführung die erfassten Werte in einer Samplingzeit von wenigstens in der Größenordnung von zehn Millisekunden bereitzustellen, und/oder
- ii) eine Zylindervolumen-Ermittlungseinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Zylindervolumen in Abhängigkeit von einer Winkelstellung der Kurbelwelle zu ermitteln, und/oder
- iii) eine Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, die Drehzahl-Erfassungseinheit und/oder die Zylindervolumen-Ermittlungseinheit zu steuern und/oder damit erfasste bzw. ermittelte Werte zu verarbeiten. Die Recheneinheit ist insbesondere dazu eingerichtet, ein Diagnose-Zeitfenster innerhalb eines Drehmomentlochs eines der Takte des Verbrennungsmotors während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs zu bestimmen, und wenigstens einen Zylinder (Z1-Z4) zu identifizieren, welcher sich zu Beginn des Diagnose-Zeitfensters in einem Kompressionstakt befindet, und/oder
- iv) eine Zylinderdruck-Ermittlungseinheit, die dazu eingerichtet ist, einen Zylinderdruckverlauf in Abhängigkeit von, insbesondere mittels der Drehzahl-Erfassungseinheit, erfassten Drehzahlen und/oder einer, insbesondere mittels der Recheneinheit aus den erfassten Drehzahlen ermittelten, Drehzahlentwicklung der Kurbelwelle im Diagnosezeitfenster zu ermitteln. Die Recheneinheit ist insbesondere dazu eingerichtet, die Zylinderdruck-Ermittlungseinheit zu steuern und/oder damit erfasste bzw. ermittelte Werte zu verarbeiten, und in Abhängigkeit von dem ermittelten Zylinderdruckverlauf des identifizierten Zylinders in dem Diagnose-Zeitfenster einen Abweichungstyp zu dem identifizierten Zylinder zuzuordnen.
- i) a rotational speed detection unit that is set up to detect a rotational speed of a crankshaft of the internal combustion engine and, according to one embodiment, to provide the detected values in a sampling time of at least in the order of ten milliseconds, and/or
- ii) a cylinder volume determination unit that is set up to determine a cylinder volume as a function of an angular position of the crankshaft, and/or
- iii) a computing unit which is set up to control the rotational speed detection unit and/or the cylinder volume determination unit and/or to process values detected or determined therewith. The computing unit is set up in particular to determine a diagnostic time window within a torque gap of one of the strokes of the internal combustion engine while the motor vehicle is being driven, and to identify at least one cylinder (Z1-Z4) which is in a compression stroke at the beginning of the diagnostic time window located, and/or
- iv) a cylinder pressure determination unit, which is set up to determine a cylinder pressure profile as a function of speeds detected, in particular by means of the speed detection unit, and/or a speed development of the crankshaft in the diagnostic time window, determined in particular by means of the computing unit from the detected speeds. The arithmetic unit is set up in particular to control the cylinder pressure determination unit and/or to process values recorded or determined with it, and to assign a deviation type to the identified cylinder in the diagnosis time window depending on the determined cylinder pressure profile of the identified cylinder.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern bereitgestellt, aufweisend ein Diagnosemittel gemäß einer Ausführung der Erfindung, wobei der Verbrennungsmotor insbesondere einen, zwei, drei, vier, sechs oder acht Zylinder aufweist und/oder als Otto- oder Diesel-Viertakt- oder Wankelmotor ausgebildet ist. Ein typisches Einsatzgebiet der Erfindung sind beispielsweise Vierzylinder-Otto- oder Diesel-Motoren.According to a further aspect, an internal combustion engine with several cylinders is provided, having a diagnostic means according to one embodiment of the invention, the internal combustion engine having in particular one, two, three, four, six or eight cylinders and/or as a four-stroke Otto or diesel engine or Wankel engine is formed. A typical area of application for the invention is, for example, four-cylinder petrol or diesel engines.
Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass die Zylinderkompression mit bekannten Verfahren nur in der Werkstatt zu messen ist, wofür ein Mechaniker eingesetzt werden muss; und das Auto erst in die Werkstatt kommen muss. Das Problem liegt also bereits vor, es kann keine Vorab-Aussage im Sinne einer predictive maintenance getroffen werden. Durch die Diagnose-Werkstattarbeiten fallen Arbeitsentgelte an, auch wenn die Diagnose ohne Ergebnis bleibt. Eine Prognosefähigkeit über das mechanische Ausfallverhalten des Verbrennungsmotors ist mit manuellen Messungen der Zylinderkompression nicht kontinuierlich möglich. Da die Zylinderkompression eine elementare Kenngröße für den mechanischen Zustand eines Antriebs ist, ist seine Erfassung im Fahrbetrieb erforderlich, wenn man kontinuierlich (ohne Werkstattaufenthalt mit Spezialausrüstung) die Performance des Verbrennungsmotors monitoren möchte.The invention is based, among other things, on the consideration that the cylinder compression can only be measured using known methods in the workshop, for which a mechanic must be employed; and the car first has to come to the workshop. The problem is already there, no advance statement can be made in terms of predictive maintenance. The diagnostic workshop work results in wages, even if the diagnosis remains without a result. It is not possible to continuously predict the mechanical failure behavior of the internal combustion engine with manual measurements of the cylinder compression. Since the cylinder compression is an elementary parameter for the mechanical condition of a drive, it must be recorded while driving if you want to continuously monitor the performance of the combustion engine (without having to visit a workshop with special equipment).
Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, eine solche kontinuierliche Messung im Fahrbetrieb zu ermöglichen. Dazu wird gemäß einer Ausführung ein Diagnose-Zeitfenster in der Kompressionsphase eines Zylinders bestimmt, in der keine Wärmefreisetzung im Motor erfolgt, typischerweise zwischen 660° Kurbelwinkel und 690° Kurbelwinkel (bezogen auf den Zünd-Oberen-Totpunkt des betroffenen Zylinders bei 720°); ein solcher Kurbelwinkelbereich ohne Wärmefreisetzung wird vorliegend auch als Drehmomentloch bezeichnet, weil in einem solchen Kurbelwinkelbereich insbesondere höchstens ein für die Zwecke der Erfindung vernachlässigbares Vortriebsmoment an die Kurbelwelle übertragen wird.The invention is now based, among other things, on the idea of enabling such a continuous measurement while driving. For this purpose, according to one embodiment, a diagnosis time window is determined in the compression phase of a cylinder in which no heat is released in the engine, typically between 660° crank angle and 690° crank angle (relative to the ignition top dead center of the affected cylinder at 720°); Such a crank angle range without heat release is also referred to here as a torque hole, because in such a crank angle range, at most a propulsion torque that is negligible for the purposes of the invention is transmitted to the crankshaft.
Es kann aber auch ein anderes Drehmomentloch während des Fahrbetriebs, beispielsweise während einer Zylinderabschaltung, ggf. flexibel gewählt werden. Für dieses Diagnose-Zeitfenster wird gemäß einer Ausführung zu zwei Zeitintervallen jeweils ein diagnostischer Zylinderdruckwert in Abhängigkeit von einer während des Fahrbetriebs kontinuierlich erfassten Drehzahlentwicklung ermittelt. Zudem wird gemäß einer Ausführung zu jedem der Zeitintervalle ein mittleres Zylindervolumen des Einzelzylinders anhand eines Table Lookups ermittelt. Gemäß einer Ausführung wird mit diesen Druck- und Volumenwerten für die beiden Zeitintervalle innerhalb des Diagnose-Zeitfensters die Polytropengleichung für den Zylinderdruckverlauf in der Kompression aufgestellt. Durch Logarithmierung wird gemäß einer Ausführung der Polytropenkoeffizient der Polytropengleichung ermittelt und mit einem Referenzkoeffizienten verglichen. Ist der ermittelte Koeffizient niedriger als die Referenz, so liegt im diagnostizierten Zylinder ein Kompressionsproblem vor. Diese Diagnose kann dann für alle Zylinder gleichermaßen durchgeführt werden, sodass auch übergeordnete Abweichungstypen für den gesamten Motor während des Fahrbetriebs diagnostiziert werden können.However, another torque gap can also be flexibly selected during driving operation, for example during cylinder deactivation. According to one embodiment, a diagnostic cylinder pressure value is determined for this diagnostic time window at two time intervals depending on a speed development continuously recorded during driving operation. In addition, according to one embodiment, a mean cylinder volume of the individual cylinder is determined for each of the time intervals using a table lookup. According to one embodiment, the polytropic equation for the cylinder pressure curve during compression is set up with these pressure and volume values for the two time intervals within the diagnosis time window. According to one embodiment, the polytropic coefficient of the polytropic equation is determined by taking the logarithm and is compared with a reference coefficient. If the determined coefficient is lower than the reference, then there is a compression problem in the diagnosed cylinder. This diagnosis can then be carried out equally for all cylinders, so that higher-level deviation types can also be diagnosed for the entire engine while driving.
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. Because of the simultaneous changeover between the individual strokes of the different cylinders, the invention can be implemented in a particularly simple manner in an internal combustion engine with four cylinders, in particular designed as a four-stroke engine. Of course, other numbers of cylinders are also possible according to other designs.
Eine Ausführung der Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, die Zylinderkompression als eine elementare Kenngröße für den mechanischen Zustand des Verbrennungsmotors, im Fahrbetrieb zu ermitteln, um kontinuierlich und ohne Werkstattaufenthalt mit Spezialausrüstung die Performance des Verbrennungsmotors zu monitoren. Dazu ist es erforderlich, die Zylinderkompression - also beispielsweise einen Zylinderdruckverlauf innerhalb des Diagnose-Zeitfensters - anhand einer im Fahrbetrieb hochfrequenten und und kontinuierlich ermittelbaren Kenngröße des Fahrbetriebs abzuleiten, beispielsweise der Drehzahlentwicklung der Kurbelwelle, insbesondere im Diagnose-Zeitfenster.One embodiment of the invention is now based, among other things, on the idea of determining the cylinder compression as an elementary parameter for the mechanical condition of the internal combustion engine while driving, in order to monitor the performance of the internal combustion engine continuously and without having to visit the workshop with special equipment. For this it is necessary to increase the cylinder compression - for example derive a cylinder pressure profile within the diagnosis time window using a driving operation high-frequency and continuously determinable characteristic variable, for example the speed development of the crankshaft, in particular in the diagnosis time window.
Den nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritten zur Ermittlung der Drehzahlentwicklung der Kurbelwelle im Fahrbetrieb 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.The method steps described below for determining the speed development of the crankshaft while driving is based, among other things, on the consideration that the cycles of a four-stroke combustion engine (intake, compression, work cycle, exhaust) overlap in time between the individual cylinders - they occur parallel to each other in different cylinders on.
Für die Ermittlung der Drehzahlentwicklung der Kurbelwelle ist gemäß der Ausführung ein Zeitfenster direkt vor der Zündung bei den Zyklen zu identifizieren, welches keinen wesentlichen Aufbau von Vortriebsdrehmoment beinhaltet, d.h. dass sich die Kurbelwelle dann im Wesentlichen allein durch Massenträgheit weiter dreht. In diesem Zeitfenster wird dann beispielsweise der Drehzahleinbruch (beispielsweise Beginn Zeitfenster vs. Ende Zeitfenster) identifiziert. Dieser setzt sich aus Reibungsverlusten der Mechanik und der Kolbenbremsung durch die Gaskompression zusammen.According to the embodiment, to determine the speed development of the crankshaft, a time window must be identified directly before the ignition in the cycles, which does not include any significant build-up of propulsion torque, i.e. the crankshaft then continues to rotate essentially solely through inertia. In this time window, for example, the drop in engine speed (for example the start of the time window vs. the end of the time window) is then identified. This is made up of friction losses in the mechanics and piston braking due to gas compression.
Wenn in diesem Zeitfenster genau derjenige Zylinder diagnostiziert wird, welcher sich gerade in seinem Kompressionstakt befindet, kann dessen Einfluss auf den Drehzahlverlauf am besten untersucht werden: denn in der Kompressionsphase hat ein Zylinder den größten Einfluss auf den Verlauf der Drehzahl, da er durch die Komprimierung der Gasfeder die Mechanik am stärksten bremst; deutlich stärker, als die anderen Takte bremsen.If exactly the cylinder that is currently in its compression stroke is diagnosed in this time window, its influence on the speed curve can best be examined: because in the compression phase, a cylinder has the greatest influence on the speed curve, since it is affected by the compression the gas spring brakes the mechanism the hardest; brakes significantly more than the other bars.
Der Ansatz, während des - im Wesentlichen - drehmomentfreien Diagnose-Zeitfensters die Drehmomententwicklung zu ermitteln, ermöglicht es mit verschiedenen, gegebenenfalls kombinierbaren, Ladungswechselkenngrößen, ausgehend von dieser Drehmomententwicklung einen Vergleich mit zuvor ermittelten - gegebenenfalls in einem Betriebsmodell hinterlegten - fehlertypischen Ausprägungen der jeweiligen Ladungswechselkenngrößen durchzuführen.The approach of determining the torque development during the - essentially - torque-free diagnosis time window, makes it possible to carry out a comparison with previously determined error-typical characteristics of the respective gas exchange parameters - possibly stored in an operating model - using various gas exchange parameters that can be combined if necessary .
Mit der Drehzahlerfassung wird 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 Aussage über das Kompressionsverhalten eines Zylinders abzuleiten.With the speed detection, existing sensors (speed detection) with extended functions are used in particular. The capabilities of the existing speed measurement on the engine, especially on the crankshaft, have not been used to date to derive a statement about the compression behavior of a cylinder.
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.The invention makes it much easier to find the cause of rough-running problems, including combustion misfires, in particular by identifying the problem in the gas filling (charge exchange) or by excluding the air path.
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.According to one embodiment, online data acquisition of the diagnostic results while driving allows the workshop access to real driving situations and thus in particular a more targeted processing of service scopes and/or faster maintenance. Ultimately, this results in lower warranty costs, higher customer satisfaction and/or fewer repeat repairs.
Gemäß einer Ausführung wird der Zylinderdruckverlauf in Abhängigkeit von wenigstens zwei Ausprägungen einer Druckkennzahl ermittelt, die jeweils zu wenigstens zwei Zeitintervallen im Diagnose-Zeitfenster bestimmt wird. Dies ermöglicht eine Diagnose des Kompressionsverhaltens des Zylinders in Abhängigkeit von einer hochfrequenten kontinuierlich ermittelten Drehzahl der Kurbelwelle.According to one embodiment, the cylinder pressure profile is determined as a function of at least two characteristics of a pressure index, which is determined at least two time intervals in the diagnosis time window. This enables a diagnosis of the compression behavior of the cylinder as a function of a high-frequency, continuously determined rotational speed of the crankshaft.
Der Zylinderdruckverlauf wird in Abhängigkeit von einer ermittelten Drehzahlentwicklung des Verbrennungsmotors während des Diagnose-Zeitfensters ermittelt. Dadurch kann das Verfahren in Abhängigkeit von während des Fahrbetriebs ermittelten Messwerten durchgeführt werden.The cylinder pressure curve is determined as a function of a determined speed development of the internal combustion engine during the diagnosis time window. As a result, the method can be carried out as a function of measured values determined during driving operation.
Gemäß einer Ausführung wird der Polytropenkoeffizient in Abhängigkeit von jeweils einem, insbesondere mittleren, Zylindervolumen für jedes der beiden Zeitintervalle ermittelt wird. Durch die vereinfachend angenommene Mittelung wird eine schnelle Verarbeitung im Steuergerät unterstützt.According to one embodiment, the polytrope coefficient is determined as a function of one, in particular average, cylinder volume for each of the two time intervals. Fast processing in the control unit is supported by the averaging assumed for simplification.
Gemäß einer Ausführung wird ein Referenz-Polytropenkoeffizienten-Bereich von 1,38 bis 1,42 für regulär arbeitende Zylinder als vorbestimmte Ausprägung des Polytropenkoeffizienten festgelegt. Dieser hat sich in Versuchen der Anmelderin überraschenderweise trotz der deutlichen Abweichung von dem Polytropenkoeffizient für Luft von ca. 1,36 als vorteilhafter Weise anzustrebender Bereich für den Polytropenkoeffizienten der Kompression in den Zylindern ergeben.According to one embodiment, a reference polytropic coefficient range of 1.38 to 1.42 for regularly operating cylinders is defined as a predetermined value of the polytropic coefficient. Surprisingly, in the applicant's tests, this proved to be the case despite the significant deviation from the Polytro pen coefficient for air of about 1.36 as an advantageous range for the polytropic coefficient of compression in the cylinders.
Gemäß einer Ausführung wird für mehrere oder alle Zylinder des Verbrennungsmotors der Polytropenkoeffizient ermittelt und ein Abweichungstyp zugeordnet, und mittels eines Vergleichs mit vorbestimmten Kombinationen von Abweichungstypen mehrerer oder aller Zylinder ein übergeordneter Abweichungstyp zugeordnet. Dadurch kann auch ein übergeordneter Abweichungszustand, der beispielsweise für alle Zylinder geltende, problematische Einflüsse auf das Kompressionsverhalten abbildet, ermittelt werden.According to one embodiment, the polytropic coefficient is determined for several or all cylinders of the internal combustion engine and a deviation type is assigned, and a higher-level deviation type is assigned by means of a comparison with predetermined combinations of deviation types for several or all cylinders. As a result, a higher-level deviation status can also be determined, which, for example, depicts problematic influences on the compression behavior that apply to all cylinders.
Gemäß einer Ausführung wird als Abweichungstyp und/oder als übergeordneter Abweichungstyp (1) ein mechanischer Schaden und/oder ein Wandwärmeübergangsproblem zugeordnet, wenn der bzw. mehrere (für verschiedene Zylinder) oder alle (für jeden Zylinder) ermittelten Polytropenwerte kleiner als 1,38 sind. D.h. insbesondere im Niedriglastbereich ist dann von einem Problem im Wärmeübergang der Zylinder auszugehen.; und/oder (2) Ablagerungen im Zylinder zugeordnet, wenn der bzw. mehrere oder alle ermittelten Polytropenwerte größer als 1,42 sind.According to one embodiment, a mechanical damage and/or a wall heat transfer problem is assigned as a deviation type and/or as a higher-level deviation type (1) if the or several (for different cylinders) or all (for each cylinder) determined polytrope values are less than 1.38 . This means that a problem in the heat transfer of the cylinders can be assumed, especially in the low-load range.; and/or (2) assigned deposits in the cylinder if the determined polytrope value(s) is greater than 1.42.
Gemäß einer Ausführung reicht ein erster Zeitintervall zur Bestimmung der Druckkennzahl von einem Beginn bis zu einer Mitte des Diagnose-Zeitfensters reicht, und ein zweiter Zeitintervall von der Mitte bis zu einem Ende des Diagnose-Zeitfensters. Durch die vereinfachend angenommene Mittelung wird eine schnelle Verarbeitung im Steuergerät unterstützt.According to one embodiment, a first time interval for determining the pressure index ranges from a beginning to a middle of the diagnostic time window, and a second time interval ranges from the middle to an end of the diagnostic time window. Fast processing in the control unit is supported by the averaging assumed for simplification.
Gemäß einer Ausführung wird eine Polytropengleichung für die Kompression im Zylinder während des Diagnose-Zeitfensters mit der ermittelten Ausprägung für die Druckkennzahl und einem gemittelten Zylindervolumen, jeweils für das erste Zeitintervall und das zweite Zeitintervall, aufgestellt. Diese Vereinfachung ist aufgrund des kleinen Kurbelwinkel-Bereichs der Zeitintervalle innerhalb des Diagnose-Zeitfensters mit ausreichender Genauigkeit bei der Ermittlung des Polytropenkoeffizienten möglich.According to one embodiment, a polytropic equation for the compression in the cylinder during the diagnosis time window is set up with the determined characteristics for the pressure index and an averaged cylinder volume, each for the first time interval and the second time interval. This simplification is possible due to the small crank angle range of the time intervals within the diagnosis time window with sufficient accuracy when determining the polytropic coefficient.
Gemäß einer Ausführung werden zur Ermittlung der Drehzahlentwicklung ein kontinuierlicher Drehzahlverlauf während des Diagnose-Zeitfensters erfasst und die erfassten Werte in einer Samplingqualität von mindestens in der Größenordnung von zehn Millisekunden, insbesondere im Steuergerät, bereitgestellt. Dadurch kann die Druckkennzahl im Fahrbetrieb bestimmt, d. h. in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung ermittelt, werden.According to one embodiment, to determine the speed development, a continuous speed curve is recorded during the diagnosis time window and the recorded values are made available in a sampling quality of at least the order of ten milliseconds, in particular in the control unit. This allows the pressure index to be determined while driving, i. H. determined as a function of the determined speed development.
Gemäß einer Ausführung wird eine ermittelte Abweichung des ermittelten Polytropenkoeffizienten von der vorbestimmten Ausprägung des Polytropenkoeffizienten und/oder der zugeordnete Abweichungstyp (1) in einem Fehlerspeicher, insbesondere eines Diagnosemittels zur Durchführung des Verfahrens, hinterlegt, und/oder (2) in einem Motorzustand-Überwachungssystem, insbesondere als Flag im Sinne eines „Health Indicators“ hinterlegt. Auf diese Weise kann dem Wartungspersonal in der Werkstatt bereits ohne vor Ort durchgeführte Diagnosemaßnahmen ein ausreichendes Bild zum Zustand des Verbrennungsmotors hinsichtlich des Kompressionsverhaltens vermittelt werden. Gemäß einer Ausführung können die im Fehlerspeicher hinterlegten Daten auch über die Zeit kumulativ ausgewertet werden, und, insbesondere im Sinne einer vorausschauenden Wartung Maßnahmen empfohlen werden, wenn über die Zeit ein vorbestimmtes Fehlerbild aus einzelnen Einträgen zutage tritt bzw. sich extrapolieren lässt.According to one embodiment, a determined deviation of the determined polytropic coefficient from the predetermined characteristic of the polytropic coefficient and/or the assigned deviation type (1) is stored in a fault memory, in particular a diagnostic tool for carrying out the method, and/or (2) in an engine condition monitoring system , stored in particular as a flag in the sense of a "health indicator". In this way, the maintenance personnel in the workshop can be given an adequate picture of the state of the internal combustion engine with regard to the compression behavior even without on-site diagnostic measures. According to one embodiment, the data stored in the fault memory can also be evaluated cumulatively over time, and measures can be recommended, in particular for predictive maintenance, if a predetermined fault pattern from individual entries emerges over time or can be extrapolated.
Zusätzlich oder alternativ wird gemäß einer Ausführung eine ermittelte Abweichung des ermittelten Polytropenkoeffizienten von der vorbestimmten Ausprägung des Polytropenkoeffizienten und/oder der zugeordnete Abweichungstyp (3) als Kontrollmeldung für einen Fahrzeuginsassen angezeigt. Auf diese Weise können beispielsweise dringliche Konsequenzen aus der Bestimmung des Abweichungstyps (z.B. „Werkstatt aufsuchen“) sofort für den Fahrzeugführer verfügbar gemacht werden.Additionally or alternatively, according to one embodiment, a determined deviation of the determined polytropic coefficient from the predetermined expression of the polytropic coefficient and/or the assigned deviation type (3) is displayed as a control message for a vehicle occupant. In this way, for example, urgent consequences from the determination of the type of deviation (e.g. "Visit a workshop") can be made immediately available to the vehicle driver.
Gemäß einer Ausführung ist das Diagnosemittel dazu eingerichtet, zum Zuordnen des Abweichungstyps (d1) einen Zylinderdruckverlauf auf Basis der ermittelten Ausprägung der Druckkennzahl für jedes der Zeitintervalle im Diagnose-Zeitfenster zu ermitteln, (d2) einen Polytropenkoeffizienten auf Basis der ermittelten Ausprägung der Druckkennzahl und der zu den Zeitintervallen ermittelten Zylindervolumina zu ermitteln, (d3) den ermittelten Polytropenkoeffizienten mit vorbestimmten Ausprägungen des Polytropenkoeffizienten, die verschiedenen Abweichungstypen zugeordnet sind, zu vergleichen, und (d4) einen Abweichungstyp für den untersuchten Zylinder zu dem bestimmten Diagnose-Zeitfenster entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs zuzuordnen.According to one embodiment, the diagnostic means is set up to assign the deviation type (d1) to determine a cylinder pressure curve based on the determined characteristic of the pressure index for each of the time intervals in the diagnosis time window, (d2) a polytropic coefficient based on the determined characteristic of the pressure index and the to determine the cylinder volumes determined at the time intervals, (d3) to compare the determined polytropic coefficient with predetermined characteristics of the polytropic coefficient, which are assigned to different deviation types, and (d4) to compare a deviation type for the cylinder examined for the specific diagnosis time window according to the result of the comparison to assign.
Die für die Ermittlung der Druckkennzahl für die verschiedenen Zeitintervalle innerhalb des Diagnose-Zeitfensters gemäß einer Ausführung durchzuführenden Schritte sind nachfolgend beschrieben und im Zusammenhang mit den Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels detailliert aufgeführt.The steps to be carried out according to one embodiment for determining the pressure index for the various time intervals within the diagnosis time window are described below and detailed in connection with the figures using an exemplary embodiment.
Um eine möglichst recheneffiziente Durchführung des Verfahrens zu unterstützen, wird gemäß einer Ausführung zur Ermittlung der Drehzahlentwicklung eine Drehzahldifferenz aus einem Drehzahlwert zu Beginn des Diagnose-Zeitfensters und einem Drehzahlwert zu Ende des Diagnose-Zeitfensters berechnet.In order to support the most computationally efficient implementation of the method, according to one embodiment for determining the speed development, a speed difference is calculated from a speed value at the start of the diagnosis time window and a speed value at the end of the diagnosis time window.
Insbesondere wird dann als Ladungswechselkenngröße eine auf Basis der, insbesondere im Kompressionstakt, ermittelten Drehzahldifferenz berechnete Druckkennzahl verwendet.In particular, a pressure index calculated on the basis of the rotational speed difference determined, in particular in the compression cycle, is then used as the charge exchange parameter.
Dazu ist es gemäß einer Ausführung ausreichend, eine Bilanzierung des Drehzahleinbruchs mit Hilfe mechanischer Gleichungen durchzuführen. Diese Bilanzierung erlaubt einen Rückschluss auf den Kompressionsdruck vor der Zündung. Der Kompressionsdruck steht in direktem Zusammenhang mit der Zylinderfüllung und damit der gefangenen Luftmasse im einzelnen Zylinder. Eine Abweichungserkennung kann damit Fehler der Laufunruhe auf den Ladungswechsel beziehen oder diesen als Ursache ausschließen.For this purpose, according to one embodiment, it is sufficient to balance the drop in rotational speed with the aid of mechanical equations. This balancing allows conclusions to be drawn about the compression pressure before ignition. The compression pressure is directly related to the cylinder filling and thus the trapped air mass in the individual cylinder. Deviation detection can thus relate errors in running roughness to the gas exchange or exclude this as the cause.
Diese Ausführung eines analytischen Verfahren über ein Formelwerk im Zeitbereich kann insbesondere ab mittlerer Motorlast und bis zu mittleren Drehzahlen, insbesondere bei glatten und stetigen Drehzahlverläufen, gut verwendet werden, und basiert insbesondere auf einer Berechnung einer Druckkennzahl im Zylinder bei Kompression aus dem Drehzahlverlauf. Eine beispielhafte Anwendung ist im ersten Ausführungsbeispiel der Figurenbeschreibung dargestellt.This execution of an analytical method using a set of formulas in the time domain can be used particularly well from average engine load and up to average speeds, especially with smooth and constant speed curves, and is based in particular on a calculation of a pressure index in the cylinder during compression from the speed curve. An exemplary application is shown in the first exemplary embodiment of the description of the figures.
Gemäß einer Ausführung ist das Diagnosemittel dazu eingerichtet, zum Zuordnen des Abweichungstyps eine Ausprägung einer Ladungswechselkenngröße auf Basis der ermittelten Drehzahlentwicklung zu ermitteln; die ermittelte Ausprägung mit vorbestimmten Ausprägungen der Ladungswechselkenngröße, die verschiedenen Abweichungstypen zugeordnet sind, zu vergleichen; und einen Abweichungstyp zu dem bestimmten Diagnose-Zeitfenster entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs zuzuordnen.According to one embodiment, the diagnostic means is set up to determine a manifestation of a gas exchange parameter on the basis of the determined speed development in order to assign the type of deviation; to compare the determined characteristic with predetermined characteristics of the gas exchange parameter, which are assigned to different types of deviation; and assign a deviation type to the determined diagnosis time window according to the result of the comparison.
Um die verschiedenen vorgestellten Ausführungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit geeigneter Hardware durchführen zu können, ist gemäß einer Ausführung das Diagnosemittel dazu eingerichtet, Verfahren nach beliebigen Ausführungen der Erfindung durchzuführen.In order to be able to carry out the various presented embodiments of a method according to the invention with suitable hardware, according to one embodiment the diagnostic means is set up to carry out methods according to any embodiments of the invention.
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 in1a die Einbauumgebung des Verbrennungsmotors, in1b relevante Parameter sowie in1c Drehmomentbeiträge an dem Kurbeltrieb des Verbrennungsmotors über die Zeit dargestellt sind; -
2 ein Schaubild mit einem Diagramm einer Drehzahlentwicklung eines Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors nach1 und einer Darstellung der Takte der einzelnen Zylinder; -
3 ein vergrößertes Detail ausdem Diagramm nach 2 ; -
4 ein Schaubild mit einem Diagramm einer Zylinderdruckentwicklung über den Kurbelwellenwinkel in einer Kompressionsphase eines diagnostizierten Zylinders desVerbrennungsmotors nach 1 ; -
5 ein Schaubild mit einem Diagramm einer Zylindervolumenentwicklung über den Kurbelwellenwinkel in der Kompressionsphase des diagnostiziertenZylinders von 4 ; und -
6 ein Schaubild mit einem Diagramm einer für die Kompression desZylinders von 4 und5 aufgestellte Polytropengleichung; und -
7 ein Schaubild der Zuordnung von Abweichungstypen mittels eines Vergleichs eines ermittelten Polytropenkoeffizienten und den Abweichungstypen zugeordneten Referenzwerten.
-
1ac in schematic views an internal combustion engine with a diagnostic means according to an exemplary embodiment of the invention, wherein in1a the installation environment of the internal combustion engine, in1b relevant parameters as well as in1c Torque contributions to the crank mechanism of the internal combustion engine are shown over time; -
2 a diagram with a diagram of a speed development of a working cycle of theinternal combustion engine 1 and a representation of the strokes of the individual cylinders; -
3 an enlarged detail from the diagram2 ; -
4 a diagram with a diagram of a cylinder pressure development over the crankshaft angle in a compression phase of a diagnosed cylinder of theinternal combustion engine 1 ; -
5 a graph with a diagram of a cylinder volume development over the crankshaft angle in the compression phase of the diagnosed cylinder of4 ; and -
6 a diagram with a diagram for the compression of the cylinder of4 and5 established polytrope equation; and -
7 a diagram of the assignment of deviation types by means of a comparison of a determined polytropic coefficient and the reference values assigned to the deviation types.
In
In der Darstellung der
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.A potential mechanical failure R on the piston and/or on the inner wall of the cylinder is signaled as an example on cylinder Z1, which would potentially lead to greatly increased friction.
In
Der
Der Referenzdruck p kann mittels der Druck-Erfassungseinheit 7, die momentane Drehzahl n mittels der Drehzahl-Erfassungseinheit 6 und der Recheneinheit 4 durch das Diagnosemittel 2 verwendet werden.The reference pressure p can be used by the
In
In der Darstellung der
Die
Im Ausführungsbeispiel liegt ein Fahrbetrieb des Fahrzeugs vor, insbesondere ein Stationärbetrieb des Verbrennungsmotors 1. Eine Live-Motorsteuerungs-Funktion liest im Fahrbetrieb kontinuierlich Drehzahlwerte n für die Kurbelwelle KT aus (aufgrund von Reibungsverzögerung ist in einer Kompressionsphase eines Zylinders ein vermehrter Drehzahlabfall von einem zu einem nachfolgenden Zeitpunkt zu erwarten) und bestimmt daraus eine Drehzahlentwicklung - vgl.
Nachfolgend ist die Ermittlung des Polytropenkoeffizienten mit detaillierten Schritte beispielhaft für einen Zylinder dargestellt.The determination of the polytrope coefficient with detailed steps is shown below for a cylinder as an example.
Zunächst wird ein Diagnose-Zeitfenster 12 für einen, mehrere oder alle Zylinder festgelegt.First, a diagnosis time window 12 is defined for one, several or all cylinders.
Es gibt im Viertakt-Verfahren eines Verbrennungsmotors Bereiche in der Grad-Kurbelwinkel-Skala (Abszissenachse des Drehmomentverlauf 10), in welchen keine deutliche Drehmomentenwandlung erfolgt (insbesondere unterhalb des Grenzwertes 14). In diesen Zeitspannen wird die Kurbelwelle durch die anliegenden Reibungs- und Lastwiderstände verzögert. Die entscheidenden verzögernden Widerstände sind u.a. die entsprechende Lastanforderung, die Reibung der Mechanik R und vor allem auch die Kompression der Gasfüllung des nächstzündenden Zylinders.In the four-stroke process of an internal combustion engine, there are areas on the degree-crank angle scale (abscissa axis of torque curve 10) in which there is no significant torque conversion (in particular below limit value 14). In these periods of time, the crankshaft is decelerated by the applied friction and load resistance. The decisive decelerating resistances are, among other things, the corresponding load requirement, the friction of the mechanics R and, above all, the compression of the gas filling of the next igniting cylinder.
Durch eine stationäre Bilanzierung der verzögernden Widerstände mittels Drehzahlmessung der Kurbelwelle KT im richtigen Zeitfenster 12, wird ein Rückschluss auf die Zylinderfüllung möglich, um im Fehlerfall eine bessere Differenzierung der Ursachen zu erlauben.By stationary balancing of the decelerating resistances by measuring the rotational speed of the crankshaft KT in the correct time window 12, it is possible to draw conclusions about the cylinder filling in order to allow better differentiation of the causes in the event of a fault.
In
Das Ablaufdiagramm 100 zeigt den Verlauf 101 der Motordrehzahl n über ein Arbeitsspiel (ASP) eines 4-Zylinder-Ottomotor. Markiert sind die Zündzeitpunkte (ZZP) sowie ein beispielhaft mögliches Diagnose-Zeitfenster 112 für den zu diagnostizieren Zylinder Z1 in der Kompression. Darunter sind die zugehörigen Arbeitstakte der phys. Zylinder Z1-Z4 abgebildet.
Dieses Beispiel eines Vierzylinders zeigt auf, welcher Bereich 112 der Kurbelwinkelskala für die Ladungswechseldiagnose genutzt werden kann. Das Diagnose-Zeitfenster 112 liegt für den zu diagnostizierenden Zylinder Z1 in der endenden Kompression, direkt vor der Zündung des Gemischs; für den Zylinder Z3 am Ende des Einlasstakts; für den Zylinder Z4 am Ende des Auslasstakts; und für den Zylinder Z2 am Ende des Arbeitstakts, wobei in keinem der Zylinder Z eine relevante Drehmomentfreisetzung erfolgt (vgl. Grenzwert 14 in
Das Diagnose-Zeitfenster 112 muss insbesondere so gewählt werden, dass der letzte Arbeit leistende Zylinder keine Beschleunigung der Kurbelwelle mehr erzielt und der nächste Arbeit leistende Zylinder noch nicht gezündet hat.In particular, the
Im Ausführungsbeispiel sind Grundvoraussetzungen für die Festlegung des Diagnose-Zeitfensters 112: 1) keine dominierende Wärmefreisetzung (differentieller Drehmomentenaufbau verschwindet, da vor Zündung in der Kompression bzw. nach Druckpulk im Arbeitszyklus); und/oder 2) Auslassventil offen (ansonsten muss die Kolbenbremse eingerechnet werden); und/oder 3) Einlassventil offen & entdrosselt (VVT), ansonsten muss die Kolbenbremse mit eingerechnet werden durch Drosselung und Gasfeder.In the exemplary embodiment, the basic requirements for defining the
Beispielhaft ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß
Im Ausführungsbeispiel wird das Diagnose-Zeitfenster 12 festgelegt zu:
- 660°KW - 690°KW, wie insbesondere aus
den 4 und5 ersichtlich ist.
- 660 ° KW - 690 ° KW, as in particular from the
4 and5 is evident.
Anschließend werden drei Zeitpunkte P1, P3, P2 innerhalb des Berechnungsfensters bestimmt, beispielsweise P1 = 660°KW, P3 = 675°KW und P2 = 690°KW, womit das Diagnose-Zeitfenster 12 in zwei Teilintervalle t13 und t32 aufgeteilt, hier insbesondere halbiert, wird.Three points in time P1, P3, P2 are then determined within the calculation window, for example P1=660°CA, P3=675°CA and P2=690°CA, with which the diagnosis time window 12 is divided into two sub-intervals t13 and t32, here in particular halved , becomes.
Mittels mechanischer Berechnung werden zu beiden Teilintervallen t13 und t32 diagnostische Zylinderdruckwerte p13 = pdiag,13 und p32 = pdiag,32 ermittelt.Diagnostic cylinder pressure values p13=p diag,13 and
Wie diese diagnostischen Zylinderdruckwerte pdiag,13 und pdiag,32 aus der gemessenen Drehzahlentwicklung 101 im diagnostizierten Zylinder Z ermittelt werden können, ist nachfolgend in den Ausführungen zu den Gleichungen (1) - (16) beschrieben:How these diagnostic cylinder pressure values p diag,13 and
Eine Leistungsbilanz soll - ausgehend von einer gemessenen Drehzahldifferenz - einen Vergleich zwischen einem Soll-Zylinderdruck und einem Ist-Zustand ermöglichen:
Formelzeichen Bedeutung
- J0, J
- Allg. / anteiliges Massenträgheitsmoment
- φ
- Winkelstellung der Kurbelwelle
- ω
- Winkelgeschwindigkeit
- Mtan
- Moment durch Gaskraft im Zylinder und oszillierender Massenkraft
- MR
- Moment durch Reibungsverluste
- ML
- Moment durch Lastanforderung
- MM
- Anteiliges Moment durch rotatorische Massenträgheit
- nmot
- Aktuell anliegende Motordrehzahl
- J0, J
- General / proportional mass moment of inertia
- φ
- Angular position of the crankshaft
- ω
- angular velocity
- Mtan
- Moment due to gas force in the cylinder and oscillating mass force
- MR
- moment due to friction losses
- ML
- moment by load request
- mm
- Partial moment due to rotational mass inertia
- nmot
- Current engine speed
Durch Differentation, Substitution und Einführung eines Massenmoments (Aufteilung der Trägheitsanteile) ergibt sich die Gleichung:
Teilt man die Gleichung sinnvoll auf in einen „Gleichanteil“ und einen „Wechselanteil“ so erhält man folgende Subgleichungen:
„Gleichanteil“:
"Constant proportion":
Die Bilanzierung des Gleichanteils geht von einem stationären Betriebspunkt aus. Das mittlere bereitgestellte Moment hält die mittlere Drehzahl konstant, weil es korrespondiert mit den Momentenforderungen aus Last und Reibung.
„Wechselanteil“:
“Change share”:
Eine Umwandlung von zeitbasierter Ableitung zur kurbelwinkelbasierter Differenzenbildung erfolgt mit Hilfe des Zusammenhangs
Die entscheidenden Größen aus Gleichung (1) werden für die Auswertung weiter detailliert. Der Zusammenhang für das resultierende Moment aus der innerzylindrischen Gaskraft und der ergibt sich zu:
Formelzeichen Bedeutung
- AK
- Kolbendeckfläche = const.
- rK
- Wirkradius der Kurbelwelle entspricht halben Hub = const.
- lPl
- Pleuellänge = const.
- mosz
- Oszillatorische Massenteil entspricht Kolbenbaugruppe und anteiliger Pleuelmasse = const.
- pzyl
- Im Zylinder vorherrschender Druck
- p0
- Referenzdruck, Kurbelgehäusedruck
- β(φ)
- Pleuelschwenkwinkel in Abhängigkeit der Kurbelwinkelstellung
- s̈(φ)
- Kolbenbeschleunigung in Abhängigkeit von der Kolbenstellung
- AK
- Piston top area = const.
- rK
- Effective radius of the crankshaft corresponds to half the stroke = const.
- lPl
- connecting rod length = const.
- mosz
- Oscillating mass part corresponds to piston assembly and proportionate connecting rod mass = const.
- pcyl
- Pressure prevailing in the cylinder
- p0
- Reference pressure, crankcase pressure
- β(φ)
- Connecting rod swivel angle depending on the crank angle position
- s̈(φ)
- Piston acceleration as a function of piston position
Eine weitere Detaillierung der variablen Faktoren aus Gleichung (3) ergibt:
Unter der Annahme einer konstanten mittleren Drehzahl nmot vereinfacht sich der Zusammenhang für die Kolbenbeschleunigung zu:
Die Annahme führt zu einem Fehler, der vernachlässigt werden kann. Der Einfluss der Winkelbeschleunigung hat über das gesamte Kennfeld eine vernachlässigbar kleine Abweichung zur Folge.
Bezug zum Kurbelgehäusedruck
relation to
Das Reibmoment aus Gleichung (1) kann verschiedenartig dargestellt werden. Es kann entweder ein Modell eingeführt werden, welches Messdaten für einen bestimmten Betriebspunkt der Diagnose widerspiegelt. Ein zielführender Ansatz hierbei wäre eine funktionale Verknüpfung des Terms mit der Drehzahl, der Last und der Öltemperatur.The friction torque from Equation (1) can be represented in different ways. Either a model can be introduced which reflects measurement data for a specific operating point of the diagnosis. A goal-oriented approach here would be a functional linking of the term with the speed, the load and the oil temperature.
Im Folgenden wird allerdings davon ausgegangen, dass die Diagnose in fest definierten Stationärlastpunkten durchgeführt wird. Dadurch lässt sich das Reibmoment für diesen Lastpunkt als unveränderlich annehmen.
Der gleiche Ansatz wird ebenfalls für das anteilige Moment durch rotatorische Massenträgheit und das Massenträgheitsmoment genutzt.
Eine geeignete Wahl von Diagnosekonstanten im stationären Betriebspunkt erlaubt eine einfache Applikation der Parameter im Nachhinein.A suitable choice of diagnosis constants in the stationary operating point allows a simple application of the parameters afterwards.
Die Auflösung von Gleichung (1) nach dem Gasmoment ergibt:
Nach Einsetzen der Zusammenhänge aus Gleichungen (9) bis (11) kann man auf folgende Vereinfachung mit der Applikationskonstante KRM schlussfolgern:
Applikation der Diagnose:
- In
3 ist dasDetail X aus 2 , also dieDrehzahlentwicklung 101 über den Kurbelwinkel KW während des Diagnose-Zeitfensters 112 mit den Messpunkten P1 und P2 in der Kompression von Zylinder Z1 eingetragen. Für den Zylinderdruck pP1 im Zylinder Z1 gilt zum Messpunkt P1 pP1(t1, n1), für den Zylinderdruck pP2 zum Messpunkt P2 pP2(t2, n2). Ersichtlich sinkt während des Diagnose-Zeitfensters 112 die gemessene Drehzahl n, sodass gilt n1 > n2.
- In
3 the detail X is off2 , ie thespeed development 101 via the crank angle KW during thediagnosis time window 112 with the measuring points P1 and P2 in the compression of cylinder Z1. The cylinder pressure p P1 in the cylinder Z1 is p P1 (t 1 , n 1 ) at the measuring point P1, and p P2 (t 2 , n 2 ) for the cylinder pressure p P2 at the measuring point P2. It can be seen that the measured rotational speed n falls during thediagnosis time window 112, so that n 1 >n 2 applies.
Der Gradient der Winkelgeschwindigkeit aus Gleichung (2) wird erweitert. Die zu ermittelnde Drehzahl muss dabei gemittelt werden und Konstanten werden wieder gekennzeichnet.
Der Term für das Tangentialmoment aus Gleichung (3) wird nachfolgend erweitert um die Zusammenhänge aus den Gleichungen (4) bis (8) und Konstanten werden gekennzeichnet.
Nach Einsetzen von Gleichung (14) und (13) in Gleichung (12), Auflösung nach den Zylinderdrücken und Zusammenfassung aller Konstanten ergibt sich:
Alle Druckgrößen und Drehzahlen in der Gleichung (15) sind messbar zu den Zeitpunkten P1 und P2. Eine geeignete, an sich bekannte Indiziermesstechnik löst die nötigen physikalischen Größen kurbelwinkelbasiert oder zumindest gemittelt über mehrere Arbeitsspiele auf. Zusätzlich oder alternativ zur Indiziermesstechnik kann auf Daten eines geeigneten Betriebsmodells, beispielsweise der Motorsteuerung, zurückgegriffen werden. Die Kinematikkonstante KK kann tabelliert und in Abhängigkeit von der Kolbenstellung eingesetzt werden.All pressure variables and speeds in equation (15) can be measured at points in time P1 and P2. A suitable indicator measurement technique known per se resolves the necessary physical variables based on the crank angle or at least averaged over several working cycles. In addition or as an alternative to the indication measurement technology, data from a suitable operating model, for example the engine control, can be accessed. The kinematic constant K K can be tabulated and used depending on the piston position.
Der Einfluss der Drehzahl nmot bezüglich der oszillatorischen Massen kann beispielsweise echtzeitfähig berechnet oder in Form einer Lookup-Tabelle eines geeignet hinterlegten Betriebsmodells bezüglich Drehzahl und Last auf dem Steuergerät abgelegt werden.The influence of the speed nmot with regard to the oscillatory masses can, for example, be calculated in real time or stored on the control unit in the form of a lookup table of a suitably stored operating model with regard to speed and load.
Die reduzierte Kolbenbeschleunigung (4) lässt sich für die beiden diskreten Punkte formulieren:
Die Konstanten K1 und K2 können anhand von Referenzmessungen (Motorfunktion bzw. Ladungswechsel OK) bestimmt werden.The constants K 1 and K 2 can be determined using reference measurements (engine function or gas exchange OK).
Diagnoseablauf:Diagnosis process:
Nach Bestimmung der Applikationskonstanten K1 und K2 lässt sich die Gleichung (15) benutzen, um den diagnostischen Zylinderdruck aus der Drehzahländerung in der Kompression zu bestimmen:
Der diagnostische Zylinderdruck p̅zyl,diag ist ein Indiz für den Druckverlauf während der Kompression des Zylinders.The diagnostic cylinder pressure p̅ zyl,diag is an indication of the pressure profile during compression of the cylinder.
Auf diese Weise können im Fahrbetrieb für das Diagnose-Zeitfenster 12 des diagnostizierten Zylinders Z die diagnostischen Zylinderdrücke p13 = pdiag,13 zum Zeitintervall t13 und p32 = pdiag,32 zum Zeitintervall t32 ermittelt werden.In this way, the diagnostic cylinder pressures p13=p diag,13 for the time interval t13 and p32=p diag,32 for the time interval t32 can be determined while driving for the diagnosis time window 12 of the diagnosed cylinder Z.
Zudem wird für beide Zeitintervalle t13 und t32 im Diagnose-Zeitfenster 12 jeweils ein mittleres Zylindervolumen V13 bzw. V32 des diagnostizierten Zylinders Z zu den korrespondierenden Kurbelwinkelstellungen °KW ermittelt, hier beispielsweise anhand eines Table Lookups in den Punkten P1, P3 und P2.In addition, for both time intervals t13 and t32 in the diagnosis time window 12, an average cylinder volume V13 or V32 of the diagnosed cylinder Z is determined for the corresponding crank angle positions °KW, here for example using a table lookup at points P1, P3 and P2.
Mit den so ermittelten diagnostischen Druckwerten (= Ausprägungen einer Druckkennzahl des diagnostizierten Zylinders Z) und Volumenwerten (= Ausprägungen eines Zylindervolumens des diagnostizieren Zylinders) erfolgt dann eine Aufstellung der Polytropengleichung für den Zylinderdruckverlauf in der Kompression (genauer: in dem Diagnose-Zeitfenster 12) zu:
Aus der Polytropengleichung (17), die in
In einem nächsten Schritt erfolgt nun der Vergleich des errechneten Polytropenkoeffizienten N mit einem Referenz-Polytropenkoeffizienten-Bereich Nref von 1,38 bis 1,42 für regulär arbeitende Zylinder. Dabei werden entsprechend der Nachfolgenden Tabelle Abweichungstypen zugeordnet:
Wenn die Relation „zu klein“ vorliegt, ist von einer umso Wartungs-relevanteren Abweichung auszugehen, - in je mehr Lastfällen/Betriebszuständen diese Abweichung ermittelt wird, und/oder - je mehr die Abweichung in einem Niedriglastbereich des Motors ermittelt wurde.If the relation is “too small”, a deviation that is all the more maintenance-relevant can be assumed - the more load cases/operating states this deviation is determined in, and/or - the more the deviation was determined in a low-load range of the engine.
Wenn die Relation „zu groß“ vorliegt, so kann dieses diagnostische Indiz im weiteren Troubleshooting von komplexen Fehlerbildern wie bspw. laufunruhiger Motor genutzt werden, um in Folge danach entsprechende Arbeitsschritte zu identifizieren.If the relation is "too large", then this diagnostic indication can be used in further troubleshooting of complex fault patterns such as a rough-running engine in order to subsequently identify corresponding work steps.
Vorzugsweise wird die Relation für alle Zylinder des Motors ermittelt, wobei dann die in der Tabelle genannten Abweichungstypen als übergeordnete Abweichungstypen zugeordnet werden können. Untersteigen beispielsweise alle errechneten Polytropenwerte den Referenzwert wesentlich und insbesondere im Niedriglastbereich, so ist von einem Problem im Wärmeübergang der Zylinder auszugehen.The relation is preferably determined for all cylinders of the engine, in which case the deviation types specified in the table can then be assigned as higher-level deviation types. For example, if all the calculated polytrope values fall significantly below the reference value, particularly in the low-load range, then a problem in the heat transfer of the cylinder can be assumed.
Die Zusammenhänge der dargestellten Tabelle sind auch der
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Verbrennungsmotorcombustion engine
- 22
- Diagnosemitteldiagnostic tools
- 44
- Recheneinheitunit of account
- 66
- Erfassungseinheit für die Drehzahl der KurbelwelleCrankshaft speed acquisition unit
- 77
- Zylinderdruck-ErmittlungseinheitCylinder pressure determination unit
- 99
- Ansaugsystemintake system
- 1010
- Drehmomentverlauf des Verbrennungsmotors über einen MotorzyklusTorque curve of the combustion engine over one engine cycle
- 1212
- Drehmomentlöchertorque holes
- 1414
- vorbestimmte Grenze für relevanten Drehmomentbeitrag predetermined limit for relevant torque contribution
- 100100
- Diagramm DrehzahlentwicklungSpeed development diagram
- 101101
- Drehzahlverlaufspeed curve
- 112112
- Diagnose-Zeitfenster diagnostic time window
- ATLATL
- Abgasturboladerexhaust gas turbocharger
- GG
- Abweichungstypdeviation type
- K1K1
- Abweichungstypdeviation type
- K2K2
- Abweichungstypdeviation type
- KTKT
- Kurbeltriebcrank drive
- KWweek
- Kurbelwinkelcrank angle
- LL
- potentielle Leckagenpotential leaks
- LFLF
- Luftfilterair filter
- LSLS
- Luftsammlerair collector
- MM
-
Drehmoment eines Zylinders in
1 Torque of a cylinder in1 - nn
- Drehzahlrotational speed
- NN
- Polytropenkoeffizientpolytropic coefficient
- Nrefnoref
- Referenz-Polytropenkoeffizient (auch als Bereich angegeben)Reference polytrope coefficient (also given as range)
- pp
- Zylinderdruckcylinder pressure
- pdiagpdiag
- Druckkennzahl, hier diagnostischer ZylinderdruckPressure index, here diagnostic cylinder pressure
- PP
- Messzeitpunkte zu Beginn, in der Mitte und zu Ende des Diagnose-ZeitfenstersMeasurement times at the beginning, in the middle and at the end of the diagnosis time window
- RR
- potentieller mechanischer Fehler durch Reibung Kolben/Zylinderpotential mechanical failure due to piston/cylinder friction
- tt
- Zeitintervall im Diagnose-ZeitfensterTime interval in the diagnosis time window
- VV
- Zylindervolumencylinder volume
- ZZ
- Zylindercylinder
- ZZPZZP
- Zündzeitpunkt eines Zylindersignition timing of a cylinder
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020119802.7A DE102020119802B4 (en) | 2020-07-28 | 2020-07-28 | Diagnosis of a compression behavior of an internal combustion engine |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020119802.7A DE102020119802B4 (en) | 2020-07-28 | 2020-07-28 | Diagnosis of a compression behavior of an internal combustion engine |
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Family Applications (1)
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-
2020
- 2020-07-28 DE DE102020119802.7A patent/DE102020119802B4/en active Active
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---|---|---|---|---|
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