DE102021102260A1 - Determination of knocking in a cylinder of an internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein echtzeitfähiges Verfahren zur Bestimmung eines Klopfbetriebs in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors, aufweisend die Schritte: Auswahl eines zu diagnostizierenden Zylinders, Bestimmen eines Diagnose-Zeitfensters, das eine Schwerpunktlage einer Verbrennung in einem Arbeitstakt des ausgewählten Zylinders beinhaltet, Ermitteln einer Drehzahlentwicklung des Verbrennungsmotors während des Diagnose-Zeitfensters, Ermitteln eines Klopfbetriebskennwerts im identifizierten Zylinder. Ferner betrifft die Erfindung ein Motorsteuergerät und einen Verbrennungsmotor.The invention relates to a real-time method for determining knocking in a cylinder of an internal combustion engine, comprising the steps: selecting a cylinder to be diagnosed, determining a diagnostic time window that includes a focal point of combustion in a power stroke of the selected cylinder, determining a speed development of the internal combustion engine during the diagnostic time window, determining a detonation characteristic in the identified cylinder. The invention also relates to an engine control unit and an internal combustion engine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Klopfbetriebs in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors, ein Motorsteuergerät für einen Verbrennungsmotor, sowie einen Verbrennungsmotor mit einem oder mehreren Zylindern und einem Motorsteuergerät.The invention relates to a method for determining knocking in a cylinder of an internal combustion engine, an engine control unit for an internal combustion engine, and an internal combustion engine with one or more cylinders and an engine control unit.

Unrunder Motorlauf und irreguläre Verbrennungen sind ein grundsätzliche Problem bei Verbrennungsmotoren, die insbesondere 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 irregular combustion are a fundamental problem in internal combustion engines, which can lead in particular 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 irreguläre Verbrennungen und/oder unrunden Motorlauf sehr 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 error, whereby the causes of irregular combustion and/or uneven engine running can be very different.

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 ist bei einem Werkstattbesuch des Kunden mit dem funktionsbeeinträchtigten Motor schwierig ohne Zerlegung.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 pair) 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 without dismantling.

Ein Werkstattbesuch mit einem schlecht laufenden Motor kann für den Kunden daher unerfreulich bzgl. der Erfolgswahrscheinlichkeit einer zutreffenden ersten Diagnose sein.A visit to the workshop with a poorly running engine 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 Bedeutung. Diese sollen den aktuellen Performancezustand - und damit den Wartungsbedarf - insbesondere hinsichtlich benötigtem Wartungsumfang und hinsichtlich einer vorteilhaften Zeitschiene quantifizieren und besser lokalisieren.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 should quantify and better localize 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.

Vor dem Hintergrund der beschriebenen Probleme ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Identifizierung einer Fehlerursache für unrunden Motorlauf und/oder Verbrennungsaussetzer zu ermöglichen, und insbesondere eine verbesserte Bestimmung eines Klopfbetriebs in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors bereitzustellen.Against the background of the problems described, 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 determination of knocking in a cylinder of an internal combustion engine.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, ein Motorsteuergerät für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen von Anspruch 8, sowie einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen von Anspruch 10. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. This object is achieved by a method having the features of claim 1, an engine control device for an internal combustion engine having the features of claim 8, and an internal combustion engine having the features of claim 10. The dependent claims relate to advantageous developments of the invention.

Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Klopfbetriebs in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, offenbart. Das Verfahren weist zumindest die folgenden Verfahrensschritte auf, die in der nachfolgend angegebenen oder einer anderen, fachmännisch sinnvollen Reihenfolge durchgeführt werden können:

  1. (i) Auswahl eines zu diagnostizierenden Zylinders.
  2. (ii) Bestimmen eines Diagnose-Zeitfensters, das eine Schwerpunktlage einer Verbrennung in einem Arbeitstakt des ausgewählten Zylinders beinhaltet.
  3. (iii) Ermitteln einer Drehzahlentwicklung des Verbrennungsmotors während des Diagnose-Zeitfensters, insbesondere mit einer echtzeitfähigen Samplingqualität.
  4. (iv) Ermitteln eines Klopfbetriebskennwerts im identifizierten Zylinder in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung.
According to one aspect, a method for determining knocking in a cylinder of an internal combustion engine, in particular in a motor vehicle, is disclosed. The method has at least the following method steps, which can be carried out in the order given below or in another order that makes sense for the person skilled in the art:
  1. (i) Selection of a cylinder to be diagnosed.
  2. (ii) Determination of a diagnostic time window that includes a center of gravity of combustion in a power stroke of the selected cylinder.
  3. (iii) determining a speed development of the internal combustion engine during the diagnosis time window, in particular with a real-time capable sampling quality.
  4. (iv) determining a knocking operation parameter in the identified cylinder as a function of the determined speed development.

Dadurch kann ein Klopfbetrieb während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs detektiert und/oder quantitativ bestimmt werden. Auch kann eine hohe Wahrscheinlichkeit für einen baldigen Klopfbetrieb, sprich eine Neigung zum Klopfen anhand des Klopfbetriebskennwerts, insbesondere unter bestimmten Randbedingungen, prädiziert werden. Dies ist ein Vorteil der Erfindung im Vergleich zur Detektion mit Hilfe eines oder mehrerer Klopfsensoren: eine klopfende Verbrennung muss mit Hilfe des Klopfbetriebskennwerts nicht zwingend vorliegen, um eine diagnostische Aussage zu treffen, anders als bei der Detektion mit einem seismischen Klopfsensor.As a result, knocking can be detected and/or quantitatively determined while the motor vehicle is being driven. A high probability of imminent knocking operation, ie a tendency to knocking, can also be predicted using the knocking operation parameter, in particular under certain boundary conditions. This is an advantage of the invention compared to detection using one or more knocking sensors: knocking combustion does not have to be detected using the knocking operation parameter Sufficient to make a diagnostic statement, unlike detection with a seismic knock sensor.

Das Diagnose-Zeitfenster erstreckt sich insbesondere zumindest im Wesentlichen zwischen einer (realen oder zur Vereinfachung pauschal zu mehreren Betriebszuständen angenommenen) Zündungs-Kurbelwinkelstellung zu einem Zündzeitpunkt des identifizierten Zylinders und einer Brennende-Kurbelwinkelstellung zu einem definierten Brennende des ausgewählten Zylinders. Das Diagnose-Zeitfenster kann an seinen beiden Rändern zusätzlich noch jeweils einen Kurbelwinkelbereich aufweisen, in welchem die Drehzahlenwicklung zur Bestimmung einer Druckkennzahl für einen ursprünglichen Randpunkt des Diagnosezeitfensters relevant ist, beispielsweise den Zündzeitpunkt oder das Brennende.The diagnosis time window extends in particular at least essentially between a (real or, for simplification, assumed across the board for several operating states) ignition crank angle position at an ignition time of the identified cylinder and a burn-end crank angle position at a defined burn end of the selected cylinder. The diagnosis time window can also have a crank angle range at each of its two edges, in which the speed development is relevant for determining a pressure index for an original edge point of the diagnosis time window, for example the ignition point or the end of combustion.

Unter einem Klopfbetrieb es vorliegend insbesondere eine sogenannte klopfende Verbrennung im diagnostizierten Zylinder zu verstehen. Bei einer klopfenden Verbrennung findet eine unkontrolliert schnelle Verbrennung im Brennraum mit entsprechend hohen Energiespitzen in einem kurzen Zeitraum statt. Ein Grund für einen klopfende Verbrennung kann beispielsweise eine parallele Entzündung des Gemischs im Brennraum entfernt von der Zündkerze sein, beispielsweise wenn dort glimmende Rückstände vorhanden sind. Das charakterisierende Klopfgeräusch eines Klopfbetrieb entsteht insbesondere dadurch, dass verschiedene Verbrennungsfronten im Brennraum mit Überschallgeschwindigkeit aufeinandertreffen.In the present case, a knocking operation is to be understood in particular as a so-called knocking combustion in the diagnosed cylinder. In the case of knocking combustion, uncontrolled rapid combustion takes place in the combustion chamber with correspondingly high energy peaks in a short period of time. One reason for knocking combustion can be, for example, parallel ignition of the mixture in the combustion chamber away from the spark plug, for example if there are smoldering residues there. The knocking noise that characterizes knocking operation arises in particular from the fact that different combustion fronts in the combustion chamber meet at supersonic speeds.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Motorsteuergerät für einen Verbrennungsmotor offenbart, das dazu eingerichtet ist, insbesondere mittels eines Verfahrens gemäß einer Ausführung der Erfindung, ermittelte und/oder in dem Speicher abgelegte, Klopfbetriebskennwerte (KB) zu übergeben

  1. (a) an eine Diagnosekomponente des Motorsteuergeräts für weitere Onboard-Diagnosefunktionen, und/oder
  2. (b) an eine Steuerkomponente des Motorsteuergeräts für eine Echtzeitregelung von Funktionen des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von dem ermittelten Klopfbetriebskennwert.
According to a further aspect, an engine control unit for an internal combustion engine is disclosed, which is set up to transfer knocking operation characteristic values (KB) determined and/or stored in the memory, in particular by means of a method according to an embodiment of the invention
  1. (a) to a diagnostic component of the engine control unit for further onboard diagnostic functions, and/or
  2. (b) to a control component of the engine control unit for real-time regulation of functions of the internal combustion engine as a function of the knocking operating parameter determined.

Gemäß einer Ausführung weist das Motorsteuergerät einen nichtflüchtigen Speicher auf und ist dazu eingerichtet, eine oder mehrere, zu einem bzw. unterschiedlichen Diagnosezeitpunkten, insbesondere ermittelte, Ausprägungen des Klopfbetriebskennwert in dem nichtflüchtigen Speicher abzulegen.According to one embodiment, the engine control unit has a non-volatile memory and is set up to store one or more manifestations of the knock operating characteristic value, in particular determined at one or different diagnosis times, in the non-volatile memory.

Gemäß einer Ausführung ist das Motorsteuergerät dazu eingerichtet, in dem Speicher abgelegte Ausprägungen des Klopfbetriebskennwerts an einen Offboardrechner für Offline-Diagnosefunktionen zu übergeben. Insbesondere wird die Ablauffunktion im Motorsteuergerät auch für die Übergabe des Klopfbetriebskennwerts an eine Cloudspeicherung befähigt, welche eine Remotediagnose von Flottenfahrzeugen ermöglicht, ohne dass sich selbige im Werkstattumfeld befinden müssen.According to one embodiment, the engine control unit is set up to transfer forms of the knock operation parameter stored in the memory to an off-board computer for offline diagnostic functions. In particular, the process function in the engine control unit is also enabled for the transfer of the knocking operation parameter to cloud storage, which enables remote diagnosis of fleet vehicles without them having to be in the workshop environment.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern offenbart, aufweisend ein Motorsteuergerät gemäß einer Ausführung der Erfindung.According to a further aspect, an internal combustion engine with multiple cylinders is disclosed, comprising an engine control device according to an embodiment of the invention.

Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass für moderne PKW mehr und mehr „Gesundheitsfunktionen“ für die Antriebe entwickelt werden. Diese sollen den aktuellen Performancezustand quantifizieren. Da die Klopfneigung bei Verbrennungsmotoren eine elementar wichtige, aber nicht direkt messbare Kenngröße für die Verbrennungseffizienz und die Bauteilbelastung ist, wird ihre Erfassung im Fahrzustand erforderlich, wenn man kontinuierlich die Performance des Verbrennungsmotors monitoren möchte. Aus technischer Sicht gibt es bisher hier eine Lücke.The invention is based, among other things, on the consideration that more and more “health functions” are being developed for the drives in modern passenger cars. These should quantify the current performance status. Since the tendency to knock in combustion engines is an elementary but not directly measurable parameter for combustion efficiency and component stress, it must be recorded while driving if you want to continuously monitor the performance of the combustion engine. From a technical point of view, there is a gap here so far.

Generell beinhaltet die Brennkammer eines Zylinders zur Verbrennung eine Luftmasse und eine Kraftstoffmasse, wobei die beiden Massen als Gemisch vorliegen. Die Klopfneigung kennzeichnet, insbesondere bei Ottomotoren, die Druckanstiegs-Geschwindigkeiten und Druckamplituden einer irregulären Verbrennung. Solche klopfenden Verbrennungszyklen erfordern zum Schutz der mechanischen Bauteile eine Begrenzung der Klopfintensität durch einen Reglereingriff.In general, the combustion chamber of a cylinder contains a mass of air and a mass of fuel for combustion, the two masses being present as a mixture. The tendency to knock characterizes the pressure rise rates and pressure amplitudes of irregular combustion, particularly in Otto engines. In order to protect the mechanical components, such knocking combustion cycles require the knocking intensity to be limited by means of a controller intervention.

Das vom Regler verwendete Inputsignal für die Klopfintensität beeinflusst stark die Dynamik und Stärke des Klopfreglers und damit wiederum Verbrennungseffizienz, Drehmomentenabgabe, Abgastemperatur und Emissionen. Die Länge der Brennverzüge bestimmt sehr stark die Verbrennungsqualität, den Verbrauch, den Fahrkomfort und die Emissionen. Klopfende Arbeitsspiele können aktuell nicht direkt beim ersten Arbeitsspiel gemessen werden, auch nicht mit einem Klopfsensor. Damit existiert kein dynamischer Regler, der in der Lage wäre, die Neigung zu einem Klopfbetrieb von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel (sprich innerhalb eines Arbeitsspiels) zu regeln, insbesondere zu minimieren.The knock intensity input signal used by the controller strongly influences the dynamics and strength of the knock controller and, in turn, combustion efficiency, torque output, exhaust gas temperature and emissions. The length of the combustion delay determines the combustion quality, consumption, driving comfort and emissions to a very large extent. Knocking work cycles cannot currently be measured directly during the first work cycle, not even with a knock sensor. This means that there is no dynamic controller which would be able to regulate, in particular to minimize, the tendency towards knocking operation from work cycle to work cycle (i.e. within a work cycle).

Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, aus der ohnehin in modernen Verbrennungsmotoren zeitlich hoch aufgelöst ermittelten KurbelwellenDrehzahl eine Kennzahl für einen Zylinderdruck zu bestimmten Kurbelwellen-Stellungen zu ermitteln, und daraus wiederum einen Kennwert dafür abzuleiten, ob ein Klopfbetrieb - sprich klopfende Verbrennung - im Zylinder vorliegt.The invention is now based, among other things, on the idea of determining a characteristic number for a cylinder pressure at specific crankshaft positions from the crankshaft speed, which is already determined with high temporal resolution in modern internal combustion engines, and from this in turn deriving a characteristic value for whether knocking operation - i.e. knocking combustion - present in the cylinder.

Durch die kurzen Intervalle zwischen den einzelnen Drehzahl-Messungen (im Bereich weniger Millisekunden) ist es mit der Erfindung möglich, den Druckaufbau im Zylinder während der Verbrennung nach der Zündung detailliert zu schätzen und mittels einer druckbasierten Analyse der Energiefreisetzung im Zylinder auszuwerten.Due to the short intervals between the individual speed measurements (in the range of a few milliseconds), it is possible with the invention to estimate the pressure build-up in the cylinder during combustion after ignition in detail and to evaluate the energy release in the cylinder using a pressure-based analysis.

Die dazu benötigte Ermittlung des Drucks im Zylinder aus der Kurbelwellen-Drehzahl kann beispielsweise gemäß einem in WO 2019/238338 A1 beschriebenen Verfahren oder mit einem anderen bekannten Verfahren erfolgen, und zwar insbesondere an wenigstens drei vorher definierten Kurbelwellen-Stellungen (beispielsweise: erste Stellung: Zündung; zweite Stellung: kurz nach einer Schwerpunktlage - i.e. 50% Verbrennungsumsatz - der Verbrennung; dritte Stellung, insbesondere in der halben Kurbelwinkelweite zwischen erster und zweiter Stellung).The required determination of the pressure in the cylinder from the crankshaft speed can, for example, according to an in WO 2019/238338 A1 described method or with another known method, in particular at least three previously defined crankshaft positions (e.g.: first position: ignition; second position: shortly after a center of gravity - ie 50% combustion conversion - the combustion; third position, in particular in half the crank angle width between the first and second position).

Anschließend kann eine Auswertung eines Klopfdruck-Energieintegral für die Klopfintensität basierend auf dem ermittelten Werten für den Zylinderdruck erfolgen. Gegebenenfalls können zur Auswertung vereinfachende Annahmen getroffen werden, um eine immer noch ausreichend genaue Analyse echtzeitfähig auf einen ansonsten bekannten, typischen Motorsteuergerät eines Kraftfahrzeugs durchzuführen. Mögliche vereinfachende Annahmen dieser Art sind vorliegend zu einem Ausführungsbeispiel beschrieben.A knock pressure energy integral for the knock intensity can then be evaluated based on the determined values for the cylinder pressure. If necessary, simplifying assumptions can be made for the evaluation in order to carry out an analysis that is still sufficiently accurate and capable of real-time on an otherwise known, typical engine control unit of a motor vehicle. Possible simplifying assumptions of this type are described here for an exemplary embodiment.

Eine Detektion eines klopfenden Arbeitsspiels kann mit der Erfindung mit Hilfe eines Vergleichs des ermittelten Werts des aufgestellten Klopfdruck-Energieintegrals mit einem vorbestimmten Referenzwert, bzw. mit dessen Überschreitung, erfolgen.A knocking work cycle can be detected with the invention by comparing the determined value of the established knock pressure energy integral with a predetermined reference value, or by exceeding it.

Das derart detektierte Event (sprich der derart bestimmte Einzelzyklus-Klopfbetrieb) kann einem Datenerfassungsmodul im Fahrzeug zur späteren Verwendung übergeben werden; zusätzlich oder alternativ kann bei der Detektion des Event ein Reglereingriff des Motorsteuergeräts zur Vermeidung eines weiteren Klopfbetriebs ausgelöst werden.The event detected in this way (i.e. the single-cycle knocking operation determined in this way) can be transferred to a data acquisition module in the vehicle for later use; Additionally or alternatively, when the event is detected, a controller intervention by the engine control unit can be triggered to prevent further knocking.

Dadurch kann eine Beschleunigung der Identifikation eines Klopfbetriebes erreicht werden: Zusammen mit der verbauten Klopfsensorik (beispielsweise seismische Schwingungsaufnehmer) kann das Klopfevent im Zylinder schon nach einem oder wenigen Zyklen erkannt werden, und damit deutlich schneller als mit dem Klopfsensor alleine. Die Klopfsensorik alleine benötigt typischerweise etliche Arbeitsspiele, bis ein Klopfen sicher auf Basis der Frequenzspektren im Sensorsignal erkannt wird.This can accelerate the identification of knocking: Together with the built-in knock sensors (e.g. seismic vibration sensors), the knock event in the cylinder can be detected after just one or a few cycles, and thus much faster than with the knock sensor alone. The knock sensor alone typically requires a number of work cycles until knocking is reliably detected on the basis of the frequency spectra in the sensor signal.

Damit kann auch der Reglereingriff beschleunigt und die mechanische Bauteilbelastung bereits früher und dauerhaft gesenkt werden.In this way, the controller intervention can also be accelerated and the mechanical component stress can be lowered earlier and permanently.

Darüber hinaus kann eine Unterstützung von Datenerhebungen erfolgen: Im Bereich der „Gesundheitsfunktionen“ von Antrieben kann mit der Erfindung eine einfache, weitere Kenngröße erhoben werden: der Grenzlastbetrieb. Es kann im Onboard-Betrieb des Kunden für die spätere Auswertung beantwortet werden, wie häufig der Motor einem z.T. schädlichen Klopfen ausgesetzt wurde. Bei bekannten Motorsteuergeräten werden dazu zumeist nur die Reglereingriffe (spätere Zündwinkel zur Vermeidung) zur Verfügung gestellt.In addition, data collection can be supported: In the area of the “health functions” of drives, a simple, additional parameter can be collected with the invention: the limit load operation. It can be answered in the customer's onboard operation for later evaluation how often the engine was exposed to knocking, some of which was harmful. In the case of known engine control devices, only the controller interventions (later ignition angles to avoid them) are usually made available for this purpose.

Ferner ist mit der Erfindung eine Verringerung der Herstellungskosten des Fahrzeugantriebs erreichbar: Bei hinreichend genauer Applikation einer Steuergeräts-Funktion im Sinne der Erfindung ist ein Entfall der Klopfsensorik in längerfristig quasistationär betriebenen Motoren denkbar.Furthermore, a reduction in the manufacturing costs of the vehicle drive can be achieved with the invention: With sufficiently precise application of a control unit function within the meaning of the invention, it is conceivable that the knock sensor system could be omitted in engines that are operated in a quasi-stationary manner for a longer period of time.

Gemäß einer Ausführung wird der Klopfbetriebskennwert in Abhängigkeit von einem Druckverlauf und/oder einem Druckgradienten und/oder einer Klopfdruckenergie in dem ausgewählten Zylinder während des bestimmten Diagnose-Zeitfensters ermittelt.According to one embodiment, the knock operation parameter is determined as a function of a pressure curve and/or a pressure gradient and/or a knock pressure energy in the selected cylinder during the specific diagnosis time window.

Dies ermöglicht eine Bestimmung eines Klopfbetriebs anhand der durch die Verbrennung in den Brennraum des Zylinders eingebrachten Energie.This enables knocking operation to be determined on the basis of the energy introduced into the combustion chamber of the cylinder by the combustion.

Insbesondere wird der Druckverlauf und/oder der Druckgradient in Abhängigkeit von dem Drehzahlverlauf ermittelt.In particular, the pressure curve and/or the pressure gradient is determined as a function of the speed curve.

Gemäß einer Ausführung wird der Klopfbetriebskennwert mittels einer Auswertung eines Klopfdruckenergie-Integrals über das Diagnose-Zeitfenster ermittelt. Insbesondere ist unter einer Klopfdruckenergie eine Energie zu verstehen, die zusätzlich zu einer typischen Verbrennungsenergie aufgrund der noch höheren Druckgradienten bei einer klopfenden Verbrennung freigesetzt wird. Das Klopfdruckenergie-Integral kann daher insbesondere eine speziell durch den klopfenden Betrieb freigesetzte Verbrennungsenergie repräsentieren.According to one embodiment, the knock operation characteristic is determined by evaluating a knock pressure energy integral over the diagnosis time window. In particular, knocking pressure energy is to be understood as meaning energy that is released in addition to typical combustion energy due to the even higher pressure gradients in knocking combustion. The knocking pressure energy integral can therefore represent, in particular, combustion energy released specifically by knocking operation.

Dies ermöglicht, in Abhängigkeit von der Drehmomentvariation der Kurbelwelle während des Diagnose-Zeitfensters den Energieeintrag in den Brennraum des Zylinders zu analysieren, insbesondere über den Zwischenschritt einer Druckauswertung.This enables the energy input into the combustion chamber of the cylinder to be analyzed as a function of the torque variation of the crankshaft during the diagnosis time window, in particular via the intermediate step of a pressure evaluation.

Insbesondere ist ein Betrag des Klopfdruckenergie-Integrals über das Diagnose-Zeitfenster der Klopfbetriebskennwert.In particular, an amount of the knocking pressure energy integral over the diagnosis time window is the knocking operating characteristic.

Gemäß einer Ausführung wird die Klopfdruckenergie, insbesondere das Klopfdruckenergie-Integral, in Abhängigkeit von wenigstens drei Ausprägungen einer Druckkennzahl ermittelt, die jeweils zu wenigstens drei Zeitintervallen im Diagnose-Zeitfenster bestimmt wird.According to one embodiment, the knocking pressure energy, in particular the knocking pressure energy integral, is determined as a function of at least three characteristics of a pressure index, which is determined at least at three time intervals in the diagnosis time window.

Dies ermöglicht eine Diagnose des Klopfverhaltens des Zylinders in Abhängigkeit von einer hochfrequenten kontinuierlich ermittelten Drehzahl der Kurbelwelle.This enables a diagnosis of the knocking behavior of the cylinder as a function of a high-frequency, continuously determined rotational speed of the crankshaft.

Gemäß einer Ausführung wird ein Klopfbetrieb bestimmt, wenn eine Auswertung des Klopfdruckenergie-Integrals einen Energiewert ergibt, der wenigstens einem Klopfenergie-Grenzwert, insbesondere für diesen Zylinder, entspricht oder höher ist als dieser.According to one embodiment, knocking is determined when an evaluation of the knock pressure energy integral results in an energy value that corresponds to at least one knock energy limit value, in particular for this cylinder, or is higher than this.

Damit kann im Fahrbetrieb des Fahrzeuges für jedes Arbeitsschritt eines Zylinders unmittelbar ein Klopfbetrieb detektiert werden, was unter anderem einen unmittelbaren Reglereingriff zur Vermeidung des Klopfens und/oder ggf. eine verbesserte „predictive maintenance“ ermöglichen kann.In this way, when the vehicle is being driven, knocking can be detected immediately for each working step of a cylinder, which, among other things, can enable direct control intervention to avoid knocking and/or possibly improved “predictive maintenance”.

Der Klopfenergie-Grenzwert weist für typische Zylinder moderner Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen bei einem Volllastbetrieb und niedrigen Drehzahlen insbesondere einen Betrag von zwischen 0,06 bar2/KW3 und 0,105 bar2/KW3 auf.For typical cylinders of modern internal combustion engines in motor vehicles, the knocking energy limit is in particular between 0.06 bar 2 /KW 3 and 0.105 bar 2 /KW 3 when operating under full load and at low speeds.

Gemäß einer Ausführung kann neben einem Klopfbetrieb auch eine Klopfbetriebsgefahr bestimmt werden, insbesondere wenn die Auswertung des Klopfdruckenergie-Integrals einen Energiewert ergibt, der knapp unterhalb des Klopfenergie-Grenzwerts liegt und/oder eine zeitliche Ableitung/Entwicklung des Energiewerts ergibt, dass der Klopfenergie-Grenzwert bald - d.h. insbesondere innerhalb weniger Arbeitsspiele des Verbrennungsmotors voraussichtlich erreicht wird.According to one embodiment, in addition to knocking operation, a risk of knocking operation can also be determined, in particular if the evaluation of the knocking pressure energy integral results in an energy value that is just below the knocking energy limit value and/or a time derivation/development of the energy value shows that the knocking energy limit value soon - i.e. in particular within a few working cycles of the internal combustion engine.

Gemäß einer Ausführung werden zur Ermittlung der Drehzahlentwicklung ein kontinuierlicher Drehzahlverlauf während des Diagnose-Zeitfensters erfasst und die erfassten Werte in einer Auflösung von wenigstens in der Größenordnung von zehn Millisekunden, insbesondere in einem Steuergerät, bereitgestellt.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 provided with a resolution of at least on the order of ten milliseconds, in particular in a control unit.

Dadurch kann der Klopfbetriebskennwert im Fahrbetrieb bestimmt und/oder in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung bestimmt werden.As a result, the knocking operation parameter can be determined while driving and/or can be determined as a function of the determined speed development.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.

  • 1 a-c zeigt in schematischen Ansichten einen Verbrennungsmotor mit einer Motorsteuerung nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung, wobei in 1a die Einbauumgebung des Verbrennungsmotors, in 1b relevante Parameter sowie in 1c Drehmomentbeiträge an dem Kurbeltrieb des Verbrennungsmotors über die Zeit dargestellt sind.
  • 2 zeigt ein Schaubild mit einem Diagramm einer Drehzahlentwicklung eines Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors nach 1 und einer Darstellung der Takte der einzelnen Zylinder.
  • 3 zeigt ein vergrößertes Detail aus dem Diagramm nach 2.
  • 4 zeigt ein Schaubild mit einem Diagramm einer Druckentwicklung und einem Brennverlauf in einem Brennraum eines Zylinders aus 1, wobei aus dem Schaubild ein Klopfdruckenergie-Integral ersichtlich ist.
  • 5 zeigt ein Ablaufdiagramm von Verfahrensschritten einer beispielhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Further advantages and application possibilities of the invention result from the following description in connection with the figures.
  • 1ac shows in schematic views an internal combustion engine with an engine controller according to an exemplary embodiment of the invention, wherein in 1a the installation environment of the internal combustion engine, in 1b relevant parameters as well as in 1c Torque contributions to the crank mechanism of the internal combustion engine are shown over time.
  • 2 shows a diagram with a diagram of a speed development of a working cycle of the internal combustion engine 1 and a representation of the strokes of the individual cylinders.
  • 3 shows an enlarged detail from the diagram 2 .
  • 4 shows a diagram with a diagram of a pressure development and a combustion process in a combustion chamber of a cylinder 1 , where a knocking pressure energy integral can be seen from the graph.
  • 5 shows a flowchart of method steps of an exemplary embodiment of a method according to the invention.

In 1a ist ein Verbrennungsmotor 1 in seiner Einbauumgebung dargestellt, wobei der Verbrennungsmotor 1 im Ausführungsbeispiel ein Viertakt-Ottomotor mit vier Zylindern Z1, Z2, Z3 und Z4 ist.In 1a an internal combustion engine 1 is shown in its installation environment, the internal combustion engine 1 in the exemplary embodiment being a four-stroke gasoline engine with four cylinders Z1, Z2, Z3 and Z4.

In der Darstellung der 1a ist von der Einbauumgebung insbesondere das Ansaugsystem 9 mit dem Luftfilter LF am Lufteinlass, der Abgasturbolader ATL sowie eine Ladeluftkühlung und der Luftsammler LS zu den Zylindern Z hin gezeigt.In the representation of 1a shows the installation environment, in particular the intake system 9 with the air filter LF at the air inlet, the exhaust gas turbocharger ATL and an intercooler and the air collector LS towards the cylinders Z.

In 1b ist der Verbrennungsmotor 1 in einer detaillierteren Schemaansicht dargestellt. Der Verbrennungsmotor 1 weist die Zylinder Z1, Z2, Z3 und Z4 auf, wobei alle Zylinder Z ihren Drehmomentbeitrag M an dem Kurbeltrieb KT bereitstellen der Verbrennungsmotor 1 weist zusätzlich eine Motorsteuerung 2 nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung auf, die eine Recheneinheit 4, eine Drehzahl-Erfassungseinheit 6 sowie eine Zylinderdruck-Ermittlungseinheit 7 für die Referenzdrücke aus Umgebung und Luftsammler bzw. Kurbelgehäuse, sowie zur Ermittlung von Zylinderdrücken p1, p2, p3 (bzw. p13, p32) in Abhängigkeit von mittels der Drehzahl-Erfassungseinheit 6 erfassten Drehzahlen n und einer mittels der Recheneinheit 4 aus den erfassten Drehzahlen n ermittelten Drehzahlentwicklung 101 der Kurbelwelle KT im Diagnose-Zeitfenster 112, aufweist.In 1b the internal combustion engine 1 is shown in a more detailed schematic view. The internal combustion engine 1 has the cylinders Z1, Z2, Z3 and Z4, with all cylinders Z providing their torque contribution M to the crank mechanism KT detection unit 6 and a cylinder pressure determination unit 7 for the reference pressures from the environment and air collector or crankcase, as well as for determining cylinder pressures p1, p2, p3 (or p13, p32) as a function of speeds n and detected by means of the speed detection unit 6 a rotational speed development 101 of the crankshaft KT in the diagnosis time window 112 determined by the computing unit 4 from the detected rotational speeds n.

Der 1b ist unter anderem zu entnehmen, dass in Abhängigkeit von dem jeweiligen Zylinderdruck p jeder Zylinder Z zyklisch einen Drehmomentbeitrag M an den Kurbeltrieb KT anlegen kann. Die Gesamtheit der Drehmomentbeiträge resultiert in einer zeitlich veränderlichen Drehzahl n einer Kurbelwelle des Kurbeltriebs KT.Of the 1b It can be seen, among other things, that depending on the respective cylinder pressure p, each cylinder Z can cyclically apply a torque contribution M to the crank mechanism KT. The totality of the torque contributions results in a rotational speed n of a crankshaft of the crank mechanism KT that varies over time.

Ein Referenzdruck p kann mittels der Druck-Erfassungseinheit 7, die momentane Drehzahl n mittels der Drehzahl-Erfassungseinheit 6 und der Recheneinheit 4 durch die Motorsteuerung 2 verwendet werden.A reference pressure p can be used by the pressure detection unit 7 , the instantaneous speed n can be used by the speed detection unit 6 and the arithmetic unit 4 by the engine controller 2 .

In 1c ist ein Diagramm einer Drehmomententwicklung 100 mit einem exemplarischen Drehmomentverlauf 10 am Kurbeltrieb KT bei Normalbetrieb über den Kurbelwinkel KW dargestellt. Ersichtlich ist, dass der Drehmomentbeitrag M alternierend von unterschiedlichen Zylindern Z kommt.In 1c a diagram of a torque development 100 with an exemplary torque curve 10 on the crank drive KT during normal operation over the crank angle KW is shown. It can be seen that the torque contribution M comes from different cylinders Z in alternation.

In 2 ist eine Skizze eines beispielhaften Diagramms 100 einer Drehzahlentwicklung 101 eines Viertakter-Zyklus (= ein Arbeitsspiel (ASP): oberer Totpunkt Ladungswechsel (LOT) → Einlass → unterer Totpunkt (UT) → Ventilschluss und Verdichtung → oberer Totpunkt Zündung (ZOT) → Expandieren → UT → Auslass) des Verbrennungsmotors 1 dargestellt.In 2 is a sketch of an exemplary diagram 100 of a speed development 101 of a four-stroke cycle (= one working cycle (ASP): top dead center gas exchange (LOT) → intake → bottom dead center (UT) → valve closure and compression → top dead center ignition (ZOT) → expanding → UT → outlet) of the internal combustion engine 1 shown.

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. Darunter sind die zugehörigen Arbeitstakte der Zylinder Z1 - Z4 abgebildet.Flowchart 100 shows curve 101 of engine speed n over one working cycle (ASP) of a 4-cylinder gasoline engine. The ignition times (ZZP) and an exemplary possible diagnosis time window 112 for the cylinder Z1 to be diagnosed are marked. The associated working strokes of the cylinders Z1 - Z4 are shown below.

Das dargestellte Beispiel eines Vierzylinder-Ottomotors zeigt auf, welcher Bereich 112 der Kurbelwinkelskala für die Klopfdiagnose genutzt werden kann. Die Grenzen des Diagnose-Zeitfensters 112 liegen für den zu diagnostizierenden Zylinder Z1 vor und nach der Schwerpunktlage 113 der Verbrennung, beispielsweise von der der Zündung des Gemischs bis zu eines Kurbelwellenstellung nach der Schwerpunktlage.The example shown of a four-cylinder gasoline engine shows which area 112 of the crank angle scale can be used for knock diagnosis. The limits of the diagnosis time window 112 for the cylinder Z1 to be diagnosed are before and after the center of combustion 113, for example from the ignition of the mixture to a crankshaft position after the center of gravity.

Entsprechend werden drei Zeitpunkte P1, P3, P2 innerhalb des Diagnose-Zeitfensters 112 bestimmt, um das beispielhafte Verfahren zeitdiskretisiert durchführen zu können, beispielsweise P1 bei φ1 = 690°KW, P3 bei φ3 = 715°KW und P2 bei φ2 = 740°KW, wobei P3 damit mittig zwischen P1 und P2 liegt.Accordingly, three points in time P1, P3, P2 are determined within the diagnosis time window 112 in order to be able to carry out the exemplary method in a time-discrete manner, for example P1 at φ 1 =690° CA, P3 at φ 3 =715° CA and P2 at φ 2 = 740° CA, with P3 lying in the middle between P1 and P2.

Mittels mechanischer Berechnung wird für jeden der Punkte P1, P2 und P3 ein diagnostischer Zylinderdruckwerte p1 = pdiag.1, p2 = pdiag,2 und p3 = pdiag,3 ermittelt. Für die Berechnung müssen verschiedene Differenzwertbildungen vorgenommen werden, die für jeden der Punkte Pk ausgehend vom zugehörigen Kurbelwinkel φk zu den Zeitpunkten (sprich Kurbelwinkeln) φk - x und φk + x angesetzt werden. Die Intervallbreite für die jeweiligen Differenzwertbildungen beträgt damit 2x.A diagnostic cylinder pressure value p1=p diag.1 , p2=p diag.2 and p3=p diag.3 is determined for each of the points P1, P2 and P3 by means of mechanical calculation. For the calculation need different Difference values are formed, which are applied for each of the points P k starting from the associated crank angle φ k at the times (ie crank angles) φ k −x and φ k +x. The interval width for the respective differential value calculations is therefore 2x.

Wie die diagnostischen Zylinderdruckwerte pdiag,1 , pdiag,2 und pdiag,3 aus der gemessenen Drehzahlentwicklung 101 im diagnostizierten Zylinder Z ermittelt werden können, ist nachfolgend in den Ausführungen zu den Gleichungen (6) - (21) beschrieben:

  • Die 2 bis 4 erläutern ein Ausführungsbeispiel erfindungsgemäßer Verfahren zur Bestimmung eines Klopfbetriebs eines Zylinders Z im Fahrbetrieb mit Hilfe der Kurbelwellendrehzahl n des Kurbelwellentriebs KT. Im folgenden Absatz ist das im Ausführungsbeispiel durchgeführte Verfahren zunächst zusammenfassend beschrieben.
How the diagnostic cylinder pressure values p diag,1 , p diag,2 and p diag,3 can be determined from the measured speed development 101 in the diagnosed cylinder Z is described below in the statements on equations (6) - (21):
  • the 2 until 4 explain an exemplary embodiment of the method according to the invention for determining a knocking operation of a cylinder Z while driving with the aid of the crankshaft speed n of the crankshaft drive KT. The method carried out in the exemplary embodiment is initially described in summary in the following paragraph.

Im Ausführungsbeispiel liegt ein Fahrbetrieb des Fahrzeugs vor, insbesondere ein Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors 1 bei einer vergleichsweise niedrigen Drehzahl vor. Beispielsweise bei solchen Bedingungen kann in Zylindern eine klopfende Verbrennung, also ein Klopfbetrieb KB, auftreten.In the exemplary embodiment, the vehicle is being driven, in particular full-load operation of the internal combustion engine 1 at a comparatively low speed. For example, under such conditions, knocking combustion, ie knocking operation KB, can occur in the cylinders.

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 direkt nachfolgenden Zeitpunkt zu erwarten) und bestimmt daraus eine Drehzahlentwicklung 101 - vgl. 1-3. Zu bestimmten Kurbelwinkeln φ1 , φ3 , φ2 (entspricht den Zeitpunkten P1, P3, P2) werden in Abhängigkeit von der Drehzahlentwicklung diagnostische Zylinderdrücke pdiag,1 , pdiag,3 und pdiag,2 berechnet. A live engine control function continuously reads speed values n for the crankshaft KT during driving operation (due to friction delay, an increased speed drop from one point in time to a directly subsequent point in time is to be expected in a compression phase of a cylinder) and uses this to determine a speed development 101 - cf. 1-3 . At specific crank angles φ 1 , φ 3 , φ 2 (corresponds to points in time P1, P3, P2), diagnostic cylinder pressures p diag,1 , p diag,3 and p diag,2 are calculated as a function of the speed development.

Mit Hilfe der ermittelten Werte für die diagnostischen Zylinderdrücke pdiag kann unter Verwendung bestimmter, nachfolgend erläuterter Annahmen eine Echtzeit-Auswertung eines Klopfdruckenergie-Integrals E erfolgen.With the help of the determined values for the diagnostic cylinder pressures p diag , a knock pressure energy integral E can be evaluated in real time using certain assumptions explained below.

Ein Vergleich des auf diese Weise berechneten Wertes des Integrals E mit vorbestimmten Werten lässt dann im Fahrbetrieb einen unmittelbaren Schluss dahingehend zu, ob ein Klopfbetrieb KB vorliegt.A comparison of the value of the integral E calculated in this way with predetermined values then allows a direct conclusion to be drawn during driving operation as to whether knocking operation KB is present.

Nachfolgend ist ein beispielhaftes Verfahren mit detailliert beschriebenen Verfahrensschritten und zugehörigen, vereinfachenden Annahmen für eine echtzeitfähige Auswertung beispielhaft für einen Zylinder Z1 dargestellt.An exemplary method with method steps described in detail and associated, simplifying assumptions for a real-time capable evaluation is shown below for a cylinder Z1 by way of example.

Zunächst wird ein Diagnose-Zeitfenster 112 für den Zylinder Z1 festgelegt. Da für eine Detektion einer klopfenden Verbrennung (sprich eines Klopfbetriebs des Zylinders) zumindest gemäß der Erfindung die Druckentfaltung im Brennraum rund um die Zündungszeitpunkte der bestimmende Faktor ist, wird im Ausführungsbeispiel das Diagnosezeitfenster 112 durch die nachfolgenden Kurbelwinkelstellungen festgelegt.First, a diagnosis time window 112 is defined for cylinder Z1. Since the development of pressure in the combustion chamber around the ignition times is the determining factor for detecting knocking combustion (i.e. cylinder knocking), at least according to the invention, the diagnostic time window 112 is defined by the subsequent crank angle positions in the exemplary embodiment.

Der Startpunkt P1 des Diagnose-Zeitfensters 112 wird festgelegt zur Kurbelwinkelstellung φ0 = φ1 = 690°KW für den diagnostizierten Zylinder Z1. Es handelt sich um einen betriebszustands-übergreifenden virtuellen Zündzeitpunkt ZZP1.The starting point P1 of the diagnosis time window 112 is established at the crank angle position φ 01 =690° CA for the diagnosed cylinder Z1. It is a virtual ignition point ZZP1 that spans all operating states.

Der Endpunkt P2 das Diagnose-Zeitversatz 112 wird festgelegt zur Kurbelwinkelstellung φE= φ2 = 740°KW für den diagnostizierten Zylinder Z1. Zu dieser Kurbelwinkelstellung ist eine Schwerpunktlage der Verbrennung - die typischerweise bei ca. 8°KW (nichtklopfend) auftritt - bereits deutlich durchlaufen.The end point P2, the diagnosis time offset 112, is established at the crank angle position φ E2 =740° CA for the diagnosed cylinder Z1. At this crank angle position, a focal point of the combustion - which typically occurs at approx. 8° crank angle (non-knocking) - has already clearly passed through.

Ein mittiger Punkt P3 bezüglich des Kurbelwinkels wird zu φ3 = 715°KW festgelegt.A center point P3 with respect to the crank angle is set at φ 3 =715° CA.

Die oben beschriebene Wahl der Kurbelwellenstellungen φ1 , φ3 , φ2 für die Ermittlung der diagnostischen Zylinderdrücke pdiag,1 , pdiag,3 und pdiag,2 erfolgt anhand der nachfolgend beschriebenen Überlegungen.The above-described selection of the crankshaft positions φ 1 , φ 3 , φ 2 for determining the diagnostic cylinder pressures p diag,1 , p diag,3 and p diag,2 is based on the considerations described below.

Mit Hilfe der Klopf-Integralfunktion nach Franzke (Franzke, D.: Beitrag zur Ermittlung eines Klopfkriteriums der ottomotorischen Verbrennung und zur Vorausberechnung der Klopfgrenze, Dissertation, Technische Universität München, 1981) werden sinnvolle Randpunkte des Diagnose-Zeitfensters 112 bestimmt.With the help of the knock integral function according to Franzke (Franzke, D.: Contribution to the determination of a knock criterion in gasoline engine combustion and to the precalculation of the knock limit, dissertation, Technical University of Munich, 1981), meaningful edge points of the diagnosis time window 112 are determined.

Bei der direkten Anwendung des Franzke-Ansatzes ist nachteilig, dass auch die unverbrannte Temperatur Tu ständig bilanziert werden muss. Dies ist ungeeignet für eine echtzeitfähige Anwendung auf einem Motorsteuergerät 2, aber gut geeignet für die Ableitung von Rechenprämissen.The direct application of the Franzke approach has the disadvantage that the unburned temperature T u must also be constantly balanced. This is unsuitable for a real-time application on an engine control unit 2, but well suited for deriving computing premises.

Die Franke-Randbedingung für einen bei der Anmelderin für den Kontext der Erfindung untersuchten Versuchsmotor lautet: C = φ k l o p f φ S O C B D 0,53

Figure DE102021102260A1_0001
The Franke boundary condition for a test engine examined by the applicant for the context of the invention is: C = φ k l O p f φ S O C B D 0.53
Figure DE102021102260A1_0001

Eine klopfende Verbrennung und somit ein Klopfbetrieb KB tritt also bei der Schwerpunktlage der Verbrennung im Zylinder 1 - also in etwa bei dem 50 % Umsatzpunkt im Verbrennungstakt - auf.Knocking combustion and thus knocking operation KB therefore occurs at the center of combustion in cylinder 1—ie at approximately the 50% conversion point in the combustion cycle.

Daher wird für die Zwecke der Erfindung im Ausführungsbeispiel der adaptierte Integralwert aus Gleichung (5) bis kurz nach der Schwerpunktlage berechnet. Klopfintensive Bereiche an der Volllast haben ihre Schwerpunktlage später als 8°KW nach ZOT. Deswegen wird P2 zu φ2 = 20°KW nach ZOT (entspricht 740°KW) festgelegt. Der entsprechende zugehörige Zylinderdruck wird ebenfalls dann ausgewertet.Therefore, for the purposes of the invention, in the exemplary embodiment, the adapted integral value is calculated from equation (5) until shortly after the position of the center of gravity. Knock-intensive areas at full load have their center of gravity later than 8° CA after TDC. For this reason, P2 is set at φ 2 = 20° CA after TDC (corresponds to 740° CA). The corresponding associated cylinder pressure is then also evaluated.

Ferner zeigt sich das Franzke-Integral vergleichsweise tolerant gegenüber seinem konkreten Auswertebeginn. Deshalb und aus Praktikabilitätsgründen einer Echtzeit-Auswertung im Motorsteuergerät 2 wird ein Auswertebeginn zum virtuellen Zündzeitpunkt ZZP1 bzw. P1 von konstanten φ1 = 30°KW vor ZOT (entspricht 690°KW) gewählt. Der entsprechende zugehörige Zylinderdruck wird ebenfalls dann ausgewertet.Furthermore, the Franzke integral shows itself to be comparatively tolerant with regard to its concrete start of evaluation. For this reason and for reasons of practicality of real-time evaluation in engine control unit 2, an evaluation start at virtual ignition point ZZP1 or P1 of constant φ 1 =30° CA before ZOT (corresponds to 690° CA) is selected. The corresponding associated cylinder pressure is then also evaluated.

P3 wird zu einer mittig zwischen φ2 und φ1 gelegenen Kurbelwinkel Stellung angesetzt, und ergibt sich somit zu φ3 = 5°KW vor ZOT (entspricht 715°KW).P3 is set at a crank angle position in the middle between φ 2 and φ 1 , resulting in φ 3 = 5° CA before ITDC (corresponds to 715° CA).

Anhand 4 ist dargestellt, wie ein Klopfdruckenergie-Integral E unter Verwendung einiger vereinfachender Annahmen verwendet werden kann, um einen Klopfbetrieb KB des Zylinders Z1 zu bestimmen.Based 4 shows how a knock pressure energy integral E can be used using some simplifying assumptions to determine knock operation KB of cylinder Z1.

In 4 ist über die Kurbelwellenstellung KW ein Druckverlauf p (durchgezogene Linie) und ein Verlauf der Verbrennung A (ein Brennverlaufsintegral ist repräsentativ für den Verlauf der Verbrennung als Strichlinie im Diagramm eingezeichnet) im Brennraum des Zylinders Z1 aufgetragen. Ein Verbrennungsschwerpunkt 113 ist definiert als derjenige Kurbelwinkel KW, bei welchem eine Schwerpunktlage der Verbrennung auftritt, sprich 50% der Gemischmenge im Zylinder durch die Verbrennung umgesetzt sind.In 4 a pressure curve p (solid line) and a curve of the combustion A (a combustion curve integral is representative of the curve of the combustion as a dashed line in the diagram) are plotted in the combustion chamber of the cylinder Z1 over the crankshaft position KW. A combustion center 113 is defined as that crank angle KW at which a center of combustion occurs, ie 50% of the mixture quantity in the cylinder has been converted by the combustion.

Ein Klopfdruckenergie-Integral E ist bestimmt durch die an den Randpunkten φ1 und φ3 des Diagnose-Zeitfensters 112 abgegrenzte Fläche unter dem Druckverlauf p.A knock pressure energy integral E is determined by the area delimited at the edge points φ 1 and φ 3 of the diagnosis time window 112 under the pressure curve p.

Das Klopfdruckenergie-Integral E definiert sich allgemein wie folgt, wobei pHPF ein hochpassgefiltertes Drucksignal im Brennraum des Zylinders darstellt: E p ( φ E ) = φ 0 φ E ( d p H P F d φ ) 2

Figure DE102021102260A1_0002
The knock pressure energy integral E is generally defined as follows, where p HPF represents a high-pass filtered pressure signal in the combustion chamber of the cylinder: E p ( φ E ) = φ 0 φ E ( i.e p H P f i.e φ ) 2
Figure DE102021102260A1_0002

Zur Vereinfachung für die Echtzeitanwendung auf einem beispielhaften Motorsteuergerät 2 ergibt sich unter mehrfacher Anwendung der Multiplikationsregel für die Integration auf die Gleichung (1) und unter Vernachlässigung von Ableitungen höherer Ordnung (quadratisch und kubisch): E p * ( φ E ) = p H P F d p H P F d φ

Figure DE102021102260A1_0003
To simplify the real-time application on an exemplary engine control unit 2, multiple application of the multiplication rule for integration on equation (1) and neglecting higher-order derivatives (quadratic and cubic) results in: E p * ( φ E ) = p H P f i.e p H P f i.e φ
Figure DE102021102260A1_0003

Eine vereinfachende Annahme A1 ist dabei, dass ein Hochpassfilter und die erste Ableitung eines Signals unterhalb einer Grenzfrequenz die gleiche Übertragungsfunktion haben. Die vorliegende Anwendung der Erfindung bewegt sich unterhalb der Grenzfrequenz, da das verwendete Drucksignal p berechnet wird und selbst nicht verjittert ist. Demnach gilt näherungsweise: p H P F d p d φ

Figure DE102021102260A1_0004
A simplifying assumption A1 is that a high-pass filter and the first derivative of a signal below a cut-off frequency have the same transfer function. The present application of the invention moves below the cut-off frequency since the pressure signal p used is calculated and is not itself jittered. Accordingly, the following applies approximately: p H P f i.e p i.e φ
Figure DE102021102260A1_0004

Zweimaliges Einsetzen von Gleichung (3) in Gleichung (2) ermöglicht eine Berechnung mit einem mittleren modellierten Drucksignal p: E p * * ( φ E ) = d p d φ d 2 p d φ

Figure DE102021102260A1_0005
Substituting equation (3) twice into equation (2) enables a calculation with a mean modeled pressure signal p: E p * * ( φ E ) = i.e p i.e φ i.e 2 p i.e φ
Figure DE102021102260A1_0005

Eine Überführung von Gleichung (4) in Differenzenquotienten und eine lineare Approximation ergeben: E p * * * ( φ E ) = Δ p Δ φ Δ 2 p Δ φ 2 p 2 p 1 φ 2 φ 1 ( p 2 2 p 3 + p 1 ( φ 2 φ 1 ) 2 ) = p 2 2 p 1 2 2 p 3 ( p 2 p 1 ) ( φ 2 φ 1 ) 3

Figure DE102021102260A1_0006
A conversion of equation (4) into difference quotients and a linear approximation result in: E p * * * ( φ E ) = Δ p Δ φ Δ 2 p Δ φ 2 p 2 p 1 φ 2 φ 1 ( p 2 2 p 3 + p 1 ( φ 2 φ 1 ) 2 ) = p 2 2 p 1 2 2 p 3 ( p 2 p 1 ) ( φ 2 φ 1 ) 3
Figure DE102021102260A1_0006

Gleichung (5) kann mit den oben eingeführten Druckwerten p1=pdiag,1 , p3=pdiag,3 und p2=pdiag,2 bezüglich einer Berechnung von E ausgewertet werden.Equation (5) can be evaluated with respect to a calculation of E using the pressure values p 1 =p diag,1 , p 3 =p diag,3 and p 2 =p diag,2 introduced above.

Nachfolgend ist die Ermittlung eines Druckwertes p zyl,diag beispielhaft und repräsentativ für die Ermittlung der Druckwerte pdiag,1 , pdiag,3 und pdiag,2 detailliert beschrieben:The following is the determination of a pressure value p zyl,diag described in detail as an example and representative for the determination of the pressure values p diag,1 , p diag,3 and p diag,2 :

Eine Leistungsbilanz soll - ausgehend von einer gemessenen Drehzahldifferenz - einen Vergleich zwischen einem Soll-Zylinderdruck und einem Ist-Zustand ermöglichen: d d t ( 1 2 J 0 ω 2 ) = ( M t a n M R M L ) ω

Figure DE102021102260A1_0007
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 A power balance should - based on a measured speed difference - allow a comparison between a target cylinder pressure and an actual state: i.e i.e t ( 1 2 J 0 ω 2 ) = ( M t a n M R M L ) ω
Figure DE102021102260A1_0007
symbol meaning J 0 , J General / proportional mass moment of inertia φ Angular position of the crankshaft ω angular velocity M tan Moment due to gas force in the cylinder and oscillating mass force MR moment due to friction losses M L moment by load request M M Partial moment due to rotational mass inertia n engine Current engine speed

Durch Differentation, Substitution und Einführung eines Massenmoments (Aufteilung der Trägheitsanteile) ergibt sich die Gleichung: J ω ˙ = i M i = M t a n M R M L M M

Figure DE102021102260A1_0008
Differentiation, substitution and introduction of a moment of inertia (division of the inertia components) results in the equation: J ω ˙ = i M i = M t a n M R M L M M
Figure DE102021102260A1_0008

Teilt man die Gleichung sinnvoll auf in einen „Gleichanteil“ und einen „Wechselanteil“ so erhält man folgende Subgleichungen:

  • „Gleichanteil“: M t a n ¯ = M R ¯ M L ¯
    Figure DE102021102260A1_0009
    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“: J ω ˙ = M t a n ˜ M R ˜ M M ˜
    Figure DE102021102260A1_0010
If the equation is meaningfully divided into a "direct component" and an "alternating component", the following sub-equations are obtained:
  • "Constant proportion": M t a n ¯ = M R ¯ M L ¯
    Figure DE102021102260A1_0009
    The balancing of the direct component is based on a stationary operating point. The average torque provided keeps the average speed constant because it corresponds to the torque requirements from load and friction.
  • “Change share”: J ω ˙ = M t a n ˜ M R ˜ M M ˜
    Figure DE102021102260A1_0010

Eine Umwandlung von zeitbasierter Ableitung zur kurbelwinkelbasierter Differenzenbildung erfolgt mit Hilfe des Zusammenhangs ω = d φ d t = π n m o t 30 per

Figure DE102021102260A1_0011
ω ˙ ( π 30 ) 2 n m o t Δ n m o t Δ φ
Figure DE102021102260A1_0012
A conversion from time-based derivation to crank angle-based difference formation takes place with the help of the relationship ω = i.e φ i.e t = π n m O t 30 by
Figure DE102021102260A1_0011
ω ˙ ( π 30 ) 2 n m O t Δ n m O t Δ φ
Figure DE102021102260A1_0012

Die entscheidenden Größen aus Gleichung (6) werden für die Auswertung weiter detailliert. Der Zusammenhang für das resultierende Moment aus der innerzylindrischen Gaskraft und der ergibt sich zu: M t a n ˜ = [ A K [ p z y t ( φ ) p 0 ] m o s z s ¨ ( φ ) ] r k sin ( φ + β ) cos β

Figure DE102021102260A1_0013
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 The decisive quantities from equation (6) are further detailed for the evaluation. The relationship for the resulting moment from the inner-cylindrical gas force and results in: M t a n ˜ = [ A K [ p e.g y t ( φ ) p 0 ] m O s e.g s ¨ ( φ ) ] right k sin ( φ + β ) cos β
Figure DE102021102260A1_0013
symbol meaning A K Piston top area = const. r K Effective radius of the crankshaft corresponds to half the stroke = const. l pl connecting rod length = const. m osc Oscillatory mass part corresponds to piston assembly and proportionate connecting rod mass = const. p cyl 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 (8) ergibt: s ¨ ( φ , φ ˙ , φ ¨ ) = r k φ ¨ sin φ + r k φ ˙ 2 cos φ + r k 2 φ ¨ λ p l sin ( 2 φ ) + r k φ ˙ 2 λ p l cos ( 2 φ )

Figure DE102021102260A1_0014
Further detailing the variable factors from Equation (8) yields: s ¨ ( φ , φ ˙ , φ ¨ ) = right k φ ¨ sin φ + right k φ ˙ 2 cos φ + right k 2 φ ¨ λ p l sin ( 2 φ ) + right k φ ˙ 2 λ p l cos ( 2 φ )
Figure DE102021102260A1_0014

Unter der Annahme einer konstanten mittleren Drehzahl nmot vereinfacht sich der Zusammenhang für die Kolbenbeschleunigung zu: s ¨ r e a ( φ , φ ˙ ) = r k φ ˙ 2 ( cos φ + λ pl cos ( 2 φ ) )

Figure DE102021102260A1_0015
Assuming a constant mean speed nmot, the relationship for the piston acceleration is simplified to: s ¨ right e a ( φ , φ ˙ ) = right k φ ˙ 2 ( cos φ + λ Pl cos ( 2 φ ) )
Figure DE102021102260A1_0015

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. β ( φ = ) arcsin ( λ p l sin φ )

Figure DE102021102260A1_0016
The assumption leads to an error that can be neglected. The influence of the angular acceleration results in a negligibly small deviation over the entire map. β ( φ = ) arcsin ( λ p l sin φ )
Figure DE102021102260A1_0016

Schubstangenverhältnis λ p l = r k l p i

Figure DE102021102260A1_0017
p z y i = p ¯ z y i
Figure DE102021102260A1_0018
push rod ratio λ p l = right k l p i
Figure DE102021102260A1_0017
p e.g y i = p ¯ e.g y i
Figure DE102021102260A1_0018

Bezug zum Umgebungsdruck p 0 = p u m g

Figure DE102021102260A1_0019
oder wie im weiteren auch genutzt der
Bezug zum Kurbelgehäusedruck p 0 = p K u r b G e h = p u m g = D P S
Figure DE102021102260A1_0020
wobei DPS für den Unterdruck im Saugrohr steht.relation to the ambient pressure p 0 = p and m G
Figure DE102021102260A1_0019
or as further also used the
relation to crankcase pressure p 0 = p K and right b G e H = p and m G = D P S
Figure DE102021102260A1_0020
where DPS stands for the vacuum in the intake manifold.

Das Reibmoment aus Gleichung (6) 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 (6) 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. M R ˜ = c o n s t .

Figure DE102021102260A1_0021
In the following, however, it is assumed that the diagnosis is carried out at firmly defined steady-state load points. As a result, the friction torque for this load point can be assumed to be constant. M R ˜ = c O n s t .
Figure DE102021102260A1_0021

Der gleiche Ansatz wird ebenfalls für das anteilige Moment durch rotatorische Massenträgheit und das Massenträgheitsmoment genutzt. M M ˜ = c o n s t .

Figure DE102021102260A1_0022
J = c o n s t .
Figure DE102021102260A1_0023
The same approach is also used for the proportional moment due to rotational mass inertia and the mass moment of inertia. M M ˜ = c O n s t .
Figure DE102021102260A1_0022
J = c O n s t .
Figure DE102021102260A1_0023

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 (6) nach dem Gasmoment ergibt: M t a n ˜ = J ω ˙ + M R ˜ + M M ˜

Figure DE102021102260A1_0024
Solving equation (6) for the gas moment gives: M t a n ˜ = J ω ˙ + M R ˜ + M M ˜
Figure DE102021102260A1_0024

Nach Einsetzen der Zusammenhänge aus Gleichungen (14) bis (16) kann man auf folgende Vereinfachung mit der Applikationskonstante KRM schlussfolgern: M t a n ˜ = J ω ˙ + K R M

Figure DE102021102260A1_0025
After inserting the relationships from equations (14) to (16), one can conclude the following simplification with the application constant KRM: M t a n ˜ = J ω ˙ + K R M
Figure DE102021102260A1_0025

Applikation der Diagnose:Application of the diagnosis:

In 3 ist das Detail X aus 2, also die Drehzahlentwicklung 101 über den Kurbelwinkel KW während des Diagnose-Zeitfensters 112 mit den Drehzahl-Messpunkten um P1, P3 und P2 von Zylinder Z1 eingetragen. Die Drehzahl wird gemessen für den Punkt P1 zu den Kurbelwinkeln φ1-x und φ1+x, um eine Differenzwertbildung gemäß Gleichung (18) unten zu ermöglichen. Für die Drehzahl-Messung um die Punkte P3 und P2 gilt ebenfalls dieser Messpunkt-Versatz von 2x um φ3 bzw. φ2.In 3 the detail X is off 2 , ie the speed development 101 via the crank angle KW during the diagnosis time window 112 with the speed measuring points around P1, P3 and P2 of cylinder Z1. The speed is measured for the point P1 at the crank angles φ 1 -x and φ 1 +x to enable a difference value formation according to equation (18) below. This measuring point offset of 2x by φ 3 or φ 2 also applies to the speed measurement around points P3 and P2.

Der Gradient der Winkelgeschwindigkeit aus Gleichung (17) wird erweitert. Die zu ermittelnde Drehzahl muss dabei gemittelt werden und Konstanten werden wieder gekennzeichnet. ω ˙ ( π 30 ) 2 n m o t ¯ Δ n m o t Δ φ ω ˙ ( π 30 ) 2 n m o t φ+ x + n m o t φ− x 2 n m o t φ+ x + n m o t φ− x 2 x ω ˙ 1 2 ( π 30 ) 2 n m o t φ+ x 2 + n m o t φ− x 2 2 x ω ˙ K ω n m o t φ+ x 2 + n m o t φ− x 2 2 x

Figure DE102021102260A1_0026
The angular velocity gradient from equation (17) is expanded. The speed to be determined must be averaged and constants are marked again. ω ˙ ( π 30 ) 2 n m O t ¯ Δ n m O t Δ φ ω ˙ ( π 30 ) 2 n m O t φ+ x + n m O t φ− x 2 n m O t φ+ x + n m O t φ− x 2 x ω ˙ 1 2 ( π 30 ) 2 n m O t φ+ x 2 + n m O t φ− x 2 2 x ω ˙ K ω n m O t φ+ x 2 + n m O t φ− x 2 2 x
Figure DE102021102260A1_0026

Der Term für das Tangentialmoment aus Gleichung (8) wird nachfolgend erweitert um die Zusammenhänge aus den Gleichungen (9) bis (13) und Konstanten werden gekennzeichnet. M t a n ˜ = [ ( p 1 + p 2 2 p u m g + 2 D P S ) 2 A K m o s z s ¨ ( φ ) ] r k sin ( φ + β ) cos β M t a n ˜ = [ ( p 1 + p 2 2 p u m g + 2 D P S ) 2 A K m o s z s ¨ ( φ ) ] K K

Figure DE102021102260A1_0027
mit einer Kinematikkonstanten für den Stationärpunkt, in welchem die Diagnose stattfindet K K = r k sin ( φ + β ) cos β
Figure DE102021102260A1_0028
The term for the tangential moment from equation (8) is subsequently expanded to include the relationships from equations (9) to (13) and constants are identified. M t a n ˜ = [ ( p 1 + p 2 2 p and m G + 2 D P S ) 2 A K m O s e.g s ¨ ( φ ) ] right k sin ( φ + β ) cos β M t a n ˜ = [ ( p 1 + p 2 2 p and m G + 2 D P S ) 2 A K m O s e.g s ¨ ( φ ) ] K K
Figure DE102021102260A1_0027
with a kinematic constant for the stationary point in which the diagnosis takes place K K = right k sin ( φ + β ) cos β
Figure DE102021102260A1_0028

Nach Einsetzen von Gleichung (19) und (18) in Gleichung (17), Auflösung nach den Zylinderdrücken und Zusammenfassung aller Konstanten ergibt sich: [ ( p 1 + p 2 2 p u m g + 2 D P S ) 2 A K m o s z s ¨ ( φ ) ] K K = J K ω n m o t φ+ x 2 + n m o t φ− x 2 2 x + K R M p 1 + p 2 2 = J K ω K K A K n m o t φ+ x 2 + n m o t φ− x 2 2 x + K R M K K A K + m o s z s ¨ ( φ ) A K + p u m g D P S p φ+ x + p φ− x 2 = K 1 n m o t φ+ x 2 n m o t φ− x 2 2 x + K 2 + m o s z s ¨ ( φ ) Δ k + p u m g D P S

Figure DE102021102260A1_0029
After inserting equations (19) and (18) into equation (17), solving for the cylinder pressures and combining all constants, we get: [ ( p 1 + p 2 2 p and m G + 2 D P S ) 2 A K m O s e.g s ¨ ( φ ) ] K K = J K ω n m O t φ+ x 2 + n m O t φ− x 2 2 x + K R M p 1 + p 2 2 = J K ω K K A K n m O t φ+ x 2 + n m O t φ− x 2 2 x + K R M K K A K + m O s e.g s ¨ ( φ ) A K + p and m G D P S p φ+ x + p φ− x 2 = K 1 n m O t φ+ x 2 n m O t φ− x 2 2 x + K 2 + m O s e.g s ¨ ( φ ) Δ k + p and m G D P S
Figure DE102021102260A1_0029

Alle Druckgrößen und Drehzahlen in der Gleichung (20) 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 (20) 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 (9) lässt sich für die beiden diskreten Punkte formulieren: s ¨ r e a ( φ , φ ˙ ) = r k [ π 30 ( n m o t φ− x + n m o t φ+ x ) 2 ] 2 [ cos ( φ ) + cos ( φ 1 + φ 2 ) ]

Figure DE102021102260A1_0030
The reduced piston acceleration (9) can be formulated for the two discrete points: s ¨ right e a ( φ , φ ˙ ) = right k [ π 30 ( n m O t φ− x + n m O t φ+ x ) 2 ] 2 [ cos ( φ ) + cos ( φ 1 + φ 2 ) ]
Figure DE102021102260A1_0030

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: p ¯ z y i , d i a g = K 1 n m o t φ+ x 2 + n m o t φ− x 2 2 x + K 2 + m o s z s ¨ r e a ( φ , n m o t ) A K + p u m g D P S

Figure DE102021102260A1_0031
After determining the application constants K 1 and K 2 , Equation (15) can be used to determine the diagnostic cylinder pressure from the speed change in compression: p ¯ e.g y i , i.e i a G = K 1 n m O t φ+ x 2 + n m O t φ− x 2 2 x + K 2 + m O s e.g s ¨ right e a ( φ , n m O t ) A K + p and m G D P S
Figure DE102021102260A1_0031

Der diagnostische Zylinderdruck p zyl,diag ist ein Indiz für den Druckverlauf während der Kompression des Zylinders.The diagnostic cylinder pressure p zyl,diag is an indication of the pressure curve during compression of the cylinder.

Auf diese Weise können im Fahrbetrieb für das Diagnose-Zeitfenster 112 des diagnostizierten Zylinders Z1 die diagnostischen Zylinderdrücke p1 = pdiag,1 , P3 = Pdiag,3 und p2 = pdiag,2 ermittelt werden.In this way, the diagnostic cylinder pressures p 1 =p diag,1 , P 3 =P diag,3 and p 2 =p diag,2 can be determined during driving operation for the diagnostic time window 112 of the diagnosed cylinder Z1.

Gleichung (5) kann mit den Druckwerten p1, p2 und p3 befüllt und ausgewertet werden.Equation (5) can be filled with the pressure values p 1 , p 2 and p 3 and evaluated.

Das Ergebnis der Auswertung des Klopfdruckenergie-Integrals E wird mit einem Grenzwert Eg verglichen, der im Ausführungsbeispiel bei Eg = 0,05 bar2/ KW3 angesetzt ist. Überschreitet der ermittelte Wert von E den Grenzwert, wird im bespielhaften Verfahren ein Klopfbetrieb KB erkannt bzw. bestimmt.The result of the evaluation of the knocking pressure energy integral E is compared with a limit value Eg, which is set at Eg=0.05 bar 2 /KW 3 in the exemplary embodiment. If the determined value of E exceeds the limit value, knocking operation KB is recognized or determined in the exemplary method.

Im Ausführungsbeispiel sind verschiedene Möglichkeiten zur Nutzung des bestimmten Klopfbetriebs KB für Onboard-Diagnose 204 und/oder Offboard-Diagnose 208 und/oder Regelungsaufgaben 206 mittels der Motorsteuerung 2 vorgesehen (vgl. 5).In the exemplary embodiment, various options are provided for using the specific knocking operation KB for onboard diagnosis 204 and/or offboard diagnosis 208 and/or control tasks 206 using engine control 2 (cf. 5 ).

Dazu werden kontinuierlich im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs die ermittelten Werte E des Klopfdruckenergie-Integrals und/oder die daraus per Vergleich mit dem Grenzwert Eg abgeleitete Aussage, ob ein Klopfbetrieb vorliegt, in einem nichtflüchtigen Speicher 202 des Motorsteuergeräts 2 abgelegt bzw. zur weiteren Nutzung hinterlegt. Wenn beispielsweise für jeden Zylinder Z zu jeder Zündung das zugehörige Klopfdruckenergie-Integral E ausgewertet wird, wird in den Speicher 202 zu jeder Zündung ein neuer Wert KB abgespeichert - insbesondere mit Zeitstempel und/oder Ausgangswerten für die Ermittlung und/oder Angabe des diagnostizierten Zylinders, beispielsweise Z1.For this purpose, the determined values E of the knocking pressure energy integral and/or the statement derived therefrom by comparison with the limit value Eg as to whether knocking is present are continuously stored in a non-volatile memory 202 of the engine control unit 2 or stored for further use while the motor vehicle is being driven. If, for example, the associated knock pressure energy integral E is evaluated for each cylinder Z for each ignition, a new value KB is stored in memory 202 for each ignition—in particular with a time stamp and/or initial values for determining and/or specifying the diagnosed cylinder. for example Z1.

Die abgespeicherten Werte KB können in Echtzeit, d.h. insbesondere sofort im Fahrbetrieb, beispielsweise einer Online-Diagnosekomponente 204 und/oder einer Motorregelung 206 der Motorsteuerung 2 bereitgestellt werden. Auch können die Werte KB zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise in der Werkstatt, einem Offboard-Diagnoserechner 208 zur Verfügung gestellt werden.The stored values KB can be made available in real time, i.e. in particular immediately during driving operation, for example to an online diagnostic component 204 and/or an engine control system 206 of the engine controller 2. The values KB can also be made available to an offboard diagnostic computer 208 at a later point in time, for example in the workshop.

In 5 sind Verfahrensschritte des Verfahrens in einem Ablaufdiagramm dargestellt:

  • Verfahrensschritt S10: Auswahl eines zu diagnostizierenden Zylinders Z1.
  • Verfahrensschritt S20: Bestimmen eines Diagnose-Zeitfensters 112, das eine Schwerpunktlage 113 einer Verbrennung A in einem Arbeitstakt des ausgewählten Zylinders Z1 beinhaltet.
In 5 process steps of the process are shown in a flowchart:
  • Method step S10: selection of a cylinder Z1 to be diagnosed.
  • Method step S20: Determination of a diagnosis time window 112, which contains a center position 113 of a combustion A in a power stroke of the selected cylinder Z1.

Verfahrensschritt S30: Ermitteln einer Drehzahlentwicklung 101 des Verbrennungsmotors, vorliegend der Kurbelwelle des Kurbeltriebs KT, während des Diagnose-Zeitfensters mit einer echtzeitfähigen Samplingqualität.Method step S30: determining a speed development 101 of the internal combustion engine, in this case the crankshaft of the crank mechanism KT, during the diagnosis time window with a real-time capable sampling quality.

Verfahrensschritt S40: Bestimmen der Klopfdruckenergie im Diagnose-Zeitfenster 112, vorliegend in Form des Klopfdruckenergie-Integrals E, in Abhängigkeit von wenigstens drei Ausprägungen p1, p3 und p2 einer Druckkennzahl pdiag, die zu den jeweiligen Punkten P1, P3 und P2 im Diagnose-Zeitfenster 112 bestimmt wird.Method step S40: Determining the knocking pressure energy in the diagnosis time window 112, present in the form of the knocking pressure energy integral E, as a function of at least three characteristics p 1 , p 3 and p 2 of a pressure index p diag , which is associated with the respective points P1, P3 and P2 is determined in the diagnosis time window 112 .

Verfahrensschritt S50: Ermitteln des Klopfbetriebskennwerts mittels einer Auswertung eines Klopfdruckenergie-Integrals E über das Diagnose-Zeitfenster ermittelt. Method step S50: Determination of the knock operation characteristic by evaluating a knock pressure energy integral E over the diagnostic time window.

Verfahrensschritt S61: Bestimmen eines Klopfbetriebs KB, wenn eine Auswertung des Klopfdruckenergie-Integrals einen Energiewert E ergibt, der einem Klopfenergie-Grenzwert Eg entspricht oder höher ist als dieser.Method step S61: Determination of a knocking operation KB if an evaluation of the knocking pressure energy integral results in an energy value E which corresponds to a knocking energy limit value Eg or is higher than this.

Verfahrensschritt S62: Bestimmen eines Regelbetriebs RB bestimmt, wenn die Auswertung ergibt, dass der Energiewert E niedriger als der Energie-Grenzwert Eg.Method step S62: Determination of a regular operation RB determines if the evaluation shows that the energy value E is lower than the energy limit value Eg.

Verfahrensschritt S63: Bestimmen einer Abstandsmarge Δ(RB;KB) zwischen Klopfbetrieb KB und vorliegendem Regelbetrieb RB. Dabei wird aus der Auswertung des Energiewerts E, insbesondere aus dessen absoluten oder relativen Abstand von Energie-Grenzwert Eg darauf geschlossen, wieviel Klopfreserve im ausgewählten Zylinder noch besteht. Auch die hierzu ermittelte Werte oder eine entsprechende Zeitreihe kann im Speicher 202 abgelegt werden und/oder für Diagnose und/oder Steuerung verwendet werden.Method step S63: determining a distance margin Δ(RB;KB) between knocking mode KB and the present control mode RB. From the evaluation of the energy value E, in particular from its absolute or relative distance from the energy limit value Eg, a conclusion is drawn as to how much knock reserve there is in the selected cylinder. The values determined for this or a corresponding time series can also be stored in memory 202 and/or used for diagnosis and/or control.

BezugszeichenlisteReference List

11
Verbrennungsmotorcombustion engine
22
Motorsteuerung / MotorsteuergerätEngine control / engine control unit
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 Drehmomentbeitragpredetermined limit for relevant torque contribution
1616
Zylindertemperatur-ErmittlungseinheitCylinder temperature determination unit
1818
Lambdasonde lambda probe
101101
Drehzahlverlaufspeed curve
112112
Diagnose-Zeitfensterdiagnostic time window
113113
Verbrennungsschwerpunktfocus of combustion
150150
Diagramm Drehzahlentwicklung Speed development diagram
202202
SpeicherStorage
204204
Diagnosekomponente der MotorsteuerungEngine control diagnostic component
206206
Steuerkomponente der MotorsteuerungEngine management control component
208208
Offboard-Diagnoserechner Offboard diagnostic calculator
(Sxx)(Sxx)
Verfahrensschritte process steps
AA
Verbrennung (repräsentiert durch den Verlauf der Verbrennung, repräsentiert durch ein Brennverlaufsintegral)Combustion (represented by the course of combustion, represented by a combustion course integral)
ATLATL
Abgasturboladerexhaust gas turbocharger
EE
Klopfdruckenergie-IntegralKnock Pressure Energy Integral
Egeg
Grenzwert für das Klopfdruckenergie-IntegralLimit value for the knock pressure energy integral
KBKB
Klopfbetrieb, repräsentativ für klopfende Verbrennung im ZylinderDetonation mode, representative of knocking combustion in the cylinder
KTKT
Kurbeltrieb, insbesondere KurbelwelleCrank mechanism, in particular crankshaft
KWweek
Kurbelwinkelcrank angle
LFLF
Luftfilterair filter
LSLS
Luftsammlerair collector
MM
Drehmoment eines Zylinders in 1 Torque of a cylinder in 1
nn
Drehzahlrotational speed
pp
Zylinderdruckcylinder pressure
pdiagpdiag
Druckkennzahl, hier diagnostischer ZylinderdruckPressure index, here diagnostic cylinder pressure
PP
Messzeitpunkte, zu Beginn, Mitte, Ende des Diagnose-ZeitfenstersMeasurement times, at the beginning, middle, end of the diagnosis time window
tt
Zeitintervall im Diagnose-ZeitfensterTime interval in the diagnosis time window
xx
halbe Intervallbreite zur Differenzwertbildung, ausgehend von Phalf the interval width to form the difference value, starting from P
ZZ
Zylindercylinder
ZZPZZP
Zündzeitpunkt eines Zylindersignition timing of a cylinder
φ1φ1
Kurbelwinkelstellung zu P1Crank angle position to P1
φ2φ2
Kurbelwinkelstellung zu P2Crank angle position to P2
φ3φ3
Kurbelwinkelstellung zu P3 (Mitte zwischen P1 und P2)Crank angle position to P3 (middle between P1 and P2)

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • WO 2019/238338 A1 [0022]WO 2019/238338 A1 [0022]

Claims (10)

Verfahren zur Bestimmung eines Klopfbetriebs in einem Zylinder (Z1, Z2, Z3, Z4) eines Verbrennungsmotors (1), aufweisend die Schritte: - Auswahl eines zu diagnostizierenden Zylinders (Z1), - Bestimmen eines Diagnose-Zeitfensters (112), das eine Schwerpunktlage (113) einer Verbrennung (A) in einem Arbeitstakt des ausgewählten Zylinders beinhaltet, - Ermitteln einer Drehzahlentwicklung (101) des Verbrennungsmotors (1) während des Diagnose-Zeitfensters, insbesondere mit einer echtzeitfähigen Samplingqualität, gekennzeichnet durch den Schritt: - Ermitteln eines Klopfbetriebskennwerts (KB) im identifizierten Zylinder in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung.Method for determining knocking in a cylinder (Z1, Z2, Z3, Z4) of an internal combustion engine (1), comprising the steps: - selecting a cylinder (Z1) to be diagnosed, - determining a diagnostic time window (112) which has a center of gravity (113) of a combustion (A) in a working stroke of the selected cylinder, - determining a speed development (101) of the internal combustion engine (1) during the diagnostic time window, in particular with a real-time capable sampling quality, characterized by the step: - determining a knock operation characteristic ( KB) in the identified cylinder depending on the determined speed development. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Klopfbetriebskennwert in Abhängigkeit von einem Druckverlauf (p) und/oder einem Druckgradienten (dp) und/oder einer Klopfdruckenergie in dem ausgewählten Zylinder während des bestimmten Diagnose-Zeitfensters ermittelt wird.procedure according to claim 1 , characterized in that the knock operation parameter is determined as a function of a pressure curve (p) and/or a pressure gradient (dp) and/or a knock pressure energy in the selected cylinder during the specific diagnosis time window. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klopfbetriebskennwert mittels einer Auswertung eines Klopfdruckenergie-Integrals (E) über das Diagnose-Zeitfenster ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the knock operation parameter is determined by evaluating a knock pressure energy integral (E) over the diagnosis time window. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Klopfdruckenergie, insbesondere das Klopfdruckenergie-Integral, in Abhängigkeit von wenigstens drei Ausprägungen (p1, p3, p2) einer Druckkennzahl (pdiag) ermittelt wird, die zu jeweils einem Zeitintervall (2x) im Diagnose-Zeitfenster bestimmt wird.procedure according to claim 3 or 4 , characterized in that the knocking pressure energy, in particular the knocking pressure energy integral, is determined as a function of at least three characteristics (p1, p3, p2) of a pressure index (p diag ), which is determined at a time interval (2x) in the diagnosis time window . Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Klopfbetrieb (KB) bestimmt wird, wenn eine Auswertung des Klopfdruckenergie-Integrals einen Energiewert ergibt, der einem Klopfenergie-Grenzwert (Eg) entspricht oder höher ist als dieser.Method according to one of the preceding claims, characterized in that knocking operation (KB) is determined if an evaluation of the knocking pressure energy integral results in an energy value which corresponds to a knocking energy limit value (Eg) or is higher than this. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Drehzahlentwicklung ein kontinuierlicher Verlauf einer Drehzahl (N) eines Kurbeltriebs während des Diagnose-Zeitfensters erfasst und die erfassten Werte in einer Auflösung von wenigstens in der Größenordnung von zehn Millisekunden, insbesondere in einem Motorsteuergerät (2), bereitgestellt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that to determine the speed development, a continuous course of a speed (N) of a crank mechanism is recorded during the diagnosis time window and the recorded values with a resolution of at least in the order of ten milliseconds, in particular in one Engine control unit (2) are provided. Motorsteuergerät (2) für einen Verbrennungsmotor, dazu eingerichtet, insbesondere mittels eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ermittelte und/oder in einem Speicher abgelegte, Klopfbetriebskennwerte (KB) zu übergeben - an eine Diagnosekomponente (204) des Motorsteuergeräts für weitere Onboard-Diagnosefunktionen, und/oder - an eine Steuerkomponente (206) des Motorsteuergeräts für eine Echtzeitregelung von Funktionen des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von dem ermittelten Klopfbetriebskennwert (KB).Engine control unit (2) for an internal combustion engine, set up to transfer knocking operation characteristic values (KB) determined and/or stored in a memory, in particular by means of a method according to one of the preceding claims - to a diagnostic component (204) of the engine control unit for further onboard diagnostic functions, and/or - To a control component (206) of the engine control unit for real-time regulation of functions of the internal combustion engine as a function of the determined knocking operation parameter (KB). Motorsteuergerät gemäß Anspruch 7, aufweisend einen nichtflüchtigen Speicher (202), dadurch gekennzeichnet, dass das Motorsteuergerät dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere, zu einem bzw. unterschiedlichen Diagnosezeitpunkten, insbesondere, ermittelte Ausprägungen des Klopfbetriebskennwert (KB) in dem Speicher abzulegen.according to the engine control unit claim 7 , having a non-volatile memory (202), characterized in that the engine control unit is set up to store one or more manifestations of the knock operation parameter (KB) determined at one or different diagnosis times, in particular, in the memory. Motorsteuergerät gemäß Anspruch 8, dazu eingerichtet, in dem Speicher abgelegte Ausprägungen des Klopfbetriebskennwerts an einen Offboardrechner (208) für Offline-Diagnosefunktionen zu übergeben.according to the engine control unit claim 8 , set up to transfer forms of the knocking operation parameter stored in the memory to an offboard computer (208) for offline diagnostic functions. Verbrennungsmotor (1) mit mehreren Zylindern (Z), gekennzeichnet durch ein Motorsteuergerät (2) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9.Internal combustion engine (1) with several cylinders (Z), characterized by an engine control unit (2) according to one of Claims 7 until 9 .
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