DE102021108740A1

DE102021108740A1 - Ermittlung eines Abgasgegendrucks eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102021108740A1
Application number: DE102021108740.6A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Grasreiner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-04-08
Filing date: 2021-04-08
Publication date: 2022-10-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuermittel und ein Verfahren zur Ermittlung eines Abgasgegendrucks eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug während eines Fahrbetriebs, aufweisend die Schritte: Identifizieren eines Zylinders, der sich zu Ende eines Expansionstakts oder zu Beginn eines Auslasstakts befindet; Bestimmen eines Diagnose-Zeitfensters, das sich nach einem Öffnen der Auslassventile des identifizierten Zylinders innerhalb eines Drehmomentlochs des Verbrennungsmotors erstreckt; Ermitteln einer Drehzahlentwicklung des Verbrennungsmotors während des Diagnose-Zeitfensters; Ermitteln des Abgasgegendrucks des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und ein Steuermittel zur Ermittlung eines Abgasgegendrucks eines Verbrennungsmotors sowie einen Verbrennungsmotor.
Die Abgaszusammensetzung wird zur Fahrzeugzulassung stark reguliert. Der Abgasgegendruck spielt für die Abgaszusammensetzung eine entscheidende Rolle, insbesondere für den Ausschiebevorgang nach der Verbrennung. Verschiedenste Abgasnachbehandlungssysteme können nur mit günstigen Druckverhältnissen arbeiten (bspw. Otto-Partikelfilter, Katalysatoren, etc.).
Beispielsweise kann der Abgasgegendruck durch Leckagen im motornahen Abgasstrang (Zylinderkopf, etc.) zu niedrig für die die gewünschte Abgasnachbehandlung sein, oder zu hoch, beispielsweise durch eine unzureichende Öffnung eines Wastegates.
Deswegen muss der Abgasgegendruck auch im Fahrbetrieb kontinuierlich überwacht werden, um nötigenfalls geeignete Maßnahmen zur gewünschten Einregelung des Druckniveaus ergreifen zu können.
Eine kontinuierliche Erfassung des Abgasgegendrucks im Abgasstrang mit wenigstens einem Drucksensor, beispielsweise mit einem Membran-Drucksensor, ist allgemein bekannt. Jedoch ist die Verwendung solcher Sensoren teuer in der Anschaffung, mit Aufwand bei der Montage verbunden und eröffnet einen zusätzlichen Weg für eine unerwünschte Komponentenfehlfunktion im Fahrzeug.
Zudem ist die Messung des Abgasgegendrucks im Abgasstrang problematisch, da der Sensor hohen Temperatur-schwankungen ausgesetzt ist, insbesondere Umgebungstemperaturen bis hin zu mehreren 100 °C, aufgrund der Temperaturen der Rohemissionen. Dies macht die Messung grundsätzlich schwierig und die Belastung für den Sensor führt langfristig zu Sensoralterung und manchmal auch Ausfällen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine kontinuierliche Ermittlung des Abgasgegendrucks zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände mit den Merkmalen eines der unabhängigen Ansprüche von Anspruch 1, einem Steuermittel mit den Merkmalen von Anspruch 12 und einem Verbrennungsmotor mit den Merkmalen von Anspruch 15. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung eines Abgasgegendrucks eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug während eines Fahrbetriebs offenbart. Das Verfahren weist einen, mehrere oder alle folgenden Verfahrensschritte auf:

(Verfahrensschritt S10) Identifizieren eines Zylinders, der sich in einem Expansionstakt oder in einem Auslasstakt befindet, insbesondere zu Ende des Expansionstakts oder zu Beginn des Auslasstakts. Die Identifikation dieses Zylinders kann insbesondere durch ein Auslesen vorhandener Informationen aus einem Betriebsmodell, insbesondere der Motorsteuerung, erfolgen. Unter einem Auslasstakt ist insbesondere derjenige Takt eines Zylinders zu verstehen, in welchem das Austreiben der Abgase aus der Verbrennung in der vorherigen Expansionsphase begonnen und durchgeführt wird.
(Verfahrensschritt S20) Bestimmen eines Diagnose-Zeitfensters, das sich nach einem Öffnen der Auslassventile des identifizierten Zylinders innerhalb eines Drehmomentlochs des Verbrennungsmotors erstreckt, d.h. insbesondere in einem Kurbelwellenbereich, in welchem der wesentliche Kurbelwellen-Drehmomentbeitrag einer Zündung des identifizierten Zylinders schon vergangen ist, der wesentliche Kurbelwellen-Drehmomentbeitrag einer Zündung des nachfolgend gezündeten Zylinders jedoch noch nicht eingesetzt hat. Unter einem Diagnose-Zeitfenster ist insbesondere ein zusammenhängender Zeitraum als Anteil eines oder zweier Arbeitstakte in dem Verbrennungsmotor (beispielsweise einem der Takte einer Viertakt-Verbrennung in einem Viertaktmotor) zu verstehen. Unter einem Diagnose-Zeitpunkt ist insbesondere ein Zeitpunkt innerhalb des Diagnose-Zeitfensters zu verstehen, für welchen eine, mehrere oder alle Bestimmungsgrößen einer zu ermittelnden Zielgröße, hier des Abgasgegendrucks, ermittelt werden. Unter einem Drehmomentloch ist vorliegend insbesondere ein Kurbelwinkelbereich zu verstehen, in welchem der betrachtete Zylinder und/oder mehrere oder alle anderen Zylinder des Motors keinen im Kontext relevanten Beitrag zu einem Vortriebs-Drehmoment leisten.
(Verfahrensschritt S40) Ermitteln einer Drehzahlentwicklung des Verbrennungsmotors während des Diagnose-Zeitfensters, insbesondere mit einer echtzeitfähigen Sampling-Qualität. Unter einer Drehzahlentwicklung ist vorliegend insbesondere zu verstehen, wie sich eine an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors anliegende Drehzahl während des Diagnose-Zeitfensters entwickelt. Dazu können Werte für die Drehzahl mit einer hohen Sampling-Frequenz, beispielsweise im Bereich von einer Millisekunde (ms) oder schneller, zwischen zeitlich benachbarten Werten, verwendet werden.
(Verfahrensschritt S61) Ermitteln des Abgasgegendrucks in einem Abgassammler des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung.

Mit einem Verfahren mit diesen Schritten kann der Abgasgegendruck ohne einen Drucksensor im Abgasstrang kontinuierlich ermittelt werden. Das Erfassen des Abgasgegendrucks im Abgasstrang ist somit ohne eine speziell für diese Funktionalität verbaute Sensorik möglich. Die Kosten für den Sensor und seine Wartung können eingespart werden.
Alternativ ist gemäß einer Ausführung auch eine, insbesondere in vorgesehenen Abständen durchgeführte, Sensorplausibilisierung möglich, wenn der Abgasgegendrucksensor jedoch entfallen soll. Damit kann ermittelt werden, wann eine Fehlfunktion im Rahmen eines Dauerbetriebs des Gegendrucksensors auftritt. Ohne die Erfindung ist dies nur mit einem zweiten Sensor möglich.
(Verfahrensschritt S50) Insbesondere wird dabei in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung eine Druckkennzahl für den identifizierten Zylinder im Diagnose-Zeitfenster ermittelt, in deren Abhängigkeit wiederum der Abgasgegendruck ermittelt wird. Dadurch kann beispielsweise ein Verfahren zur Ermittlung eines Zylinderdrucks wie in der WO 19238338 A1 veröffentlicht Verwendung finden. Die Erfinder haben festgestellt, dass mit der erfindungsgemäß erweiterten Ergänzung eines solchen Verfahrens der Abgasgegendruck mit einer hinreichenden Genauigkeit kontinuierlich ermittelt werden kann.
Gemäß einer Ausführung wird dazu der Druck in einem Betriebszustand des identifizierten Zylinders ermittelt, in welchem die Auslassventile geöffnet sind, spricht das Diagnose-Zeitfenster entsprechend gewählt. Denn dann entspricht - zumindest nach einem bestimmten Zeitversatz - der Druck im Zylinder dem Druck im Abgasstrang, insbesondere stromaufwärts eines Abgasturboladers oder einer Abgasnachbehandlungseinrichtung.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Steuermittel zur Ermittlung eines Abgasgegendrucks eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug während eines Fahrbetriebs offenbart, das insbesondere in einem Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors ausgebildet und/oder dazu eingerichtet ist, - insbesondere mittels eines Verfahrens gemäß einer Ausführung der Erfindung - ermittelte und/oder in einem Speicher abgelegte, Werte des Abgasgegendrucks zu übergeben (i) an eine Steuerkomponente des Steuermittels für eine Echtzeitregelung von Funktionen des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von den übergebenen Werten, und/oder (ii) an eine Diagnosekomponente des Steuermittels für weitere Onboard-Diagnosefunktionen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern offenbart, der ein Steuermittel gemäß einer Ausführung der Erfindung aufweist.
Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass es wünschenswert wäre, den Gegendruck im Abgasstrang ohne gesonderte Druckmesstechnik-Hardware regelmäßig im regulären Fahrbetrieb schätzen zu können.
Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, Gegendruckwerte mit Hilfe vorhandener Sensorik onboard und online zu berechnen und ggfs. für die weitere Verarbeitung im Fahrzeug direkt oder auch abseits für die Remoteanalyse bzw. in der Werkstatt zur Verfügung zu stellen.
Die Erfindung basiert ferner unter anderem auf der Idee, die notwendigen Informationen für einen Rückschluss auf die Gegendruckverhältnisse im Abgasstrang aus der hochaufgelöst und kontinuierlich im Fahrbetrieb ermittelten Drehzahlentwicklung der Kurbelwelle zu beziehen. Dazu wird bei der Erfindung der Abgasgegendruck geeignet mit der Drehzahl korreliert.
Dies ist mit einer guten Qualität der ermittelten Druckwerte insbesondere im Auslasstakt des entsprechenden Zylinders möglich, wenn die Verbrennungsmomente sowie die Ansaug- und Kompressionsverluste nur einen untergeordneten Einfluss auf die Drehzahlentwicklung aufweisen. Im Bereich des Übergangs zwischen Arbeitstakt und Auslasstakt, beispielsweise in dem Kurbelwinkel-Bereich, in welchem das Auslassventil öffnet, sind die Drehmomentbeiträge aus der Verbrennung vergleichsweise gering. Die Drehzahlentwicklung kann an dieser Stelle also vor allem auf Reibungsterme zurückgeführt werden, die wiederum durch die im Zylinder herrschenden Druckverhältnisse geprägt werden.
Gemäß einer Ausführung wird der Abgasgegendruck ermittelt, indem ein ermittelter Wert der Druckkennzahl als Abgasgegendruckkenngröße bestimmt wird oder mittels einer Korrelationsschätzung in eine Abgasgegendruckkenngröße überführt wird.
Dadurch kann die spezifische Druckentwicklung im Zylinder einerseits und andererseits im Abgasstrang, insbesondere in der Zeit (bzw. dem Kurbelwellen-Bereich) unmittelbar nach der Öffnung der Auslassventile berücksichtigt werden, indem vorbestimmt wird, ob die ermittelte Druckkennzahl in einem bestimmten Betriebsfall direkt oder nur mittelbar repräsentativ für den Abgasgegendruck ist. Ist im Betriebsfall davon auszugehen, dass die ermittelte Druckkennzahl nur mittelbar repräsentativ für den Abgasgegendruck ist, kann mittels Betriebsfall-abhängiger Korrelationsfaktoren eine geeignete und zutreffende Überführung der ermittelten Druckkennzahl in den anzunehmenden Abgasgegendruck erreicht werden.
Gemäß einer Ausführung (Verfahrensschritt S62) wird die Druckkennzahl und daraus jeweils die Abgasgegendruckkenngröße mehrfach bestimmt und aus der Mehrzahl ermittelter Werte für die Abgasgegendruckkenngröße der Abgasdruck ermittelt, insbesondere mittels einer, insbesondere gewichteten, Mittelwertbildung.
Dadurch kann die Ermittlung des Abgasgegendrucks verbessert werden, insbesondere hinsichtlich einer Genauigkeit und/oder einer Zuverlässigkeit. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass an die Motorsteuerung ein ermittelter Wert für den Abgasgegendruck weitergegeben wird, der ein - gegebenenfalls geeignet gewichteter - Mittelwert ist, der aus jeweils einer Ermittlung des Abgasgegendrucks für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors (vorzugsweise in aufeinanderfolgenden Zündungen) ermittelt wird.
Eine Ermittlung eines Abgasgegendruckwerts aus mehreren Zylindern der gleichen Abgasflut, die gemäß einer Ausführung vorgesehen ist, ist vorteilhaft für die Genauigkeit des ermittelten Druckwertes, weil dadurch parasitäre Reibungseinflüsse eines Einzelzylinders aus dem Messergebnis besser eliminiert werden können - jedoch kann auch mit der Bewertung einzelne Zylinder eine gute Aussagegenauigkeit erreich werden, beispielsweise zugunsten knapper Rechenressourcen im Steuergerät.
Gemäß einer Ausführung (Verfahrensschritt S31) wird bei der Durchführung des Verfahrens ein Zündzeitpunkt des identifizierten Zylinders auf einen späteren als einen regulär für den Betriebszustand vorgesehenen Zündwinkel eingestellt, insbesondere für das Arbeitsspiel, in dem das Diagnosezeitfenster liegt. Das vermindert einen Störfaktor durch eine mit der Zündung verbundenen Kurbelwellen-Beschleunigung und/oder erhöht eine Sensibilität für die erfasste Drehzahl gegenüber einem Vorauslassdruck, und ermöglicht insbesondere ein längeres Diagnosezeitfenster innerhalb eines längeren Drehmomentlochs. Der Grund dafür liegt in einem verminderten Druckaufbau im Zylinder.
Gemäß einer Ausführung (Verfahrensschritt S32) wird bei der Durchführung des Verfahrens ein Zündzeitpunkt des nach dem identifizierten Zylinders regulär zur Zündung vorgesehenen Zylinders auf einen späteren als einen, insbesondere regulär für den Betriebszustand, vorgesehenen Zündwinkel eingestellt, insbesondere für das Arbeitsspiel, in dem das Diagnosezeitfenster liegt. Das vermindert einen Störfaktor durch eine mit der nachfolgenden Zündung verbundenen Kurbelwellen-Beschleunigung und/oder ermöglicht eine Aufweitung des Diagnose-Zeitfensters, indem ein größerer Kurbelwellen-Bereich mit einem Drehmomentloch erreicht wird.
Gemäß einer Ausführung (Verfahrensschritt S33) wird bei der Durchführung des Verfahrens eine Zündung und/oder eine Kraftstoffeinspritzung des nach dem identifizierten Zylinder regulär zur Zündung vorgesehenen Zylinders ausgelassen, insbesondere in oder unmittelbar nach dem Arbeitsspiel, in dem das Diagnosezeitfenster liegt. Im Vergleich zum Verzögern der nachfolgenden Zündung wird dadurch ein noch größerer Kurbelwellen-Bereich mit einem Drehmomentloch erreicht. Diese Ausführungsform ist insbesondere im Diagnosevorgang, beispielsweise bei einem Werkstattaufenthalt, vorteilhaft, da dort der Fahrkomfort eine untergeordnete Rolle spielt.
Gemäß einer Ausführung (Verfahrensschritt S34) wird bei der Durchführung des Verfahrens ein weniger stark gedrosselter und/oder entdrosselter Betrieb eines Laststeuerungsorgans, insbesondere der Einlass- und/oder der Auslassventile des identifizierten Zylinders und/oder aller Zylinder, eingestellt. Dadurch werden Ladungswechselverluste vermindert, die als Einflussgrößen auf die erfasste Drehzahlentwicklung einen Störfaktor bei der Ermittlung des Ladedrucks sein können.
Gemäß einer Ausführung (Verfahrensschritt S35) wird das Verfahren nur durchgeführt, wenn ein zuvor ermittelter Wert für die Druckkennzahl höher als eine vorgesehene Mindestlast ist und/oder ein äquivalentes Maß für eine vorgesehene Mindestlast überschritten wird. Damit kann der Abgasgegendrucks zwar nur in höheren Lastbereichen ausgewertet werden; da er hier allerdings auch viel relevanter hinsichtlich der Abgasqualität ist, ist das unproblematisch. Erreicht wird mit dem Vorsehen der Mindestlast eine erhöhte Sensibilität der erfassten Drehzahlentwicklung gegenüber dem Vorauslassdruck.
Gemäß einer Ausführung (Verfahrensschritt S71) wird eine Signalqualität des ermittelten Abgasgegendrucks ermittelt. Insbesondere wird dazu der ermittelte Abgasgegendruck mit einem für realistisch auftretende Werte repräsentativen Abgasgegendruck-Intervall verglichen, und gegebenenfalls eine Abweichung von dem Intervall detektiert.
Wenn die Signalqualität als nicht in Ordnung (n.i.O.) ermittelt wird, wird gemäß einer Ausführung (Verfahrensschritt S72) ein Signalverbesserungslevel ermittelt, das als erforderlich für eine ausreichende Signalverbesserung angesehen wird. Mit unterschiedlichen Signalverbesserungslevels kann beispielsweise jeweils einer der Eingriffe S31, S32, S33 in das Zündzeitpunkt-Management des Verbrennungsmotors verbunden sein. Die unterschiedlichen Eingriffe können beispielsweise eine unterschiedlich starke Aufweitung des Diagnose-Zeitfensters ermöglichen und damit eine jeweils entsprechende Signalverbesserung.
Gemäß einer Ausführung (Verfahrensschritt S73) wird ermittelt, ob aufgrund des ermittelten Abgasgegendrucks eine Nachfolgereaktion ergriffen werden muss, um den gewünschten Abgasgegendrucks zu erreichen, und ggfs., welche Nachfolgereaktion in welchem Maße ergriffen werden muss. Die ergreifbaren Nachfolgereaktionen sind insbesondere so ausgebildet, dass sie den Abgasgegendruck hin zu einem (vorbestimmten) gewünschten Wert für den jeweiligen Betriebszustand verändern können, und werden insbesondere durchgeführt, bis der gewünschte Wert erreicht ist. Dadurch kann der Abgasgegendrucks in einem gewünschten Intervall eingeregelt werden.
Gemäß einer Ausführung ist das Steuermittel dazu eingerichtet, eine oder mehrere, zu einem bzw. unterschiedlichen Diagnosezeitpunkten, insbesondere, ermittelte Werte des Abgasgegendrucks in dem Speicher abzulegen.
Gemäß einer Ausführung ist das Steuermittel dazu eingerichtet, in dem Speicher abgelegte Werte des Abgasgegendrucks an einen Offboardrechner für Offline-Diagnosefunktionen zu übergeben.
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 einem Steuermittel 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 verschiedene Möglichkeiten einer Verbesserung einer Signalqualität für die Ermittlung des Abgasgegendrucks mittels einer beispielhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm von Verfahrensschritten einer beispielhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1a 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 einer Kurbelwelle eines Kurbeltriebs KT bereitstellen. Der Verbrennungsmotor 1 weist zusätzlich ein Steuermittel 2 nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung auf, das eine Recheneinheit 4 aufweisen kann, insbesondere, wenn das Steuermittel 2 nicht als Bestandteil eines Motorsteuergeräts ausgebildet ist. Das Steuermittel 2 weist ferner eine Drehzahl-Erfassungseinheit 6 sowie eine Zylinderdruck-Ermittlungseinheit 7 für die Referenzdrücke aus Umgebung und Luftsammler bzw. Kurbelgehäuse auf. Das Steuermittel 2 weist zudem eine Zylindervolumen-Ermittlungseinheit auf und kann auf Messwerte aller Lambdasonden des Verbrennungsmotors 1 zugreifen.
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.
Ein Referenzdruck in der Umgebung der Zylinder kann dem Steuermittel 2 nötigenfalls mittels der Druck-Erfassungseinheit 7 zur Verfügung gestellt werden, die momentane Drehzahl n mittels der hochauflösenden Drehzahl-Erfassungseinheit 6.
In 1c ist ein Diagramm einer Drehmomententwicklung Mges 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 der Darstellung ist ein Drehmoment-Grenzwert 14 eingezeichnet, der insbesondere willkürlich festgelegt ist und bestimmt, unterhalb welches Drehmoments ein Drehmomentbeitrag eines Zylinders als unwesentlich gilt, sodass dann ein Drehmomentloch 12 im Sinne der Erfindung vorliegt. Folglich kann ein Drehmomentloch 12 im Sinne der Erfindung identifiziert werden, wenn zu einem bestimmten Zeitintervall die Drehmomentbeiträge jedes Zylinders unterhalb des Grenzwerts 14 sind.
In der Darstellung der 1 c ergeben sich für einen herkömmlichen Betrieb des Verbrennungsmotors 1 leicht unterschiedlich lange Drehmomentlöcher 12. Innerhalb dieser Drehmomentlöcher 12 kann insbesondere jeweils ein Diagnose-Zeitfenster 112 festgelegt werden, das den gesamten Zeitraum des Drehmomentlochs oder einen Teil davon umfassen kann.
In 2 ist eine Skizze eines beispielhaften Diagramms 150 einer Drehzahlentwicklung 101 eines Viertakt-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.
Das Ablaufdiagramm 150 zeigt den Verlauf 101 der Motordrehzahl n über ein Arbeitsspiel (ASP) des 4-Zylinder-Ottomotors 1. Markiert sind die Zündzeitpunkte (ZZP) sowie ein beispielhaft mögliches Diagnose-Zeitfenster 112 für den zu diagnostizierenden Zylinder Z1 in der Verdichtungsphase. Darunter sind die zugehörigen Arbeitstakte der Zylinder Z1-Z4 abgebildet.
Dieses Beispiel eines Vierzylinders zeigt auf, welcher Bereich der Kurbelwinkelskala für die Ladungswechseldiagnose genutzt werden kann. Das Diagnose-Zeitfenster 112_Z1 liegt für den zu diagnostizierenden Zylinder Z1 am Ende der Expansionsphase und am Beginn der Auslassphase, wenn also die Auslassventile bereits geöffnet (vergleiche 4) sind und zudem noch ein Drehmomentloch vorliegt (vgl. Grenzwert 14 in 1c), also ein Beschleunigungseffekt der Zündung des nachfolgenden Zylinders Z3 noch nicht greift.
Im Ausführungsbeispiel wird daher das Diagnose-Zeitfenster 112_Z1 zunächst festgelegt zu P1 = 175°KW bis P2 = 205°KW, bezogen auf eine Kurbelwinkelangabe des Zylinders Z1, entsprechend einem Kurbelwinkelwert von 5°KW vor dem oberen Totpunkt der Zündung (ZOT) bis 25°KW danach.
Die Grenzpunkt P1 und P2 des Diagnose-Zeitfensters 112 sind abhängig von einem anliegenden Motorbetriebspunkt und können flexibel an diesen angepasst werden. Die dynamische Anpassung der Grenzen des Diagnose-Zeitfensters 112 ist insbesondere für den dynamischen Fahrbetrieb in Abhängigkeit von Randbedingungen wie einem Zündwinkel und dem Zylinderdruckverlauf möglich.
In 3 ist das Detail X aus 2, also die Drehzahlentwicklung 101 über den Kurbelwinkel KW während des Diagnose-Zeitfensters 112_Z1 mit den Grenzpunkten P1 und P2 des Diagnose-Zeitfensters von Zylinder Z1 eingetragen. Zum Punkt P1 herrscht im Zylinder der Druck p1, zum Punkt P2 der Druck p2.
Ein Diagnosezeitpunkt 113 im Diagnose-Zeitfenster 112 wird bestimmt, beispielsweise mittig im Diagnosezeitfenster zu 190°KW. Für diesen Zeitpunkt wird vorliegend der Abgasgegendruck p31 berechnet. Für die Ermittlung des diagnostischen Zylinderdrucks p_diag in Abhängigkeit von der Drehzahlentwicklung 101 wird jedoch zusätzlich ein Zeitfenster wie das Diagnose-Zeitfenster 112 benötigt, weil die Ermittlung auf einer Differenzbetrachtung fußt.
Die 4 und 5 erläutern - unter Rückgriff auch auf die Darstellungen der 2 und 3 - ein Ausführungsbeispiel erfindungsgemäßer Verfahren zur Ermittlung eines Abgasgegendruck p31 in einem Zylinder Z des Verbrennungsmotors 1 im Fahrbetrieb mit Hilfe des hochaufgelöst erfassten Signals 101 einer Kurbelwellendrehzahl n des Kurbelwellentriebs KT.
5 zeigt den Ablauf des beispielhaft durchgeführten Verfahrens und ist nachfolgend erläutert:

Verfahrensschritt S10: Derjenige Zylinders Z1 wird identifiziert, welcher sich zu Ende des Expansionstakts befindet.
Verfahrensschritt S20: Bestimmen des Diagnose-Zeitfensters 112 (hier 112_Z1) für den identifizierten Zylinder Z1 im Drehmomentloch 12 des Verbrennungsmotors 1.
Verfahrensschritt S30: Bei der initialen Durchführung des Verfahrens wird das Diagnose-Zeitfenster 112 auf Basis der unabhängig von der Erfindung für den Betriebsfall vorgesehenen Zündungsfolge der Zylinder Z1, Z3, Z4, Z2 bestimmt. Wird jedoch in Schritt S71 eine unzureichende Signalqualität für die Ermittlung des Abgasgegendrucks p31 festgestellt, kann - in Abhängigkeit von dem Grad des Signaldefizits - ein größeres Diagnose-Zeitfenster 112 festgelegt werden. Ein größeres Diagnose-Zeitfenster 112 kann ermöglicht werden, indem die Zündabstände bzw. die Zündfolge der Zylinder gemäß Schritt S31 oder S32 oder S33 verändert wird, damit ein größeres Drehmomentloch 12 und folglich eine höhere Signalqualität Q ermöglicht wird.

In 4 sind die verschiedenen, im Ausführungsbeispiel vorgesehenen Zündabstände/-folge nun gemäß Schritt S30 oder S31 oder S32 oder S33 separat dargestellt. Für jede Anpassung der Zündabstände/-folge sind die Zündzeitpunkte ZZP der relevanten Zylinder Z dargestellt, jeweils symbolisiert durch die Zylindernummer in einem Sternsymbol.
Zudem ist die jeweils aus der Zündung eines Zylinders resultierende Leistungs-Freisetzung P_Zx über den Kurbelwinkel KW schematisch dargestellt. Wie sich insbesondere aus der Darstellung zum Verfahrensschritt S 30 und zum Verfahrensschritt S 32 ergibt, erfolgt bei späterer Zündung eines Zylinders eine geringere und weniger lang andauernde Leistungs-Freisetzung.
Ferner sind die Öffnungszeitpunkte AO1 und EO1 der Auslassventile und der Einlassventile des Zylinders Z1, sowie der daran jeweils anschließende Ventilhub, schematisch dargestellt.
Verfahrensschritt S31: Ein Zündzeitpunkt ZZP1 (in 4 dargestellt mit einem Stern um die Bezeichnung Z1) des identifizierten Zylinders Z1 wird auf einen späteren als einen regulär für den Betriebszustand vorgesehenen Zündwinkel eingestellt. Durch den späteren zum Zeitpunkt ist der Druck im Zylinder Z1 bei der Zündung bereits geringer, weshalb durch die Zündung eine geringere Leistung freigesetzt wird. Dadurch wird das Drehmomentloch 12 früher erreicht. Der Startpunkt P1 des Diagnose-Zeitfensters 112 kann früher gesetzt werden.
Verfahrensschritt S32: Ein Zündzeitpunkt ZZP3 (in 4 dargestellt mit einem Stern um die Bezeichnung Z3) des nach dem identifizierten Zylinders Z1 regulär zur Zündung vorgesehenen Zylinders Z3 wird auf einen späteren als einen, insbesondere regulär für den Betriebszustand, vorgesehenen Zündwinkel eingestellt, insbesondere für das Arbeitsspiel, in dem das Diagnosezeitfenster 112 liegt. Dadurch dauert das Drehmomentloch 12 länger. Der Endpunkt P2 des Diagnose-Zeitfensters 112 kann später gesetzt werden.
Verfahrensschritt S33: Eine Zündung und/oder eine Kraftstoffeinspritzung des nach dem identifizierten Zylinder regulär zur Zündung vorgesehenen Zylinders Z3 wird ausgelassen. Dadurch wird ein noch größerer Kurbelwellen-Bereich mit einem Drehmomentloch 12 erreicht. Dadurch dauert das Drehmomentloch 12 noch deutlich länger. Der Endpunkt P2 des Diagnose-Zeitfensters 112 kann später gesetzt werden.
Verfahrensschritt S34 (nicht dargestellt): Bei der Durchführung des Verfahrens wird ein entdrosselter Betrieb der Einlass- und/ der Auslassventile des identifizierten Zylinders Z1 eingestellt. Dadurch werden Ladungswechselverluste vermindert, die als Einflussgrößen auf die erfasste Drehzahlentwicklung einen Störfaktor bei der Ermittlung des Abgasgegendruck p31 sein können. Verfahrensschritt S34 kann, falls benötigt, in jeglicher Permutation mit den Verfahrensschritten S30, S31, S32 und S33 kombiniert werden.
Verfahrensschritt S40: Ermittelnder Drehzahlentwicklung 101 des Verbrennungsmotors während des bestimmten Diagnose-Zeitfensters 112 mit einer echtzeitfähigen Sampling-Qualität. Wie oben beschrieben, kann das Diagnose-Zeitfenster 112 unterschiedlich lang sein, je nachdem ob die Zündabstände und/oder -folge der Zylinder gemäß Schritt S30, S31, S32 oder S33 bestimmt sind. Eine Live-Motorsteuerungs-Funktion liest im Fahrbetrieb kontinuierlich Drehzahlwerte n für die Kurbelwelle KT aus (aufgrund von Gasreibungsverzögerung (und für die vorliegenden Zwecke vernachlässigte Verzögerung durch mechanische Reibung) ist in einer Kompressionsphase eines Zylinders ein vermehrter Drehzahlabfall von einem zu einem nachfolgenden Zeitpunkt zu erwarten) und bestimmt daraus eine Drehzahlentwicklung 101 - vgl. 1-3.
Verfahrensschritt S50: Bestimmen der Druckkennzahl p _{zyl, diag} für den Zylinder Z1 im Diagnosezeitfenster 112 in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung 101.
Verfahrensschritt S61: Der Abgasgegendruck p31 wird ermittelt, indem ein ermittelter Wert der Druckkennzahl p _{zyl, diag} als Abgasgegendruckkenngröße bestimmt wird. Dies ist im Diagnose-Zeitfenster 112 möglich, weil die Auslassventile AV des identifizierten Zylinders Z1 bereits ausreichend lang geöffnet sind, um einen Druckausgleich zwischen dem Brennraum des Zylinders Z1 und dem Abgasstrang zu erreichen. Genau diese Druckentwicklung kann mittels des hoch aufgelösten Drehzahl-Signals n und der daraus resultierenden Drehzahlentwicklung 101 erfasst und quantifiziert werden.
Verfahrensschritt S62: Bei dem beispielhaften Verfahren wird die Druckkennzahl p _{zyl, diag} und daraus jeweils der Abgasgegendruck p31 mehrfach bestimmt und aus der Mehrzahl ermittelter Werte für die Abgasgegendruckkenngröße der Abgasdruck ermittelt. Bei einer mehrfachen Ermittlung der Druckkennzahl p _{zyl, diag} sind gemäß einer Ausführung aus Gründen der Vergleichbarkeit gleiche Zündabstände, insbesondere resultierend aus den Verfahrensschritten S30-S33, vorgesehen.
Verfahrensschritt S71: Eine Signalqualität Q für den ermittelten Abgasgegendruck p31 wird ermittelt. Vorliegend wird dazu der ermittelte Abgasgegendruck p31 mit einem für realistisch auftretende Werte repräsentativen Abgasgegendruck-Intervall verglichen, und gegebenenfalls eine Abweichung von dem Intervall detektiert. Als Maß für die Signalqualität Q kann aber auch eine beliebige andere, fachmännische Größe herangezogen werden.
Verfahrensschritt S72: Wenn die Signalqualität Q als nicht in Ordnung (n.i.O.) ermittelt wird, wird ein Signalverbesserungslevel ermittelt, das als erforderlich für eine ausreichende Signalverbesserung angesehen wird. Hier ist vorgesehen, dass bei einem leichten Signaldefizit die Zündfolge gemäß Verfahrensschritt S31 festgelegt wird, um ein geringfügig größeres Diagnose-Zeitfenster mit einem verhältnismäßig kleinen Eingriff ins Motormanagement zu erreichen. Bei einem größeren Signaldefizit wird ein noch größeres Diagnose-Zeitfenster zur Verfügung gestellt, indem die Zündfolge gemäß den Verfahrensschritt S 32 bestimmt wird - um den Preis eines größeren Eingriffs in die Zündabstände der Zylinder und damit eine spürbare Auswirkung auf das verfügbare Vortriebs-Drehmoment. Bei einem noch größeren Signaldefizit wird der Zündabstand/-folge gemäß Verfahrensschritt S33 verändert, unter Inkaufnahme eines gewollten Zündaussetzers des nachfolgend zur Zündung vorgesehenen Zylinders Z3.
Verfahrensschritt S73: Hier wird diagnostiziert, ob aufgrund des ermittelten Abgasgegendrucks p31 eine Nachfolgereaktion ergriffen werden muss, um den gewünschten Abgasgegendruck zu erreichen, und ggfs., welche Nachfolgereaktion in welchem Maße ergriffen werden muss.
Im Ausführungsbeispiel sind verschiedene Möglichkeiten zur Nutzung der bestimmten Werte des Abgasgegendrucks p31 für Onboard-Diagnose 204 und/oder Offboard-Diagnose 208 und/oder Regelungsaufgaben 206 mittels der Motorsteuerung 2 vorgesehen (vgl. 5).
Dazu werden kontinuierlich im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs die ermittelten Werte in einem nichtflüchtigen Speicher 202 des Motorsteuergeräts 2 abgelegt bzw. zur weiteren Nutzung hinterlegt. Wenn beispielsweise für jeden Zylinder Z zu jeder Zündung der zugehörige Wert für den Abgasgegendruck p31 ausgewertet wird, wird in den Speicher 202 zu jeder Zündung ein neuer Wert des Abgasgegendrucks p31 abgespeichert - insbesondere mit Zeitstempel und/oder Ausgangswerten für die Ermittlung und/oder Angabe des diagnostizierten Zylinders, beispielsweise Z1.
Die abgespeicherten Werte des Abgasgegendrucks p31 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 des Abgasgegendrucks p31 zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise in der Werkstatt, einem Offboard-Diagnoserechner 208 zur Verfügung gestellt werden.
Nachfolgend ist detailliert erläutert, wie in Verfahrensschritt S50 - als Grundlage für die Ermittlung des Abgasgegendrucks p31 - die Druckkennzahl p _{zyl, diag} für den Zylinder Z1 im Diagnosezeitfenster 112 in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung 101 im Ausführungsbeispiel ermittelt wird.
Als Wert für den Abgasgegendruck p31 wird ein diagnostischer Zylinderdruckwert p _zyl,diag für das Diagnosezeitfenster 112 ermittelt.
Wie dies möglich ist, kann der nachfolgenden Beschreibung zu den Gleichungen (1) bis (16) entnommen werden, wobei aus dem bestimmten Diagnosezeitfenster (siehe Erläuterungen zu den 2 und 4) resultiert, dass φ₁ zunächst dem Kurbelwinkel KW=175° von P1 und φ₂ dem Kurbelwinkel KW=205° von P2 entspricht. Entsprechend gilt im gezeigten Ausführungsbeispiel p _zyl,diag = p_{zyl,diag,175-205}, solange nicht aufgrund eines Signaldefizits die Bestimmung der Zündfolge nicht mehr gemäß Verfahrensschritt S30, sondern gemäß einem der Verfahrensschritte S 31, S 32 oder S 33 erfolgt.
Die Ermittlung des diagnostischen Zylinderdruckwerts p _zyl,diag basiert auf einer Druckbilanzierung des diagnostizierten Zylinders Z1 auf Basis des gemessenen Drehzahlverlaufs: $\frac{d}{d t} (\frac{1}{2} \cdot J_{0} \cdot ω^{2}) = (M_{t a n} - M_{R} - M_{L}) \cdot ω$
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 Lastabnahme
MM: Anteiliges Moment durch rotatorische Massenträgheit
nmot: Aktuell anliegende Motordrehzahl

Durch Differentation, Substitution und Einführung eines Massenmoments (Aufteilung der Trägheitsanteile) ergibt sich die Gleichung: $J \cdot \dot{ω} = \sum_{i} M_{i} = M_{t a n} - M_{R} - M_{L} - M_{M}$
Teilt man die Gleichung sinnvoll auf in einen „Gleichanteil“ und einen „Wechselanteil“ so erhält man folgende Subgleichungen:

„Gleichanteil“: $\bar{M_{t a n}} = \bar{M_{R}} - \bar{M_{L}}$

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“: $J \cdot \dot{ω} = \tilde{M_{t a n}} - \tilde{M_{R}} - \tilde{M_{M}}$
Eine Umwandlung von zeitbasierter Ableitung zur kurbelwinkelbasierter Differenzenbildung erfolgt mit Hilfe des Zusammenhangs $\begin{array}{l} ω = \frac{d φ}{d t} = π \cdot \frac{n_{m o t}}{30} per \\ \dot{ω} \approx {(\frac{π}{30})}^{2} \cdot n m o t \cdot \frac{Δ n m o t}{Δ φ} \end{array}$

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:

\tilde{M_{t a n}} = [A_{K} \cdot [p_{z y l} (φ) - p_{0}] - m_{o s z} \cdot \ddot{s} (φ)] \cdot r_{k} \cdot \frac{sin (φ + β)}{c o s β}

Formelzeichen	Bedeutung
A_K	Kolbendeckfläche = const.
r_K	Wirkradius der Kurbelwelle entspricht halben Hub = const.
l_Pl	Pleuellänge = const.
m_osz	Oszillatorische Massenteil entspricht Kolbenbaugruppe und anteiliger Pleuelmasse = const.
p_zyl	Im Zylinder vorherrschender Druck
p₀	Referenzdruck, Kurbelgehäusedruck
β(φ)	Pleuelschwenkwinkel in Abhängigkeit der Kurbelwinkelstellung
s̈(φ)	Kolbenbeschleunigung in Abhängigkeit von der Kolbenstellung

Eine weitere Detaillierung der variablen Faktoren aus Gleichung (3) ergibt: $\ddot{s} (φ, \dot{φ}, \ddot{φ}) = r_{k} \cdot \ddot{φ} \cdot sin φ {+r}_{K} \cdot {\dot{φ}}^{2} \cdot c o s φ + \frac{r_{K}}{2} \cdot \ddot{φ} \cdot λ_{P l} \cdot sin (2 \cdot φ) + r_{K} \cdot {\dot{φ}}^{2} \cdot λ_{P l} \cdot cos (2 \cdot φ)$
Unter der Annahme einer konstanten mittleren Drehzahl nmot vereinfacht sich der Zusammenhang für die Kolbenbeschleunigung zu: ${\ddot{s}}_{r e d} (φ, \dot{φ}) = r_{K} \cdot {\dot{φ}}^{2} \cdot (c o s φ + λ_{pl} \cdot cos (2 φ))$
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. $β (φ) = arcsin (λ_{P l} \cdot sin φ)$
Schubstangenverhältnis $λ_{P l} = \frac{r_{K}}{l_{p l}}$
$p_{z y l} = {\bar{p}}_{z y l}$
Bezug zum Umgebungsdruck $p_{0} = p_{u m g}$
oder wie im Weiteren auch genutzt der
Bezug zum Kurbelgehäusedruck $p_{0} = p_{K u r b G e h} = p_{u m g} - D P S$
wobei DPS für den Unterdruck (Druckdifferenz) im Saugrohr steht.
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.
Im Folgenden wird allerdings davon ausgegangen, dass die Diagnose in fest definierten Stationärlastpunkten durchgeführt wird. Dadurch lässt sich das mittlere Reibmoment für diesen Lastpunkt als unveränderlich annehmen. ${\tilde{M}}_{R} = c o n s t .$
Der gleiche Ansatz wird ebenfalls für das mittlere anteilige Moment durch rotatorische Massenträgheit und das Massenträgheitsmoment genutzt. ${\tilde{M}}_{M} = c o n s t .$
$J = c o n s t .$
Eine geeignete Wahl von Diagnosekonstanten im stationären Betriebspunkt erlaubt eine einfache Applikation der Parameter im Nachhinein.
Die Auflösung von Gleichung (1) nach dem Gasmoment ergibt: $\tilde{M_{t a n}} = J \cdot \dot{ω} + {\tilde{M}}_{R} + {\tilde{M}}_{M}$
Nach Einsetzen der Zusammenhänge aus Gleichungen (9) bis (11) kann man auf folgende Vereinfachung mit der Applikationskonstante K_RM schlussfolgern: $\tilde{M_{t a n}} = J \cdot \dot{ω} + K_{R M}$
Applikation der Diagnose:
In 3 ist das Detail X aus 2, also die Drehzahlentwicklung 101 über den Kurbelwinkel KW während des Diagnose-Zeitfensters 112 mit den Messpunkten P1 und P2 in der Ausschiebephase von Zylinder Z1 eingetragen. Zum Punkt P1 herrscht im Zylinder der Druck p₁, zum Punkt P2 der Druck p₂.
Der Gradient der Winkelgeschwindigkeit aus Gleichung (2) wird erweitert. Die zu ermittelnde Drehzahl muss dabei gemittelt werden und Konstanten werden wieder gekennzeichnet. $\begin{array}{l} \dot{ω} \approx {(\frac{π}{30})}^{2} \cdot \bar{n_{m o t}} \cdot \frac{Δ n_{m o t}}{Δ φ} \\ \dot{ω} \approx {(\frac{π}{30})}^{2} \cdot \frac{n_{m o t_{2}} + n_{m o t_{1}}}{2} \cdot \frac{n_{m o t_{2}} + n_{m o t_{1}}}{φ_{2} - φ_{1}} \\ \dot{ω} \approx \frac{1}{2} \cdot {(\frac{π}{30})}^{2} \cdot \frac{n_{m o t_{2}}^{2} + n_{m o t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}} \\ \dot{ω} \approx K_{ω} \cdot \frac{n_{m o t_{2}}^{2} + n_{m o t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}} \end{array}$
Der Term für das Tangentialmoment aus Gleichung (3) wird nachfolgend erweitert um die Zusammenhänge aus den Gleichungen (4) bis (8) und Konstanten werden gekennzeichnet. $\begin{matrix} \tilde{M_{t a n}} = [\frac{(p_{1} + p_{2} - 2 \cdot p_{u m g} + 2 \cdot D P S)}{2} \cdot A_{K} - m_{o s z} \cdot \ddot{s} (φ)] \cdot r_{K} \cdot \frac{sin (φ + β)}{cos β} \\ \tilde{M_{t a n}} = [\frac{(p_{1} + p_{2} - 2 \cdot p_{u m g} + 2 \cdot D P S)}{2} \cdot A_{K} - m_{o s z} \cdot \ddot{s} (φ)] \cdot K_{K} \end{matrix}$
mit einer Kinematikkonstanten für den Stationärpunkt, in welchem die Diagnose stattfindet $K_{K} = r_{K} \cdot \frac{sin (φ + β)}{cos β}$
Nach Einsetzen von Gleichung (14) und (13) in Gleichung (12), Auflösung nach den Zylinderdrücken und Zusammenfassung aller Konstanten ergibt sich: $\begin{matrix} [\frac{(p_{1} + p_{2} - 2 \cdot p_{u m g} + 2 \cdot D P S)}{2} \cdot A_{K} - m_{o s z} \cdot \ddot{s} (φ)] \cdot K_{K} = J \cdot K_{ω} \cdot \frac{n_{m o t_{2}}^{2} - n_{m o t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}} + K_{R M} \\ \frac{p_{1} + p_{2}}{2} = \frac{J \cdot K_{ω}}{K_{K} \cdot A_{K}} \cdot \frac{n_{m o t_{2}}^{2} - n_{m o t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}} + \frac{K_{R M}}{K_{K} \cdot A_{K}} + \frac{m_{o s z} \cdot \ddot{s} (φ)}{A_{K}} + p_{u m g} - D P S \\ \frac{p_{1} + p_{2}}{2} = K_{1} \cdot \frac{n_{m o t_{2}}^{2} - n_{m o t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}} + K_{2} + \frac{m_{o s z} \cdot \ddot{s} (φ)}{A_{K}} + p_{u m g} - D P S \end{matrix}$
Alle Druckgrößen und Drehzahlen in der Gleichung (15) sind für die Bedatung der gezeigten Konstanten 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 K_K kann tabelliert und in Abhängigkeit von der Kolbenstellung eingesetzt werden.
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.
Die reduzierte Kolbenbeschleunigung (vgl. insbesondere Gleichung (4)) lässt sich für die beiden diskreten Punkte formulieren: $s_{r e d} (φ . φ) = r_{K} \cdot {[\frac{\frac{π}{30} (n_{m o t_{1}} + n_{m o t_{2}})}{2}]}^{2} \cdot [cos (\frac{φ_{1} + φ_{2}}{2}) + cos (φ_{1} + φ_{2})]$
Die Konstanten K₁ und K₂ können anhand von Referenzmessungen (Motorfunktion bzw. Ladungswechsel OK) bestimmt werden.
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: ${\bar{p}}_{z y l, d i a g} = K_{1} \cdot \frac{n_{m o t_{2}}^{2} - n_{m o t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}} + K_{2} + \frac{m_{o s z} \cdot {\ddot{s}}_{r e d} (φ)}{A_{K}} + p_{u m g} - D P S$
Der diagnostische Zylinderdruck p _zyl,diag ist ein Indiz für den Druckverlauf während des Diagnosezeitfensters des Zylinders.
Auf diese Weise kann im Fahrbetrieb für das Diagnose-Zeitfenster 112 des diagnostizierten Zylinders Z der diagnostischen Zylinderdruck p _zyl,diag = p_{zyl,diag,175-205}zum Zeitintervall t12 = t[P1;P2] ermittelt werden.
Diese Berechnung des diagnostischen Zylinderdrucks p_{zyl,diag,175-205}in dem gerechneten Arbeitsspiel für den gerechneten Zylinder wird verwendet als Kenngröße für den Abgasgegendruck p31: weil im Diagnose-Zeitfenster 112 die Auslassventile AV des Zylinders Z1 bereits geöffnet sind, ist im Rahmen der benötigten Genauigkeit davon auszugehen, dass der ermittelte diagnostische Zylinderdruck p_{zyl,diag,175-205}dem Abgasgegendrucks P 31 entspricht.
Sofern beim Durchführen des Verfahrens die Zündfolge der Zylinder - beispielsweise im Sinne der Verfahrensschritte S 31, S 32 oder S 33 - verändert wird, wird der diagnostische Zylinderdruck daran angepasst ermittelt, sprich unter Verwendung der dann zutreffenden Grenzwinkel P1 und/oder P2 des Diagnose-Zeitfensters 112.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Steuermittel
4: Recheneinheit
6: Erfassungseinheit für die Drehzahl der Kurbelwelle
7: Zylinderdruck-Ermittlungseinheit
10: Drehmomentverlauf des Verbrennungsmotors über einen Motorzyklus
12: Drehmomentlöcher
14: vorbestimmte Grenze für relevanten Drehmomentbeitrag
150: Diagramm Drehzahlentwicklung
101: Drehzahlverlauf
112: Diagnose-Zeitfenster
113: Diagnosezeitpunkt
200: Motorsteuergerät
202: Speicher
204: Diagnosekomponente einer Motorsteuerung
206: Steuerkomponente einer Motorsteuerung
208: Offboard-Diagnoserechner
S10-S73: Verfahrensschritte
AO: Öffnungszeitpunkt Auslassventile
EO: Öffnungszeitpunkt Einlassventile
KT: Kurbeltrieb
KW: Kurbelwinkel
M: Drehmoment eines Zylinders in 1
n: Drehzahl
p*: Zylinderdruck zum Diagnosezeitpunkt
p31: Abgasgegendruck
pzyl,diag: Druckkennzahl, hier diagnostischer Zylinderdruck
Px: Messzeitpunkte zu Beginn und zu Ende des Diagnose-Zeitfensters
PZx: Leistungs-Bereitstellung eines Zylinders durch die Verbrennung
p0: Atmosphärendruck unter Normbedingungen (1013hPa)
Q: Qualitätsmaß
R: ideale Gaskonstante
t: Zeitintervall im Diagnose-Zeitfenster
x: Ventilhub
Z: Zylinder
ZZP: Zündzeitpunkt eines Zylinders

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 19238338 A1 [0012]

Claims

Verfahren zur Ermittlung eines Abgasgegendrucks (p31) eines Verbrennungsmotors (1) in einem Kraftfahrzeug während eines Fahrbetriebs, aufweisend die Schritte: (S10) - Identifizieren eines Zylinders (Z1), der sich zu Ende eines Expansionstakts oder zu Beginn eines Auslasstakts befindet, (S20) - Bestimmen eines Diagnose-Zeitfensters (112), das sich nach einem Öffnen der Auslassventile des identifizierten Zylinders innerhalb eines Drehmomentlochs (12) des Verbrennungsmotors erstreckt, (S40) - Ermitteln einer Drehzahlentwicklung (101) des Verbrennungsmotors (1) während des Diagnose-Zeitfensters, gekennzeichnet durch den Schritt: (S61) - Ermitteln des Abgasgegendrucks (p31) des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass (S50) - in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung eine Druckkennzahl (p_zyl,diag) für den identifizierten Zylinder im Diagnose-Zeitfenster ermittelt wird, in deren Abhängigkeit wiederum der Abgasgegendruck ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass (S61) - der Abgasgegendruck ermittelt wird, indem ein ermittelter Wert der Druckkennzahl als Abgasgegendruckkenngröße bestimmt wird oder mittels einer Korrelationsschätzung in eine Abgasgegendruckkenngröße überführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (S62) - die Druckkennzahl und daraus jeweils die Abgasgegendruckkenngröße mehrfach bestimmt und aus der Mehrzahl ermittelter Werte für die Abgasgegendruckkenngröße der Abgasdruck ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (S31) - ein Zündzeitpunkt (ZZP1) des identifizierten Zylinders auf einen späteren als einen vorgesehenen Zündwinkel eingestellt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (S32) - ein Zündzeitpunkt (ZZP3) des nach dem identifizierten Zylinder regulär zur Zündung vorgesehenen Zylinders (Z3) auf einen späteren als vorgesehenen Zündwinkel eingestellt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (S33) - eine Zündung und/oder eine Kraftstoffeinspritzung des nach dem identifizierten Zylinder regulär zur Zündung vorgesehenen Zylinders (Z3) ausgelassen wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (S34) - ein weniger stark gedrosselter und/oder entdrosselter Betrieb eines Laststeuerungsorgane eingestellt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass (S35) - das Verfahren nur durchgeführt wird, wenn ein zuvor ermittelter Wert für die Druckkennzahl höher als eine vorgesehene Mindestlast ist und/oder ein äquivalentes Maß für eine vorgesehene Mindestlast überschritten wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (S71) - eine Signalqualität (Q) des ermittelten Wertes des Abgasgegendrucks ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass (S72) - ein Signalverbesserungslevel ermittelt wird, das als erforderlich für eine ausreichende Signalqualität angesehen wird, wenn die Signalqualität als nicht in Ordnung ermittelt wird.
Steuermittel (2) zur Ermittlung eines Abgasgegendrucks (p31) eines Verbrennungsmotors (1) in einem Kraftfahrzeug während eines Fahrbetriebs, dazu eingerichtet, ermittelte und/oder in einem Speicher abgelegte, Werte des Abgasgegendrucks zu übergeben - an eine Steuerkomponente (206) des Steuermittels für eine Echtzeitregelung von Funktionen des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von den übergebenen Werten, und/oder - an eine Diagnosekomponente (204) des Steuermittels für weitere Onboard-Diagnosefunktionen .
Steuermittel gemäß Anspruch 12, aufweisend einen nichtflüchtigen Speicher (202), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere, zu einem bzw. unterschiedlichen Diagnosezeitpunkten, insbesondere, ermittelte Werte des Abgasgegendrucks in dem Speicher abzulegen.
Steuermittel gemäß Anspruch 13, dazu eingerichtet, in dem Speicher abgelegte Werte des Abgasgegendrucks an einen Offboardrechner (208) für Offline-Diagnosefunktionen zu übergeben.
Verbrennungsmotor (1) mit mehreren Zylindern (Z), gekennzeichnet durch ein Steuermittel (2) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14.