-
Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zum Erkennen von Aussetzern, beispielsweise Fehlzündungen
in Brennkraftmaschinen mit mindestens einer an mindestens einem
Brennraum angeschlossenen Abgaskanalanordnung nach den Ansprüchen 1 und
2 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
-
Ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Erkennen von Fehlzündungen
in Brennkraftmaschinen sind in der
US
5,369,989 angegeben. Hierbei ist ein kapazitiver Drucksensor
in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet, und die Druckschwankungen
werden mittels einer Auswerteelektronik ausgewertet, um Rückschlüsse auf
Fehlzündungen
zu ziehen. Die erhaltenen Auswertesignale werden für eine Anzeige
aufbereitet oder in einem Fehlerspeicher abgelegt. Weitere ähnliche
Vorgehensweisen zum Erkennen von Fehlzündungen sind auch in der
US 3,924,457 und der
US 3,965,677 genannt.
-
Es ist auch bekannt, zur Erkennung
von Fehlzündungen
in Brennkraftmaschinen eine Änderung
der Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zündungen
zugrunde zu legen. Tritt nämlich
eine Fehlzündung,
d.h. gar keine oder eine unvollständige Verbrennung, in dem Brennraum
eines Zylinders auf, so ergibt sich ein verringertes Drehmoment
und folglich eine Zeitverlängrung,
die in üblichen
Last- oder Geschwindigkeitsbereichen messbar ist. Es gibt jedoch
Situationen, in denen Fehlzündungen
mittels einer derartigen Zeitmessung zwischen zwei Zündvorgängen schwierig
oder nicht zuverlässig
erfassbar sind, z.B. bei hohen Geschwindigkeiten, niedrigen Lasten
oder während
einer Fahrt auf unebener Straße.
-
Eine andere Vorgehensweise zum Erfassen von
Fehlzündungen,
die sich praktisch weniger durchgesetzt hat, besteht darin, dass
die Zündkerze als
Sensor zur Messung des lonisationsstroms nach einem Zündzeitpunkt
in dem betreffenden Zylinder herangezogen wird. Ein Nachteil dieses
Verfahrens besteht darin, dass nur die für die Ionisation verantwortlichen
Gase zur Messung beitragen, d.h. das Stromsignal gibt nur Auskunft über die
Verhältnisse
in der Umgebung der Zündkerze.
Auch diese Vorgehensweise führt
zu ungenauen Messungen insbesondere bei niedrigen Temperaturen und
in niedrigen Lastbereichen.
-
In der
DE 44 15 980 A1 ist an sich eine Vorrichtung
zur Temperaturmessung an einer Lambdasonde mit einem zwischen zwei
Elektroden angeordneten Festelektrolyten angegeben. Wenigstens eine der
Elektroden weist dabei zwei Anschlüsse zum Messen eines elektrischen
Widerstandes der Elektroden auf. Mit dieser Vorrichtung soll eine
Abhängigkeit
einer Signalspannung der Sauerstoffsonde von einem Temperaturunterschied
zwischen den Messelektroden berücksichtigt
werden. Auf einen Zusammenhang mit Zündvorgängen ist nicht näher eingegangen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen von Fehlzündungen
in Brennkraftmaschinen bereitzustellen, mit dem bzw. der bei möglichst
geringem Aufwand eine schnelle und zuverlässige Erkennung von Fehlzündungen
ermöglicht
wird.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen
der Ansprüche
1 und 2 bzw. des Anspruchs 7 gelöst.
-
Bei dem Verfahren ist vorgesehen,
dass in der Abgaskanalanordnung eine vom Verbrennungsgrad in einem
jeweiligen Verbrennungsraum abhängige
Abgastemperatur oder eine Änderung
der Abgastemperatur allein oder in Verbindung mit einem Abgasdruck
oder einer Änderung
des Abgasdrucks im Anschluss an einen Zündzeitpunkt erfasst und hinsichtlich
einer Abweichung von einem Normalwert bewertet wird/werden, wobei
zum Messen der Abgastemperatur als temperatur abhängiger Widerstand eine Platin-Außenelektrode
und bei gegebenenfalls durchgeführter
Messung des Abgasdrucks oder seiner Änderung als druckabhängiger Widerstand
ein Keramikkörper
einer in der Abgaskanalanordnung angeordneten Lambdasonde genutzt
wird/werden. Alternativ ist vorgesehen, dass zum Messen des Abgasdrucks
oder der Abgasdruckänderung
der druckabhängige
Widerstand eines Keramikkörpers
einer in der Abgaskanalanordnung vor einem Katalysator angeordneten
Lambdasonde genutzt wird.
-
Bei der Vorrichtung ist vorgesehen,
dass in der Abgaskanalanordnung mindestens ein Temperatursensor
für die
Abgastemperatur und/oder Drucksensor für den Abgasdruck an einer Stelle
angeordnet ist, an der durch das Verbrennen entstehende Temperaturänderungen
oder Druckänderungen messbar
sind, bevor eine nächste
Zündung
erfolgt, dass eine Auswerteeinrichtung zum Aufnehmen und Auswerten
der von dem Temperatursensor und/oder Drucksensor erhaltenen Signale
zum Erkennen eines Verbrennungsgrades vorgesehen ist und wobei als
Temperatursensor eine Platin-Außenelektrode
als temperaturunabhängiger
Widerstand und/oder als Drucksensor ein Keramikkörper einer Lambdasonde genutzt
ist/sind, wobei an der Platin-Außenelektrode zwei voneinander
beabstandete Außen-Messelektroden
zum Abgriff des temperaturabhängigen
Widerstands und/oder an einer Platin-Innenelektrode eine gemeinsam
mit einer Außenmesselektrode
verwendete Innenmesselektrode angeschlossen ist/sind, um die Signale
an die Auswerteeinrichtung zu leiten. Mit dem Temperatursensor oder
dem Drucksensor oder – noch
zuverlässiger – mit der
Kombination beider Sensoren mit der genannten Anordnung und Auswertung
kann der Zündzeitpunkt
aus den erfassten Temperaturwerten und/oder Druckwerten noch vor einer
anschließenden
Zündung
zuverlässig
erkannt werden, so dass bei Fehl zündungen innerhalb kurzer Zeit
geeignete Steuerungsmöglichkeiten
eröffnet werden.
Dabei wird ein einfacher Aufbau durch die genannte Ausgestaltung
der Lambdasonde erreicht. Die Ausnutzung der Platin-Außenelektrode
zum Bilden des temperaturabhängigen
Widerstands ergibt mit einfachen Maßnahmen zuverlässige Temperaturmesswerte,
während
die Ausnutzung des Keramikkörpers
als druckabhängiger
Widerstand beispielsweise bei einer Lambdasonde in Verbindung mit
einem Dreiwege-Katalysator die Möglichkeit
eröffnet, den
für die
Lambda-Regelung vorhandenen, vom Sauerstoffgehalt des Abgases abhängigen Widerstand
der Sensorkeramik lediglich durch Modifikation bzw. Anschluss einer
gesonderten Auswerteeinrichtung auch für die Erfassung der Druckschwankungen bei
den Zündvorgängen und
von normalen Drücken abweichenden
Drücken
bei Fehlzündungen
auszunutzen. Mit unterschiedlichen Drücken variiert nämlich der
Keramikwiderstand durch das unterschiedliche Eindringen von Sauerstoffionen
in die Keramik entsprechend, wie sich in Untersuchungen der Erfinder
gezeigt hat.
-
Eine einfache, eindeutige Lokalisierung
von – gegebenenfalls
fehlerhaften – Zündvorgängen ergibt
sich dadurch, dass die Zuordnung von Zündzeitpunkt und Erfassungszeit
aufgrund in einer Motorsteuerung vorhandener Information erfolgt.
-
Mit den Maßnahmen, dass die Abweichung von
dem Normalwert anhand eines von einem vorliegenden Belastungszustand
und/oder der Fettheit eines Brennstoff/Luft-Gemisches abhängigen Schwellenwertes
bewertet wird, wird auch unter unterschiedlichen Belastungs- und
Geschwindigkeitsbedingungen eine Fehlzündung sicher erkannt.
-
Die Lambdasonde kann auch vor Erreichen ihres
für die
Lambdaregelung geeigneten Betriebszustandes bereits nach einer Startphase
zum Erkennen von Fehlzündungen
benutzt werden, wenn vorgesehen ist, dass der temperaturrabhängige Widerstand der
Platin-Außenelektrode
sowohl in der Anwärmphase
der Lambdasonde im Anschluss an eine Startphase als auch in dem
Betriebszustand der Lambdasonde für die Temperaturerfassung des
Abgases genutzt wird, wobei die auf den Verbrennungsgrad zurückzuführenden
Temperaturänderungen
von dem Anwärmtemperaturverlauf
und der Betriebstemperatur aufgrund empirischer Temperaturwerte
beim Aufwärmen
und Betrieb der Lambdasonde oder aufgrund eines Aufwärmstroms
einer Heizung der Lambdasonde und/oder unterschiedlicher Verläufe der
Temperaturänderungen
infolge des Verbrennungsgrades einerseits und infolge der Aufwärmung und
des Betriebs der Lambadsonde andererseits unterschieden werden.
Mittels elektrischer Signalaufbereitung und Auswertung, beispielsweise
des Herausfilterns von für
Zündvorgänge charakteristischen
Frequenzbereichen, lassen die sich auf die Zündvorgänge zurückzuführenden Signaländerungen,
d.h. Temperaturwerte und Druckwerte ermitteln und von anderen Einflüssen trennen.
-
Bei der Vorrichtung wird bei mehreren
Zylindern ein einfacher Aufbau dadurch begünstigt, dass bei mehreren Brennräumen ein
allen oder einer Gruppe von Brennräumen gemeinsamer Temperatursensor
und/oder ein gemeinsamer Drucksensor in einem allen oder der Gruppe
der Brennräume
gemeinsamen Sammelrohr angeordnet ist/sind. Alternativ, aber aufwändiger,
ist die Maßnahmen,
dass in jedem einzelnen Abgasrohr ein entsprechender Sensor angeordnet
ist.
-
Zeichnung
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Anordnung wesentlicher Komponenten
einer Vorrichtung zum Erkennen von Aussetzern,
-
2 den
Verlauf eines Spannungssignals einer Lambdasonde über der
Zeit bei verschiedenen Abgasbedingungen,
-
3 einen
Querschnitt eines prinzipiellen Aufbaus einer modifizierten Lambdasonde
und
-
4 ein
Ersatzschaltbild für
bei der Vorrichtung genutzte Widerstände der Lambdasonde nach 3.
-
Ausführungsbeispiel
-
1 zeigt
in schematischer Darstellung eine Abgaskanalanordnung einer Brennkraftmaschine
mit vier von zugeordneten (nicht gezeigten) Zylindern kommenden
Abgasrohren 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 und einem
daran angeschlossenen gemeinsamen Sammelrohr 1.5 für das von
den in den Zylindern vorhandenen Brennräumen kommende Abgas. Nahe dem Mündungsbereich
der vier Abgasrohre in das Sammelrohr 1.5 ist eine Lambdasonde 2 vor
einem Katalysator 3 und einem an schließenden weiteren Katalysator 4 innerhalb
des Sammelrohrs 1.5 eingesetzt. Dem hinteren Katalysator 4 folgt
im weiteren Strömungsweg
des Abgases ein weiterer Lambdasensor, wie an sich üblich.
-
2 zeigt
einen typischen Signalverlauf einer Spannung U über der Zeit t, wobei anfänglich ein fettes
Brennstoff/Luft-Gemisch vorliegt und der niedrige Endverlauf der
Signalkurve nach einem steilen Abfall durch einen Übergang
auf ein mageres Sauerstoff/Luft-Gemisch zurückzuführen ist, wie an sich beim
Verlauf von typischen Signalverläufen
an Lambdasonden 2 bekannt. Unterschiedlich fette Sauerstoff/Luft-Gemische
kommen beispielsweise bei verschiedenen Belastungen des Motors zustande.
Ferner sind dem groben Signalverlauf der Spannung U Spannungsschwankungen überlagert,
die etwa im Bereich der Zündzeitpunkte
z1, z2, z3... zn bzw. mit
einer entsprechenden Laufzeit zwischen dem Brennraum und der Lambdasonde 2 gegenüber den
Zündzeitpunkten
verschoben auftreten und insbesondere auf die damit zusammenhängenden
Druckschwankungen des Abgasstroms zurückzuführen sind, durch den die vorhandenen
Sauerstoffionen unterschiedlich tief in eine Sensorkeramik 2.1 der
Lambdasonde 2 (vgl. 3)
eindringen. Mit den Druckschwankungen einer angedeuteten Frequenz
fp gehen im Wesentlichen auch Temperaturschwankungen
der Abgastemperatur T einher, die ebenfalls auf die Zündvorgänge zurückzuführen sind.
Diese Schwankungen in Abhängigkeit
des Druckes p und der Temperatur T lassen sich in unterschiedlichen
Lastbereichen erkennen und zum Feststellen von Zündvorgängen heranziehen. Da bei Aussetzern,
insbesondere Fehlzündungen,
d.h. ausbleibenden oder unvollständigen Verbrennungen,
entsprechend niedrigere momentane Temperaturpegel bzw. Druckpegel
auftreten, lassen sich aufgrund dieser Oszillationen Fehlzündungen
erkennen, wie unten noch näher
ausgeführt
wird.
-
3 zeigt
eine Lambdasonde 2, die zum Erkennen von Aussetzern, beispielsweise
Fehlzündungen
modifiziert ist. Üblicherweise
weist die z.B. als Fingersonde ausgebildete Lambdasonde 2 eine in
ihr Inneres führende,
mit der Umgebungsluft in Verbindung stehende Frischluftzufuhr 2.2,
eine auf der Innenseite der Sensorkeramik 2.1 angeordnete
Platin-Innenelektrode 2.3, eine auf der Außenseite
der Sensorkeramik 2.1 angeordnete Platin-Außenelektrode 2.4 und
eine im Innern angeordnete Heizung 2.8 zum Erwärmen der
Lambdasonde 2 auf ihre Betriebstemperatur von in der Regel über 300° C auf. Das übliche Spannungssignal
der Lambdasonde 2, das von in dem Abgas vorhandenen, in
die Sensorkeramik 2.1 eindringenden Sauerstoffionen abhängt, wird an
einer ersten Außenmesselektrode
im Bereich der Platin-Außenelektrode 2.4 und
einer Innenmesselektrode 2.7 im Bereich der Platin-Innenelektrode 2.3 abgegriffen.
Auf der Platin-Außenelektrode 2.4 ist
gegenüber
einer üblichen
Ausbildung vorliegend zusätzlich
eine zweite Außenmesselektrode 2.6 angebracht.
-
4 zeigt
ein Ersatzschaltbild der Lambdasonde 2 aus Reihenwiderständen R1,
R2, R3 und R4, wobei der Widerstand R1 den Widerstand der Platin-Außenelektrode 2.4,
der Widerstand R2 den Widerstand der Sensorkeramik 2.1 infolge
des Abgases, der Widerstand R3 den Widerstand der Sensorkeramik 2.1 infolge
der Umgebungsluft bzw. Frischluft und der Widerstand R4 den Widerstand
der Platin-Innenelektrode darstellen.
-
Der zwischen der ersten und der zweiten
Außenmesselektrode 2.5 und 2.6 liegende
Abschnitt der Platin-Außenelektrode 2.4 arbeitet
wie ein an sich bekanntes Platinthermometer, wobei die durch die Zündung bewirkte
Temperaturerhöung
des Abgases zu einer entsprechenden Änderung des temperaturabhängigen Widerstandes
der Platin-Außenelektrode 2.4 führt und
mittels einer angeschlossenen Auswerteeinrichtung erfasst wird.
Die Erfassungszeitpunkte können
mit von der Motorsteuerung erhaltenen Informationen der Zündzeitpunkte
synchronisiert werden, so dass bekannt ist, von welchem Zylinder das
gemessene Abgas jeweils kommt und eine entsprechende Zuordnung getroffen
werden kann. Tritt eine Fehlzündung
auf, so ändert
sich der Widerstand der Platin-Außenelektrode 2.4 entsprechend
weniger, so dass auf den Grad der Verbrennung geschlossen werden
kann und beispielsweise durch Vergleich mit einem vorgegebenen Schwellenwert
eine Fehlzündung
festgestellt werden kann. Der Schwellenwert kann seinerseits in
Abhängigkeit
von dem jeweiligen Lastzustand und/oder der Motordrehzahl empirisch
variiert werden. Auch von dem normalen Regelungsbetrieb der Lambdasonde 2 abhängige Temperatureinflüsse und
damit zusammenhängende
Widerstandsänderungen
können
beispielsweise aufgrund ihrer anderen zeitlichen Änderung
durch die unterschiedlichen Signalfrequenzen oder aufgrund von durch
den normalen Regelungsbetrieb der Lambdasonde 2 bekannten
Daten herausgerechnet werden.
-
Beim normalen Regelungsbetrieb der
Lambdasonde 2 kann zwischen der ersten Außenmesselektrode 2.5 und
der Innenmesselektrode 2.7 eine Änderung des Potentialunterschiedes
infolge der sich ändernden
Differenz des Sauerstoffgehalts im Abgas und in der zugeführten Umgebungsluft
als Spannungssignal erfasst werden. Wie bereits anhand der 2 erläutert, führt zudem der sich durch einen
Zündvorgang ändernde
Abgasdruck zu einer sich überlagernden
oszillierenden Widerstandsänderung
des zwischen der ersten Außenmesslektrode 2.5 und
der Innenmesselektrode 2.7 angeordneten Sensorkeramik 2.1,
da in Abhängigkeit
von dem Abgasdruck die darin enthaltenen Sauestoffionen unterschiedlich
weit in die Sensorkeramik 2.1 eindringen. Tritt eine Fehlzündung auf,
ergibt sich eine Widerstandsdifferenz gegenüber einer Normalzündung. Durch
Vergleich mit einem entsprechenden weiteren Schwellenwert kann mittels
der Auswerteeinrichtung auch aufgrund dieser druckabhängigen Widerstandsänderung
eine Fehlzündung
festgestellt und durch Synchronisation mit Daten von der Motorsteuerung dem
entsprechenden Zylinder zugeordnet werden. Auch hierbei können beispielsweise
durch die normale Lambdaregelung bekannte Daten herangezogen werden,
um z.B. Temperatureinflüsse
auf den Widerstand der Sensorkeramik 2.1 herauszurechnen.
-
Zudem kann der sich in Abhängigkeit
der Zündvorgänge ändernde
temperaturabhängige
Widerstand mit dem sich in Abhängigkeit
von den Zündvorgängen ändernden
druckabhängigen
Widerstand kombiniert werden um die Aussagekraft beim Ermitteln
einer Fehlzündung
zu erhöhen.
Beispielsweise kann dies durch eine Auswertung der Widerstände an den
Klemmen A und B nach 4 mittels
der Auswerteeinrichtung geschehen.
-
Es können verschiedene bekannte
Lambdasonden 2 für
die beschriebene Erkennung von Fehlzündungen verwendet werden. Günstig ist
eine Anordnung der Lambdasonde 2 möglichst nahe dem Brennraum
in dem Sammelrohr 1.5. Denkbar, aber aufwändiger wäre auch
eine Anordnung in den einzelnen Abgasrohren
1.1 bis 1.4.
Die verwendeten Platinelektroden der Lambdasonden 2 sollten
in einer Serie gleiche Stärken
haben und für
die Temperatur- und Druckmessung kalibriert werden.