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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen auf Verbrennungsaussetzer
einer Brennkraftmaschine mittels Druckerfassung in betreffenden
Zylindern, Bildern einer Kenngröße aus den
erfassten Druckwerten, Vergleichen eines Ist-Wertes der Kenngröße mit einem
zugrunde gelegten Soll-Wert und Auswertung des Vergleichsergebnisses.
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Stand der
Technik
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Ein
derartiges Verfahren ist in der
DE 197 37 652 A1 angegeben. Bei diesem bekannten
Verfahren wird zum Überwachen
von Verbrennungsaussetzern in den einzelnen Brennräumen beziehungsweise
Zylindern der Zylinderdruckverlauf bei definierten Abtastungen gemessen
und die Druckdifferenz zwischen den abgetasteten Druckwerten berechnet,
um daraus Verbrennungsaussetzer zu ermitteln. Im Einzelnen werden
die Werte des jeweiligen Zylinderdrucks in bezüglich des oberen Totpunkts
gleichen Winkelstellungen vor und nach dem oberen Totpunkt verglichen,
der jeweilige Differenzwert ermittelt und die Absolut-Werte der
Differenz zu einer Differenzbetragssumme addiert. Die Differenzbetragssumme wird
mit einem aus einem Speicher abhängig
vom Betriebszustand ausgelesenen Kontrollwert verglichen und bei
markanter Unterscheidung desselben ein Verbrennungsaussetzer ausgegeben.
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Bei
einem in der
DE 41
16 518 A1 beschriebenen weiteren Verfahren zum Überwachen
von Verbrennungsaussetzern werden ebenfalls Zylinderdrücke bei
bestimmten Kurbelwellenwinkeln erfasst. Hierbei werden integrierte
Werte eines Zylinderinnendrucks vor und nach einem vorbestimmten
Kurbelwellenwinkel eines Verbrennungszyklus verglichen, um Verbrennungsaussetzer
bzw. Fehlzündungen
festzustellen.
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In
der
DE 44 99 853 C2 ist
vorgeschlagen, Verbrennungsaussetzer über die Berechnung eines indizierten
Mitteldrucks zu ermitteln, während
in der
JP-07139416 A zum
Erkennen von Verbrennungsaussetzern bzw. Fehlzündungen eine Berechnung der
Brennraumtemperatur aus der allgemeinen Gasgleichung beschrieben
ist.
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Darüberhinaus
sind auch verschiedene andere Verfahren zum Überwachen von Verbrennungsaussetzern
bekannt, die auf unterschiedlichen Grundprinzipien, wie Messung
und Überwachung von
Druckpulsationen im Abgassystem, Messung und Überwachung der Ungleichförmigkeit
der Motordrehzahl durch einen Sensor an der Kurbelwelle, Messung
und Überwachung
der Abgaszusammensetzung oder Messung und Überwachung des abgegebenen
Drehmoments mit einem Momentensensor an der Kurbelwelle, beruhen.
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Gegenüber den
Verfahren ohne Auswertung des Zylinderdruckes sind die Verfahren
vorteilhaft, die zum Feststellen von Verbrennungsaussetzern den
Zylinderdruck verwenden, da die Verbrennung direkt im Zylinder ausgewertet
wird, d.h. am Ort der Entstehung von Verbrennungsaussetzern. Jedoch sind
auch hierbei Abhängigkeiten
vom jeweiligen Motor-Betriebspunkt zu berücksichtigen, beispielsweise hängt der
indizierte Mitteldruck neben Füllung
und Drehzahl auch vom Zündwinkel
ab.
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Die Überwachung
auf Verbrennungsaussetzer ist eine wichtige Diagnose, da Verbrennungsaussetzer
einen unerwünschten
Betriebszustand darstellen, in dem beispielsweise durch das Fehlen
der Zündung
keine Verbrennung erfolgt und das unverbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch
in das Abgassystem eingeleitet wird. Beim Überschreiten einer vom Betriebspunkt
abhängigen
Anzahl von Aussetzern werden zulässige
Grenzwerte für
die Abgasemissionen überschritten.
Weiterhin kann der Katalysator im Abgassystem das unverbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch entzünden und
durch die dann auftretenden Temperaturen irreversibel geschädigt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung
auf Verbrennungsaussetzer anzugeben, das mit möglichst wenig Aufwand möglichst
zuverlässig
arbeitet.
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Vorteile der
Erfindung
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei
ist vorgesehen, dass die Kenngröße durch
thermodynamische Berechnung unter Einbeziehung der dem Gas eines
Brennraumes zugeführten
und/oder in ihm freigesetzten Wärmemengen
gebildet wird.
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Diese
Vorgehensweise zum Überwachen
auf Verbrennungsaussetzer kann vorteilhaft in Verbindung mit einer
Brennkraftmaschine eingesetzt werden, die eine an sich bekannte
Motor-Steuereinrichtung aufweist und zum Beispiel ohnehin mit Aufnehmern
für den
Zylinderdruck für
jeden zu überwachenden
Zylinder verbunden ist, sodass keine zusätzlichen Sensoren benötigt werden.
Der Verlauf des Zylinderdrucks und davon abgeleitete Größen werden dabei
ohnehin als Eingangssignal für
verschiedene Steuerungsfunktionen verwendet. Ausgangssignale der
Steuerung sind bei derartigen Brennkraftmaschinen z.B. Ansteuersignale
für die
Kraftstoffzumessung und die Steuerung der Zündung des Gemischs. Die bei
dem vorliegenden Verfahren ermittelte thermodynamische Kenngröße kann
bei einer derartigen Brennkraftmaschine besonders günstig durch
die genannte thermodynamische Berechnung hergeleitet werden.
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Das
Verfahren beruht vorteilhaft auf der Berechnung der während einer
Verbrennung umgesetzten Energie und dem Vergleich dieser Energie
mit einem Wert, der im Wesentlichen aus der zugeführten Kraftstoffmenge
und dem bekannten Heizwert ermittelt wird.
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Vorteilhafte
alternative Vorgehensweisen bestehen dabei darin, dass die Kenngröße aus einem Brennverlauf,
bei dem die freigewordene Wärmemenge über einen
Verbrennungszyklus berechnet wird, oder aus einem Heizverlauf bestimmt
wird, bei dem die dem Gas zugeführte
Wärmemenge
berechnet wird.
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Für eine einfache
und sichere Durchführung des
Verfahrens sind die Maßnahmen
vorteilhaft, dass der Soll-Wert aus der eingebrachten Kraftstoffmenge bei
jeweiligen Steuerparametern vorab ermittelt und in einer Steuereinrichtung
der Brennkraftmaschine gespeichert und aus dieser zum Vergleich
mit dem Ist-Wert der Kenngröße unter
Berücksichtigung
der aktuellen Steuerparameter der Brennkraftmaschine bereitgestellt
wird.
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Eine
zum Feststellen von Verbrennungsaussetzern günstige Vorgehensweise ergibt
sich dadurch, dass die Kenngröße unter
Zugrundelegung der Beziehung dQh = dU + p·dV ermittelt wird, wobei dQh
die zugeführte
Wärmemenge,
dU die Erhöhung der
inneren Energie des Gases und p·dV die abgegebene mechanische
Arbeit bedeuten.
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Zum
zuverlässigen
Erkennen von Verbrennungsaussetzern sind die Maßnahmen vorteilhaft, dass die
Kenngröße nach
der Beziehung dQh = (1 + CV/R)·p·dV + (CV/R)·V
+ dp ermittelt wird, wobei dQh die zugeführte Wärmemenge, dU die Erhöhung der inneren
Energie des Gases, p·dV
die abgegebene mechanische Arbeit, CV die
isochore Wärmekapazität, deren
Abhängigkeit
von Parametern wie Temperatur, Druck und Zusammensetzung des Gasgemisches
im Brennraum bekannt ist, und R die universelle Gaskonstate bedeuten.
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Eine
für die
Berechnung günstige
Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die Kenngröße nach
der Beziehung Qi = [n/(n – 1)]·pi·(Vi+1 – Vi–1)
+ [1/(n – 1)]·Vi·(pi+1 + – pi–1) ermittelt
wird, wobei Qi die Wärmemenge bei der i-ten Abtastung
des Drucks, n den Polytropenexponenten, p den Druck und V das zugehörige Zylinder-Volumen
bedeuten.
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Verschiedene
weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten
bestehen darin, dass die Druckerfassung direkt mittels eines in
dem betreffenden Brennraum angeordneten Sensors oder indirekt erfolgt.
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Weitere
verschiedene Ausgestaltungen ergeben sich dadurch, dass die ermittelten
Daten der Verbrennungsaussetzer in der Steuereinrichtung für eine Fehlerdiagnose
mit Fehlerabspeicherung und/oder Fehleranzeige und/oder für Steuerungszwecke,
beispielsweise Abschaltung einer Einspritzung für den betreffenden Zylinder
ausgewertet werden.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
vorliegend wesentlicher Teile einer Brennkraftmaschine und
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2 eine schematische Darstellung
eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens zum Überwachen auf Verbrennungsaussetzer.
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Ausführungsbeispiel
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1 zeigt in schematischer
Darstellung als wesentliche Bestandteile einer Vorrichtung zur Durchführung des
vorliegenden Verfahrens zum Überwachen
auf Aussetzer einer Brennkraftmaschine eine Zylinderanordnung mit
Zylindern ZYL1, ZYL2 ... ZYLn, die mit jeweiligen Druckaufnehmern
PA versehen sind, und mit einer Motor-Steuereinrichtung ST, der
die von den Druckaufnehmern PA gelieferten Drucksignale zur weiteren
Verarbeitung unter Verknüpfung
mit in dieser gespeicherten und/oder dieser weiterhin noch zugeführten oder
von ihr berechneten Daten zugeführt
werden.
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2 zeigt wesentliche Schritte
S1 bis S8 bei der während
des Betriebs durchgeführten Überwachung
auf Verbrennungsaussetzer der Brennkraftmaschine.
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Das
Verfahren zum Überwachen
auf Verbrennungsaussetzer basiert vorliegend vorzugsweise auf der
Bestimmung der umgesetzten Energie als thermodynamische Kenngröße unter
Anwendung thermodynamischer Berechnungen. Wesentliche Eingangsgröße der thermodynamischen
Berechnung ist dabei der gemessene Zylinderdruck beziehungsweise
Druck im Brennraum. Das Resultat dieser Berechnung für einen
vorzugsweise vollständigen
Verbrennungszyklus wird dann in der Steuereinrichtung ST mit einem
Soll-Wert aus einer eingebrachten Kraftstoffmenge verglichen. Der
Soll-Wert wird während
der Ermittlung der Steuerparameter für die Brennkraftmaschine zum
Beispiel in einem Prüfstand vorab
einmalig ermittelt und in einer Speichereinrichtung der Steuereinrichtung
ST gespeichert. Dabei sind verschiedenen Steuerparametern entsprechende
Soll-Werte zugeordnet,
die nachträglich
entsprechend den gerade vorliegenden Steuerparametern aus der Speichereinrichtung
abgerufen werden können.
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Wie
aus 2 ersichtlich, wird
in einem anfänglichen
Schritt S1 festgestellt, ob ein Arbeitszyklus beziehungsweise Verbrennungszyklus
begonnen hat. Falls dies der Fall ist, wird der Zylinderdruck beziehungsweise
der Zylinderdruckverlauf vorzugsweise zu festen Winkeln der Kurbelwelle
abgetastet und die Folge der Druck-Messwerte wird für einen
vollständigen
Arbeitszyklus als Datenfolge in einem weiteren Schritt S3 gespeichert.
Sodann wird in einem Schritt S4 abgefragt, ob der Arbeitszyklus
beendet ist. Falls dies nicht der Fall ist, werden die Schritte
S2 und S3 zur Erfassung des Zylinderdrucks und Abspeicherung desselben
wiederholt durchgeführt,
bis das Ende des Arbeitszyklus erreicht ist. In einem anschließenden Schritt
S5 wird aus der Datenerfolge die thermodynamische Kenngröße als Ist-Wert
ermittelt und in einem weiteren Schritt S6 ein Soll-Wert bereit
gestellt, der als Parameter in der Steuereinrichtung ST abgelegt
ist und einen aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine berücksichtigt
(z.B. Kraftstoffmenge und gegebenenfalls weitere Größen). In
einem darauf folgenden Schritt S7 wird die Differenz zwischen dem
Soll-Wert und dem Ist-Wert mit einem in der Steuereinrichtung ST
vorgegebenen Grenzwert verglichen. Dieser Grenzwert berücksichtigt
Toleranzen der Kenngrößenberechnung
und des Soll-Wertes, und bei Überschreiten
des Grenzwertes werden Informationen über einen Verbrennungsaussetzer
des betreffenden Zylinders in der Steuereinrichtung gespeichert.
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Die
Information über
das Überschreiten
des Grenzwertes kann über
geeignete Hilfsmittel zur Anzeige gebracht werden (zum Beispiel
Diagnose-Anzeige). Dabei wird vorzugsweise eine bestimmte Anzahl Überschreitungen
berücksichtigt,
um die Zuverlässigkeit
der Diagnose weiter zu erhöhen.
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Als
thermodynamische Kenngröße wird
eine Größe gewählt und
durch Berechnen ermittelt, die den zeitlichen Ablauf der Verbrennung
beschreibt. Geeignete Größen ergeben
sich aus dem sogenannten Brennverlauf, der die insgesamt freigewordene Wärmemenge
berechnet, oder dem sogenannten Heizverlauf, der die dem Gas in
dem Brennraum zugeführte
Wärmemenge
berechnet. Einfacher zu berechnen ist der Heizverlauf, da dabei
zum Beispiel die Wandwärmeverluste nicht
berücksichtigt
werden. Der Heizverlauf beruht auf dem bekannten ersten Hauptsatz
der Thermodynamik: dQh = dU + p·dV wobei dQh die zugeführte Wärmemenge,
dU die Erhöhung
der inneren Energie des Gases und p·dV die abgegebene mechanische
Arbeit bedeuten. Aus der differenziellen Größe dQh wird durch Integration über den
Kurbelwellenwinkel der Anteil des Energieumsatzes über dem
Kurbelwellenwinkel ermittelt. Am Ende des Verbrennungszyklus beschreibt
das Integral Qh den gesamten Energieeintrag durch die Verbrennung.
Mit dieser Größe kann
ein Verbrennungsaussetzer erkannt werden. In der Steuereinrichtung der
Brennkraftmaschine ist der erwartete Energieeintrag als Funktion
der eingebrachten Kraftstoffmenge und gegebenenfalls weiterer Parameter
gespeichert.
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Die
Umsetzung der Heizverlaufs-Berechnung kann entsprechend einer Motoren-Indizierung vorgenommen
werden und gemäß der Formel dQh
= (1 + CV/R)·p·dV + (CV/R)·V·dp erfolgen.
CV ist dabei die sogenannte isochore Wärmekapazität, deren
Abhängigkeit
von Parametern wie Temperatur, Druck und Zusammensetzung des Gasgemisches
im Brennraum bekannt ist. R ist die universelle Gaskonstante.
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Eine
relativ einfache Möglichkeit
zur Berechnung des Energieumsatzes mit der Steuereinrichtung ST
bietet die Formel Qi = [n/(n – 1)]·pi·(Vi+1 – Vi–1)
+ [1/(n – 1)]·Vi·(pi+1 + – pi–1) wobei
n den Polytropenexopenten, p den Druck, V das Zylindervolumen und
i den laufenden Index des abgetasteten und gespeicherten Zylinderdrucks
von Beginn bis Ende des Berechnungsintervalls darstellen, das nicht
notwendig den gesamten Verbrennungszyklus umfassen muss. Es kann
eine Einschränkung
auf den relevanten Teil des Verbrennungszyklus im Bereich der Energiefreisetzung
aus dem Kraftstoff erfolgen. Eine Vereinfachung gegenüber der
allgemeinen Gleichung beruht auf der Annahme CV =
const.
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Nach
Integration der Wärmemengen
Qi über den
vollständigen
Arbeitszyklus kann der Ist-Wert Qh der weiteren Berechnung zugeführt und
ein gegebenenfalls auftretender Verbrennungsaussetzer gemäß der vorstehend
beschriebenen Vorgehensweise festgestellt werden.
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Das
Auswerteergebnis kann außer
für die vorstehend
beschriebene Diagnoseanzeige zum Beispiel auch für die Motorsteuerung, zum Beispiel
Abschaltung der Einspritzung in dem betreffenden Zylinder unter
anderem zur Vermeidung von Katalysatorbeschädigungen, genutzt werden.