DE112008000187B4 - Verfahren zur Diagnose und Klassifikation von Fehlern einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Diagnose und Klassifikation von Fehlern einer Brennkraftmaschine und/oder ihrer Teilsysteme, wobei zumindest ein Informationen über die Brennkraftmaschine und/oder ihrer Teilsysteme enthaltendes Messsignal aufgezeichnet wird und zumindest ein Symptom für einen Fehler aus der Abweichung zwischen einem aus dem Messsignal gewonnenen Merkmal und einem Referenzwert für dieses Merkmal ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für einen detektierten Fehler zumindest zwei Ausprägungsgrade des Fehlers aus der Kombination mehrerer Symptome berechnet werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose und Klassifikation von Fehlern einer Brennkraftmaschine und/oder ihrer Teilsysteme, wobei zumindest ein Informationen über die Brennkraftmaschine und/oder ihrer Teilsysteme enthaltendes Messsignal aufgezeichnet wird und zumindest ein Symptom für einen Fehler aus der Abweichung zwischen einem aus dem Messsignal gewonnenen Merkmal und einem Referenzwert für dieses Merkmal ermittelt wird. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Diagnose und Isolierung eines oder mehrerer Kompressionsfehler bei mindestens einem Zylinder einer Brennkraftmaschine, wobei der Zylinderinnendruckverlauf in Abhängigkeit der Kurbelwellenstellung in zumindest einem Arbeitsspiel für mindestens einen Zylinder gemessen wird.
• Die zunehmende Komplexität moderner Brennkraftmaschinen und gestiegene Anforderungen an die Diagnose verlangen nach zuverlässigen und robusten Diagnoseverfahren, sowohl im laufenden Motorbetrieb als auch bei nachträglicher Auswertung von im Betrieb gewonnenen Messdaten. Im Bereich der stationären und Schiffs-Großmotoren wird dieser Bedarf durch sehr hohe Reparatur- und Betriebskosten und zunehmenden Mangel an qualifiziertem Servicepersonal verstärkt. Derzeit werden bei Brennkraftmaschinen verschiedene Methoden zur Erkennung von Fehlerzuständen angewendet, angefangen von einfachen Grenzwertüberwachungen oder Plausibilitätsprüfungen bis hin zu fortgeschrittenen Verfahren wie Parameterschätzung, Paritätsraumverfahren oder Zustandsschätzung (siehe z.B. R. Isermann, „Modellgestützte Steuerung, Regelung und Diagnose von Verbrennungsmotoren“, Springer Verlag, 2003). Diesen Verfahren gemeinsam ist das Problem, dass aus der Analyse einzelner Signale oder der Schätzung einzelner Parameter nicht einfach auf Fehlerzustände geschlossen werden kann. Solche bisher bekannten Diagnoseverfahren leiden unter dem Mangel, dass viele Fehler sich durch ähnliche Symptome äußern und dass einzelne fehlende oder unplausible Signale oft dazu führen, dass keinerlei Diagnose mehr möglich ist.
• Die EP 0 398 481 B1 offenbart deshalb ein auf einem trainierbaren Mustererkennungssystem (etwa auf einem neuronalen Netzwerk) basierendes Diagnoseverfahren. Das Verfahren benötigt aber eine Reihe von Motorbetriebstests auf einem Testmotor, um Daten zu generieren, die für ein Training des Mustererkennungssystems benutzt werden. Insbesondere muss dieses Mustererkennungsverfahren auch an echten Fehlerzuständen eines Motors trainiert werden. Dieses Vorgehen ist insbesondere dann nicht möglich, wenn die Präparation eines Motors mit definierten Fehlerzuständen nur mit unverhältnismäßig hohen Kosten oder Risiken verbunden ist, wie zum Beispiel im Bereich der stationären und Schiffs-Großmotoren.
• Bei Brennkraftmaschinen wird ein Kraftstoff/Luft-Gemisch beziehungsweise Luft in einem Arbeitstakt auf hohen Druck und hohe Temperatur verdichtet um die schnelle und stabile Verbrennung des Gemisches zu gewährleisten. Schlechte Kompression ist die Ursache für eine ganze Reihe von Fehlfunktionen der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise für erhöhten Kraftstoff- und Ölverbrauch, unruhigen Lauf und erhöhte Geräuschemissionen. Es ist daher zwingend erforderlich, die Kompressionsfehler frühzeitig zu erkennen und auch zu lokalisieren.
• Folgende Kompressionsfehler sind u.a. möglich: Undichtigkeit im Bereich der Kolbenringe und/oder der Laufbuchse, undichte Auslassventile (im Folgenden als „Fehler Undichtigkeit“ bezeichnet), verringertes geometrisches Verdichtungsverhältnis durch z.B. abgebrannte Kolbenkrone („Fehler verringertes Verdichtungsverhältnis“) und erhöhte Drosselung in Einlasskanälen durch z.B. stark verschmutzte Einlassschlitze/Einlassventilsitz („Fehler Einlassdrosselung“).
• Es ist üblich, bei der Suche nach bestimmten Fehlern den Kompressionsdruck in den Zylindern zu messen. Dazu wird der Motor mit deaktivierter Einspritzung und Zündung (bei Ottomotoren) mit dem Anlasser oder einem anderen Elektromotor geschleppt. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig (wenn überhaupt möglich) für Großmotoren, nicht für stationären Dauerbetrieb und nicht für Online (On-Board) Diagnose geeignet.
• Aus der DE 10 2004 042 193 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Diagnose der Kompression der Zylinder einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der die Expansionsarbeit des Zylinders während des Startvorgangs vor Einsetzen der Verbrennung erfasst wird, indem die zugehörige Drehzahlbeschleunigung gemessen wird. Liegt die Drehzahlbeschleunigung niedriger als der von Motortemperatur abhängige Schwellenwert, so wird ein Kompressionsfehler diagnostiziert. Hier wird keine Lokalisierung von verschiedenen Kompressionsfehlern gemacht. Das Verfahren eignet sich außerdem nicht für stationären Dauerbetrieb, besonders bei Großmotoren, da der Startvorgang nur selten durchgeführt wird.
• Die US 7,020,595 B1 offenbart ein Verfahren zur Diagnose und Klassifikation von Fehlern einer Brennkraftmaschine und/oder ihrer Teilsysteme. Dabei wird zumindest ein Informationen über die Brennkraftmaschine und/oder ihrer Teilsysteme enthaltendes Messsignal aufgezeichnet und detektiert, ob ein Fehler vorhanden ist oder nicht. Mehrere Ausprägungsgrade eines Fehlers können nicht ermittelt werden.
• Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zu entwickeln, mit welchem mit möglichst geringem Aufwand Fehler bei einer Brennkraftmaschine diagnostiziert und klassifiziert werden können. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren bereitzustellen, welches auf Basis der Auswertung des Zylinderdruckverlaufes ein oder mehrere der Kompressionsfehler bei mindestens einem Zylinder diagnostizieren und isolieren kann und für online On-Board Diagnose geeignet ist.
• Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, dass für einen detektierten Fehler zumindest zwei Ausprägungsgrade des Fehlers aus der Kombination mehrerer Symptome berechnet werden. Dies ermöglicht eine detaillierte Fehlerdiagnose.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Lage, aus Messdaten:
• - für einen oder mehrere Fehler einer Brennkraftmaschine oder eines Teilsystems einer Brennkraftmaschine das Vorliegen dieses Fehlers zu diagnostizieren
• - für die oben genannten Fehler einen Schweregrad oder Ausprägungsgrad zu bestimmen
• - aus mehreren möglichen Fehlern und gegebenenfalls deren Schweregrad einen Gesamtzustand der Brennkraftmaschine und/oder eines oder mehrerer seiner Teilsysteme (z.B. Zylinder, Aufladegruppe, etc.) zu bestimmen
• - auch bei Fehlen und/oder Unplausibilität eines oder mehrerer Messsignale noch Aussagen über zumindest einige mögliche Fehler machen zu können.
• Hierbei ist das erfindungsgemäße Verfahren so flexibel, dass:
• - sowohl eine Erweiterung auf neue Fehler und/oder neue Messsignale als auch eine Verbindung zwischen empirischem Expertenwissen und funktionellen Kenntnissen möglich ist;
• - trotz der gegenseitigen Beeinflussung der Fehler eine Isolation und Bewertung einzelner Fehler möglich ist.
• Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Gesamtzustand der Brennkraftmaschine und/oder ihrer Teilsysteme aus den Fehlern und deren Ausprägungsgraden bestimmt und klassifiziert wird.
• Eine einfache Fehlererkennung ist möglich, wenn jeder Fehler anhand einer Fehler-Symptom-Tabelle identifiziert wird, wobei die Fehler-Symptom-Tabelle für jedes aus den Abweichungen gewonnene Symptom und für jeden Fehler, auf den die Brennkraftmaschine und/oder ihrer Teilsysteme untersucht wird, den Zusammenhang zwischen Symptom und Fehler enthält.
• In weiterer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass für jeden Fehler und für jedes für diesen Fehler relevante Symptom eine Fehlerteilwahrscheinlichkeitsfunktion FW definiert wird, mit welcher abhängig von der Größe des Symptoms eine Wahrscheinlichkeit berechnet wird, mit welcher das Symptom zum Fehler beiträgt, wobei vorzugsweise die Fehler anhand der Fehlerwahrscheinlichkeit W_i , berechnet als die Summe aller Fehlerteilwahrscheinlichkeiten W_ik normiert auf die Summe aller Maxima A_ik der Fehlerteilwahrscheinlichkeitsfunktionen: $$W_i=\frac{{\displaystyle \sum _{k=1}^n{W}_{ik}}}{{\displaystyle \sum _{k=1}^n{A}_{ik}}}$$

  

  detektiert werden. Eine einfache Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Fehlerteilwahrscheinlichkeitsfunktion FW eine einfache Rampe ist, die vom Wert Null zu der Amplitude A_ij im bestimmten Bereich der Symptomgröße linear ansteigt.
• Um eine Verfälschung des Messergebnisses zu vermeiden, ist vorgesehen, dass jene Symptome, die aufgrund von nicht vorhandenen und/oder unplausiblen Messwerten nicht berechnet werden können, bei der Erkennung von Fehlern verworfen werden, und dass ein Fehler als nicht erkennbar klassifiziert wird, wenn das Gewicht aller nicht berechenbarer Symptome größer als ein definierter Schwellenwert wird, wobei vorzugsweise das Gewicht P_i aller nicht berechneter Symptome als die Summe der Maxima A_ik aller entsprechenden Fehlerteilwahrscheinlichkeitsfunktionen FW normiert auf die Summe aller Maxima A_ik : $$P_i=\frac{{\displaystyle \sum _{k=alle\left(np\right)-Daten}{A}_{ik}}}{{\displaystyle \sum _{k=1}^n{A}_{ik}}}$$

  

  berechnet wird. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn eine Größe G_z , die den Gesamtzustand jedes einzelnen Teilsystems der Brennkraftmaschine abbildet durch die Formel $$G_z=\text{min}\left\{1;\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^m{K}_i\cdot H\left(W_{iz}\right)}}{\text{max}\left(K_i\right)}\right\}$$

  

  berechnet wird, wobei K_i ein Wichtungsfaktor ist, der die Wichtigkeit des Fehlers „i“ für Zustand des Teilsystems „z“ widerspiegelt, die Größe W_iz die gesamte Wahrscheinlichkeit des ersten Ausprägungsgrades des Fehlers „i“ im Teilsystem „z“, und die Funktion H(x) eine Filterfunktion ist, die sicherstellt, dass der Fehler erst dann berücksichtigt wird wenn er als „wahrscheinlich“ eingestuft wurde, und dass der Zustand des Teilsystems als „fehlerhaft“ definiert wird, wenn die Größe G_z größer als ein definierter Schwellenwert G_s ist.
• Der Gesamtzustand der Brennkraftmaschine lässt sich aus dem Zustand der Teilsysteme der Brennkraftmaschine ermitteln. Um die Aussagekraft des Verfahrens weiter zu steigern, ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Gesamtzustand der Brennkraftmaschine und/oder seiner Teilsysteme als nicht bewertbar klassifiziert wird, wenn das Gewicht der nicht erkennbaren Fehler größer als ein Schwellenwert ist.
• Um auf der Basis der Auswertung des Zylinderdruckverlaufes ein oder mehrere Kompressionsfehler bei mindestens einem Zylinder zu diagnostizieren und zu isolieren, können folgende Schritte durchgeführt werden:
• - Bestimmen von mindestens zwei Kennwerten für den Zylinderdruck in bestimmten Kurbelwinkelpositionen, wobei ein erster Kennwert dem Zylinderdruck in einer frühen Phase der Verdichtung und ein zweiter Kennwert dem Zylinderdruck in einer späten Phase der Verdichtung entspricht;
• - Ermitteln von zumindest einem dritten Kennwert für die frühe Phase der Verdichtung, welcher als Anpassungsparameter eines theoretischen Modells des Kompressionsdruckverlaufes an den gemessenen Zylinderdruckverlauf in der frühen Phase der Verdichtung berechnet wird;
• - Ermitteln von zumindest einem vierten Kennwert für die späte Phase der Verdichtung, welcher als Anpassungsparameter des theoretischen Modells des Kompressionsdruckverlaufes an den gemessenen Zylinderdruckverlauf in der späten Phase der Verdichtung berechnet wird;
• - Definieren von Referenzwerten für jeden der ermittelten Kennwerte;
• - Berechnen der Abweichungen jedes der ermittelten Kennwerte von den zugehörigen Referenzwerten;
• - Isolieren eines oder mehrerer Kompressionsfehler durch Abgleich der Kombination der Abweichungen mit einer vordefinierten Fehler-Symptom-Tabelle mittels einer Mustererkennungsmethode;
• - bei Detektion zumindest einiger der vordefinierten Fehler Bestimmen des Ausprägungsgrads des Fehlers aus zumindest zwei Ausprägungsgraden des Fehlers.
• Als erster Kennwert kann beispielsweise der Zylinderdruck zwischen etwa 60° und 30°, als zweiter Kennwert der Zylinderdruck zwischen etwa 1° und 5° vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung verwendet werden.
• Als dritte und vierte Kennwerte können die Verdichtungsverhältnisse oder die Polytropenexponenten als Parameter der Anpassung an die gemessene Zylinderdruckkurve in einer frühen, bzw. späten Phase der Verdichtung verwendet werden. Unter frühe Phase der Verdichtung ist in diesem Zusammenhang beispielsweise ein Bereich zwischen etwa 90° und 30° vor dem oberen der Totpunkt der Verbrennung, als späte Phase ein Bereich zwischen etwa 30° und 0° vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung zu verstehen.
• Als Referenzwerte für die ermittelten Kennwerte können zuvor am Motor gemessene und gespeicherte Kennwerte verwendet werden, wobei vorzugsweise die Referenzwerte als betriebspunktabhängige Kennfelder gespeichert werden.
• Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Referenzwert aus dem Mittelwert der Kennwerte mehrerer oder aller Zylinder der Brennkraftmaschine oder einer Zylinderbank der Brennkraftmaschine gebildet wird. Der Mittelwert kann als arithmetischer Mittelwert oder als Medianwert berechnet werden.
• Um eine genauere Isolierung der Fehler „Undichtigkeit“ zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die Abgastemperatur, vorzugsweise zylinderindividuell gemessen wird und dass zumindest ein Messwert für die Abgastemperatur zur Unterscheidung verschiedener Undichtigkeitsfehler verwendet wird.
• Zur Hebung der Zuverlässigkeit der Diagnose können mehrere Werte des Zylinderdruckes und des Verdichtungsverhältnisses für die frühe Phase und für die späte Phase für die Diagnose herangezogen werden. Durch die Verwendung von mehreren Größen für die Diagnose kann somit eine größere Redundanz erreicht werden.
• Für die Fehlererkennung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Auswertung des Zylinderdruckverlaufes im Verdichtungstakt in nur einem einzigen Arbeitsspiel ausreichend. Zur Hebung der Aussagkraft der Diagnose ist es allerdings vorteilhaft, wenn der Zylinderdruckverlauf über mehrere Arbeitsspiele gemittelt wird oder wenn die Abweichungen zwischen über mehrere Arbeitsspiele gemittelten Kennwerten und Referenzwerten bei der Diagnose verwendet werden.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 ein Beispiel für eine Fehler-Symptom-Tabelle;
• 2 ein Beispiel für eine Fehlerteilwahrscheinlichkeitsfunktion FW;
• 3 einen Ablaufplan für die Klassifikation eines einzelnen Fehlers für den zwei Ausprägungsgraden berechnet werden;
• 4 ein Beispiel für einen Ablaufplan für die Klassifikation des Gesamtzustandes der Brennkraftmaschine oder eines Teilsystems;
• 5 ein Beispiel für Filterfunktion, die bei Berechnung des Gesamtzustandes der einzelnen Teilsysteme des Motors benutzt wird;
• 6 einen Ablaufplan für die Klassifikation des Gesamtzustandes des Motors;
• 7 einen Zylinderdruckverlauf mit dem Fehler „verringertes Verdichtungsverhältnis“ samt Referenzzylinderdruckverlauf während des Verdichtungstaktes;
• 8 einen Zylinderdruckverlauf mit dem Fehler „Undichtigkeit“ samt Referenzzylinderdruckverlauf während des Verdichtungstaktes;
• 9 einen Zylinderdruckverlauf mit dem Fehler „Einlassdrosselung“ samt Referenzzylinderdruckverlauf während des Verdichtungstaktes; und
• 10 einen Zylinderdruckverlauf mit Definition erforderlicher Kennwerte und der frühen und späten Phase des Verdichtungstaktes.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zunächst, basierend auf Expertenwissen, experimentellen und theoretischen Untersuchungen und Simulationen mathematischer Modelle, die Merkmale (z.B. Messsignale) identifiziert, die besonders stark auf die festzustellenden Fehler reagieren. Die Symptome S1, S2, S3,...Sn, d.h. die fehlerbedingten Abweichungen dieser Merkmale von zugehörigen Referenzwerten, bilden die Grundlage für die nachfolgende Fehlerdiagnose. Dabei sind die Referenzwerte entweder Nominalwerte, welche an einem nicht fehlerhaften Motor gemessen wurden, oder Modellwerte aus mathematischen Simulationen des normalen Prozesses, oder - für Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern - die Mittelwerte oder Medianwerte der Messsignale über alle Zylinder.
• In einer ersten, besonders einfachen Ausführungsform des Verfahrens werden die Fehler F1, F2, F3,...Fm anhand einer Fehler-Symptom-Tabelle identifiziert, für die in 1 ein Beispiel gezeigt ist. Diese Tabelle enthält für jedes aus den Merkmalen gewonnene Symptom S1, S2, S3,...Sn und alle Fehler F1, F2, F3,...Fm, auf die die Brennkraftmaschine und/oder seine Teilsysteme untersucht werden, den Zusammenhang zwischen Symptom und Fehler. Dabei bedeuten:
• X kein Zusammenhang zwischen Fehler und Symptom, d.h. ob ein Fehler vorliegt ist unabhängig von der Abweichung zwischen dem aktuellen Wert des Merkmals und dem Referenzwert
• + die Differenz zwischen dem aktuellen Wert des Merkmals M und dem Referenzwert R ist größer als ein erster Schwellenwert Q1 für positive Abweichungen (M - R > Q1);
• - die Differenz zwischen dem Referenzwert R und dem aktuellen Wert des Merkmals M ist größer als ein zweiter Schwellenwert Q2 für negative Abweichungen (R - M > Q2);
• 0 die Differenz zwischen dem aktuellen Wert des Merkmals M und dem Referenzwert R ist kleiner oder gleich dem ersten Schwellenwert Q1 für positive Abweichungen und die Differenz zwischen dem Referenzwert R und dem aktuellen Wert des Merkmals M ist kleiner oder gleich dem zweiten Schwellenwert Q2 für negative Abweichungen (R - Q2 <= M <= R + Q1).
• Für jeden vom erfindungsgemäßen Verfahren erkennbaren Fehler F1, F2, F3,...Fm wird nun berechnet, ob die Symptome S1, S2, S3,...Sn den Bedingungen der Fehler-Symptom-Tabelle entsprechen. Entsprechen alle oder zumindest ein großer Teil der Symptome diesen Bedingungen, erkennt das Verfahren den Fehler als vorhanden. Für das Beispiel aus 1 bedeutet dies anschaulich: Wenn der Betrag von Symptom S1 und Symptom Sn klein ist und Symptom S2 deutlich negativ ist, wird der Fehler F1 erkannt, unabhängig vom Wert von Symptom S3.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Verfahrens bestimmt zumindest für einige Fehler mehr als einen Ausprägungsgrad. So kann zum Beispiel ein erster Ausprägungsrad eines Fehlers als Zustand „fehlerhaft“ oder „gelb“ und ein zweiter Ausprägungsrad des gleichen Fehlers als Zustand „kritisch“ oder „rot“ bestimmt werden. In dieser Weiterbildung wird für jeden Ausprägungsgrad der Fehler eine eigene Fehler-Symptom-Tabelle - ähnlich der 1 - mit eigenen Schwellwerten benötigt. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn für den zweiten Ausprägungsgrad der Fehler die Schwellwerte größer sind als für den ersten Ausprägungsgrad der Fehler. So wird der zweite Ausprägungsgrad eines Fehlers bei größeren Abweichungen zwischen Merkmal und Referenzwert erreicht als der erste Ausprägungsgrad.
• In einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird statt der einfachen aber starren Fehler-Symptom-Tabelle aus den Symptomen eine Wahrscheinlichkeit für einen Fehler berechnet. Hierzu wird für jeden Fehler, dessen Nummer mit dem Index i bezeichnet sei und für jedes für diesen Fehler relevante Symptom, dessen Index mit j bezeichnet sei, eine Fehlerteilwahrscheinlichkeitsfunktion FW definiert. Mit dieser Fehlerteilwahrscheinlichkeitsfunktion FW, für die ein Beispiel in 2 gezeigt ist, wird für jeden Fehler i abhängig von der Größe des Symptoms S_j eine Wahrscheinlichkeit W_ij berechnet, mit welcher das Symptom S_j zum Fehler i beiträgt. Hierdurch wird dem Umstand Rechnung getragen, dass ein Fehler auch dann auftreten kann, wenn mehrere Merkmale jeweils eine mittelgroße Abweichung von ihren jeweiligen Referenzwerten haben. Mit dieser Maßnahme wird die Empfindlichkeit der Diagnoseergebnisse gegenüber Messungenauigkeiten und Rauschen reduziert.
• Der Wert der Fehlerteilwahrscheinlichkeitsfunktion FW ist dabei stets größer oder gleich Null, das Maximum dieser Funktion sei mit A_ij benannt. Die Amplitude A_ij entspricht der Wichtigkeit des Symptoms S_j für die Erkennung des Fehlers „i“. Je eindeutiger der Zusammenhang zwischen dem Fehler „i“ und dem Symptom „j“ ist, desto größer ist die Amplitude A_ij in Vergleich zu anderen Amplituden A_ik , (k=1..n). Die Größe A_ij wird auf Basis des Expertenwissens und/oder Simulation des Prozessmodels festgelegt.
• In einer besonders vorteilhaften Ausführung, welche in 2 dargestellt ist, ist die Fehlerteilwahrscheinlichkeitsfunktion FW eine einfache Rampe, die vom Wert Null zu der Amplitude A_ij im Bereich der Symptomgröße von V_j bis U_j linear ansteigt.
• In einem zweiten Schritt wird dann die gesamte Wahrscheinlichkeit W_i des Fehlers „i“ berechnet, indem die Fehlerteilwahrscheinlichkeiten für alle Symptome W_ik (k=1..n), normiert auf die Summe aller Amplituden A_ik , summiert werden: $$W_i=\frac{{\displaystyle \sum _{k=1}^n{W}_{ik}}}{{\displaystyle \sum _{k=1}^n{A}_{ik}}}$$

  
• Wenn einige der erforderlichen Messdaten nicht vorhanden oder nicht plausibel sind, so dass es nicht möglich ist, ein Symptom S_k zu ermitteln, werden für alle Fehler „i“ die Wahrscheinlichkeiten W_ik in Summe (1) auf Null gesetzt.
• Auch in dieser zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht eine vorteilhafte Weiterbildung darin, unterschiedliche Ausprägungsgrade der Fehler zu berücksichtigen. Hierbei werden dann für jeden Ausprägungsgrad der Fehler, z.B. einen ersten Ausprägungsgrad „gelb“ und einen zweiten Ausprägungsgrad „rot“, getrennte Fehlerteilwahrscheinlichkeitsfunktionen definiert. Entsprechend dem oben eingeführten Wert W_ij sei dabei der Wert der zweiten Fehlerteilwahrscheinlichkeitsfunktion für den zweiten Ausprägungsgrad der Fehler mit E_ij bezeichnet. Das Maximum der zweiten Fehlerteilwahrscheinlichkeitsfunktion E_ij sei mit B_ij bezeichnet. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn bei gleicher Größe des Symptoms S_j der Wert der zweiten Fehlerteilwahrscheinlichkeitsfunktion E_ij stets kleiner oder gleich dem Wert der ersten Fehlerteilwahrscheinlichkeitsfuntkion W_ij ist. Somit wird der zweite Ausprägungsgrad des Fehlers bei größeren Abweichungen zwischen Merkmal und Referenzwert erkannt als der erste Ausprägungsgrad.
• Analog wird wieder die gesamte Wahrscheinlichkeit E_i des zweiten Ausprägungsgrades des Fehlers „i“ als Summe von allen E_ik (k=1..n), normiert auf die Summe aller Amplituden B_ik der zweiten Fehlerteilwahrscheinlichkeitsfunktionen, berechnet: $$E_i=\frac{{\displaystyle \sum _{k=1}^n{E}_{ik}}}{{\displaystyle \sum _{k=1}^n{B}_{ik}}}$$

  
• Genau wie bei den ersten Fehlerwahrscheinlichkeiten werden die Größen E_ik in Summe (2) auf Null gesetzt wenn einige Symptome S_k wegen nicht vorhanden oder nicht plausiblen Messdaten nicht zu bestimmen sind.
• Für den Fachmann ist es leicht zu erkennen, dass mit dem oben beschriebenen Schema noch weitere Ausprägungsgrade der Fehler berechnet werden können.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens klassifiziert die einzelnen erkennbaren Fehler nun nach einer oder mehreren Fehlerklassen. Besonders einfach kann hier vorgegangen werden, wenn ein Fehler i dann als vorhanden klassifiziert wird, wenn seine Wahrscheinlichkeit W_i größer als ein Schwellwert W_s ist.
• Noch vorteilhafter ist es jedoch, bei mehreren Ausprägungsgraden die Fehler nach mehreren Klassen zu klassifizieren. 3 stellt beispielhaft dar, wie ein Fehler, der in zwei Ausprägungsgraden vorhanden sein kann, in 4 Klassen A1, A2, A3, A4 eingeordnet wird. Diese 4 Klassen können z.B. sein: A1-„gefährlich“ bzw. „rot“, A2-„wahrscheinlich“ bzw. „gelb“, A3-„nicht erkennbar“ bzw. „grau“ und A4-„unwahrscheinlich“ bzw. „grün“.
• Der Klassifikationsprozess beginnt (Beginn bei „0“) mit der Berechnung der Wahrscheinlichkeit W_i für den ersten Ausprägungsgrad des Fehlers (Schritt 21) und der Berechnung der Wahrscheinlichkeit E_i für den zweiten Ausprägungsgrad des Fehlers, (Schritt 22). Danach wird in Schritt 23 die Wahrscheinlichkeit E_i für den zweiten Ausprägungsgrad des Fehlers, mit einem zweiten Schwellenwert E_s (beispielsweise E_s = 0,9) verglichen. Liegt E_i höher als E_s (Y), so wird der Fehler „i“ als „gefährlich“ eingestuft (A1). Wenn das nicht der Fall ist, dann wird in Schritt 24 geprüft, ob die Wahrscheinlichkeit W_i für den ersten Ausprägungsgrad des Fehlers größer ist als ein erster Schwellenwert W_s (zum Beispiel W_s = 0,7). Wenn W_i > W_s ist, dann wird der Fehler „i“ als „wahrscheinlich“ klassifiziert (A2). Andernfalls, wird beurteilt, ob der Wert von W_i möglicherweise aufgrund von fehlenden oder nicht plausiblen Messdaten (bezeichnet als ,np'-Daten) klein ist. Dafür wird in Schritt 25 das Gewicht P_i aller nicht berechneter Symptome als die normierte Summe aller entsprechenden Amplituden A_ik bestimmt: $$P_i=\frac{\underset{k=alle\left(np\right)-Daten}{{\displaystyle \sum A_{ik}}}}{{\displaystyle \sum _{k=1}^n{A}_{ik}}}$$

  
• Wenn der Wert von P_i größer ist als ein vordefinierter Schwellenwert P_s (zum Beispiel P_s = 0,6), bedeutet das, dass der Fehler „i“ anhand von vorhandenen Messdaten weder erkannt noch ausgeschlossen werden kann. In diesem Fall wird der Fehler „i“ als „nicht erkennbar“ (A3) klassifiziert (Schritt 26 in 3). Wenn keine der vorherigen Überprüfungen in den Schritten 23 bis 26 ein positives Ergebnis hat, wird der Fehler als „unwahrscheinlich“ (A4) klassifiziert. Mit „100“ ist das Ende des ersten Prozesses bezeichnet.
• Für den Fachmann ist leicht erkennbar, wie das oben beschriebene Verfahren auf noch weitere Ausprägungsgrade von Fehlern und/oder weitere Klassen ausgedehnt werden kann.
• Der letzte Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens berechnet aus einzelnen Fehlern, die in einer oder mehrenden Ausprägungsgraden und/oder Klassen auftreten können, einen Gesamtzustand der Brennkraftmaschine und/oder eines oder mehrerer seiner Teilsysteme. Für den besonders relevanten Fall, dass die einzelnen Fehler nach den Klassen „gefährlich“ (A1), „wahrscheinlich“ (A2), „nicht erkennbar“ (A3) und „unwahrscheinlich“ (A4) klassifiziert wurden, stellt 4 den Ablaufplan für die Klassifikation eines Teilsystems oder der gesamten Brennkraftmaschine dar. Solch ein Teilsystem kann z.B. ein Zylinder einer Brennkraftmaschine sein. In der folgenden Erklärung wird nur auf ein Teilsystem „z“ des Motors Bezug genommen, wobei das Teilsystem aber auch der gesamte Motor sein kann.
• In einem ersten Schritt (31) wird in Abfrage V1 überprüft, ob zumindest einer der Fehler des Teilsystems als „gefährlich“ (A1) klassifiziert wurde. In diesem Fall (Y) wird das gesamte Teilsystem als „kritisch“ (B1) klassifiziert. Ist das Ergebnis dieser Prüfung negativ (N), wird in einem zweiten Schritt (32) eine Größe G_z berechnet, die den Gesamtzustand des Teilsystems „z“ abbildet: $$G_z=\text{min}\left\{1;\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^m{K}_i\cdot H\left(W_{iz}\right)}}{\text{max}\left(K_i\right)}\right\}$$

  
• Dabei ist K_i ein Wichtungsfaktor, der die Wichtigkeit des Fehlers „i“ für den Zustand des Teilsystems „z“ widerspiegelt. Die Größe von K_i wird anhand von Expertenwissen und/oder Simulation des Prozessmodels festgelegt. Die Größe W_iz ist die gesamte Wahrscheinlichkeit W_i des ersten Ausprägungsgrades des Fehlers „i“ im Teilsystem „z“. Die Funktion H(x) ist eine Filterfunktion, die sicherstellt, dass der Fehler erst dann berücksichtigt wird, wenn er als „wahrscheinlich“ eingestuft wurde (d.h. erst wenn W_i > W_s), und dass der Fehler erst dann voll berücksichtigt wird wenn die Fehlerwahrscheinlichkeit groß genug ist (z.B. W_i > 0,9). Ein Beispiel für eine Filterfunktion H ist in 5 gezeigt. Wenn der Fehler „I“ als „nicht erkennbar“ bewertet wurde, dann wird er nicht in G_z einberechnet: H(W_lz) = 0.
• In Schritt 33 in 4 wird die Größe G_z mit einem vordefiniertem Schwellenwert G_s (beispielsweise G_s = 0,7) verglichen. Liegt G_z höher als G_s , so wird der Zustand des Teilsystems „z“ als „fehlerhaft“ (B2) definiert. Wenn das nicht der Fall ist, dann wird beurteilt, ob der Wert von G_z aufgrund von eventuell vorhandenen nicht erkennbaren Fehlern klein ist. Dafür wird das Gewicht X_i von nicht erkennbaren (,ne‘) Fehlern in Schritt 34 als die normierte Summe aller entsprechenden Gewichte K_i berechnet: $$X_z=\frac{\underset{i=alle\left(ne\right)-Fehler}{{\displaystyle \sum K_i}}}{{\displaystyle \sum _{k=1}^m{K}_i}}$$

  
• Wenn der Wert von X_z größer als der vordefinierte Schwellenwert X_s (zum Beispiel X_s = 0,3) ist, wird der Gesamtzustand des Teilsystems „z“ als „nicht bewertbar“ (B3) klassifiziert (Schritt 35 in 3). Sonst wird der Gesamtzustand des Teilsystems „z“ als „gesund“ (B4) klassifiziert. Mit „200“ ist das Ende der Routine bezeichnet.
• Der Fachmann wird hier leicht erkennen, wie das Verfahren der Klassifikation eines Teilsystems auch auf Fälle mit weiteren Ausprägungsgraden der Fehler und/ oder weiteren Fehlerklassen ausgedehnt werden kann.
• In einer letzten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus dem Zustand der Teilsysteme der Brennkraftmaschine der Zustand der gesamten Brennkraftmaschine berechnet. Ein Beispiel für einen Ablaufplan dieser Berechnung ist in 6 gezeigt.
• Wenn zumindest eines der Teilsysteme als „kritisch“ (B1) klassifiziert wurde, wird der Gesamtzustand der Brennkraftmaschine in der Abfrage V2 auch als „kritisch“ (C1) klassifiziert (Schritt 41 in 6). Sonst wird in Schritt 42 das Gewicht N_f der fehlerhaften Teilsysteme (,f‘-Teilsysteme) mit Hilfe der Wichtungsfaktoren D_k berechnet, welche die Wichtigkeit des Zustandes jedes einzelnen Teilsystems „k“ auf den Gesamtzustand der Brennkraftmaschine darstellen: $$X_z=\frac{\underset{k=alle\left(f\right)-Teilsysteme}{{\displaystyle \sum D_k}}}{\underset{k=alleTeilsysteme}{{\displaystyle \sum D_k}}}$$

  
• In Schritt 43 wird geprüft ob das Gewicht der Teilsysteme mit Bewertung „fehlerhaft“ N_f größer als der vordefinierte Schwellenwert N_fs (zum Beispiel N_fs = 0,3) ist. In diesem Fall wird auch der Gesamtzustand des Motors als „fehlerhaft“ (A10) festgesetzt. Andernfalls, wird in Schritt 44 das Gewicht N_(nb) der nicht-bewertbaren Teilsysteme berechnet: $$N_{\left(nb\right)}=\frac{\underset{k=alle\left(nb\right)-Teilsysteme}{{\displaystyle \sum D_k}}}{\underset{k=alleTeilsysteme}{{\displaystyle \sum D_k}}}$$

  
• In Schritt 45 wird überprüft, ob das Gewicht der Teilsysteme mit Bewertung „nicht bewertbar“ N_(nb) größer als ein Schwellenwert N_(nb)s (zum Beispiel N_(nb)s = 0,3) ist. Ist dies der Fall, wird auch der Gesamtzustand der Brennkraftmaschine als „nicht bewertbar“ (C3) bewertet. Sonst wird der Gesamtzustand der Brennkraftmaschine als „gesund“ (C4) klassifiziert. Mit „300“ ist das Ende des Verfahrensprozesses bezeichnet.
• Für den Fachmann ist hier leicht erkennbar, wie das Verfahren der Klassifikation des Zustandes des gesamten Motors auch auf Fälle mit weiteren Fehlerklassen ausgedehnt werden kann.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Diagnose der Kompressionsfehler von mindestens einem Zylinder einer Brennkraftmaschine wird ein Zylinderdruckverlauf P im Verdichtungstakt in Abhängigkeit von Kurbelwellenstellungen α gemessen.
• Der Zylinderdruckverlauf P während des Verdichtungstaktes nähert sich dem polytropen Kompressionsprozess, der sich über den Zusammenhang: $$P_i={\left(\frac{V_k\left(\epsilon \right)}{V_i\left(\epsilon \right)}\right)}^n{P}_k$$

  

  darstellen lässt. Der Druck P_i gehört dabei zum Volumen V_i , welches beim Kurbelwinkel α_i den Brennraum bildet, gleiches gilt für den Druck P_k bei dem Volumen V_k und dem Winkel α_k . Das Brennraumvolumen V beinhaltet das Totvolumen V_c , welches sich bei einer Kolbenstellung im oberen Totpunkt (OT) zwischen Kolben und Zylinderkopf bildet, und ist daher eine Funktion des Verdichtungsverhältnisses ε: $$\epsilon =\frac{V_H+V_c}{V_c}$$

  

  wobei V_H + V_c das maximale Zylindervolumen darstellt, das sich bei einer Kolbenstellung im unteren Totpunkt UT zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf bildet.
• Augrund der Wärme- und Masseverluste, Temperatur- und Druckabhängigkeiten der thermodynamischen Eigenschaften der Luft beziehungsweise des Luft-Kraftstoffgemisches, weicht der reale Verdichtungsprozess von der polytropen Kompression ab. Dennoch kann man den realen Verdichtungsprozess mit Gleichung (8) in guter Nährung beschreiben, wobei aber entweder das Verdichtungsverhältnis ε oder der Polytropenexponent n variable, von Kurbelwinkel α abhängige Größen sind.
• Wie man aus den 7, 8 und 9 sieht, ist die Zylinderdrucksteigerung im Verdichtungstakt unterschiedlich für verschiedene Kompressionsfehler. Ein Zylinderdruckverlauf 2 in 7 mit dem Fehler „verringertes Verdichtungsverhältnis“ ist durch: a) kontinuierlich langsam ansteigende Polytrope ab Kurbelwinkelposition im Bereich des unteren Totpunktes UT, b) gleichem Zylinderdruckwert im Bereich des unteren Totpunktes UT, und c) niedrigeren Zylinderdruckwert im Bereich des oberen Totpunktes OT im Vergleich zur ,normalen‘ Kompressionskurve 1 gekennzeichnet.
• Der Fehler „Undichtigkeit“ (Kurve 3 in 8) zeichnet sich durch: a) „Abknicken“ des Kompressionsverlaufs von der Vergleichsreferenzkurve 1 im letzen Teil der Verdichtung, b) gleichen Zylinderdruckwert im Bereich des unteren Totpunktes UT, und c) niedrigeren Zylinderdruckwert im Bereich des oberen Totpunktes OT aus.
• Ein Zylinderdruckverlauf mit dem Fehler „Einlassdrosselung“ (Kurve 4 in 9) ist dadurch gekennzeichnet, dass a) der Startwert des Zylinderdruckes im Bereich des unteren Totpunktes UT bereits niedriger als Wert der normalen Kurve 1 ist, b) Zylinderdruckwert im Bereich des oberen Totpunktes OT auch niedriger ist.
• Wie aus den 7, 8 und 9 ersichtlich, sind allen Kompressionsfehlern der niedrigere Zylinderdruck in der späten Phase des Verdichtungstaktes gemeinsam. Allerdings, allein die Verringerung des Zylinderdruckes in der späten Phase des Verdichtungstaktes wird zwar einen der Kompressionsfehler andeuten, ist aber nicht für die Fehlerunterscheidung ausreichend.
• Der erfindungsgemäße Grundgedanke ist, das kurbelwinkelabhängige Verdichtungsverhältnis ε oder den Polytropenexponent n als erforderliche Kennwerte zu benutzen.
• In einer ersten Ausführungsform des Verfahrens werden die folgenden vier Größen aus dem Zylinderdruckverlauf im Verdichtungstakt bestimmt beziehungsweise berechnet und für die Diagnose herangezogen (10):
• - Zylinderdruck P₁ welcher sich beim Kurbelwinkel α₁ einstellt. Der Winkel α₁ liegt in der früheren Phase 5 (10) der Verdichtung, nach Einlassschließen. Der Winkel α₁ sollte so festgelegt werden, dass die fehlerbedingten Abweichungen des Druckes P₁ bedeutsam größer als die Rauschen des Zylinderdrucksignals (normalerweise nicht mehr als 1 bar) sind. Als zweckmäßig hat sich hierfür ein Kurbelwinkel α₁ in einem Bereich von 60° bis 30° vor dem oberen Totpunkt OT erwiesen.
• - Zylinderdruck P₂ beim Kurbelwinkel α₂ , der Kurbelwinkelposition unmittelbar vor Kraftstoffeinspritzung bei Dieselmotoren und direkteinspritzenden Benzinmotoren oder unmittelbar vor Einsetzen der Verbrennung bei Motoren mit homogenem Luft-Kraftstoffgemisch. Der Winkel α₂ kann als Winkelposition zwischen etwa 15° bis 5° vor dem oberen Totpunkt OT definiert werden. Für spätzündende Motoren (Zündung nach dem oberen Totpunkt OT) kann der Winkel α₂ als Winkelposition zwischen etwa 3° bis 5° vor dem oberen Totpunkt OT festgelegt werden.
• - Verdichtungsverhältnis ε₁ berechnet als Parameter der Anpassung der Polytrope Gl. (8) mit konstantem Polytropenexponent n (z.B. 1,35 für Benzinmotoren und 1,37 für Dieselmotoren) an die gemessene Zylinderdruckkurve in der frühen Phase 5 (10) des Verdichtungstaktes, zwischen den Kurbelwinkelpositionen β₁ und β₂ (vorteilhaft im Bereich von β₁ = 90° KW bis β₂ = 30° KW vor dem oberen Totpunkt OT). Die Anpassung kann zum Beispiel durch die Methode der kleinsten Quadrate erfolgen.
• - Verdichtungsverhältnis ε₂ berechnet als Parameter der Anpassung der Polytrope Gl. (8) mit konstantem Polytropenexponent n (z. B. 1,35 für Benzinmotoren und 1,37 für Dieselmotoren) an die gemessene Zylinderdruckkurve in der späteren Phase der Kompression - im Bereich 6 (10), zwischen den Kurbelwinkelpositionen β₃ und β₄ (vorteilhaft im Bereich von β₃ = 30° KW bis β₄ = 10° KW vor dem oberen Totpunkt OT, und im Bereich von β₃ = 20° KW bis β₄ = 0° KW vor dem oberen Totpunkt OT für spätzündende Motoren). Anpassung kann zum Beispiel durch die Methode der kleinsten Quadrate erfolgen.
• In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, werden statt Verdichtungsverhältnisse ε₁ und ε₂ die Polytropenexponenten n₁ und n₂ benutzt:
• - Polytropenexponent n₁ , berechnet als Parameter der Anpassung der Polytrope Gl. (8) mit konstantem Verdichtungsverhältnis ε an die gemessene Zylinderdruckkurve in der früheren Phase 5 (10) des Verdichtungstaktes, zwischen den Kurbelwinkelpositionen β₁ und β₂ (vorteilhaft im Bereich von β₁ = 90° KW bis β₂ = 30° KW vor dem oberen Totpunkt OT). Anpassung kann durch z.B. die Methode der kleinsten Quadrate erfolgen. In diesem Fall wird für das Verdichtungsverhältnis ε ein Nominalwert genommen oder wie ε₁ (siehe oben) berechnet.
• - Polytropenexponent n₂ , berechnet als Parameter der Anpassung der Polytrope Gl. (8) mit konstantem Verdichtungsverhältnis ε an die gemessene Zylinderdruckkurve in der späteren Phase der Kompression - im Bereich 6 (10), zwischen den Kurbelwinkelpositionen β₃ und β₄ (vorteilhaft im Bereich von β₃ = 30° KW bis β₄ = 10° KW vor dem oberen Totpunkt OT, und im Bereich von β₃ = 20° KW bis β₄ = 0° KW vor dem oberen Totpunkt OT für spätzündende Motoren). Anpassung kann zum Beispiel durch die Methode der kleinsten Quadrate erfolgen. In diesem Fall wird für das Verdichtungsverhältnis ε ein Nominalwert genommen oder wie ε₁ (siehe oben) berechnet.
• Die so ermittelten Größen P₁ , P₂ , ε₁ , ε₂ , bzw. P₁ , P₂ , n₁ , n₂ werden dann mit Referenzwerten verglichen und die Abweichungen zueinander (Residuen) gebildet. Als Referenzwerte dienen dabei entweder Nominalwerte, welche am „gesunden“ Motor gemessen und als betriebspunktabhängige Kennfelder gespeichert werden, oder - für Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern (vorteilhaft größer als zwei) - die Mittelwerte oder Medianwerte über alle Zylinder.
• Die Abweichungen der oben beschriebenen vier Größen P₁ , P₂ , ε₁ , ε₂ , bzw. P₁ , P₂ , n₁ , n₂ von den Referenzwerten sind unterschiedlich für verschiedene Fehler. So zeigt sich der Fehler „verringertes Verdichtungsverhältnis“ durch kontinuierlich langsamer ansteigenden Polytropen ab dem unteren Totpunkt UT, und daher durch verringerte Werte von P₁ , P₂ , und ε₁ (oder n₁ ) und unverändertem ε₂ (oder n₂ ) in Vergleich zu den Referenzwerten. Beim Fehler „Einlassdrosselung“ wird die Luftmasse in Zylinder geringer als im normalen, „gesunden“ Prozess, die Steilheit des polytropen Kompressionsprozesses bleibt aber gleich. Deswegen kann man in diesem Fall Werte für P₁ und P₂ kleiner als die entsprechenden Referenzwerte, und konstante Werte für ε₁ und ε₂ (oder n₁ und n₂ ) erwarten. Bei Undichtheit im Bereich der Kolbenringe und im Bereich der Auslassventile wird die Abweichung vom „nominalen“ Kompressionsverlauf erst ab höheren Drucken sichtbar, d.h. im Bereich der Kurbelwinkel nahe nach dem oberen Totpunkt OT. Deswegen sind die Symptome für diesen Fehler in - im Vergleich zu den Referenzwerten - niedrigeren Werten für P₂ und ε₂ (oder n₂ ), unbedeutsam kleineren Werten für P₁ und unverändertem Wert für ε₁ (oder n₁ ) festzustellen.
• Diese Überlegungen sind in einer Fehler-Symptom-Tabelle zusammengefasst (Tabelle 1). Tabelle 1

  	P1	P2	ε1 (n1)	ε2 (n2)
  Undichtigkeit	0	-	0	-
  verringertes Verdichtungsverhältnis	-	-	-	0
  Einlassdrosselung	-	-	0	0
  Legende:
  + die Differenz zwischen dem aktuellen Wert und dem Referenzwert ist größer als der vordefinierte Schwellenwert für positive Abweichungen;
  - die Differenz zwischen dem aktuellen Wert und dem Referenzwert ist kleiner als der vordefinierte Schwellenwert für negative Abweichungen;
  0 die Differenz zwischen dem aktuellen Wert und dem Referenzwert ist kleiner als der vordefinierte Schwellenwert für positive Abweichungen und größer als der vordefinierte Schwellenwert für negative Abweichungen.

• Die Isolierung der Fehler „Undichtigkeit“ im Bereich der Kolbenringe und/oder Laufbuchse (Fehler „Kolbenringe undicht“) und undichten Auslassventile („Auslassventile undicht“) von einander kann aufgrund zusätzlich zu den Zylinderdrucksignalen bereitgestellten Messsignalen erfolgen.
• In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens, werden die zylinderindividuellen Messwerte für Abgastemperatur T_exh als erforderliche zusätzliche Kennwerte verwendet. Die im Vergleich zu einem Referenzwert erhöhten Werte der Abgastemperatur T_exh deuten auf eine Undichtigkeit der Auslassventile hin. Die nachfolgende Tabelle 2 stellt die Fehler-Symptom-Tabelle für die Erkennung von vier Kompressionsfehlern dar. Tabelle 2

  	P1	P2	ε1 (n1)	ε2 (n2)	Texh
  Kolbenringe undicht	0	-	0	-	0
  Auslassventil undicht	0	-	0	-	+
  verringertes Verdichtungsverhältnis	-	-	-	0	0
  Einlassdrosselung	-	-	0	0	0

• Ausgewertet mit beliebiger Mustererkennungsmethode, liefern die Tabellen 1 oder 2 die Erkennung eines oder mehrerer Fehler.
• In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens, werden statt je einem Wert für Zylinderdruck P₁ und für Verdichtungsverhältnis ε₁ (oder Polytropenexponent n₁ ) in der früheren Phase der Kompression, und je einem Wert für Zylinderdruck P₂ und Verdichtungsverhältnis ε₂ (oder Polytropenexponent n₂ ) in der späteren Phase der Kompression, mehrere Werte des Zylinderdruckes und des Verdichtungsverhältnisses jeweils für die frühere Phase und für die spätere Phase für die Diagnose herangezogen. Bei diesem Verfahren werden mehr Größen für die Diagnose verwendet und somit eine größere Redundanz erreicht. Dies kann zur höheren Zuverlässigkeit der Diagnose führen.
• Für die Fehlererkennung ist bei dem beschriebenen Verfahren die Auswertung des Zylinderdruckverlaufes im Verdichtungstakt in nur einem Arbeitsspiel ausreichend.
• In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens werden die Zylinderdruckverläufe von mehreren Arbeitsspielen gemessen und - wie oben beschrieben - ausgewertet. Dann werden die Zyklen-Mittelwerte für die erforderlichen Größen gebildet und mit entsprechenden Referenzwerten verglichen. Aufgrund der besseren Stabilität und Aussagekraft der Zyklen-Mittelwerte ist bei dieser Ausführungsform die Zuverlässigkeit der Diagnose größer als in erster Ausführungsform.
• Das Verfahren eignet sich sowohl für gefeuerten als auch für geschleppten Betrieb des Motors und ist sowohl für die Fehlerdiagnose im Betrieb („On Board“) als auch für die Fehlerdiagnose in der Werkstatt geeignet.
• Es kann sowohl bei Diesel- als auch für Ottomotoren, sowohl bei Zweitakt- als auch für Viertaktmotoren angewendet werden.

Claims (24)

1. Verfahren zur Diagnose und Klassifikation von Fehlern einer Brennkraftmaschine und/oder ihrer Teilsysteme, wobei zumindest ein Informationen über die Brennkraftmaschine und/oder ihrer Teilsysteme enthaltendes Messsignal aufgezeichnet wird und zumindest ein Symptom für einen Fehler aus der Abweichung zwischen einem aus dem Messsignal gewonnenen Merkmal und einem Referenzwert für dieses Merkmal ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für einen detektierten Fehler zumindest zwei Ausprägungsgrade des Fehlers aus der Kombination mehrerer Symptome berechnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtzustand der Brennkraftmaschine und/oder ihrer Teilsysteme aus den Fehlern und deren Ausprägungsgraden bestimmt und klassifiziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Fehler anhand einer Fehler-Symptom-Tabelle identifiziert wird, wobei die Fehler-Symptom-Tabelle für jedes aus den Abweichungen gewonnene Symptom und für jeden Fehler, auf den die Brennkraftmaschine und/oder seine Teilsysteme untersucht wird, den Zusammenhang zwischen Symptom und Fehler enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Fehler und für jedes für diesen Fehler relevante Symptom eine Fehlerteilwahrscheinlichkeitsfunktion FW definiert wird, mit welcher abhängig von der Größe des Symptoms eine Wahrscheinlichkeit berechnet wird, mit welcher das Symptom zum Fehler beiträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehler anhand der Fehlerwahrscheinlichkeit W_i, berechnet als die Summe aller Fehlerteilwahrscheinlichkeiten W_ik normiert auf die Summe aller Maxima A_ik der Fehlerteilwahrscheinlichkeitsfunktionen: $$W_i=\frac{{\displaystyle \sum _{k=1}^n{W}_{ik}}}{{\displaystyle \sum _{k=1}^n{A}_{ik}}}$$

   

   detektiert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerteilwahrscheinlichkeitsfunktion FW eine einfache Rampe ist, die vom Wert Null zu der Amplitude A_ij im bestimmten Bereich der Symptomgröße linear ansteigt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jene Symptome, die aufgrund von nicht vorhandenen und/oder unplausiblen Messwerten nicht berechnet werden können, bei der Erkennung von Fehlern verworfen werden, und dass ein Fehler als nicht erkennbar klassifiziert wird, wenn das Gewicht aller nicht berechenbarer Symptome größer als ein definierter Schwellenwert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht P_i aller nicht berechneter Symptome als die Summe der Maxima A_ik aller entsprechenden Fehlerteilwahrscheinlichkeitsfunktionen FW normiert auf die Summe aller Maxima A_ik : $$P_i=\frac{\underset{k=alle\left(np\right)-Daten}{{\displaystyle \sum A_{ik}}}}{{\displaystyle \sum _{k=1}^n{A}_{ik}}}$$

   

   berechnet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Größe G_z, die den Gesamtzustand jedes einzelnen Teilsystems der Brennkraftmaschine abbildet durch die Formel $$G_z=\text{min}\left\{1;\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^m{K}_i\cdot H\left(W_{iz}\right)}}{\text{max}\left(K_i\right)}\right\}$$

   

   berechnet wird, wobei K_i ein Wichtungsfaktor ist, der die Wichtigkeit des Fehlers „i“ für einen Zustand des Teilsystems „z“ widerspiegelt, die Größe W_iz die gesamte Wahrscheinlichkeit des ersten Ausprägungsgrades des Fehlers „i“ im Teilsystem „z“, und die Funktion H(x) eine Filterfunktion ist, die sicherstellt, dass der Fehler erst dann berücksichtigt wird, wenn er als „wahrscheinlich“ eingestuft wurde, und dass der Zustand des Teilsystems als „fehlerhaft“ definiert wird, wenn die Größe G_z größer als ein definierter Schwellenwert G_s ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gesamtzustand der Brennkraftmaschine und/oder seiner Teilsysteme als nicht bewertbar klassifiziert wird, wenn das Gewicht der nicht erkennbaren Fehler größer als ein Schwellenwert ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtzustand des Brennkraftmaschine aus dem Zustand der Teilsysteme des Motors berechnet wird.
12. Verfahren zur Diagnose und Isolierung eines oder mehrerer Kompressionsfehler bei mindestens einem Zylinder einer Brennkraftmaschine, wobei der Zylinderdruckverlauf in Abhängigkeit der Kurbelwellenstellung (a) in zumindest einem Arbeitsspiel für mindestens einen Zylinder gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte durchgeführt werden: - Bestimmen von mindestens zwei Kennwerten (P₁, P₂) für den Zylinderdruck (P) in bestimmten Kurbelwinkelpositionen (a), wobei ein erster Kennwert (P₁) dem Zylinderdruck (P) in einer frühen Phase der Verdichtung und ein zweiter Kennwert (P₂) dem Zylinderdruck (P) in einer späten Phase der Verdichtung entspricht; - Ermitteln von zumindest einem dritten Kennwert (ε_1; n₁) für die frühe Phase der Verdichtung, welcher als Anpassungsparameter eines theoretischen Modells des Kompressionsdruckverlaufes an den gemessenen Zylinderdruckverlauf in der frühen Phase der Verdichtung berechnet wird; - Ermitteln von zumindest einem vierten Kennwert (ε_2; n₂) für die späte Phase der Verdichtung, welcher als Anpassungsparameter des theoretischen Modells des Kompressionsdruckverlaufes an den gemessenen Zylinderdruckverlauf in der späten Phase der Verdichtung berechnet wird; - Definieren von Referenzwerten für jeden der ermittelten Kennwerte (P₁, P₂; ε₁, ε₂; n₁, n₂); - Berechnen der Abweichungen jedes der ermittelten Kennwerte (P₁, P₂; ε₁, ε₂; n₁, n₂) von den zugehörigen Referenzwerten; - Isolieren eines oder mehrerer Kompressionsfehler durch Abgleich der Kombination der Abweichungen mit einer vordefinierten Fehler-Symptom-Tabelle mittels einer Mustererkennungsmethode; - bei Detektion zumindest einiger der vordefinierten Fehler Bestimmen des Ausprägungsgrads des Fehlers aus zumindest zwei Ausprägungsgraden des Fehlers.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als dritter und vierter Kennwert (ε₁, ε₂) jeweils ein Verdichtungsverhältnis (ε) verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass als dritter und vierter Kennwert (ni, n₂) jeweils ein Polytropenexponent (n) verwendet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Referenzwert durch einen zuvor am Motor gemessenen und gespeicherten Kennwert gebildet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzwerte als betriebspunktabhängige Kennfelder gespeichert werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Referenzwert aus dem Mittelwert der Kennwerte (P₁, P₂; ε₁, ε₂; n₁, n₂) mehrerer oder aller Zylinder der Brennkraftmaschine gebildet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Referenzwert aus dem Mittelwert der Kennwerte (P₁, P₂; ε₁, ε₂; n₁, n₂) mehrerer oder aller Zylinder einer Zylinderbank der Brennkraftmaschine gebildet wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert als arithmetischer Mittelwert berechnet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert als Medianwert berechnet wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur (T_exh) gemessen wird und dass zumindest ein Messwert für die Abgastemperatur (T_exh) zur Unterscheidung verschiedener Undichtigkeitsfehler verwendet wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur (T_exh) zylinderindividuell gemessen wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderdruckverlauf über mehrere Arbeitsspiele gemittelt wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichungen zwischen über mehrere Arbeitsspiele gemittelten Kennwerten (P₁, P₂; ε₁, ε₂; n₁, n₂) und Referenzwerten bei der Diagnose verwendet werden.

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